JP2022526771A - 水とガスを吸着するためのフィルタユニット、およびそのシステムならびにそれらの使用方法 - Google Patents

水とガスを吸着するためのフィルタユニット、およびそのシステムならびにそれらの使用方法 Download PDF

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ビュロー，マーク，トーマス
シン，ユイショワン
トラン，パスカリン
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ビーエーエスエフ コーポレーション
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Abstract

充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料と、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料とを含むフィルタユニットの実施形態を開示する。実施形態では、ガス吸着材料は、動作の方向において水吸着材料の下流にある。さらに、フィルタユニットを準備および使用する方法を開示する。【選択図】図２

Description

本開示は、たとえば、客室から水およびガスを除去するための、水吸着材料およびガス吸着材料を有するフィルタユニットに関する。本開示はまた、そのようなフィルタユニットを組み込んだシステムおよびその使用方法に関する。
車両の客室など、閉鎖空間内の空気の質を維持することは、重要でありつつも高エネルギー消費プロセスでもある。乗客は、酸素を消費し、二酸化炭素（ＣＯ２）と湿度を大量に生成する。二酸化炭素と湿度のレベルは、客室に導入された大量の新鮮な外気に内気が入れ換わらない限り、急速に増加する。
客室の空気を外気に入れ換えることは、新鮮な外気を調節するための暖房、換気、および空調（ＨＶＡＣ）システムに必要な冷暖房電力、および外気（たとえば、高レベルの汚染物質を含む高速道路の空気など）の品質に関して課題がある。調節は、特に電気自動車のバッテリーを消耗する、著しいエネルギー消費源（最大５０％）である。
ＣＯ２濃度を安全なレベルまで低減させ、ＨＶＡＣシステムのエネルギー効率を向上させるために、二酸化炭素吸着剤が開発されている。具体的には、ＨＶＡＣシステムは、ＣＯ２吸着剤を組み込むことで再循環された内気からＣＯ２を吸着し、次いでパージプロセスによってそのＣＯ２を外気に放出するＣＯ２スクラバーを利用している。このようなシステムは、エネルギー節約の点で従来のＨＶＡＣシステムを改善している一方で、吸着材料は、作業能力と熱老化安定性の長期目標を達成できていない。
さらに、客室内の湿度を低減させ、それによって窓の結露を低減させるために、乾燥剤システムが開発されている。しかしながら、乾燥剤は、限られた量の水分しか吸着しない。低温および高湿度では、自動車の典型的な換気システムでは、結露を効率的、効果的、および／または迅速に除去できない場合がある。
実施形態によれば、本明細書において、２つの吸着ラインであって、各吸着ラインが、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料と、たとえば、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料であって、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、を含む、２つの吸着ラインと、各吸着ラインの各充填床に結合されたヒータと、を備える、フィルタユニットが開示される。
実施形態によれば、本明細書において、回転吸着装置であって、ハウジングと、ハウジング内の複数のセクターであって、複数の吸着床を形成する、複数のセクターと、たとえば、吸着床のうちの少なくとも１つ内にある水吸着材料であって、充填床内の水吸着粒子の形態の、水吸着材料と、たとえば、吸着床の少なくとも１つ内にあるガス吸着材料があって、充填床内のガス吸着粒子の形態の、ガス吸着材料と、を備える、回転吸着装置、を備え、水吸着材料およびガス吸着材料が、ガスの流路が動作中に各吸着床の上方を通過でき、再生空気の向流流路が再生中に各吸着床の上方を通過できるように、回転吸着装置内に配置されている、フィルタユニットが開示される。
実施形態によれば、本明細書において、客室と、客室内の空気の質を維持するための暖房、換気、および空調（ＨＶＡＣ）システムと、客室内の湿度および二酸化炭素レベルを維持するためのフィルタユニットであって、２つの吸着ラインであって、各吸着ラインが、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料と、たとえば、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料であって、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、を含む、２つの吸着ラインと、各吸着ラインの各充填床に結合されたヒータと、を備える、フィルタユニットと、を備える、システムが開示される。
実施形態によれば、本明細書において、客室と、客室内の空気の質を維持するための暖房、換気、および空調（ＨＶＡＣ）システムと、客室内の湿度および二酸化炭素レベルを維持するためのフィルタユニットであって、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料と、たとえば、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料であって、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、を含む、フィルタユニットと、を備える、電気自動車換気システムが開示される。
