CN110753574A - 包含用于含氮化合物的含金属吸附剂的空气过滤器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种空气过滤器，所述空气过滤器包括支撑含金属吸附剂粒子的过滤器支撑体，所述吸附剂粒子包含为已用表面处理剂处理的多孔硅质材料的前体，以及掺入所述硅质前体材料中的二价金属。

Description

包含用于含氮化合物的含金属吸附剂的空气过滤器
背景技术
通常期望从空气中除去诸如例如氨等物质。
发明内容
概括地说，本文公开了包含过滤器支撑体的空气过滤器，所述过滤器支撑体包含含金属吸附剂粒子，所述吸附剂粒子包含为已用表面处理剂处理的硅质材料的前体，以及掺入所述硅质前体材料中的二价金属。在以下具体实施方式中，这些方面和其它方面将显而易见。然而，在任何情况下，都不应当将此广泛的发明内容理解为是对可受权利要求书保护的主题的限制，不论此类主题是在最初提交申请的权利要求书中呈现还是在修订申请的权利要求书中呈现，或者另外是在申请过程中呈现。
附图说明
图1示出了包括过滤器支撑体的示例性空气过滤器的一部分，所述过滤器支撑体包含如本文所公开的吸附剂粒子。
图2示出了另一个示例性空气过滤器的一部分。
图3示出了另一个示例性空气过滤器的一部分。
图4示出了另一个示例性空气过滤器的一部分。
图5示出了另一个示例性空气过滤器的一部分。
图6示出了包括过滤器支撑体的示例性呼吸器，所述过滤器支撑体包含如本文所公开的吸附剂粒子。
图7公开了另一个示例性呼吸器。
图8公开了包括过滤器支撑体的框架式、折叠型空气过滤器，所述过滤器支撑体包含如本文所公开的吸附剂粒子。
具体实施方式
术语表
术语“空气过滤器”表示其中由过滤器支撑体支撑的本文所述的吸附剂粒子被呈现给空气例如移动的空气流，使得可从空气中去除气载物质的任何设备或装置。术语“过滤器支撑体”表示可保留吸附剂粒子并将它们呈现给例如移动空气流但是不一定从移动空气中进行任何微观粒子的过滤的任何结构。术语“过滤介质”表示本身能够过滤微观粒子的过滤器支撑体。“微观”粒子是具有小于100微米的平均直径(或等同直径，在非球形粒子的情况下)的粒子。“细小”粒子为具有小于10微米的平均直径或等同直径的粒子。
术语“吸附剂”、“吸附剂粒子”、“多孔吸附剂粒子”等可互换使用，以指多孔的(例如，中孔的)并且可吸附气载材料(例如气态的或蒸气态的物质；具体地，碱性含氮化合物，以氨举例说明)的颗粒材料(具有任何粒度)。
术语“上游”适用于其中过滤器暴露于移动空气的环境，并且是指移动空气遇到过滤器的方向；“下游”是指过滤空气离开过滤器的方向。
术语“结网”是指由相对较少的层(五个或更少，通常一个)固体材料(例如长丝)构成的过滤器支撑体。
术语“纤维幅材”是指由多个层(例如，多于五个)的纤维构成的过滤器支撑体。
术语“熔喷”是指通过将熔融聚合物流挤出成通过位于挤出孔附近的吹气孔引入的会聚高速空气流而形成的纤维(和所得的纤维幅材)。本领域技术人员将理解，熔喷纤维和幅材将特征性地表现出通过其这种纤维和幅材可被识别并区别于其它类型的幅材的特征和标记(例如，构成纤维的材料的分子的取向的差异，例如通过诸如双折射、熔化行为等的光学特性所反映的)。
本文公开了一种如图1中的一般表示所示的空气过滤器1。空气过滤器1可为将本文公开的吸附剂粒子100暴露于空气例如移动的空气流(按照示例性实施方案中通过图1和其它附图中的方框箭头所指示的气流的总体方向)，使得能够从空气中至少部分地去除气载(例如气态的或蒸气态的)碱性、含氮材料的任何设备或装置。因此将空气过滤器1与处理液体的装置(例如离子交换膜和装置)区分开。
空气过滤器1包括至少一个过滤器支撑体10。过滤器支撑体10可为以这样的方式支撑吸附剂粒子100的任何结构：使它们暴露于空气中，同时保留吸附剂粒子，使得如果空气移动，则吸附剂粒子不会被移动空气分离。如果空气在移动，则在层流中或在湍流中可能遇到单独的吸附剂粒子，或者可在例如通过一系列吸附剂粒子的流动状态之间转变。在一种一般类型的实施方案中，如图1中的一般表示所示，过滤器支撑体10可采用其上设置有吸附剂粒子100(例如，附着于其主表面)并且例如移动空气流可穿过其的基底的形式。在该类型的一些实施方案中，过滤器支撑体10可例如通过将吸附剂粒子附接(例如，以粘合方式粘结)到过滤器支撑体上而保持吸附剂粒子100。在另一一般类型的实施方案中，如图2中的一般表示中所示，过滤器支撑体10可例如通过机械地将吸附剂粒子机械的保持在过滤器支撑体内而保持吸附剂粒子100。(换句话讲，在此类实施方案中，吸附剂粒子可能不一定附接到过滤器支撑体上，但过滤器支撑体可物理地阻挡吸附剂粒子从过滤器支撑体分离和移除)。在一些实施方案中，可采用机械保持和附接(例如粘结)的吸附剂粒子与过滤器支撑体的组合。
在一些实施方案中，空气过滤器1可为(例如，可基本上由其组成)包括吸附剂粒子100的过滤器支撑体10(例如，可将此类过滤器支撑体的独立件安装到例如室内空气净化器中)。在其它实施方案中，空气过滤器1可包括(除了至少一个过滤器支撑体10之外)用于任何目的的其它层，并且/或者可另外包括任何其它辅助部件，诸如例如，周边框架，一个或多个加强或稳定构件，一个或多个外壳件等。稍后在本文中详细讨论各种具体的示例性实施方案和布置。
如参照图1所述，在一些实施方案中，过滤器支撑体可采用在其主表面上设置例如附着有吸附剂粒子100的基底(该基底可为不透气的，或透气的)的形式。这种类型的空气过滤器可包括，例如，带有附着在其主表面上的吸附剂粒子的平面基底；中空管，其具有附接到其内部表面的吸附剂粒子；或者，由堆叠或嵌套的微结构化基底(例如，授予Insley的美国专利7955570中描述的一般类型)提供的流通通道阵列，其中吸附剂粒子附着在流通通道的内表面上；等。在一些实施方案中，吸附剂粒子100可至少基本上以单层在基底表面上提供(例如，如图1所示)，除了可能在统计上例如在任何工业规模沉积过程中发生的此类偶尔的堆叠。
参照图2，术语过滤器支撑体广泛地包括设计成将吸附剂粒子100保持在其中并且包括至少一个用于允许空气进入容器内部13的空气入口11和允许处理过的空气离开容器的至少一个空气出口12的任何容器。这种一般类型的此类支撑体可包括众所周知的过滤器滤筒，其中吸附剂粒子100保持在由例如一个或多个注塑外壳部件制成的滤筒外壳内。在此类过滤器滤筒中，可提供单个空气入口和/或出口；或者，可在过滤器滤筒外壳中设置多个通孔，以共同提供空气入口或出口。此类通孔可具有合适的尺寸以防止吸附剂粒子穿过其中；并且/或者在一些实施方案中，可提供透气保护层(例如，筛网或网格)以确保吸附剂粒子保持在滤筒外壳内。在一些实施方案中，如图1的设计中那样，过滤器支撑体可在支撑体的靠近(例如，支撑和保持)吸附剂粒子的位置中对空气不可渗透(例如，可不包含通孔)。在其它实施方案中，如图2的设计中，过滤器支撑体可在支撑体的靠近吸附剂粒子的位置中对空气可渗透(例如，可包括一个或多个通孔)。在一些实施方案中，容器形式的过滤器支撑体(例如，过滤器滤筒)可由组装在一起并且除了空气入口和出口之外可为不透气的一个或多个注塑成型的外壳部件组成。此类外壳部件可方便地由例如选自聚酰胺、聚苯乙烯、ABS聚合物、聚烯烃等的热塑性或热固性聚合物或共聚物制成。此类容器还可包括辅助部件，诸如例如，一个或多个弹性垫圈、闩锁、防溅板、连接器(例如，根据需要将滤筒连接到例如个人呼吸保护装置)等。
应当强调的是，呈容器形式的过滤器支撑体10(如图2所示)不必采取由例如注塑部件制成的刚性滤筒的形式。相反，在一些实施方案中，此类容器可采用例如两个透空“壁”的形式，其中至少一个由相对柔性的材料制成(例如多孔基底，诸如纤维幅材、打孔或微穿孔柔性聚合物膜等)，其中吸附剂粒子夹在两个壁之间。此类容器(其通常仍可称为过滤器“滤筒”)可采用例如小袋或袋的形式。
另外，术语过滤器支撑体还广泛地涵盖在其上或其内设置有吸附剂粒子100的任何多孔透气材料。(所谓的多孔透气材料是指包含内部孔隙度的材料，其互连以便允许气流通过材料，如与例如闭孔泡沫所区分)。此类材料可能是例如任何合适类型的开孔泡沫材料；或者，此类材料可为多孔薄膜；例如，相反演膜，径迹蚀刻膜(例如，可以商品名NUCLEPORE购自Whatman的各种产品例示的类型)；或者，拉伸膨胀的膜(例如，可以商品名GORE-TEX购自W.LGore and Associates以及可以商品名CELGARD购自Celgard公司的各种产品例示的类型)。应当理解，该一般类型的过滤器支撑体10不限于例如成对使用以便如上所述在它们之间限定空间。无论使用何种具体模式，在一些实施方案中此类过滤器支撑体10可采取片状材料的形式，该片状材料表现出主平面并且表现出小于约8mm、5mm、3mm、或1mm的厚度并且被构造成允许气流至少在至少大致垂直于片状材料的主平面的方向上穿过其中。
根据上述讨论，应当理解，如本文所公开的过滤器支撑体广泛地涵盖任何形式或几何形状(以及由单个实体诸如无孔基底、透气结网或多孔泡沫组成或由共同形成过滤器滤筒的部件的组装组合制成)的任何材料或布置，其可将吸附剂粒子呈现给空气，例如移动空气流。在一些实施方案中，过滤器支撑体可被构造成使得移动空气可例如至少大致平行于承载吸附剂粒子的支撑体的主表面(例如，如在图1的布置中)流动。在一些实施方案中，移动空气可至少大致垂直于支撑体的主表面(例如，如在图2的布置中)流动。在一些实施方案中，移动空气可在这两个极端之间的方向中间流动。在一些实施方案中，两个方向和/或两个极端之间的方向中间的气流可例如在空气过滤器的不同部分中发生。
在图3的示例性方式所示的一般类型的实施方案中，空气过滤器1可包括呈“蜂窝结构”15形式的过滤器支撑体10。本领域技术人员将认为蜂窝结构是流通支撑结构，其包括允许气流通过的许多宏观通孔，孔通过蜂窝结构的隔板(壁)彼此分开。(虽然此处使用术语蜂窝结构是为了方便，但技术人员将会知道，该结构能够为任何几何形状(例如，具有正方形、三角形、圆形等的开孔)并且可表现出一定程度地不规则的外观而不是严格限制于图3的示例性设计中所示的规则的六方晶型几何形状)。通常，这种蜂窝结构可包括与上述层叠微结构化基底相比具有相当大的直径或等同直径(例如10mm-15mm)的通孔，上述层叠微结构化基底可通常包括直径或等同直径为仅例如几毫米或更小的流通通道。蜂窝结构的壁可由任何合适的材料制成，例如模制或挤出的塑料、纸板或硬纸板、金属等。
