CN113423485A - 用于沉积氮氧化物的过滤介质 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了过滤介质（10，其包括至少三层：包含未浸渍的活性炭的层(A)、包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料的层(B)和包含碱性浸渍的活性炭的层(C)，其中层(B)和(C)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(C)之前流过层(B)，并且层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)或在层(C)之后流过层(A)。此外，本发明公开了包含所述过滤介质的过滤介质体；包含所述过滤介质体或过滤介质的过滤元件；包含所述过滤元件或过滤介质体或过滤介质的空气过滤器；用于制造所述过滤介质的方法以及所述过滤介质、过滤介质体或过滤元件的用途。

Description

用于沉积氮氧化物的过滤介质
本发明的技术领域
本发明涉及一种用于从气体混合物例如环境空气中沉积出氮氧化物的过滤介质。具体地，本发明涉及一种用于从气体混合物例如环境空气中沉积出氮氧化物的过滤介质，其中所述过滤介质包括含有不同吸附剂的三层。
背景技术
在世界范围内，在许多人口稠密地区中存在环境空气由于工业废气、道路交通和私人壁炉，尤其在不利的天气条件下（很少或没有降水、逆温、低风速、高度层之间没有空气交换），可能数倍超过精细灰尘和/或有害气体如臭氧、NOx、CO的限值的问题。导致有害物质浓度降低的措施可以是避免或减少排放这些有害物质和/或从环境空气中沉积出这些有害物质。避免或减少排放通常需要一个大规模实施的措施理念，因此短期内几乎不可实现。在日常生活的起居室和公共休息室中，尤其是甚至在严重负荷有有害物质的环境中，从环境空气中沉积出这些有害物质可以根据个别需求通过使用合适的过滤体系来实现。例如，在人口稠密空间中不可避免地在严重负荷有有害物质的环境中移动的汽车的内部空间中的环境空气中的有害物质浓度可以通过合适的过滤器来降低，其中精细灰尘和氮氧化物的分离是特别令人感兴趣的。
WO 17/216611 A1描述了一种通过沉积出固体悬浮物质如灰尘、砂、花粉、空气动力学直径小于10 μm或小于2.5 μm的颗粒如元素碳和有机碳以及气体如烃、一氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和氨来净化环境空气的装置。
DE 10 2018 114 351 A1描述了一种过滤介质，其包括至少一个具有催化性的活性碳的催化活性层、具有浸渍或催化性的活性碳颗粒的第二活性层、具有浸渍或催化性的活性碳颗粒的第三活性层，其中至少一个活性层具有浸渍的活性炭颗粒并且这三层彼此不同。过滤介质吸附正丁烷、挥发性有机碳化合物、SO2、H2S、NH3和甲醛。
特别地，如果气体混合物的不希望的成分是只能以很小程度以物理吸附方式沉积出的分子，那么高效分离通常需要在过滤介质中通过化学吸附来截留这些不希望的分子成分。为此需要合适的化学吸附剂。
尽管在现有技术中进行了研究工作，但仍然存在对提供过滤介质的持续需求，所述过滤介质适合于从气体混合物，特别是环境空气中部分地或完全地分离出不希望的成分，特别是氮氧化物。一方面，该过滤介质应使待清洁气流中的压力损失尽可能低。为此通常需要过滤介质以高效的方式，至少部分地、但优选尽可能全面地从气流中除去气体混合物的不希望的成分，以便可以以小的层厚度使用过滤介质。
另一方面，应在过滤介质中使用成本有利且易于使用的试剂。
本发明提供了对这个问题的解决方案。
发明简述
根据本发明的第一方面，提供了一种过滤介质，其包括层(A)至(C)，其中
层(A)包含未浸渍的活性炭，
层(B)包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料，和
层(C)包含碱性浸渍的活性炭，
其中
层(B)和(C)被布置成使得流过该过滤介质的气体在层(C)之前流过层(B)，和
层(A)被布置成使得流过该过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)或在层(C)之后流过层(A)。
在上游提供的在层A中的未浸渍的活性炭的优点在于 VOC 吸附（脂族烃、芳烃、醛等）。根据本发明的过滤介质由此具有特别有利的NOx吸附性能，但在使用场合（例如交通工具用内部空间过滤器或环境空气过滤装置）中的环境空气也被烃污染。上游的未浸渍的活性炭因此确保了 VOC吸附，并防止了在流动方向上的下游的层B和 C中 VOC 和氮氧化物的共吸附，因此这两层可以特别地起到 NOx选择作用。
根据本发明的另一方面提供了一种用于制造根据本发明的第一方面的过滤介质的方法，
如果层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)，则所述方法包括以下步骤：
(i) 施加包含活性炭的层(A)；
(ii) 施加包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料的层 (B)；
(iii) 施加包含碱性浸渍的活性炭的层(C)；
或者如果层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(C)之后流过层(A)，则包括以下步骤：
