DE102021101099A1

DE102021101099A1 - Verwendung und Verfahren zur Reduktion der Virus-, Bakterien- und/oder Pilzsporenbelastung oder anderen biologischen Kontaminationen in Gasen

Info

Publication number: DE102021101099A1
Application number: DE102021101099.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Konrad; Wolfgang Sipos
Original assignee: Mecadi Chemicals/ Proc GmbH; Mecadi Chemicals/ Processing GmbH
Current assignee: Mecadi Chemicals/ Proc GmbH; Mecadi Chemicals/ Processing GmbH
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2021-09-30
Also published as: WO2021191294A1; EP4126084A1; US20230105253A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Ionenaustauschers zur Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen, wie Viren, Bakterien und Pilzsporen, in Gasen und Gasströmen, wie Raumluft und Atemluft, sowie ein zugehöriges Verfahren. In bestimmten Ausführungsformen ist der Ionenaustauscher ein teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H+-Ionen beladener Kationenaustauscher oder ein teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit OH--Ionen beladener Anionenaustauscher. Zusätzlich oder alternativ kann der Ionenaustauscher mit Übergangsmetallionen, wie Titan-, Kupfer- und/oder Silberionen beladen sein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Ionenaustauschers zur Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen in Gasen und/oder Gasströmen sowie ein zugehöriges Verfahren.
Keime, Viren und andere potentiell schädliche biologische Kontaminationen in Luft liegen in stark unterschiedlichen Partikelgrößen vor. Die Abmessungen reichen von etwa 10 nm für einzelne unbehüllte Viren bis hin zu einigen Mikrometern für Partikel wie Agglomerate, Anhaftungen an Staub oder Pollen oder Aerosole, die Flüssigkeiten, vor allem Wasser, enthalten. Die selektive Rückhaltung dieser Partikel, insbesondere durch Filtration, erfordert Trennmedien mit entsprechend kleinen Porengrößen. Je kleiner die Poren sind, umso höher wird aber der Druckverlust über das Trennmedium. Der mögliche Filterdurchsatz pro Fläche wird geringer, wodurch der Energieaufwand steigt. Filter können durch größere Staubpartikel weiter in Ihrem Durchsatz reduziert werden und erfordern dadurch Vorfiltersysteme.
Die effiziente Reduktion von biologischen Kontaminationen aus Luft, insbesondere Atemluft, trägt zur Reduktion der Ausbreitung von Krankheiten, die durch die Luft übertragen werden, bei. Hierbei sind insbesondere Erreger zu nennen, die die oberen Atemwege befallen und die sich durch Ausatmen als Aerosole sowie durch Sprechen aber insbesondere durch Husten und/oder Niesen als Tröpfchen in der Umgebungsluft verbreiten, beispielsweise Grippeviren und Coronaviren. Beispielhaft seien weiterhin folgende Pathogene genannt, denen das Personal von medizinischen Einrichtungen insbesondere im Bereich HNO ausgesetzt ist: Staphylococcus spp., Streptococcus spp., Hepatitis B virus, Humanes Immundefizienz-Virus (HIV), Cytomegalovirus (CMV), Herpes-simplex-Virus (HSV-1, HSV-11) und Humanes T-lymphotropes Virus (HTLV-11/LAV).
Erschwerend hinzu kommt auch die zunehmende Verbreitung von antibiotikaresistenten, teils multiresistenten Bakterien, wie zum Beispiel dem Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus (MRSA), Pseudomonas spec., Escherichia coli arcB und Mycobacterium tuberculosis.
Andere biologische Kontaminationen, wie beispielsweise Proteine und Pollen, können allergische Reaktionen und Asthma hervorrufen. Schimmelpilze und Pilzsporen können Toxine beinhalten oder freisetzen, die eine Reihe von gesundheitlichen Problemen verursachen können. Luft, die biologische Kontaminationen enthält, kann sich durch Lüftungsanlagen in Innenräumen von Gebäuden weit verbreiten. Daher ist es notwendig, die biologischen Kontaminationen aus diesen Luftmengen zu entfernen und/oder deren Menge zu reduzieren. Aus dem Stand der Technik sind Ansätze zur Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen bekannt.
In CN 205 760 203 U wird ein System zu Reinigung von Luft von Pathogenen beschrieben, wobei als Filter eine Kombination aus einem HEPA-9 Filter, einem Salzfilter, einem nano-Microfaserfilter und einem Aktivkohlefilter beschrieben ist. Das System soll durch den hohen Salzgehalt verschiedene Pathogene abtöten, sodass diese nicht den HEPA-Filter besiedeln und dessen Effizienz reduzieren. Grundsätzlich kann jedoch eine Besiedlung der Filter mit Pathogenen erfolgen und den Benutzer beim Filterwechsel gefährden. Der Aufbau des Systems ist aufwendig und die HEPA-Filtration ist zudem mit hohem Energieaufwand verbunden.
In CN 111 271 790 A wird eine Vorrichtung beschrieben, die Luft von Virusaerosolen reinigt. Die Vorrichtung umfasst eine Anordnung von Vorfiltern in den Stufen 10 µm und 1 µm, einen Feinfilter von 0,3 µm sowie eine UV-Quelle zur Sterilisation, einen Ultraschallgenerator, eine Hochspannungs-Vorrichtung zur Sterilisation („high-voltage electrostatic sterilization device“) sowie die Verwendung von Bauteilen aus Kupfer. Die Vorrichtung ist sehr komplex und schwierig auf große Luftmengen skalierbar.
In WO 2018/033793 A1 werden Materialien und Vorrichtungen für die Deaktivierung von Pathogenen in Aerosolen beschrieben. Als Lösung wird eine Salzausrüstung von Oberflächen vorgeschlagen, sodass bei Sorption von Aerosolen Viren und Bakterien durch einen hohen osmotischen Druck in der Lösung absterben. Nachteil dieser Erfindung ist, dass die Salzausrüstung von Oberflächen oder Fasern wasserlöslich ist, im trockenen Zustand eine Haftung vor allem auf Kunststoffen nur beschränkt gegeben ist und es zur Freisetzung der Salze und damit auch zu einem Wirksamkeitsverlust kommen kann.
In WO 98/57672 A2 wird eine Methode für die Entfernung von viralen und molekularen Pathogenen aus flüssigen biologischem Material mittels Ionenaustauschern beschrieben. Dafür kommen erfindungsgemäß bevorzugt diethylaminoethyl-funktionalisierte Anionenaustauscher im pH-Bereich von 5,2 bis 7,2 in Betracht.
In GB 1,092,754 A wird die Entfernung von Viren aus Blut mit einer Mischung aus Anionen- und Kationenaustauschern beschrieben, die Partikelgrößen zwischen 297 und 1190 µm aufweisen. Es ist die Verwendung der Natrium-, Kalium- und der Chloridform der Austauscher beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit unter anderem die Aufgabe zugrunde, biologische Kontaminationen effizient aus Gasen, insbesondere Luft, und Gasströmen zu entfernen und/oder zu reduzieren. Zudem soll die Entfernung und/oder Reduktion mit geringem Druckverlust ablaufen. Das verwendete System soll zudem leicht recycelbar sein, geringe Umwelteinflüsse haben, beim Tausch keine Kontaminationsgefahr für den Techniker darstellen und möglichst wenig in seinem Einsatzbereich limitiert sein. Das System soll langfristig stabil sein, möglichst über einen weiten Temperaturbereich.
Eine oder mehrere der vorgenannten Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung gelöst. Überraschenderweise wurde gefunden, dass Ionenaustauscher, insbesondere Kationenaustauscher in der H⁺-Form, Anionenaustauscher in der OH^--Form, mit Übergangsmetallionen beladene Kationenaustauscher, Chelatliganden tragende Ionenaustauscher, und Mischungen davon, eine besonders hohe Effizienz bei der Filtration bzw. Entfernung von biologischen Kontaminationen aus Gasen, insbesondere Luft, und/oder Gasströmen aufweisen.
Überraschenderweise sind insbesondere Kationenaustauscher in der H⁺-Form und Anionenaustauscher in der OH^--Form besonders effizient.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung somit die Verwendung eines Ionenaustauschers zur Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen in Gasen und/oder Gasströmen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen in Gasen und/oder Gasströmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase und/oder Gasströme durch einen Ionenaustauscher geführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die biologischen Kontaminationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Viren, Bakterien, Schimmelpilzen, Pilzsporen, Milben, Pollen sowie Bestandteile der Vorgenannten, Stoffwechselprodukte, wie zum Beispiel Mykotoxine, Proteinen, RNA und DNA, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus behüllten Viren, unbehüllten Viren, Bakterien, Pilzsporen und Proteinen und besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Coronaviren, SARS-Typ-Viren, SARS-CoV-2-Viren, resistenten Erregern und multiresistenten Erregern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der erfindungsgemäße Ionenaustauscher zumindest einen Kationenaustauscher, wobei der zumindest eine Kationenaustauscher ein schwach saurer und/oder ein stark saurer Kationenaustauscher sein kann und vorzugsweise ein stark saurer Kationenaustauscher ist. Der Kationenaustauscher kann teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladen sein.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Ionenaustauscher ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Anionenaustauschern, gemischten Anionen- und Kationenaustauschern, mit Übergangsmetallionen beladenen Kationenaustauschern, Chelatliganden tragenden Ionenaustauschern, Mischungen davon und Mischungen davon mit Kationenaustauschern. Vorzugsweise ist der Anionenaustauscher teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit OH^--Ionen beladen.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der erfindungsgemäße Ionenaustauscher zumindest einen mit Übergangsmetallionen beladenen Kationenaustauscher, wobei die Übergangsmetallionen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Pb, Ge, Ce, Sn, AI, einem Lanthanoid und Mischungen davon, und bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Silber, Titan und Mischungen davon.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Ionenaustauscher ferner hygroskopische Hilfsstoffe und/oder hygroskopische funktionelle Gruppen.
In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Aspekte der vorliegenden Erfindung ist das zu filtrierende Gas Luft, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Raumluft und Atemluft. Die Raumluft ist gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Raumluft in Schutzräumen, KFZ-Innenräumen, klimatisierten Räumen, Kabinen, Flugzeugen, Einsatzfahrzeugen, LKW Fahrerkabinen, Fahrzeugen von Sicherheitskräften, Krankenhausräumen, insbesondere Intensivstationen, Mitarbeiterräumen, Räumen zur Tierhaltung und anderen Räumen, in denen sich Menschen, Tiere oder Pflanzen aufhalten bzw. befinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Ionenaustauscher als Füllung eines Hohlkörpers und/oder als poröser Formkörper ausgeführt. Vorzugsweise wird der Hohlkörper und/oder der Formkörper in eine Atemschutzmaske eingelegt oder eingearbeitet oder mit ihr verbunden. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, liegt der Ionenaustauscher als Füllung eines Hohlkörpers vor, welcher in Luftumwälzsystemen, Klimaanlagen. Belüftungssystemen, Absauganlagen und Reinigungsgeräten integriert bzw. verbaut werden kann.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich eines oder mehrere Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Filtration, Befeuchtung, Trocknung, Kondensation, UV-Behandlung, Behandlung mit Corona oder Plasma, Behandlung mit Hochspannung, Behandlung mit radioaktiver Strahlung, Behandlung durch Wärmezufuhr, Behandlung durch Kältezufuhr, Ozonisierung, Dosierung von Gasen oder Flüssigkeiten zur Behandlung des Ionenaustauschers und/oder des Gases, insbesondere Luft, durchgeführt. Die Behandlung kann permanent oder in Intervallen durchgeführt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Verwendung mit einem oder mehreren der vorgenannten Verfahren kombiniert werden, um eine noch effizientere oder effektivere Dekontamination zu erzielen.
Generell ist es üblich die Reduktion von Keimen in Log-Stufen anzugeben; eine Log-Stufe entspricht einer Zehnerpotenz. Die Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Verwendung mit einer oder mehreren der genannten Verfahrensstufen führt vorzugsweise zu einer Erhöhung der Log-Stufen, zu einer Verlängerung der Standzeit, und/oder zu einer breiteren Wirksamkeit gegen verschiedenartige Pathogene, oder ggf. zu einer Polizeifilterfunktion bei Versagen eines Verfahrensschritts. Im Hinblick auf die Verfahrensschritte oder Stufen, die in Kombination angewendet werden können:

Filtrationsschritte können beispielsweise eine Packung aus erfindungsgemäßen Ionenaustauschern vor Verblockung mit Grobstaub schützen und/oder auch selbst eine weitere oder Vorreduktion von Pathogenen bewirken.

Durch die Befeuchtung und Trocknung können für den erfindungsgemäßen Ionenaustauscher verbesserte bzw. optimale Bedingungen hergestellt werden. Dazu zählt die Verhinderung einer kompletten Austrocknung und das Entstehen von Kondensaten die zu einer Erhöhung des Druckabfalles führen. Die Kondensation von Flüssigkeit selbst kann zusätzlich Aerosole reduzieren. Durch UV-Behandlung können Pathogene zusätzlich im Luftstrom abgetötet werden oder auch Pathogene die sich an der Oberfläche oder zwischen erfindungsgemäßen lonenaustauscherpartikeln befindenden. Ionenaustauscher sind elektrisch leitfähig. Insofern können die Ionenaustauscher selbst oder die Ionenaustauscher in einem Elektrolyt durch elektrischen Strom leiten. Dadurch kann die Wirksamkeit der Ionenaustauscher selbst gegen Pathogene erhöht werden oder es kann eine kontinuierliche Regeneration stattfinden, insbesondere durch Entstehung von H⁺- und OH^- -Ionen an Elektroden. Durch Kombination mit Hochspannung, Corona oder Plasma können in den Gasströmen zusätzlich Pathogene reduziert werden, indem aktive Spezies wie Radikale oder Ozon entstehen. Die Behandlung mit radioaktiver Strahlung ist ein bekanntes Verfahren zur Reduktion von Pathogenen, das mit der erfindungsgemäßen Verwendung von Ionenaustauschern kombiniert werden kann. Durch Wärmezufuhr kann sowohl die Zahl der Pathogene in Luftströmen in Kombination mit dem Ionenaustauscher reduziert werden. Es kann aber auch der Ionenaustauscher erwärmt werden, um eine Reduktion von Pathogen oder Sterilisation des Tauschers zu bewirken oder eine beschleunigte Freisetzung von wirksamen Ionen. Der Stofftransport von gegen Pathogene wirksamen Ionen aus dem Inneren von erfindungsgemäßen Ionenaustauschern an die Oberfläche zu darauf befindlichen Pathogenen läuft bei höheren Temperaturen häufig schneller ab, was kürzere Kontaktzeiten und eine höhere Durchströmung einer mit Ionenaustauscher gefüllten Anordnung ermöglicht. Eine Kältezufuhr als zusätzlicher Verfahrensschritt kann zur Kondensation von Flüssigkeiten und zu einer zusätzlichen Reduktion von Aerosolen führen. Als zusätzlicher Verfahrensschritt kann vor oder nach der Behandlung des Luftstroms mit einem Ionenaustauscher durch die Dosierung von bekannten gegen Pathogene wirksamen Gasen oder Flüssigkeiten eine noch weitere Reduktion der Pathogene bewirkt werden. Die Dosierung kann auch direkt in z.B. eine Packung des Ionenaustauschers erfolgen, wobei der Austauscher die Gase oder Flüssigkeiten auch aufnehmen kann. Die Zudosierung von Wasser als Dampf oder als Flüssigkeit kann auch dazu dienen, eine Austrocknung des Austauschers zu verhindern. Die Dosierung von Säuren in Kationenaustauscher oder Basen in Anionenaustauscher kann auch zu einer Regeneration des Austauschers führen.
Für die Belange dieser Anmeldung haben die folgenden Begriffe die folgenden Bedeutungen:

Der Begriff „Ionenaustauscher“ bezeichnet nach den IUPAC-Empfehlungen eine feste oder flüssige anorganische oder organische Verbindung, die Ionen enthält, welche mit anderen Ionen des gleichen Ladungsvorzeichens ausgetauscht werden können, die in einer Lösung vorhanden sind, in welcher der Ionenaustauscher als unlöslich angesehen wird. Entsprechend bezeichnet ein „Kationenaustauscher“ einen Ionenaustauscher, der mit Kationen beladene anionische funktionelle Gruppen enthält und Kationen austauscht, und ein „Anionenaustauscher“ einen Ionenaustauscher, der mit Anionen beladene kationische funktionelle Gruppen enthält und Anionen austauscht. Die Ionenaustauscher der vorliegenden Erfindung sind Feststoffe, insbesondere Harze oder Gele.