在一些实施方案中，吸附剂粒子可附着到限定蜂窝结构孔的内壁。然而，在一些实施方案中，可方便地部分地或至少基本上用吸附剂粒子填充蜂窝结构的孔(在封装行为允许的程度内，取决于例如平均尺寸、尺寸分布和吸附剂粒子的形状)如图3所示。在这种情况下，蜂窝结构可设置有允许气流进入并离开蜂窝结构的通孔并且仍然将吸附剂粒子保持在蜂窝结构的通孔中的上游和下游透气基底(例如，合适的网格或筛网)。(图3的示例性蜂窝中的气流的方向是平面外的，如圆圈/点箭头所示。)在一些实施方案中，吸附剂粒子可松散地填充在孔内，例如使得粒子能够轻微移动或偏移。在其它实施方案中，吸附剂粒子可彼此粘结(例如，通过使用粘合剂、热活化粘结剂等，其量足以在接触点处将颗粒彼此粘结但不会是无法接受地堵塞颗粒的量以冲击它们捕集气载物质的能力)例如以便使在开孔内颗粒的偏移或沉降最小化。换句话说，在一些实施方案中(不一定限于用于蜂窝结构)，吸附剂粒子100可以整体的透气块(具有任何所需尺寸和形状)的形式提供，其由粘结在一起的粒子的聚集物共同提供，而不是作为单个粒子提供。例如在授予Braun的美国专利5033465中讨论了制备此类整体结构的示例性方法(其再次，可具有任何合适的尺寸和形状以将其结合到任何所需的空气过滤器中，例如用于拟合到容器中，诸如例如滤筒或罐，或用于形成例如呼吸器的层)。例如在授予Senkus的美国专利6391429中讨论了将吸附剂粒子粘结在一起以制备具体地为至少半柔性的结构的方法(因此可能尤其适用于例如柔性呼吸器面罩)。
技术人员将理解，在上述实施方案中的一些之间可能不一定存在明确的分界线(例如，在中空管内设置的吸附剂粒子之间，相对于在由堆叠的微结构化基底限定的通道内设置，相对于在蜂窝结构的孔内设置)。所有此类设计和布置以及它们的组合均涵盖在包括如本文所公开的一种或多种过滤器支撑体的空气过滤器的一般概念内。尤其值得注意的是，在一些实施方案中，如本文所公开的空气过滤器1可包括被部分填充或至少基本上填充到任何合适容器(任何几何形式和由任何材料无论是例如刚性的还是至少半柔性制成)的吸附剂粒子，以便形成例如填充床。在一些实施方案中，此类容器可采用中空管的形式，例如类似于通常称为
Figure BDA0002316599620000061
管的气体检测管的管。
在一些实施方案中，过滤器支撑体10可包括薄的片状材料，其具有允许气流通过的多个通孔22，如图4中的示例性一般表示所示。在各种实施方案中，过滤器支撑体10可采用任何合适的结网、网格、筛网、稀松布、机织或针织材料、熔纺材料、微穿孔膜等的形式。本文将使用术语结网以方便描述由相对较少的层(五个或更少；通常，如图4所示的单层)长丝(或一般来讲，在贯穿开口之间的固体材料层)构成的任何此类材料。通常，这种长丝(或片状过滤器支撑材料的固体部分，例如微穿孔膜)的直径或其等同直径相对较大(例如，0.1mm、0.2mm或0.5mm或更大)。此类结网可由任何合适的材料构成，例如有机聚合物、无机材料(例如，玻璃或陶瓷)，或金属或金属合金。
在此类实施方案中，气流可主要通过结网的实心部分21(例如长丝)之间的通孔22发生，使得气流至少大致垂直于支撑体取向；然而，如果需要，气流可至少大致平行于结网而发生。在穿过结网的大致垂直的气流的情况下，可方便地将吸附剂粒子放置在结网的上游侧23上(如图4所示)。然而，如果需要，吸附剂粒子可被放置在结网的下游侧24上。在特定实施方案中，吸附剂粒子可被放置在结网两侧。在一些实施方案中，如在图1和图4的示例性实施方案中，包括吸附剂粒子的结网(或一般来讲，任何充分透气基底)可用作“开面”。在其它实施方案中，可将足够透气的第二保持层(例如，第二层结网或纤维幅材层、微孔膜等)放置在吸附剂粒子的顶部上，以帮助将吸附剂粒子保持在适当位置。(换句话讲，吸附剂粒子可夹置在结网和第二保持层之间)。
在许多实施方案中，吸附剂粒子100可例如通过设置在结网的一侧的至少一个主表面上的粘合剂例如压敏粘合剂、热熔粘合剂、环氧树脂粘合剂等28粘结到例如以粘合方式粘结到结网的固体材料(例如，长丝)上。吸附剂粒子可各自粘结到例如单个长丝，或可粘结至多个长丝。长丝的平均直径以及长丝之间的通孔的平均尺寸，如果需要，可根据吸附剂粒子的平均尺寸来选择。在各种实施方案中，此类结网可表现出在例如0.2mm至约2.0mm的范围内的平均长丝直径。在各种实施方案中，结网的开口可在从最短的维度上例如约0.5mm至最长的维度上约5mm的范围内，并且可根据吸附剂的粒度来选择。作为具体示例，具有约1mm-2mm范围的开口的结网可很好地适用于具有表现出8×20目范围内的粒度的吸附剂。可适用于本文所公开的示例性结网包括(例如以商品名DELNET)购自Delstar Technologies的各种产品；例如，可以商品名为KX215P、R0412-10PR、RB0404-10P、N02014-90PP、RB0404-28P、N03011-90PP和TK16-SBSH购得的产品。
在具体实施方案中，可在结网的主表面上设置有合适的压敏粘合剂28(换句话讲，压敏粘合剂可设置在通常设置在结网的主表面的长丝的表面上)。这可例如通过将压敏粘合剂前体涂覆到结网上，然后将前体转化成压敏粘合剂来完成。前体可为例如有机溶剂中的溶液、乳液、热熔组合物等。此类前体可例如通过干燥以除去溶剂和/或水、通过冷却以固化热熔组合物等来转化。沉积和转化应以这样的方式进行，以避免不可接受地填充或堵塞结网的通孔(除非气流不能通过在普通使用过滤器中的结网)。
应当理解，在一些实施方案中，设置在结网上的粒子可主要由于例如粘合剂粘结(而不是通过例如机械缠结)附接到结网。在一些实施方案中，吸附剂粒子可至少基本上呈单层形式存在于过滤器支撑体上。在其它实施方案中，吸附剂粒子可存在于多个层中(例如通过将吸附剂粒子的第一层以粘合方式粘结到结网的主表面上，在吸附剂粒子的第一层顶部上施加附加粘合剂，沉积更多的吸附剂粒子，以及重复该方法以生成任何所需深度的吸附剂粒子的收集)。
在一些实施方案中，过滤器支撑体10可包括由许多纤维组成的片状材料，通常彼此缠结并且通常以多个“层”(例如，多于五层)存在，如图5中的示例性实施方案所示。本文将使用术语纤维幅材以方便描述任何此类材料。当然，应当理解，由于许多此类纤维幅材的无规性质，纤维可能不一定是，并且通常不会存在于离散层中(例如，可彼此剥离的层)；然而，将容易理解的是，如果例如，在从这样的幅材的第一主表面43到其第二主表面44横穿该幅材的厚度(深度)时遇到五个或更多个单独的纤维或纤维部分(如图5所示)。任何表现出这种纤维布置的材料均属于如本文所用的纤维幅材的定义。
通常，此类纤维的直径或等同直径可相对较小(例如，小于100μm、80μm、60μm、40μm、20μm、10μm、5μm或2μm)。当然可使用各种直径的纤维的混合物。这种纤维幅材可为任何合适类型的幅材，例如其中纤维相对无规布置的非织造幅材(例如，除了如可与例如梳理幅材和某些类型的纤维沉积方法一起发生这种部分量的纤维对齐之外)。另选地，此类纤维幅材可由针织或织造幅材构成，其中纤维以足够数量的层提供。通常，空气通过穿过幅材的多个纤维之间的间隙空间来流过幅材；通常，此类气流是以如图5所示的至少大致垂直于纤维幅材的主平面的角度取向。然而，如果需要，气流可至少大致平行于纤维幅材的主平面发生。此类纤维幅材的纤维可以任何合适的方式彼此粘结(使得幅材具有足够的机械完整性加工和处理)。此类粘结方法可选自例如水刺法、针刺法、压延等。在一些实施方案中，纤维可彼此自生粘结，这意味着纤维如在烘箱或所谓的通风粘结器中，在未施加例如点粘结或压延的固体接触压力的条件下而获得的高温下的粘结。在特定实施方案中，可使用授予Fox的美国专利7947142中所述的一般类型的自生粘结方法(其中加热的空气流通过纤维集合然后进行有力的淬火)将纤维粘结。或者，可加入一种或多种粘结剂(无论是纤维形式、固体粒子、水生乳液等)，然后活化(例如通过加热)将纤维粘结在一起以形成最终幅材。任何此类粘结操作(无论是主要通过缠结纤维机械地实现，或者通过使用纤维的熔融粘结和/或通过使用添加的粘结剂来实现)可另外用于将吸附剂粒子粘结到幅材中或幅材上，如下所述。
在一些实施方案中，吸附剂粒子100可主要或排他性地沉积在纤维幅材的主表面上(例如，主要上游表面)，其方式一定程度地与图4的结网上的颗粒的排布结构类似。在一些实施方案中，吸附剂粒子中的至少一些可至少部分地渗入纤维幅材的内部。(这与图4中的长丝单层所提供的结网的情况相反，在这种情况下，支撑体表现出很少或没有其中吸附剂粒子可渗透的“内部”)。在一些此类实施方案中，吸附剂粒子可主要存在于纤维幅材的靠近吸附剂粒子沉积在其上或其中的主表面的区域中。然而，在许多实施方案中，可能希望提供吸附剂粒子100在纤维幅材的整个厚度上广泛分布(如图5中的示例性实施方案所示)，与粒子例如沉积在一个表面上使得它们保留在表面上或仅渗透进入纤维幅材内部的短距离相反。本文稍后讨论了形成具有在整个幅材的内部分布广泛地(例如，随机地)分布的吸附剂粒子的纤维幅材的合适方法。
在特定实施方案中，纤维幅材过滤器支撑体可为非织造幅材。根据定义，非织造纤维幅材不涵盖例如织造或针织幅材或微穿孔膜。此类幅材可通过任何合适的方法制备，并且可为任何合适类型。例如，此类非织造幅材可为：梳理幅材；湿法成网幅材(例如通过造纸工艺制备)；干法成网幅材，例如，通过常规的气流成网工艺如众所周知的Rando-Webber工艺，或通过专门的工艺如授予Lalouch的美国专利8834759中描述的重力铺设工艺制备；或熔纺幅材(例如纺粘幅材、射流喷网幅材等)。(应当理解，某些例如纺粘或纺粘幅材可限定为结网而不是纤维幅材，取决于铺设的纤维的深度)。在特定实施方案中，非织造幅材可为熔喷幅材，其工艺和所得幅材将是技术人员所熟知的。可使用这些多种材料的层的任何组合(包括与不是非织造幅材的层的组合)。纤维可由任何合适的材料制成，例如热塑性有机纤维(诸如例如聚烯烃纤维、纤维素纤维、聚酯纤维、尼龙纤维等)、无机纤维(诸如例如玻璃纤维或陶瓷纤维)、金属纤维等等。
吸附剂粒子100可设置在多孔材料(例如纤维幅材诸如非织造幅材)上和/或内部以通过任何合适的方法形成本文所公开的空气过滤器的过滤器支撑体。在一些实施方案中，吸附剂粒子可沉积在现有的纤维幅材上或沉积到现有的纤维幅材内。例如，在一些实施方案中，非织造幅材可包括一种或多种粘结组分，诸如可粘结纤维和/或非纤维粘结剂(非纤维粘结剂可采用例如粒子、乳液或胶乳等形式)。可将幅材加热至软化和活化此类结合组分的温度，并且然后可将吸附剂粒子沉积到待粘结到其上的非织造幅材的主表面上。应当理解，许多此类方法可优先导致吸附剂粒子存在于其上沉积吸附剂粒子的非织造幅材的主表面上或邻近于其上沉积吸附剂粒子的非织造幅材的主表面。如果需要，此类方法可多次重复，其中连续的层粘结在一起以形成在其中包含吸附剂粒子的多层产品。
在其它实施方案中，在制备幅材的过程中，可将吸附剂粒子引入非织造幅材中。例如，如果非织造幅材通过熔喷法制备，则将吸附剂粒子引入到初始纤维的流动流中可能是方便的(术语“初始纤维”是指可能已开始或可能还没开始固化成纤维或最终固化成纤维的熔融流)。执行此类操作的一般方法公开于授予Fox的美国专利申请公开20120272829中，其以引用方式并入本文。初始纤维可在初始纤维为至少略微粘性的(可粘结的)的条件下沉积(例如，在临时收集表面上或沉积到保留作为过滤器支撑体的一部分的辅助幅材上)。此类布置可提供熔喷非织造幅材的纤维中的至少一些被粘结(例如，熔融粘结)至吸附剂粒子。这样，可在单个操作中制成其中包含吸附剂粒子的熔喷幅材。