実施形態によれば、本明細書において、客室と、客室内の空気の質を維持するための暖房、換気、および空調（ＨＶＡＣ）システムと、客室内の湿度および二酸化炭素レベルを維持するためのフィルタユニットであって、２つの吸着ラインであって、各吸着ラインが、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料と、たとえば、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料であって、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、を含む、２つの吸着ラインと、各吸着ラインの各充填床に結合されたヒータと、を備える、フィルタユニットと、を備える、自動車換気システムが開示される。
実施形態によれば、本明細書において、フィルタユニットを使用する方法であって、フィルタユニットの第１の吸着ラインを動作させることであって、第１の吸着ラインが、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の第１の水吸着材料と、たとえば、充填床内のガス吸着粒子の形態の第１のガス吸着材料であって、動作の方向において第１の水吸着材料の下流にある、第１のガス吸着材料と、を含み、第１の吸着ラインが、周囲の空気から水およびガスを吸着する、動作させることと、フィルタユニットの第２の吸着ラインを再生することであって、第２の吸着ラインが、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の第２の水吸着材料と、たとえば、充填床内のガス吸着剤粒子の形態の第２のガス吸着材料であって、再生の方向において第２の水吸着材料の上流にある、第２のガス吸着材料と、を含み、第２の吸着ラインが、第２の水吸着材料および第２のガス吸着材料から水およびガスを脱着させる、再生することと、を含む、方法が開示される。
実施形態によれば、本明細書において、水吸着材料であって、乗客１人あたり約０．１Ｌ～約１５．０Ｌ、または乗客１人あたり少なくとも約０．１Ｌの量で存在する、水吸着材料と、ガス吸着材料であって、乗客１人あたり約０．５Ｌ～約２０．０Ｌ、または乗客１人あたり少なくとも約０．５Ｌの量で存在し、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、を含む、フィルタユニットが開示される。
実施形態によれば、本明細書において、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料と、たとえば、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料であって、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、含む、フィルタユニットであって、水吸着材料対ガス吸着材料の重量比が、約１：１０～約１：１、または約１：４～約１：１、または約１：４である、フィルタユニットが開示される。
実施形態によれば、本明細書において、２つの吸着ラインであって、各吸着ラインが、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料と、たとえば、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料であって、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、を含む、２つの吸着ラインを含む、フィルタユニットであって、ガス吸着材料が、２つの吸着ラインと、を備える、フィルタユニットが開示される。
実施形態によれば、本明細書において、２つの吸着ラインであって、各吸着ラインが、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料であって、乗客１人あたり約０．１Ｌ～約７．５Ｌ、または乗客１人あたり少なくとも約０．１Ｌの量で存在する、水吸着材料と、たとえば、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料であって、乗客１人あたり約０．５Ｌ～約１０．０Ｌ、または乗客１人あたり少なくとも約０．５Ｌの量で存在し、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、を含む、２つの吸着ラインを含む、フィルタユニットが開示される。
実施形態によれば、本明細書において、２つの吸着ラインであって、各吸着ラインが、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料と、たとえば、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料であって、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、含む、２つの吸着ラインを含む、フィルタユニットであって、水吸着材料対ガス吸着材料の重量比が、約１：１０～約１：１、または約１：４～約１：１、または約１：４である、フィルタユニットが開示される。
実施形態によれば、本明細書において、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料であって、シリカ、アルミナ、または金属有機フレームワークのうちの少なくとも１つを含む、水吸着粒子と、たとえば、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料であって、アミン、カルバメート、アタパルジャイト、金属有機フレームワーク（ＭＯＦ）、ゼオライト、活性炭、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、前述のいずれかの表面修飾類似体、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含み、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着粒子と、を含む、フィルタユニットが開示される。
実施形態によれば、本明細書において、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料と、たとえば、床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料であって、ガス吸着粒子は、１つ以上の高表面積支持体上に含浸されたアミンまたはカルバメートのうちの少なくとも１つを含み、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、を含むフィルタユニットが開示される。アミンは、アミン官能化ポリマー、たとえば、ポリスチレンポリマーを含むことができ、ポリスチレンポリマーは、たとえば、ベンジルアミン基を含む。実施形態では、アミンは、本明細書に記載されるようなビーズおよび／または他のユニットの形態である。カルバメートは、エチルアミンと炭酸ジメチルとの間の反応の１つ以上の生成物とすることができる。
