CN104470632A

CN104470632A - 基于干燥剂的蜂窝状化学过滤器及其制造方法

Info

Publication number: CN104470632A
Application number: CN201380010260.0A
Authority: CN
Inventors: 迪帕克·帕赫瓦; 阿尼尔·库马尔·舒哈里
Original assignee: Desiccant Rotors International Pvt Ltd
Current assignee: Desiccant Rotors International Pvt Ltd
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2013-01-19
Publication date: 2015-03-25
Also published as: BR112014017899A8; AU2017208389A1; WO2013108117A1; KR20150003716A; MX2014008803A; AU2013210811A1; CA2865123A1; BR112014017899A2; EP2804694A1

Abstract

本发明提供了一种基于干燥剂的蜂窝状化学过滤器，包括由基质形成的基体，所述基质具有原位产生的或在其上沉积的干燥剂，所述干燥剂选自金属硅酸盐、硅胶、分子筛、活性氧化铝、活性炭或疏水性沸石及其任意混合物，所述基质还浸渍有氧化剂、或碱金属氢氧化物、或强酸或弱酸、或还原剂中的一种或更多种。

Description

基于干燥剂的蜂窝状化学过滤器及其制造方法

发明领域

本发明涉及用于从存在于工业环境或家庭环境的空气中除去污染物的化学过滤器。更特别地，本发明涉及基于干燥剂的蜂窝状化学过滤器。本发明还涉及用于制造基于干燥剂的蜂窝状化学过滤器的方法。

发明背景

如上所述，本发明涉及用于从存在于工业环境或家庭环境的空气中除去污染物的基于干燥剂的化学过滤器，例如蜂窝状化学过滤器。本发明还提供了用于制造基于干燥剂的蜂窝状化学过滤器的方法。

待除去的污染物通常是气态污染物，但是也可包括通过常规方法不易除去的细小液滴形式的污染物。

本文所用的术语“干燥剂”旨在涵盖大孔干燥剂和微孔干燥剂两者。用不同浸渍材料来浸渍本发明中使用的基于干燥剂的蜂窝状基体。本发明还提供了使用所述化学过滤器来除去来自工业生产方法的气态污染物、污染物和气味的方法。本发明还涉及用于制造浸渍有不同浸渍剂的基于大孔干燥剂/微孔干燥剂的蜂窝状基体的方法，所述基体用于除去包含于空气中的气态污染物或空气中的气味。

已经公认的是由于难以计算和/或测量存在于给定区域内的这种微粒，因此难以控制气载分子污染物(airborne molecular contaminant)。这个难点主要是由于气体不同于微粒的事实引起的。如果不适当加以注意的话，这些污染物对生产力以及人类生活的影响可以是严重的。即使十亿分率(ppb)浓度的化学污染物的存在也可以改变周围环境的化学性质并且不利地影响人类生活和生产力。传统的过滤器不足以保护给定环境使其免于气态污染物，特别是无机污染物，例如氨、胺、臭氧、硫氧化物、氮氧化物、硫化物以及其他通过粒子计数器仍然未检测到的分子污染物。

将通过以下可用于除去形成气载分子污染物(特别是在工业环境中)的重要部分的挥发性有机组分的一些技术方案的讨论来理解本领域中的问题。

本领域中的一个问题已得以确保在控制气味的同时，人类的舒适和健康所期望的湿度水平没有损失。然而，维持适当的湿度水平以及气味控制呈现出一个特别的问题，这是因为现有除湿装置或是从空气中除去太多水分或是在除去气味方面效率低。

工业环境以及非工业环境(例如运输车辆的客舱)中的气味是由于存在于循环空气中的挥发性有机化合物引起的。由发动机尾气、溶剂、燃气轮机、热电厂、石油化工厂以及许多废气中包含例如溶剂蒸汽、墨、漆等材料的工业生产方法形成了高水平但是相对低浓度的这些有机化合物。挥发性有机化合物不仅包括为饱和的、不饱和的或芳香族的烃，而且还包括氧化材料例如醇、酯、醚和酸、含氮化合物(主要是胺)，含硫材料(硫醇和硫醚)以及含卤素材料(尤其是氯取代的烃也可为有机氟化物和有机溴化物)。认为气流中这些化合物的存在是健康风险和/或导致气流具有令人不愉快的和不希望的气味。

用于从湿空气中回收溶剂的传统方法包括吸附系统，通常对该吸附系统进行操作直至出口气流中溶剂浓度达到可检测的预设突破性水平。当达到该水平时，气体至吸附剂的流动停止。吸附床则包含溶剂、其他可冷凝的有机污染物以及依赖于负载溶剂的气流的入口相对湿度的一定量的水。