当然，还可使用其它方法在纤维被收集为幅材之前将吸附剂粒子引入纤维的混合物中。例如，吸附剂粒子可与纤维混合，纤维输入到幅材形成过程(例如，上述重力铺网成网过程)，以形成其中包含吸附剂粒子的收集的纤维团。这种方法可包括将粘结剂(无论是纤维形式，或作为非纤维粘结剂诸如粒子、乳液等)加入到输入材料中，使得可加热所收集的纤维质量以将纤维粘结在一起以形成幅材和/或将吸附剂粒子粘结到幅材中。无论使用何种方法，将吸附剂粒子结合到纤维幅材或到纤维幅材上的主要机构可与用于将纤维粘结在一起以形成幅材的粘结机构相同或不同。
特别是关于熔喷纤维幅材，可使用各种形成纤维的聚合物材料来形成这种纤维。至少一些纤维可由在制备非织造幅材的条件(例如，熔喷条件)下表现出足够粘结(粘合剂)特性的材料制成。示例包括热塑性塑料，如聚氨酯弹性体材料、聚丁烯弹性体材料、聚酯弹性体材料、聚醚嵌段共聚酰胺弹性体材料、基于聚烯烃的弹性体材料(例如可以商品名VERSIFY购自Dow的那些)和弹性体苯乙烯嵌段共聚物(例如，可以商品名KRATON购自科德克萨斯州休斯顿腾聚合物公司(Kraton Polymers,Houston,TX))的那些。也可使用多组分纤维(例如，芯鞘纤维、可分裂或并列双组分纤维和所谓的“海中岛”纤维)，其中纤维的至少一个暴露表面(例如，芯鞘纤维的鞘部分)表现出足够的粘合性能。
在一些实施方案中，能够粘结到吸附剂粒子100的纤维可为存在于熔喷幅材中的唯一纤维。在其它实施方案中，可存在其它纤维(例如，不参与粘结吸附剂粒子的任何显著程度)，例如只要存在足够的可粘结纤维即可。在各种实施方案中，可粘结纤维可包含至少约2重量％、至少约4重量％、和至少约6重量％的熔喷非织造幅材。在另外的实施方案中，可粘结纤维可包含不大于约20重量％、不大于约17重量％、并且不大于约15重量％的熔喷非织造幅材。幅材中存在的任何不可粘结纤维均可具有任何合适的类型和组合物；例如，可使用任何熟知的聚烯烃纤维(例如聚丙烯、聚乙烯等)，如任何熟知的聚酯纤维。在至少一些实施方案中，非织造幅材基本上不含任何种类的任何添加的粘结剂。即，在此类情况下，吸附剂粒子的基本上所有粘结(以将它们保持在熔喷非织造幅材中)由可粘结纤维执行。因此，此类实施方案排除粘结剂以如粒子或粉末、液体如胶乳、乳液、悬浮液或溶液等形式存在等。
应当理解，上述讨论涉及将纤维粘结到吸附剂粒子的方法至少部分地用于将粒子保持在非织造幅材内。在纤维内的吸附剂粒子的物理缠结也可有助于将吸附剂粒子保持在非织造幅材内。在一些实施方案中，可将次级透气层(例如，稀松布或面层)施加(例如，粘结)到非织造幅材的一个或多个主表面，以使吸附剂粒子中的任一个从中分离的可能性最小化。事实上，在一些实施方案中，可方便地沉积将形成熔喷非织造幅材的初始纤维(连同被合并到初始纤维流中的吸附剂粒子)沉积到辅助幅材的主表面上(例如，稀松布或面层)，使得熔喷幅材在制备熔喷幅材的行为中粘结到辅助幅材。
在一些实施方案中，空气过滤器1可包括至少一个过滤介质40。过滤器介质为过滤器支撑体10，其可保留吸附剂粒子100并将其暴露于空气中；除此之外，过滤器介质是一种特定类型的过滤器支撑体，其能够从移动空气中过滤大量的微观粒子(即，100微米或更小的平均直径的粒子)。过滤器介质40可包括可提供其中或其上可掺入吸附剂粒子的透气网络结构的任何材料，以便将吸附剂粒子呈现至通过透气网络结构移动的气流，并且此外其自身也能够过滤微观粒子。此类过滤介质可例如为熔喷和/或带电幅材的非织造幅材。
如所指出的，过滤介质能够捕获显著量的微观粒子(直径为100μm或更小)。在具体的实施方案中，过滤介质可能够捕获在例如10μm或更小的范围内、或甚至在2.5μm或更小的范围内的大量细小粒子。在特定实施方案中，过滤介质可能够执行HEPA过滤。应当理解，使用如下所述的驻极体(带电)材料可显著提高执行例如细小粒子过滤或HEPA过滤的能力。在各种实施方案中，过滤介质40可表现出小于约80、70、60、50、40、30、20、10或5的渗透百分比(本文具体说明为使用邻苯二甲酸二辛酯作为测试用材料，并使用授予Fox的美国专利7947142中描述的方法)。一般来讲，本文所述的相对于过滤器支撑体的所有工艺(例如，纤维粘结、充电、折叠等)、参数和表征可具体地应用于过滤器介质。
在一些实施方案中，用作过滤器支撑体(或具体地讲作为过滤器介质)的非织造幅材(例如，熔喷非织造幅材)可包括静电荷的纤维。这种纤维的充电可通过任何合适的方法进行，例如，通过如授予Angadjivand的美国专利5496507中所教导的，或者如授予Sebastian的美国专利公开2009/0293279中所教导的使用水赋予非织造幅材电荷。非织造驻极体料片也可通过如授予克拉斯(Klaase)的美国专利4588537中所述的电晕充电(corona charging)来制备，或如授予布朗(Brown)的美国专利4798850中所述使用机械方法在纤维中形成电荷来制备。可使用这类方法的任何组合。可在形成非织造幅材之前或在非织造幅材形成之后加入纤维。(在任何情况下，如果要对空气过滤器介质进行折叠，则在对空气过滤器介质进行折叠之前可方便地执行任何此类充电。)在空气过滤器包括与过滤器支撑体10不同的粒子过滤层(如下所述)的情况下，如果需要，例如，可通过任何上述方法对这种粒子过滤层进行充电。
如果要对过滤器支撑体(无论是独立式的，还是多层组件的一部分)折叠，则可使用任何合适的技术进行折叠形成和折叠间隔，包括在授予Siversson的美国专利4798575、授予Siversson的美国专利4976677、和授予Wenz的美国专利5389175中公开的那些技术。可用的折叠程序也描述于例如授予Duffy的美国专利7235115中。(然而，应当理解，在至少一些实施方案中，可避免使用刻痕折叠，因为刻痕过程可用于压碎吸附剂粒子中的至少一些。)在各种实施方案中，折叠空气过滤器支撑体可包括每2.5厘米约0.5至约5个折叠。更具体地，折叠间隔可为例如约6mm、8mm、10mm或12mm至约50mm、40mm、30mm、20mm或15mm。在各种实施方案中，折叠高度可为例如约15mm、20mm、25mm或30mm至约100mm、80mm、60mm或40mm。
空气过滤器1可包括由单层组成的过滤器支撑体10(其通过定义支撑至少一些吸附剂粒子100)；或者，在空气过滤器1中可存在过滤器支撑体10的多个层(例如，包含至少一些吸附剂粒子100的每个层)。具体地，如果一个或多个过滤器支撑体10本身不是如本文所定义的空气过滤器介质，则空气过滤器1可包括(除了至少一个过滤器支撑层10之外)不包含吸附剂粒子100的一个或多个粒子过滤层(例如，能够过滤微观粒子、细小粒子和/或HEPA过滤)。如果需要，此类粒子过滤层可被静电充电，并且在各种实施方案中，可表现出小于约80、70、60、50、40、30、20、10或5的渗透率百分比。(术语粒子广义地涵盖例如气溶胶、粉尘、雾、烟气、烟雾、霉菌、细菌、孢子、花粉等等)。在特定的实施方案中，这种粒子过滤层可为例如在授予Fox的美国专利8240484中描述的类型的并且包括小于8％至约4％的密实度且由基本上不含卷曲纤维、间隙形成纤维和双组分纤维的熔纺纤维组成的高蓬松度的纺粘非织造幅材。
无论是否存在任何粒子过滤层，空气过滤器1可包括(除了至少一个过滤支撑层10和任何任选的粒子过滤层之外)例如用作覆盖层、粗预过滤器、载体层、皮肤接触层的一个或多个次级层以提供机械支撑或刚度等。也就是说，通常并且不考虑过滤器支撑层10的特定类型、配置或构造，这样的过滤器支撑层可作为可共同提供空气过滤器1的多层透气组件(堆叠)的一层提供。当然，如本文所述，任何此类多层堆叠当然可为折叠式、框架式等。
本文所公开的吸附剂粒子(无论是例如分散在非织造纤维幅材内、设置在基底的表面、填充到收集容器例如以形成填充床等)可与任何次级吸附剂粒子组合使用、构造成能够捕获存在于空气中的任何所需组分(例如，有毒气体/蒸气)。在一些实施方案中，此类次级吸附剂粒子可存在于例如吸附剂粒子100的上游或下游的单独层中。在其它实施方案中，吸附剂粒子100和任何期望的次级吸附剂粒子可混合在一起。次级吸附剂粒子(无论是在单独层中使用还是与吸附剂粒子100混合使用)可选自例如活性碳、氧化铝和其它金属氧化物、粘土、霍加拉特、离子交换树脂、分子筛和沸石、二氧化硅、碳酸氢钠、金属-有机框架(MOFs)等，包括这些材料中的任何一种的组合。在一些实施方案中，次级吸附剂粒子(例如活性碳)可为已浸渍的吸附剂粒子，其是用例如任何期望的金属盐或复合物经适当浸渍的。可适于用作次级吸附剂粒子的各种粒子详细描述于授予Billingsley的美国专利申请公布2015/0306536和标题为METAL-CONTAINING POLYMERIC MATERIALS的美国临时专利申请62/298089中，所述文献全文以引用方式并入本文。可使用任何此类颗粒的任何组合。吸附剂粒子100和次级吸附剂粒子的一个或多个组可按任何重量比使用。具体地，使用术语“次级”是为了方便描述，并且不要求任何次级吸附剂粒子必须例如以低于吸附剂粒子100的量存在。此外，所公开的吸附剂粒子100可与例如非多孔的和/或不执行任何吸附功能的颗粒，颗粒料等(此类颗粒可例如执行间隔或分离功能)混合。
在一些实施方案中，包括本文所公开的吸附剂粒子100的空气过滤器1可与与空气过滤器1分开提供的次级空气过滤器组合使用。在一些实施方案中，空气过滤器1和次级空气过滤器可单独安装到空气处理设备的不同区域中。(例如，空气过滤器1和次级空气过滤器可各自为框架式空气过滤器，并且可各自独立地插入例如室内空气净化器中)。另选地，空气过滤器1和次级空气过滤器可在安装到例如空气处理设备中之前组装在一起(例如，彼此附接)。空气过滤器1可被放置在例如次级空气过滤器的上游或下游(如果空气过滤器1是上游的，则其可例如用作用于次级过滤器的预过滤器)。在一些示例性实施方案中，次级空气过滤器可被构造为例如捕获细小粒子，并且可表现出例如小于约80、70、60、50、40、30、20、10或5的渗透百分比。
如本文所公开的包含吸附剂粒子100的过滤器支撑体10可用于任何类型的空气过滤器1中，其被构造用于任何合适的最终用途。通过具体示例的方式，过滤器支撑体10可用于例如空气过滤器，其为个人呼吸保护装置或是其一部分。已经注意到，过滤器支撑体10可采取过滤器滤筒的形式，该过滤器滤筒可流体连接到面罩主体以提供个人呼吸保护装置(例如，过滤器滤筒为一次性的，并且面罩主体为被成形为适合使用者的面部并且被保持的部件以及在适当时候附接到其上的置换过滤器滤筒)。在其它实施方案中，过滤器支撑体10可结合到“过滤式面罩”呼吸器面罩60中。在这种一般类型的产品中，面罩主体本身提供过滤功能。也就是说，与结合可附接过滤器滤筒等使用面罩主体的呼吸器不同，过滤式面罩呼吸器被设计成在整个面罩主体的大部分或基本上全部上方存在过滤层，从而没有需要安装或更换过滤器滤筒。(即，在过滤式面罩呼吸器中，面罩主体自身执行过滤功能，而不是依赖附接到其上的一个或多个滤筒)。过滤式面罩呼吸器60通常具有两种构型中的一种：模制的(例如成型为大致杯形状，以便适配使用者的面部)，如图6中示例性表示中所示，以及平折的，其可在平坦或几乎平坦的条件下提供并且然后可展开并扩展以适配使用者的面部，如图7中的示例性表示中所示。
