CN107405565A - 活性炭与催化剂过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例包括过滤元件。在实施例中，本发明包括用于飞机机舱的过滤元件，所述过滤元件包括在第二介质部分上游的第一介质部分。所述第一介质部分可以包括活性炭。所述第二介质部分可以包括催化剂材料。本文还包括其他实施例。

Description

活性炭与催化剂过滤器
优先权权益
本申请在2016年3月11日作为PCT国际专利申请以唐纳森公司(DonaldsonCompany,Inc.)(一家美国国家公司，所有国家指定的申请人)、以及美国公民WilliamS.Rossiter(所有国家指定的发明人)的名义提交，并且要求于2015年3月13日提交的美国临时专利申请号62/133,110的优先权，所述临时专利申请的内容全部通过援引并入本文。
技术领域
本申请涉及过滤元件以及过滤方法。更确切地，本申请涉及用于封闭环境中、包括飞行器机舱中的过滤元件。
背景技术
当飞机在飞行中，机舱内的空气典型地被再循环和补足。机舱内的空气可能被挥发性有机化合物(VOC)、包括低分子量烃和高分子量烃所污染。这些VOC可以从多种来源被引入机舱空气中，例如食物制备、机舱内的人和衣物、清洁用品、以及飞行器发动机和设备。即使相对低浓度的污染物、例如在低于百万分之几(低于ppm)量级的烃也是不希望的。
已经努力来减小机舱空气中、尤其是再循环的机舱空气中的污染物的量，以减少乘员和机组人员暴露在污染物中。然而，飞行器机舱的封闭性、乘员的高密度、以及飞行器机组人员的持续暴露使得在飞行器机舱内维持清洁的气氛是特别重要的。一些飞行器机舱过滤器，例如在美国专利公开号20120180664中的那些，主要是针对去除颗粒污染物。其他飞行器机舱过滤器确实去除或分解烃、但效率低或者依赖于添加能量的需要(例如升高温度)来成功分解污染物。这些努力并未完全成功，因为它们不能高效力且高效率地去除或分解污染物，尤其是VOC，特别是飞行器机舱内出现的低浓度的并且具有变化的分子量的VOC。
因此，需要用于从将被供应到飞机机舱的空气中去除污染物的改进的方法和系统。
发明内容
飞行器机舱内的空气通常被低含量的VOC污染。VOC可能源自清洁用品、飞行器系统(例如发动机排气和压缩机泄露)、以及乘员和员工的衣物和用品。甚至食物(例如酒精饮料)也可能造成飞行器机舱内出现VOC。本文描述的过滤器元件允许从空气和其他气体中、例如从穿过飞行器机舱循环和/或再循环的空气中去除VOC。具体地，这些过滤器元件允许在不改变经过滤的空气流的温度的情况下，有效去除非常低浓度的VOC、并且具有低的停留时间和高流速。
飞行器机舱内的这些VOC的浓度可以是略微可变的，取决于例如飞行器在地面上还是在空中、发动机和附属设备(例如压缩机和液压系统)是否在运行、飞行器内部是否正在被清洁或最近被清洁过、机上乘员的数量、以及飞行器内的货物和行李等条件。典型地，飞行器机舱内的VOC含量是在低于百万分之几的量级、并且因此以十亿分之几的量级来度量。这些含量仍足以导致不希望的作用，并且因此将其减小到较低含量是所希望的。
本文披露的过滤器元件和介质甚至在飞行器机舱典型经历的低浓度下也去除和/或分解足够水平的VOC。如本文使用的，术语“去除”和“分解”意思是从流体流中清除污染物、或减小流体流中污染物的量，并且可以互换使用。此外，本文披露的过滤器元件和介质还有效去除一定分子量范围上的VOC，例如较低分子量VOC(在此表征为小于或等于60g/mol)以及较高分子量VOC(在此表征为大于60g/mol的分子量)。所述过滤器元件和介质甚至在飞行器机舱过滤器系统中典型存在的高流速下也减小这些VOC含量、并且是在室温或接近室温、不添加额外能量的情况下、并且在重量小的包装物中做到的。
因此，本文披露的过滤器元件使用允许从封闭空间、例如飞行器机舱中去除高分子量烃和低分子量烃二者的过滤器元件来去除VOC。所述过滤器元件和介质被配置成去除和/或分解甚至处于现有元件和介质不足的飞机机舱内通常观察到的非常低的浓度下的这些烃。此外，所述过滤器元件和介质允许从机舱再循环系统中存在的相对高速度的空气流中去除烃。这允许甚至以所述空气过滤元件内小的停留时间来成功去除烃。进一步，所述过滤器元件允许在不输入额外能量、例如UV光或热量的情况下去除污染物。最后，所述过滤器元件可以被构造和安排成相对轻量的，由此满足保持总重量低的需要，这对于航空用途是重要的。
在某些实施例中，所述过滤器元件包括在催化剂材料、具体地在室温或接近室温下分解VOC的低温催化剂上游的活性炭。所述过滤器元件对于从气体流中去除VOC提供了多种益处。这些益处可以包括：在不同的实现方式中，更完全地去除大分子量和小分子量化合物二者、去除大分子量化合物而不显著释放进一步的有害分解产物、能够成功去除非常低分子量的烃、甚至在非常高的气体流速下去除烃、并且避免催化剂过载(也称为中毒)。
