DE102023110522A1

DE102023110522A1 - Luftfiltermedien-Baugruppe mit Stapelfalten-Design

Info

Publication number: DE102023110522A1
Application number: DE102023110522.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Hitzke; Peter Fremerey; Matthias Heinzmann
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2023-04-25
Filing date: 2023-04-25
Publication date: 2023-06-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftfiltermedienanordnung (1), insbesondere für Innenraumluftfilter für Fahrzeuge bzw. für häusliche, gewerbliche HLK-Anlagen, ein Filterelement mit der Luftfiltermedienanordnung und deren Verwendung. Die Luftfiltermedienanordnung umfasst in einer Strömungsrichtung mindestens eine Ionenaustauscherschicht (2) mit einer Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln, eine Trägerschicht (3) aus einem Vliesmaterial zur Immobilisierung der Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln der mindestens einen Ionenaustauscherschicht, eine Aktivkohleschicht (4) mit einer Vielzahl von nicht imprägnierten Aktivkohlepartikeln, eine Imprägnierschicht (5) mit einer Vielzahl von imprägnierten Aktivkohlepartikeln, und eine Partikelfilterschicht (6), die ein nicht gewebtes oder gewobenes Material mit einer Luftdurchlässigkeit umfasst, die geringer ist als die Luftdurchlässigkeit der Trägerschicht (3), wobei die Luftfiltermedienanordnung (1) eine Kombination aus flachen Stapelschichten (A) und gefalteten Bälgen (B) umfasst, wobei die mindestens eine Ionenaustauscherschicht und die Trägerschicht (3) in Form von flachen Stapelschichten (A) vorgesehen sind, und die Aktivkohleschicht (4), die Imprägnierschicht (5) und die Partikelfilterschicht (6) in Form von gefalteten Bälgen (B) vorgesehen sind.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftfiltermedienanordnung, insbesondere für Innenraumluftfilter für Fahrzeuge und/oder für häusliche gewerbliche HVAC-Systeme, ein Filterelement, das diese Luftfiltermedienanordnung umfasst, und ihre Verwendung.
Hintergrund
Die Erfindung betrifft eine Luftfiltermedienanordnung für Innenraumluftfilter für Fahrzeuge bzw. für häusliche gewerbliche HVAC-Systeme, ein Filterelement mit dieser Luftfiltermedienanordnung und deren Verwendung.
Innenraumfilter in Fahrzeugen oder in gewerblichen HVAC-Systemen tragen dazu bei, schädliche Schadstoffe, einschließlich Pollen und Staub, aus der Atemluft zu entfernen. Die Luft in der Kabine oder im Innenraum neigt dazu, einen höheren Anteil an schädlichen und geruchsintensiven Abgasen zu enthalten. Luftfiltermedien sind prinzipiell bekannt und dienen als Kernbestandteil von Filterelementen zur Reinigung von Luftströmen für nachgeschaltete Anwendungen. Aus dem Stand der Technik sind mehrlagige Filtermaterialien bekannt. Insbesondere ist ein mehrschichtiges Filtermaterial bekannt, das eine Aktivschicht mit nicht imprägnierten Aktivkohlepartikeln, eine Imprägnierschicht mit imprägnierten Aktivkohlepartikeln und eine Ionenaustauschschicht mit Ionenaustauscherpartikeln aufweist, wobei die Aktivschicht zwischen der Ionenaustauschschicht und der Imprägnierschicht angeordnet ist.
DE 10 2005 016 677 A1 beschreibt ein Filterelement mit einem mehrlagigen Filtermaterial, bei dem auf der Anströmseite eine Aktivschicht mit Aktivkohlefasern vorgesehen ist, der auf der Abströmseite eine Adsorberschicht mit körnigen Adsorbentien folgt. An diese Adsorberschicht kann sich stromabwärts eine weitere Aktivschicht mit Aktivkohlefasern anschließen. Als Adsorptionsmittel können Aktivkohle, Zeolithe, Cyclodextrine, Silikate, Ionenaustauscher und Alumosilikate eingesetzt werden.
Die Imprägnierung der Aktivkohlepartikel in der Imprägnierschicht erfolgt mit Kaliumjodid und/oder Kaliumcarbonat. Dieses Filtermaterial weist jedoch nicht die beste Adsorptionsleistung für H2s und SO₂ auf.
Aus der DE 10 2009 021 020 A1 ist ein weiteres adsorptives Filtermaterial bekannt, das ein mit Metallkationen beladenes Austauschharz enthält.
US2019344209 und US2018065070 handeln von einer Ionenaustauschschicht in Kombination mit einer imprägnierten Kohlenstoffschicht. US2020030731 , US2018236438 , US2016129432 sprechen über eine katalytische Beschichtung für einen Filter in Kombination mit Aktivkohle. Auch US6402819 , GB1410348 , US2019314749 sprechen von einer Ionenaustauscherschicht in Kombination mit einer Filterschicht oder Aktivkohleschicht. Mehrere Ionenaustauschschichten werden jedoch in keinem der Dokumente erwähnt.