随后通过引入热惰性气体或蒸汽(饱和的或者过热的)改进了该方法，使该热惰性气体或蒸汽置换来自吸附剂的溶剂以在冷凝时产生溶剂/水混合物。通常使用两个吸附剂床，其中一个是吸附的而另一个床经历再生。

从吸附床中再生和回收溶剂的进一步开发涉及使用惰性气体或空气以及低温冷凝来自再生气体/空气的溶剂。然而，这些技术并不直接适用于必要时的所有给定情况。

已知可以通过吸附(例如变温吸附)从空气中除去挥发性有机化合物。可在大多数化学和制造工厂(尤其是使用溶剂的工厂)中发现需要处理的空气流。在500ppm至15000ppm的浓度水平下，来自用于热再生的活性炭吸附剂的蒸汽的VOC回收在经济上是合理的。超过15000ppm的浓度通常在爆炸范围内并且要求使用热惰性气体而非用于再生的空气。然而，在约500ppm以下时，回收在经济上不合理，环境关注点常常决定了吸附回收随后是破坏行为。活性炭是用于这些应用的传统吸附剂，并且代表其第二最大用途。

美国专利No.4,421,532公开了通过变温吸附从工业废气中回收VOC的方法，包括使用在闭合循环中循环的热惰性气体以脱附VOC。

在美国专利No.4,134,743中讨论了用于在受限区域(例如低至0.001lbs水/磅空气的家、船或建筑)中干燥空气的一种装置。该文献公开了方法和设备，其中吸附体是包含约10重量％至90重量％的自由分开的分子筛材料的薄片轮形物或纤维材料层。该设备包括用于在一个方向上将待处理的空气传递使其通过轮式的器件以及将再生空气流逆流传递至待处理空气的器件。此外，在与空气流并流的方向上提供冷却流。

美国专利No.4,887,438公开了用于将除湿的致冷空气递送至基于吸附剂轮形物的受调节空间的干燥剂辅助的空调系统。Meckler教导了使用涂覆有硅胶或优选吸湿性盐、氯化锂的干燥剂轮形物以从空气中除去水分。该引用教导了使用来自制冷冷凝器的废热来加热再活化空气并且利用液体制冷剂注入压缩机中以提高容积式压缩机中的压力比从而抗衡“热倒流(dumpback)”的问题。热倒流是发生在使轮形物暴露于热的再生空气之后的由干燥剂轮形物传导至经处理的空气的相关热。该相关热加至制冷系统上的总冷却负荷。

美国专利No.5,242,473公开了利用两个除湿器转子的气体除湿设备，其表现出改进的除湿效率从而为经处理的气体提供高干燥水平，其中第二转子使用合成沸石。待除湿的气体首先传递至涂覆有硅胶的转子然后传递至涂覆有沸石的转子。经由供应通过第二转子然后通过第一转子的经加热气流使该转子再生以使在低于第二转子中沸石的温度下使第一转子中的吸附剂再生。经处理气体的一部分用于逆流地冷却再生之后的转子。

用于通过吸附从气流中除去低浓度挥发性有机污染物的技术中，最常见技术示例于美国专利No.4,402,717中。该文献教导了用于从包含圆柱形蜂窝状结构的气流中除去水分和气味的设备，所述圆柱形蜂窝状结构由均一地涂覆有吸附剂并且形成为盘或轮的形状的瓦楞纸形成气流。由纸中的波纹形成的多重吸附剂涂覆的平行流动通道用作气体通路，将其分离为用于除去气体中的水和导致气味的组分的区域以及用于吸附剂再生的区域。用于除去和再生的区域是可随着轮式绕其中心线沿圆周旋转而连续地移动。迷宫式密封件使旋转结构的外侧与密封外壳的圆柱壁分离。

一个与现有技术的尝试使用蜂窝状基体相关的问题是所使用的吸附剂。通常选择亲水性吸附剂(例如硅胶)用于除湿应用，但是它们对除去挥发性有机污染物而言是差的吸附剂。在美国专利No.5,181,942中讨论了这样一种方法的组合。另一方面，通常推荐疏水性吸附剂(例如高二氧化硅沸石)用于除去VOC应用，但是它们对除湿应用而言是差的吸附剂。因此，除湿和VOC除去这两种应用通常可需要两种类型的吸附剂。

已经进行了尝试由此可采用单一的吸附剂用于两种操作。此外，吸附剂涂覆的纸和一些吸附剂盐具有有限范围的湿度和温度，在该范围之内其可保持结构完整性。该失败还限制了再生介质为干燥、中等温度的气体和空气。使吸附剂和气流接触并且因此对于VOC的吸附剂能力受限于纤维表面上的非常薄层的吸附剂。该特征还限制吸附剂轮式的极限使用寿命，导致频繁的轮式更换。