在实施例中，所述过滤器元件包括被配置成用于吸附高分子量分子的第一介质部分。所述第二介质部分被配置成用于分解低分子量分子，例如将低分子量分子分解成水和二氧化碳。所述第一介质部分可以包括活性炭；并且在所述第一介质部分下游的第二介质部分可以包括催化剂材料。上游的活性炭典型地去除高分子量烃，而下游的催化剂材料典型地去除低分子量烃。这种结构允许上游的活性炭去除较大的、在其他情况下会潜在地使所述催化剂材料中毒的VOC。此外，下游的催化剂材料分解没有被活性炭有效捕获的较小VOC。进一步，通过将较大的上游VOC在其到达催化剂之前去除，防止了大VOC的催化降解产生不希望的副产物。例如，一些较大VOC分解成较小VOC，例如甲醛。通过在上游过滤器介质处主要去除较大VOC，较少的大VOC到达过滤器介质的下游部分。到达催化剂介质的较低浓度的高分子量VOC减小了产生不希望副产物的可能性。而且，在产生此类副产物的程度上，下游介质上的较小VOC负载允许其被所述催化介质进一步催化。
在示例性实施例中，所述第一介质部分被配置成用于降解具有至少60g/mol的分子量的烃，并且所述第二介质部分被配置成用于降解具有小于60g/mol的分子量的烃。在一些实施例中，所述第一介质部分被配置成用于降解具有至少60g/mol的分子量的烃，并且所述第二介质部分被配置成用于降解具有小于40g/mol的分子量的烃。在某些实施例中，所述第一介质部分被配置成用于去除具有至少80g/mol的分子量的烃。
在实施例中，所述第一介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于从空气流中去除具有至少60g/mol的分子量的烃维持至少百分之50的效率，并且所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于去除具有小于60g/mol的分子量的烃维持至少百分之40的效率。在一些实现方式中，相组合地，所述第一介质部分和所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于去除所有烃维持至少50％的效率。在某些实施例中，烃的去除可以以12英尺每分钟或更大的穿过所述过滤器元件的面速度发生。在某些实现方式中，烃的去除是在空气流的温度无明显改变的情况下进行。
在实施例中，所述第一介质部分被配置成用于在小于百万分之0.5的浓度量级上持续至少3000小时地对于从空气流中去除具有至少60g/mol的分子量的烃维持至少百分之50的效率，并且所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于去除具有小于60g/mol的分子量的烃维持至少百分之40的效率。在一些实现方式中，相组合地，所述第一介质部分和所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之0.5的浓度量级上持续至少3000小时地对于去除所有烃维持至少50％的效率。在某些实施例中，烃的去除可以以12英尺每分钟或更大的穿过所述过滤器元件的面速度发生。在某些实现方式中，烃的去除是在空气流的温度无明显改变的情况下进行。
在一些实现方式中，在小于百万分之1.0的浓度下，所述第一介质部分被配置成用于去除至少百分之50的具有至少60g/mol的分子量的烃，并且所述第二介质部分被配置成用于降解至少百分之50的具有小于60g/mol的分子量的烃。烃的去除可以以12英尺每分钟的穿过所述过滤器元件的面速度发生。
在实施例中，在小于百万分之1.0的浓度下、并且在从60°F至120°F的温度下，所述第一介质部分被配置成用于去除至少百分之50的具有至少60g/mol的分子量的烃，并且所述第二介质部分被配置成用于降解至少百分之40的具有小于60g/mol的分子量的烃。
在一些实施例中，在小于百万分之1.0的浓度下、以小于0.1秒的在所述过滤器元件中的平均空气停留时间，所述第一介质部分被配置成用于去除至少百分之50的具有至少60g/mol的分子量的烃，并且所述第二介质部分被配置成用于去除至少百分之40的具有小于60g/mol的分子量的烃。在一些实施例中，在过滤器元件中的平均空气停留时间是约0.05秒。
还披露了用于为飞机机舱过滤空气流的方法，所述方法包括引导未过滤的空气流穿过过滤元件并且将来自所述过滤元件的经过滤的空气流引导到飞机机舱中。所述过滤元件包括在第二介质部分上游的第一介质部分；其中所述第一介质部分包括活性炭并且所述第二介质部分包括催化剂。
本概述是对本专利申请的一些传授内容的总览并且不旨在是对本发明主题的排他性或穷尽性的处理。可以在详细说明和所附权利要求书中找到进一步的细节。在阅读和理解以下详细说明并查看了形成本说明的部分的附图之后，本领域技术人员会清楚其他的方面，这些都不应被认为是限制意义的。本发明的范围由所附权利要求书及其法律等效物来限定。
附图说明
结合以下附图可以更完全地理解本发明，其中：
图1是根据实施例的过滤元件的简化视图。
图2是根据实施例的过滤元件的截面的简化视图。