Saure Kationenaustauscherharze haben sich für die Abtrennung von basischen Gasen wie Ammoniak (NH₃) und Trimethylamin (TMA) durchgesetzt. Im Vergleich zu imprägnierten Aktivkohlen verfügen Ionenaustauscher über eine wesentlich höhere Adsorptionskapazität, haben aber den Nachteil einer schlechteren Spontaneität. Mit anderen Worten: Ein Ionenaustauscher kann Schadgase über einen langen Zeitraum aus einem Luftstrom entfernen, weist aber ein ad ungünstiges Anlaufverhalten auf, das zu unerwünschten Schadgasdurchbrüchen führen kann.
Außerdem sind solche Ionenaustauscherharze vergleichsweise teuer, da ihr massenbezogener Preis etwa dreimal so hoch ist wie der von imprägnierter Aktivkohle. In Luftfiltermedien nach dem Stand der Technik werden in der Regel Ionenaustauscher mit Flächengewichten von über 350 g/m² verwendet, wobei die typische Teilchengröße der Ionenaustauscherpartikel im Bereich von 300-1200 µm liegt, um einen erforderlichen Anfangsabscheidegrad von >95 % zu erreichen, beispielsweise für NH₃, genauer gesagt bei einer Gaskonzentration von 10 ppm NH₃ und einer typischen Anströmgeschwindigkeit des Mediums von 0,2 m/s.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Luftfiltermedium zu schaffen, das eine optimierte Adsorptionskinetik von basischen Gasen wie NH₃ und TMA aufweist, einen verbesserten Anfangsabscheidegrad hat und kostengünstiger als bekannte Luftfiltermedien zur Gasadsorption bereitgestellt werden kann.
Ziel der Erfindung ist es, ein Luftfiltermedium bereitzustellen, das einen anfänglichen Abscheidegrad von >95% für NH₃ und TMA erreicht, basierend auf einem signifikant geringeren Flächengewicht der Ionenaustauscherpartikel in der/den Ionenaustauscherschicht(en).
Ziel der Erfindung ist es, ein Luftfiltermedium bereitzustellen, das eine verbesserte Adsorptionsleistung für H S₂ und SO₂ bietet, während es gleichzeitig eine Adsorption flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) der besten Ionenklasse bietet.
Ziel der Erfindung ist es, ein Luftfiltermedium für ein Filterelement bereitzustellen, das VOCs, NH₃, TMA und NOx aus dem Luftstrom entfernt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine hohe Gasentfernungseffizienz mit einer kostengünstigen Verwendung von Ionenaustauschermaterial zu erreichen.
Ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung ist es, ein effektives Design von Luftfiltermedien mit Kombination(en) aus Ionenaustauscherharz und aktivkohlehaltigen Faltenbälgen für eine verbesserte Luftfiltration zu erreichen.
Ziel der Erfindung ist es, durch ein optimiertes Mediendesign eines Kabinenluftfiltrationssystems die Luftqualität im Betrieb zu verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Luftfiltermedium eignet sich für Innenraumluftfilter, für Fahrzeuge und/oder für häusliche, gewerbliche Klimaanlagen.
Das erfindungsgemäße Luftfiltermedium eignet sich insbesondere für Innenraumluftfilter von Kraftfahrzeugen, Ansaugluftfilter von Brennstoffzellen oder Brüden- bzw. Abluftfilter. Aber auch Anwendungen im Bereich der Gebäudeluftfiltration oder der Lüftungs- und Klimatechnik sind möglich.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Luftfilteranordnung für die Abscheidung von NH₃, TMA und Methylethylketon (MEK) ausgebildet. Darüber hinaus scheidet das erfindungsgemäße Luftfiltermedium auch andere Kohlenwasserstoffe wie n-Butan und Toluol ab.
Luftfiltermedienanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Filterelement mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und eine Verwendung nach Anspruch 15. In den Unteransprüchen sind jeweils vorteilhafte und zweckmäßige weitere Ausführungsformen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Luftfiltermedium für Innenraumluftfilter offenbart, das folgende Schichten in Strömungsrichtung umfasst:

- mindestens eine Ionenaustauschschicht mit einer Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln,
- eine Trägerschicht aus einem nicht gewebten Material, um die Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln der mindestens einen Ionenaustauschschicht zu immobilisieren,
- eine Aktivkohleschicht mit einer Vielzahl von nicht imprägnierten Aktivkohlepartikeln,
- eine Imprägnierschicht mit einer Vielzahl von imprägnierten Aktivkohlepartikeln, und
- eine Partikelfilterschicht, die ein nicht gewebtes oder gewobenes Material umfasst, dessen Luftdurchlässigkeit geringer ist als die Luftdurchlässigkeit der genannten Trägerschicht.

Gemäß einer Ausführungsform ist es ein Vorteil der Erfindung, dass sie ein optimiertes Design der Luftfiltermedienanordnung mit einer Kombination aus flachen Stapeln und plissierten Faltenbälgen von Medienlagen bietet.