要认识到化学过滤策略对用于控制气载分子污染是理想的。然而，由于难以确保湿度控制和化学吸收作用二者，因此通常不考虑使用基于蜂窝状基体的干燥剂。

过滤器通常是设计为阻挡或容纳物体或物质同时让其他物体或物质通过的装置例如膜或层。过滤介质通常是三种类型(机械的、生物的和化学的)。优选化学过滤器用于在给定环境中除去气态污染物，因为其通过可控氧化作用由吸附剂/浸渍吸附剂(例如高锰酸钾)吸附和吸收气味两者来提供空气纯化。

气态污染物可以是无机的或有机的。为了除去气态污染物，用于吸附气体的吸附剂或用于吸附气体/浸渍剂的反应物的选择对于化学的过滤介质而言是非常重要的。如上所述，单一的化学过滤介质可能无法充分地控制多种污染物或AMC种类。

发明目的

本发明的一个目的是提供基于干燥剂的蜂窝状化学过滤器，其中干燥剂在原位产生，并且浸渍有氧化性化学品、酸性的或碱性的化学品、或还原性化学品以除去/容纳气态污染物，其中浸渍剂的负载百分比显著高于现有技术中所认为可能的。

本发明的主要目的是通过使用较高量的浸渍剂来提高除去气态污染物(无论是酸性的、碱性的或有机的)的能力并且延长化学过滤器的使用寿命。

本发明的另一个目的是生产含有或不含活性炭或疏水性沸石的基于干燥剂的蜂窝状基体用于利用不同的浸渍剂/反应物浸渍以除去气态污染物。

本发明的又一个目的是提供基于干燥剂的蜂窝状基体，其中使压力损失最小化。该干燥剂可以含有或者可以不含活性炭或疏水性沸石并且可以利用用于增强除去不同污染物的浸渍剂来浸渍或者可以不利用其浸渍。

本发明的再一个目的是提供基于干燥剂的蜂窝状基体化学过滤器，其提供能源节约，并且可以含有或不含活性炭或疏水性沸石，并且可以利用不同的浸渍剂来浸渍或者不浸渍，同时还能够增强气味控制。

发明内容

因此，为了克服现有技术中遇到的问题，本发明提供了用于用作化学过滤器的包含原位制备的干燥剂的蜂窝状基体，如下文所述。

本发明提供了基于干燥剂的蜂窝状化学过滤器，包含由基质形成的基体，所述基质具有在原位产生或沉积于其上的干燥剂，所述干燥剂选自金属硅酸盐、硅胶、分子筛、活性氧化铝、活性炭或疏水性沸石，及其任意混合物，所述基质还利用氧化剂、或碱金属氢氧化物、或强酸或弱酸、或还原剂中的一种或更多种来浸渍。

该基体包含无机物质或有机物质或其混合物。

在另一个实施方案中，所述物质是纤维或浆料的形式。

在又一个实施方案中，所述无机纤维选自玻璃纤维、牛皮纸、陶瓷纸及其任意组合，并且优选玻璃纤维。

在再一个实施方案中，所述干燥剂选自金属硅酸盐和硅胶或者金属硅酸盐和活性炭和/或疏水性干燥剂(例如选自HISIV和ZSM-5的沸石)的组合。

所述金属硅酸盐选自硅酸钾和硅酸钠，优选地其中硅酸盐是中性等级的硅酸钠。

在一个优选实施方案中，在硅酸钠中，SiO₂与Na₂O的比率为1∶2.0至1∶4.0，优选为1∶3。

在本发明的另一个实施方案中，浸渍材料选自高锰酸钾、高锰酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸和硫代硫酸钠。

在本发明的另一个实施方案中，在基体中浸渍材料的负载量为4％至40％，优选约20％。

在本发明的另一个实施方案中，优选不存在粘合剂。

在本发明的另一个实施方案中，基质的基重在50gsm至150gsm的范围内，优选为80gsm至120gsm。

本发明还提供了用于制造基于干燥剂的蜂窝状化学过滤器的方法，包括以下步骤：

(i)在100℃或更高温度下使基于大孔干燥剂或微孔干燥剂的蜂窝状基体脱水；

(ii)用合适的浸渍剂对基于经脱水的干燥剂的蜂窝状基体进行浸渍然后将所述基体干燥而使所述含水量保持为15％至30％。

当该方法用在包括原位产生干燥剂的情形下时，其包括以下步骤：

(i)用形成干燥剂的材料或选自金属硅酸盐、硅胶、分子筛(亲水的或疏水的)、活性氧化铝、活性炭及其任何混合物的干燥剂对基质材料进行处理，其中形成干燥剂的材料是浓度为15％至40％的溶液的形式；

