專利名稱：：毒素和環境污染物的俘獲的制作方法
技術領域：
：本發明涉及潛在的有毒化學物質以及環境污染物(特別是在燃燒過程中產生的或揮發的)的去除。本發明特別可應用于任意材料燃燒產生的煙，包括工廠排放物、汽車廢氣等，還包括煙草燃燒產生的煙。為了方便起見，本發明將主要參照煙草煙霧的過濾材料進行描述，所述過濾材料與香煙、雪茄煙或煙斗或其它抽煙用具結合使用或作為其一部分。然而，預期本發明的材料可以與空調系統等結合使用，以除去房間或建筑物之內的揮發性有機污染物；作為反恐行動中所用防毒面具的一部分來過濾毒素；用于火災和/或具有持久性大氣污染的城市周圍，作為煙囪或其它未知的工業生產過程的過濾器；作為汽車廢氣排放系統的一部分來減少有毒排放物，以及用于其它類似的應用。另外，還預期了結合入空氣取樣裝置、俘獲揮發性物質用于分析，以及其它的并非與毒素和/或環境污染物的去除直接相關的其它應用。
背景技術：
：根據國際癌癥研究機構(InternationalAgencyforResearchonCancer)(IARC)的報導，在香煙煙霧中發現了44種被歸為"I類致癌物"的不同的化學物質。報道的九種主要化學物質包括金屬化合物和有機化合物(鈹、鎘、砷、鎳、鉻、2-萘基胺、氯乙烯、4-氨基聯苯和苯)。它們在主流煙霧中的濃度隨香煙的種類而變化(Smith等，1997)。通過在20世紀50年代引入有孔和無孔的過濾嘴，以及使用高度多孔性巻煙紙，人們觀察到從香煙煙霧攝入的致癌物顯著減少。但是，許多這樣的常規香煙過濾器無法滯留某些化學物質(Deliconstantinos等，1994)。因此，人們仍然需要更有效的過濾器，用來從香煙煙霧中除去在抽煙過程中產生的潛在有毒化學物質，特別是致癌物質。
發明內容根據本發明的第一個方面，提供了一種用來從一批氣體(abodyofgas)除去毒素和/或環境污染物的過濾材料，該過濾材料包含設置在載體內的膨潤土，所述載體的設置方式使得所述這批氣體與所述膨潤土相接觸。根據本發明的第二個方面，提供了一種從一批氣體中除去毒素和/或環境污染物的方法，該方法包括使所述這批氣體與膨潤土相接觸。根據本發明的第三個方面，提供了使用膨潤土從這批氣體除去毒素和/或有機污染物的應用。所述膨潤土可與離散的載體一起形成過濾材料，或者可以形成過濾材料的一部分。所述過濾材料可以是常規的過濾材料，例如通常用于香煙的纖維狀乙酸纖維素過濾器，但是也可形成可用來使氣流流過的過濾器的其它聚合基質或材料的一部分，例如沿管道或通道橫向設置的透氣性薄膜。可采用任意的方式將膨潤土包封在過濾材料中。當使用膨潤土從香煙煙霧中過濾潛在的有毒化學物質的時候，例如，膨潤土可以以研碎的、顆粒狀的或粉末狀的形式分散在聚合基質中，或者可以在所述基質中形成離散的區域。具體來說，對于香煙煙霧，所述基質可以用紙或其它惰性載體包封，所述紙或其它惰性載體可以是多孔性的，或是不可透過煙霧的，這是本領域技術人員眾所周知的。或者，存在將膨潤土包封在所述紙之內的離散區域。可以存在一個或幾個這樣的區域，這些區域可與常規過濾器的區域或者膨潤土分散在常規過濾器之內的區域相交替。在一個實施方式中，提供了一種用于香煙、雪茄或煙斗的煙草煙霧過濾器，該過濾器包含膨潤土，所述膨潤土的設置方式使得在抽香煙、雪茄或煙斗的時候產生的煙草煙霧在被吸入之前通過所述膨潤土過濾。該實施方式還提供了一種具有包含膨潤土的煙草煙霧過濾器的煙斗、香煙或雪茄，所述煙草煙霧過濾器以一定的方式設置，使得在抽香煙、雪茄或煙斗的時候產生的煙草煙霧在被吸入之前通過所述膨潤土過濾。香煙、雪茄和煙斗的常規形式是本領域技術人員眾所周知的。至少在存在過濾器的情況下，香煙中過濾器和煙草的常規設置形式是在遠離抽煙者口部的一端用紙包封含煙草的部分，與該部分相接的是靠近抽煙者口部的過濾器。預期這種常規的設置可用于本發明，但是也可采用任意其它的設置，使得膨潤土可用來過濾抽煙過程中產生的煙草煙霧。