Die erfindungsgemäße Luftfiltermedienanordnung umfasst eine Kombination von flachen Stapelschichten und gefalteten Faltenbälgen, wobei die mindestens eine Ionenaustauscherschicht und die Trägerschicht zur Immobilisierung der Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln der mindestens einen Ionenaustauscherschicht in Form von flachen Stapelschichten vorgesehen sind und die Aktivkohleschicht, die Imprägnierschicht und die Partikelfilterschicht in Form von gefalteten Faltenbälgen vorgesehen sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Luftfiltermedienbaugruppe ferner eine Stützschicht, die in Form des gefalteten Faltenbalgs bereitgestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die flachen Stapellagen mit einem Klebstoff an den Faltenbälgen, insbesondere an den Faltenspitzen der Faltenbälge, befestigt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Luftfiltermedienanordnung aus einer Ionenaustauschschicht. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht die Luftfiltermedienanordnung aus mehreren Ionenaustauschschichten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht die mindestens eine Ionenaustauschschicht aus zwei oder mehr Ionenaustauschschichten.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, eine höhere Packungsdichte mit einer Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln und einem Mehrschichtaufbau von zwei oder mehr Ionenaustauscherschichten zu erreichen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Luftfiltermedienanordnung mit Ionenaustauscherpartikeln aus sauren Kationenaustauschern besteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Vielzahl der imprägnierten Aktivkohlepartikel der Imprägnierschicht mit einem sauren prägnierenden Mittel imprägniert, das mindestens eine anorganische Säure umfasst. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine anorganische Säure ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phosphorsäure, Schwefelsäure und Salzsäure.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt die Grammatur der Ionenaustauscherpartikel in der mindestens einen Ionenaustauscherschicht in einem Bereich zwischen 150 g/m² und 350 g/m². Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt die Grammatur der imprägnierten Aktivkohlepartikel in der Imprägnierschicht in einem Bereich zwischen 150 g/m² und 350 g/m².
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung liegt die durchschnittliche Korngröße der Ionenaustauscherpartikel in einem Bereich von 300 bis 1200 µm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt die durchschnittliche Korngröße der imprägnierten Aktivkohleteilchen in einem Bereich von 350 bis 550 µm.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass die imprägnierte Aktivkohle im Vergleich zum Ionenaustauscher eine bessere Spontaneität aufweist und somit zu einer hohen anfänglichen Trennleistung beiträgt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Ionenaustauscherpartikel andererseits eine viel höhere Adsorptionskapazität aufweisen und somit dazu beitragen, die Gasadsorption über längere Zeiträume aufrechtzuerhalten. Die Untergrenze der Flächengewichte der Ionenaustauscherpartikel in der Ionenaustauscherschicht und der imprägnierten Aktivkohlepartikel in der Imprägnierschicht ist technisch notwendig, um in der Praxis eine ausreichende Packungsdichte zu erreichen und damit die Bildung von Bypasskanälen in den nicht mit Partikeln bedeckten Schichten zu vermeiden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Trägerschicht ein Träger für die Teilchen mindestens einer der Schichten sein. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Trägerschicht ein Träger für die Ionenaustauscherpartikel der mindestens einen Ionenaustauscherschicht sein. In anderen Ausführungsformen kann die Trägerschicht jedoch auch ein Träger der imprägnierten Aktivkohleteilchen der Imprägnierschicht oder ein Träger der nicht imprägnierten Aktivkohleteilchen der Aktivkohleschicht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Luftfiltermedienanordnung eine katalytische Aktivkohleschicht mit einer Vielzahl von katalytischen Aktivkohlepartikeln, wobei die katalytische Aktivkohleschicht zwischen einer der Schichten des Faltenbalgs angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Luftfiltermedienanordnung eine vorbestimmte Anströmseite und eine vorbestimmte Abströmseite auf. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Luftfiltermedienanordnung in einer Strömungsrichtung von der stromaufwärts gelegenen Strömungsseite zur stromabwärts gelegenen Strömungsseite strömbar, wobei die gefalteten Faltenbälge stromabwärts der flachen Stapelschichten angeordnet sind, die mindestens eine Ionenaustauschschicht umfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Luftfiltermedienanordnung mindestens eine weitere Adsorptionsschicht, die zwischen einer der Schichten des Faltenbalgs angeordnet ist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die mindestens eine weitere Adsorptionsschicht adsorbierende Materialien. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Adsorptionsmittel ausgewählt aus der Gruppe der Aktivkohle, der Ionenaustauscher, der Zeolithe, der MOF, AL2O3, TiO2 und Manganat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Ionenaustauscherpartikel der mindestens einen Ionenaustauscherschicht und/oder die nicht imprägnierten Aktivkohlepartikel der Aktivkohleschicht und/oder die imprägnierten Aktivkohlepartikel der Imprägnierschicht und/oder die katalytischen Aktivkohlepartikel der katalytischen Aktivkohleschicht durch einen Klebstoff gebunden, der teilweise vernetzt ist.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass die vorgesehene Kombination von Luftfiltermedienschichten der Luftfiltermedienanordnung aufgrund des Vorhandenseins von Nanofasern eine verbesserte Partikelfiltration bietet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Filterelement offenbart, das die Luftfiltermedienanordnung nach Anspruch 14 umfasst. Das Filterelement umfasst ein Rahmenelement, das zumindest teilweise um die Luftfiltermedienanordnung herum angeordnet ist. Das Rahmenelement ist mit der Filtermedienanordnung verbunden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Verwendung der Luftfiltermedienanordnung nach Anspruch 15 in einem Innenraumluftfilter, in einem Ansaugluftfilter einer Brennstoffzelle oder in einem Dampffilter zur wirksamen Adsorption, Abtrennung und Entfernung von Schadstoffen wie VOCs, NH₃, TMA, H₂ S, SO₂ und NOx aus dem Luftstrom vorgesehen.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass die vorgesehene Kombination von Luftfiltermedienschichten weniger Material/Masse an Ionenaustauscherpartikeln benötigt, um die geforderte Abscheideleistung für NH₃ und TMA und eine verbesserte VOC- und Sorption zu erreichen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die verbesserte H S/SO₂₂ ad Sorption im Vergleich zur K₂ CO₃ Imprägnierung.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass der verbesserte Wirkungsgrad der Filtermedienanordnung in verschiedenen häuslichen und mobilen Anwendungen einschließlich Brennstoffzellen einsetzbar ist.