(i) 施加包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料的层 (B)；
(ii) 施加包含碱性浸渍的活性炭的层(C)，
(iii) 施加包含活性炭的层(A)；
从而
层(B)和(C)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(C)之前流过层(B)，
层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)或在层(C)之后流过层(A)。
在此，本发明包括以下实施方式。
(1) 过滤介质包括三层(A)至(C)，其中
层(A)包含活性炭，
层(B)包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料，和
层(C)包含碱性浸渍的活性炭，
其中
层(B)和(C)被布置成使得流过该过滤介质的气体在层(C)之前流过层(B)，和
层(A)被布置成使得流过该过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)或在层(C)之后流过层(A)。
(2) 根据实施方式(1)的过滤介质，其中层(A)至(C)中的每一层具有不同的组成。
(3) 根据实施方式(1)或实施方式(2)的过滤介质，其中层(A)至(C)中的一层、二层或每一层包含用于稳定层的手段。
(4) 根据实施方式(3)的过滤介质，其中层(A)至(C)中的两层或更多层包含用于稳定层的手段并且在该两层或更多层中存在相同的用于稳定层的手段或不同的用于稳定层的手段。
(5) 根据实施方式(3)或实施方式(4)的过滤介质，其中所述用于稳定层的手段选自粘合剂、载体层片及其组合。
(6) 根据实施方式(5)的过滤介质，其中所述用于稳定层的手段是载体层片。
(7) 根据实施方式(6)的过滤介质，其中所述载体层片是纺织载体层片。
(8) 根据实施方式(7)的过滤介质，其中所述载体层片是无纺织物。
(9) 根据实施方式(8)的过滤介质，其中所述无纺织物由聚合物纤维构成，其中所述聚合物选自聚氨酯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯及其组合。
(10) 根据实施方式(1)-(9)之一的过滤介质，其中层(A)至(C)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)并在层(C)之前流过层(B)。
(11) 根据实施方式(1)-(9)之一的过滤介质，其中层(A)至(C)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(C)之前流过层(B)并在层(A)之前流过层(C)。
(12) 根据实施方式(1)-(11)之一的过滤介质，其中
层(A)包含活性炭，但不包含用高锰酸盐浸渍的载体材料，并且不包含碱性浸渍的活性炭；
层(B)包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料，但不包含未浸渍的活性炭并且不包含碱性浸渍的活性炭；
层(C)包含碱性浸渍的活性炭，但不包含用高锰酸盐浸渍的载体材料，也不包含未浸渍的活性炭。
(13) 根据实施方式(1)-(12)之一的过滤介质，其中
层(A)由未浸渍的活性炭和用于稳定层的手段组成；
层(B)由固体载体材料和用于稳定层的手段组成，其是用高锰酸盐浸渍的；
层(C)由碱性浸渍的活性炭和用于稳定层的手段组成。
(14) 根据实施方式(1)-(13)之一的过滤介质，其中层(A)的单位面积重量为50至600 g/m2。
(15) 根据实施方式(14)的过滤介质，其中层(A)的单位面积重量为100至500 g/m2，优选150至400 g/m2，更优选200至300 g/m2。
(16) 根据实施方式(1)-(15)之一的过滤介质，其中层(A)中的活性炭的粒度为10至80目。
(17) 根据实施方式(16)的过滤介质，其中层(A)中的活性炭的粒度为30至60目。
(18) 根据实施方式(1)-(17)之一的过滤介质，其中层(A)中的活性炭的BET表面积为300-1500 m2/g，特别是500-1500 m2/g。
(19) 根据实施方式(1)-(18)之一的过滤介质，其中层(B)的固体载体材料选自氧化铝(Al2O3)、硅胶(SiO2)、氧化锆(ZrO2) 、氧化钛 (TiO2)、沸石、高岭土、粘土、铝土矿及其组合。
(20) 根据实施方式(19)的过滤介质，其中层(B)的用高锰酸盐浸渍的固体载体材料是Al2O3。
(21) 根据实施方式(1)-(20)之一的过滤介质，其中层(B)的固体载体材料的粒度为100至5000μm。
(22) 根据实施方式(21)的过滤介质，其中层(B)的固体载体材料的粒度为200至3000μm，优选230-2000 μm，更优选250-1000 μm，特别优选300-800 μm，最优选350-600 μm。
(23) 根据实施方式(1)-(22)之一的过滤介质，其中层(B)的固体载体材料所浸渍的高锰酸盐选自高锰酸钠 (NaMnO4)、高锰酸钾 (KMnO4)、高锰酸镁(Mg(MnO4)2)、高锰酸钙(CaMnO4)、高锰酸钡 (BaMnO4)、高锰酸锂 (LiMnO4)及其组合。
(24) 根据实施方式(23)的过滤介质，其中层(B)的固体载体材料所浸渍的高锰酸盐选自高锰酸钠(NaMnO4)、高锰酸钾(KMnO4)及其组合。