图3是根据实施例的过滤元件的截面的简化视图。
图4是根据实施例的过滤元件的截面的简化视图。
图5是根据实施例的过滤元件的截面的简化视图。
图6是根据实施例的过滤元件的简化视图。
图7是根据实施例的过滤元件的示意图。
图8是根据实施例的用于过滤空气流的方法的流程图。
虽然本发明容许有多种不同修改和替代形式，但通过举例和附图已经示出其详情并且将对其进行详细描述。然而，应理解的是本发明并不限于所说明的具体实施例。相反，意图是涵盖落入本发明的精神和范围内的修改、等效物、以及替代方案。
具体实施方式
如本文描述的过滤元件可以包括第一介质部分和第二介质部分。所述第一介质部分可以包括活性炭并且所述第二介质部分可以包括催化剂材料。所述过滤元件可以用在飞行器中，例如用于过滤将被引导到飞行器机舱内的空气流。所述过滤元件可以被配置成用于去除低分子量分子、以及高分子量分子。
本文描述的过滤器元件允许去除VOC。飞行器机舱内的空气通常被低含量的VOC污染。这些VOC可能源自(例如)清洁用品、飞行器系统(例如发动机排气和压缩机泄露)、以及乘员和员工的衣物和用品。甚至食物(例如酒精饮料)也可能造成飞行器机舱内出现VOC。
为了评估从飞行器机舱去除VOC的效力，通常进行的试验是以提高的挥发性有机化合物浓度持续短时间的实验。例如，为了再现3,000小时或更多小时数的过滤器寿命上的低于百万分之几量级的VOC暴露，现有的试验是使用更高浓度的VOC持续较短的持续时间。这样的试验的实例使用大致百万分之15的甲苯持续3小时来对持续3000小时去除十亿分之15进行建模。这样的以较高浓度加速的测试不能准确反映过滤器元件的性能。许多吸附性材料，包括不同的活性炭化合物，实际上在低的VOC浓度变得更低效。因此，在给定的百万分之几的VOC浓度下表现良好的吸附性介质通常会在较低的浓度下去除低得多的VOC百分率。
从飞行器机舱和其他封闭空间中去除VOC的另一项挑战是，现有的过滤结构通常不能去除较低分子量化合物，例如具有低于60g/mol的分子量的化合物。例如，具有刚刚超过46g/mol的分子量的乙醇典型地没有被活性炭有效去除。因此，排他地依赖于活性炭的现有过滤结构一般不能从过滤空气中去除乙醇。
飞行器机舱内的VOC浓度可以是略微可变的，取决于包括飞行器在地面上还是在空中、发动机和附属设备(例如压缩机和液压系统)是否在运行、飞行器内部是否正在被清洁或最近被清洁过、机上乘员的数量、以及飞行器内的货物和行李的条件。这些污染物可以包括例如：苧烯、甲苯、丙酮、乙醇等等。这些污染物可以是具有较高分子量的污染物，例如来自例如清洁用品中的苧烯(136g/mol)、或来自例如排气中的甲苯(92g/mol)、以及来自例如生物过程的较低分子量物质如丙酮(58g/mol)、来自擦手巾的乙醇(46g/mol)、或作为放气材料来自制造的产品例如皮革、织物等的甲醛(30g/mol)。典型地，飞行器机舱内的VOC含量是在低于百万分之几的量级、并且因此以十亿分之几的量级来度量。这些含量仍是不希望的，并且因此将其减小到较低含量是所希望的。
为了评估从飞行器机舱内去除VOC的效力，通常进行的试验是持续时间短、并且以提高的VOC浓度。例如，为了再现3,000小时或更多小时数的低于百万分之几量级的VOC暴露，现有的试验是使用更高浓度的VOC持续较短的持续时间。这样的试验的实例是使用大致百万分之15的甲苯持续3小时来寻求对持续3000小时去除十亿分之15进行建模。不幸的是，如所认识到的和本文所描述的，这样的以较高浓度加速的测试不能准确反映过滤器元件的性能。许多吸附性材料，包括不同的活性炭化合物，实际上在低的VOC浓度变得更低效。因此，在百万分之几的VOC浓度下表现良好的吸附性介质会在较低的浓度下、例如在十亿分之几的浓度下去除低得多的VOC百分率。
本文披露的过滤器元件和介质甚至在飞行器机舱典型经历的低浓度下也去除显著水平的VOC。此外，本文披露的过滤器元件和介质在去除一定分子量范围上、例如较低分子量VOC(在此表征为小于或等于60g/mol)以及较高分子量VOC(在此表征为大于60g/mol的分子量)的VOC方面表现良好。
本文描述的将活性炭定位在催化剂材料上游的构型对于从气体流中去除烃提供了多种益处。这些益处可以包括：在不同的实现方式中，更完全地去除大分子量和小分子量化合物二者、去除大分子量化合物而不显著释放进一步的有害分解产物、能够成功去除非常低分子量的烃、甚至在非常高的气体流速下去除烃、并且避免催化剂过载(也称为中毒)。
在实施例中，所述过滤元件被配置成用于从空气流中去除VOC。所述第一介质部分可以被配置成用于吸附高分子量分子。所述第二介质部分可以被配置成用于分解低分子量分子，例如分解成水和二氧化碳。
在示例性实施例中，所述第一介质部分被配置成用于去除具有至少60g/mol的分子量的烃，并且所述第二介质部分被配置成用于去除具有小于60g/mol的分子量的烃。在一些实施例中，所述第一介质部分被配置成用于去除具有至少60g/mol的分子量的烃，并且所述第二介质部分被配置成用于降解具有小于40g/mol的分子量的烃。在某些实施例中，所述第一介质部分被配置成用于去除具有至少80g/mol的分子量的烃。