一種根據本發明的過濾器可插入煙斗中。如果需要的話，還可將膨潤土引入煙草中，例如引入雪茄中與抽煙者的嘴相鄰的部分。在另一個實施方式中，提供了一種過濾系統，該系統用來從位于某一空間內的一批氣體中過濾毒素和/或環境污染物，該系統包含膨潤土，其設置方式使得在所述空間內循環或再循環到該空間的氣流從該系統通過。具體來說，本發明的這個實施方式預期了一種置于空調裝置或通風管道等之內的過濾系統，使得在所述空調區域內產生的香煙煙霧和任意其它煙霧中包含的潛在的有毒化學物質，在其循環通過所述空調系統的時候從位于該區域的空氣中逐漸濾去。因此，即使在存在許多抽煙者的環境中，空氣中潛在有毒的化學物質的含量也可減少。因此，未抽煙的人員吸入的潛在有毒化學物質的量也會減少。同樣地，這批氣體可以被空氣取樣裝置俘獲以便用于分析。在另一個實施方式中，提供了一種用來從燃燒室產生的煙霧中過濾毒素的過濾器系統，該系統包括按一定方式設置的膨潤土，使得燃燒室內產生的氣體在排放的時候與所述膨潤土接觸。在本發明的一種形式中，在煙通過一堆膨潤土排放的時候，所述膨潤土可以與煙接觸。或者，所述膨潤土可以形成汽車廢氣面罩或防毒面具的一部分。通常所述膨潤土可以結合在過濾系統中，例如HEPA過濾器(丙烯酸酯封閉的聚氧化乙烯聚合物)或用于這樣的系統的其它常規過濾器。或者，所述氣流可通過設置在合適的容器內或通過載體固定的大塊膨潤土。本發明的膨潤土優選是鈣膨潤土。所述膨潤土可通過化學處理或物理處理進行改性，或者可以不經過改性。未改性的膨潤土主要是綠土粘土(smectiticclay)，具有帶負電性的表面(negativesurface)。本發明可采用改性和未改性的膨潤土的組合。可通過引入一種或多種表面活性劑對膨潤土顆粒的表面進行改性。可通過引入一種或多種表面活性劑，具體來說是陽離子性表面活性劑，以降低膨潤土的親水性，來對膨潤土進行改性。為達到此目的，通常可以使用具有通式(CH3)3NR+的季銨表面活性劑，例如溴化十六垸基三甲銨(CTAB)或甲苯磺酸十六烷基三甲銨(TTAB)對膨潤土進行改性。附圖簡述下面將參照以下附圖，僅通過實施例的形式描述本發明的實施方式，圖中:圖l顯示了在抽一支香煙之后，與空白膨潤土過濾器(即沒有香煙煙霧通過該過濾器)(A)相比，膨潤土(B)和改性膨潤土(C和D)過濾器變色的差異；圖2顯示了沒有香煙煙霧通過(圖1A)的己烷洗脫的吸收劑(膨潤土)的GC/MS譜圖；圖3顯示了有香煙煙霧通過的己烷洗脫的市售過濾器的GC/MS譜圖；圖3a-d給出了對于常規可得的過濾器，樣品MS譜圖中(a)甲苯，(b)4-環戊烯-1,3-二酮，(c)苯酚和(d)尼古丁的碎片圖樣(上部圖譜)與圖譜資料庫(下部圖譜)的比較；圖4顯示了有香煙煙霧通過的己烷洗脫的未改性膨潤土過濾器的GC/MS譜圖；圖4a-f給出了對于未改性的膨潤土過濾器，樣品MS譜圖中(a)乙苯，(b)對二甲苯，(c)苯，(d)間甲酚，(e)萘和(f)尼古丁的碎片圖樣(上部圖譜)與圖譜資料庫(下部圖譜)的比較；圖5顯示了用CTAB進行改性，并且有香煙煙霧通過的己烷洗脫的膨潤土過濾器的GC/MS譜圖；圖6顯示了用TTAB進行改性，并且有香煙煙霧通過的己垸洗脫的膨潤土過濾器的GC/MS譜圖；圖7是根據本發明的實施方式的香煙的部分截面圖，其包括其中設置有膨潤土的過濾材料；圖8是根據本發明實施方式的防毒面具的正視圖，其包括其中設置有膨潤土的過濾材料；圖9是根據本發明實施方式的汽車排氣裝置的正視圖，其包括其中設置有膨潤土的過濾材料；圖10是根據本發明實施方式的空調裝置的透視圖，其包括其中設置有膨潤土的過濾材料；圖ll是根據本發明實施方式的排氣煙囪的透視圖，其包括其中設置有膨潤土的過濾材料。具體實施方式首先來看圖7，圖中顯示了根據本發明實施方式的香煙10。