Als „biologische Kontamination“ werden Verunreinigungen biologischen Ursprungs oder biologischer Natur verstanden, die in Gasen und/oder Gasströmen in isolierter Form oder in der Form von Agglomeraten, Anhaftungen an Staub oder Pollen oder Aerosolen enthalten sein können, und die keine niedermolekularen Verbindungen sind. Als „niedermolekulare Verbindung“ wird eine Verbindung angesehen, die ein Molekulargewicht von 200 Da, bevorzugt 750 Da und besonders bevorzugt 1000 Da nicht übersteigt. Insbesondere umfasst der Begriff „biologische Kontamination“ Bakterien, Viren, Schimmelpilze, Pilzsporen, Milben, Pollen sowie Bestandteile der Vorgenannten, Stoffwechselprodukte, wie zum Beispiel Mykotoxine, Proteine, RNA und DNA.
Das Begriffspaar „Entfernung und/oder Reduktion“ von biologischen Kontaminationen bedeutet, dass die Menge an biologischen Kontaminationen in den Gasen und Gasströmen verringert wird, wenn der Ionenaustauscher mit den Gasen und Gasströmen in Kontakt gebracht wird, d.h., in den Ionenaustauscher eintretendes Gas hat eine höhere Beladung mit biologischen Kontaminationen als daraus austretendes Gas. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Gas oder der Gasstrom durch den Ionenaustauscher geleitet, und das austretende Gas beinhaltet eine im Vergleich zum eingeleiteten Gas oder Gasstrom geringere Menge an biologischer Kontamination, vorzugsweise eine nicht nachweisbar geringe Menge. Die Menge an biologischen Kontaminationen kann über dem Fachmann bekannte Methoden, z.B. mikrobiologisch, molekularbiologisch oder durch MALDI-TOF-MS oder HPLC bestimmt werden. Die Entfernung und/oder Reduktion speziell von Bakterien und Viren kann nach EN 14126, analog ISO 16603 und ISO 22610, beurteilt werden.
Die Verwendung des Ionenaustauschers in „Gasen und/oder Gasströmen“ bedeutet, dass der Ionenaustauscher sowohl zur Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen in im Wesentlichen statischen, d.h., nicht strömenden, Gasen, als auch zur Entfernung von biologischen Kontaminationen in strömenden Gasen verwendet werden kann. Im ersteren Fall kann der Ionenaustauscher aktiv im Gas bewegt werden, um mit einem möglichst hohen Anteil des Gases kontaktiert zu werden. Im zweiten Fall wird das strömende Gas aktiv durch den Ionenaustauscher geleitet, beispielsweise durch Ventilatoren oder Gebläse. Als Gas und/oder Gasstrom werden dabei reine Gase (z.B. Stickstoff, Sauerstoff und Helium), Gasgemische (z.B. Luft, insbesondere Raumluft, oder synthetische Luft), und Dispersionen fester oder flüssiger Stoffe mit Gasen oder Gasgemischen (z.B. Aerosole, Nebel, Rauch, Staub und Feinstaub) verstanden.
Unter einem „Aerosol“ wird eine Dispersion fester oder flüssiger Stoffe mit Gasen oder Gasgemischen verstanden, in welcher wenigstens 50 Gew.-% der Partikel eine Teilchengröße von weniger als 10 µm, vorzugsweise weniger als 5 µm, aufweisen. Die Partikel haben überwiegend eine Größe zwischen 0,1 µm bis 10 µm bzw. 0.1 bis 5 µm, die kleinsten Partikel sind wenige Nanometer groß, eine Obergrenze gibt es nicht. Sehr große Partikel sedimentieren aber sehr schnell und sind damit wenig praxisrelevant.
Der Ionenaustauscher
Der Ionenaustauscher der vorliegenden Erfindung kann ein Kationenaustauscher, ein Anionenaustauscher, ein gemischter Anionen- und Kationenaustauscher, ein mit Übergangsmetallionen beladener Kationenaustauscher, ein Chelatliganden tragender Ionenaustauscher, oder eine Mischung davon sein. Besonders bevorzugt gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Ionenaustauscher ein „organischer Ionenaustauscher“. Organische Ionenaustauscher basieren gemäß der vorliegenden Erfindung auf
Polymeren oder Copolymeren, welche anionisch und/oder kationisch geladene funktionelle Gruppen enthalten und vorzugsweise quervernetzt sind. Organische Ionenaustauscher schließen sogenannte „Kunstharz-lonenaustauscher“ ein und werden vorliegend auch als „Polymer-basierte Ionenaustauscher“ bezeichnet.
Wenn nachfolgend pKs-Werte für funktionelle Gruppen der Ionenaustauscher angegeben werden, dienen diese der Definition bzw. Klassifizierung der jeweiligen Gruppe und beschreiben in keiner Weise den pH-Wert bei der erfindungsgemäßen Anwendung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Ionenaustauscher ein Kationenaustauscher. Der Kationenaustauscher kann ein anorganischer oder organischer Kationenaustauscher sein. Vorzugsweise ist der Kationenaustauscher ein organischer Kationenaustauscher. Organische Kationenaustauscher, insbesondere kationische Kunstharz-Ionenaustauscher, basieren auf vorzugsweise quervernetzten Polymeren oder Copolymeren, welche anionisch geladene funktionelle Gruppen enthalten.
Beispielhaft genannt für typische Vernetzer seien wie Divynilbenzol, Trivinylbenzol Ethylendiacrylat, Diallylmaleat oder -fumarat oder -itaconat.
Es können auch mehrfach ungesättigte polymerisierbare Substanzen wie z.B. Divinylbenzol, Ethylendimethacrylat, Diallylether oder Allylacrylat mit Acryl- oder Methacrylsäure copolymerisiert werden. Die Polymerisation wird z.B. mit Peroxiden wie Benzoylperoxyd durchgeführt. Die Polymerisation kann beispielsweise als Emulsionspolymerisation durchgeführt werden. Dabei kann der Fachmann über Steuerung der Polymerisationsbedingungen die Teilchenverteilung der entstehenden Ionenaustauscher steuern.
Als polymere Basis der Ionenaustauscher sind auch Biopolymere als Träger möglich wie z.B. Sepharose, Agarose oder Cellulose.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der zumindest eine Kationenaustauscher ein schwach saurer und/oder ein stark saurer Kationenaustauscher.
Als „stark saurer Kationenaustauscher“ wird ein Kationenaustauscher verstanden, der anionisch geladene funktionelle Gruppen enthält, wobei die freie Säure dieser anionisch geladenen funktionellen Gruppen einen pKs-Wert von 3 oder weniger, vorzugsweise 2 oder weniger aufweist. Bei Säuren mit mehreren Dissoziationsstufen und demzufolge mehreren pKs-Werten ist dieses Erfordernis erfüllt, wenn einer der pKs-Werte im angegebenen Bereich liegt. Ein Beispiel hierfür sind Sulfonatgruppen. In einer Ausführungsform ist der stark saure Kationenaustauscher ein quervernetztes Polystyrolsulfonat oder quervernetzte Poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propansulfonsäure) (PolyAMPS). In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich um FormaldehydKondensate, die Methylsulfonsäure-Gruppen enthalten, sulfonierte Zeolithe, sulfonierte Aktivkohlen, sulfonierte Braunkohle oder sulfonierte vernetzte Lignine. Weitere Ausführungsformen umfassen sulfonierte Naturstoffe oder allgemein sulfonierte Materialien in Form von Fasern, Mahlgut oder Formkörpern. Auch Kationenaustauscher mit anderen stark sauren, kovalent an eine makromolekulare oder anorganische Struktur gebundenen Gruppen sind „stark saure Kationenaustauscher“ im Sinne der vorliegenden Erfindung. Der stark saure Kationenaustauscher kann auch mehrere verschiedene anionisch geladene funktionelle Gruppen enthalten, wobei die freie Säure dieser anionisch geladenen funktionellen Gruppen jeweils einen pKs-Wert von 3 oder weniger, aufweist. Beispielhaft genannt für erfindungsgemäß vorgesehene stark saure Kationenaustauscher seien Dowex ® 50W-X8 (stark saurer Kationenaustauscher in der H⁺-Form) der Sulfonsäuregruppen in einer mit Divinylbenzol vernetzten Styrolmatrix enthält. Als weitere Beispiele kommerzieller Austauscher seien Amberlite ® IR 120, Amberlite® IRC 120, der makroporöse Amberlyst ®14 und Dowex 50 WX-4 genannt.
Als „schwach saurer Kationenaustauscher“ wird ein Kationenaustauscher verstanden, der anionisch geladene funktionelle Gruppen enthält, wobei die freie Säure dieser anionisch geladenen funktionellen Gruppen einen pKs-Wert im Bereich von mehr als 3 bis einschließlich 7, vorzugsweise mehr als 3 bis einschließlich 5, aufweist. Ein Beispiel hierfür sind Carboxylat- bzw. Carbonsäuregruppen. In einer Ausführungsform ist der schwach saure Kationenaustauscher ein quervernetztes Polyacrylat, ein Polymerisat aus Maleinsäureanhydrid und Styrol oder ein Copolymerisat von Divinylbenzol und Acryl- oder Methacryl-Monomeren. Der schwach saure Kationenaustauscher kann auch mehrere verschiedene anionisch geladene funktionelle Gruppen enthalten, wobei die freie Säure dieser anionisch geladenen funktionellen Gruppen jeweils einen pKs-Wert von mehr als 3 bis einschließlich 7 aufweist. Beispiele für erfindungsgemäß vorgesehene, kommerziell erhältliche schwach saure Kationenaustauscher sind Serdolit CW-1 (Serva), Ionenaustauscher IV (Merck) und Resinex K-H.
Kationenaustauscher, die verschiedene anionisch geladene funktionelle Gruppen enthalten, wobei die freie Säure eines Teils dieser anionisch geladenen funktionellen Gruppen einen pKs-Wert im Bereich von 3 oder weniger aufweist und die freie Säure eines anderen Teils dieser anionisch geladenen funktionellen Gruppen einen pKs-Wert im Bereich von mehr als 3 bis einschließlich 7 aufweist, werden vorliegend als „mittelsaure Kationenaustauscher“ bezeichnet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Kationenaustauscher teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladen. Unter einem teilweise mit H⁺-lonen beladenen Kationenaustauscher wird ein Kationenaustauscher verstanden, bei dem zumindest 50 mol-%, bevorzugt zumindest 75 mol-% und besonders bevorzugt zumindest 80 mol-% aller anionisch geladenen funktionellen Gruppen in der protonierten Form, d.h., in der Form ihrer freien Säure vorliegen. Unter einem im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladenen Kationenaustauscher wird ein Kationenaustauscher verstanden, bei dem zumindest 90 mol-%, bevorzugt zumindest 95 mol-% und besonders bevorzugt zumindest 98 mol-% aller anionisch geladenen funktionellen Gruppen in der protonierten Form, d.h., in der Form ihrer freien Säure vorliegen. Die verbleibenden funktionellen Gruppen tragen Kationen als Gegenionen. Diese können gemäß einer Ausführungsform ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Alkalimetallionen, Erdalkalimetallionen, Ammonium oder Phosphonium, Übergangsmetallkationen und Mischungen davon. Kommerziell erhältliche Kationenaustauscher enthalten meist Alkalimetallionen und können durch waschen mit Säuren in die H⁺ -Ionen Form überführt werden Der so erhaltene teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladene Kationenaustauscher enthält somit üblicherweise noch gewisse Mengen an Alkalimetallionen oder anderen Kationen.
Der teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladene stark saure Kationenaustauscher kann erhalten werden, indem der Kationenaustauscher mit einer wässrigen Lösung einer starken Säure gewaschen wird. Unter einer „starken Säure“ wird eine Säure verstanden, die einen pKs-Wert von 2 oder weniger, vorzugsweise 0 oder weniger aufweist. Der pKs-Wert kann geläufigen Tabellenwerken entnommen werden. Die starke Säure kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Salzsäure, Schwefelsäure, Bromwasserstoffsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure und Mischungen davon. Die wässrige Lösung hat vorzugsweise einen pH-Wert im Bereich von 0 bis 2, bevorzugt von 0 bis 1,5 und besonders bevorzugt von 0,5 bis 1.
In einer bevorzugten Ausführungsform tragen die verbleibenden funktionellen Gruppen Übergangsmetallkationen, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kationen von Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Pb, Ge, Ce, Sn, AI, einem Lanthanoid und Mischungen davon, bevorzugt ausgewählt sind aus Kationen der Gruppe bestehend aus Cu, Ag, Ti und Mischungen davon. Die Ionen können dabei in verschiedenen Wertigkeiten vorliegen. Insbesondere kann Eisen als Fe⁺⁺ und/oder Fe⁺⁺⁺ vorliegen, Kupfer als Cu⁺ und/oder Cu²⁺ und Titan als Ti++, Ti+++ und/oder Ti++++. Besonders bevorzugt ausgewählt sind die Kationen aus der Gruppe bestehend aus Cu⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Ti++++ und Mischungen davon.
Alternativ kann der Kationenaustauscher teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit Übergangsmetallkationen beladen sein, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kationen von Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Pb, Ge, Ce, Sn, AI, einem Lanthanoid und Mischungen davon, bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kationen von Ti, Cu, Ag und Mischungen davon, und besonders bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Cu⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Ti++++ und Mischungen davon. Unter einem teilweise mit Übergangsmetallkationen beladenen Kationenaustauscher wird ein Kationenaustauscher verstanden, bei dem zumindest 50 mol-%, bevorzugt zumindest 75 mol-% und besonders bevorzugt zumindest 80 mol-% aller anionisch geladenen funktionellen Gruppen mit einem Übergangsmetallkation elektrisch neutralisiert sind. Unter einem im Wesentlichen vollständig mit Übergangsmetallkationen beladenen Kationenaustauscher wird ein Kationenaustauscher verstanden, bei dem zumindest 90 mol-%, bevorzugt zumindest 95 mol-% und besonders bevorzugt zumindest 98 mol-% aller anionisch geladenen funktionellen Gruppen mit einem Übergangsmetallkation elektrisch neutralisiert sind.
Die Beladung mit Übergangsmetallkationen kann erfolgen, indem eine Lösung aus einem Übergangsmetallionensalz, beispielsweise ein Übergangsmetallionenchlorid, -bromid, -sulfat, -nitrat, -perchlorat, -acetat oder -trifluoracetat, auf den im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladenen Kationenaustauscher aufgebracht wird. Die erzielte Beladung ist von der eingesetzten Menge als auch von Faktoren wie Selektivität, Verweilzeit, Temperatur, pH-Wert und Löslichkeit abhängig. Hohe Beladungen werden nach dem Fachmann bekannten Verfahren in Säulen im Durchlauf erzielt. Um eine vollständige Beladung sicherzustellen ist meist ein Überschuss erforderlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Kationenaustauscher nicht mit Übergangsmetallkationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Mischungen davon beladen. Besonders bevorzugt ist der Kationenaustauscher nicht mit Übergangsmetallkationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kationen von Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Pb, Ge, Ce, Sn, AI, einem Lanthanoid und Mischungen davon beladen. In dieser Ausführungsform ist der Kationenaustauscher mit anderen Worten im Wesentlichen frei von Übergangsmetallkationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag, und Mischungen davon, und bevorzugt im Wesentlichen frei von Übergangsmetallkationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Pb, Ge, Ce, Sn, AI, einem Lanthanoid und Mischungen davon. „Im Wesentlichen frei von Übergangsmetallkationen“ bedeutet, dass diese Übergangsmetallkationen in einer so geringen Menge vorhanden sind, dass diese die Eigenschaften des Ionenaustauschers nicht beeinflussen, z.B. in einer Menge von weniger als 0,5 Gew.-%, bevorzugt von weniger als 0,1 Gew.-%. Kleinere Verunreinigungen mit Übergangsmetallkationen können, abhängig von dem verwendeten Kationenaustauscher und dessen Synthese- und Lagerungsbedingungen, sowie während der erfindungsgemäßen Verwendung, nicht ausgeschlossen werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Kationenaustauscher übergangsmetallfrei.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Ionenaustauscher ein Anionenaustauscher. Denkbar ist allgemein der Einsatz von Materialien, bei denen die Beladung mit Anionen möglich ist. Der Anionenaustauscher kann ein anorganischer oder organischer Anionenaustauscher sein. Vorzugsweise ist der Anionenaustauscher ein organischer Anionenaustauscher, insbesondere ein Kunstharz-Ionenaustauscher. Organische Anionenaustauscher basieren auf quervernetzten Polymeren oder Copolymeren, welche kationisch geladene funktionelle Gruppen enthalten. Erfindungsgemäß ist die Verwendung von Typ I und Typ II Anionenaustauschern vorgesehen.
Basispolymere für die Anionenaustauscher können zum Beispiel Cellulose, Agarose, Dextrane Polyvinylalkohol oder Polystyrol sein.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der zumindest eine Anionenaustauscher zumindest ein schwach basischer und/oder ein stark basischer Anionenaustauscher.
Als „stark basischer Anionenaustauscher“ wird ein Anionenaustauscher verstanden, der quaternäre Ammoniumgruppen oder Phosphoniumgruppen enthält. Unter einer „quaternären Ammoniumgruppe“ wird eine funktionelle Gruppe mit einem Stickstoffatom, welches vier Organylreste trägt, verstanden. Ein Organylrest bezeichnet dabei gemäß IUPAC-Definition eine beliebige organische Substituentengruppe, unabhängig von ihrer Funktionalität, die eine freie Valenz an einem Kohlenstoffatom trägt, beispielsweise CH₃-CH₂-, ClCH₂-, CH₃C(=O)-, 4-pyridylmethyl-. In einer bevorzugten Ausführungsform trägt das Stickstoffatom drei Reste, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Alkylresten und Arylresten. Den vierten Rest am Stickstoffatom stellt das polymere Gerüst des Anionenaustauschers dar. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die quaternäre Ammoniumgruppe eine Diethyl-2-hydroxyethylammoniumgruppe oder eine sterisch gehinderte Ammoniumgruppe, die beispielsweise durch Quaternisieung von 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (DABCO) abgeleitet ist und eine hohe Basenstabilität besitzt. Beispiele für erfindungsgemäß vorgesehene, kommerziell verfügbare stark basische Anionenaustauscher sind Amberlite IRA-402, Amberlite IRA-410,Amberjet 4200 CL und Dowex 1x8.
Als „schwach basischer Anionenaustauscher“ wird ein Anionenaustauscher verstanden, der protonierbare und/oder protonierte Aminogruppen (-NR¹R²) enthält, wobei R¹ und R² jeweils unabhängig voneinander eine Organylgruppe darstellen. Als Beispiel seien hier Diethylaminoethylgruppen tragende Ionenaustauscher genannt. Schwach basische Anionenaustauscher werden bevorzugt im sauren bis neutralen pH Bereich bis 100 °C eingesetzt. Für schwach basische Anionenaustauscher kann die Regeneration mit schwachen Basen wie z.B. Ammoniaklösung erfolgen. Beispiele für erfindungsgemäß vorgesehene, kommerziell verfügbare schwach basische Anionenaustauscher sind Amberlite IRA-67, Serdolit AW-1, Dowex M43, Resinex AB-1 oder Lewatit MP62 und MP68.
Enthält der Anionenaustauscher schwach basische und stark basische Gruppen gemäß obiger Definition, also sowohl protonierbare und/oder protonierte Aminogruppen (-NR¹R²) als auch quaternäre Ammoniumgruppen oder Phosphoniumgruppen, wird er vorliegend als „mittelbasischer Anionenaustauscher“ bezeichnet. Als Beispiel für erfindungsgemäß vorgesehene, kommerziell verfügbare mittelbasische Anionenaustauscher sei Lewatit S4268 genannt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Anionenaustauscher teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit OH^--Ionen beladen. Unter einem teilweise mit OH^--Ionen beladenen Anionenaustauscher wird ein Anionenaustauscher verstanden, bei dem zumindest 50 mol-%, bevorzugt zumindest 75 mol-% und besonders bevorzugt zumindest 80 mol-% aller kationisch geladenen funktionellen Gruppen ein Hydroxidion als Gegenion aufweisen. Unter einem im Wesentlichen vollständig mit OH^--Ionen beladenen Anionenaustauscher wird ein Anionenaustauscher verstanden, bei dem zumindest 90 mol-%, bevorzugt zumindest 95 mol-% und besonders bevorzugt zumindest 98 mol-% aller kationisch geladenen funktionellen Gruppen ein Hydroxidion als Gegenion aufweisen.
Beim erfindungsgemäßen Einsatz von Anionenaustauschern, die teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit OH^--Ionen beladen sind, ist deren thermische Stabilität zu berücksichtigen. Die maximale Arbeitstemperatur für stark basische Anionenaustauscher liegt häufig unter 100°C. Beispielsweise beträgt die maximale Arbeitstemperatur bei der funktionellen Gruppe - CH₂-N(CH₃)₃ ⁺ 100°C für die Cl-Form und 60°C für die OH^-Form. Für Harze mit der funktionellen Gruppe - CH₂-N⁺(CH₃)₂-CH₂-CH₂-OH beträgt die maximale Einsatztemperatur der OH-Form häufig 35°C, wobei die Zersetzungsprodukte aber nicht riechbar sind. Eine nur teilweise Funktionalisierung mit OH- führt häufig zu Produkten mit höherer thermischer Stabilität und Lebensdauer.
Die verbleibenden funktionellen Gruppen tragen Anionen als Gegenionen. Diese können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Halogenidionen, vorzugsweise Chlorid-, Bromid- und/oder lodidionen, Sulfat, Sulfit, Phosphat, Hydrogenphosphat, Dihydrogenphosphat, Nitrat, Perchlorat, Fluorid, Azid, Borat und Mischungen davon, und sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Chlorid, Sulfat, Borat (BO₃ ^3-) oder Tetrahydroxyborat (B(OH)₄ ^-) und Mischungen davon.
Der teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit OH^--Ionen beladene Anionenaustauscher kann erhalten werden, indem ein Anionenaustauscher mit einer wässrigen Lösung einer starken Base gewaschen wird. Unter einer „starken Base“ wird eine Base verstanden, die einen pK_B-Wert von 2 oder weniger, vorzugsweise 0 oder weniger aufweist. Die starke Base kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Cäsiumhydroxid und Mischungen davon. Die wässrige Lösung hat vorzugsweise einen pH-Wert im Bereich von 12 bis 14, bevorzugt von 12,5 bis 14 und besonders bevorzugt von 13 bis 13,5.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Ionenaustauscher ein gemischter Kationen- und Anionenaustauscher. Als „gemischter Kationen- und Anionenaustauscher“ wird ein Ionenaustauscher verstanden, der sowohl anionische als auch kationische Gruppen trägt, vorzugsweise solche Gruppen wie oben beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform trägt der Ionenaustauscher chelatisierende Gruppen. Dadurch können gezielt mehrwertige Ionen in der Hülle von Mikroorganismen aufgenommen werden, z.B. bei einer Selektivität für Calcium und Magnesium, und dadurch Membranprozesse von Mikroorganismen gestört werden. Beispielhafte Ionenaustauscher mit chelatisierenden Gruppen sind solche, deren chelatisierende Gruppen sich ableiten von Iminodiessigsäure, Amidoximen, Thioharnstoff, Aminophosphonsäuren, Bispicolylamin, Ethylendiamintetraessigsäure, Hydroxychinolin-, Guanidin-, Dithiocarbamat-, Hydroxamsäure-, Aminophosphorsäure-, Polyamino-, Mer¬ capto-, 1,3-Dicarbonyl-, Thio- und/ oder Cyanogruppen.
In einer weiteren Ausführungsform basiert der Ionenaustauscher auf natürlich vorkommenden ionenaustauschenden Materialien, wie Mineralien, Boden oder Erdreich oder chemisch modifizierten Varianten davon oder durch mechanische oder physikalischen Verfahren aufbereiteten Varianten davon. Beispielhaft genannt seien Böden, die Tonmineralien oder Huminsäuren enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat der Ionenaustauscher der vorliegenden Erfindung eine Ionenaustauschkapazität von 0,5 bis 11 meq/g, besonders bevorzugt von 1.5 bis 6 meq/g.
Eine hohe Austauschkapazität führt prinzipiell zu einer hohen Aufnahmekapazität für Pathogene und der möglichen Abgabe großer Mengen an potentiell für die Pathogene schädlichen Ionen, aber auch zu einer hohen Quellung bei Feuchte und zu schlechteren mechanischen Eigenschaften. Die geeignete Anpassung der lonenaustauscherkapazität kann gemäß den Anwendungsanforderungen erfolgen.
Die Ionenaustauschkapazität gibt die Anzahl an Milliäquivalenten des austauschbaren Ions pro Gramm des trockenen Ionenaustauschers an und kann durch Titration bestimmt werden. Materialien mit hoher Ionenaustauschkapazität können sowohl mit hohen Mengen an Metallionen, falls gewünscht, als auch mit hohen Mengen an biologischer Kontamination beladen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Ionenaustauscher eine hohe innere Oberfläche, vorzugsweise eine Oberfläche im Bereich von 15 bis 1000 m²/g, bevorzugt von 20 bis 120 m²/g, gemessen mit Stickstoff und der BET-Methode nach ISO 9277:2010. Eine hohe innere Oberfläche ermöglicht prinzipiell eine hohe lonenaustauscherkapazität.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Ionenaustauscher Mischungen der oben genannten Ionenaustauscher enthalten.