(ii)对经处理的材料进行干燥以将其含水量减小至15％到40％；

(iii)将基质基体浸泡在水溶性金属盐或盐类或强酸或弱酸中以形成水凝胶并获得凝胶基体；

(iv)将步骤iii中获得的凝胶基体进行洗涤以除去过量反应物和不需要的副产物；

(v)在受控的温度条件下对凝胶基体进行干燥以将水凝胶转化为气凝胶基体；

(vi)用氧化剂、或碱金属氢氧化物、或强酸或弱酸、或还原剂中的一种或更多种对气凝胶基体进行处理；

(vii)在50℃至140℃的温度下对上述步骤(vi)的经处理的气凝胶基体进行干燥以获得所述化学过滤器。

发明详述

本发明提供了对本领域中的问题而言的技术方案，其利用使用干燥剂的蜂窝状化学过滤器来确保化学污染物的最大吸附效率。蜂窝状基体可以由多种基质(例如塑料片、金属/铝箔、类似于“纸”的有机的和/或无机的纤维基质，并且其可以是相当多孔的)形成。通常地，干燥剂材料在基质上的沉积或负载是选择基质、待沉积或待负载干燥剂的量、以及在旨在使用的空气/基体的温度下的功能。用于将干燥剂沉积或负载在基质上以制备基体的已知技术是涂覆、浸渍以及原位合成。

当大量产生干燥剂粉末中并且旨在工业应用而非HVAC空气处理时选择涂覆和浸渍。在干燥剂材料(例如硅胶和金属硅酸盐)的情况下通常选择原位合成。

在本发明的基于干燥剂的蜂窝状化学过滤器中，使干燥剂在原位产生，并且浸渍有氧化性化学品、酸性的或碱性的化学品以除去/容纳气态污染物，并且浸渍剂的负载百分比显著高于本领域中所认为可能的。

出乎意料地发现，通过使用较高量的浸渍剂导致了提高除去气态污染物(无论是酸性的、碱性的或有机的)的能力以及延长化学过滤器的使用寿命。

基于干燥剂的蜂窝状基体可以用或不用活性炭或疏水性沸石制成，用于利用不同的浸渍剂/反应物浸渍以除去气态污染物。本发明的另一个显著特征是在基于干燥剂的蜂窝状基体中使压力损失最小化。干燥剂可以含有或者可以不舍活性炭或疏水性沸石并且可以利用用于增强除去不同污染物的浸渍剂来浸渍或者可以不浸渍。

本发明的基于干燥剂的蜂窝状基体化学过滤器还提供能源节约，并且可以含有或不含活性炭，并且可以利用不同浸渍剂来浸渍或者可以不浸渍，同时还能够增强气味控制。

如前所述，待处理的空气(特别是室外空气)通常包含几种气态污染物(例如VOC、气味等)。希望通过干燥剂基体除去这些。在待处理的空气中(特别是当将空气预冷却至接近饱和时)，该气态污染物有时是水溶性的并且主要地通过毛细管吸附在大孔干燥剂中将其一起冷凝。现有技术包括微孔干燥剂使用的一些参考。然而，这些干燥剂通常具有有限的毛细管吸附并且因此具有受限制的气态污染物吸附。

由于通常将干燥剂涂覆或浸渍在基质上的事实，现有技术还示出对于干燥剂和任何浸渍剂两者而言有限的负载能力。因此，这些情况下的吸附是表面现象。这必然导致较低密度纸的使用，通常在20gsm至80gsm的厚度范围内。基质涂覆的要求通常是基质选择的限制因素，并且认为使其不能增大基质的密度而不损害吸附所需的表面积。

如下所述，本发明通过提供用作化学过滤器的包含原位制备的干燥剂的蜂窝状基体来解决现有技术中遇到的问题。

本发明通过基于大孔干燥剂或微孔干燥剂的蜂窝状基体而实现。该基质由多种无机的或有机的物质或其组合制得。该物质可以是纤维或浆料。该无机纤维选自玻璃纤维、牛皮纸、陶瓷纸等，并且优选玻璃纤维。可以原位合成的干燥剂优选地包括提供高吸附能力的金属硅酸盐/硅胶。

现在将参照示例性和非限制性实施方案描述本发明，其中将玻璃纤维用作基质。该方法包括层压经水玻璃处理的/浸渍的蜂窝状或如块体形状的玻璃纤维。用水溶性盐(二价的或三价的)或任何酸(有机的或无机的)处理基体以将水玻璃硅酸盐转化为活性干燥剂材料，其中孔径在至的范围内，孔体积为0.10gm/cc至0.80gm/cc并且表面积为300m²至700m²。

基于干燥剂的蜂窝状基体通常是纤维玻璃基质的平的和/或波纹状的片，其中已将活性干燥剂合成至孔中。本发明所用纤维玻璃基质是纤维直径为4微米至15微米、纤维长度为6mm至10mm、厚度为0.10mm至0.75mm的高度多孔材料。在该方法中使用的纤维玻璃基质的粘合剂含量不大于8％并且用于制造基质的优选粘合剂是聚乙烯醇或其与丙烯酸类的组合。可建议在基质中使用低含量的有机粘合剂以使得基于干燥剂的蜂窝状基体的有机质含量百分比也减小。