此类呼吸器面罩(无论是例如平折或模制的呼吸器)60可包括任何期望的辅助层(例如，一个或多个覆盖层、加强层、预过滤层等)和组件(例如，一个或多个排气阀、连接带或线、鼻梁等)。如果用于平折呼吸器面罩，过滤器支撑体10通常可采用相对柔性层的形式(例如，提供一个或多个优先折叠线63，以使材料更易于折叠)。如果将过滤器支撑体10用于模制的呼吸器面罩(即不被设计成可折叠的)，则过滤器支撑体10可为例如半刚性的材料(但要注意，因为在许多模制的杯形呼吸器面罩中，大部分刚度可由与过滤层分开的加强层提供，所以在此类产品中使用的过滤器支撑体10可能不是严格必要为刚性的、或甚至是半刚性的)。
可理解，上述用途主要属于所谓的“负压”呼吸器类别；也就是说，用于移动空气的动力是使用者的呼吸而不是单独提供的电动风扇的产品。此类负压呼吸器通常被构造为例如全面罩呼吸器、半面罩呼吸器和罩子(例如逃生罩、烟罩等)。所有这些产品都包括在本文所用的术语负压呼吸器中，并且过滤器支撑体10可与任何这样的产品一起使用。
在其它实施方案中，过滤器支撑体10可用于呼吸器中，其中用于移动空气的动力为电动风扇或鼓风机。此类产品可包括例如PAPR(电动空气净化呼吸器)。在此类产品中，过滤器支撑体10(并且一般来讲，空气过滤器1)可靠近使用者的面部或头部定位；或者，其可远程定位(例如，放置在带磨损外壳的接收器中)。
在图8的示例性实施方案中所示的一些实施方案中，过滤器支撑体10(例如，无论是否折叠或是否包括任何其它层如粒子过滤层等)可结合到包括周边框架70(例如，刚性或支撑框架)的空气过滤器1中，周边框架可例如布置在过滤器支撑体的周边边缘区域周围。用于框架的合适的材料包括木屑压合板、或纸板、合成塑料材料和金属。合适的框架构造可选自例如授予Pitzen的美国专利6126707的图1至图4所示的“夹式”框架构造、‘707专利的图5和图6所示的“箱式”框架构造、‘707专利的图7至图11所示的混合式框架构造、授予Sundet的美国专利7503953中公开的框架构造中的任一个、以及授予Duffy的美国专利7235115中公开的框架构造中的任一个。任何此类框架均可通过任何合适的方法例如热熔融粘结、室温胶水等附接到过滤器支撑体上。
包括过滤器支撑体10的空气过滤器1(无论是否为框架式)可有利地用于在任何合适的动力空气处理系统中过滤移动空气例如，在HVAC系统中(例如，在通常用于住宅、办公楼、零售机构等的强制空气加热、冷却和/或加热/冷却系统中)。此类过滤器也可用于室内空气净化器、机动车辆(如在例如汽车的机舱室空气过滤)、洁净室、操作室等。在一些实施方案中，如上所述，空气过滤器1(例如，作为过滤器滤筒的一部分)可插入动力空气净化呼吸器的空气通路中。虽然在任何或所有这些用途中，空气过滤器1可能不一定是框架式空气过滤器，但在许多这样的用途中，空气过滤器1对于将是框架式空气过滤器的空气过滤器1是有利的。
上述讨论全部涉及在合适的过滤器支撑体10上提供吸附剂粒子100以提供空气过滤器1并放置空气过滤器的方法，使得受支撑的吸附剂粒子暴露于空气(术语空气是广泛使用的并涵盖任何气体或气态混合物，例如氮气、除湿的氮气或空气、富氧空气、包括麻醉剂气体或气体混合物的空气等)。在许多实施方案中，吸附剂粒子所暴露的空气为移动气流形式。在一些情况下(其可称为“主动”过滤)，此类移动空气可由电动风机、风扇等驱动。在其它情况下(其可称为“被动”过滤)，此类移动空气可例如通过人的呼吸而不是通过任何机动化机构来激发。术语“被动”过滤还涵盖空气过滤器1暴露于电流、涡流等的情况，例如在环境气氛中。此类电流和涡流可采取例如风向的形式(例如可能撞击过滤器支撑体10的外表面，该过滤器支撑体10以例如窗纱的形式提供)。或者，在室内环境中，此类电流和涡流可能采取对流电流、随机气流等形式，例如在建筑物的房间(例如，由于门打开和关闭、人员移动等)经常发生的电流和涡流等。因此应当理解，如本文所公开的空气过滤器1包括如下装置诸如滤筒、袋、小袋、罐、或一般来讲，任何类型的容器，该容器在其中容纳吸附粒子100并且具有至少一个透气壁，以允许空气进入容器并接触吸附剂粒子，并且然后离开容器，而不管此类装置是否与任何类型的机械鼓风机一起使用或用于任何类型的呼吸器。
总而言之，本文所述的空气过滤器1可用于其中期望从空气中去除至少一些碱性、含氮气载物质的任何合适的应用中。此类用途可涉及设计供单个使用者使用的个人装置(例如，个人呼吸保护装置)，或设计用于例如建筑物、车辆和其它人居住、工作或聚集的其它场所的集体装置(例如，室内空气净化器、HVAC系统等)。如上所述，这种用途可能涉及“主动”或“被动”过滤，并且可使用空气过滤器1，该空气过滤器1以多种几何形式中的任何一种配置并且由各种材料中任意构成。另外，如所指出的，除了本文所述的吸附剂粒子100之外，还可使用一种或多种次级吸附剂，无论是与粒子100混合和/或在单独的层中提供。如另外所指出的，空气过滤器1可包括这样的至少一层(除了支撑吸附剂粒子100的至少一个支撑层10之外)，其提供细小颗粒过滤和/或捕获除碱性含氮材料(诸如氨)以外的一些气体/蒸气。除了这个之外，或者作为其辅助，除了空气过滤器1之外，还可提供次级空气过滤器，例如以执行细小粒子的过滤和/或捕获一些其它气体/蒸气。此外，可使用过滤器支撑体的任何上述实施方案的组合。例如，吸附剂粒子100可设置在纤维幅材内或结网的表面上，幅材或结网可例如放置在外壳内以提供过滤器滤筒。
吸附剂粒子100为可吸附碱性含氮化合物(具体地为在使用条件下为挥发性的那些化合物)的含金属吸附剂材料。更具体地，含金属吸附剂粒子为包括以下物质的材料：a)已用表面处理剂处理的多孔硅质材料的前体和b)掺入硅质前体材料中的二价金属。当含金属吸附剂材料吸附碱性含氮化合物时，在吸附剂材料内形成金属络合物。也就是说，含金属吸附剂材料和碱性含氮化合物的反应产物为含有金属络合物的复合材料。
更详细地，含金属吸附剂包括a)前体和b)以基于吸附剂的总重量计等于至少1重量％的量掺入前体中的二价金属。前体包括含有1)多孔硅质材料和2)表面处理剂的混合物的反应产物。多孔硅质材料具有中孔。以每克多孔硅质材料0.1至4.5毫摩尔范围内的量加入表面处理剂。表面处理剂为式(I)的硅烷、式(II)的二硅氮烷、或式(I)的硅烷和式(II)的二硅氮烷的混合物。
R1-Si(R2)3-x(R3)x
(I)
(R4)3-Si-NH-Si(R4)3
(II)
在式(I)中，R1为烃或氟化烃基团，R2为可水解基团，R3为不可水解基团，并且x为等于0、1或2的整数。在式(II)中，每个R4为烃基团。
吸附剂材料可通过将二价金属掺入前体材料中来制备，所述前体材料通过用硅烷和/或二硅氮烷表面处理剂处理多孔硅质材料而形成。多孔硅质材料具有中孔。含金属吸附剂材料可用于捕获诸如具有不大于150克/摩尔的分子量的那些碱性含氮化合物。该捕集导致形成含有掺入的金属络合物的复合材料。术语“前体”和“前体材料”可互换使用。术语“吸附剂材料”、“吸附剂”、“含金属吸附剂材料”和“含金属吸附剂”可互换使用。术语“硅质材料”和“多孔硅质材料”可互换使用。
多孔材料是指表现出至少约50m2/克的BET比表面积(在不存在二价金属的情况下，例如在掺入本文所公开的二价金属之前，以及在不存在任何表面处理剂的情况下测量的)的材料。多孔材料诸如多孔硅质材料和多孔吸附剂材料可基于它们的孔的尺寸来表征。术语“微孔”是指直径小于2纳米的孔。术语“中孔”是指直径在2至50纳米范围内的孔。术语“大孔”是指直径大于50纳米的孔。多孔材料的孔隙率可以由低温条件(例如，77K下的液氮)下多孔材料吸附惰性气体诸如氮气或氩气的吸附等温线来确定。吸附等温线通常通过在约10-6至约0.99±0.01范围内的多个相对压力下测量多孔材料吸附的惰性气体诸如氮气或氩气的量来获得。然后使用各种方法分析等温线，诸如使用BET(布鲁诺尔-艾米特-泰勒(Brunauer-Emmett-Teller))法计算比表面积，又如使用密度泛函理论(DFT)表征孔隙率和孔径分布。
术语“表面积”是指材料表面(包括可触及的孔的内表面在内)的总面积。表面积通常由测量在整个相对压力范围内在低温条件(即，77K)下吸附于材料表面的惰性气体(例如氮气或氩气)的量所获得的吸附等温线来计算。术语“BET比表面积”是每克材料的表面积，通常采用BET法在0.05至0.3的相对压力范围内由惰性气体的吸附等温线数据计算得出。
术语“二价金属”是指具有+2的氧化态的金属。二价金属通常来自IUPAC元素周期表的第2族或第6族至第12族。为避免混淆，第2族具有铍作为其最轻成员，第6族具有铬作为其最轻成员，第7族具有锰作为其最轻成员，第8族具有铁作为其最轻成员，第9族具有钴作为其最轻成员，第10族具有镍作为其最轻成员，第11族具有铜作为其最轻成员，并且第12族具有锌作为其最轻成员。二价金属可以为金属盐、金属络合物、金属氧化物等的形式。
任何具有中孔的多孔硅质材料均可与表面处理剂反应以形成前体。多孔硅质材料具有中孔(即，硅质材料是中孔的)，其为具有2纳米至50纳米范围内的直径的孔。多孔硅质材料内所有孔的平均孔径通常在中孔尺寸范围内(即，平均孔径在2纳米至50纳米的范围内)。平均孔径常常在2纳米至40纳米、2纳米至30纳米、2纳米至20纳米或2纳米至10纳米的范围内。用于计算平均孔径的方法描述于标题为METAL-CONTAINING SORBENTS FORNITROGEN-CONTAINING COMPOUNDS的美国临时专利申请62/269647的实施例中，该专利全文以引用方式并入本文。
通常，多孔硅质材料的总孔体积的至少50体积％可归因于中孔。在一些实施方案中，多孔硅质材料的总孔体积的至少55体积％、至少60体积％、至少65体积％、至少70体积％、至少75体积％、至少80体积％、至少85体积％、或至少90体积％可归因于中孔。用于计算体积百分比的方法描述于下文的实施例部分中。
多孔硅质材料的总孔体积常常为至少0.5cm3/克、至少0.6cm3/克、至少0.7cm3/克、至少0.8cm3/克或至少0.9cm3/克。孔体积可为例如至多1.5cm3/克或更高、至多1.4cm3/克、至多1.3cm3/克、至多1.2cm3/克、至多1.1cm3/克或至多1.0cm3/克。
多孔硅质材料的比表面积常常为至少50m2/g、至少100m2/g、至少200m2/g或至少300m2/g。比表面积可为至多1000m2/g或更高、至多900m2/g、至多800m2/g、至多700m2/g、至多600m2/g或至多500m2/g。
一些示例多孔(例如，中孔)硅质材料可使用类似于H.