在实施例中，在小于百万分之1.0的总烃浓度下，所述第一介质部分被配置成用于去除至少百分之50的具有至少60g/mol的分子量的烃，并且所述第二介质部分被配置成用于去除至少百分之50的具有小于60g/mol的分子量的烃。
在实施例中，所述第一介质部分被配置成用于在小于百万分之0.5的浓度量级上持续至少3000小时地对于从空气流中去除具有至少60g/mol的分子量的烃维持至少百分之50的效率，并且所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之0.5的浓度量级上持续至少3000小时地对于去除具有小于60g/mol的分子量的烃维持至少百分之40的效率。在一些实现方式中，相组合地，所述第一介质部分和所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之0.5的浓度量级上持续至少3000小时地对于去除所有烃维持至少50％的效率。在某些实施例中，烃的去除可以以12英尺每分钟或更大的穿过所述过滤器元件的面速度发生。在某些实现方式中，烃的去除是在空气流的温度无明显改变的情况下进行。
在实施例中，所述第一介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于从空气流中去除具有至少60g/mol的分子量的烃维持至少百分之50的效率，并且所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少2000小时地对于去除具有小于60g/mol的分子量的烃维持至少百分之40的效率。在一些实现方式中，相组合地，所述第一介质部分和所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少2000小时地对于去除所有烃维持至少50％的效率。在某些实施例中，烃的去除可以以12英尺每分钟或更大的穿过所述过滤器元件的面速度发生。在某些实现方式中，烃的去除是在空气流的温度无明显改变的情况下进行。
在实施例中，所述第一介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于从空气流中去除具有至少60g/mol的分子量的烃维持至少百分之50的效率，并且所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于去除具有小于60g/mol的分子量的烃维持至少百分之40的效率。在一些实现方式中，相组合地，所述第一介质部分和所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于去除所有烃维持至少50％的效率。在某些实施例中，烃的去除可以以10英尺每分钟、25英尺每分钟、50英尺每分钟或更大的穿过所述过滤器元件的面速度发生。在某些实现方式中，烃的去除是在空气流的温度无明显改变的情况下进行。
在实施例中，所述第一介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于从空气流中去除具有至少60g/mol的分子量的烃维持至少百分之50的效率，并且所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于去除具有小于60g/mol的分子量的烃维持至少百分之40的效率。在一些实现方式中，相组合地，所述第一介质部分和所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于去除所有烃维持至少75％的效率。在某些实施例中，烃的去除可以以12英尺每分钟或更大的穿过所述过滤器元件的面速度发生。在某些实现方式中，烃的去除是在空气流的温度无明显改变的情况下进行。
在实施例中，所述第一介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于从空气流中去除具有至少60g/mol的分子量的烃维持至少百分之50的效率，并且所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少2000小时地对于去除具有小于60g/mol的分子量的烃维持至少百分之40的效率。在一些实现方式中，相组合地，所述第一介质部分和所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少2000小时地对于去除所有烃维持至少90％的效率。在某些实施例中，烃的去除可以以12英尺每分钟或更大的穿过所述过滤器元件的面速度发生。在某些实现方式中，烃的去除是在空气流的温度无明显改变的情况下进行。