実施形態によれば、本明細書において、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料と、たとえば、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料であって、ガス吸着粒子は、ハニカム構造のチャネル内に含まれるか、または基材（たとえば、ハニカム構造を含む）上にコーティングされており、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、を含むフィルタユニットが開示される。
実施形態によれば、本明細書において、たとえば、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料と、たとえば、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着粒子であって、約３５重量％～約５５重量％のアミン（たとえば、粒子）および約４５重量％～約６５重量％のシリカ（たとえば、粒子）を含み、動作の方向において水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、を含むフィルタユニットが開示される。
ＨＶＡＣシステムを使用して客室内の空気を調節するための標準システムを示す。 本明細書に記載の実施形態によるフィルタユニットおよびシステムを示す。 本明細書に記載の実施形態によるフィルタユニットおよびシステムを示す。 本明細書に記載の実施形態によるフィルタユニットおよびシステムの回転ホイール構成を示す。
本明細書において、客室から水（たとえば、湿度）およびガスを除去するための水吸着材料（本明細書では「水吸着剤」とも称する）およびガス吸着材料（本明細書では「ガス吸着剤」とも称する）を有するフィルタユニット、ならびにそのシステムおよび使用方法の様々な実施形態が記載される。本発明は、以下の説明に記載される構成またはプロセスステップの詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施または実行することができる。
本明細書全体を通して「一実施形態」、「ある特定の実施形態」、「１つ以上の実施形態」、または「実施形態」への言及は、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、材料、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体の様々な場所での「１つ以上の実施形態では」、「特定の実施形態では」、「一実施形態では」または「実施形態では」などの句の出現は、必ずしも発明の同一の実施形態を必ずしも参照しない。さらに、特定の特徴、構造、材料、または特性は、１つ以上の実施形態では任意の好適な方法で組み合わせることができる。
本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに他のことを示さない限り、複数の参照を含む。したがって、たとえば、「触媒材料」への言及は、単一の触媒材料、ならびに２つ以上の異なる触媒材料の混合物を含む。
本明細書で使用される場合、測定量に関連する「約」という用語は、測定を行い、測定の目的および測定機器の精度に見合ったレベルの注意を払う当業者によって予想されるような、その測定量の通常の変動を指す。特定の実施形態では、「約」という用語は、「約１０」が９～１１を含むように、記載された数±１０％を含む。
測定量に関連する「少なくとも約」という用語は、測定を行い、測定の目的および測定機器の精度に見合ったレベルの注意を払う当業者によって予想されるような、その測定量の通常の変動、ならびにそれよりも高い任意の量を指す。特定の実施形態では、「少なくとも約」という用語は、列挙された数から１０％を引いた数、および「少なくとも約１０」が９および９より大きいものを含むようなより高い任意の量を含む。この用語は「約１０以上」と表現することもできる。同様に、「約～未満」という用語は、典型的には、記載された数に１０％を加えたものを含み、「約１０未満」が１１および１１未満のものを含むようにそれより少ない量を含む。この用語は、「約１０以下」と表現することもできる。
特に明記しない限り、全ての部およびパーセントは、重量による。別段の定めがない限り、「重量パーセント（ｗｔ％）」は、いかなる揮発性物質も含まない組成物全体、すなわち乾燥固形分に基づく。
本明細書の開示は、特定の実施形態を参照して記載されているが、これらの実施形態は、本発明の原理および用途の単なる例示であることを理解されたい。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、組成物および方法に対して様々な修正および変更がなされ得ることが、当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にある修正および変更を含むことが意図される。
フィルタユニットおよびシステム
本明細書に記載のフィルタユニットは、とりわけ、閉鎖空間内の空気から水およびガス（たとえば、ＣＯ２）を除去するのに有用である。閉鎖空間は、車両、飛行機、ヘリコプターまたは宇宙船の客室を含むがこれらに限定されない客室であり得る。車両という用語は、たとえば、閉鎖された客室を有する任意の移動する輸送手段を包含する。実施形態では、車両は、自動車、バン、バス、電車、トラック、または潜水艦である。車両（たとえば、自動車）は典型的には、ＨＶＡＣシステムを使用して、客室内の空気を調節および再循環させる。