(25) 根据实施方式(1)-(24)之一的过滤介质，其中层(B)的固体载体材料具有1-30重量％的浸渍度。
(26) 根据实施方式(25)的过滤介质，其中层(B)的固体载体材料具有2至20重量％，优选3至15重量％，特别优选4至12重量％的浸渍度。
(27) 根据实施方式(1)-(26)之一的过滤介质，其中层(B)的固体载体材料具有50至600 g/m2 的单位面积重量。
(28) 根据实施方式(27)的过滤介质，其中层(B)的固体载体材料具有100至500g/m2，优选150至400 g/m2，更优选200至 300 g/m2的单位面积重量。
(29) 根据实施方式(1)-(28)之一的过滤介质，其中用以浸渍层(C)的活性炭的碱是金属盐，其包含选自氢氧根、碳酸根及其组合的阴离子作为阴离子。
(30) 根据实施方式(29)的过滤介质，其中用以浸渍层(C)的活性炭的碱选自氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸钠(Na2CO3) 及其组合。
(31) 根据实施方式(29)或(30)之一的过滤介质，其中用以浸渍层(C)的活性炭的碱选自氢氧化钾(KOH)、碳酸钾(K2CO3)及其组合。
(32) 根据实施方式(1)-(31)之一的过滤介质，其中层(C)的碱性浸渍的活性炭具有1至30重量％的浸渍度。
(33) 根据实施方式(32)的过滤介质，其中层(C)的碱性浸渍的活性炭具有5至20重量％，优选10至15重量％的浸渍度。
(34) 根据实施方式(1)-(33)之一的过滤介质，其中层(C)具有50-600 g/m2的单位面积重量。
(35) 根据实施方式(34)的过滤介质，其中层(C)具有100至500 g/m2，优选150至400 g/m2，更优选200至300 g/m2的单位面积重量。
(36) 根据实施方式(1)-(35)之一的过滤介质，其中层(C)的碱性浸渍的活性炭的粒度为10至80目。
(37) 根据实施方式(35)的过滤介质，其中层(C)的碱性浸渍的活性炭的粒度为30至60目。
(38) 根据实施方式(1)-(37)之一的过滤介质，其中层(C)中的碱性浸渍的活性炭的BET表面积为300-1500 m2/g，特别是500- 1500 m2/g。
(39) 根据实施方式(1)-(38)之一的过滤介质，其中所述过滤介质包括另外的层(D)，其中所述层(D)选自
(i) 包含酸浸渍的活性炭的层，
(ii)包含碘化钾浸渍的活性炭的层，和
(iii)包含由天然纤维、合成聚合物纤维或其组合组成的纺织平面材料的层，和
(iv)由层 (i)、(ii) 或 (iii)中的两个或更多个组合而成的层。
(40) 根据实施方式(39)的过滤介质，其中层(D)被布置成使得流过过滤介质的气体流过作为过滤介质的第一层或作为最后一层的层(D)。
(41) 根据实施方式(39)或(40)的过滤介质，所述纺织平面材料是机织物、针织物、纬编织物或无纺织物。
(42) 根据实施方式(39)或(40)的过滤介质，其中层(D)包括包含酸浸渍的活性炭的层，其中所述酸选自磷酸(H3PO4)和/或硫酸(H2SO4)。
(43) 根据实施方式(1)-(42)之一的过滤介质，其中过滤介质的总厚度为6mm或更小，优选5mm或更小，更优选4mm或更小，最优选3.5mm或更小。
(44) 过滤介质体，包括根据实施方式(1)-(43)之一的过滤介质，以及至少一个侧带和/或至少一个头带。
(45) 过滤元件，包括 (i) 根据实施方式(44) 的过滤介质体或根据实施方式(1)- (43) 之一的过滤介质和 (ii) 框架、至少一个保持元件和/或至少一个密封件。
(46) 空气过滤器，包括壳体和根据实施方式(45)的过滤元件、根据实施方式(44)的过滤介质体或根据实施方式(1)-(43)之一的过滤介质。
(47) 用于制造根据实施方式(1)-(43)之一的包括三层(A)至(C)的过滤介质的方法，
如果层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)，其包括以下步骤：
(i) 施加包含活性炭的层(A)；
(ii) 施加包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料的层(B)；
(iii) 施加包含碱性浸渍的活性炭的层(C)；
或者如果层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(C)之后流过层(A)
包括以下步骤：
(i) 施加包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料的层 (B)；
(ii) 施加包含碱性浸渍的活性炭的层(C)，
(iii) 施加包含活性炭的层(A)；
从而
层(B)和(C)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(C)之前流过层(B)，
层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)或在层(C)之后流过层(A)。
(48) 制造根据实施方式(47)的过滤介质的方法，其中层(A)至(C)中的每一层具有不同的组成。
(49) 用于制造根据实施方式 (47) 或实施方式 (48) 的过滤介质的方法，其中将至少一层另外的层 (D) 施加到层 (A) 至 (C）的最先施加的层和/或最后施加的层上。