香煙10包括煙草部分ll，在此部分中，煙草和常規的添加劑被包封在濾紙中，所述濾紙還包封了過濾材料12。在此情況下的過濾材料12包含設置在其中的膨潤土顆粒。所述膨潤土顆粒的分散可以是廣泛而均勻的，或者可以聚集在過濾材料12的一些部分。所述膨潤土通常是鈣膨潤土。所述膨潤土可以是未改性的，或者可以通過物理處理改性，或者通過用有機化學物質例如CTAB或TTAB進行化學處理來改性。可使用其它表面活性試劑或表面活性劑，特別是陽離子性表面活性劑對膨潤土進行改性。膨潤土設置在載體13中，對載體進行設置，以使得所述一批氣體和膨潤土接觸。所述載體13可以是常規載體，或者可以進行處理以確保與設置在其中的膨潤土顆粒的相容性。所述過濾材料12可包含常規的添加劑，除了加入膨潤土顆粒以外，可以通過常規的方式制造。在一個實施方式中，膨潤土可以設置在過濾材料12內的區域內。所述過濾材料12可以包含被膨潤土區域分隔的獨立的結構，或者可包含分散在單一結構內的膨潤土顆粒區域。在前一種情況下，所述獨立的結構可以通過任意常規的方式固定，膨潤土顆粒可以是游離的或分散在基質中，前提是所述基質對膨潤土從香煙煙霧吸收潛在有毒的化學物質的能力沒有顯著的負面影響。下面來看圖8，9，lO和ll，圖中顯示了本發明的其它實施方式，這些實施方式為防毒面具110,汽車排氣裝置210，空調裝置310和排氣煙囪410。它們分別包含過濾材料112，212,312和412,這些過濾材料包含分別分散在載體l13，213,313和413中的膨潤土。所述過濾材料112，212，312和412與過濾材料12類似，載體113,213,313和413也與載體13類似。下面將通過以下實施例說明本發明。實施例l-煙霧滯留在一批初始的實驗中，煙霧通過各種膨潤土吸收劑，滯留在膨潤土層中的有機化合物用己烷提取，使用GC/MS進行評價。這些初步結果顯示，膨潤土過濾器相對于空白樣品發生顯著的變色，這說明大量化合物被滯留，顏色和滯留程度也隨著吸收劑變化(圖l)。實施例2-金屬離子濃度(ICP-MS)在此實驗中，l支或3支香煙的煙霧鼓泡通過并收集在通過管道連接的兩個10。/a的HNO3(20毫升)溶液中。隨后將這些溶液合并，用水稀釋(X2)，通過ICP-MS分析。表l的結果清楚地顯示，在使用該收集技術的時候，通過使用如圖lA所示填充在玻璃管內的包含0.15克吸收劑(尺寸，75篩(sieve))的膨潤土過濾器，從香煙煙霧俘獲的目標金屬的量穩定地增大。這說明膨潤土能夠從香煙煙霧提取金屬表1-通過ICP-AES確定的香煙煙霧中選定金屬的濃度。煙霧收集在<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實施例3-金屬離子濃度(ICP-AES)在此實施例中，將1支、2支或4支香煙的煙霧鼓泡通過并收集在10%HNO3(10毫升)中，所述香煙沒有過濾器，具有市售過濾器或具有膨潤土過濾器(0.1克)。所述酸溶液的金屬含量通過電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)測定。然而，在初始提出的四種目標金屬(As，Cd,Cr和Pb)中，使用該技術僅觀察到具有穩定的可測量的Pb(表2)。表2-通過ICP-AES確定香煙煙霧中選定的金屬濃度。煙霧收集在10%HN03(IO毫升)中。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>上面未列出的目標金屬的定量極限As(O.047毫克升")；Cd(<0.014毫克升-1)和Cr(<0.01l毫克升").這些結果說明對于Cu，過濾器種類對金屬滯留沒有顯著的影響。而對于Zn，相對于市售過濾器，膨潤土過濾器基本滯留了顯著量的Zn。實施例4-過濾器滯留的有機化合物的鑒別。香煙購自菲利普莫瑞斯有限公司(PhilipMorrisLtd.)