４人の乗員がいて、外気が循環していない客室では、閉鎖空間内のＣＯ２濃度は、少なくとも毎分３００パーツパーミリオン（ｐｐｍ）の割合で増加することができる。約１０分後に、客室の空気のＣＯ２濃度は、２，５００ｐｐｍより高くすることができる。３０分後、ＣＯ２濃度は、屋内の推奨ＣＯ２濃度限界である１０００ｐｐｍを危険なほど超える約４，０００ｐｐｍに達することができる。適度に高いＣＯ２レベルでさえも、ヒトの認知機能に実質的な影響を与え得る。
典型的な車両循環システム１００が図１に示されている。ＨＶＡＣシステム１０５は、客室１１０内の空気を加熱、換気、および冷却する。客室の空気は、再循環ライン１１５を介して再循環され、新鮮な外気は、空気入口ライン１２０を介してＨＶＡＣシステムに導入される。ポンプ（図示せず）は典型的には、新鮮な空気を吸い込み、それを調節のためのＨＶＡＣシステムに転送するために使用される。
実施形態によれば、本明細書において、空気から水およびガスを除去するためのフィルタユニットが開示される。フィルタユニットは、水吸着材料を含むことができる。水吸着材料は、乗客１人あたり約０．０５Ｌ～約３０Ｌ、または約０．１Ｌ～約２０Ｌ、または約０．５Ｌ～約１５．０Ｌ、または乗客１人あたり少なくとも約０．１Ｌ、少なくとも０．４Ｌ、または少なくとも約０．６Ｌ、または少なくとも約０．８Ｌ、または少なくとも約１．０Ｌの量で存在することができる。フィルタユニットは、ガス吸着材料をさらに含む。ガス吸着材料は、乗客１人あたり約０．１Ｌ～約３５Ｌ、または約０．５Ｌ～約３０Ｌ、または約１．０Ｌ～約２５Ｌ、または約２．０Ｌ～約２０．０Ｌ、または乗客１人あたり少なくとも約０．５Ｌ、または少なくとも約１．０Ｌ、または少なくとも約２．０Ｌ、または少なくとも約２．４Ｌ、または少なくとも約３．０Ｌ、または少なくとも約４．０Ｌ、または少なくとも約５．０Ｌの量で存在することができる。実施形態によれば、ガス吸着材料は、動作の方向において水吸着材料の下流に位置付けることができる。水吸着材料対ガス吸着材料の重量比は、約１：１０～約１：１、または約１：４～約１：１、または約１：２、または約１：３、または約１：４、または約１：５、または約１：６とすることができる。
実施形態によれば、本明細書に記載のフィルタユニットは、２つの吸着ラインを含むことができ、各吸着ラインは、図３に関してより詳細に記載されるように、水吸着材料およびガス吸着材料を有する。なお、単一のフィルタユニットは、２つの吸着ラインを持つことができる一方で、それぞれが単一の吸着ラインを含む一対の吸着フィルタユニットは同等であり、同じように機能することができる。各吸着ラインにおいて、ガス吸着材料は、動作の方向において水吸着材料の下流に位置付けることができる。
実施形態によれば、水吸着材料は、乗客１人あたり約０．０５Ｌ～約１５．０Ｌ、または約０．１Ｌ～約１０．０Ｌ、または約０．２５Ｌ～約７．５Ｌ、または乗客１人あたり少なくとも約０．１Ｌ、少なくとも約０．２Ｌ、少なくとも０．３Ｌ、または少なくとも約０．４Ｌ、または少なくとも約０．５Ｌ、または少なくとも約０．６Ｌの量で存在することができる。ガス吸着材料は、乗客１人あたり約０．１Ｌ～約２０Ｌ、または約０．５Ｌ～約１５Ｌ、または約１．０Ｌ～約１０Ｌ、または乗客１人あたり少なくとも約０．８Ｌ、または少なくとも約０．９Ｌ、または少なくとも約１．０Ｌ、または少なくとも約１．１Ｌ、または少なくとも約１．２Ｌ、または少なくとも約１．３Ｌ、または少なくとも約１．４Ｌ、または少なくとも約１．５Ｌの量で存在することができる。水吸着材料対ガス吸着材料の重量比は、約１：１０～約１：１、または約１：４～約１：１、または約１：４、または約１：２、または約１：３、または約１：４、または約１：５、または約１：６とすることができる。
実施形態では、以下でより詳細に論じられるように、たとえば、複数のユニットの形態の水吸着材料は、シリカ、アルミナ、または金属有機フレームワークのうちの少なくとも１つを含むことができ、ガス吸着材料は、アミン、カルバメート、アタパルジャイト、金属有機フレームワーク（ＭＯＦ）、ゼオライト、活性炭、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、前述のいずれかの表面修飾類似体、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むことができる。以下でより詳細に論じられるように、実施形態によれば、ガス吸着材料は、１つ以上の高表面積支持体上に含浸されたアミンまたはカルバメートの少なくとも１つを含むことができる。
図２は、水吸着材料２０１（たとえば、複数のユニットの形態、充填床内の粒子の形態、コーティングされた基材などを含む任意の適した形態で）およびガス吸着材料２０２（たとえば、複数のユニットの形態、充填床内の粒子の形態、コーティングされた基材などを含む任意の適した形態で）を有する本明細書に記載のフィルタユニット２００およびシステムの実施形態を示している。動作中、調節された空気は、ＨＶＡＣシステム２０５から、ガス吸着材料の上流に位置する水吸着材料２０１に流れ込む。特定の理論に拘束されることなく、ガス吸着材料２０２に入る空気が水吸着材料２０１で少なくとも部分的に乾燥されている場合（すなわち、空気内の水の少なくとも一部分が除去されている場合）、ガス吸着材料２０２の性能を改善することができることが見出された。ガス吸着材料２０２を出る空気は、客室２１０に向けられる。フィルタユニット２００は、ＨＶＡＣシステム２０５に再循環される客室２１０内の空気の湿度およびＣＯ２レベルを維持することができる。新鮮な外気は、空気入口ライン２２０を介してＨＶＡＣシステム２０５に導入することができる。
任意選択で、フィルタユニット２００の吸着材料２０１、２０２は、その場で再生することができる。たとえば、フィルタユニット２００は、各吸着床２０１、２０２に接続された電気ヒータ２０３を含むことができる。再生中、水吸着材料２０１およびガス吸着材料２０２が加熱されている間、再生空気２１１は、再生の方向において、すなわち、ガス吸着材料２０２から水吸着材料２０１において、吸着材料２０１、２０２の上方を通過して、吸着したガスと水を脱着する。脱着した成分を含む空気は、排気ライン２１２を通って出る。他の実施形態では、吸着材料を直接加熱する代わりに、再生空気２１１を加熱し、吸着材料の上方を通過させて、ガスおよび水を脱着することができる。しかしながら、再生空気２１１を加熱するのではなく、吸着材料２０１、２０２を直接加熱すると、エネルギー消費が少なくなり、電気自動車のバッテリーの寿命を延ばすことができると考えられている。