(50) 根据实施方式(1)-(43)之一的过滤介质、根据实施方式(44)的过滤介质体、根据实施方式(45)的过滤元件或根据实施方式(46)的空气过滤器在用于净化环境空气的装置中的用途。
(51) 根据实施方式(50)的用途，其中所述用于净化环境空气的装置布置在空调设备、通风设备、换气体系或燃料电池，特别是燃料电池空气过滤器，特别是燃料电池-阴极空气过滤器中。
附图
图1示出了根据本申请实施方式的过滤介质的极大简化的截面图。
发明详述
下面详细描述本发明。在本申请范围内，使用下面列出的术语用于描述本发明。这些术语是本领域技术人员已知的，并以下文中解释的含义来使用。
在本申请范围内，术语“氮氧化物”是指所有已知的氮的氧化物，特别是一氧化氮(NO) 和二氧化氮 (NO2)，但也包括一氧化二氮 (N2O)、三氧化二氮 (N2O3) 和四氧化二氮(N2O4)。这些氮的氧化物彼此处于动态平衡，即在存在这些氮氧化物之一的情况下，通常也形成所提及的其他氮氧化物，尽管该动态平衡通常明显位于二氧化氮 (NO2)一侧，因此其他氮氧化物在许多情况下仅以相对少的量存在。
在本申请范围内，术语“活性炭”，特别是关于未浸渍的活性炭，是指具有高度多孔的、开孔结构的碳。可以通过 BET 测量（即通过气体吸附测量）来确定的比表面积通常为300 m2/g或更大。活性炭通常以细粒形式存在，特别是为了提供较大的比表面积。活性炭可以由含碳原料通过焦化和随后或同时活化来制造。在此，“活化”是指用于增加孔隙率从而增加内表面的方法，其通常分为气体活化和化学活化。在气体活化的情况下，从已经焦化的材料出发并使其暴露于气流例如水蒸气、二氧化碳、空气或其混合物的氧化作用下。活化温度为大约 700-1000℃，其中碳在水气反应后部分燃烧，并因此形成多孔的高活性碳骨架。在化学活化的情况下，大都首先将未碳化的含碳材料与起脱水和氧化作用的化学品混合。然后加热该混合物至400-800℃。然后将活化剂（例如氯化锌、磷酸或硫酸）洗出并回收。活化通常可在旋转管反应器、多井反应器（Etagen- Schacht-reaktoren）、流化床煅烧炉、流化床反应器或沸腾床反应器中进行。
浸渍的活性炭的不同之处在于，在气体活化后，在单独的工艺步骤中将化学品（例如酸或碱液）施加到活性炭上。
在本申请范围内，将例如可以是浸渍的或未浸渍的载体的颗粒状固体的术语“粒度”理解为是指，可以由具有较大粒度分布的颗粒混合物中通过筛分而获得的颗粒级分。因此，作为“粒度”通常给出其上下限由在筛分时在其间收集所指颗粒级分的筛级联的筛网的筛孔大小定义的粒度范围。例如，粒度30-80 目是指在筛分时在每英寸 30 目（30 目）的筛下在每英寸 80 目（80 目）的筛上收集的颗粒级分。
在本申请范围内，术语“浸渍度”是指用浸渍剂（例如高锰酸盐或碱如NaOH）负载载体（例如活性炭或Al2O3）。浸渍度（以重量百分比、Gew.%给出）可根据下式
浸渍度 = m (浸渍剂)/（m (载体) + m (浸渍剂)）
作为重量百分比来计算，其中
m (浸渍剂) = 所用浸渍剂的质量，和
m (载体) = 所用载体材料的质量。
在本申请范围内，术语“化学吸附”被理解为是指分子、尤其是来自气体混合物的分子积聚在载体材料的表面上，形成化学键。取决于其化学性质，一个分子可以形成至少一种形式的化学键，例如离子键、共价键或氢键，优选共价键。
根据本发明的过滤介质包括至少三层，下面将对其进行详细描述。
层(A)
层(A)包含活性炭。在一个实施方式中，层(A)的单位面积重量为50至600 g/m2，特别是100至500 g/m2，优选150至400 g/m2，更优选200至300 g/m2。要使用的单位面积重量可以根据活性炭的所希望的吸附性能的强度（尤其取决于其粒度）来改变。
在另一个实施方式中，层(A)的粒度为10至80目，优选30至60目。活性炭的粒度可以通过合适地选择用于制造活性炭的起始材料和/或活化类型来控制，特别是通过研磨和筛分来调节。
在另一个实施方式中，层(A) 的BET表面积为500至1500 m2/g。可以通过合适地选择用于制造活性炭的起始材料和/或活化类型来控制活性炭的BET表面积。
可以改变层(A)中活性炭的单位面积重量、粒度和/或BET表面积，以调节层(A)的吸附能力。在层 (A) 中尽可能强地物理吸附流过的气体混合物中不希望的分子成分（特别是臭氧、挥发性有机碳化合物（例如 CO 或正丁烷）、SO2、H2S、NH3 或甲醛）。
层(B)
层(B)包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料。在一个实施方式中，层(B)的固体载体材料选自氧化铝 (Al2O3)、硅胶(SiO2)、氧化锆 (ZrO2)、氧化钛 (TiO2)、沸石、高岭土、粘土、铝土矿及其组合。在一个优选的实施方式中，层(B)的固体载体材料是氧化铝(Al2O3)。合适的固体载体材料的选择尤其可以取决于浸渍剂和浸渍度。
在另一个实施方式中，层(B)的固体载体材料的粒度为100至5000μm。在另一个实施方式中，载体材料的粒度为200-3000μm、优选300-2000μm、更优选250-1000μm、特别优选350-800μm、最优选350-600μm。