Figure BDA0002316599620000201
等人在AdvancedMaterials，第11卷，2号，138-141(1999)的文章中所述的规程形成。更具体地，可使用溶胶凝胶技术来形成多孔硅质材料。四烷氧基硅烷、三烷氧基硅烷或它们的混合物可在有机溶剂的存在下水解。有机溶剂中的一些可在其形成时被包埋在溶胶内。随后可通过干燥溶胶来去除有机溶剂，导致形成具有孔的凝胶(例如，干凝胶)，其中有机溶剂先前已驻留。
用于制备凝胶的合适四烷氧基硅烷和三烷氧基硅烷常常具有式(III)。
(R5)ySi(R6)4-y
(III)
在式(III)中，R5为烷基基团或氢；并且R6为烷氧基或卤素基团。合适的烷基、烷氧基和卤素基团描述于本文中。变量y为等于0或1的整数。
在式(III)的一些实施方案中，R5为烷基基团，R6为烷氧基基团或氯，并且变量y等于1。R5烷基基团和R6烷氧基基团常常具有1至10个碳原子、1至6个碳原子、1至4个碳原子或1至3个碳原子。例如，式(III)的化合物可为三烷氧基(烷基)硅烷，诸如三甲氧基(甲基)硅烷、三乙氧基(甲基)硅烷、三乙氧基(乙基)硅烷、三乙氧基(正丙基)硅烷、三乙氧基(异丁基)硅烷、三丙氧基(甲基)硅烷、异辛基三乙氧基硅烷、三甲氧基硅烷、三乙氧基硅烷或三氯甲基硅烷。
在其它实施方案中，R6为烷氧基或氯，并且y等于0(即，没有R5基团)。R6烷氧基基团常常具有1至10个碳原子、1至6个碳原子、1至4个碳原子或1至3个碳原子。例如，式(III)的化合物可为四烷氧基硅烷，诸如四甲氧基硅烷、四乙氧基硅烷、四丙氧基硅烷或四氯化硅。
本文所呈现的各种R基团，例如在式(I)、(II)和(III)中，以及相关联的术语诸如烷基、烷氧基、芳基、可水解等，在标题为METAL-CONTAINING SORBENTS FOR NITROGEN-CONTAINING COMPOUNDS的美国临时专利申请62/269647中限定并进一步详细描述，以用于该具体目的。
首先将式(III)的化合物与有机溶剂混合。通常选择有机溶剂与式(III)的化合物混溶(即溶解)，并且易于通过干燥从溶胶中去除。示例性有机溶剂包括但不限于低级烷醇的醇(例如乙醇、甲醇、丙醇、异丙醇、丁醇、仲丁醇、叔丁醇、戊醇、己醇、甲氧基丙醇和2-乙醇)、酮(例如丙酮、甲乙酮、甲基异丁基酮、甲基戊基酮和甲基正丁基酮)、脂(例如乙酸丁酯、2-乙氧基乙酸乙酯和2-乙基乙酸己酯)和醚(例如四氢呋喃、乙二醇单乙醚、乙二醇单丁醚、乙二醇二丁醚、丙二醇单乙醚、二甘醇单丁醚、二甘醇二丁醚、二丙二醇单乙醚和二丙二醇单丁醚)。
式(III)的化合物和有机溶剂的混合物通常具有调节为在2至4范围内的pH。尽管可使用任何合适的酸，但是酸常常为无机酸，例如盐酸、硝酸、磷酸或硫酸。通常在调节所述混合物的pH之前用水稀释所述酸。
混合物中包含的有机溶剂的量(例如，化合物式(III)、稀酸和有机溶剂的混合物)可影响所形成的多孔硅质材料的孔体积。也就是说，混合物中更大体积的有机溶剂趋于导致多孔硅质材料中更高的孔体积。混合物常常包含至少20体积％的有机溶剂。在一些实施方案中，有机溶剂的量为混合物的至少30体积％、至少40体积％或至少50体积％。上限常常为90体积％。如果体积百分比更高，则所形成的多孔硅质材料的量可能不可取地低。混合物中有机溶剂的体积百分比可为至多85体积％、至多80体积％、至多75体积％、至多70体积％、至多65体积％、至多60体积％、或至多55体积％。
在将混合物老化数小时后，将pH增加至7或更大。可使用任何合适的碱(例如，稀氢氧化铵或可溶于所述混合物中的胺)。碱的加入导致式(III)的化合物的水解和凝胶的形成。也就是说，三维网络通过-O-Si-O-键连接在一起而形成。凝胶常常在加入碱的几分钟内形成。所得的凝胶可被收集(例如通过过滤)。
然后干燥凝胶以从凝胶中去除有机溶剂。通常，选择干燥温度以有效去除有机溶剂。去除有机溶剂导致硅质材料内的孔。干燥温度常常被选择为高于有机溶剂的沸点。在一些实施方案中，干燥温度被选择为比有机溶剂的沸点高至少10℃、高至少20℃、或高至少30℃。常常将干燥温度设定在第一温度下以去除有机溶剂的大部分，并且然后在更高的第二温度下去除任何残余的水。任一步骤的干燥温度可为例如至多150℃、至多140℃、至多130℃、至多120℃、至多110℃、或至多100℃。
其它示例性多孔硅质材料可通过以下方式形成：将水性金属硅酸盐(例如，水性硅酸钠)与酸(例如，硫酸)混合，沉淀钠盐，使混合物达到碱性pH，并且老化足以在成孔剂(例如，有机溶剂)的存在下形成凝胶的时间。该制备方法还描述于例如美国专利7,559,981B2(Friday等人)中。
多孔硅质材料的另一个示例可由胶态二氧化硅溶胶制备，诸如具有2纳米至50纳米范围内的平均粒度的那些。溶胶可以是酸稳定的或碱稳定的。此类二氧化硅溶胶可从Nalco Company(Naperville,IL,USA)商购获得，并且包括例如NALCO 2326和NALCO 2327。可通过加入酸或碱将溶胶的pH调节至5至8的范围内。该pH调节导致二氧化硅粒子的不稳定和随后的聚集。可收集并干燥聚集的二氧化硅粒子。
各种类型的中孔硅质材料是可商购获得的。硅质材料中的一些具有常规的中孔布置。示例包括MCM-41(即，41号物质的移动组合物)和MCM-48(即，48号物质的移动组合物)，其涉及由Mobil Oil Corporation的研究人员开发的硅质材料。另一个示例为SBA-15(即，圣巴巴拉无定形15号)，其是指由加利福尼亚州圣巴巴拉大学的研究人员开发的硅质材料。另一个示例为M41S，其是指由ExxonMobil的研究人员开发的硅质材料。至少MCM-41和SBA-15购自Sigma-Aldrich(St Louis，MO，USA)。
其它多孔硅质材料(例如硅胶)可例如以商品名DAVISIL从W.R.Grace andCompany(Columbia,MD,USA)商购获得。多孔硅质材料可例如具有6纳米(DAVISIL LC60A)、15纳米(DAVISIL LC150A)、25纳米(DAVISIL LC250A)和50纳米(DAVISIL LC500A)的平均孔径。其它多孔硅质材料还包括可从Material Harvest Limited(Cambridge,England)、从SiliCycle Inc.(Quebec City,Canada)和从EMD Millipore(Darmstadt,Germany)以商品名LICHROPREP商购获得的硅胶。
在一些实施方案中，可例如在与表面处理剂反应之前、期间或之后将酸碱指示剂加入多孔硅质材料中以形成前体材料。也就是说，后形成的前体材料和吸附剂两者均可包含酸碱指示剂。酸碱比色指示剂为在其发生从呈酸形式至呈碱形式的转变时改变颜色的化合物(通常为有机染料)。通常选择具有小于将在吸附剂材料上被吸附的含氮化合物的pKb的pKb的酸碱比色指示剂。也就是说，当已达到或接近达到用于吸附含氮化合物的吸附剂的全部或大部分容量时，选择酸碱比色指示剂以从第一颜色改变为第二颜色。如本文所用，术语“快要达到”是指已经达到容量的至少60％或更多(即，至少60％或更多的可利用吸附位点已经用于含氮化合物的吸附)。例如，至少70％、至少80％、至少90％或至少95％的吸附位点已经用于含氮化合物的吸附。
已知待吸附的含氮化合物的pKb，本领域技术人员可以容易地选择具有较低pKb值的酸碱比色指示剂。在一些应用中，含氮化合物的pKb值与酸碱比色指示剂的pKb之间的差值为至少1、至少2、至少3或至少4。酸碱比色指示剂的pKb通常在3至10的范围内。
示例性酸碱比色指示剂包括但不限于甲基红、溴酚蓝、副品红、柯衣定、百里酚蓝、甲基黄、溴苯基蓝、刚果红、甲基橙、溴甲酚绿、石蕊精、溴甲酚紫、溴百里酚蓝、酚红、中性红、萘酚酞、甲酚红、酚酞以及百里酚酞。
可使用任何合适的方法向多孔硅质材料中加入酸碱比色指示剂。在一些实施方案中，将多孔硅质材料在酸碱比色指示剂的溶液中浸泡至少10分钟、至少20分钟、至少30分钟、至少1小时、至少2小时、至少4小时、或至少8小时。浸泡溶液常常含有每克多孔硅质材料约1毫克的酸碱指示剂。
多孔硅质材料与表面处理剂反应。表面处理剂为式(I)的硅烷、式(II)的二硅氮烷、或式(I)的硅烷和式(II)的二硅氮烷的混合物。
R1-Si(R2)3-x(R3)x
(I)
(R4)3-Si-NH-Si(R4)3
(II)
在式(I)中，R1为烃或氟化烃基团，R2为可水解基团，R3为不可水解基团，并且x为等于0、1或2的整数。在式(II)中，每个R4为烃基团。表面处理剂通常为一种或多种式(I)的化合物、一种或多种式(II)的化合物、或一种或多种式(I)化合物加上一种或多种式(II)的化合物的混合物。至少在一些实施方案中，如果使用多于一种表面处理剂，则多种表面处理剂常常具有式(I)。
式(I)中的基团R1为烃或氟化烃基团。该基团常常提供或增强通过使式(I)的化合物与多孔硅质材料反应而形成的前体表面的疏水特性。如本文所用，术语“烃”是指仅包含碳和氢原子的基团。如本文所用，术语“氟化烃”是指其中烃基团中的至少一个氢原子已被氟原子置换的基团。烃基团或氟化烃基团可为饱和的、部分不饱和的、或不饱和的(例如芳族)。合适的烃基团是一价的，并且包括例如烷基基团、芳基基团、芳烷基基团和烷芳基基团。合适的氟化烃基团是一价的，并且包括例如氟化烷基基团(即，被一个或多个氟基团取代的烷基基团)、氟化芳基基团(即被一个或多个氟基团取代的芳基基团)、氟化芳烷基基团(即被一个或多个氟基团取代的芳烷基基团)和氟化烷芳基基团(即被一个或多个氟基团取代的烷芳基基团)。在许多实施方案中，R1为烷基、氟化烷基、芳基、氟化芳基、芳烷基、氟化芳烷基、烷芳基或氟化烷芳基。在大多数实施方案中，烃或氟化烃基团不与多孔硅质材料的表面、与二价金属或与含氮化合物反应。
式(I)中的基团R2为可水解基团。可水解基团为表面处理剂与多孔硅质材料的反应位点(例如，在多孔硅质材料的表面上具有羟基基团)。当可水解基团与多孔硅质材料的表面反应时，形成-O-Si-O-键，从而将表面处理剂附接到多孔硅质材料。可水解基团可为烷氧基、芳氧基、烷芳氧基、芳烷氧基、酰氧基或卤素。这些基团与上文所述相同。在许多实施方案中，R2为烷氧基或卤素。
式(I)中的基团R3为不可水解基团。典型的不可水解基团包括但不限于氢、烷基、芳基、烷芳基和芳烷基。这些基团与上文所述相同。在许多实施方案中，R3为氢、烷基或不存在(x等于0)。
在式(I)的一些实施方案中，R1为烷基、氟化烷基、芳基、氟化芳基、芳烷基、氟化芳烷基、烷芳基或氟化烷芳基；每个R2为烷氧基或卤素；并且x等于0(R3不存在)。烷氧基R2基团常常具有1至10个碳原子、1至6个碳原子、1至4个碳原子或1至3个碳原子，并且卤素R2基团为氯。示例包括但不限于三甲氧基(甲基)硅烷、三甲氧基(3,3,3-三氟丙基)硅烷、三甲氧基(丙基)硅烷、三甲氧基(异丁基)硅烷、三乙氧基(甲基)硅烷、三乙氧基(乙基)硅烷、三甲氧基(苯基)硅烷、三丙氧基(甲基)硅烷、三甲氧基(2-苯乙基)硅烷、三乙氧基(环戊基)硅烷、三甲氧基(异辛基)硅烷、三乙氧基(五氟苯基)硅烷、三乙氧基(苯基)硅烷、三乙氧基(对甲苯基硅烷)、三乙氧基(1H、1H、2H、2H-全氟辛基)硅烷、三乙氧基(十二烷基)硅烷、三甲氧基(十六烷基)硅烷和三乙氧基(正十八烷基)硅烷、甲基氯硅烷、乙基三氯硅烷、丁基三氯硅烷、三氯(辛基)硅烷和三氯苯基硅烷。
在式(I)的其它实施方案中，R1为烷基、氟化烷基、芳基、氟化芳基、芳烷基、氟化芳烷基、烷芳基或氟化烷芳基；每个R2为烷氧基或卤素；每个R3独立地为氢或烷基；并且x等于1或2。烷氧基R2基团常常具有1至10个碳原子、1至6个碳原子、1至4个碳原子或1至3个碳原子，并且卤素R2基团为氯。此外，烷基R3基团常常具有1至10个碳原子、1至6个碳原子、1至4个碳原子或1至3个碳原子。
其中R1为烷基或芳基，R2为卤素或烷氧基，并且每个R3独立地为氢或甲基的式(I)的示例包括但不限于二氯甲基硅烷、氯二甲基硅烷、甲基二乙氧基硅烷、二乙氧基(甲基)苯基硅烷、二甲氧基(甲基)辛基硅烷和氯苯基硅烷。
式(II)的表面处理剂可代替式(I)的表面处理剂或与式(I)的表面处理剂组合使用。在式(II)中，每个R4基团为烃基团。合适的烃基团是一价的，并且包括例如烷基基团、芳基基团、芳烷基基团和烷芳基基团。这些基团与上文所述相同。