実施形態では、フィルタユニット２００は、任意選択で、各吸着床２０１、２０２の飽和を検出するための、または客室の空気中もしくはＨＶＡＣシステム２０５を出る空気中の水およびＣＯ２のレベルを検出するための、少なくとも１つのセンサ（図示せず）を含むことができる。吸着床２０１、２０２が飽和しているとセンサが判断すると、フィルタユニットは、再生モードに切り替わる。
さらなる実施形態によれば、本明細書に記載のフィルタユニットは、連続動作のために構成することができる。図３に示されるように、フィルタユニット３００は、一対の水吸着材料３０１Ａ、３０１Ｂを含むことができる（たとえば、複数のユニットの形態、充填床内の粒子の形態、コーティングされた基材などを含む任意の適した形態で）および一対のガス吸着材料３０２Ａ、３０２Ｂ（たとえば、複数のユニットの形態、充填床内の粒子の形態、コーティングされた基材などを含む任意の適した形態で）を含むことができる。当業者は、それぞれが単一の吸着ラインを有する２つのフィルタユニットが、２つの吸着ラインを有する１つのフィルタユニットと同一に機能することができることを認識するであろう。フィルタユニット３００は、水吸着材料３０１Ａおよびガス吸着材料３０２Ａが、ＨＶＡＣ３０５から分配された空気から水およびガスを除去するように動作することを可能にする一方で、水吸着材料３０１Ｂおよびガス吸着材料３０２Ｂは再生される。次に、水吸着材料３０１Ａおよびガス吸着材料３０２Ａのうちの少なくとも１つが使用されると、水吸着材料３０１Ｂおよびガス吸着材料３０２Ｂが動作して、ＨＶＡＣ３０５から分配される空気から水およびガスを除去する。同時に、再生空気３１１Ａをガス吸着材料３０２Ａに導入し、それを水吸着材料３０１Ａに流すことにより、水吸着材料３０１Ａおよびガス吸着材料３０２Ａを再生し、脱着したガスおよび水を含む空気を排気ライン３１２Ａから流して車外に空気を排出する。吸着材料は、図３に示すように電気ヒータ３０３を使用して熱を加えることによって、または上記のように再生空気を加熱することによって再生することができる。水吸着材料３０１Ｂおよびガス吸着材料３０２Ｂを同様に再生することができる。
さらに別の実施形態では、フィルタユニットは、ハウジングおよびハウジング内の複数のセクターを有する回転吸着装置を含むことができる。複数のセクターは、複数の吸着床を形成することができる。吸着床のうちの少なくとも１つは、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料を含むことができる。吸着床のうちの少なくとも１つは、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料を含むことができる。水吸着材料およびガス吸着材料は、ガスの流路が動作中に各吸着床の上方を通過でき、再生空気の向流流路が再生中に各吸着床の上方を通過できるように、回転吸着部内に配置することができる。
実施形態によれば、フィルタユニットは、図４に示されるような回転吸着装置４００とすることができる。回転吸着装置４００は、４つのセクター４０１Ａ、４０１Ｂ、４０１Ｃおよび４０１Ｄを有するホイールの形態とすることができる。２つのセクター４０１Ａ、４０１Ｂは、吸着用に確保することができ、２つのセクター４０１Ｃ、４０１Ｄは再生用に確保することができる。
ホイール４００の各セクター４０１Ａ、４０１Ｂ、４０１Ｃ、４０１Ｄは、水吸着材料およびガス吸着材料（図示せず）で満たすことができる。水吸着材料は、ディスクの形をした充填床内の粒子の形態をすることができる。ガス吸着材料はまた、ディスクの形をした充填床内の粒子の形態とすることができる。たとえば、ディスクの形をした２つのハニカム支持体は、吸着材料で充填またはコーティングすることができる。ガス吸着材料を含むディスクは、水吸着材料を含むディスクに隣接して平行に位置付けることができる。
ＨＶＡＣシステム４０５からの流出物４０６は、セクター４０１Ａおよび４０１Ｂの第１側に入り、水吸着材料を横切って流れ、続いてガス吸着材料を横切って流れることができる。セクター４０１Ａおよび４０１Ｂからの流出物４０７は、客室４１０に流入することができる。同様に、再生ガス４１１Ａ、４１１Ｂは、セクター４０１Ｃおよび４０１Ｄの反対側、すなわち、ガス吸着材料を含むホイールの側に入ることができる。再生ガスは、ガス吸着材料の上方を通過し、次に水吸着材料の上方を通過し、車両の外側にライン４１２Ａ、４１２Ｂを通って排出される。再生ガスは、回転吸着装置４００に入る前に加熱することができ、または吸着材料は、直接加熱することができる。必要に応じて、再生後に吸着剤を冷却するために、小さな冷却セクター（図示せず）を任意選択で追加され得る。
回転吸着装置４００を通る流れの配置は、ホイール内に向流接触効果を生み出すことができる。そのような流れの配置では、流れの構成がガスをセクター４０１Ａからセクター４０１Ｂに移動させる一方で、ホイールの回転は、吸着剤をセクター４０１Ｂからセクター４０１Ａに移動させることができる。同様の向流接触パターンは、再生セクター４０１Ｃと４０１Ｄとの間で発生することかできる。他の実施形態では、ホイールは、吸着されるガスを有する大部分と、再生のための小さな向流加熱ゾーンとで循環する。
実施形態によれば、回転吸着装置は、対称構成に配置された２つのホイール（図示せず）および互いの鏡像を有することができる。２つのホイールのそれぞれは、吸着用に確保された２つのセクターと、再生用に確保された２つのセクターを有する。必要に応じて、再生後に吸着剤を冷却するために、任意選択で小さな冷却セクターを追加してもよい（図示せず）。２つのホイールを統合することができ（すなわち、それらの間の流れを結合することができ）、その結果、向流接触パターンを達成することができる。