层(B)的固体载体材料的浸渍剂是选自下述的高锰酸盐：高锰酸钠(NaMnO4)、高锰酸钾(KMnO4)、高锰酸镁(Mg(MnO4)2)、高锰酸钙(CaMnO4)、高锰酸钡( BaMnO4) 高锰酸锂(LiMnO4) 及其组合，其中优选市售且更成本有利的化合物高锰酸钠 (NaMnO4) 和/或高锰酸钾 (KMnO4)。浸渍的固体载体材料是商购可得的。层(B)的固体载体材料在此可以根据需要用一种高锰酸盐或多种高锰酸盐浸渍。高锰酸盐在水中的溶解性越号，通常越优选作为层(B)中的浸渍剂。此外，优选使用可以实现尽可能高的浸渍度的高锰酸盐。例如，对于氧化铝(Al2O3)，优选高锰酸钾(KMnO4)，特别优选高锰酸钠(NaMnO4)。
US 2015/0314262 A1还描述了用高锰酸盐浸渍固体载体材料的各种方法。
固体载体材料具有1至30重量％，特别是2至20重量％，优选3至15重量％，特别优选4至12重量％的浸渍度。根据所用的固体载体材料选择合适的浸渍程度。
在一个实施方式中，层(B)的固体载体材料的单位面积重量为50至600 g/m2，特别是100至500 g/m2，优选150至400 g/m2，更优选200至300 g/m2。
空气中不希望的分子成分在层 (B) 上被氧化。特别地，例如，NO在层(B)上被氧化成NO2。由于非金属例如氮和硫的氧化物通常具有酸性性质并因此与碱性材料反应，因此通过层(B)上的氧化可以特别有利地在碱性浸渍的层(C)上进行化学吸附。层(B)的氧化能力例如可以通过单位面积重量和浸渍度来控制。
层(C)
层(C)包含碱性浸渍的活性炭。所述碱是含有选自氢氧根、碳酸根及其组合的阴离子作为阴离子的金属盐。在一个优选的实施方式中，碱选自氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)及其组合。在此特别优选的是市售且成本有利的碱氢氧化钾 (KOH) 和/或碳酸钾(K2CO3)。层(C)的活性炭在此可以根据需要用一种碱或多种碱浸渍。碱在水中的溶解性越好，它通常越优选作为层(C)中的浸渍剂。
所述活性炭具有1至30重量％，特别是5至20重量％，优选10至15重量％的浸渍度。
在一个实施方式中，层(C)的活性炭具有50至600 g/m2的单位面积重量，特别是100至500 g/m2，优选150至400 g/m2，更优选200 至 300 g/m2。要使用的单位面积重量可以根据浸渍的活性炭的所希望的吸附性能的强度（尤其取决于其浸渍度）而变化。
在另一个实施方式中，层(C)的粒度为10至80目，优选30至60目。活性炭的粒度可以通过合适地选择用于制造活性炭的起始材料和/或活化类型来控制，特别是可以通过研磨和筛分来调节。
在另一个实施方式中，层(C)具有500至1500 m2/g的BET表面积。活性炭的 BET 表面积可以通过合适地选择用于制造活性炭的起始材料和/或活化类型来控制。
此外，优选使用能够实现尽可能高的浸渍度的碱。此外，这可以通过活性炭具有尽可能高的比表面积，并用新鲜的碱溶液多次重复用于浸渍的方法(例如湿法或喷涂法)来实现。在湿法中，活性炭的浸渍可以在其活化期间（特别是在气体活化期间）与一定浓度的合适碱的水溶液混合，然后加热。在加热期间，将不希望的积聚的水分子从活性炭表面去除。与此相反，在喷涂法中，将一定浓度的合适碱的水溶液喷涂到活性炭上。
已经流过层(B)并具有酸性性质的气流中的不希望的分子成分沉积在层(C)上。特别地，NO2以及SO2和SO3在层(C)的浸渍碱分子的存在下被沉积。
因此希望活性炭的表面尽可能有效地被碱分子覆盖。通过高表面覆盖率，即高浸渍度，一方面能够提高化学吸附酸性有害气体分子的能力，并且此外能够最小化或者完全抑制该层中不希望的活性炭还原性质。因此，可以抑制有害气体的不希望的还原，应当利用所述有害气体的酸性性质用于被浸渍层(C)的活性炭的碱化学吸附。
用于稳定的手段：
用于稳定的手段用于稳定载体材料（浸渍的或未浸渍的活性炭；用高锰酸盐浸渍的固体载体材料）的平面布置以抵抗机械作用并固定载体材料。
在一个实施方式中，层(A)至(C)中的一层、两层或每一层包含用于稳定的手段。在另一个实施方式中，层(A)至(C)中的两层或更多层包含用于稳定的手段并且在所述两层或更多层中存在相同的用于稳定的手段或不同的用于稳定的手段。在一个优选的实施方式中，层(A)至(C)中的每一层包含用于稳定的手段。在一个实施方式中，所述用于稳定的手段选自粘合剂、载体层片及其组合。应选择用于稳定的手段的量和/或类型，从而基本上避免流过过滤介质的气体的压降。因此所述用于稳定的手段应该是空气可透过的手段。在一个优选的实施方式中，载体层片是纺织载体层片。在一个特别优选的实施方式中，所述纺织载体层片是无纺织物。在另一个优选的实施方式中，所述无纺织物由聚合物纤维组成。无纺织物的优选聚合物成分可选自聚氨酯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯及其组合。
可以根据要稳定的层 (A)、(B) 和/或 (C) 的情况，特别是取决于化学和物理参数如单位面积重量、粒度、BET 表面积、组成、浸渍或浸渍度，来选择合适的稳定手段。此外，合适的稳定手段的选择还可以取决于特定层上的载体材料（浸渍的或未浸渍的活性炭；用高锰酸盐浸渍的固体载体材料）的量。根据需要，单层足以稳定，或者可以组合一种或多种用于稳定的手段。
任选层(D)
根据又一实施方式，过滤介质至少还可以具有另一层，其包含酸浸渍的活性炭、碘化钾浸渍的活性炭、纺织平面材料或它们的组合。
另一层因此可以包含酸浸渍的活性炭，其中所述酸特别选自磷酸(H3PO4)、硫酸(H2SO4)及其组合。酸浸渍例如用于有针对性地去除碱性气体如氨或胺。
此外，另一层可包含碘化钾浸渍的活性炭，其适用于有针对性地去除有害气体如硫化氢(H2S)和硫醇。