Die Ionenaustauscher können in Form von Partikeln, Kugeln, porösen Formkörpern, Fasern, Folien oder Papieren vorliegen. Die Formkörper können auch erst nach Herstellung mit ionenaustauschenden Gruppen funktionalisiert werden. Die Partikelgröße der Austauscher kann in einem weiten Größenbereich variieren. So kann der Median der Partikelgrößenverteilung d₅₀ im Bereich von 1 µm bis 10 mm liegen, bevorzugt im Bereich von 10 µm bis 5 mm, noch bevorzugter im Bereich von 100 µm bis 2 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 300 µm bis 1 mm. Der Median der Partikelgrößenverteilung ist die Partikelgröße, bei der 50 Gew.-% der Partikel kleiner als die angegebene Partikelgröße sind. Die Partikelgrößenverteilung kann über ein Siebverfahren nach ASTM C136 / C136M - 19 oder über ein Sedimentationsverfahren nach ISO 13317:2001 bestimmt werden. Bezüglich der Breite der Partikelgrößenverteilung gibt es keine Limitationen.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Ionenaustauscher in Form von Kugeln mit einem dso im Bereich von 300 µm bis 3 mm, vorzugsweise im Bereich von 300 µm bis 1 mm, vor.
Verfahrenstechnisch von Vorteil kann die Verwendung von Partikeln mit enger Größenverteilung, technisch als „monodisperse“ Harze bekannt, sein.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden im Stand der Technik als gelartige Ionenaustauscher bekannte Harze eingesetzt. Diese sind charakterisiert durch eine Mikroporösität mit Porengrößen (auch häufig als Porendurchmesser bezeichnet) von bis zu 3 nm.
In einer weiteren Ausführungsform werden im Stand der Technik als makroporöse Ionenaustauscher bekannte Harze eingesetzt. Diese enthalten neben Mikroporen auch Mesoporen (2-50 nm nach IUPAC Definition) und Makroporen (> 50 nm) im Bereich von über 50 bis 500 nm, vorzugsweise im Bereich von 75-250 nm. Die Porengrößenverteilungen werden erfindungsgemäß nach ISO 15901-2:2006-12 durch Gasadsorption charakterisiert.
Durch Quellung kann die Porengrößenverteilung verändert werden, ebenso durch Belegung der Poren mit Lösemitteln, Salzen oder niedermolekularen Verbindungen. Dadurch lassen sich die Porengrößen den Anforderungen bei der erfindungsgemäßen Anwendung anpassen.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der Ionenaustauscher der vorliegenden Erfindung Wasser in einer Menge von 10 bis 200 Gew.-%, bevorzugt von 20 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt von 40 bis 65 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Ionenaustauschers.
Weiterhin kann der Ionenaustauscher mit hygroskopischen Hilfsstoffen und/oder hygroskopischen funktionellen Gruppen versehen sein. Insbesondere kann der Ionenaustauscher mit einem oder mehreren hygroskopischen Hilfsstoffen versehen werden indem der Austauscher den einen oder die mehreren hygroskopischen Hilfsstoffe aufnimmt. Dies kann beispielsweise geschehen indem der Ionenaustauscher ganz oder teilweise getrocknet wird und anschließend die hygroskopischen Hilfsstoffen zugegeben und durch den Ionenaustauscher ganz oder teilweise aufgenommen werden. Auf diese Weise kann die Funktionsweise des Ionenaustauschers gegenüber äußeren Einflüssen (z.B. Feuchtigkeit) stabilisiert werden. Die hygroskopischen Hilfsstoffe können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus hygroskopischen Salzen wie Natriumchlorid, Kieselgel, Calciumchlorid, Magnesiumchlorid und Mischungen davon oder hygroskopischen Polymeren wie z.B. Superabsorbern. Die hygroskopischen funktionellen Gruppen können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Carboxylaten, Carbonsäuren, Hydroxygruppen, Sulfonen, Sulfoxiden, Aminogruppen und Mischungen davon.
Die hygroskopischen Hilfsstoffe können weiterhin ausgewählt sein aus der Gruppe von Lösemitteln mit Siedepunkten von mehr als 80°C bei Umgebungsdruck, insbesondere mit Wasser mischbaren Lösemitteln. Beispielhaft genannt seien Glyzerin, Propylenglykol und Propylencarbonat, insbesondere Glyzerin.
Die Aufnahmefähigkeit für Wasser bzw. Quellfähigkeit kann durch den Vernetzungsgrad eingestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Ionenaustauscher einen Vernetzungsgrad im Bereich von 0,2 bis 10 %, noch bevorzugter im Bereich von 0,5 bis 5%, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 3% auf. Der Vernetzungsgrad ergibt sich aus dem molaren Verhältnis von Monomeren mit zwei oder mehr reaktiven Gruppen im Vergleich zu Monomeren mit einer reaktiven Gruppe. Als reaktive Gruppe wird hierbei eine Gruppe verstanden, die polymerisierbar ist, beispielsweise eine Ethylengruppe. Illustrative Beispiele für Monomere mit zwei oder mehr reaktiven Gruppen, auch Vernetzer genannt, sind Divinylbenzol, Divinylpyridin, Divinyltoluol, Diallylphthalat, Ethylenglycoldiacrylat, Ethyleneglycoldimethacrylat, Divinylxylol, Divinylethylbenzol, Divinylsulfon, Divinylketon, Divinylsulfid, Allylacrylat, Diallylmaleat, Diallylfumarat, Diallylsuccinat, Diallylcarbonat, Diallylmalonat, Diallyloxalat, Diallyladipat, Diallylsebacat, Divinylsebacat, Diallyltartrat, Diallylsilicat, Triallyltricarballylat, Triallylaconitat, Triallylcitrat, Triallylphosphat, Trivinylbenzol, und Polyvinylether von Glykol, Glyzerin, Pentaerythritol, und Resorcinol, vorzugsweise Divinylbenzol (DVB), Trivinylbenzol (TVB) und Trimethylolpropantrimethacrylat.
Eine Variante bevorzugter Vernetzter sind langkettige Vernetzer mit Molmassen von 100 bis 1000000 die mindestens zwei endständige polymerisierbare Gruppen besitzen. Diese führen zur Ausbildung von Ionenaustauschern mit Porengrößen >50 nm, die die Aufnahme von Pathogenen ermöglichen. Als weitere Variante können beim Vernetzungsprozess langkettige monofunktionell vernetzbare Verbindungen, insbesondere weitere ionenaustauschende Gruppen enthaltende oder mit solchen funktionaliserbare Verbindungen der Molmasse 100- 1000000 zugegeben werden, die an den Tauscheroberflächen tentakelartige Strukturen ausbilden und somit die Aufnahmefähigkeit für Pathogene verbessern. Beim Polymerisationprozess kann durch geeignete Auswahl der Lösemittel und/oder Zugabe von Hilfsstoffen wie Tensiden oder hydrophilen/ hydrophoben Gruppen eine bevorzugte Anordnung dieser Tentakeln an der Oberfläche erreicht werden. Beispielhaft genannt wäre lineares sulfoniertes Polystyrol mit einer terminalen reaktiven Gruppe oder Polymere mit olefinischen Doppelbindungen und Sulfogruppen wie in DE10022871 beschrieben.
Durch gezielte Variation des Vernetzungsgrades können Quelleigenschaften und Selektivitätskoeffizienten von Ionenaustauschermaterialien für die Applikation optimiert werden.
Die Selektivitätskoeffizienten (Selektivität) beruhen auf der Gleichgewichtskonstante der Reaktion: Harz-Kation 1 + Kation 2 = Kation 1 + Harz-Kation 2. Schwächer gebundene Ionen wie H⁺ oder Na⁺ können durch Ionen mit höherer Selektivität wie Mg²⁺ oder Ca ²⁺ ersetzt werden oder auch OH^- durch Phosphat.
Typische Werte für Selektivitätskoeffizienten liegen im Bereich von 0,8 bis 10 für Kationenaustauscher und 0,3-175 für Anionenaustauscher. Beispielsweise kann die Selektivität bzw. der Selektivitätskoeffizient von Dowex® Harzen für Ca²⁺ zu H⁺ von 3,1 auf 4,1 erhöht werden, wenn der Vernetzergehalt von 4% Divinylbenzol auf 8 % Divinylbenzol erhöht wird. Durch Austausch von mehrwertigen Kationen in Oberflächenstrukturen von Pathogenen kann deren Vitalität reduziert werden, Phosphate sind ebenfalls Bestandteil der Oberflächenstruktur von Pathogenen.
Im Allgemeinen führt ein hoher Vernetzungsgrad zu einer geringeren Quellung der Austauscher, höherer mechanischer Stabilität und geringerer Volumenänderung bei Wasseraufnahme und Abgabe, was als Vorteil anzusehen ist. Andererseits führt eine geringere Quellung auch zu einer schlechteren Zugänglichkeit der funktionellen Gruppen, ein höherer Wassergehalt kann für den Abscheidegrad von Vorteil sein. Insofern ist für die erfindungsgemäße Anwendung durch den Fachmann eine Optimierung durchzuführen.
Neben einer weiten Variation des Grundgerüstes der Ionenaustauscher und der Art und Kapazität der ionenaustauschenden Gruppen ist auch eine Variation der am Austauscher gebundenen Gegenionen in Menge und Zusammensetzung möglich.
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Ionenaustauscher ein teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladener Kationenaustauscher, vorzugsweise ein stark saurer Kationenaustauscher, mit einem Wassergehalt im Bereich von 10 bis 75 Gew.-%, bevorzugt von 20 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt von 40 bis 65 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Ionenaustauschers.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Ionenaustauscher ein teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladener Kationenaustauscher, vorzugsweise ein stark saurer Kationenaustauscher, mit einem Wassergehalt im Bereich von 10 bis 75 Gew.-%, bevorzugt von 20 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt von 40 bis 65 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Ionenaustauschers, wobei der Kationenaustauscher nicht mit Übergangsmetallkationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Mischungen davon beladen ist, und vorzugsweise nicht mit Übergangsmetallkationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Pb, Ge, Ce, Sn, AI, einem Lanthanoid und Mischungen davon beladen oder übergangsmetallfei ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Ionenaustauscher ein teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit OH^--Ionen beladener Anionenaustauscher, vorzugsweise ein stark saurer Anionenaustauscher, mit einem Wassergehalt im Bereich von 10 bis 75 Gew.-%, bevorzugt von 20 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt von 40 bis 65 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Ionenaustauschers.
Für die vorliegende Erfindung geeignete Kationenaustauscher und Anionenaustauscher sind auch kommerziell verfügbar, beispielsweise unter den Bezeichnungen (Hersteller): Amberlyst® (Alfa Aesar), Dowex® (Dow Chemicals), Amberlite® (Rohm Haas), Purolite® (Purolite), Treverlite® (Chemra), Resinex® (Jacobo Carbons), Serdolit® (Serva) und Lewatit® (Lanxess). Beispielhaft genannt seien auch die kommerziellen stark sauren Kationenaustauscher:Amberlite IR 120, Dowex 50 WX-8, der makroporöse Amberlyst 14 und Dowex 50 WX-4, die stark basischen Anionenaustauscher Amberlite IRA-402, Amberlite IRA-410,Amberjet 4200 CL und Dowex 1x8. Beispiele für kommerzielle, schwach saure Kationenaustauscher sind Serdolit CW-1 (Serva), Ionenaustauscher IV (Merck) und Resinex K-H, für schwach basische Anionenaustauscher Amberlite IRA-67, Serdolit AW-1, Dowex M43, Resinex AB-1 oder Lewatit MP62 oder MP68, für mittelbasische Anionenaustauscher Lewatit S4268. Bei Lewatit S4268 handelt es sich um einen makroporösen und monodispersen Anionenaustauscher.
Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt der Ionenaustauscher vorzugsweise in fester Form vor, beispielsweise in Kugelform („beads“) oder Faserform.
Der Ionenaustauscher der vorliegenden Erfindung kann in Verbindung mit einem weiteren Adsorptionsmaterial, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aktivkohle, Zeolithen, Kieselgel und Metalloxiden, verwendet werden. Das weitere Adsorptionsmaterial wird vorzugsweise in einer Menge von nicht mehr als 25 Gew.-%, besonders bevorzugt nicht mehr als 10 Gew.-%, relativ zum Ionenaustauscher, eingesetzt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt der Ionenaustauscher in einer separaten Phase vor, wobei die separate Phase vorzugsweise aus dem Ionenaustauscher besteht. Dies bedeutet, dass der Ionenaustauscher nicht in einem Gemisch mit weiteren Adsorptionsmaterialien vorliegt oder in einem Filtervlies dispergiert vorliegt.
Der Ionenaustauscher kann auch als Flüssigkeit vorliegen oder in Lösung, zum Beispiel in Wasser und sich in einem Hohlkörper, auf einer Oberfläche oder in einer Porenstruktur befinden. Beispielhaft genannt seien Lösungen von hochfunktionalisierten sulfonierten Polymeren, wie sulfonierte Polyetherketone, Polystyrolen oder Polysulfone. Polymere oder zumindest oligomere Substanzen haben gegenüber nicht fixierten, monomeren Substanzen, wie etwa Benzolsulfonsäure, Anisolsulfonsäuren oder Toluolsulfonsäuren, den Vorteil, dass diese keinen Dampfdruck besitzen und insbesondere als Feststoffe leichter handhabbar sind.
Es kann von Vorteil für die erfindungsgemäße Verwendung von Ionenaustauschern sein, Siebfraktionen kommerziell erhältlicher Austauscher einzusetzen. Kommerzielle Ionenaustauscher sind meist für die Verwendung in Flüssigkeiten optimiert. Durch die Abtrennung von Feinanteilen kann eine bessere Durchströmbarkeit von Packungen mit geringerem Druckverlust erreicht werden. Die Abtrennung von Grobanteilen kann die Rückhaltung von Pathogenen durch Packungen aus Ionenaustauschern verbessern.
Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der vorgehend beschriebene Ionenaustauscher zur Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen in Gasen und/oder Gasströmen verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die biologischen Kontaminationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Viren, Bakterien, Schimmelpilzen, Pilzsporen, Milben, Milbenkot, Pollen sowie Bestandteile der Vorgenannten, Stoffwechselprodukte, wie zum Beispiel Mykotoxine, Proteinen, RNA und DNA, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus behüllten Viren, unbehüllten Viren, Bakterien, Pilzsporen und Proteinen und besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Coronaviren, SARS-Typ-Viren, SARS-CoV-2-Viren, resistenten Erregern und multiresistenten Erregern.
Beispiele für Viren, die gemäß der vorliegenden Erfindung entfernt und/oder reduziert werden können, sind Influenza A, Adenovirus, Influenza A H1 Subspezies, Humanes Bocavirus, Influenza A H3, Humanes Rhinovirus/Enterovirus, Influenza A 2009 H1N1 Subspezies, Coronavirus 229E, Influenza B, Coronavirus HKU1, Respiratorisches Synzytial-Virus A, Coronavirus NL63, Respiratory Syncytial Virus B, Coronavirus OC43, Parainfluenza Virus 1, Coronavirus MERS, Parainfluenza Virus 2, SARS-CoV-2-Viren, Bordetella pertussis, Parainfluenza Virus 3, Chlamydophila pneumoniae, Parainfluenza Virus 4, Mycoplasma pneumoniae, Humanes Metapneumovirus und Legionella pneumophila.
Beispiele für Bakterien, die gemäß der vorliegenden Erfindung entfernt und/oder reduziert werden können, sind Bacillus cereus subspp., Staphylococcus epidermidis, Bacillus subtilis subspp., Staphylococcus lugdunensis, Corynebacterium spp., Streptococcus, Enterococcus, Streptococcus agalactiae, Enterococcus faecalis, Streptococcus anginosus subspp., Enterococcus faecium, Streptococcus pneumonia, Lactobacillus, Streptococcus pyogenes, Listeria, Acinetobacter baumannii, Klebsiella pneumoniae, Bacteroides fragilis, Morganella morganii, Citrobacter, Neisseria meningitides, Cronobacter sakazakii, Proteus, Enterobacter cloacae complex, Proteus mirabilis, Enterobacter spp., Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Salmonella, Fusobacterium necrophorum, Serratia, Fusobacterium nucleatum, Serratia marcescens, Haemophilus influenza, Stenotrophomonas maltophilia und Klebsiella oxytoca.
Beispiele für Schimmelpilze und Pilzsporen, die gemäß der vorliegenden Erfindung entfernt und/oder reduziert werden können, sind Candida auris, Candida albicans, Candida dubliniensis, Candida famata, Candida glabrata, Candida guilliermondii, Candida kefyr, Candida lusitaniae, Candida krusei, Candida parapsilosis, Candida tropicalis, Cryptococcus gattii, Cryptococcus neoformans, Fusarium, Malassezia furfur, Rhodotorula, Trichosporon, Acremonium, Dematiaceae, Phoma Alternaria Eurotium, Rhizopus, Aspergillus, Fusarium, Scopulariopsis, Aureobasidium, Monilia, Stachybotrys, Botrytis, Mucor, Stemphylium, Chaetomium, Mycelia sterilia, Trichoderma, Cladosporium, Neurospora, Ulocladium, Paecilomyces, Wallemia, Curvularia und Penicillium.
Beispiele für Milben, die gemäß der vorliegenden Erfindung entfernt und/oder reduziert werden können, sind Hausstaubmilben, Grabmilben, Haarbalgmilben, Federmilben und Laufmilben sowie Kot und Zerfallsprodukte von Milben
Beispiele für Pollen, die gemäß der vorliegenden Erfindung entfernt und/oder reduziert werden können, sind Pollen der Birke (Betula alba), der Erle, des Haselnussbaumes, der Eiche, der Weide, der Platane, der Buche, der Ulme, des Ahorns, der Esche, des Beifuß (Artemisia) und der Hainbuche; Graspollen, z.B. Pollen von Wiesen Lieschgras (Phleum pratense), Rispengras (Poa pratense), ausdauerndem Weidelgras (Lolium perenne), Gewöhnliches Knäuelgras (Dactylis glomerata), wildem Hanf (Ambrosia artemisiifolia), gewöhnlichem Ruchgras (Anthoxanthum odoratum) und Roggen (Secale cereale).
Insbesondere eignet sich die vorliegende Erfindung zur Entfernung und/oder Reduktion von resistenten oder multiresistenten Keimen, da keine Resistenzbildung zu erwarten ist. Unter resistenten oder multiresistenten Keimen werden Bakterien und Viren verstanden, die gegen eines oder mehrere Antibiotika bzw. Virostatika unempfindlich sind.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung zu behandelnden Gase und/oder Gasströme sind vorzugsweise Luft und/oder Luftströme, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Raumluft, Raumluftströmen und Atemluftströmen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gase und/oder Gasströme Atemluftströme. Die Raumluft ist vorzugsweise ausgewählt aus Raumluft in Schutzräumen, KFZ-Innenräumen, klimatisierten Räumen, Kabinen, Flugzeugen, Einsatzfahrzeugen, LKW Fahrerkabinen, Fahrzeugen von Sicherheitskräften, Beatmungseinrichtungen, Intensivstationen, Mitarbeiterräumen, Räumen zur Tierhaltung und anderen Räumen, in denen sich Menschen, Tiere oder Pflanzen aufhalten bzw. befinden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mindestens 50 Gew.-%, noch bevorzugter mindestens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-%, und ganz besonders bevorzugt mindestens 98 Gew.-% der Gesamtmenge aller biologischer Kontaminationen aus dem Gas und/oder Gasstrom entfernt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mindestens 50 Gew.-%, noch bevorzugter mindestens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.-%, und ganz besonders bevorzugt mindestens 98 Gew.-% von einer oder mehrerer der biologischen Kontaminationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Viren, Bakterien, Schimmelpilzen, Pilzsporen, Milben, Milbenkot, Antigene, Pollen sowie Bestandteile der Vorgenannten, Stoffwechselprodukte, wie zum Beispiel Mykotoxine, Proteinen, RNA und DNA, aus dem Gas und/oder Gasstrom entfernt. Die Menge der entfernen biologischen Kontaminationen wird durch die Differenz der Menge an biologischen Kontaminationen im in den Ionenaustauscher eintretenden Gas und/oder Gasstrom und im aus dem Ionenaustauscher austretenden Gas und/oder Gasstrom bestimmt und kann mit den oben genannten Methoden gemessen werden.
Der Ionenaustauscher der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise als Füllung eines Hohlkörpers und/oder als poröser Formkörper ausgeführt. Vorzugsweise wird der Hohlkörper und/oder der Formkörper in eine Atemschutzmaske eingelegt oder eingearbeitet oder mit ihr verbunden oder in oder vor Lüfter, Luftumwälzsystemen, Klimaanlagen, Belüftungssystemen, Absauganlagen und Reinigungsgeräten eingebaut oder verbaut.
In der vorliegenden Erfindung erfolgt die Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen in Gasen und/oder Gasströmen dadurch, dass ein mit dem Ionenaustauscher befüllter Hohlkörper, z.B. ein Filtersystem von einem Gas durchströmt wird. Dabei kann das Gas als Gasstrom durch den mit dem Ionenaustauscher befüllter Hohlkörper geleitet werden oder der z.B. mit lonenaustauscherharz befüllte Hohlkörper aktiv durch das Gas bewegt werden.
Das Ionenaustauscher enthaltende Filtersystem kann die folgenden Bestandteile aufweisen: Mindestens eine Öffnung für die Zufuhr von Gasen oder Gasgemischen sowie diese Öffnung oder eine weitere Öffnung zur Abfuhr von Gasen oder Gasgemischen, wobei der Ionenaustauscher so angeordnet ist, dass das Gas oder Gasgemisch mit dem Ionenaustauscher vor dem Austritt aus dem System in Kontakt mit dem Ionenaustauscher kommt.
Eine einfache Ausführungsform für die erfindungsgemäße Verwendung ist z.B. ein Zylinder, der mit dem Ionenaustauscher befüllt ist und einen Ein- und Ausgang an den gegenüberliegenden Enden hat. Gegebenenfalls ist der Zylinder noch mit einer Rückhaltevorrichtung versehen, die verhindert, dass der Austauscher aus dem Zylinder ausgetragen wird. Eine Rückhaltevorrichtung kann z.B. ein Gewebe, eine Filtrationsmembran, ein poröses Kunststoffteil oder ein Sintermetall sein.
In einer anderen Ausführungsform wird der Ionenaustauscher in einen Beutel aus einem porösen Material eingebracht. Das poröse Material kann ein Vlies sein, beispielsweise Tyvek™oder Gore-Tex™.
Bei der Verwendung für Atemluft kann der Ionenaustauscher ohne weitere Hilfsmittel durch den Druck des Atems durchströmt werden oder es kann durch eine Hilfskraft ein Druck erzeugt werden, der zu einer Durchströmung führt. Bei Verwendung von Atemluft kann entweder Ein- und Ausatemluft durch den gleichen Ionenaustauscher in wechselseitiger Richtung laufen oder durch eine Ventilschaltung Ein- und Ausatemweg getrennt werden. Der Ionenaustauscher kann sowohl die Ausatemluft als auch die Einatemluft dekontaminieren. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Ionenaustauschers in einem Mund- Nasenschutz bzw. einer Atemmaske sind somit der Träger sowie Menschen im Umfeld geschützt.
Das Filtersystem mit dem Ionenaustauscher, beispielsweise ein Zylinder oder ein anderer Hohlkörper, kann für die optische Kontrolle auch durchsichtig sein oder mit Messanschlüssen versehen sein um z.B. Druck, Beladungszustand oder Sauerstoffgehalt direkt zu messen oder Proben zu nehmen.
Es können auch Indikatoren oder Farbstoffe beigefügt sein, die die Beladung, Feuchte, Temperatur, Alterung oder andere Parameter anzeigen. Es kann auch die Gebrauchsdauer ermittelt oder gespeichert werden.
Das Filtersystem bzw. der Hohlkörper kann auch mit Kennzeichnungen oder Vorrichtungen versehen sein, um Charge, Haltbarkeit oder genaue Zusammensetzung zu dokumentieren oder Hinweise auf den Gebrauch zu geben.
Der Zylinder oder ein anderer Hohlkörper kann auch mit Schnellverschlüssen versehen sein, oder Schraubverschlüssen oder Flächen für das Aufbringen von Klebebändern oder Dichtungen, oder Vorrichtungen die bei korrekter Montage einrasten und dies signalisieren. Verschlüsse können Originalitätsverschlüsse sein, Verschlüsse, die Sterilisation oder Reinigung erlauben, oder auch poröse Verschlüsse, die ein Durchspülen erlauben. Für die Demontage und Entsorgung können evtl. separate Verschlusssysteme enthalten sein, die es ermöglichen, kontaminierte Systeme sicher zu verschließen. Es können auch Adapter angebracht sein, die eine Regeneration oder Dekontamination der Trennvorrichtung erlauben. Es können zusätzlich Filter für die Rückhaltung von Aerosolen an der Trennvorrichtung angebracht werden.
Eine Ausführungsform kann auch sein, den Ionenaustauscher in poröse Beutelmaterialien zu befüllen und als Filtersystem zu verwenden. Diese Beutel bzw. das Filtersystem können mit einer Struktur gegen Verformung oder Sedimentation versehen sein. Die Beutel können in einem Hohlraum fixiert werden, der von zu filternder Luft oder Medium durchströmt wird. Die Fixierung kann durch Hilfsstoffe, Klebstoffe, Verschweißung oder mechanisch, z.B. durch Vernadlung, erfolgen.
Vorteilhaft kann auch die Verwendung von mittels 3D Druck erzeugten Behältern für die Ionenaustauscher sein.
Ohne sich auf eine Theorie festlegen zu wollen, wird davon ausgegangen, dass es sich bei der Entfernung oder Reduktion von biologischen Kontaminationen, insbesondere Viren, Bakterien und Pilzsporen, um einen mehrstufigen Prozess handelt:

In einem ersten Schritt erfolgt die Adsorption der biologischen Kontaminationen an die Oberfläche des Ionenaustauschers. Ist die biologische Kontamination in einem Aerosolpartikel enthalten, so kann anschließend die Aufnahme von Wasser aus diesem Aerosolpartikel erfolgen. Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Ionenaustauscher einen hygroskopischen Hilfsstoff oder hygroskopische funktionelle Gruppen wie oben beschrieben enthält. Darauffolgend erfolgt eine Anbindung von Oberflächenstrukturen der biologischen Kontamination über einen oder verschiedene Bindungsmechanismen, z.B. chemische und physikalische Wechselwirkungen, an die Oberfläche der Ionenaustauscher, die reversibel und/oder irreversibel sein können und zu einer Abtötung der Pathogene führen. Beispielhaft genannt seien als Wechselwirkungen die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen, lonenaustausch und Physisorption. Je nach Porosität der Ionenaustauscher und Größe der Pathogene kann die Anbindung dann nur an die Oberfläche oder auch in die innere Porenstruktur des Ionenaustauschers erfolgen. Typische Ionenaustauscher weisen Porengrößen von 10-30 nm auf, sodass nur sehr kleine biologische Kontaminationen, z.B. unbehüllte Viren, in die Struktur eindringen können.