通常，在水溶性硅酸盐干燥剂在原位产生的情况下避免了添加外部粘合剂的需求。一旦用合适的反应物处理，硅酸盐材料本身就执行干燥剂的功能。然而，当将干燥剂涂覆在基体上时，可建议添加额外的粘合剂材料。水溶性硅酸盐可用于该目的。或者，也可使用将干燥剂涂覆在基体上的市售粘合剂。

在该方法中所用基质的基重为50gsm至150gsm，优选80gsm至120gsm。用于制造该基质的纤维可以是电气等级的纤维。待成波纹状的平板首先通过期望浓度(15％至40％，优选30％)的含有或不含活性炭材料或疏水性沸石的水玻璃溶液。将该板优选使用红外线加热在干燥室中干燥以确保含水量在15％至40％的期望范围内，优选20％。然而，也可以使用其他类型的水溶性硅酸盐例如硅酸钾，优选硅酸钠，这是由于其成本效率、其副产物的高溶解性、更高粘合强度以及易得性。

优选使用中性等级的水溶性硅酸盐(优选硅酸钠)以浸渍纤维玻璃基质。观察到与中性等级的硅酸盐相比，碱性等级中的高碱含量的存在使大量反应物的使用成为必要。碱性等级的硅酸钠的使用还导致比中性等级的硫酸钠更高的凝胶速率。凝胶速率不利地影响干燥剂的特性。

在基质上原位合成干燥剂材料的方法可以与活性炭和/或疏水性沸石材料(例如HISIV或ZSM05)的沉积同时完成。活性炭和/或疏水性沸石材料的使用使气味除去的水平增强并且还在基质本身的结构强度方面提供显著的增强。在原位形成干燥剂之前，将粉末的形式的活性炭(和/或疏水性沸石材料)与水溶性硅酸盐或任何合适的粘合剂(无机的或有机的)混合。这使得能够在干燥剂内捕获/封装活性炭颗粒或疏水性沸石，由此增强气味控制、VOC吸附、以及基体本身的结构强度。

通过将硅酸盐(或硅酸盐和活性炭或疏水性沸石)浸渍的平板穿过齿辊来产生波纹状板。硅酸盐或硅酸盐和活性炭或疏水性沸石浸渍的板的含水量、水玻璃的等级、波纹状辊、粘合剂辊上间隙的控制和粘合剂的固化热在制造单个平面铣刀单元中是很重要的。使用用于起皱的相同材料的附加辊一起压制波纹状板和平板。当制造单个平面铣刀时即使用用于浸渍的相同水玻璃也优选地避免使用粘合剂，从而避免合成后的粉化或更高的压降。这通过保持平板中更高含水量来实现。

平板和波纹状板组合的单个平面铣刀可以转化为块状或圆柱状。优选应用中性等级的硅酸钠以在堆叠或卷绕之前依次地确保单个平面铣刀的粘着力。在单个平面铣刀的堆叠或卷绕之前SiO₂∶Na₂O在1∶2.0至1∶4.0的范围内(优选1∶3.0)的应用为蜂窝状基体提供附加的强度。然后，将生产的蜂窝状基体进行干燥以增强片的粘着力。如果SiO₂∶Na₂O的比率≤2，则粘合强度更弱，而如果SiO₂∶Na₂O的比率大于4.0，则粘合强度更小。

使用中性等级硅酸盐的另一个优点是干燥的速度。SiO₂∶Na₂O的比率影响水分损失，因为保水作用是碱度的直接功能。高比率的硅酸盐保持更少量的水。SiO₂∶Na₂O的比率在2.0至2.6范围内的更具碱性硅酸盐的干燥比具有3.0至3.3的范围内SiO₂∶Na₂O的硅酸盐更低。

然后将以上产生的为块或圆柱的形式的蜂窝状基体浸泡于不同比例的水溶性金属盐/盐类或强或弱酸/酸类(无机的或有机的)以及浸泡于其他形式溶液中以产生硅酸盐水凝胶。在下表中给出了水玻璃硅酸盐和金属盐之间形成不溶性金属硅酸盐水凝胶的反应：

Na₂SiO₃+Al₂(SO₄)₃→Al₂(SiO₃)₃+Na₂SO₄

Na₂SiO₃+MgSO₄→MgSiO₃+Na₂SO₄

Na₂SiO₃+MgCl₂→MgSiO₃+NaCl

Na₂SiO₃+AlCl₃→Al₂(SiO₃)₃+NaCl

Na₂SiO₃+HCl→H₂SiO₃+NaCl

有必要进行凝胶基体的洗涤以除去活性材料合成期间形成的副产物和过量反应物。由于过量反应物的存在，凝胶基体的酸度使系统中所用的结构材料劣化。在受控的pH下洗涤水凝胶。使该方法中使用的基体的凝胶化pH或者反应物的浓度、温度、反应时间来改变活性材料特性，例如孔径、孔隙率、孔体积和表面积。