另一层可以包括纺织平面材料，其由天然纤维、合成聚合物纤维或其组合构成。该层用于从流过的气体中去除颗粒。在此，所述纺织平面材料是机织物、针织物、纬编织物或无纺织物。
过滤介质
将层(B)和(C)如此布置在过滤介质中，使得流过过滤介质的气体在层(C)之前流过层(B)。通过这一特别的特征能够以最高效的方式从环境空气中去除有害气体。在此，有害气体（例如 NO）首先在层(B) 中被氧化（例如NO2），然后有效地沉积在层(C)的碱性浸渍的活性炭上。沉积优选通过化学吸附进行。实现了有针对性且有效地从空气中去除不希望的酸性气体（如氮氧化物）。
层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)或在层(C)之后流过层(A)。
在一个实施方式中，层(A)布置在过滤介质中的流出侧 (气体在层(B)和(C)之后流过层(A))。在这种布置的情况下，可以避免气流中不希望的和因此要分离的成分首先通过与层 (A) 的活性炭接触而减少，然后在通过层 (B) 时必须重新氧化，以能够在层(C)中被化学吸附。因此，可以更有效地利用层(B)的氧化能力并且可以增加层(B)的使用寿命。
在一个优选的实施方式中，层(A)布置在过滤介质中的流入侧(气体在层(B)和(C)之前流过层(A))。在这种布置的情况下，可以在气流到达层(B)和(C)之前至少部分地分离有害气体。因此，在这种情况下，层(B)和(C)的能力也可以有效地用于那些不能被层(A)吸附的有害气体，从而可以增加层(B)和(C)的使用寿命。
在另一个实施方式中，层(A)至(C)中的每一层具有不同的组成。通过此特征特别实现有针对性的反应连续性，由此逐层地将有害气体转化为有害气体中间体，并最终不可逆地沉积在层(C)上。因此，可以避免不希望的和适得其反的副反应。
在图1中示出了根据本发明的一个实施方式的过滤介质10，其特别用于空气过滤器，特别是内部空间过滤器或用于燃料电池，其中该过滤介质具有外层(A)12，其包含活性炭颗粒12a；第二中间层(B)14，其包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料的颗粒14a；以及第三外层16，其包含碱性浸渍的活性炭颗粒16a。如图1中示意性所示，过滤介质10的层(A)12的活性炭颗粒12a也可以通过添加用于稳定的手段18例如粘合剂来固定。粘合剂18可以有利地是基于聚氨酯的。层(A) 12的活性炭颗粒12a的单位面积重量可以为50至600 g/m2，特别是100至500 g/m2，优选150至400 g/m2，更优选200至300 g/m2。层(A)12能够有利地从环境空气中预先沉积出有害气体。然而，在层 (A) 中可以将NO2 还原为 NO。
如图1中示意性所示，过滤介质10的第二中间层(B)14的用高锰酸盐浸渍的固体载体材料的颗粒14a也可以通过添加用于稳定的手段18例如粘合剂来固定。粘合剂18例如可以是基于聚氨酯的。中间层(B)14具有高锰酸盐浸渍的固体载体材料颗粒，在其上尤其将一氧化氮分子(NO)氧化成二氧化氮分子(NO2)。例如，浸渍度可以为1至30重量％，特别是2至20重量％，优选3至15重量％，特别优选4至12重量％。
中间层14的颗粒14a可以特别有利地具有50至600 g/m2，特别是100至500 g/m2，优选150至400 g/m2，更优选200至 300 g/m2的单位面积重量。
如图1中示意性所示，第二层(C)16的碱性浸渍的活性炭颗粒16a也可以通过添加用于稳定的手段18例如粘合剂来固定。粘合剂18可以有利地是基于聚氨酯的。第三层(C)16具有碱性浸渍的活性炭颗粒16a，二氧化氮分子(NO2)通过化学吸附沉积在其上。在此，化学吸附能够实现与物理吸附相比与化学的并因此更牢固的与吸附剂的结合，由此有利地结合有害气体（特别是氮氧化物）。
特别有利地，第三层(C)16的颗粒16a可以具有100至500 g/m2，优选150至400 g/m2，更优选200至300 g/m2的单位面积重量。
过滤介质10还可以具有载体层片22，特别是纺织载体层片22，特别是形成为无纺织物的载体层片22。
图2中所示的过滤介质基本上对应于图1中所示的过滤介质。过滤介质10还具有颗粒过滤层片20，其尤其可以作为一层或多层无纺织物层片来形成。
过滤介质体
过滤介质体包括根据本发明的过滤介质和至少一个侧带和/或至少一个头带。在一个实施方式中，过滤介质体形成为卷绕体、层叠为平面过滤器或折叠为过滤波纹管。
过滤元件
过滤元件包括根据本发明的过滤介质体和/或包括根据本发明的过滤介质和框架、至少一个保持元件和/或至少一个密封件。
空气过滤器
空气过滤器包括根据本发明的过滤介质体和/或根据本发明的过滤介质。
用于制造过滤介质的方法
如果层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)，则用于制造根据本发明的过滤介质的方法包括以下步骤：施加包含活性炭的层(A)，施加包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料的层(B)，施加层包含碱性浸渍的活性炭的层(C)，或者
如果层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(C)之后流过层(A)，则用于制造根据本发明的另一过滤介质的方法包括以下步骤：施加包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料的层(B)，施加包含碱性浸渍的活性炭的层(C)，施加包含活性炭的层(A)；