在实施例中，所述第一介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少3000小时地对于从空气流中去除具有至少60g/mol的分子量的烃维持至少百分之50的效率，并且所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少2000小时地对于去除具有小于60g/mol的分子量的烃维持至少百分之40的效率。在一些实现方式中，相组合地，所述第一介质部分和所述第二介质部分被配置成用于在小于百万分之1.0的浓度量级上持续至少2000小时地对于去除所有烃维持至少95％的效率。在某些实施例中，烃的去除可以以12英尺每分钟或更大的穿过所述过滤器元件的面速度发生。在某些实现方式中，烃的去除是在空气流的温度无明显改变的情况下进行。
总体上，所述过滤器元件没有显著增大穿过其的空气的温度。通常在飞行器机舱内在运行过程中，跨所述过滤元件的输入空气与输出空气的温度没有显著改变，并且典型地其温度差小于1℃。在飞行器机舱内在运行过程中，跨所述过滤元件的所述温差更典型地小于2℃、并且更典型地小于5℃。
在不同的实现方式中，所述过滤器元件包括褶皱式或z流式介质，所述介质与填充床碳构造相比具有相对低的重量、并且所述介质尤其具有低的单位介质表面积质量。在一些实施例中，所述过滤器元件的第一介质部分具有的质量与介质表面积之比大于400g/m2克每平方米，并且所述过滤器元件的第二介质部分具有的质量与介质表面积之比大于1500g/m2。
形成所述第一和第二介质部分的介质可以是不同的折叠式和非折叠式构造，包括褶皱式和波纹式构造、以及在一些实施例中的珠粒式构造。可选地，所述第一介质部分包括褶皱式过滤器介质，所述第二介质部分包括褶皱式过滤器介质，或者所述第一和第二介质部分均包括褶皱式过滤器介质。所述第一、第二、或这两个过滤介质可以由波纹式介质形成、具有或不具有面层片材、并且在波纹式介质的每端可以具有或可以不具有插塞。在一些实施例中，所述第一介质部分的活性炭包括活性炭珠粒。这样的碳珠粒被选择用于保证低重量和高空气流速，而不过度减小流量。
在第二介质部分中可以使用多种不同催化剂，包括在室温或接近室温下表现较好的低温催化剂。适当的催化剂材料包括用二氧化锰、氧化铜、以及其组合形成的催化剂。可以使用多种碱金属和金属氧化物，例如锰、铁、钴、镍、铜、以及这些金属的氧化物。其他适当的催化剂包括高锰酸钾和其他碱金属氧化物。适当的催化剂包括例如由卡洛斯公司(CarusCorporation)制造的催化剂。适当的催化剂包括贵金属、过渡金属、碱金属及其组合；无机和有机氧化物、以及盐。
除了用于飞行器机舱中之外，根据本文披露内容制造的过滤器元件还可以用于其他环境中，例如家里、商店中、其他建筑物中、以及其他交通工具中。
除了所述第一和第二介质部分之外，还可以包含多种不同额外过滤器材料，例如位于第一介质部分上游的预过滤器。所述预过滤器可以包括例如纤维素纤维或合成纤维。所述预过滤器可以被配置成用于去除颗粒污染物。所述过滤器元件还可以包括后过滤器，例如位于第二介质部分下游的后过滤器。所述后过滤器可选地包括纤维素纤维或合成纤维、并且可以被配置成用于去除颗粒污染物。
现在参见附图，图1是根据实施例的过滤元件100的示意性视图。过滤元件100可以包括第一介质部分110和第二介质部分120。第一介质部分110在第二介质部分120上游，使得空气在流经第二介质部分120之前流经第一介质部分110。空气流可以沿箭头130的方向行进，使得空气流在面102处进入过滤元件100，并且所述空气流在面104处离开过滤元件100。在实施例中，面102可以迎向空气流，所述空气流在面102上产生不大于15fpm的面速度。在实施例中，跨过过滤元件100的空气流压降小于0.5英寸水柱、通常小于1.0英寸水柱、可选地小于2.0英寸水柱。在一些实施例中，压降小于0.75英寸、小于0.5英寸、或小于0.25英寸。
在不同的实施例中，过滤元件100可以布置在壳体中。所述壳体可以包括例如金属或聚合物。所述壳体可以提供支撑并引导空气流穿过过滤元件。
过滤元件100可以被配置成用于从空气流中去除VOC。在实施例中，第一介质部分110可以被配置成用于从空气流中吸附或去除高分子量分子，例如苧烯和甲苯。第二介质部分120可以被配置成用于分解来自空气流中的低分子量分子，例如醇和甲醛，包括来自第一介质部分110的反应产物。在实施例中，第二介质部分120将低分子量分子分解成水和二氧化碳。
过滤元件100可以被配置成在低温下使用。过滤元件100可以被配置成与室温空气流、例如进入温度为至少60°F并且不大于120°F的空气流一起使用。进一步，穿过过滤元件100的空气流可以具有基本上相似的温度，使得从流入空气到流出空气的温度差小于1℃。在替代性实施例中，空气流可以跨过滤元件100具有小于0.5℃、2℃、或5℃的温度差。在实施例中，过滤元件100在60°F与不大于120°F的温度之间降解至少50％的低分子量分子。
在实施例中，第一介质部分110可以包括碳，例如活性炭。所述活性炭可以被结合在折叠式或褶皱式过滤器介质中，如图3和5所示。所述活性炭可以包括碳珠粒，如图2和4所示。