(皮特杰克森(PeterJackson)(超淡))，除去常規的過濾器。當使用膨潤土過濾器的時候，其如圖1A所示包含填充在玻璃管內的0.15克吸收劑(尺寸，75篩)。用真空泵使來自一支香煙的煙霧通過每個新的過濾器(流速接近25毫米/分鐘)。在煙霧通過管子之后，用己垸(1.5毫升)洗提吸收劑，以從吸收劑提取被滯留的有機化合物。對提取的己烷溶液進行過濾，然后直接注入GC/MS系統進行化合物鑒定，所述系統是裝有5973MSD的安捷倫(Agilent)6870GC系統。用于GC/MS的常規條件DB-5;30米X0.53毫米，I.D.0.5微米；He:1.2毫升/分鐘烘箱35C處理3分鐘，以4"C/分鐘的速率升至50。C,以5"C/分鐘的速率升至200。C。總歷程39分鐘。注射器無分流，250，l微升。檢測器MJS,300"C傳輸管道，全掃描為m/z50-500。"未通過煙霧"的膨潤土在用己垸萃取之后的譜圖(圖2)僅顯示一些低豐度(<15,000)的化合物。下文中，術語"通過煙霧的"表示香煙煙霧通過過濾器，術語"未通過煙霧的"簡單地表示不存在該過程的情況。起初，市售過濾器在"通過煙霧"之后進行提取。譜圖說明滯留了一些有機化合物(圖3)。市售過濾器上滯留的主要化合物包括尼古丁、甲苯、苯酚、乙烯酮、苧烯、糠醛、4-環戊烯-l，3-二酮、2-環戊烯-l-酮、2-呋喃羰醛(caboxaldehyde)、2，3-二甲基環戊-2-烯-1-酮，酚-2-甲氧基，三醋精和新植二烯。對有機化合物的檢測是基于將提取的樣品的MSS碎片圖樣與可得的譜圖庫比較來進行的(如圖3a-d所示)。未改性的膨潤土(圖lb)也"通過煙霧"并用己垸提取。與滯留在市售過濾器上的一些有機化合物相比，從通過煙霧的未改性的膨潤土過濾器中提取到200種以上高濃度的(高豐度)有機化合物(圖4)。主要有機化合物包括甲苯，乙苯，對二甲苯，L-亮氨酸，苯，2,4-己二烯,乙酮(ethanone)，2-呋喃羰醛，酚，苧烯，間甲酚，苯酚-2-甲氧基，對乙基苯酚，l-H-吲哚，萘，尼古丁，苯甲醇，茄酮，法呢基丙酮B,巨豆三烯酮(megastigmatrienone)，新菲卓二烯(neophytradinen),三醋精，煙堿烯，新植二烯。用CTAB改性的膨潤土(圖1C)也"通過煙霧"并用己垸提取。與使用天然的(未改性的)膨潤土過濾器時觀察到的情況一樣，在香煙煙霧通過之后，CTAB改性的過濾器也滯留了200種以上高濃度(高豐度)的有機化合物(圖5)。用TTAB改性的膨潤土(圖1C)在使香煙煙霧通過過濾器并用己垸提取之后，也滯留了超過190種高濃度(高豐度)的有機化合物(圖6)。這些實施例清楚地說明，膨潤土過濾器能夠滯留比常規過濾器(圖3)多得多的量的有機化合物(圖4，5和6)。在此研究中測試的三種不同的吸收劑上滯留的主要有機化合物的物理特性列于表3。通常，在有機膨潤土(改性的)過濾器上測得的任意特定有機化合物的量小于在天然膨潤土(未改性的)過濾器上測得的量。這可能是由于在改良的時候發生的膨潤土表面的變化、以及改性的膨潤土的表面位點與有機化合物之間的強烈的相互作用，造成對結合的化合物的提取更困難。表3.在香煙煙霧通過過濾器之后，從改性的和未改性的膨潤土過濾器提取的常規有機化合物的滯留時間和豐度3。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>a-吸收劑加載量0.15克在本發明所附的權利要求書和之前的描述中，除了上下文通過明確的語言或必要的暗示另有要求以外，詞語"包含"或其變體如"包括"或"含有"表示包括性的含義，即在本發明的各個實施方式中，表示所述特征的存在，但是不排除另外的特征的存在或加入。應明確理解，盡管本文引用了現有技術的公開內容，但是這種引用并不能表明我們承認這些文獻中的任何一篇在澳大利亞或任何其它國家構成公知技術的一部分。