Weitere Objekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der Durchsicht der Beschreibung deutlich.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die unter dargestellten Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, in denen:

zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung der Luftfiltermedienanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
zeigt eine weitere vereinfachte Schnittdarstellung der Luftfiltermedienanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
zeigt eine detaillierte Schnittdarstellung der Luftfiltermedienanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
zeigt ein Filterelement, das die Luftfiltermedienanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst.

Detaillierte Beschreibung
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendung in keiner Weise einschränken.
1 zeigt eine vereinfachte Schnittdarstellung der Luftfiltermedienanordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Luftfiltermedienanordnung 1 ist eine Kombination aus flachen Stapelschichten A und gefalteten Faltenbälgen B. Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Luftfiltermedienanordnung 1 eine Ionenaustauschschicht 2. Die Luftfiltermedienanordnung 1 umfasst ferner eine Trägerschicht 3. Die Ionenaustauscherschicht 2 besteht aus einer Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln. Die Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln der Ionenaustauscherschicht 2 sind an der Trägerschicht 3 immobilisiert. Die Ionenaustauscherschicht 2 und die Trägerschicht 3 sind als flache Stapellagen A ausgebildet. Die flachen Stapellagen A sind mit einem Klebstoff an den Faltenbälgen B, insbesondere an den Faltenspitzen der Faltenbälge B, befestigt. Die Luftfiltermedienanordnung 1 ist von der stromaufwärts gelegenen Seite zur stromabwärts gelegenen Seite in einer Strömungsrichtung C strömbar, wie in 1 dargestellt.
zeigt eine weitere vereinfachte Schnittdarstellung der Luftfiltermedienanordnung 1 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Luftfiltermedienbaugruppe 1 ist eine Kombination aus flachen Stapellagen A und plissierten Faltenbälgen B. In der besonderen Ausführungsform der Erfindung besteht die Luftfiltermedienbaugruppe 1 aus drei Ionenaustauschschichten 2. Die Luftfiltermedienanordnung 1 umfasst ferner eine Stützschicht 3. Die Ionenaustauscherschichten 2 bestehen aus einer Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln. Die Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln der Ionenaustauscherschichten 2 sind an der Trägerschicht 3 immobilisiert. Die Ionenaustauscherschichten 2 und die Trägerschicht 3 werden in Form von flachen Stapellagen A bereitgestellt. Die flachen Stapellagen A sind durch einen Klebstoff an den gefalteten Faltenbälgen B befestigt, insbesondere an den Faltenspitzen der gefalteten Faltenbälge B. Die Luftfiltermedienbaugruppe 1 ist von der stromaufwärts gelegenen Seite zur stromabwärts gelegenen Seite in einer Strömungsrichtung C strömbar, wie in 2 dargestellt.
Die Luftfiltermedienanordnung 1 umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform zwei oder mehr Ionenaustauscherschichten 2, insbesondere in einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Luftfilteranordnung drei Ionenaustauscherschichten in Form von flachen Stapellagen A, wie in dargestellt.
3 zeigt eine detaillierte Schnittdarstellung der Luftfiltermedienanordnung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Luftfiltermedienanordnung 1 ist eine Kombination aus flachen Stapellagen A und gefalteten Faltenbälgen B. In der besonderen Ausführungsform der Erfindung sind mindestens eine Ionenaustauscherschicht 2 und eine Stützschicht 3 in Form von flachen Stapellagen A und eine Aktivkohleschicht 4, eine Imprägnierschicht 5 und eine Partikelfilterschicht 6 in Form von gefalteten Faltenbälgen B vorgesehen. Die flachen Stapellagen A sind durch einen Klebstoff an den Faltenbälgen B, insbesondere an den Faltenspitzen der Faltenbälge B, befestigt.
Die Luftfiltermedienbaugruppe 1 umfasst ferner eine Stützschicht 3a in Form eines gefalteten Faltenbalgs B.
In einer Ausführungsform bildet die mindestens eine Ionenaustauscherschicht 2 eine an die Trägerschicht 3 mittelbar angrenzende Schicht, die vorzugsweise über einen Klebstoff mit der Trägerschicht 3 verbunden ist. Hierbei kommt sowohl ein Verkleben der mindestens einen Ionenaustauscherschicht 2 auf der Trägerschicht 3 in Betracht als auch das Verkleben über noch nicht abgebundene Klebefäden, die auf die Ionenaustauscherpartikel aufgebracht werden. Die Trägerschicht begrenzt somit die mindestens eine Ionenaustauscherschicht 2 zumindest einseitig und ist gleichzeitig mit der Ionenaustauscherschicht 2 verbunden. In einer anderen Ausführungsform bildet der Träger 3a einen Teil des Faltenbalgs B, der eine der Schichten des Faltenbalgs B der Luftfiltermedienbaugruppe 1 trägt.