Unter Zugrundelegung der Kugeloberfläche der lonenaustauscherpartikel oder -körper (ohne Berücksichtigung der Poren und Formfaktoren), ergibt sich rechnerisch, dass z.B. bei einer mittleren Teilchengröße des Ionenaustauschers von 300 µm ein Gramm Ionenaustauscher 6 . 10¹¹ Viren der Größenordnung von 100 nm aufnehmen kann, bei 1100 µm großen Teilchen sind es pro Gramm 1 . 10¹¹ Viren. Eine kleine Teilchengröße, wie oben beschrieben, ist daher von Vorteil zur Erzielung höherer Beladungskapazitäten, führt aber bei der Anwendung zur Gasreinigung zu höheren Druckverlusten.
Zur Erhöhung der Kapazität kann es zudem von Vorteil sein, dass makroporöse Ionenaustauscher verwendet werden, die eine spezifische Oberfläche wie oben beschrieben aufweisen. Bei diesen oder makroporösen Ionenaustauschern können Pathogene auch in das Innere der Struktur gelangen. Unter einem „makroporösen Ionenaustauscher“ wird ein Ionenaustauscher verstanden, der Porengrößenvon mehr als 50 nm aufweist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Porengröße im Bereich von 50 bis 500 nm, vorzugsweise von 75 bis 250 nm. Die Verwendung von makroporösen Austauschern führt zu höherer Kapazität für die Aufnahme von Pathogenen. Eine höhere Porosität kann durch Verringerung des Vernetzungsgrades erreicht werden bzw. durch Erhöhung der Molmasse der Vernetzer.
Es wird weiterhin davon ausgegangen, dass aus dem Inneren des Ionenaustauschers auch weitere Ionen, insbesondere die sehr mobilen H⁺- und OH^--Ionen freigesetzt werden und zu einer Abtötung oder Inaktivierung der sorbierten biologischen Kontaminationen führen bzw. beitragen. Je höher die Zahl der freigesetzten H⁺ oder OH ^- -Ionen ist, umso mehr Viren können potentiell protoniert bzw. deprotoniert werden bzw. die Anzahl H⁺ oder OH^- -Ionen pro vorhandenem Virus nimmt zu. Somit ist eine hohe lonenaustauscherkapazität, wie oben beschrieben, vorteilhaft. Aufgrund der Vielzahl von Ionischen Bindungsstellen pro Bakterium oder Virus ist davon auszugehen, dass biologische Kontaminationen nach Sorption auf dem Tauscher verbleiben und dem reinigenden Gasstrom dauerhaft entzogen sind. Eine Eluation der biologischen Komponenten kann durch einen Überschuss von Säuren oder Basen (z.B. Salzsäure 5-10 % oder Schwefelsäure 2-4 % bei Kationenaustauschern oder 2-5% Natronlauge bei Anionenaustauschern) oder auch konzentrierten Salzlösungen (NaCI 8-10 %) bei der Regeneration der Ionenaustauscher erfolgen, was allgemein zu einer Abtötung von Viren und Bakterien führt. Auch bei einer reversiblen Bindung durch den Austausch von H⁺ -oder OH^- -Ionen oder anderen auf dem Tauscher befindlichen Ionen kommt es zu einer Inaktivierung bzw. Reduzierung der Pathogene. Kommt es aufgrund der Geschwindigkeit des Gasstroms zu einem Abprallen der biologischen Kontaminationen von der Oberfläche, tritt eine Verlangsamung der Partikelgeschwindigkeit ein, welche die Sorption an anderen bzw. weiteren Absorberstellen erleichtert. Insofern ist es von Vorteil, mehreren Schichten oder Packungen der Ionenaustauscher zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung ist universell anwendbar für verschiedenste Arten von biologischen Kontaminationen, insbesondere Viren, Bakterien, und Pilzen. Es wurde gefunden, dass biologische Kontaminationen, die Aminosäuren enthalten, besonders gut aus Gasströmen entfernt und/oder reduziert werden.
Der Ionenaustauscher kann in verschiedensten Vorrichtungen oder Textilien verwendet werden.
Denkbar ist der Einsatz in Kleidungsstücken, als Schicht in Mund-Nasen-Bedeckungen, in Schutzmasken, in stationären und mobilen Luftfiltereinrichtungen, in Kombination mit oder in Klimaanlagen, sowie in Zu- und Ablufteinrichtungen. Der Ionenaustauscher kann in Wechselkassetten oder Beutel eingearbeitet werden, die getauscht, gesammelt oder regeneriert werden können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Ionenaustauscher in einer Klimaanlage verwendet. Unter „Klimaanlage“ wird hierbei eine Anlage verstanden, die die Luft eines Raumes durch Lüftung (Zufuhr von Außenluft oder Umluftbetrieb), in Verbindung mit zumindest einem Verfahren ausgewählt aus Heizung, Kühlung, Befeuchtung und Entfeuchtung, konditioniert. Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass eine bereits in einem Raum vorhandene Klimaanlage verwendet werden kann, zu welcher die Raumluft geführt wird. Somit ist die Integration des erfindungsgemäßen Ionenaustauschers in ein bereits bestehendes System zur Raumluftkonditionierung besonders einfach, erfordert nur ein Mindestmaß an Aufwand und ist daher kostengünstig.
Dabei kann der erfindungsgemäße Ionenaustauscher wie oben beschrieben in einem Zylinder oder anderem Hohlstück in das Rohrleitungssystem einer Klimaanlage integriert werden, beispielsweise vor dem Gas- und/oder Gasstromeintritt in die Klimaanlage oder nach dem Austritt des Gases und/oder Gasstroms aus der Klimaanlage. Üblicherweise umfassen Klimaanlagen jedoch bereits Aufnahmefächer oder andere Abschnitte für Filterelemente oder -module. Daher kann der erfindungsgemäße Ionenaustauscher auch in einen Behälter oder Beutel mit geeigneter Form eingebracht und direkt als Filterelement oder -modul in die Klimaanlage integriert werden.
In einer exemplarischen Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Ionenaustauscher in einer Klimaanlage verwendet, wobei der Ionenaustauscher ein teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladener Kationenaustauscher, vorzugsweise ein stark saurer Kationenaustauscher, mit einem Wassergehalt im Bereich von 10 bis 75 Gew.-%, bevorzugt von 20 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt von 40 bis 65 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Ionenaustauschers ist. In dieser Ausführungsform ist der Kationenaustauscher bevorzugt nicht mit Übergangsmetallkationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Mischungen davon beladen, und besonders bevorzugt nicht mit Übergangsmetallkationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Pb, Ge, Ce, Sn, AI, einem Lanthanoid und Mischungen davon beladen.
Die Packungsdichte des Ionenaustauschers ist ebenfalls variabel. Sie kann als lose Schüttung realisiert werden, mit Füllstoffen versetzt werden oder komprimiert werden. Die Komprimierung erfolgt vorzugsweise unter einem Druck von 1,0 bis 8 bar, bevorzugt von 1,3 bis 5 bar, besonders bevorzugt von 1,5 bis 3 bar, beispielsweise mit mechanischer Vorspannung. Für die Verwendung in Druckluftsystemen oder nach Druckgasspeichern kann eine höhere Verdichtung durch einen höheren Vordruck sinnvoll sein. Bei Anlagen zur Raumluftreinigung die mit Drücken von z.B. 10 bis 100 mbar arbeiten, genügt allerdings eine geringere Vorspannung.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Reinigung der Luft mittels Überdruck oder Unterdruck, zum Beispiel in einem Bereich von 1 mbar bis 2 bar, vorzugsweise von 600 mbar bis 1,5 bar. Typisch für eine erfindungsgemäße Verwendung in einer Luftreinigungsanlage ist eine Optimierung der Auslegung bzgl. Filterleistung, Durchströmung und Druckabfall über die Filtereinheit mit dem Ionenaustauscher. Vorteilhafterweise ist die Trennvorrichtung so auszulegen, dass Druckabfall über die Trennvorrichtung vs. Abscheidegrad, Verwendungsdauer vs. Kapazität optimiert sind. Typische Grundlagen für die Auslegung der Luftreinigungsanlage sind z.B. Empfehlungen für maximale Luftgeschwindigkeiten in Büros bis 0,15 m/s bei 20°C und 0,2 m/s bei 26°C, welche letztendlich die Größe von Austrittsöffnungen/ Querschnitten bestimmen. Abhängig von der Nutzung der Flächen und der Zahl der Nutzer können auch verschiedene Luftwechselraten notwendig sein, um z.B. die CO₂ - Konzentration nicht über 1000 ppm, max. 1400 ppm ansteigen zu lassen.
Die Kapazitätsauslegung kann bei der Verwendung von Ionenaustauschern so erfolgen, dass typische Wartungsintervalle für lufttechnische Anlagen, wie etwa Filtertausch, Überprüfung von elektrischen Anlagen oder mikrobiologische Kontrollen, auch zur Revision oder Austausch der erfindungsgemäßen Ionenaustauscher genutzt werden können. Basierend auf einer typischen Viren- und Bakterienbeladung von Innenraumluft (Environ Sci Technol Lett. 2015 ; 2(4): 84-88.) mit ca. 5,7 E+5 virusartigen Partikeln und 6,5 E+5 bakterienartigen Partikeln pro m³ Luft, ergibt sich aufgrund der Partikelgrößen ein ungefährer Flächenbedarf auf dem Austauscher von 6,56E-7 m² pro m³ Luft. Für einen Ionenaustauscher in Kugelform mit einem Durchmesser von 300 µm ergibt sich eine Fläche von 0,006 m³/ ml. Mit einer 50 %igen Beladung des Tauschers können mit einem ml Ionenaustauscher 4575 m³ Luft gereinigt werden, unter der Annahme, dass nur eine oberflächliche, einschichtige Beladung stattfindet. Soll z.B. eine Luftreinigung für einen Raum der Höhe 3 m, Breite 10 m und Länge 15 m (450 m³ Rauminhalt) mit dreimaligem Luftwechsel pro Stunde (3*450=1350 m³/h) am Tag (über 8 h) (8*1350=10800 m³/ Tag) an 25 Tagen im Monat durchgeführt werden (10800*25=270000 m³/ Monat) wären für einen 6-monatigen Betrieb rechnerisch 421 g (270000 m³/Monat*6 Monate/ 4575 m³/ g*1,19 g/ml) Ionenaustauscher erforderlich.
Technisch wünschenswert sind Filterleistungen von 90 % oder größer, um innerhalb eines Luftwechsels eine möglichst große Abreicherung zu erzielen.
Ein Ventilator zeigt eine Abhängigkeit von Volumenstrom und Druckerhöhung, die der Fachmann als Ventilatorkennlinie entsprechenden Datenblättern entnimmt. Zur Auslegung wird der Strömungswiderstand durch die Anlage bestimmt, dieser ist bei einer Packung aus Ionenaustauschern im Vergleich zu Filtermaterialien für Virenrückhaltung gering ist. Die hohe Durchlässigkeit ergibt sich aus den Kugelzwischenräumen. Für monodisperse Packungen aus Ionenaustauschern eines Durchmessers von 300 µm ergäben sich bezogen auf eine zweidimensionale freie Fläche von etwa 23 % Poren mit einem maximalen Durchmesser von 124 µm. Trotzdem ist der Abscheidegrad einer Packung hoch, da es aufgrund der Struktur zu ständigen Richtungswechseln der durchströmenden Luft kommt. In der Praxis sind Druckverluste und Durchströmungsraten experimentell zu bestimmen.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich eines oder mehrere Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Filtration, Befeuchtung, Trocknung, Kondensation, UV-Behandlung, Behandlung mit Corona oder Plasma, Behandlung mit Hochspannung, Behandlung mit radioaktiver Strahlung, Behandlung durch Wärmezufuhr, Behandlung durch Kältezufuhr, Ozonisierung, Dosierung von Gasen oder Flüssigkeiten zur Behandlung des Ionenaustauschers und/oder des Gases, insbesondere Luft, durchgeführt. Die Behandlung kann permanent oder in Intervallen durchgeführt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Verwendung mit einem oder mehreren der vorgenannten Verfahren kombiniert werden, um eine noch effizientere oder effektivere Dekontamination zu erzielen. Details zu diesen Verfahren sind oben beschrieben.
Unter „Filtration“ wird hierbei die Abtrennung fester oder flüssiger Stoffe aus den Gasen und/oder Gasströmen über ihre Größe verstanden. Beispielsweise können die Gase und/oder Gasströme vor ihrem Eintritt in den Ionenaustauscher durch ein Filtervlies geleitet werden, um größere Partikel (z.B. Tröpfchen oder Staubpartikel mit einem dso ≥ 5 µm) zurückzuhalten. Das Filtervlies kann aus Polypropylen-, PTFE-, und/oder Baumwollfasern bestehen.
In einer Ausführungsform erfolgt die Verwendung in Kombination mit Befeuchtung oder Trocknung. Um ein Austrocknen der Ionenaustauscher zu verhindern, kann es vorteilhaft sein, Luftströme vor dem Ionenaustauscher anzufeuchten. Das kann z.B. durch Dosierung von flüssigem oder gasförmigem Wasser geschehen, durch Durchleitung durch eine Flüssigkeit, durch Einsatz eines Befeuchters aus wasserpermeablem Material oder durch Einsatz eines Feststoffes, der mit Wasser getränkt ist. Die Feuchtigkeit des Ionenaustauschers und der Gase und/oder Gasströme kann überwacht sein. Die Feuchtigkeit der Gase und/oder Gasströme kann durch Kondensation verringert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt die relative Feuchte (relative Humidity; rH) des Gases bzw. der Gasströme im Bereich 40 - 100 %, bevorzugt 50 - 90 %.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Verwendung in Kombination mit Filtern, UV-Licht, elektrischer Entladung, Salzlösungen, Bakteriziden oder Viruziden, Flüssigkeitsfilmen mit Beladung, Hitze, Kälte, radioaktiver Strahlung, Hochspannungsentladung und/oder Plasmaverfahren.
In einer Ausführungsform kann der Ionenaustauscher selbst während des Betriebes mit UV-Licht, elektrischer Entladung, Hitze, Kälte, radioaktiver Strahlung und/oder Hochspannungsentladung behandelt werden.
Der Ionenaustauscher wird bevorzugt im Temperaturbereich zwischen 0 und 100 °C eingesetzt, da der Ionenaustauscher vorzugsweise flüssiges Wasser enthält. In einer anderen Ausführungsform wird der Temperaturbereich ausgedehnt, indem Lösemittel oder Salzmischungen beigefügt werden oder das Verfahren in Abwesenheit von Wasser durchgeführt wird.
Die Kapazität (Gesamtmenge an biologischer Kontamination die aufgenommen werden kann) für die Entfernung von biologischen Pathogenen des Ionenaustauschers kann durch Zeitzählung, Überströmungsüberwachung, Druckverlust, Farbindikatoren, Probenahme, Detektoren oder anhand von Risikoabschätzungen überwacht werden. Es ist auch möglich andere Alterungsparameter des Ionenaustauschers oder der Vorrichtung, in die der Tauscher verbaut ist, zu überwachen. So kann die Erhöhung der Leistungsaufnahme eines Lüfters oder Zunahme des Druckabfalles auf ein Verblocken des Ionenaustauschers hinweisen oder Sensoren können sich im gereinigten Luftstrom und/oder in der Zuluft befinden und die biologische Beladung oder Partikelmengen messen bzw. vergleichen.
Der Ionenaustauscher kann in demontierbare Vorrichtungen eingebaut sein, die ein Recycling, eine Regeneration oder eine Sterilisation ermöglichen oder erleichtern. Alternativ kann die Regeneration in der Vorrichtung erfolgen.
Durch Regeneration mit Säure oder Base oder andere Aufbereitungsverfahren kann der Tauscher wieder für das Verfahren regeneriert werden. Bevorzugt sind Reaktivierungsschritte wie oben im Zusammenhang mit der Aktivierung der Ionenaustauscher beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt ferner eines oder mehrere der Aufbereitungsverfahren von Trocknung, Befeuchtung, Größentrennung und Spülen mit Gasen oder Flüssigkeiten.
In der Vorrichtung können auch Vorratsbehälter oder eine kontinuierliche Dosierung von Regenerations- oder Aktivierungs-Chemikalien, oder von Gemischen sein, die einen Betrieb bei Temperaturen unter 0°C oder über 100°C ermöglichen. Auch kann die Regeneration kontinuierlich oder diskontinuierlich durch eine angelegte elektrische Gleich- oder Wechselspannung erfolgen, wobei der Ionenaustauscher auch leitfähig kontaktiert sein kann z.B. durch Elektroden oder durch Ionenaustauschermembranen. Alternative kann eine separate Vorrichtung die Regenerationschemikalien elektrochemisch erzeugen. Als Nebeneffekt kann ein angelegtes elektrisches Feld die Abscheideleistung des Ionenaustauschers erhöhen.
Wie bereits oben beschrieben, kann erfindungsgemäß Luft über eine Antriebseinheit durch den Ionenaustauscher bewegt werden, der Ionenaustauscher in einer Vorrichtung fixiert durch die Luft bewegt werden oder eine Kombination aus beidem durchgeführt werden. Dabei kann ein den Ionenaustauscher enthaltender Hohlraum mit Luft durchströmt werden, die mit Hilfsenergie oder durch Konvektion gefördert wird oder der Ionenaustauscher in einer Halterung fixiert werden und diese durch den Luftraum bewegt werden. Dabei möglich sind Bewegungen und eine Ausrichtung der Öffnungen in alle Raumrichtungen. Denkbar ist auch, dass die Anordnung des Ionenaustauschers selbst zu einer Luftverwirbelung führt. Hier kann beispielsweise der Einsatz als Blatt eines Ventilators oder die Befestigung auf einer anderen rotierenden Vorrichtung genannt werden. Dies kann die Menge an Luft erhöhen, die in Kontakt mit dem Austauscher kommt, und/oder den Energieaufwand reduzieren und/oder die Geräuschentwicklung einer solchen Vorrichtung reduzieren.
Die Wirksamkeit des Ionenaustauschers gegen Bakterien und Viren kann durch dem Fachmann bekannte Tests in Flüssigkeiten, auf Nährmedien, durch Inkubation oder als Aerosole geprüft werden. Daraus können Auslegungsdaten, wie Kapazität und Lebensdauer bestimmt werden und die Filteranlagen entsprechend ausgelegt werden.
Auch kann das Verfahren bzgl. Auswahl der Teilchengröße, Packungsdichte, Länge der Packung, Verweilzeit, Temperaturen, Luftfeuchte durch dem Fachmann bekannte Methoden und durch routinemäßige Fortentwicklung angepasst werden.
Die Verweilzeit der zu reinigenden Gase in Kontakt mit dem Austauscher kann über weite Bereiche angepasst werden, beispielsweise im Bereich von 0,01 s bis 4 h, bevorzugt im Bereich von 0,15 s bis 1 h, besonders bevorzugt im Bereich von 0,5 s bis 1 min. Es können Verweilzeiten von Bruchteilen einer Sekunde realisiert werden (schnelle Durchströmung) oder auch sehr lange Verweilzeiten von Minuten oder Stunden durch langsame Überströmung, Verwirbelung, Wirbelschichtanordnungen oder durch diskontinuierliche Prozesse, bei dem ein Volumen nicht kontinuierlich ausgetauscht wird. Die Verweilzeitverteilungen der Gase bei der erfindungsgemäßen Verwendung können eng oder breit sein.
Verfahren zur Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen in Gasen und/oder Gasströmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase oder Gasströme durch einen Ionenaustauscher geführt werden.
Der Ionenaustauscher, die biologischen Kontaminationen, die Gase und Gasströme sind wie oben beschrieben. Im erfindungsgemäßen Verfahren kann der Ionenaustauscher wie oben beschrieben verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind die biologischen Kontaminationen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Viren, Bakterien, Schimmelpilzen, Pilzsporen, Milben, Pollen sowie Bestandteile der Vorgenannten, Stoffwechselprodukte, wie zum Beispiel Mykotoxine, Proteinen, RNA und DNA, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus behüllten Viren, unbehüllten Viren, Bakterien, Pilzsporen und Proteinen und besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Coronaviren, SARS-Typ-Viren, SARS-CoV-2-Viren, resistenten Erregern und multiresistenten Erregern.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Ionenaustauscher zumindest ein Kationenaustauscher, wobei optional der Kationenaustauscher zumindest ein schwach saurer und/oder ein stark saurer Kationenaustauscher ist. Der Kationenaustauscher kann teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladen sein.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Ionenaustauscher ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Anionenaustauschern, gemischten Anionen- und Kationenaustauschern, mit Übergangsmetallionen beladenen Kationenaustauschern, Chelatliganden tragende Ionenaustauscher, Mischungen davon und Mischungen davon mit Kationenaustauschern, wobei vorzugsweise der Anionenaustauscher teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit OH^--Ionen beladen ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Ionenaustauscher zumindest ein mit Übergangsmetallionen beladener Kationenaustauscher, wobei die Übergangsmetallionen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kationen von Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Pb, Ge, Sn, AI, einem Lanthanoid und Mischungen davon, und bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kationen von Titan, Kupfer, Silber und Mischungen davon. Die Ionen können dabei in verschiedenen Wertigkeiten vorliegen. Insbesondere kann Eisen als Fe⁺⁺ und/oder Fe⁺⁺⁺ vorliegen, Kupfer als Cu⁺ und/oder Cu²⁺ und Titan als Ti++, Ti+++ und/oder Ti++++. Besonders bevorzugt ausgewählt sind die Kationen aus der Gruppe bestehend aus Cu⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Ti++++ und Mischungen davon.
Aufgrund geometrischer Effekte kann es zu einer bevorzugten Beladung der oberflächennahen Poren mit Metallen kommen während innenliegende Poren noch teilweise mit den kleineren H⁺- oder anderen Ionen mit kleineren Radien beladen sind.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Ionenaustauscher ferner hygroskopische Hilfsstoffe und/oder hygroskopische funktionelle Gruppen.
In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind die Gase und/oder Gasströme Luft bzw. Luftströme, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Raumluft, Raumluftströmen und Atemluftströmen, vorzugsweise Atemluftströmen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden Luftvolumina aus Schutzräumen, KFZ-Innenräumen, klimatisierten Räumen, Kabinen, Flugzeugen, Einsatzfahrzeugen, LKW Fahrerkabinen, Fahrzeugen von Sicherheitskräften, Krankenhäusern, insbesondere Intensivstationen, Mitarbeiterräumen, Räumen zur Tierhaltung oder anderen Räumen, in denen sich Menschen, Tiere oder Pflanzen aufhalten bzw. befinden, filtriert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der Ionenaustauscher als Füllung eines Hohlkörpers und/oder als poröser Formkörper ausgeführt. Vorzugsweise wird der Hohlkörper und/oder der Formkörper in eine Atemschutzmaske eingelegt oder eingearbeitet oder mit ihr verbunden.
In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich eines oder mehrere Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Filtration, Befeuchtung, Trocknung, Kondensation, UV-Behandlung, Behandlung mit Corona oder Plasma, Behandlung mit Hochspannung, Behandlung mit radioaktiver Strahlung, Behandlung durch Wärmezufuhr, Behandlung durch Kältezufuhr, Ozonisierung, Dosierung von Gasen oder Flüssigkeiten zur Behandlung des Ionenaustauschers und/oder des Gases, insbesondere Luft, durchgeführt. Die Behandlung kann permanent oder in Intervallen durchgeführt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Verwendung mit einem oder mehreren der vorgenannten Verfahren kombiniert werden, um eine noch effizientere oder effektivere Dekontamination zu erzielen. Details zu diesen Verfahren sind oben beschrieben.
Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erfindungsgemäße Verwendung des Ionenaustauschers bzw. das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Verfahren zur Abscheidung oder Ableitung von flüssigen Kondensaten kombiniert werden. Durch die Abscheidung von Kondensaten werden sowohl die Pathogene weiter reduziert als auch die Kondensatbildung in der lonenaustauscherpackung reduziert bzw. verhindert, welche wiederum zu höheren Druckverlusten führen kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Ionenaustauscher parallel geschaltet um eine Redundanz zu erzeugen, eine Austauschbarkeit im laufenden Betrieb durch Abschaltung eines Teilstromes zu ermöglichen, eine höhere Rückhalteleistung zu erzielen und/oder eine Verteilung von Luftströmen mit nur einer Antriebseinheit (wie beispielweise einem Ventilator) in mehrere Bereiche zu erreichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Öffnungen zum Ansaugen von kontaminierter Luft parallel geschaltet oder es wird gezielt an Orten mit hoher Kontamination lokal abgesaugt.
Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erfindungsgemäße Verwendung des Ionenaustauschers bzw. das erfindungsgemäße Verfahren erfolgen, indem mehrere Ionenaustauscher, vorzugsweise mehrere unterschiedliche Ionenaustauscher in Reihe geschaltet werden. Beispielsweise kann ein Kationenaustauscher und ein Anionenaustauscher in Reihe geschaltet werden. Dies ermöglicht vorzugsweise eine einfachere Regeneration der Austauscher im Vergleich zu einer Mischung aus Ionenaustauschern, die vor Regeneration aufgetrennt werden müssten.
Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erfindungsgemäße Verwendung des Ionenaustauschers bzw. das erfindungsgemäße Verfahren erfolgen indem Mischungen von Ionenaustauschern verwendet werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der Bauraum begrenzt ist, wenige Teile verwendet werden sollen, der Austauscher nicht regeneriert werden kann oder soll, da die entsprechende Vorrichtung beispielsweise in regulierten Bereichen wie Laboratorien, medizinischen Einrichtungen oder in Bereichen mit chemischer, biologischer oder radioaktiver Kontamination betrieben worden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erfindungsgemäße Verwendung des Ionenaustauschers bzw. das erfindungsgemäße Verfahren werden zumindest Partikel, die zu einer Verstopfung des Ionenaustauschers führen können, in einem vorgelagerten Verfahrensschritt zurückgehalten, um insbesondere eine Verstopfen der Porenstruktur einer erfindungsgemäßen lonenaustauscherpackung bzw. eines erfindungsgemäßen Ionenaustauschers zu verhindern und damit einen Anstieg der Druckabfalls über die lonenaustauscherpackung.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Ionenaustauscher selbst als Fasern oder Gelege ausgeführt oder Ionenaustauscher werden mit Fasern oder Geweben oder gemischt oder allgemein Strukturen mit Poren mit kleineren Ionenaustauschern befüllt. In diesen Fällen hat die Struktur selbst auch eine Filterwirkung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erfindungsgemäße Verwendung des Ionenaustauschers bzw. das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung eines Lüfters oder Kompressors für die Luftführung einschließen. Der Lüfter oder Kompressor kann vorzugsweise einen so hohen Staudruck aufbauen, dass er evtl. kondensierendes Wasser aus den Poren des Austauschers oder aus Poren einer Packung des Austauschers herausdrücken kann. Hierzu können Radiallüfter oder spezielle Axiallüfter zum Einsatz kommen.
Die Ausführungsformen können sich auch in der räumlichen Ausrichtung der lonenaustauscherpackung unterscheiden. Während prinzipiell eine Ausrichtung in alle Raumrichtungen möglich ist, können waagerechte Anordnungen der Packungen mit Durchströmung von oben oder unten bevorzugt sein, um eine gleichmäßige Filterschicht zu gewährleisten, auch wenn es durch gegebenenfalls ungleichmäßigere Belastung mit Wasser zu unterschiedlichen Quellungen der Packung kommt. Auch ist als Ausführungsform der Erfindung eine Packung denkbar, die von unten durch eine Filterplatte angeströmt wird und der Gasstrom zu einer Durchmischung oder einer Wirbelschicht der Ionenaustauscher bzw. lonenaustauscherpartikel führt, bevorzugt in Kombination mit einer zweiten Filterplatte, die einen Austrag der Ionenaustauscher verhindert.
Beispiele
Beispiel 1. Rückhaltevermögen von Aerosolen
Das vorliegende Beispiel illustriert das Vermögen der erfindungsgemäßen Ionenaustauscher, Aerosole zurückzuhalten. Als Modellmedium für potentiell virenhaltige Aerosole wird ein Aerosol einer 0,9 Gew.-%-igen Natriumchlorid-Lösung verwendet, die vom Salzgehalt dem Nies- oder Husten-Sekret nahe kommt.
Generell bekannt ist, dass die Übertragung von Viren und Bakterien in Luftströmen meist in Form von Aerosolen stattfindet, d.h. fein verteilte Wassertröpfchen, die aufgrund ihrer Größe in der Luft schweben können. In Größen von <5 µm sind Aerosole respirabel, d.h. lungengängig. Die Erzeugung solcher Aerosole, welche Humanpathogene enthalten, ist aufgrund der hohen sicherheitstechnischen Anforderungen schwierig. In biologischen Laboratorien werden vielfältige Maßnahmen getroffen, die Bildung von Aerosolen zu verhindern. Gängige Aerosolerzeuger sind auch für den Betrieb unter Sicherheitswerkbänken oder in Handschuhboxen nicht ausgelegt oder zu groß. Insofern wurde ein kompaktes System entwickelt, die erfindungsgemäße Rückhaltung von biologischen Substanzen in Modell-Aerosolen durch Ionenaustauscher zu zeigen.
Die Aerosolerzeugung erfolgt über ein Pari Boy® Pro Inhalationssystem. Das System erzeugt mit einem Kompressor einen Luftstrom von 3-6 l/min bei 0,6-1,9 bar. Mit einer Düse (verwendet: rote Düse) werden 0,07 bis 0,18 mL Flüssigkeit pro Minute vernebelt. Je nach Kompressorfluss sind davon 74-80,6 % <5 µm groß und 26-34 % <2 µm groß. Die Aerosoldaten sind nach ISO 27427:2013 mit Salbutamol ermittelt.
In den Vernebler des Aerosolerzeugers werden für die Versuche je 6 mL 0,9% NaCI Lösung gefüllt. Der Vernebler wird ohne Mundstück bei 20°C Prüftemperatur und einem Volumenstrom von 3 L/min (gemessen durch Wasserverdrängung aus Messkolben nach Vorrichtung) betrieben.
Der Aerosolstrom wird direkt in ein Rohr mit einem Durchmesser in der Größe der Vernebleröffnung (Außendurchmesser d_a = 20 mm, Innendurchmesser d_i = 18 mm, Länge I = 200 mm) geleitet. Das Rohr ist zur Aufnahme des Ionenaustauschers konfiguriert. Dabei werden je 10 g an Ionenaustauscher eingefüllt und mit einer 3 mm dicken Schicht aus Baumwollwatte fixiert. Alternativ zur Baumwollwatte kann 20 mm Filterschaum mit 30 ppi (pores per inch, das entspricht 30 Poren pro 25,4 mm) aus Polyurethan verwendet werden.
Nach diesem Rohr sind zumindest 2, typischerweise 3 bis 4 Sammelflaschen angeordnet. Es handelt sich dabei jeweils um 100, 250, 500 oder 1000 mL fassende, oben verschlossene Polypropylenweithalsflaschen, die mit seitlich mit zwei Anschlüssen aus Edelstahlrohr (Außendurchmesser d_a = 6 mm) versehen sind. der zuführende Anschluss ragt auf den Flaschenboden und ist unten 4-fach 5 mm hoch geschlitzt um eine Verwirbelung zu erzeugen. Der abführende Anschluss ist kurz und dient der Gasableitung. Vorteil dieser Anordnung ist, dass sie kompakt ist und keine scharfkantigen Teile aufweist. Zudem ist sie ohne Werkzeug montierbar und demontierbar. Alle Teile können in einem Bad desinfiziert werden und sind autoklavierbar.
Für die Versuchsdurchführung wird die erste Sammelflasche (250 ml) nach dem Proberohr mit 150 mL demineralisiertem Wasser gefüllt, in das eine Leitfähigkeitselektrode vollständig eintaucht. Nach der Sammelflasche werden noch zwei leere Flaschen angeordnet, um vom Luftstrom mitgerissene Flüssigkeitstropfen aufzufangen. Während des Versuches wird der Luftstrom nach der Anlage gemessen und nach dem Versuch die Flüssigkeitsreste aus dem Verdampfer entnommen und zurück gewogen.
Im Versuchsverlauf wird die Leitfähigkeit in der ersten Sammelflasche gegen die Zeit bei einer Versuchsdauer von 30 Minuten erfasst. Die Leitfähigkeit folgt linear der NaCI-Konzentration und beträgt 64 mS . L . mol^-1 bei 25 °C. Die verwendete 0,9 Gew.-%-ige NaCl Lösung weist eine Leitfähigkeit von 13,66 mS cm^-1 bei Raumtemperatur (20 ± 3°C) auf. Der Anstieg der Leitfähigkeit wird durch lineare Extrapolation ermittelt. Die Rückhaltung in % wird berechnet als (1-(Steigung Probe/ Steigung Leerrohr)) *100.
Die folgenden Ionenaustauscher wurden verwendet:

(1) Purolite® MB 400, ein Polystyrol-basiertes Mischbettharz aus einem stark basischenTyp I-Anionenaustauscher mit quartären Ammoniumionen in der Hydroxidform und einem stark saurem Gel-Kationenaustauscher mit Sulfonsäuregruppen in der Wasserstoff-Form. Die Kapazität des Austauschers beträgt ca. 1,9 eq/L. Es handelt sich um sphärische Kugeln eines Gels von 300 bis 1200 µm Größe, einem Wassergehalt von 65 % und einer Schüttdichte von 705-740 g/L.
(2) Amberlite® IRC 120, ein stark saurer Kationenaustauscher in der H⁺-Form. Es handelt sich dabei um einen Gel-Ionenaustauscher auf Basis von Styrol-Divinylbenzol mit einem Wassergehalt von 50 %. Die Austauscherkapazität ist ≥ 1,8 eq/L. Die Schüttdichte beträgt 785 g/L. Die Partikelgröße des Tauschers liegt zu 95 % zwischen 300 und 1200 µm.

Als Referenz (Positivkontrolle) wird eine medizinische Maske Hygostar Typ IIR/PP > 98 % BFE eingesetzt. Der Prüfausschnitt entspricht dem Rohrinnendurchmesser.
Als Negativkontrolle (Leerrohr) wird das Rohr mit Watte gefüllt.