參考文獻以下文獻的內容參考結合入本文中D.Hoffman,I.Hoffman,《毒素與環境健康學報(■/.7bx/cfe五wv&o".//ea/A,)》1997,50,307-364。C丄Smith,S.D.Livingston,D丄Doolittle，《食品與化學有毒物質(Fooda"dCAem.7b;c/J》，1997,35，1107-1130。G.Deliconstantinos，V.Villiotou，J.C.Stavrides,《抗癌石開究"《"'ca"erU,1994,2717。R.D.Safaev，D.G.Zaridze，D.Hoffman,K.Brunnemann,Y.Liu.《實驗醫療Ow&o/og/aJ》，1995，17,71。R.Naseem,S.S.Tahir，《水研究(,紐J,2001，3982。S.A.Boyd，M.M.Mortland,C.T.Chiou，《美國土壤科學學報(5W/Sc/.」m."》1988。Y.H.Shen，《臭氧層(CA畫一eA^j>,2001,989。M.C.Irene,X.Y.Yang，《環境科技(￡>m>o".Tec/mo/.》，2001,35,620。L.H.Zhu，B丄.Chen，《環境科技(五"W簡.Sd.Tec/mo/J》,2000,34，2997。J丄Deitsch,J.A.Smith,M,B.Arnold,J.Bolus,《環境科技(￡>iWra".Tec/mo/.J,1998,32,3169。權利要求1.一種用來從一批氣體中除去毒素和/或環境污染物的過濾材料，其包含設置在載體內的膨潤土，所述載體按照一定方式設置，使得這批氣體和膨潤土能夠接觸。2.如權利要求l所述的過濾材料，其特征在于，所述膨潤土是研碎的、顆粒狀的和/或粉末狀的形式。3.如權利要求1或2所述的過濾材料，其特征在于，所述膨潤土是鈣膨潤土。4.如以上權利要求中任一項所述的過濾材料，其特征在于，所述膨潤土中的至少一部分通過化學處理或物理處理進行改性。5.如權利要求4所述的過濾材料，其特征在于，所述膨潤土包含改性的和未改性的膨潤土的混合物。6.如權利要求2所述的過濾材料，其特征在于，至少一部分所述膨潤土顆粒的表面通過引入表面活性試劑而進行改性。7.如以上權利要求中任一項所述的過濾材料，其特征在于，所述膨潤土中的至少一部分通過引入一種或多種表面活性劑減小其親水性來進行改性。8.如權利要求7所述的過濾材料，其特征在于，所述表面活性劑是陽離子性表面活性劑。9.如權利要求7所述的過濾材料，其特征在于，所述表面活性劑是具有通式(CH3)3NR+的季銨表面活性劑。10.如權利要求7所述的過濾材料，其特征在于，所述表面活性劑是溴化十六垸基三甲銨(CTAB)和/或甲苯磺酸十六烷基三甲銨(TTAB)。11.如以上權利要求中任一項所述的過濾材料，其特征在于，所述載體包括聚合基質。12.—種香煙、煙斗或雪茄，其包含如權利要求l-ll中任一項所述的過濾材料。13.—種防毒面具，其包含如權利要求l-ll中任一項所述的過濾材料。14.一種空調裝置，其包含如權利要求l-ll中任一項所述的過濾材料。15.—種汽車排氣裝置，其包含如權利要求l-ll中任一項所述的過濾材16.—種排氣煙囪，其包含如權利要求l-ll中任一項所述的過濾材料。17.—種從一批氣體中除去毒素和/或環境污染物的方法，該方法包括使這批氣體與膨潤土接觸。全文摘要一種用來從一批氣體中除去毒素和/或環境污染物的過濾材料，其包括設置在載體內的膨潤土，所述載體的設置使得這批氣體和所述膨潤土相接觸。文檔編號A24D3/16GK101321574SQ200680026292公開日2008年12月10日申請日期2006年6月14日優先權日2005年6月14日發明者P·J·拜恩申請人:愛克斯諾克斯技術有限公司