In einer Ausführungsform der Erfindung können die Ionenaustauscherpartikel der mindestens einen Ionenaustauscherschicht 2 vorzugsweise Kationenaustauschereigenschaften aufweisen. Insbesondere kann die Ionenaustauscherschicht 2 Ionenaustauscherpartikel mit Sulfonsäuregruppen aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die Ionenaustauscherpartikel der Ionenaustauscherschicht 2 Anionenaustauschereigenschaften aufweisen.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die imprägnierten Aktivkohlepartikel der Imprägnierschicht 5 mit einem sauren Imprägniermittel aus mindestens einer anorganischen Säure imprägniert, wobei die anorganische Säure ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Phosphorsäure, Schwefelsäure und Salzsäure. Zusätzlich zu den oben genannten anorganischen Säuren können auch organische Säuren wie Zitronensäure als Bestandteil des sauren Imprägniermittels verwendet werden. Die imprägnierte Aktivkohlepartikel der Imprägnierschicht 5 kann z.B. mit 5 Massenprozent oder weniger des sauren Imprägniermittels imprägniert werden. Dieser niedrige Imprägniermittelgehalt ermöglicht außerdem die Co-Adsorption von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Methylethylketon (MEK), während die Ionenaustauschschicht 2 sehr gasspezifisch ist und nur basische Gase abtrennt.
Die Grammatur der Ionenaustauscherpartikel in der Ionenaustauscherschicht 2 liegt in einem Bereich zwischen 150 g/m² und 350 g/m². Ferner liegt die Grammatur der imprägnierten Aktivkohlepartikel in der Imprägnierschicht 5 in einem Bereich zwischen 150 g/m² und 350 g/m². In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Flächengewicht der Ionenaustauscherpartikel in der Ionenaustauscherschicht 2 maximal 300 g/m², insbesondere maximal 260 g/m², und/oder das Flächengewicht der imprägnierten Aktivkohlepartikel in der Imprägnierschicht 5 maximal 330 g/m², insbesondere maximal 290 g/m², betragen. Die Untergrenze der Flächengewichte der Ionenaustauscherpartikel in der Ionenaustauscherschicht 2 und der imprägnierten Aktivkohlepartikel in der Imprägnierschicht 5 ist technisch notwendig, um in der Praxis eine ausreichende Packungsdichte zu erreichen und damit die Bildung von Bypasskanälen in den nicht mit Partikeln bedeckten Schichten zu vermeiden.
In Luftfiltermedien des Standes der Technik werden üblicherweise Ionenaustauscher mit Flächengewichten von über 350 g/m² eingesetzt, wobei die typische Partikelgröße der Ionenaustauscherpartikel im Bereich von 300-1200 µm liegt, um einen geforderten Anfangsabscheidegrad von >95 % zu erreichen, beispielsweise für NH₃, genauer gesagt bei einer Gaskonzentration von 10 ppm NH₃ und einer typischen Anströmgeschwindigkeit des Mediums von 0,2 m/s. Im Gegensatz zum Stand der Technik erreicht die erfindungsgemäße Luftfiltermedienanordnung einen Anfangsabscheidegrad von >95 % für NH₃ und TMA aufgrund eines deutlich geringeren Flächengewichts der Ionenaustauscherpartikel in der Ionenaustauscherschicht 2.
Die imprägnierte Aktivkohle weist im Vergleich zum Ionenaustauscher eine bessere Spontaneität auf und trägt daher zu einer hohen anfänglichen Abscheideleistung bei, verbessert die „Start-up“-Leistung und verhindert den anfänglichen Gasdurchbruch. Der Ionenaustauscher hingegen hat eine wesentlich höhere Adsorptionskapazität und trägt somit dazu bei, die Gasadsorption über längere Zeiträume aufrechtzuerhalten.
Die durchschnittliche Korngröße der Ionenaustauscherpartikel in der Ionenaustauscherschicht 2 kann 300 bis 1200 Mikrometer betragen. Die Wahl der Korngröße in dem angegebenen Bereich gewährleistet den kleinstmöglichen Korndurchmesser, der für den Stofftransport und die Reaktionskinetik erforderlich ist, bei gleichzeitig möglichst geringem Druckverlust. Die durchschnittliche Korngröße kann nach ASTM D 2862 bestimmt werden.
Eine durchschnittliche Korngröße der Imprägnationsschicht 5 kann 350 bis 550 Mikrometer betragen. Die Wahl der Korngröße in dem angegebenen Bereich gewährleistet den kleinstmöglichen Korndurchmesser, der für den Massentrans port und die Reaktionskinetik erforderlich ist, bei gleichzeitig möglichst geringem Druckverlust. Die durchschnittliche Korngröße kann nach ASTM D 2862 bestimmt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Trägerschicht 3 ein Träger für die Partikel mindestens einer der Schichten der Luftfiltermedienanordnung 1 sein. Insbesondere kann die Trägerschicht 3, wie in 3 dargestellt, der Träger für die Ionenaustauscherpartikel der mindestens einen Ionenaustauscherschicht 2 sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Trägerschicht 3a jedoch ein Träger für die imprägnierten Aktivkohlepartikel der Imprägnierschicht oder ein Träger für die nicht imprägnierten Aktivkohlepartikel der Aktivkohleschicht sein. Die Trägerschicht 3 ist z.B. als Trägerschicht oder Schicht ausgebildet, die optional eine mechanische (Vor-)Filtration von partikulären Verunreinigungen des zu reinigenden Gasstroms übernimmt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt eine katalytische Aktivkohleschicht 7 mit einer Vielzahl von katalytischen Aktivkohlepartikeln, die zwischen einer der Schichten des Faltenbalgs B angeordnet sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine geeignete katalytische Aktivkohle für die katalytischen Aktivkohlepartikel der katalytischen Aktivkohleschicht 7 eine solche, bei der die Elektronenstruktur des Kohlenstoffs an der Oberfläche durch einen Aktivierungsprozess verändert wurde. In einer bevorzugten Ausführungsform wird 1 g katalytische Aktivkohle zu einem Gemisch aus 80 ml Wasser und 30 ml 30 gew.-%iger H O₂₂ Lösung bei einer Temperatur von 23 °C und Normaldruck zugegeben, was zu einem Temperaturanstieg von >23 °C nach 5 min und von >33 °C nach 10 min führt. Die katalytischen Eigenschaften der Aktivkohle können somit in der oben beschriebenen Weise nachgewiesen werden.