さらなる実施形態によれば、本明細書において、本明細書に記載されるような少なくとも１つのフィルタユニットを含むシステムが開示される。実施形態では、フィルタユニットは、電気自動車換気システムの構成要素とすることができる。そのようなシステムは、客室、客室内の空気の質を維持するためのＨＶＡＣシステム、バッテリー、および本明細書に記載される少なくとも１つのフィルタユニットを含むことができる。実施形態では、フィルタユニットは、客室内の湿度および二酸化炭素レベルを維持し、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料および充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料を含む。実施形態によれば、ガス吸着材料は、動作の方向において水吸着材料の下流に位置付けることができる。少なくとも１つのフィルタユニットは、フィルタユニットがない場合と比較して、電気自動車のバッテリーの寿命を約１％～約１０％、または約２％～約１５％、または約５％～約２０％、または約１％～約２０％、または約２％～約１８％、または約５％～約１５％、または約８％～約１２％増加させるように動作可能である。実施形態では、少なくとも１つのフィルタユニットはまた、フィルタユニットがない場合と比較して、ＨＶＡＣシステムの電力消費を約１％～約１０％、または約２％～約１５％、または約５％～約２０％、または約１％～約２０％、または約２％～約１８％、または約５％～約１５％、または約８％～約１２％減少させるように動作可能である。
さらなる実施形態では、本明細書において、客室、客室内の空気品質を維持するためのＨＶＡＣシステム、および客室内の湿度および二酸化炭素レベルを維持するための本明細書に記載の少なくとも１つのフィルタユニットを含む自動車換気システムが開示される。フィルタユニットは、２つの吸着ラインを含むことができ、各吸着ラインは、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料と、充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料とを有する。実施形態では、ガス吸着材料は、動作の方向において水吸着材料の下流にある。いくつかの実施形態では、ヒータは、各吸着ラインの各充填床に結合されている。
水吸着材料
実施形態によれば、フィルタユニットは、水吸着材料を含む。実施形態では、水吸着材料は、複数のユニットの形態とすることができる。複数のユニットは、粉末、ビーズ、押出物、タブレット、ペレット、凝集物、顆粒、およびそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。実施形態では、複数のユニットは、円形、球形、球体、楕円形、規則的な顆粒、不規則な顆粒、およびそれらの組み合わせである形状を有する。実施形態では、水吸着材料は、充填床内の複数のユニット（たとえば、粒子またはビーズ）の形態とすることができる。
複数のユニットのサイズおよび形状は、水収着と圧力降下に影響を与える可能性がある。複数のユニットは、約０．０５ｍｍ～約１０ｍｍ、または約０．１ｍｍ～約５ｍｍ、または約０．５ｍｍ～約４ｍｍ、または約１ｍｍ～約３．５ｍｍ、または１ｍｍ超～約３．３ｍｍ、または約１．６ｍｍ～約３．３ｍｍのサイズを有することができる。実施形態では、複数のユニットは、約１０ｍｍ未満、約５．０ｍｍ未満、約３．０ｍｍ未満、約２．５ｍｍ未満、約２．０ｍｍ未満、約１．５ｍｍ未満、約１．０ｍｍ未満、約０．５ｍｍ未満、約０．１ｍｍ未満、または約０．０５ｍｍ未満である。さらに別の実施形態では、複数のユニットは、約０．０５ｍｍ～約６．０ｍｍ、または約０．１ｍｍ～約４ｍｍ、または約０．５ｍｍ～約２ｍｍの平均サイズを有する。実施形態では、１．０ｍｍ超～約３．３ｍｍのサイズを有する複数のユニットは、水吸着材料に特に適している。さらに、収着と脱着の動力学は、吸着剤の機能に影響を与える可能性がある。
実施形態では、水吸着材料は、水に親和性を有する高多孔性かつ高表面積の材料および非常に高い表面積の材料から形成することができる。実施形態では、水吸着材料は、限定されないが、シリカ、アルミナ、金属有機フレームワーク（ＭＯＦ）、チタノシリケート、ハイドロタルサイト、ゼライト、硫酸カルシウム、超吸収性ポリマーまたはそれらの組み合わせを含むことができる。実施形態によれば、水吸着材料は、シリカまたはシリカおよびアルミナビーズを含み、フィルタユニット内の水吸着材料として適した高多孔性かつ高表面積を有する。さらに、ＭＯＦは、フィルタユニット内の水吸着材料として適した非常に高表面積の材料である。
実施形態によれば、水吸着剤は、支持体内に堆積、コーティング、または含浸させることができる。水吸着材料に適した支持材料には、シリカ、アルミナ、チタニア、粘土、アタパルジャイト、ベントナイト、ポリマー、超吸収性ポリマー、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。実施形態では、支持材料は、約０．０５ｃｃ／ｇ～約１００ｃｃ／ｇ、または約０．１ｃｃ／ｇ～約５０ｃｃ／ｇ、または約０．４５ｃｃ／ｇ～約２５ｃｃ／ｇの細孔容積を有することができる。実施形態によれば、支持材料は、約０．０５ｃｃ／ｇ超、または約０．１ｃｃ／ｇ超、または約０．５ｃｃ／ｇ超、または約０．８ｃｃ／ｇ超の細孔容積を有することができる。そのような細孔容積は、支持体が、細孔を完全に満たすことなく、たとえば、かなりの量の吸着顆粒を保持することを可能にする。
実施形態によれば、水吸着材料は、不織布媒体材料の層上にコーティングされ、および／またはその中に含むことができ、その層は、波形またはプリーツにすることができる。たとえば、不織布媒体材料は、本明細書に記載されるような基材であり得る。適した不織布媒体材料には、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、セルロース繊維、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。不織布媒体材料は、約５００ｃｍ２～約２，０００ｃｍ２、または約７５０ｃｍ２～約１，０００ｃｍ２、または約８５０ｃｍ２～約９５０ｃｍ２、または約１００ｃｍ２、または５００ｃｍ２、または約９００ｃｍ２、または約１２００ｃｍ２、または約１，６００ｃｍ２、または約１００ｃｍ２～１０，０００ｃｍ２、約２００ｃｍ２～約９，０００ｃｍ２、または約３００ｃｍ２～約８，０００ｃｍ２、または約４００ｃｍ２～約７，０００ｃｍ２、または約５００ｃｍ２～約６，０００ｃｍ２、または約１，０００ｃｍ２～約５，０００ｃｍ２、または約２，０００ｃｍ２～約４，０００ｃｍ２の断面積、または前述の範囲のいずれか１つ内の任意の特定の正方形面積、たとえば、約１００ｃｍ２、または約５００ｃｍ２、または約１，０００ｃｍ２、または約５，０００ｃｍ２、または約１０，０００ｃｍ２の面積を有することができる。