在式(II)的表面处理剂的许多实施方案中，每个R4基团为烷基。在一些具体实施方案中，每个R4基团具有1至10个碳原子、1至6个碳原子、1至4个碳原子或1至3个碳原子。例如，式(II)的化合物为六甲基硅氮烷，其中R4为甲基。
在许多实施方案中，使用的唯一表面处理剂为式(I)和/或式(II)的那些。没有缺乏疏水基团诸如式(I)中的R1和式(II)中的R4的表面处理剂。也就是说，没有使用用亲水基团或反应性官能团诸如被伯氨基基团取代的烷基置换R1或R4的表面处理剂。
可使用任何已知的方法将表面处理剂加入多孔硅质材料中。在一些方法中，多孔硅质材料分散于水溶液中。将表面处理剂溶解于与水可混溶的有机溶剂中，并且然后缓慢地加入分散体中。表面处理剂与多孔硅质材料的反应可在酸性条件(诸如在1至5的pH范围内)或在碱性条件下(诸如在9至12的pH范围内)完成。表面处理剂的水解允许与多孔硅质材料表面上的羟基基团反应。该反应导致在多孔硅质材料的表面和表面处理剂之间形成-O-Si-O-键。也就是说，表面处理剂共价结合到多孔硅质材料的表面。所得材料(其被称为前体材料)在与表面处理剂反应之前趋于具有比多孔硅质材料更疏水的表面。换句话说，通常加入表面处理剂以赋予疏水特性或增强前体的疏水特性。
虽然在一些实施方案中，表面处理剂可在多孔硅质材料形成后方便地加入多孔硅质材料中，但基于本文的讨论应当理解，可在多孔硅质材料的制备中的任何合适的阶段加入表面处理剂。例如，在一些实施方案中，可将表面处理剂加入用于制备多孔硅质材料的混合物中。以类似的方式，可在制备经表面处理的多孔硅质材料的任何合适的阶段加入如本文先前所讨论的酸碱比色指示剂。
通常以每克多孔硅质材料0.1至4.5毫摩尔范围内的量加入表面处理剂。如果表面处理剂的量少于每克多孔硅质材料0.1毫摩尔，则前体可能不是足够疏水的。疏水性趋于增加吸附剂材料吸附碱性含氮化合物的能力。在一些实施方案中，以等于至少0.2毫摩尔/克、至少0.3毫摩尔/克、至少0.5毫摩尔/克、或至少1毫摩尔/克多孔硅质材料的量加入表面处理剂的量。通常选择表面处理剂的量(例如，表面处理剂减去缩合反应中给出的基团)，以向多孔硅质材料的表面提供不大于单层。当加入超过单层的表面处理剂时，吸附剂材料吸附碱性含氮化合物的能力趋于降低。在一些实施方案中，添加的表面处理剂的量可为至多4.5毫摩尔/克、至多4.0毫摩尔/克、至多3.5毫摩尔/克、至多3.0毫摩尔/克、至多2.5毫摩尔/克、或至多2毫摩尔/克多孔硅质材料。
形成前体材料的反应可在室温下或在高温下(即，在高于室温的温度下)发生。在一些实施方案中，反应温度为至少30℃、至少40℃、至少50℃、至少60℃、或至少70℃。通常选择温度，使得混合物中包含的水和有机溶剂在反应周期期间不通过沸腾而去除。反应周期可为足以形成前体材料的任何时间。在一些实施方案中，反应温度被保持在75℃下至多24小时、至多20小时、至多16小时、至多8小时、至多4小时、至多2小时、或至多1小时。
在形成前体之后，将二价金属掺入前体中以形成含金属的吸附剂材料。通常通过用金属盐处理前体来掺入二价金属。可使用用于将二价金属加入前体中的任何已知规程。在许多实施方案中，金属盐或金属盐的溶液(例如，溶解于水中的金属盐)在去除表面改性工艺期间存在的有机溶剂和/或水(即，使表面处理剂与多孔硅质材料反应的工艺)之前被加入前体中。常常将该混合物搅拌若干小时，以允许将二价金属浸渍到前体中足够的时间。金属盐与前体材料的混合时间常常为至多1小时、至多2小时、至多4小时、至多8小时、至多16小时、至多24小时或至多48小时。混合温度可以是室温或更高。然后可通过过滤将所得的吸附剂材料与有机溶剂和/或水分离。可将吸附剂在足以去除任何残余的水和/或有机溶剂的温度下干燥。例如，吸附剂可在80℃至150℃范围内的温度下干燥。
掺入前体材料中的金属盐含有为二价金属(即，具有a+2氧化态的金属)的阳离子以及一种或多种阴离子以平衡电荷。合适的金属离子(二价金属)通常来自周期表的第2族或第6族至第12族。示例性二价金属包括但不限于铬、镍、钴、铜、锌、锰、镉、铁、镁、钙、钡或它们的混合物。在许多实施方案中，二价金属为第6族至第12族，诸如例如铬、镍、钴、铜、锌、铁或它们的混合物。在一些特定的实施方案中，二价金属为铜、钴、锌或镍。在一些甚至更特定的实施方案中，二价金属为锌或铜。
金属盐通常选自可溶于水中的那些和/或与水可混溶的有机溶剂。金属盐的阴离子通常为卤化物(例如，氯离子)、硝酸根、硫酸根、羧酸根(例如，乙酸根、甲酸根以及丙酸根)、或卤素取代的羧酸根(例如，氯代乙酸根、二氯乙酸根以及氯取代的丙酸根)。在许多实施方案中，阴离子是氯离子、乙酸根或硝酸根。
特定的金属盐的示例包括但不限于乙酸锌、乙酸铜、乙酸镍、乙酸钴、乙酸铁、乙酸锰、乙酸铬、乙酸镉、甲酸锌、甲酸铜、甲酸镍、甲酸钴、甲酸铁、甲酸锰、甲酸镉、丙酸锌、丙酸铜、丙酸镍、丙酸钴、丙酸铁、丙酸锰、丙酸镉、氯代乙酸锌、氯代乙酸铜、氯代乙酸镍、氯代乙酸钴、氯代乙酸铁、氯代乙酸锰、氯代乙酸镉、二氯乙酸锌、二氯乙酸铜、二氯乙酸镍、二氯乙酸钴、二氯乙酸铁、二氯乙酸锰、二氯乙酸镉、氯化锌、氯化铜、氯化镍、氯化钴、氯化铁、氯化锰、氯化镉、氯化铬、氯化镁、硫酸锌、硫酸铜、硫酸镍、硫酸钴、硫酸铁、硫酸锰、硫酸镉、硝酸锌、硝酸硐、硝酸镍、硝酸钴、硝酸铁等。
加入前体中的二价金属的量基于吸附剂材料的重量计通常为至少1重量％。如果该量低于1重量％，则所得的吸附剂材料可具有不可取的低吸附含氮化合物的容量。二价金属的量可为基于吸附剂材料的重量计至少2重量％、至少3重量％、至少4重量％、或至少5重量％。二价金属可以至多50重量％的量被包含。如果该量高于约50重量％，则所得的吸附剂材料可具有不可取的低吸附含氮化合物的容量。例如，该量可为基于吸附剂材料的重量计至多45重量％、至多40重量％、至多35重量％、至多30重量％、至多25重量％、或至多20重量％。例如，该量基于吸附剂材料的重量计常常在下列范围内：1重量％至50重量％、1重量％至40重量％、1重量％至30重量％、1重量％至20重量％、5重量％至50重量％、5重量％至40重量％、5重量％至30重量％、5重量％至25重量％、5重量％至20重量％、10重量％至50重量％、10重量％至40重量％、10重量％至30重量％、10重量％至25重量％、10重量％至20重量％、15重量％至50重量％、15重量％至40重量％、15重量％至30重量％、或15重量％至25重量％。
在一些实施方案中，诸如在含锌、含钴、含镍和含镁的吸附剂材料的情况下，二价金属可作为离子物质存在。对于为离子的二价金属，当使用x射线衍射分析含金属吸附剂材料时，通常不能检测到包括金属物质的结晶相。在其它实施方案中，诸如在含铜吸附剂材料的情况下，二价金属可作为氧化物存在。对于金属氧化物，当使用x射线衍射分析含金属吸附剂材料时，可检测到结晶相。
还提供了制备包含含金属吸附剂的过滤器支撑体的方法。更具体地，该方法包括提供具有中孔的多孔硅质材料。该方法还包括用表面处理剂处理多孔硅质材料以形成前体，其中处理包括每克多孔硅质材料添加0.1毫摩尔至4.5毫摩尔的表面处理剂。表面处理剂为式(I)的硅烷、式(II)的二硅氮烷、或式(I)的硅烷和式(II)的二硅氮烷的混合物。
R1-Si(R2)3-x(R3)x
(I)
(R4)3-Si-NH-Si(R4)3
(II)
在式(I)中，R1为烃或氟化烃基团，R2为可水解基团，R3为不可水解基团，并且x为等于0、1或2的整数。在式(II)中，每个R4为烃基团。所述方法还包括以基于所述吸附剂的总重量计等于至少1重量％的量将二价金属掺入前体中，以形成含金属吸附剂。该方法还包括在过滤器支撑体上支撑由此形成的含金属吸附剂粒子。
支撑在具有任何合适的设计和特性的过滤器支撑体上的含金属吸附剂材料可被用于捕集碱性含氮化合物的蒸气。因此，提供了一种捕获碱性含氮化合物的方法。该方法包括提供如上所述的含金属吸附剂，并且然后将含金属吸附剂暴露于碱性含氮化合物的蒸气。形成金属络合物。金属络合物包括如上文所定义的二价金属和至少一种含氮化合物的反应产物。
与二价金属反应以形成金属络合物的碱性、含氮化合物可归类为路易斯碱、布朗斯特-劳瑞碱，或两者。合适的碱性含氮化合物常常具有低分子量(例如，不大于150克/摩尔)。即，碱性含氮化合物可在室温下或接近室温下是挥发性的，或者可在使用条件下是挥发性的。碱性含氮化合物的示例包括但不限于氨、肼化合物、胺化合物(例如烷基胺、二烷基胺、三烷基胺、烷醇胺、亚烷基二胺、芳胺)和含氮杂环(饱和的和不饱和的)化合物。具体的碱性含氮化合物包括例如氨、肼、甲基肼、甲胺、二甲胺、三甲胺、乙胺、二乙胺、三乙胺、丙胺、二丙胺、三丙胺、异丙胺、二异丙胺、三异丙胺、乙醇胺、环己胺、吗啉、吡啶、苄胺、苯肼、乙二胺和1,3-丙二胺。
在暴露于碱性含氮化合物的蒸气之后，含金属吸附剂材料(如过滤器支撑体上所支撑)转化为含金属络合物的复合材料。也就是说，在另一方面，提供了一种形成含金属络合物的复合材料的方法。含金属络合物的复合材料为含金属吸附剂材料和碱性含氮化合物的反应产物。另选地，含金属络合物的复合材料可被认为含有a)前体材料和b)掺入前体材料中的金属络合物。金属络合物包括二价金属和至少一种碱性含氮化合物的反应产物。
在含金属络合物的复合材料的许多实施方案中，结合到前体材料中的二价金属保持未转化为金属络合物。换句话说，吸附剂材料中二价金属中的仅一些已与碱性含氮化合物反应以形成金属络合物。含金属络合物的复合材料包括不与碱性含氮化合物络合的二价金属以及与至少一种碱性含氮化合物络合的二价金属的混合物。复合材料中二价金属(无论其是否与碱性含氮化合物络合)的总量为基于复合材料的总重量计至少1重量％。
复合材料中二价金属的总量可为基于复合材料的总重量计至少2重量％、至少3重量％、至少4重量％、或至少5重量％。总二价金属可以至多50重量％的量被包含。例如，所述量可为基于复合材料的总重量计至多45重量％、至多40重量％、至多35重量％、至多30重量％、至多25重量％或至多20重量％。例如，该量基于复合材料的总重量计常常在下列范围内：1重量％至50重量％、1重量％至40重量％、1重量％至30重量％、1重量％至20重量％、5重量％至50重量％、5重量％至40重量％、5重量％至30重量％、5重量％至25重量％、5重量％至20重量％、10重量％至50重量％、10重量％至40重量％、10重量％至30重量％、10重量％至25重量％、10重量％至20重量％、15重量％至50重量％、15重量％至40重量％、15重量％至30重量％、或15重量％至25重量％。
复合材料中总二价金属的任何部分可为金属络合物的形式。例如，至少1重量％、至少5重量％、至少10重量％、或至少20重量％，并且至多100重量％、至多90重量％、至多80重量％、至多70重量％、至多60重量％、或至多50重量％的总二价金属可作为金属络合物存在于复合物中。
含金属吸附剂材料所吸附(络合)的碱性含氮化合物的最大量与结合到吸附剂材料中的二价金属的量相关。所吸附的碱性含氮化合物的最大量常常为每克含金属吸附剂材料至少1.5毫摩尔(即，每克含金属吸附剂材料1.5毫摩尔的吸附的碱性含氮化合物)并且可为至多10毫摩尔/克或甚至更高。在许多实施方案中，所吸附的最大量为至少2毫摩尔/克、2.5毫摩尔/克或至少3毫摩尔/克。所吸附的量可为例如至多9毫摩尔/克、至多8毫摩尔/克、至多7毫摩尔/克、至多6毫摩尔/克、或至多5毫摩尔/克。
吸附剂材料的孔隙率(其主要由用于形成前体的多孔硅质材料的孔隙率控制)也影响含金属吸附剂材料吸附碱性含氮化合物的容量。通常，具有更高孔隙率的吸附剂材料对官能团位点具有更大的可接触性。较高孔隙率吸附剂材料，可能是由于吸附剂材料中中孔和/或微孔的存在，通常导致二价金属的较高结合。二价金属的较高结合(至少高达集簇和/或分层发生的点)导致可用于碱性含氮化合物的吸附的更多配位位点。可通过选择多孔硅质材料或用于制备多孔硅质材料的方法来改变吸附剂材料的孔隙率和BET比表面积。
在一些实施方案中，在暴露于碱性含氮化合物时发生颜色变化。例如，当二价金属为铜或镍和/或当吸附剂中包含酸碱指示剂染料时，可发生该颜色变化。含铜的吸附剂可从暗灰色变为蓝绿色，并且镍可从棕色变为橄榄绿色。当达到或接近达到吸附剂的吸附容量时，含有酸碱指示剂染料的吸附剂也可改变颜色。