在实施例中，第二介质部分120可以包括催化剂材料。所述催化剂材料可以包括例如二氧化锰、氧化铜、以及其混合物。在实施例中，第二介质部分120包括由伊利诺斯州秘鲁的卡洛斯公司(Carus Corporation in Peru,IL)生产的200。所述催化剂材料可以被结合在折叠式或褶皱式过滤器介质中，如图3和4所示。所述催化剂材料还可以呈珠粒或晶粒形式，如图2和5所示。所述催化剂介质可以包括支撑催化剂材料层的两层高透过性介质。更确切地，具有高透过性的空气过滤器介质层的一个面可以(例如)涂覆有3MTMHi-Strength 90喷雾粘合剂。可以将单层二氧化锰/氧化铜催化剂晶粒喷洒到所述介质/粘合剂上，而在所述面上实现基本上均匀的分布。然后(例如)向所述催化剂晶粒层施用3MTMHi-Strength 90喷雾粘合剂层，并且可以使用最后的高透过性空气过滤器介质层来包裹这些催化剂晶粒。
在实施例中，所述介质具有的透过性为100至300立方英尺每分钟、通常为150至250立方英尺每分钟、在一些情况下为约200立方英尺每分钟。一般，透过性大于50立方英尺每分钟、大于100立方英尺每分钟、大于150立方英尺每分钟、大于200立方英尺每分钟、并且大于250立方英尺每分钟。
在实施例中，过滤元件100为不大于4英寸深。在实施例中，第一介质部分110在独立地起褶时可以是至少1英寸深，例如从面102到第一介质部分在面106处的末端的距离。在实施例中，第一介质部分110为不大于2英寸深。在实施例中，第二介质部分120可以为至少1英寸深，例如从面106到面104的距离。在实施例中，第二介质部分120为不大于2英寸深。
图2示出了根据实施例的过滤元件200的截面的视图。过滤元件200可以包括第一介质部分210和第二介质部分220。第一介质部分210可以包括活性炭珠粒212。第二介质部分220可以包括粒状催化剂222。总体上，选择活性炭珠粒212和粒状催化剂222以使其轻量并且对其加以安排以提供跨过过滤元件的小压降。
图3示出了根据实施例的过滤元件300的截面的视图。过滤元件300可以包括第一介质部分310和第二介质部分320。第一介质部分310可以包括褶皱式或折叠式过滤介质或衬里(scrim)312。所述褶皱式或折叠式过滤介质或衬里312可以包括活性炭，例如被浸渍到过滤介质或衬里312中的活性炭。第二介质部分320可以包括褶皱式或折叠式过滤介质或衬里322。第二介质部分320可以包括催化剂材料，例如浸渍到过滤介质或衬里322中的催化剂材料。
在实施例中，过滤介质312、322可以具有至少2个褶皱/英寸的褶皱密度。过滤介质312可以基本上从面302延伸到面306，例如延伸了第一介质部分310的深度。在实施例中，过滤介质312延伸了从面302到面306的距离的至少90％。在实施例中，过滤介质312延伸了从面302到面306的距离的至少85％、75％、或50％。
过滤介质322可以基本上从面306延伸到面304，例如延伸了第二介质部分320的深度。在实施例中，过滤介质322延伸了从面306到面304的距离的至少90％。在实施例中，过滤介质322延伸了从面306到面304的距离的至少85％、75％、或50％。
图4是根据实施例的过滤元件400的截面的视图。过滤元件400包括第一介质部分410和第二介质部分420。在实施例中，第一介质部分410包括活性炭珠粒412，并且第二介质部分420包括浸渍到褶皱式或折叠式过滤器介质422中的催化剂。
图5是根据实施例的过滤元件500的截面的视图。过滤元件500包括第一介质部分510和第二介质部分520。在实施例中，第一介质部分510包括浸渍有活性炭的褶皱式或折叠式过滤器介质512，并且第二介质部分520包括催化剂珠粒或粒状催化剂522，例如涂覆有催化剂的珠粒。
图6是根据实施例的过滤元件600的视图。过滤元件600包括第一介质部分610和第二介质部分620。在实施例中，过滤元件600包括预过滤器640和后过滤器650。预过滤器640位于第一介质部分610上游。后过滤器650可以位于第二介质部分620下游。
图7是根据实施例的过滤元件700的示意图。过滤元件700可以包括进口708，例如空气流进入过滤元件700之处。进口708可以包括预过滤器。进口708可以将空气流引导到第一介质部分710。进口708可以包括被配置成用于供空气流穿过的空气管道、管路或管系。
过滤元件700可以包括第一介质部分710和第二介质部分720。第一介质部分710可以包括活性炭，例如碳珠粒或浸渍有碳的折叠式介质。第二介质部分720可以包括催化剂材料，例如粒状催化剂或浸渍有催化剂的折叠式介质。
在不同实施例中，第一介质部分710邻近于第二介质部分720，如图1至7所示。第一介质部分710和第二介质部分720可以相邻近使得它们彼此相邻或彼此接触。在替代性实施例中，在第一介质部分710与第二介质部分720之可以存在空隙或空间，使得空气流在离开第一介质部分710之后且在进入第二介质部分720之前必须经过所述空隙。在实施例中，所述空隙可以为至少1厘米。在实施例中，所述空隙可以是不长于5厘米。