さらなる実施形態では、水吸着材料（たとえば、粒子などの複数の基材）を、ハニカム構造の表面および／または壁にコーティングすることができ、および／またはハニカム構造のチャネル内に含めることができる。ハニカム構造に適した材料には、セラミック、コーディエライト、アルミニウム、ポリプロピレン、ボール紙、ノーメックス、フェクラロイ、鋼、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。セラミック材料の例には、コーディエライト、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、ムライト、スポジュメン、アルミナ－シリカ－マグネシアまたはケイ酸ジルコニウムが含まれる。実施形態によれば、ハニカム構造は、約０．１インチ～約１．５インチ、または約０．５インチ～約１．２５インチ、または約０．２５インチ～約１インチの直径または幅を有するチャネルを有することができる。スクリーンまたは不織布材料を使用して、ハニカム構造内に水吸着材料（たとえば、粒子などの複数のユニット）を保持することができる。スクリーンに適した材料には、セラミック、コーディエライト、アルミニウム、ポリプロピレン、ボール紙、ノーメックス、フェクラロイ、鋼、ステンレス鋼、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。実施形態では、水吸着材料（たとえば、粒子などの複数のユニット）が基材上にコーティングされる。たとえば、水吸着粒子は、基材上にウォッシュコートすることができる。ウォッシュコートは、約０．５ｇ／ｉｎ３～約１０ｇ／ｉｎ３、または約０．７５ｇ／ｉｎ３～約７．５ｇ／ｉｎ３、または約１ｇ／ｉｎ３～約６ｇ／ｉｎ３、または約１ｇ／ｉｎ３超、または約２ｇ／ｉｎ３超、または約３ｇ／ｉｎ３超の量の水吸着材料を含むことができる。実施形態によれば、基材上のウォッシュコートは、約１．０ｍｍ未満、または約０．７５ｍｍ未満、または約０．５ｍｍ未満、または約０．２５ｍｍ未満、または約０．２ｍｍ未満、約０．１５ｍｍ未満、または約０．１ｍｍ未満の厚さを有することができる。基材は、ハニカム構造、発泡体または不織布媒体のうちの少なくとも１つを含み得る。さらなる実施形態では、水吸着粒子は、押し出されたハニカム構造を形成することができる。ハニカム構造は、当業者に知られている任意の適した方法に従って押し出すことができる。実施形態によれば、ハニカム構造は、約５０セル／ｉｎ２～約６００セル／ｉｎ２、または約１００セル／ｉｎ２～約５００セル／ｉｎ２、または約２００セル／ｉｎ２～約４５０セル／ｉｎ２、または約２３０セル／ｉｎ２～約４００セル／ｉｎ２（約６４ｃｐｓｉ～約６００ｃｐｓｉの範囲）のセル密度を有することができる。
ガス吸着材料
実施形態によれば、フィルタユニットは、ガス吸着材料を含む。ガス吸着材料は、充填床内の粒子の形態（たとえば、顆粒、粉末、ビーズ、マトリックス、押出物など）とすることができる。ガス吸着材料は、本明細書ではＣＯ２吸着剤の形態で説明されるが、他のタイプのガス、たとえば、メタン、一酸化炭素、または臭気ガスなどの客室に典型的に存在するガスを吸着するように構成された吸着剤を、ＣＯ２吸着剤の代わりにまたはＣＯ２吸着剤に加えて使用することができることを理解されたい。
実施形態では、ガス吸着材料は、アミン、カルバメート、アタパルジャイト、金属有機フレームワーク（ＭＯＦ）、ゼオライト、活性炭、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、前述のいずれかの表面修飾類似体、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むことができる。実施形態では、ガス吸着材料は、本明細書に記載されるように、支持体（たとえば、アルミナ）上にアルカリ金属酸化物、たとえば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を含む。実施形態によれば、アミンは、アミン官能化ポリマー、たとえば、ポリスチレンポリマーを含み、ポリスチレンポリマーは、たとえば、ベンジルアミン基を含む。特定の実施形態では、アミン官能化ポリマー（たとえば、ベンジルアミン基を有するポリスチレンを含む）は、最大約５０，０００Ｄａ、または最大約２５，０００Ｄａ、または最大約１５，０００Ｄａ、または最大約１０，０００Ｄａ、または最大約５，０００Ｄａ、または約１，０００Ｄａ～約５０，０００Ｄａ、または約２，５００Ｄａ～約１０，０００Ｄａ、または約２，５００Ｄａ～約１５，０００Ｄａ、または約２，５００Ｄａ～約２５，０００Ｄａ、または約２，５００Ｄａ～約５０，０００Ｄａの分子量を有することができる。実施形態では、ガス吸着材料は、本明細書に記載されるように、支持体（たとえば、アルミナ）上にアルカリ土類酸化物、たとえば、酸化バリウム（ＢａＯ）を含む。実施形態では、カルバメートは、エチルアミンと炭酸ジメチルとの間の反応の１つ以上の生成物を含む。実施形態では、アルカリ金属酸化物は、以下のアルカリ金属のうちの少なくとも１つを含む。リチウム、カリウム、ナトリウム、ルビジウムおよびセシウム。実施形態では、アルカリ土類金属酸化物は、以下のアルカリ土類金属のうちの少なくとも１つを含む。バリウム、ストロンチウム、カルシウム、ベリリウム、マグネシウムおよびラジウム。
さらなる実施形態では、ガス（たとえば、ＣＯ２）吸着剤は、高表面積支持体に含浸されたアミンから形成することができる。高級エチルアミンとカルバミン酸ジメチル（ＤＭＣ）との反応から形成されるアミンを含む吸着剤は、適したガス吸着材料の例である。吸着剤は、高細孔容積のシリカと一緒に顆粒に形成することができる。アミンはまた、予め形成された粒子（たとえば、顆粒、粉末、ビーズ、押出物、マトリックスなど）に、後含浸され得る。