Die Ergebnisse werden relativ zur Rückhaltung in der Negativkontrolle angegeben und sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1. Rückhaltung von Aerosolen

Probenbezeichnung	NaCI Permeation/µS cm^-1 min^-1	Relative Rückhaltung /%
Negativkontrolle (Watte)	8,764	0
(1) Purolite MB 400	0,485	94,5
(2) Amberlite IRC 120	0,194	97,8
Positivkontrolle (Hygostar)	0,016	99,8

Alle Rückwaagen zeigen, dass jeweils mehr als 4 g NaCI-Lösung während der Versuchsdauer zerstäubt wurde. Es konnte somit gezeigt werden, dass die erfindungsgemäßen Ionenaustauscher mehr als 90 % luftgetragener Aerosole aus einem Volumenstrom zurückhalten können.
Beispiel 2. Herstellung von H⁺- und metallionenbeladenen Ionenaustauschern
Für die folgenden Versuche wurde das stark saure Kationenaustauscherharz Amberlite® IRC 120 Na mit einem Natriumgehalt von 9,2 % bezogen auf die Trockenmasse des Austauschers verwendet. Dieses ist ein Gel basierend auf sulfoniertem Polystyrol in der Na-Form, vernetzt mit Divinylbenzol. Die Austauschkapazität beträgt >2 eq/L, der Wassergehalt 49 % und die Dichte 840 g/L. Das Harz enthält <2 % an Partikeln <300 µm und <4 % an Partikeln > 1180 µm.
Zur Herstellung der H⁺-Form wird das Kationenaustauscherharz in eine Säule gepackt. Verwendet werden Glassäulen mit einem Innendurchmesser von 20 mm und einer Länge von 200 mm (bis 20 g Befüllung) und eine Säule mit einem Innendurchmesser von 40 mm und einer Länge von 1000 mm (für Cu(1)). Die Säulen verfügen über Filterplatten mit Porosität 0 (ISO P 250, Nennweite der Poren 160-250 µm). Es wird mit Salzsäure eines pH-Wertes von 0 gespült. Dabei werden 100 mL 1N Salzsäure (0,1 mol) auf 10 g Harz (0,024 mol) verwendet (Überschuss) um eine möglichst vollständige Überführung in die H⁺ -Form zu gewährleisten. Der Austauscher wird anschließend mit entionisiertem Waser gespült, bis das Eluat nicht mehr sauer ist und eine Leitfähigkeit < 20 µScm^-1 aufweist. Das beladene Harz wird entnommen und als H-(1) bezeichnet. Es weist einen Wassergehalt von 51% auf.
Zur Herstellung eines metallionenbeladenen Ionenaustauschers wird das so erhaltene lonenaustauscherharz in der H⁺-Form in eine Säule gepackt und mit einer Lösung eines entsprechenden Metallsalzes gespült. Die Spülrate beträgt ein Bettvolumen pro Stunde. Spülraten bis 50 Bettvolumen pro Stunde sind möglich, führen aber zu geringeren Beladungen. Der Austauscher wird anschließend mit entionisiertem Wasser gespült, bis das Eluat eine Leitfähigkeit < 20 µScm^-1 aufweist. Das beladene Harz wird entnommen.
Bei der Variante Ti(1) wird die zunächst trübe Lösung über Nacht auf dem Ionenaustauscher stehen lassen. Infolge der Freisetzung von H⁺ -Ionen verschwindet die Trübung, da eine schwefelsaure Lösung entsteht. Die Berechnung des Beladungsgrades durch das jeweilige Metall basiert auf einer lonenaustauscherkapazität IEC (Ion Exchange Capacity) von 4 meq/g für Na⁺ bzgl. der Trockenmasse des Ionenaustauschers (2 meq/g bzgl. feuchtem Ionenaustauscher). Es handelt sich um eine vergleichende Betrachtung, da die Austauscherkapazität sich auf Na⁺ -Ionen bezieht und nicht für die jeweiligen Ionen bestimmt wurde. Es ist davon auszugehen, dass nicht alle für Natrium erreichbaren Austauscherplätze für die größeren Metallionen erreichbar sind und dass eine Beladung der geometrisch innen liegenden Plätze kinetisch verzögert erfolgt.

Die erhaltenen Harze und die entsprechenden Beladungen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2. Aus Amberlite® IRC 120 Na erhaltene Kationenaustauscherharze.

Probe	Edukt H-(1) [g]¹	Verwendetes Metallsalz	Metallsalz [g/ml Wasser]	Ion / Metallgehalt in [Gew.-%]¹ (Beladungsgrad Metall)
Zn-(1)	11,7	Zink(ll)acetat-Dihydrat	10,55/100	Zn^II/ 19,5 (75 mol-%)
Cu-(1)	340,3	Kupfer(ll)sulfat-Hexahydrat	350,0/2000	Cu^II/ 18,2 (72 mol-%)
Ag-(1)	9,9	Silber(I)nitrat	8,04/100	Ag^\|/ 34,1 (79 mol-%)
Fe-(1)	11,2	Eisen (III)chlorid-Hexahydrat	13/100	Fe^III/ 21,5 (96 mol-%)
Ti-(1)	20	Ti(IV)O-sulfat	7,61/150	Ti^IV/7,5 (39 mol-%)

¹ bezogen auf die Trockenmasse des Ionenaustauschers.

Der prozentuale Beladungsgrad ist mit 96 mol-% für Fe³⁺ am höchsten. Die jeweilige prozentuale Differenz liegt in der H⁺-Form vor (z.B. 4 mol-% für Fe³⁺).
Beispiel 3. Antivirale Aktivität der Ionenaustauscher
Neben der Aerosolrückhaltung ist es für die erfindungsgemäße Funktionsweise von zentraler Bedeutung, dass zurückgehaltene Pathogene an den Ionenaustauschern sorbiert und inaktiviert werden

Die antivirale Aktivität der metallbeladenen Ionenaustauscher sowie des sauren Ionenaustauschers H-(1) wurde in Suspensionsexperimenten untersucht. Als Virus wurde das humane Coronavirus CoV229E RLuc verwendet. Hochkonzentriertes Virus (100 mg/mL) wird für 30 min mit den in Beispiel 2 hergestellten Ionenaustauschern bei Raumtemperatur im Schüttler inkubiert. Anschließend wird das Polymer abzentrifugiert, der Überstand abgenommen und auf Huh-7.5 FLuc Zellen titriert. Die Zellen werden 48h nach Inokulation lysiert und sowohl Renilla- als auch Firefly Luciferase-Assays mit den Lysaten durchgeführt. In Tabelle 3 ist die Reduktion der Virenzahl im Vergleich zur Referenz (Glaskugeln mit Durchmesser 150 bis 250 µm) in % angegeben. Tabelle 3. Antivirale Aktivität der Ionenaustauscher.

Kationenaustauscher	RLU/20 µL Lysat	Reduktion im Vergleich Referenz
Zn-(1)	5·10⁵	50%
Cu-(1)	2·10³	99,8%
Ag-(1)	2·10³	99,8%
Fe-(1)	1.10⁵	90%
Ti-(1)	10³	99,9%
H-(1)	10³	99,9%

Überraschenderweise ist der Kationenaustauscher H-(1) in der H⁺-Form sowie Ti- (1) am wirksamsten. Die sehr wirkungsvollen Form Ti(1) ist nur teilweise umgesetzt und ist zu ca. 60 % in der H⁺-Form. Auch Cu und Cu-enthaltende Mischungen sowie silberhaltige Kationenaustauscher sind sehr wirkungsvoll.
Beispiel 4. Antibakterielle Aktivität der Ionenaustauscher
Die antibakterielle Aktivität der Ionenaustauscher wurde in Suspensionsexperimenten untersucht. Die folgenden Bakterienstämme wurden verwendet: Escherichia coli Wildtyp, Escherichia coli acrB (Variante mit Resistenz gegen das Antibiotikum Vancomycin), Bacillus subtilis (bildet Sporen) und Staphylococcus aureus (Wildtyp von MRSA). Inkubiert werden jeweils 100 mg Ionenaustauscher mit 1 mL einer PBS-Pufferlösung und je einer Bakterienkolonie, die direkt von einer Agarplatte entnommen wird. Danach wird 2, 10 und 30 Minuten bei 37 °C auf dem Schüttler inkubiert. Als Ionenaustauscher wird Cu-(1) verwendet.
Es zeigt sich das B.Subtilis und S. aureus (Gram positiv) erfolgreich nach 2 minütiger Inkubation abgetötet werden, es zeigt sich kein Wachstum nach 72 h. Bei den E.coli Typen (Gram negativ) zeigt sich erst nach 10 und 30 min Inkubation ein verzögertes Wachstum.
Die Adsorption von Bakterien auf die Oberfläche von Austauschern lässt sich mittels Fluoreszenzmikroskopie (eGFP) nachweisen.
Beispiel 5. Ermittlung von Kennlinien für die Auslegung von Lüftungsanlagen.
Zur Ermittlung von lüftungstechnischen Kenndaten werden Packungen von Ionenaustauschern in Rohre eingebaut und der Druckabfall abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit gemessen. Beispielhaft für einen stark sauren Kationenaustauscher wird H-(1) verwendet. Der Wassergehalt beträgt 50 %, 95 % der Teilchen sind zwischen 0,3 und 1,2 mm groß. Verwendet wird ein regulierbarer Kanalventilator mit einer Lüfterdrehzahl bis 3800 U/min und einem Luftstrom freiströmend (Herstellerangabe) bis 561 m³/h bis 565 Pa.
Die Ansaugung erfolgt freiströmend über ein Rohr (Durchmesser 125 mm, Länge 50 cm). Die lonenaustauscherpackung wird druckseitig in ein Rohr mit einem Innendurchmesser von 11,25 cm eingebaut. Die Packung wird zwischen zwei Scheiben offenporigen Filterschaum (Polyurethanschaum auf Polyesterbasis) der Dicke 20 mm und der Porengröße 30 ppi wie sie als Vorfilter in Klimaanlagen verwendet werden, gehalten.
Der Differenzdruck über die Packung und die Volumenströme werden mit einem Differenzdruckmessgerät und Staurohranemometer Trotec TA 400 bestimmt. Dafür sind im Strömungsrohr Messanschlüsse vor und nach der lonenaustauscherpackung angebracht. Zur Linearisierung wird die Strömung nach der Packung durch ein verengtes zylinderförmiges Rohr mit einem Durchmesser von 64 mm geleitet.
Bestimmt wird der Druckabfall als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit bei 20,7 °C mit Luft. Durch den Lüfter bei maximaler Leistung ergeben sich freiblasend in der Vorrichtung Luftgeschwindigkeiten von maximal 13,5 m/s, was 483 m³/h entspricht. Tabelle 4. Druckabfall vs. Strömungsgeschwindigkeit für Vorfilter aus 2 Lagen Filterschaum mit je 2 cm Dicke und 30 ppi

Druckabfall/ Pa Geschwindigkeit [m/s] im 11,25 cm (d) Rohr Volumenstrom m³/h

281 4,23 151

226 3,9 140

155 3,25 116

65 2,34 84

28 0,93 33

Tabelle 5. Druckabfall vs. Strömungsgeschwindigkeit für Packungsstärke von 1 cm Ionenaustauscher H-(1) (100 g) zwischen zwei Lagen Filterschaum mit je 2 cm Dicke und 30 ppi

Druckabfall/ Pa Geschwindigkeit [m/s] im 6,4 cm (d) Rohr Volumenstrom m³/h

336 5,61 65

209 4,72 55

92 2,36 27

41 0,2 2
Diese Daten zeigen, dass Packungen von kommerziell erhältlichen Ionenaustauschern in konventionellen Lüftungsanlagen mit moderaten Druckverlusten bei hohen Volumenströmen einsetzbar sind.
Beispiel 6. Weitere Verwendungsmöglichkeiten

6.1) Das Kationenaustauscherharz H-(1) wird in ein zylinderförmiges Rohrstück gefüllt, das beidseitig mit einem Filtergewebe verschlossen wird. Das Rohr wird mit einer konventionellen Mehrweg-Atemmaske mittels eines flexiblen Wellrohrs verbunden.
6.2) Ein Kationenaustauscherharz gemäß Beispiel 6.1 wird in einen Beutel aus einem porösen Material, wie z.B. Tyvek™ oder Gore-Tex™ der Abmessung 10 *10 cm eingeschweißt. In den Beutel wird ein Filtervlies eingelegt, das das Harz räumlich fixiert. Der Beutel wird zwischen zwei Lagen filtrierenden Mundschutz eingelegt. Für das Einlegen kann eine spezielle Tasche vorhanden sein, sodass eine Trennung / Reinigung erfolgen kann. Alternativ kann der Beutel durch eine Haltevorrichtung, ein Klebeband, Annähen oder Ankleben in seiner Position fixiert sein.
6.3) Eine Vorrichtung wie Beispiel 6.1 und 6.2, in Mischung mit Ionenaustauschern, die mit Ionen der folgenden Elemente oder Mischungen davon erfolgt: Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Pb, Ge, Ce, Sn, AI, oder einem Lanthanoid.
6.4) Eine Vorrichtung gemäß Beispiel 6.1-6.3, bei dem ein gemischter Ionenaustauscher verwendet wird und als Anion Borate eingesetzt werden.
6.5) Eine Vorrichtung gemäß Beispiel 6.1-6.4, bei dem ein gemischter Ionenaustauscher verwendet wird und als Kation auch NH₄ ⁺ eingesetzt werden.
6.6) Verwendung einer Vorrichtung gemäß Beispiel 6.1-6.5 zum Reduktion von Bakterien und Viren aus einem Atemluftstrom. Die Rückhaltung von Bakterien und Viren wird nach EN 14126, analog ISO 16603 und ISO 22610, beurteilt.
6.7) Verwendung einer Vorrichtung gemäß Beispiel 6.1-6.5 zur Zurückhaltung von CoronaViren.
6.8) Verwendung einer Vorrichtung gemäß Beispiel 6.1-6.5 zur Zurückhaltung von SARS-CoV 2.
6.9) Verwendung einer Vorrichtung gemäß Beispiel 6.1-6.5 zur Reduktion der Bakterien und Virenanzahl in destillierten Wasser durch Durchfluss des Wassers durch die Vorrichtung.
6.10) Verwendung einer Vorrichtung gemäß Beispiel 6.1-6.8 als Filtervorrichtung vor Luftvolumen wie Schutzräumen, KFZ-Innenräumen, Klimaanlagen, Kabinen, Flugzeugen, Einsatzfahrzeuge, LKW Fahrerkabinen, Fahrzeuge von Sicherheitskräften, Beatmungseinrichtungen, Intensivstationen, Mitarbeiterräumen, Räumen zur Tierhaltung oder anderen Räumen in denen sich Menschen, Tiere oder Pflanzen aufhalten bzw. befinden.
6.11) Schutz von luft- oder flüssigkeitsführenden Vorrichtungen vor Verkeimung oder biologischer Kontamination durch Vorrichtungen gemäß Beispiel 6.1-6.8.
6.12) Belüftungsventil gemäß Beispiel 6.1-6.8.
6.13) Es wird ein Anionenaustauscher eingesetzt, der durch Funktionalisierung eines Gerüstpolymers, das Halogenendgruppen enthält, mit Diethylaminoethanol erhalten wird. Der Anionenaustauscher kann teilweise oder im Wesentlichen vollständig in der Hydroxidform eingesetzt werden.
6.14) Vorteilhaft sind auch Anionenaustauscher, die mit sterisch gehinderten Aminen funktionalisiert sind, sodass sich eine erhöhte Basenstabilität der Austauscher ergibt und die Austauscher auch in OH-Form thermisch stabil bleiben bzw. sterilisiert werden können. Beispielhaft genannt als Amin ist DABCO, Diazabicyclooctan.
15) Es wird ein Deckenventilator mit Flügeln ausgerüstet, die mit lonenaustauscherharz befüllt sind.
16) Es wird ein mit lonenaustauscherharz befüllter durchströmbarer Formkörper auf einer Drehvorrichtung angeordnet und durch die Drehung eine Luftdurchströmung erzeugt. Diese Vorrichtung kann mit einer Vorrichtung zur Befeuchtung kombiniert sein.