过滤元件700可以包括出口724，例如空气流离开或退出过滤元件700之处。出口724可以包括被配置成用于供空气流穿过的空气管道、管路或管系。出口724可以被配置成用于沿希望的方向引导空气流，例如引导到飞机机舱中。
图8示出了根据实施例的用于过滤空气流的方法800的流程图。方法800包括引导空气流穿过过滤元件，步骤802。所述过滤元件包括第一介质部分和第二介质部分。所述第一介质部分在所述第二介质部分上游。所述第一介质部分可以包括活性炭。所述第二介质部分可以包括催化剂材料。在步骤804，所述方法可以包括将来自所述过滤元件的经过滤的空气流引导到飞机机舱中。方法800可以进一步包括引导空气流穿过预过滤器，例如在将其引导过第一介质部分之前。方法800还可以包括引导空气流穿过后过滤器，例如在其离开所述过滤元件的第二介质部分之后。
实验
构造示例性的过滤器元件。使用褶皱式碳与催化剂介质构建这些样品过滤器元件，其中迎面面积为3英寸乘三英寸，并且介质深度为2英寸。催化剂材料是Carulite 200。
这些示例性元件放在测试台上，以测量其在长持续时间上从空气中去除低浓度烃的能力。在室温下运行所述测试台，其中空气接近速度为162英尺每分钟并且停留时间为0.05秒。目标污染物浓度如下：
苧烯：50ppb-v
甲苯：30ppb-v
乙醇：300ppb-v
丙酮：15ppb-v
甲醛：15ppb-v
对仅具有碳、仅具有催化剂、以及具有上游催化剂与下游催化剂的组合的元件在1000小时时进行测试。还对仅具有碳、仅具有催化剂、以及具有上游碳与下游催化剂的组合的元件在2000小时时进行测试。对仅具有碳、以及具有上游碳和下游催化剂的元件在3000和4000小时时进行进一步测试。
表1-1000小时去除效率：
污染物 仅碳 仅催化剂 碳/催化剂
苧烯 85％ 60％ 99％
甲苯 65％ 25％ 90％
乙醇 38％ 28％ 55％
丙酮 32％ 23％ 45％
甲醛 25％ 30％ 52％
表2-2000小时去除效率：
污染物 仅碳 仅催化剂 碳/催化剂
苧烯 77％ 58％ 99％
甲苯 45％ 23％ 82％
乙醇 23％ 35％ 52％
丙酮 15％ 18％ 40％
甲醛 5％ 24％ 51％
表3-3000小时去除效率：
污染物 仅碳 碳/催化剂
苧烯 75％ 98％
甲苯 40％ 75％
乙醇 20％ 55％
丙酮 10％ 42％
甲醛 0％ 40％
表4-4000小时去除效率：
污染物 仅碳 碳/催化剂
苧烯 68％ 99％
甲苯 30％ 79％
乙醇 18％ 53％
丙酮 5％ 45％
甲醛 0％ 44％
如表1至表4中例证的，仅使用碳和仅使用催化剂与碳随后是催化剂的组合相比具有明显更差的性能，并且在更长的时间段上，性能继续比预期的更强。例如，对于苧烯，碳与催化剂的组合比仅使用碳或仅使用催化剂所观察到的强得多：为99％，而后者分别为85％和60％。益处要大大多于人们能从仅仅对去除级的简单串列中所可以设想的。而且，在仅碳和仅催化剂显示出随时间的性能显著降低的情况下，碳与催化剂的组合没有显示出相同水平的性能降低。
类似地，对于甲苯、乙醇、丙酮、以及甲醛，碳与催化剂的组合优于仅碳和仅催化剂、并且是非常显著地优于它们。虽然对于这些污染物中的一些污染物的去除效率存在随时间的一些减小，但这种减小比对于仅碳和仅催化剂所观察到的小得多。
应注意的是，除非上下文中另外明确指出，否则在本说明书和所附权利要求书中使用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”都包括复数指代物。因此，例如，提及含有“一种化合物”的组合物涵盖了两种或更多种化合物的混合物。还应注意的是，术语“或”一般是以其包括“和/或”的意义上采用的，除非上下文另外明确指出。
还应注意的是，如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，短语“被配置成”描述了被构造或配置为执行特定任务或采用特定构型的系统、器件或其他结构。短语“被配置成”可以与其他类似的短语例如“被安排且配置成”、“被构造且安排成”、“被构造成”、“被制造且安排成”等互换使用。
本说明书中所有的出版物和专利申请都表明了本发明所属领域的普通技术人员的水平。所有的出版物和专利申请通过引用结合在此，其程度如同明确且单独地通过引用指出每一个单独的出版物或专利申请。
本文描述的本发明的实施例不旨在是穷尽的或将本发明限制为在以下详细说明中披露的确切形式。而是，选择和描述这些实施例以使得本领域技术人员可以了解和明白本发明的原理的和做法。
本文提及的所有公开物和专利都特此通过援引并入本文。本文披露的所有公开物和专利仅是出于其披露内容而提供的。本文的任何内容都不得解释为承认本发明人无权先于任何公开物和/或专利，包括本文引用的任何公开物和/或专利。