可适用于被支撑在过滤器支撑体上的含金属吸附剂粒子、制备此类材料的方法、以及使用此类材料捕集碱性含氮化合物的方法详细描述于标题为METAL-CONTAININGSORBENTS FOR NITROGEN-CONTAINING COMPOUNDS的美国临时专利申请62/269647中，其全文以引用方式并入本文。在一些实施方案中，如本文所公开的过滤器支撑体上支撑的吸附剂粒子可包含粘结剂。此类方法和排布结构详细描述于美国临时专利申请62/421584，代理人案卷号78875US002，并且标题为Composite Granules Including Metal-ContainingPolymeric Materials，该文献全文以引用方式并入本文。
示例性实施方案列表
实施方案1为一种空气过滤器，所述空气过滤器包括支持含金属吸附剂粒子的过滤器支撑体，其中所述吸附剂粒子中的至少一些包含：a)包含混合物的反应产物的前体，所述混合物包含1)具有中孔的多孔硅质材料；和2)每克多孔硅质材料0.1毫摩尔至4.5毫摩尔范围内的量的表面处理剂，所述表面处理剂包含：(a)式(I)的硅烷：R1-Si(R2)3-x(R3)x(I)，其中R1为烃或氟化烃基团；R2为可水解基团；R3为不可水解基团；x为等于0、1或2的整数；或(b)式(II)的二硅氮烷：(R4)3-Si-NH-Si(R4)3(II)，其中每个R4为烃基团；或(c)式(I)的硅烷和式(II)的二硅氮烷的混合物；和b)以基于吸附剂粒子的总重量计等于至少1重量％的量掺入前体中的二价金属。
实施方案2为根据实施方案1所述的空气过滤器，其中过滤器支撑体包括具有至少一个主表面的基底，该至少一个主表面之上设置有吸附剂粒子中的至少一些。实施方案3为根据实施方案2所述的空气过滤器，其中吸附剂粒子基本上以单层存在于基底的主表面上。实施方案4为根据实施方案1所述的空气过滤器，其中过滤器支撑体包括具有设置在其主表面上的吸附剂粒子的多孔透气材料，和/或具有设置在材料内部的至少在邻近材料的主表面的位置中的吸附剂粒子的多孔透气材料。实施方案5为根据实施方案4所述的空气过滤器，其中吸附剂粒子设置在多孔透气材料的整个内部。实施方案6为根据实施方案1-5中任一项所述的空气过滤器，其中所述空气过滤器基本上由过滤器支撑体组成。
实施方案7为根据实施方案1-6中任一项所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体包括片状材料，该片状材料表现出主平面并且表现出小于约3mm的厚度并且被构造成允许气流至少在大致垂直于片状材料的主平面的方向上流过过滤器支撑体。
实施方案8为根据实施方案1-4和6-7中任一项所述的空气过滤器，其中过滤器支撑体包括具有主表面的结网，吸附剂粒子以粘合方式附接到该表面上。
实施方案9为根据实施方案1-7中任一项所述的空气过滤器，其中过滤器支撑体包括表现出内部的纤维幅材，并且其中吸附剂粒子设置在幅材的内部的至少部分内。实施方案10为根据实施方案9所述的空气过滤器，其中吸附剂粒子设置在纤维幅材的整个内部。实施方案11为根据实施方案9所述的空气过滤器，其中所述幅材为非织造纤维幅材。实施方案12为根据实施方案11所述的空气过滤器，其中所述非织造纤维幅材为熔喷纤维网。实施方案13为根据实施方案9-12中任一项所述的空气过滤器，其中纤维幅材的至少一些纤维各自粘结到吸附剂粒子中的至少一个。
实施方案14为根据实施方案1-5和7-13中任一项所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体为多层的透气组件的一层。实施方案15为根据实施方案14所述的空气过滤器，其中该多层透气组件包括这样的至少一层，该至少一层与该过滤器支撑体不是同一层且其为表现出小于50的渗透百分比的颗粒过滤层。实施方案16为根据实施方案15所述的空气过滤器，其中该颗粒过滤层包括驻极体部分。
实施方案17为根据实施方案1-14中任一项所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体为表现出小于50的渗透百分比的过滤介质。
实施方案18为根据实施方案1-17中任一项所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体为折叠的。
实施方案19为根据实施方案1-18中任一项所述的空气过滤器，其中所述空气过滤器为被构造成用于插入空气处理设备的空气过滤器接收器中的框架式空气过滤器，该空气处理设备选自由强制空气加热单元、强制空气冷却单元、强制空气加热/冷却单元、室内空气净化器和用于机动车辆的舱室空气过滤单元组成的组中。
实施方案20为根据实施方案1、6、14-16和19中任一项所述的空气过滤器，其中过滤器支撑体包括具有通孔的蜂窝结构，在该通孔内设置有吸附剂粒子。
实施方案21为根据实施方案1-5、以及7-18中任一项所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体设置有过滤式面罩呼吸器的层。实施方案22为根据实施方案21所述的空气过滤器，其中该过滤式面罩呼吸器选自由平折式呼吸器和模制呼吸器组成的组中。
实施方案23为根据实施方案1和6中任一项所述的空气过滤器，其中过滤器支撑体包括容器，该容器具有其内设置有吸附剂粒子的内部且具有至少一个空气入口和至少一个空气出口。实施方案24为根据实施方案23所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体包括过滤器滤筒。实施方案25为根据实施方案24所述的空气过滤器，其中所述过滤器滤筒被构造成与个人保护装置一起使用，该个人保护装置选自由半面负压呼吸器、全面负压呼吸器、逃生罩和动力空气净化呼吸器组成的组中。
实施方案26为一种从空气中捕集至少一些分子量不大于150克/摩尔的碱性含氮化合物的方法，所述方法包括：放置根据实施方案1-25中任一项所述的空气过滤器使得所述吸附剂粒子暴露于空气；以及将碱性含氮化合物中的至少一些吸附到所述吸附剂粒子上。
实施方案27为根据实施方案26所述的方法，其中所述过滤器支撑体表现出主表面，并且其中空气以气流的形式存在，该气流在与过滤器支撑体的主表面的平面至少大体对齐的方向上移动。
实施方案28为根据实施方案26所述的方法，其中所述过滤器支撑体允许气流穿过其中，并且其中空气以气流的形式存在，该气流在至少大致垂直于过滤器支撑体的主表面的方向上穿过至少一部分过滤器支撑体。
实施方案29为一种制备空气过滤器的方法，所述空气过滤器包括包含含金属吸附剂粒子的过滤器支撑体，该方法包括：a)提供具有中孔的多孔硅质材料；b)用表面处理剂处理多孔硅质材料以形成前体，其中处理包括每克多孔硅质材料添加0.1毫摩尔至4.5毫摩尔的表面处理剂，所述表面处理剂包含：1)式(I)的硅烷：R1-Si(R2)3-x(R3)x(I)，其中R1为烃或氟化烃基团；R2为可水解基团；R3为不可水解基团；x为等于0、1或2的整数；或2)式(II)的二硅氮烷：(R4)3-Si-NH-Si(R4)3(II)，其中每个R4为烃基团；或3)式(I)的硅烷和式(II)的二硅氮烷的混合物；以及c)将二价金属掺入所述前体中以形成含金属吸附剂粒子，其中以基于所述吸附剂粒子的总重量计等于至少1重量％的量掺入所述二价金属；以及d)在过滤器支撑体上支撑含金属吸附剂粒子。
实施例
材料列表
Figure BDA0002316599620000341
规程
分析和表征工序
使用Quantachrome Autosorb iQ自动表面积和孔尺寸分析仪，使用超高纯度氮的吸附剂执行孔隙率和气体吸附实验。将软件ASiQWin用于数据采集和分析。遵循以下方法来表征举例说明的材料内的孔隙率和表面积。在样品管中，在室温下在超高真空<7毫托下使150-300毫克的材料脱气以去除残余的溶剂和其它吸附剂，并且执行泄漏测试以确保泄漏速率低于2毫托/分钟。在室温下对材料进行脱气规程超过24小时。用编程的公差和平衡设定获得在77K下的氮吸附等温线，使用0.001至0.995的p/p°范围内的相对压力(p/p°)用于吸附以及0.995回到至0.05范围内的相对压力用于解吸。在环境温度和在77k两者下，将氦用于空隙体积的测量。通过多点布鲁诺-埃米特-特勒(Brunauer-Emmett-Teller,BET)分析由氮吸附数据计算BET比表面积(SABET)。平均孔尺寸和总孔体积(孔尺寸通常至多大约200-300nm)通过等温线中p/p°等于大约0.995处的上一个吸附点来计算。将密度函数理论(DFT)用于孔尺寸分布分析。
氨存在期滤筒测试
使用简单的定制构建的流通递送体系将已知浓度的氨递送至样品进行测量。在整个递送系统中使用不锈钢和聚(氯乙烯)(PVC)管。将氨从无水氨加压气缸(美国明尼苏达州圣保罗的氧气服务公司(Oxygen Service Company,St.Paul,MN,USA))递送至系统。将氨流用压缩空气稀释，以在32L/min(LPM)的流速下递送1080ppm的氨流至测试室。使用0-300LPMTSI流量计(明尼苏达州肖维TSI公司(TSI，Shoreview，MN))设定空气流速。通过一系列滴定确定氨浓度。将1LPM的作用气体流拉入15mL的冲击机中，并鼓泡通过按重量计4％的硼酸水溶液。约15分钟后，将内容物倾注到烧杯中，并且加入几滴溴甲酚绿。将0.10M的盐酸(HCl)计量加入混合物中，直到混合物从蓝色变至黄色。使用比例积分导数(PID)控制器将氨测试的相对湿度(RH)保持在恒定50％RH处，该比例积分导数(PID)控制器检测到系统的％RH并且如果其落在所需％RH的0.2％之外则加热水浴以升高湿度。用Vaisala HMM1014A1AE湿度探头(芬兰万塔维萨拉(Vaisala，Vanta，Finland))校准PID传感器。
将滤筒放置成与允许1080ppm氨/50％RH气体流的系统保持在测试室中，以流过滤筒。将管材连接到测试室的下游侧，该管材通向光声气体检测器创新1412(Innova 1412)(加州橙县加利福尼亚分析公司(California Analytical,Orange,CA))。当氨气流开始经过滤筒时，将此时视为测试开始的时间，启动计时器。创新(Innova)光声气体检测器大约每50秒取样一次，并且取样间隙吹扫所述系统。
在测试之前，使用在氮气加压的气体钢筒(美国明尼苏达州圣保罗的氧气服务公司(Oxygen Services Company,St.Paul,MN,USA))中的经认证的57ppm氨来校准光声气体检测器。用该流出物生成的信号将软件设定为50ppm氨。氨蒸气测试的终点被定义为经过测试材料的料层的氨流出物在光声气体检测器上产生的信号超过对应于50ppm的信号的时间所对应的点。每个滤筒的性能报告为进行如上所述测试直至观察到50ppm突破的分钟数。
氨存在期一次性呼吸器测试
使用简单的定制构建的流通递送体系将已知浓度的氨递送至一次性呼吸器进行测量。在整个递送体系使用不锈钢管和聚氯乙烯(PVC)管。将氨从无水氨加压气缸(美国明尼苏达州圣保罗的氧气服务公司(Oxygen Service Company,St.Paul,MN,USA))递送至系统。将氨流用压缩空气稀释，以在30L/min(LPM)的流速下递送55ppm的氨流至测试室。使用0-300LPM TSI流量计(明尼苏达州肖维TSI公司(TSI，Shoreview，MN))设定空气流速。使用PID控制器将测试的RH维持在恒定的50％RH下。用Vaisala HMM1014A1AE湿度探头(芬兰万塔维萨拉(Vaisala，Vanta，Finland))校准PID传感器。使用光声气体检测器创新1412(Innova 1412)(加州橙县加利福尼亚分析公司(California Analytical,Orange,CA))测定氨浓度。
将呼吸器放置成与允许55ppm氨气体流的系统保持在测试室中，以流过测试材料。将管材连接到测试室的下游侧，该管材通向光声气体检测器。氨气流开始经过一次性呼吸器时，将此时视为测试开始的时间，启动计时器。创新(Innova)光声气体检测器大约每50秒取样一次，并且取样间隙吹扫所述系统。
在测试之前，使用在氮气加压的气体钢筒(美国明尼苏达州圣保罗的氧气服务公司(Oxygen Services Company,St.Paul,MN,USA))中的经认证的57ppm氨来校准光声气体检测器。用该流出物生成的信号将软件设定为50ppm氨。氨蒸气测试的终点被定义为经过测试材料的料层的氨流出物在光声气体检测器上产生的信号超过对应于5ppm的信号的时间所对应的点。各一次性呼吸器的性能报告为在观察到5ppm突破之前执行上述测试的分钟数。