Ferner ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mindestens eine weitere Adsorptionsschicht 8 zwischen einer der Schichten des Faltenbalgs B angeordnet. Die Adsorptionsmittel sind ausgewählt aus der Gruppe der Aktivkohle, der Ionenaustauscher, der Zeolithe, der MOF, AL O₂₃, TiO₂ und der Permanganate.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Ionenaustauscherpartikel der mindestens einen Ionenaustauscherschicht 2 und/oder die nicht imprägnierten Aktivkohlepartikel der Aktivkohleschicht 4 und/oder die imprägnierten Aktivkohlepartikel der Imprägnierschicht 5 und/oder die katalytischen Aktivkohlepartikel der katalytischen Aktivkohleschicht 6 durch einen Klebstoff gebunden, insbesondere vernetzt. Der Klebstoff fixiert die Partikel in der jeweiligen Position und verhindert ein Herausrieseln, insbesondere bei Vibrationsbelastung.
Diese Bindung, insbesondere die Vernetzung, wird vorteilhaft durch die Zugabe von Klebstoff erreicht, dessen Klebefäden auf der Oberfläche der Aktivkohle- oder Ionenaustauscherpartikel haften und verschiedene Aktivkohle- oder Ionenaustauscherpartikel miteinander verbinden, ohne jedoch die Adsorptionsleistung der Aktivkohle- oder Ionenaustauscherpartikel zu beeinträchtigen. Geeignete Klebstoffe sind z. B. reaktive Schmelzklebstoffe, z. B. auf Polyurethan- oder Silanbasis. Auch ein thermischer Kunststoffklebstoff ist möglich, z. B. auf Basis von Polyolefinen. In Varianten kann der Klebstoff ein reaktiver Schmelzklebstoff sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Trägerschicht 3 aus einem Vliesstoff mit einer vergleichsweise hohen Luftdurchlässigkeit bestehen, die höher ist als die Luftdurchlässigkeit der Partikelfilterschicht 6. Die Trägerschicht 3 dient als Träger für die Ionenaustauscherpartikel, wobei die Ionenaustauscherpartikel mittels eines Klebenetzes oder ähnlichem an der Trägerschicht 3 immobilisiert werden können. Die Trägerschicht 3 kann eine vollsynthetische Schicht sein.
Zusätzlich oder alternativ weist die Trägerschicht 3 ein insbesondere synthetisches Vliesgewebe auf oder besteht daraus und ermöglicht somit sowohl eine mechanische Stütz oder Haltefunktion für die Ionenaustauscherpartikel als auch eine (Vor-)Filtration von partikulären Reinheiten des zu reinigenden Luftstroms. Das Vliesmaterial kann z. B. Fasern auf der Basis von Polyester, Polypropylen, Polyamid, Polyacrylnitril und/oder Polycarbonat enthalten.
Die Ionenaustauscherschicht 2 grenzt unmittelbar an die Trägerschicht 3 an, wobei die Ionenaustauscherpartikel der Ionenaustauscherschicht 2 z.B. über ein Adhäsiv mit der Trägerschicht 3 verbunden sind. Insbesondere können die Ionenaustauscherpartikel über ein Netz von Klebefäden mit der Trägerschicht 3 verbunden sein, wobei das Netz von Klebefäden vorteilhaft so ausgebildet ist, dass es einen Durchströmungsquerschnitt der Luftfiltermedienanordnung 1 nicht unnötig verengt, um keinen übermäßigen Druckverlust zu erzeugen.
Die Partikelfilterschicht 6 kann aus einem Vliesstoff oder einem gewebten Material bestehen, insbesondere aus einem vollsynthetischen Material mit einer geringeren Luftdurchlässigkeit als die der Trägerschicht 3. In einer alternativen Ausführungsform kann die Partikelfilterschicht 6 aus Zellulosefasern bestehen. In anderen Ausführungsformen kann die Partikelfilterschicht 6 eine oder mehrere Schichten aus Nanofasern umfassen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Partikelfilterschicht 6 eine Filtrationsmembran umfassen, zum Beispiel eine poröse und/oder expandierte PTFE-Membran. Die Partikelfiltrationsschicht 6 ist für eine Partikeltrennung geeignet und kann ein höheres Flächengewicht als die Trägerschicht 3 und feinere Poren aufweisen.