Nachfolgend beschrieben sind weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Gemäß Ausführungsform 1 betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines oder mehrerer Ionenaustauscher zur Reduktion und/oder Entfernung von biologischen Kontaminationen in Gasen und/oder Gasströmen.
Die Verwendung nach Ausführungsform 1 ist gemäß Ausführungsform 2 dadurch gekennzeichnet, dass die biologischen Kontaminationen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Viren, Bakterien, Schimmelpilzen, Pilzsporen, Milben, Milbenrückständen, Milbenkot, Pollen sowie Bestandteile der vorgenannten, Stoffwechselprodukte, wie zum Beispiel Mykotoxine, Proteinen, RNA und DNA, bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus behüllten Viren, unbehüllten Viren, Bakterien, Pilzsporen und Proteinen und besonders bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Coronaviren, SARS-Typ-Viren, SARS-CoV-2-Viren, resistenten Erregern und multiresistenten Erregern. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines oder mehrerer Ionenaustauscher zur Reduktion und/oder Entfernung von Coronaviren in Gasen und/oder Gasströmen.
Die Verwendung nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher zumindest einen Kationenaustauscher umfasst, wobei optional der Kationenaustauscher zumindest ein schwach saurer oder ein stark saurer Kationenaustauscher oder eine Mischung davon ist.
Die Verwendung nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der stark saure Kationenaustauscher ein organischer, besonders bevorzugt ein Kunstharz-Ionenaustauscher ist, welcher Sulfonsäure- und/oder Sulfonatgruppen aufweist, vorzugsweise ausgewählt aus einem quervernetzten Polystyrolsulfonat oder quervernetztem Poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propansulfonsäure) (PolyAMPS).
Die Verwendung nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Kationenaustauscher teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladen ist.
Die Verwendung nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Anionenaustauschern, gemischten Anionen- und Kationenaustauschern, mit Übergangsmetallionen beladenen Kationenaustauschern, Chelatliganden tragenden Ionenaustauschern, Mischungen davon und Mischungen davon mit Kationenaustauschern, wobei vorzugsweise der Anionenaustauscher teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit OH^--Ionen beladen ist.
Die Verwendung nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher zumindest ein mit Übergangsmetallionen beladener Kationenaustauscher ist, wobei die Übergangsmetallionen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kationen von Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Pb, Ge, Sn, AI, oder einem Lanthanoid und Mischungen davon, und bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kationen von Kupfer, Silber, Titan und Mischungen davon.
Die Verwendung nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher in fester, vorzugsweise als organischer und besonders bevorzugt als Kunstharz-Ionenaustauscher vorliegt, wobei der Ionenaustauscher in partikulärer Form, als durchströmbare Schüttung und/oder als Einlage in einem Mund-Nasenschutz vorliegen kann. Der Ionenaustauscher in fester Form ist vorzugsweise wasserunlöslich.
Die Verwendung nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher ferner hygroskopische Hilfsstoffe und/oder hygroskopische funktionelle Gruppen umfasst bzw. in Kombinationen mit solchen Hilfsstoffen verwendet wird.
Die Verwendung nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass die Gase und/oder Gasströme Luft und/oder Luftströme sind, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Raumluft, Raumluftströmen und Atemluftströmen, wobei die Raumluft und Raumluftströme vorzugsweise ausgewählt ist aus der Raumluft und Raumluftströmen in Schutzräumen, KFZ-Innenräumen, klimatisierten Räumen, Kabinen, Flugzeugen, Einsatzfahrzeugen, LKW Fahrerkabinen, Fahrzeugen von Sicherheitskräften, Beatmungseinrichtungen, Intensivstationen, Mitarbeiterräumen, Räumen zur Tierhaltung und anderen Räumen, in denen sich Menschen, Tiere oder Pflanzen aufhalten bzw. befinden.
Die Verwendung nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher als Füllung eines Hohlkörpers und/oder als poröser Formkörper ausgeführt ist, wobei der Hohlkörper und/oder der Formkörper vorzugsweise in eine Atemschutzmaske eingelegt oder eingearbeitet wird oder mit ihr verbunden wird.
Die Verwendung nach einer der vorgehenden Ausführungsformen erfolgt gemäß einer weiteren Ausführungsform in Verbindung mit einem oder mehreren der Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Filtration, Befeuchtung, Trocknung, Kondensation, UV-Behandlung, Behandlung mit Corona oder Plasma, Behandlung mit Hochspannung, Behandlung mit radioaktiver Strahlung, Behandlung durch Wärmezufuhr und Behandlung durch Kältezufuhr.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bzw. weiterem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen in Gasen und Gasströmen mittels eines oder mehrerer Ionenaustauscher, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase oder Gasströme mit einem Ionenaustauscher in Kontakt gebracht werden.
Das Verfahren gemäß vorgenannter Ausführungsform ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass die biologischen Kontaminationen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Viren, Bakterien, Schimmelpilzen, Pilzsporen, Milben, Milbenrückständen, Milbenkot, Pollen sowie Bestandteile der Vorgenannten, Stoffwechselprodukte, wie zum Beispiel Mykotoxine, Proteinen, RNA und DNA, bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus behüllten Viren, unbehüllten Viren, Bakterien, Pilzsporen und Proteinen und besonders bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Coronaviren, SARS-Typ-Viren, SARS-CoV-2-Viren, resistenten Erregern und multiresistenten Erregern. Besonders bevorzugt wird das Verfahren unter Verwendung eines oder mehrerer Ionenaustauscher zur Reduktion und/oder Entfernung von Coronaviren in Gasen und/oder Gasströmen eingesetzt.
Das Verfahren nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher zumindest einen Kationenaustauscher umfasst, wobei optional der Kationenaustauscher zumindest ein schwach saurer oder ein stark saurer Kationenaustauscher oder eine Mischung davon ist.
Das Verfahren nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der stark saure Kationenaustauscher ein organischer, besonders bevorzugt ein Kunstharz-Ionenaustauscher ist, welcher Sulfonsäure- und/oder Sulfonatgruppen aufweist, vorzugsweise ausgewählt aus einem quervernetzten Polystyrolsulfonat oder quervernetztem Poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propansulfonsäure) (PolyAMPS).
Das Verfahren nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Kationenaustauscher teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladen ist.
Das Verfahren nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Anionenaustauschern, gemischten Anionen- und Kationenaustauschern, mit Übergangsmetallionen beladenen Kationenaustauschern, Chelatliganden tragenden Ionenaustauschern, Mischungen davon und Mischungen davon mit Kationenaustauschern, wobei vorzugsweise der Anionenaustauscher teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit OH^--Ionen beladen ist.
Das Verfahren nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher zumindest ein mit Übergangsmetallionen beladener Kationenaustauscher ist, wobei die Übergangsmetallionen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kationen von Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Pb, Ge, Sn, AI, oder einem Lanthanoid und Mischungen davon, und bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kationen von Kupfer, Silber, Titan und Mischungen davon.
Das Verfahren nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher in fester, vorzugsweise als organischer und besonders bevorzugt als Kunstharz-Ionenaustauscher vorliegt, wobei der Ionenaustauscher in partikulärer Form, als durchströmbare Schüttung und/oder als Einlage in einem Mund-Nasenschutz vorliegen kann.
Das Verfahren nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher ferner hygroskopische Hilfsstoffe und/oder hygroskopische funktionelle Gruppen umfasst bzw. in Kombinationen mit solchen Hilfsstoffen verwendet wird.
Das Verfahren nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass die Gase und/oder Gasströme Luft und/oder Luftströme sind, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Raumluft, Raumluftströmen und Atemluftströmen, wobei die Raumluft und Raumluftströme vorzugsweise ausgewählt ist aus der Raumluft und Raumluftströmen in Schutzräumen, KFZ-Innenräumen, klimatisierten Räumen, Kabinen, Flugzeugen, Einsatzfahrzeugen, LKW Fahrerkabinen, Fahrzeugen von Sicherheitskräften, Beatmungseinrichtungen, Intensivstationen, Mitarbeiterräumen, Räumen zur Tierhaltung und anderen Räumen, in denen sich Menschen, Tiere oder Pflanzen aufhalten bzw. befinden.
Das Verfahren nach einer der vorgehenden Ausführungsformen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher als Füllung eines Hohlkörpers und/oder als poröser Formkörper ausgeführt ist, wobei der Hohlkörper und/oder der Formkörper vorzugsweise in eine Atemschutzmaske eingelegt oder eingearbeitet wird oder mit ihr verbunden wird.
Die Verfahren nach einer der vorgehenden Ausführungsformen erfolgt gemäß einer weiteren Ausführungsform in Verbindung mit einem oder mehreren der Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Filtration, Befeuchtung, Trocknung, Kondensation, UV-Behandlung, Behandlung mit Corona oder Plasma, Behandlung mit Hochspannung, Behandlung mit radioaktiver Strahlung, Behandlung durch Wärmezufuhr und Behandlung durch Kältezufuhr.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 205760203 U [0006]
CN 111271790 A [0007]
WO 2018/033793 A1 [0008]
WO 9857672 A2 [0009]
GB 1092754 A [0010]
DE 10022871 [0075]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 16603 [0027, 0191]
ISO 22610 [0027, 0191]
ISO 13317:2001 [0065]
Environ Sci Technol Lett. 2015 ; 2(4): 84-88. [0124]

Claims

Verwendung eines oder mehrerer Ionenaustauscher zur Reduktion und/oder Entfernung von biologischen Kontaminationen in Gasen und/oder Gasströmen.
Die Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die biologischen Kontaminationen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Viren, Bakterien, Schimmelpilzen, Pilzsporen, Milben, Milbenrückständen, Milbenkot, Pollen sowie Bestandteile der vorgenannten, Stoffwechselprodukte, wie zum Beispiel Mykotoxine, Proteinen, RNA und DNA, bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus behüllten Viren, unbehüllten Viren, Bakterien, Pilzsporen und Proteinen und besonders bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Coronaviren, SARS-Typ-Viren, SARS-CoV-2-Viren, resistenten Erregern und multiresistenten Erregern.
Die Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher zumindest einen Kationenaustauscher umfasst, wobei optional der Kationenaustauscher zumindest ein schwach saurer oder ein stark saurer Kationenaustauscher oder eine Mischung davon ist.
Die Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kationenaustauscher teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladen ist.
Die Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Anionenaustauschern, gemischten Anionen- und Kationenaustauschern, mit Übergangsmetallionen beladenen Kationenaustauschern, Chelatliganden tragenden Ionenaustauschern, Mischungen davon und Mischungen davon mit Kationenaustauschern, wobei vorzugsweise der Anionenaustauscher teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit OH^--Ionen beladen ist.
Die Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher zumindest ein mit Übergangsmetallionen beladener Kationenaustauscher ist, wobei die Übergangsmetallionen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kationen von Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Ru, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, Pb, Ge, Sn, AI, oder einem Lanthanoid und Mischungen davon, und bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kationen von Kupfer, Silber, Titan und Mischungen davon.
Die Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher in fester, vorzugsweise als organischer und besonders bevorzugt als Kunstharz-Ionenaustauscher vorliegt, wobei der Ionenaustauscher in partikulärer Form, als durchströmbare Schüttung und/oder als Einlage in einem Mund-Nasenschutz vorliegen kann.
Die Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher ferner hygroskopische Hilfsstoffe und/oder hygroskopische funktionelle Gruppen umfasst.
Die Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase und/oder Gasströme Luft und/oder Luftströme sind, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Raumluft, Raumluftströmen und Atemluftströmen, wobei die Raumluft und Raumluftströme vorzugsweise ausgewählt ist aus der Raumluft und Raumluftströmen in Schutzräumen, KFZ-Innenräumen, klimatisierten Räumen, Kabinen, Flugzeugen, Einsatzfahrzeugen, LKW Fahrerkabinen, Fahrzeugen von Sicherheitskräften, Beatmungseinrichtungen, Intensivstationen, Mitarbeiterräumen, Räumen zur Tierhaltung und anderen Räumen, in denen sich Menschen, Tiere oder Pflanzen aufhalten bzw. befinden.
Die Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher als Füllung eines Hohlkörpers und/oder als poröser Formkörper ausgeführt ist, wobei der Hohlkörper und/oder der Formkörper vorzugsweise in eine Atemschutzmaske eingelegt oder eingearbeitet wird oder mit ihr verbunden wird.
Die Verwendung nach einem der vorgehenden Ansprüche in Verbindung mit einem oder mehreren der Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Filtration, Befeuchtung, Trocknung, Kondensation, UV-Behandlung, Behandlung mit Corona oder Plasma, Behandlung mit Hochspannung, Behandlung mit radioaktiver Strahlung, Behandlung durch Wärmezufuhr und Behandlung durch Kältezufuhr.
Verfahren zur Entfernung und/oder Reduktion von biologischen Kontaminationen in Gasen und Gasströmen mittels eines oder mehrerer Ionenaustauscher, dadurch gekennzeichnet, dass die Gase oder Gasströme mit einem Ionenaustauscher in Kontakt gebracht werden.
Das Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die biologischen Kontaminationen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Viren, Bakterien, Schimmelpilzen, Pilzsporen, Milben, Milbenrückständen, Milbenkot, Pollen sowie Bestandteile der Vorgenannten, Stoffwechselprodukte, wie zum Beispiel Mykotoxine, Proteinen, RNA und DNA, bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus behüllten Viren, unbehüllten Viren, Bakterien, Pilzsporen und Proteinen und besonders bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Coronaviren, SARS-Typ-Viren, SARS-CoV-2-Viren, resistenten Erregern und multiresistenten Erregern.
Das Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher zumindest einen Kationenaustauscher umfasst, wobei optional der Kationenaustauscher zumindest ein schwach saurer oder ein stark saurer Kationenaustauscher oder eine Mischung davon ist und wobei der Kationenaustauscher vorzugsweise teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit H⁺-lonen beladen ist.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Anionenaustauschern, gemischten Anionen- und Kationenaustauschern und Mischungen aus Anionen- und Kationenaustauschern, wobei vorzugsweise der Anionenaustauscher teilweise oder im Wesentlichen vollständig mit OH^--Ionen beladen ist.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionenaustauscher als Füllung eines Hohlkörpers und/oder als poröser Formkörper ausgeführt ist, wobei vorzugsweise der Hohlkörper und/oder der Formkörper in eine Atemschutzmaske eingelegt oder eingearbeitet wird oder mit ihr verbunden wird.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei zusätzlich eines oder mehrere Verfahren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Filtration, Befeuchtung, Trocknung, Kondensation, UV-Behandlung, Behandlung mit Corona oder Plasma, Behandlung mit Hochspannung, Behandlung mit radioaktiver Strahlung, Behandlung durch Wärmezufuhr, Behandlung durch Kältezufuhr, Ozonisierung, Dosierung von Gasen oder Flüssigkeiten zur Behandlung des Ionenaustauschers und/oder des Gases, insbesondere Luft, durchgeführt werden, wobei das oder die Verfahren vorzugsweise permanent oder in Intervallen durchgeführt werden.