在规定条件下还将该成分干燥以将水凝胶转化为气凝胶。观察到硅酸盐的类型、盐的类型、其pH、浓度、温度以及将凝胶老化或者通过其他方式处理期间进行的时间大大影响凝胶特性，例如孔径、孔体积、表面积、吸附能力等。另一个影响凝胶特性的重要因素是液体介质的盐含量和表面张力，因为其自凝胶的孔蒸发。

本发明的基于干燥剂的蜂窝状基体化学过滤器的制造包括层压圆柱体或块的形式/形状的经水玻璃处理的/浸渍的玻璃纤维基质(含有或不合碳或疏水性沸石)，用一种或更多种水溶性二价的/三价的盐或有机酸或无机酸(强酸或弱酸)处理该成分以将水玻璃转化为活性材料，然后用不同浸渍剂来浸渍该活性材料。

用适合用于在不同温度下以不同浸泡时间除去不同浓度的气态污染物的氧化剂溶液、碱性溶液和弱酸溶液或任何反应物浸入/浸渍所产生的气溶胶。当用溶液充分地浸渍蜂窝结构时，在重新调整浓度之后使过量的浸渍物排干并且保持在另一个容器内。

完全浸渍所需时间随着吸附剂的结构、温度和其他因素的作用而变化。然后将蜂窝状材料放入烘箱中并加热直至自由湿气和水蒸发或被驱出离开蜂窝状硅酸盐气凝胶材料和/或硅酸盐水凝胶和活性炭或疏水性沸石的孔内浸渍材料的混合物。优选地，浸渍的蜂窝状材料的干燥温度在50℃至140℃的范围内。加热的暴露时间随材料的质量和数量、加热效率以及其他因素而变化。制备之后，将浸渍有浸渍剂的蜂窝状基体进行保存直至准备使用。浸渍步骤为如下所述：

a.对基于大孔干燥剂或微孔干燥剂的蜂窝状基体进行脱水；

b.用一种或更多种浸渍剂进行浸渍；

c.对经浸渍的基于大孔干燥剂或微孔干燥剂的蜂窝状基体进行干燥。

在我们的实验中，使用的优选浸渍剂是高锰酸钾和高锰酸钠、氢氧化钠或氢氧化钾、弱酸(例如磷酸)以及还原剂(例如硫代硫酸钠)。浸渍剂的负载量取决于多种因素例如干燥剂类型、浸渍剂的浓度、浸泡时间、温度、浸渍次数等。

使用高锰酸钾和高锰酸钠浸渍

用5％至40％的范围内的高锰酸钾/高锰酸钠溶液浸渍大孔干燥剂或微孔干燥剂(含有或不含活性炭)负载的蜂窝状基体，其中，在高锰酸钾的情况下优选15％的浓度，并且在高锰酸钠的情况下优选30％，其于10℃至90℃(最优选70℃)下进行5分钟至60分钟(最优选15分钟)以获得最大的浸渍剂负载量而不影响基体的机械强度和水/CTC的吸附能力。表1给出了影响浸渍剂(KMnO₄对NaMnO₄)负载的百分比和经浸渍的基于干燥剂的蜂窝状基体吸附能力的因素的细节。

表1

A.浸渍剂的浓度

B.KMnO₄&NaMnO₄的浸泡时间

C.KMnO₄&NaMnO₄的温度

D.KMnO₄&NaMnO₄(大孔对微孔)

活性材料的浓度、浸泡时间、溶液温度、连续浸渍和表面性质在实现负载量和吸附双目标中起着重要作用。在下文中对用碱(优选氢氧化钠或氢氧化钾)、或酸(优选磷酸)和还原剂例如硫代硫酸钠浸渍微孔或大孔干燥剂和/或混合干燥剂(不溶性金属硅酸盐和活性碳酸)的方法进行说明。在水玻璃溶液中制备活性炭浆料并且将蜂窝状基体缠绕为块或圆柱体的形式。如上所述，用盐溶液对由水玻璃和活性炭负载的蜂窝状基体进行处理。用不同浓度的浸渍剂来浸渍由干燥剂材料(无论是大孔或微孔(并且含有或不舍活性炭))负载的蜂窝状基体。