在此已经参照多个不同特定和优选的实施例以及技术描述了本发明。然而应理解的是，在本发明的精神和范围内可以作出许多的变化和修改。

Claims (20)

1.一种空气过滤型过滤器元件，所述元件包括：
第一介质部分，所述第一介质部分包括活性炭；以及
在所述第一介质部分下游的第二介质部分，所述第二介质部分包括催化剂材料；
其中在大于15英尺每分钟的穿过所述过滤器元件的面速度、从60°F至120°F的温度、以及小于百万分之1.0的总烃浓度下：
(i)所述第一介质部分去除或分解至少百分之50的、具有至少60g/mol的分子量的烃，并且
(ii)所述第二介质部分去除或分解至少百分之50的、具有小于60的分子量的烃。
2.如权利要求1和3至12中任一项所述的空气过滤型过滤器元件，其中，所述催化剂材料包括碱金属催化剂。
3.如权利要求1至2和4至12中任一项所述的空气过滤型过滤器元件，其中，所述催化剂材料包括锰、铁、钴、镍、铜、其氧化物、以及其组合。
4.如权利要求1至3和5至12中任一项所述的空气过滤型过滤器元件，其中，所述第一介质部分具有的厚度是所述第二介质部分的厚度的百分之50至百分之100。
5.如权利要求1至4和6至12中任一项所述的空气过滤型过滤器元件，其中，所述第二介质部分具有的厚度是所述第一介质部分的厚度的百分之100至百分之150。
6.如权利要求1至5和7至12中任一项所述的空气过滤型过滤器元件，其中，所述第一过滤器介质部分包括褶皱式过滤器介质。
7.如权利要求1至6和8至12中任一项所述的空气过滤型过滤器元件，其中，在小于百万分之1.0的总烃浓度下、以小于5秒的在所述过滤器元件中的平均空气停留时间，所述第一介质部分被配置成用于去除或分解至少百分之50的、具有至少60g/mol的分子量的烃，并且所述第二介质部分被配置成用于去除或分解至少百分之50的、具有小于60g/mol的分子量的烃。
8.如权利要求1至7和9至12中任一项所述的空气过滤型过滤器元件，其中，在小于百万分之1.0的总烃浓度下、从60°F至120°F的温度、在至少15英尺每分钟的穿过所述过滤器元件的面速度下、以及以小于1秒的在所述过滤器元件中的平均空气停留时间，所述第一介质部分被配置成用于去除或分解至少百分之50的、具有至少50的分子量的烃，并且所述第二介质部分被配置成用于去除或分解至少百分之50的、具有小于60g/mol的分子量的烃。
9.如权利要求1至8和10至12中任一项所述的空气过滤型过滤器元件，其中，在小于百万分之1.0的总烃浓度下、在30℃的温度下、在至少15英尺每分钟的穿过所述过滤器元件的面速度下、以及以小于1秒的在所述过滤器元件中的平均空气停留时间，所述第一介质部分被配置成用于去除或分解至少百分之75的、具有至少50的分子量的烃，并且所述第二介质部分被配置成用于去除或分解至少百分之75的、具有小于50g/mol的分子量的烃。
10.如权利要求1至9和11至12中任一项所述的过滤元件，其中，所述第一介质部分的体积比所述第二介质部分大至少25％。
11.如权利要求1至10和12中任一项所述的过滤元件，其中，所述第二介质部分的体积比所述第一介质部分大至少25％。
12.如权利要求1至11中任一项所述的过滤元件，其中，所述第一介质部分和所述第二介质部分彼此相邻。
13.空气过滤型过滤器元件，所述元件包括：
第一介质部分，所述第一介质部分包括活性炭；以及
在所述第一介质部分下游的第二介质部分，所述第二介质部分包括催化剂材料。
14.如权利要求13和15至17中任一项所述的空气过滤型过滤器元件，其中，所述空气过滤元件在15英尺每分钟的面速度下具有跨所述元件的小于0.5英寸水的压差。
15.如权利要求13至14和16至17中任一项所述的空气过滤型过滤器元件，其中，所述催化剂材料包括锰、铁、钴、镍、铜、其氧化物、以及其组合。
16.如权利要求13至15和17中任一项所述的空气过滤型过滤器元件，其中，所述第一介质部分具有的厚度是所述第二介质部分的厚度的百分之50至百分之150。
17.如权利要求13至16中任一项所述的空气过滤型过滤器元件，其中，所述第一介质部分包括褶皱式过滤器介质，并且所述第二介质部分包括褶皱式过滤器介质。
18.一种用于为飞机机舱过滤空气流的方法，包括：
引导未过滤的空气流穿过过滤元件；
将来自所述过滤元件的经过滤的空气流引导到飞机机舱中；
其中所述过滤元件包括在第二介质部分上游的第一介质部分；
其中所述第一介质部分包括活性炭；
其中所述第二介质部分包括催化剂。
19.如权利要求18和20中任一项所述的方法，其中，进入所述过滤元件的空气流处于至少60°F并且不高于120°F。
20.如权利要求18至19中任一项所述的方法，其中，在飞行器机舱内在运行过程中，穿过所述过滤元件的空气流具有跨所述过滤元件的小于5℃的温度差。
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