代表性实施例
以与美国临时专利申请62/269647的比较例1(CE1)中所述大致类似的方式制备一批多孔二氧化硅。多孔二氧化硅具有大约970m2/克范围内的SABET、大约4.1nm范围内的平均孔尺寸、以及大约0.99cm3/克范围内(在p/p°等于0.995处测量)的总孔体积。将多孔二氧化硅筛分至12×60目颗粒。制备多孔二氧化硅的水性悬浮液并用异辛基三甲氧基硅烷(IOS)的乙醇溶液处理，随后以与上文参考的US’647申请的实施例2中所述大致类似的方式加入ZnCl2。将含金属(在该实例中为ZnCl2-浸渍的)二氧化硅筛分至20×40目。
过滤器滤筒可购自明尼苏达州圣保罗的3M公司(3M Company,St.Paul，MN)，其类型可用于3M半面罩可重复使用呼吸器6000系列(3M HALF FACEPIECE REUSABLERESPIRATOR 6000SERIES)。所获得的滤筒是空的，并且包含大约105mL的空的内部体积。分别用以商品名GA1得自Jacobi Carbons,Inc.(Columbus,Ohio)的活性炭的12×30目粒子和上述ZnCl2-浸渍的多孔二氧化硅的20×40目粒子的65mL/40mL混合的混合物填充所述滤筒。该活性碳被供应商表示为可用于捕获有机蒸气，并且未被供应商描述为具有捕获挥发性胺诸如氨的任何显著能力。按质量计，该滤筒含有30.8g的GA1碳和31.6g的ZnCl2-浸渍的多孔二氧化硅。使用振动进料机和100mL带刻度的量筒完成每种吸附剂的体积测量。将振动进料机设定成使得填充速率进入圆筒为大约1mL/秒。当圆筒填充以包含所需体积的吸附剂粒子时，停止进料机。对于该滤筒的共混机(共混合成)构型，在加载滤筒之前将每种吸附剂的体积混合在一起。然后将吸附剂的混合物通过定制的风暴填充管进料到滤筒中。然后用超音波焊接将滤筒的封盖放置到位。该滤筒用于如上所述在50％RH和32LPM下执行氨寿命滤筒测试以确定滤筒的寿命。滤筒的寿命确定为大约70.2分钟。
比较例(1)
获得活性炭并用ZnCl2以与美国临时专利申请62/298089的比较例3中所述大致类似的方式浸渍。如代表性实施例中所述获得空的滤筒外壳，并用ZnCl2-浸渍的活性炭填充滤筒外壳的105mL内部体积以形成填充床。使用振动进料机和100mL带刻度的量筒完成吸附剂的体积测量。将振动进料机设定成使得填充速率进入圆筒为大约1mL/秒。当圆筒填充以包含所需体积的吸附剂粒子时，停止进料机。然后将吸附剂通过定制的风暴填充管进料到滤筒中。然后用超音波焊接将滤筒的封盖放置到位。按质量计，该滤筒含有61.9克ZnCl2-浸渍的活性炭。该滤筒用于如上所述在50％RH和32LPM下执行SO2寿命滤筒测试以确定滤筒的寿命。滤筒的寿命确定为大约79.5分钟。
本申请以引用方式并入了如本文先前所指出的美国临时专利申请62/269647。该申请含有其中制备各种含金属吸附剂粒子的工作实施例，以及它们相比于各种比较例的性能。尽管为简明起见在本申请中未复制那些工作实施例，但是如US'647申请中所述的那些工作实施例的性能将导致本领域普通技术人员期望：如果以本申请中公开的方式将这些吸附剂设置在合适的过滤器支撑体上，这些工作实施例吸附剂所显示的性能(尤其是增强的吸附碱性含氮化合物诸如氨的能力)将会类似地表现出来。
一些工作实施例包括通过各种制剂和构型实现的以“氨存在期”表示的结果。应当理解，使用诸如“氨存在期”之类的参数纯粹是为了方便表征增强的吸附碱性含氮化合物的能力；此类参数的相对较低的值并不一定意味着特定制剂或构型不能表现出令人满意的过滤性能(例如，以通过任何适用的政府标准而言)。还应当理解，实现相对长的氨存在期可表明，对于特定制剂或构型，可减少吸附剂的使用量和/或减少浸渍其中的金属的使用量，同时仍符合所有适用的性能标准。
提供上述实施例只是为了清楚地理解本发明，而不应被理解为不必要的限制。在实施例中所描述的测试和测试结果旨在为例示性而非预测性的，且测试过程的变化可预计得到不同的结果。实施例中所有定量值均应理解为根据所使用过程中所涉及的通常所知公差的近似值。
对于本领域的技术人员将显而易见的是，本文所公开的具体示例性元件、结构、特征、细节、配置等在许多实施方案中可修改和/或组合。本发明人预期所有此类变型和组合均在所构思发明的范围内，而不仅仅是被选择充当示例性图示的那些代表性设计。因此，本发明的范围不应限于本文所述的特定说明性结构，而应至少扩展到由权利要求的语言所描述的结构和这些结构的等同形式。本说明书中正面引用的作为替代方案的任何元件可根据需要以任何组合明确地包括于权利要求书中或从权利要求书排除。以开放式语言(例如，包括和由其衍生)引用到本说明书中的任何元件或元件的组合被认为是以封闭式语言(例如，由……组成和由其衍生)并且以部分封闭式语言(例如，基本上由……组成和由其衍生)另外地引用。虽然本文可能已经讨论了各种理论和可能的机理，但在任何情况下都不应将此类讨论用于限制可受权利要求书保护的主题。如果在所写的本说明书和以引用方式并入本文的任何文献中的公开内容之间存在任何冲突或矛盾，则将以所写的本说明书为准。

Claims (29)

1.一种空气过滤器，所述空气过滤器包括支撑含金属吸附剂粒子的过滤器支撑体，其中所述吸附剂粒子中的至少一些包含：
a)包含混合物的反应产物的前体，所述混合物包含
1)具有中孔的多孔硅质材料；以及
2)每克所述多孔硅质材料0.1毫摩尔至4.5毫摩尔范围内的量的表面处理剂，所述表面处理剂包含
(a)式(I)的硅烷
R1-Si(R2)3-x(R3)x
(I)
其中
R1为烃或氟化烃基团；
R2为可水解基团；
R3为不可水解基团；
x为等于0、1或2的整数；或
(b)式(II)的二硅氮烷
(R4)3-Si-NH-Si(R4)3
(II)
其中每个R4为烃基团；或
(c)所述式(I)的硅烷和所述式(II)的二硅氮烷的混合物；以及
b)以基于所述吸附剂粒子的总重量计等于至少1重量％的量掺入所述前体中的二价金属。
2.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体包括具有至少一个主表面的基底，所述至少一个主表面之上设置有吸附剂粒子中的至少一些。
3.根据权利要求2所述的空气过滤器，其中所述吸附剂粒子基本上以单层存在于所述基底的所述主表面上。
4.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体包括具有设置在其主表面上的所述吸附剂粒子的多孔透气材料，和/或具有设置在所述材料内部的至少在邻近所述材料的所述主表面的位置中的所述吸附剂粒子的多孔透气材料。
5.根据权利要求4所述的空气过滤器，其中所述吸附剂粒子设置在所述多孔透气材料的整个内部。
6.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述空气过滤器基本上由所述过滤器支撑体组成。
7.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体包括片状材料，所述片状材料表现出主平面并且表现出小于约3mm的厚度并且被构造成允许气流至少在大致垂直于所述片状材料的主平面的方向上流过所述过滤器支撑体。
8.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体包括具有主表面的结网，所述吸附剂粒子以粘合方式附接到所述主表面上。
9.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体包括表现出内部的纤维幅材，并且其中所述吸附剂粒子设置在所述幅材的所述内部的至少部分内。
10.根据权利要求9所述的空气过滤器，其中所述吸附剂粒子设置在所述纤维幅材的整个内部。
11.根据权利要求9所述的空气过滤器，其中所述幅材为非织造纤维幅材。
12.根据权利要求11所述的空气过滤器，其中所述非织造纤维幅材为熔喷幅材。
13.根据权利要求9所述的空气过滤器，其中所述纤维幅材的至少一些纤维各自粘结到所述吸附剂粒子中的至少一个。
14.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体为多层的透气组件的一层。
15.根据权利要求14所述的空气过滤器，其中所述多层透气组件包括这样的至少一层，所述至少一层与所述过滤器支撑体不是同一层且其为表现出小于50的渗透百分比的粒子过滤层。
16.根据权利要求15所述的空气过滤器，其中所述粒子过滤层包含驻极体部分。
17.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体为表现出小于50的渗透百分比的过滤介质。
18.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体为折叠的。
19.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述空气过滤器为被构造成被插入空气处理设备的空气过滤器接收器中的框架式空气过滤器，所述空气处理设备选自由强制空气加热单元、强制空气冷却单元、强制空气加热/冷却单元、室内空气净化器和用于机动车辆的舱室空气过滤单元组成的组中。
20.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体包括具有通孔的蜂窝结构，在所述通孔内设置有所述吸附剂粒子。
21.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体提供过滤式面罩呼吸器的层。
22.根据权利要求21所述的空气过滤器，其中所述过滤式面罩呼吸器选自由平折呼吸器和模制呼吸器组成的组中。
23.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体包括具有其内设置有所述吸附剂粒子的内部且具有至少一个空气入口和至少一个空气出口的容器。
24.根据权利要求23所述的空气过滤器，其中所述过滤器支撑体包括过滤器滤筒。
25.根据权利要求24所述的空气过滤器，其中所述过滤器滤筒被构造成与个人保护装置一起使用，所述个人保护装置选自由半面负压呼吸器、全面负压呼吸器、逃生罩和动力空气净化呼吸器组成的组中。
26.一种从空气中捕集具有不大于150克/摩尔分子量的碱性含氮化合物中的至少一些的方法，所述方法包括：
放置根据权利要求1所述的空气过滤器，使得所述吸附剂粒子暴露于所述空气；以及，
将所述碱性含氮化合物中的至少一些吸附到所述吸附剂粒子上。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述过滤器支撑体表现出主表面，并且其中所述空气以气流的形式存在，所述气流在与所述过滤器支撑体的所述主表面的平面至少大致对齐的方向上移动。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所述过滤器支撑体允许气流穿过其中，并且其中所述空气以气流的形式存在，所述气流在至少大致垂直于所述过滤器支撑体的主表面的方向上穿过所述过滤器支撑体的至少一部分。
29.一种制备空气过滤器的方法，所述空气过滤器包括包含含金属吸附剂粒子的过滤器支撑体，所述方法包括：
a)提供具有中孔的多孔硅质材料；
b)用表面处理剂处理所述多孔硅质材料以形成前体，其中处理包括每克所述多孔硅质材料添加0.1毫摩尔至4.5毫摩尔的所述表面处理剂，所述表面处理剂包含
1)式(I)的硅烷
R1-Si(R2)3-x(R3)x
(I)
其中
R1为烃或氟化烃基团；
R2为可水解基团；
R3为不可水解基团；
x为等于0、1或2的整数；或
2)式(II)的二硅氮烷
(R4)3-Si-NH-Si(R4)3
(II)
其中每个R4为烃基团；或
3)所述式(I)的硅烷和所述式(II)的二硅氮烷的混合物；
以及
c)将二价金属掺入所述前体中以形成所述含金属吸附剂粒子，其中以基于所述吸附剂粒子的总重量计等于至少1重量％的量掺入所述二价金属；
以及，
d)在过滤器支撑体上支撑所述含金属吸附剂粒子。
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