使用氢氧化钾浸渍

用氢氧化钾溶液浸渍由大孔干燥剂或微孔干燥剂(含有或不含活性炭和/或疏水性沸石材料)材料负载的蜂窝状基体，其中氢氧化钾溶液在2％至15％的范围内(最优选6％)，所述浸渍于10℃至50℃下(最优选30℃)进行5分钟至60分钟(最优选15分钟)以获得最大的浸渍剂负载量而不影响基体的机械强度和水/CTC吸附能力。表2给出了影响浸渍剂(KOH)负载的％以及经浸渍的基于蜂窝状干燥剂的基体吸附能力的因素的细节。

表2

A.浸渍剂浓度-大孔对含有活性炭(混合干燥剂)的大孔

B.KOH的浸泡时间

C.KOH的温度

使用磷酸浸渍

用磷酸溶液浸渍由大孔或微孔(含有或不合活性碳)材料负载的蜂窝状基体，其中磷酸溶液在2％至15％的范围内(最优选8％)，所述浸渍于10℃至50℃(最优选30℃)下进行5分钟至60分钟(最优选15分钟)以得到最大的浸渍剂负载量而不影响基体的机械强度和水/CTC吸附能力。表3给出了影响浸渍剂(磷酸)负载的百分比以及经浸渍的基于蜂窝状干燥剂的基体吸附能力的因素的细节。

表3

A.浸渍剂的浓度-大孔对大孔和活性炭(混合干燥剂)

B.磷酸的浸泡时间

C.磷酸的温度

D.KOH(大孔对微孔)

参数	大孔	微孔
			1.％负载量	11.5	6.5

使用硫代硫酸钠浸渍

用硫代硫酸钠溶液浸渍由大孔或微孔(含有或不含活性炭或疏水性沸石)材料负载的蜂窝状基体，该硫代硫酸钠溶液在5％至45％的范围内(最优选15％)，所述浸渍于10℃至50℃(最优选30℃)下进行5分钟至60分钟(最优选15分钟)以得到最大的浸渍剂负载量而不影响基体的机械强度和水/CTC吸附能力。表4给出了影响浸渍剂(硫代硫酸钠)负载量的％以及经浸渍的基于蜂窝状干燥剂的基体吸附能力的因素细节。

表4

A.浸渍剂的浓度-大孔对大孔和活性炭(混合干燥剂)

B.硫代硫酸钠溶液的浸泡时间

C.硫代硫酸钠溶液的温度

与现有技术方法相比，本发明提供了几个显著优点。其中的一些概述如下：

1.虽然通常优选大孔材料，但是高锰酸钾还可以以大负载百分比浸渍于微孔材料上。

2.由于几个因素增强了负载程度，其中一些如下示出：

(a)基质的GSM显著高于现有技术所使用的。GSM的范围通常为50gsm至150gsm(优选80gsm至120gsm)。这使得在基质上更高的干燥剂负载量成为可能而导致浸渍剂的更大浸渍负载量；

(b)进行干燥剂的原位形成使得其pH是中性并且通常最低程度地受到气体(无论是酸性的或碱性的)的化学性质影响。优选地避免粘合剂并且并不认为其对于干燥剂制剂的形成是必要的，并且由此获得的干燥剂材料都是活性材料。这也导致基质的表面密度由400gsm最终增加至750gsm。

(c)还由于不同因素例如浸泡时间、温度和浓度的组合使负载量程度增强。例如，高锰酸盐(通常高锰酸钠)实现了大于30％的负载量。此外，保持了必需的含水量、更高的干燥剂吸附能力，这是因为其在原位合成。另外的优点包括以下事实：干燥剂可以抑菌且不易燃。

(d)干燥剂可以与活性炭或疏水性沸石组合，优选通过使碳粉或疏水性干燥剂(例如选自HISIV或ZSM-05的沸石材料)与合适的粘合剂混合，在原位干燥剂形成之前优选无机的。这使得炭颗粒能够被捕获/封装于干燥剂内。这使得在气味控制、VOC吸附以及在基体本身的结构强度方面能够增强。

3.如果需要，本发明能够使得基体的表面积损失以使得实现多个流体几何条件，并且允许更低压降而无任何显著的材料性能损失。

4.当以400fpm至600fpm[2m/秒至3m/秒]的更高表面速度运行时，即使接触时间减少也实现了高达100％的效率。

Claims

1.一种基于干燥剂的蜂窝状化学过滤器，包括由基质形成的基体，所述基质具有原位产生的或在其上沉积的干燥剂，所述干燥剂选自金属硅酸盐、硅胶、分子筛、活性氧化铝、活性炭及其任意混合物，所述基质还浸渍有氧化剂、或碱金属氢氧化物、或强酸或弱酸或还原剂中的一种或更多种。