从而层(B)和(C)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(C)之前流过层(B)，层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)或在层(C)之后流过层(A)。
在一个实施方式中，所施加的层(A)至(C)中的每一层具有不同的组成。
用于制造根据本发明的过滤介质的另一方法，其中将至少一个另外的层 (D) 施加在首先施加的层上和最后施加的层上，或者将至少一个另外的层(D)施加在首先施加的层上或最后施加的层上。
用途
根据本发明的过滤介质、根据本发明的过滤介质体、根据本发明的过滤元件或根据本发明的空气过滤器可用于净化环境空气的装置中。在一个优选的实施方式中，该装置可以是外部空间空气净化器或环境空气净化装置、空调设备、通风设备、换气体系或燃料电池，特别是燃料电池空气过滤器，特别是燃料电池-阴极空气过滤器。
实施例
实施例 1 –在三层结构中包含三种吸附剂的过滤介质
提供三种吸附剂：(a) 活性炭，(b) 用高锰酸钾浸渍的氧化铝，和 (c) 碱性浸渍的活性炭。
包含在吸附剂(a)-(c)中的活性炭为水蒸气活化的活性炭（粒度30x60目，比表面积1000 m2/g；）。吸附剂 (a) 由这种活性炭组成，其无需其它预处理地使用。
为了制造吸附剂(b)，用高锰酸钾(KMnO4)的水溶液浸渍氧化铝。
如此获得的吸附剂的浸渍度为6％。吸附剂在以下条件下储存直至使用：23℃，50%相对湿度。
为了制造吸附剂(c)，用碳酸钾水溶液浸渍活性炭。
如此获得的浸渍的活性炭的浸渍度为10m.%。浸渍过的活性炭在以下条件下储存直至使用：23℃，50%相对湿度。
由吸附剂 (a) - (c)制造具有三层结构的过滤介质，其中在每种情况下在直径为185 mm的多孔载体上布置一层单位面积重量为 400 g/m2的吸附剂(a)、一层单位面积重量为1300 g/m2的吸附剂(b)和一层单位面积重量为400 g/m2的吸附剂(c)。具有各自的吸附剂层的多孔载体叠置布置，使得吸附剂可以以(a)→(b)→(c)的顺序被流过，即如图1中所示。
为了研究如此形成的过滤介质的吸附性能，将过滤介质用于测试台中，并首先通过加热至 80℃ 调整15 分钟，同时让测试气体混合物流过该过滤介质。作为测试气体使用温度为23±1℃且相对湿度为50±3%的空气，向其中加入15±1 ppm的一氧化氮（NO）和15±1 ppm二氧化氮（NO2）。
调整后，让该测试气体在60 分钟的测试持续时间期间以 10 cm/s (± 2%) 的速度流过过滤介质。对跨过滤介质的压降与流出的（即流过过滤介质后的）测试气体中总氮氧化物（NOx）和一氧化氮（NO）的浓度进行平行测量（FTIR），其中在整个测试持续时间上每 10秒记录一次。二氧化氮 (NO2) 的浓度计算为总氮氧化物 (NOx) 的浓度与一氧化氮 (NO)的浓度之差。二氧化氮（NO2）和一氧化氮（NO）的吸附量根据体积流量、流出的试验气体中二氧化氮（NO2）和一氧化氮（NO）的浓度以及二氧化氮的分子质量(M(NO2) = 46.01 g/mol) 和一氧化氮的分子质量(M (NO) = 30.01 g/mol)计算得出。除非此处另有说明，否则所有测试条件和参数均根据 ISO 11155-2来选择。
结果如表1中所示。一氧化氮和二氧化氮的浓度以相对于流过过滤介质之前的各自气体的浓度的百分比给出。由于二氧化氮在与活性炭接触时部分反应生成一氧化氮，因此在某些情况下，在流出的测试气体中观察到一氧化氮的相对浓度超过 100%。
对比实施例 1 –在单层结构中包含混合物形式的三种吸附剂的过滤介质
使用如实施例1中所述的吸附剂(a)-(c)，制造单层过滤介质。为此，在直径为 185mm 的多孔载体上由400重量份吸附剂 (a)、1300重量份吸附剂 (b) 和 400重量份吸附剂( c)的均匀混合物形成单位面积重量为 2100 g/m2的单层。
将如此形成的过滤介质用于试验台中，调整并如实施例1中所述般研究其吸附性能。
结果如表1中所示。
对比实施例2 –在单层结构中包含一种吸附剂的过滤介质
使用如实施例1中所述的吸附剂(a)，制造单层过滤介质。为此，在直径为 185 mm的多孔载体上由吸附剂(a)形成单位面积重量为 2100 g/m2的单层。
将如此形成的过滤介质用于试验台中，调整并如实施例1中所述般研究其吸附性能。
结果如表1中所示。
表 1：过滤介质的吸附性能
- NO和NO2在不同测量时间点的突破
- 60 分钟后的吸附量（NO/NO2/总NOx）
Figure 426785DEST_PATH_IMAGE001
令人惊讶地已发现，实施例1的过滤介质，即在三层结构中具有三种吸附剂(a)、(b)和(c)的过滤介质，显示出明显更小的NO2突破（在时间点t=60分钟：1.2% 对 16.6%，即浓度低了因子 (1.2 / 16.6 =) 13)，并且能够比对比实施例 1 的过滤介质，即具有相同单位面积总重量的在单层结构中包含混合物形式的三种吸附剂(a)、(b)和(c)的过滤介质，吸附更大量的NOx (+ 7.3%)。

Claims (18)

1.过滤介质，其包括三层(A)至(C)，其中
层(A) 包含未浸渍的活性炭，
层(B)包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料，和