Zusätzlich ist die Partikelfilterschicht 6 stromabwärts mit einem Abscheidegrad angeordnet, der insbesondere höher ist als ein Abscheidegrad der Trägerschicht 3. Mit anderen Worten ist die Partikelfilterschicht 6 stärker abscheidend als die Trägerschicht 3, so dass feine und/oder feine Partikel hauptsächlich von der Partikelfilterschicht 6 abgeschieden werden. Die Partikelfilterschicht 6 kann z.B. die Filterklasse H13 oder H14 nach DIN EN 1822-1 erfüllen.
Die Luftfiltermedienbaugruppe 1 hat eine vorbestimmte stromaufwärts gelegene Seite und eine vorbestimmte stromabwärts gelegene Seite und ist ferner von der stromaufwärts gelegenen Seite zur stromabwärts gelegenen Seite in einer Strömungsrichtung C fließfähig, wie in dargestellt. Die mindestens eine Ionenaustauscherschicht 2 ist stromaufwärts angeordnet und eine Trägerschicht 3, eine Aktivkohleschicht 4, eine Imprägnierschicht 5 und eine Partikelfilterschicht 6 sind stromabwärts der mindestens einen Ionenaustauscherschicht 2 angeordnet.
zeigt, dass die Aktivkohleschicht 4 stromaufwärts der Imprägnierschicht 5 angeordnet ist, wobei die Aktivkohleschicht 4 zwischen der Ionenaustauschschicht 2 und der Imprägnierschicht 5 angeordnet ist. Alternativ kann die Aktivkohleschicht 4 stromabwärts der Imprägnierschicht 5 angeordnet sein, wobei die Imprägnierschicht 5 zwischen Ionenaustauschschicht 2 und Aktivkohleschicht 4 angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Imprägnierschicht 5 als Vorfilter für die Adsorption von Kohlenwasserstoffen verwendet werden kann.
Die katalytische Aktivkohleschicht 7 ist zwischen der Aktivkohleschicht 4 und der Imprägnierschicht 5 angeordnet. Die mindestens eine Adsorptionsschicht 8 ist zwischen der Aktivkohleschicht 4 und der Partikelfilterschicht 6 angeordnet. Anders nativ sind die katalytische Aktivkohleschicht 7 und die mindestens eine Adsorptionsschicht 8 in beliebiger stromaufwärts oder stromabwärts gerichteter Reihenfolge zwischen Schichten des Faltenbalgs B mit mindestens einer Ionenaustauscherschicht 2 sowie einer stromaufwärts angeordneten Trägerschicht 3 und einer stromabwärts der mindestens einen Ionenaustauscherschicht 2 angeordneten Partikelfiltrationsschicht 6 angeordnet.
Ein Abstand zwischen den einzelnen Ionenaustauscherschichten 2 in Strömungsrichtung C ist nur zur besseren Sichtbarkeit der Merkmale gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es ist jedoch klar, dass in der Praxis die Ionenaustauscherschichten 2 direkt oder in direkt aneinander stoßen können, ohne dass ein Abstand entlang der Strömungsrichtung C dazwischen.
4 zeigt ein Filterelement, das die erfindungsgemäße Luftfiltermedienanordnung umfasst. Ein Filterelement 9 umfasst ein Rahmenelement 10, das vollständig um die Luftfiltermedienanordnung 1 herumgeführt ist. Das Rahmenelement 10 umfasst Randabschnitte 11, daran befestigte Seitenbänder 12 und an den Randabschnitten 11 befestigte Kopfbänder 13. Das Rahmenelement 10 ist mit der Luftfiltermedienbaugruppe 1 verbunden, insbesondere mit den Randabschnitten 11 der flachen Stapellagen A und des Faltenbalgs B. Die Kopfbänder 13 und/oder Seitenbänder 12 können insbesondere ein Schaumstoff- oder Vliesmaterial umfassen oder daraus bestehen. Die Kopfbänder 13 und/oder Seitenbänder 12 können insbesondere mit den Randabschnitten 11 verklebt sein, beispielsweise durch einen aushärtbaren Schmelzkleber, beispielsweise auf Basis von Polyurethan oder Silan. Auch ein thermoplastischer Klebstoff ist möglich, der z. B. auf Basis von Polyolefinen hergestellt wird. In Varianten kann der Klebstoff ein reaktiver Schmelzklebstoff sein. Die flachen Stapellagen A sind in nur teilweise dargestellt, was durch die Durchbruchslinie verdeutlicht wird.
Alternativ können die Kopfbänder 13 und/oder die Seitenbänder 12 auch aus einem (Hart-)Kunststoffmaterial bestehen. Ferner ist es möglich, dass alle Kopfbänder 13 und Seitenbänder 12 des Rahmenelements 9 einteilig ausgebildet sind, wobei das Rahmenelement 9 insbesondere aus einem (Hart-)Kunststoffrahmen bestehen kann, bei dem die Randabschnitte 11 mit einem Material des Rahmenelements 9 verklebt oder überformt sind.