2.根据权利要求1所述的化学过滤器，其中所述基质包含无机物质或有机物质或其混合物。

3.根据权利要求2所述的化学过滤器，其中所述物质是纤维或浆料的形式。

4.根据权利要求3所述的化学过滤器，其中所述无机纤维选自玻璃纤维、牛皮纸、陶瓷纸及其任意组合。

5.根据权利要求4所述的化学过滤器，其中所述无机纤维是玻璃纤维。

6.根据权利要求1所述的化学过滤器，其中所述干燥剂选自金属硅酸盐和硅胶或金属硅酸盐和活性炭和/或疏水性干燥剂的组合，所述疏水性干燥剂例如为选自HISIV和ZSM-5的沸石。

7.根据权利要求6所述的化学过滤器，其中所述金属硅酸盐选自硅酸钾和硅酸钠。

8.根据权利要求7所述的化学过滤器，其中所述硅酸盐是中性等级的硅酸钠。

9.根据权利要求8所述的化学过滤器，其中在所述硅酸钠中，SiO₂与Na₂O的比率为1∶2.0至1∶4.0，优选为1∶3。

10.根据权利要求1所述的化学过滤器，其中所述浸渍材料选自高锰酸钾、高锰酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸和硫代硫酸钠。

11.根据权利要求10所述的化学过滤器，其中所述基体中所述浸渍材料的负载量为4％至40％，优选约20％。

12.根据前述权利要求中任一项所述的化学过滤器，其中优选不存在粘合剂。

13.根据前述权利要求中任一项所述的化学过滤器，其中将活性炭和/或疏水性干燥剂材料例如HISIV或ZSM-5与原位产生的干燥剂一起加入。

14.根据前述权利要求中任一项所述的化学过滤器，其中所述基质的基重为50gsm至150gsm。

15.根据前述权利要求中任一项所述的化学过滤器，其中所述基质的基重为80gsm至120gsm。

16.一种用于制造基于干燥剂的蜂窝状化学过滤器的方法，包括以下步骤：

(i)在100℃或更高温度下对基于大孔干燥剂或微孔干燥剂的蜂窝状基体进行脱水；

(ii)用合适的浸渍剂来浸渍经脱水的基于干燥剂的蜂窝状基体，然后将所述基体干燥而使含水量保持为15％至30％。

17.根据权利要求16所述的方法，包括：

(i)用形成干燥剂的材料或选自金属硅酸盐、硅胶、分子筛、活性氧化铝、活性炭及其任意混合物的干燥剂对基质材料进行处理，其中所述形成干燥剂的材料是浓度为15％至40％的溶液的形式；

(ii)对经处理的材料进行干燥以使其含水量降低至15％到40％；

(iii)将所述基质基体浸泡在水溶性金属盐或强酸或弱酸中以形成水凝胶并获得凝胶基体；

(iv)将步骤iii中获得的所述凝胶基体进行洗涤以除去过量反应物和不需要的副产物；

(v)在受控的温度和pH条件下对所述凝胶基体进行干燥以将所述水凝胶转化为气凝胶基体；

(vi)用氧化剂、或碱金属氢氧化物、或强酸或弱酸、或还原剂中的一种或更多种对所述气凝胶基体进行处理；

(vii)在50℃至140℃的温度下对上述步骤vi的经处理的气凝胶基体进行干燥以获得所述化学过滤器。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述基质包含无机物质或有机物质或其混合物。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述物质是纤维或浆料的形式。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述无机纤维选自玻璃纤维、牛皮纸、陶瓷纸及其任意组合。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述无机纤维是玻璃纤维。

22.根据权利要求18所述的方法，其中所述干燥剂选自金属硅酸盐和硅胶。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述金属硅酸盐是选自硅酸钾和硅酸钠的水溶性硅酸盐。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述硅酸盐是中性等级的硅酸钠。

25.根据权利要求24所述的方法，其中在所述硅酸钠中，SiO₂与Na₂O的比率为1∶2.0至1∶4.0，优选1∶3。

26.根据权利要求16所述的方法，其中所述浸渍材料选自高锰酸钾、高锰酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠、磷酸和硫代硫酸钠。

27.根据权利要求26所述的方法，其中在所述基质中所述浸渍材料的负载量为4％至40％，优选30％。

28.根据权利要求16至27中任一项所述的方法，其中优选不存在粘合剂。

29.根据权利要求16至28中任一项所述的方法，其中将活性炭或疏水性沸石与原位产生的干燥剂一起加入。

30.根据权利要求16所述的方法，其中包含干燥剂的基体的含水量优选为20％。

31.根据权利要求17所述的方法，其中步骤vii在10℃至90℃的温度下进行5分钟至60分钟的时间。

32.根据权利要求31所述的方法，其中步骤vii在70℃温度下进行优选15分钟的时间。

33.根据权利要求1至15中任一项所述的化学过滤器，用于从空气供应流除去污染物，所述污染物包括气体、气味成分或挥发性有机化合物。

34.一种干燥剂轮式交换器，包含根据权利要求1至15中任一项所述的化学过滤器。