层(C)包含碱性浸渍的活性炭，
其中
层(B)和(C)被布置成使得流过该过滤介质的气体在层(C)之前流过层(B)，和
层(A)被布置成使得流过该过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)或在层(C)之后流过层(A)。
2.根据权利要求1的过滤介质，其中层(A)至(C)中的每一层具有不同的组成。
3.根据权利要求1或权利要求2的过滤介质，其中层(A)至(C)中的一层、两层或每一层包含用于稳定层的手段，其中如果层(A)至(C)中的两层或更多层包含用于稳定层的手段，可存在相同的用于稳定层的手段或不同的用于稳定层的手段。
4.根据权利要求1-3之一的过滤介质，其中所述用于稳定层的手段在每种情况中选自粘合剂、载体层片，优选纺织载体层片，特别是无纺织物，及其组合，其中所述无纺织物优选由聚合物纤维组成，其中所述聚合物选自聚氨酯、聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚碳酸酯及其组合。
5.根据权利要求1-4之一的过滤介质，其中
层(A)包含活性炭，但不包含用高锰酸盐浸渍的载体材料，并且不包含碱性浸渍的活性炭；
层(B)包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料，但不包含未浸渍的活性炭并且不包含碱性浸渍的活性炭；
层(C)包含碱性浸渍的活性炭，但不包含用高锰酸盐浸渍的载体材料，并且不包含未浸渍的活性炭。
6.根据权利要求1-5之一的过滤介质，其中
层(A)由未浸渍的活性炭和用于稳定层的手段组成；
层(B)由用高锰酸盐浸渍的固体载体材料和用于稳定层的手段组成；
层(C)由碱性浸渍的活性炭和用于稳定层的手段组成。
7.根据权利要求1-6之一的过滤介质，其中层(A)至(C)中的一层、多层或每一层各自具有50至600 g/m2，优选100至500 g/m2，更优选150至400 g/m2，最优选200至300 g/m2 的单位面积重量。
8.根据权利要求1-7之一的过滤介质，其中层(B)的固体载体材料选自氧化铝 (Al2O3)、硅胶(SiO2)、氧化锆 (ZrO2)、氧化钛 (TiO2)、沸石、高岭土、粘土、铝土矿及其组合；和/或其中层(B)的固体载体材料所浸渍的高锰酸盐选自高锰酸钠 (NaMnO4)、高锰酸钾 (KMnO4)及其组合。
9.根据权利要求1-8之一的过滤介质，其中层(B)的固体载体材料是氧化铝 (Al2O3)。
10.根据权利要求1-9之一的过滤介质，其中层(A)的活性炭和/或层(C)的碱性浸渍的活性炭具有10至80目，优选30至60目的粒度。
11.根据权利要求1-10之一的过滤介质，其中层(A)的活性炭和/或层(C)中的碱性浸渍的活性炭具有300-1500 m2/g，特别是500-1500 m2/g的BET比表面积。
12.根据权利要求1-11之一的过滤介质，其中层(C)的活性炭所浸渍的碱选自氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)及其组合；和/或其中层(C)的碱性浸渍的活性炭具有1至30重量％，优选5至20重量％，更优选10至15重量％的浸渍度。
13.过滤介质体，其包括根据权利要求1-12之一的过滤介质和至少一个侧带和/或至少一个头带。
14.过滤元件，其包括(i)根据权利要求13的过滤介质体或根据权利要求1-12之一的过滤介质和(ii) 框架、至少一个保持元件和/或至少一个密封件。
15.空气过滤器，其包括壳体和根据权利要求14的过滤元件、根据权利要求13的过滤介质体或根据权利要求1-12之一的过滤介质。
16.用于制造根据权利要求1-12之一的包括三层(A)至(C)的过滤介质的方法，
如果层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)，则所述方法包括以下步骤：
(i) 施加包含活性炭的层(A)；
(ii) 施加包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料的层(B)；
(iii) 施加包含碱性浸渍的活性炭的层(C)；
或者如果层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(C)之后流过层(A)，
则包括以下步骤：
(i) 施加包含用高锰酸盐浸渍的固体载体材料的层 (B)；
(ii) 施加包含碱性浸渍的活性炭的层(C)，
(iii) 施加包含活性炭的层(A)；
从而
层(B)和(C)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(C)之前流过层(B)，
层(A)被布置成使得流过过滤介质的气体在层(B)之前流过层(A)或在层(C)之后流过层(A)。
17.用于制造根据权利要求16的过滤介质的方法，其中层(A)至(C)中的每一层具有不同的组成。
18.根据权利要求1-12之一的过滤介质、根据权利要求13的过滤介质体、根据权利要求14的过滤元件或根据权利要求15的空气过滤器在用于净化环境空气的装置中的用途，其中所述装置优选是空调设备、通风设备、换气体系或燃料电池，特别是燃料电池空气过滤器，特别是燃料电池-阴极空气过滤器。
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