Obwohl die Erfindung anhand von Abbildungen und einer oder mehrerer Ausführungsformen detailliert beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die in der Beschreibung speziell beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Die Erfindung umfasst daher alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die in den Geist und den Anwendungsbereich der Erfindung fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005016677 A1 [0004]
DE 102009021020 A1 [0006]
US 2019344209 [0007]
US 2018065070 [0007]
US 2020030731 [0007]
US 2018236438 [0007]
US 2016129432 [0007]
US 6402819 [0007]
GB 1410348 [0007]
US 2019314749 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 1822-1 [0072]

Claims

Eine Luftfiltermedienanordnung (1) für Innenraumluftfilter, umfassend: mindestens eine Ionenaustauschschicht (2) mit einer Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln; eine Trägerschicht (3) aus einem nicht gewebten Material, um die Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln der mindestens einen Ionenaustauschschicht zu immobilisieren; eine Aktivkohleschicht (4) mit einer Vielzahl von nicht imprägnierten Aktivkohlepartikeln; eine Imprägnierschicht (5) mit einer Vielzahl von imprägnierten Aktivkohlepartikeln; und eine Partikelfilterschicht (6), die ein nicht gewebtes oder gewobenes Material mit einer geringeren Luftdurchlässigkeit als die der Trägerschicht (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfiltermedienanordnung (1) eine Kombination aus flachen Stapelschichten (A) und gefalteten Faltenbälgen (B) umfasst, wobei die mindestens eine Ionenaustauscherschicht (2) und die Trägerschicht (3) in Form von flachen Stapelschichten (A) vorgesehen sind und die Aktivkohleschicht (4), die Imprägnierschicht (5) und die Partikelfilterschicht (6) in Form von gefalteten Faltenbälgen (B) vorgesehen sind.
Luftfiltermedienbaugruppe (1) nach Anspruch 1, wobei die Luftfiltermedienbaugruppe ferner eine Stützschicht (3a) umfasst, die in Form des gefalteten Faltenbalgs (B) vorgesehen ist.
Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die flachen Stapellagen (A) mit einem Klebstoff an den Faltenbälgen (B), insbesondere an den Faltenspitzen der Faltenbälge (B), befestigt sind.
Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Ionenaustauscherschicht (2) zwei oder mehr Ionenaustauscherschichten mit der Vielzahl von Ionenaustauscherpartikeln umfasst.
Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ionenaustauscherpartikel saure Kationenaustauscher umfassen.
Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl von imprägnierten Aktivkohlepartikeln der Imprägnierschicht (5) mit einem sauren Imprägniermittel imprägniert ist, das mindestens eine anorganische Säure umfasst, wobei die anorganische Säure aus der Gruppe ausgewählt ist, die Phosphorsäure, Schwefelsäure und Salzsäure umfasst.
Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Flächengewicht der Ionenaustauscherpartikel in der mindestens einen Ionenaustauscherschicht (2) in einem Bereich zwischen 150 g/m² und 350 g/m² liegt und/oder das Flächengewicht der imprägnierten Aktivkohlepartikel in der Imprägnierschicht (5) in einem Bereich zwischen 150 g/m² und 350 g/m² liegt.
Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die durchschnittliche Korngröße der Ionenaustauscherpartikel im Bereich von 300 bis 1200 µm liegt.
Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die durchschnittliche Korngröße der imprägnierten Aktivkohlepartikel im Bereich von 350 bis 550 µm liegt.
Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftfiltermedienanordnung ferner eine katalytische Aktivkohleschicht (7) mit einer Vielzahl von katalytischen Aktivkohlepartikeln umfasst, wobei die katalytische Aktivkohleschicht (7) zwischen einer der Schichten des gefalteten Faltenbalgs (B) angeordnet ist.
Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftfiltermedienanordnung (1) eine vorbestimmte stromaufwärts gelegene Seite und eine vorbestimmte stromabwärts gelegene Seite aufweist, wobei die Luftfiltermedienanordnung (1) von der stromaufwärts gelegenen Seite zur stromabwärts gelegenen Seite in einer Strömungsrichtung (C) strömbar ist, wobei die gefalteten Faltenbälge (B) stromabwärts von den flachen Stapelschichten (A) angeordnet sind, die mindestens eine Ionenaustauschschicht (2) umfassen.
Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Luftfiltermedienanordnung (1) ferner mindestens eine weitere Adsorptionsschicht (8) umfasst, die zwischen einer der Schichten des gefalteten Balgs (B) angeordnet ist, wobei die mindestens eine weitere Adsorptionsschicht Adsorptionsmaterialien umfasst, wobei die Adsorptionsmaterialien aus der Gruppe einer Aktivkohle, eines Ionenaustauschers, eines Zeoliths, eines MOF, AL O₂₃, TiO₂ und eines Permanganats ausgewählt sind.
Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ionenaustauscherpartikel der mindestens einen Ionenaustauscherschicht (2) und/oder die nicht imprägnierten Aktivkohlepartikel der Aktivschicht (4) und/oder die imprägnierten Aktivkohlepartikel der Imprägnierschicht (5) und/oder die katalytischen Aktivkohlepartikel der katalytischen Aktivkohleschicht (7) durch einen Klebstoff gebunden, insbesondere vernetzt sind.
Filterelement (9) mit einer Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1-13 und mit einem Rahmenelement (10), das zumindest teilweise um die Luftfiltermedienanordnung (1) herum verläuft, wobei das Rahmenelement (10) mit der Filtermedienanordnung (1) verbunden ist.
Verwendung der Luftfiltermedienanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Innenraumluftfilter, einem Ansaugluftfilter einer Brennstoffzelle oder in einem Dampffilter zur wirksamen Adsorption, Abtrennung und Entfernung von schädlichen Schadstoffen wie VOCs, NH₃, TMA, H₂ S, SO₂ und NOx aus dem Luftstrom.