特定の実施形態では、ガス吸着材料は、約１０％～約６５％のアミン、または約２０％～約６０％のアミン、または約３５％～約５５％のアミン、または約４０％～約５０％のアミン、または約３５％のアミン、または約４０％のアミン、または約４５％のアミン、または約５０％のアミンを含み得、ガス吸着材料は、約２０％～約７５％のアミン、または約３０％～約７０％のアミン、または約４０％～約６５％のアミン、または約５０％～約６０％のアミン、または約４５％のアミン、または約５０％のアミン、または約５５％のアミン、または約６０％のアミンを含み得る。特定の実施形態では、ガス吸着材料は、約４５％のアミンおよび約５５％のシリカを含み得る。特定の実施形態では、ガス吸着粒子は、約３５重量％～約５５重量％のアミン（たとえば、粒子）および約４５重量％～約６５重量％のシリカ（たとえば、粒子）、または約４０重量％～約５０重量％のアミン（たとえば、粒子）および約５０重量％～約６０重量％のシリカ（たとえば、粒子）、または約４５重量％のアミン（たとえば、粒子）および約５５重量％のシリカ（たとえば、粒子）を含む。
特定の実施形態では、ガス吸着材料は、１つ以上の高表面積支持体に含浸されたアミンおよび／またはカルバメートのうちの少なくとも１つを含むことができる。実施形態では、アミンは、アミン官能化ポリマー、たとえば、ポリスチレンポリマーを含むことができ、ポリスチレンポリマーは、たとえば、ベンジルアミン基を含む。カルバメートは、エチルアミンと炭酸ジメチルとの間の反応の１つ以上の生成物とすることができる。
粒子のサイズおよび形状は、ＣＯ２の吸着および圧力降下に影響を与える可能性がある。粒子は、約０．０５ｍｍ～約１０ｍｍ、または約０．１ｍｍ～約５ｍｍ、または約０．５ｍｍ～約２ｍｍのサイズを有する顆粒の形態とすることができる。実施形態では、約０．５ｍｍ～約２ｍｍのサイズを有する顆粒は、ＣＯ２を吸着するのに特に適している。さらに、吸着と脱着の動力学は、吸着剤の機能に影響を与える可能性がある。
実施形態によれば、ガス吸着剤は、支持材料内に堆積、コーティング、または含浸させることができる。ガス吸着剤に適した支持材料には、シリカ、アルミナ、チタニア、粘土、アタパルジャイト、ベントナイト、ポリマー、超吸収性ポリマー、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、およびそれらの組み合わせを含めることができるが、これらに限定されない。実施形態では、支持材料は、約０．０５ｃｃ／ｇ～約１００ｃｃ／ｇ、または約０．１ｃｃ／ｇ～約５０ｃｃ／ｇ、または約０．５ｃｃ／ｇ～約２５ｃｃ／ｇの細孔容積を有することができる。実施形態によれば、支持材料は、約０．０５ｃｃ／ｇ超、または約０．１ｃｃ／ｇ超、または約０．５ｃｃ／ｇ超、または約０．８ｃｃ／ｇ超の細孔容積を有することができる。そのような細孔容積は、支持体が細孔を完全に満たすことなく、かなりの量の吸着顆粒を保持することを可能にする。細孔径は、アミンが存在する場合でも細孔への迅速な拡散を提供するように選択される。細孔径は、約５０Å～約２００Å、または約７５Å～約１７５Å、または約１００Å～約１５０Åとすることができる。特定の実施形態では、細孔径は、少なくとも約１２０Å、または少なくとも約１３０Å、または少なくとも約１４０Å、または少なくとも約１５０Å、または少なくとも約１６０Å、または少なくとも約１７０Å、または少なくとも約１８０Å、または少なくとも約１９０Å、または少なくとも約２００Åとすることができる。
吸着粒子に、または吸着剤を含むコーティングに強度を与えるために、様々な結合剤を使用し得る。これらの結合剤は、スチレンアクリルポリマーなどの有機物とすることができ、またはケイ酸ナトリウムなどの無機物とすることができる。ガス吸着材料はまた、フィブリル化ポリマー繊維を含み得る。たとえば、ガス吸着材料は、フィブリル化テフロン繊維を使用して形成されて、モノリスに成形され得るフィルムを形成することができる。
実施形態によれば、ガス吸着粒子は、不織布媒体材料の層内に含まることができ、その層は波形にすることができる。適した不織布中間材料には、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、セルロース繊維、またはそれらの組み合わせを含めることができるが、これらに限定されない。媒体材料は、約１００ｃｍ２～約１６００ｃｍ２の断面積を有することができる。さらなる実施形態では、ガス吸着粒子は、ハニカム構造のチャネル内に含まれることができる。フィルタユニットは、ハニカム構造内にガス吸着粒子を保持するためのスクリーンまたは不織布材料を含むことができる。適したスクリーン材料には、ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、セルロース繊維、ステンレス鋼、またはそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。さらなる実施形態では、ガス吸着粒子は、基材上にコーティングすることができる。たとえば、ガス吸着粒子は、基材上にウォッシュコートすることができる。ウォッシュコートは、約０．５ｇ／ｉｎ３～約１０ｇ／ｉｎ３、または約０．７５ｇ／ｉｎ３～約７．５ｇ／ｉｎ３、または約１ｇ／ｉｎ３～約６ｇ／ｉｎ３、または約１ｇ／ｉｎ３超、または約２ｇ／ｉｎ３超、または約３ｇ／ｉｎ３超の量のガス吸着材料を含むことができる。実施形態によれば、基材上のウォッシュコートは、約１．０ｍｍ未満、または約０．７５ｍｍ未満、または約０．５ｍｍ未満、または約０．２５ｍｍ未満、または約０．２ｍｍ未満、約０．１５ｍｍ未満、または約０．１ｍｍ未満の厚さを有することができる。
基材は、ハニカム構造、発泡体または不織布媒体のうちの少なくとも１つを含むことができる。実施形態によれば、ガス吸着粒子は、押し出されたハニカム構造を形成する。実施形態では、ハニカム基材は、押し出され、乾燥され、そしてか焼され、たとえば、上記のようなセラミック材料から作製することができる。実施形態によれば、ハニカム構造は、約５０セル／ｉｎ２～約６００セル／ｉｎ２、または約１００セル／ｉｎ２～約５００セル／ｉｎ２、または約２００セル／ｉｎ２～約４５０セル／ｉｎ２、または約２３０セル／ｉｎ２～約４００セル／ｉｎ２（約６４ｃｐｓｉ～約６００ｃｐｓｉの範囲）のセル密度を有することができる。
フィルタユニットを使用する方法
実施形態によれば、本明細書において、上記のようなフィルタユニットを使用する方法が開示される。実施形態では、使用方法は、フィルタユニットの吸着ラインを動作させることであって、吸着ラインが、充填床内の水吸着粒子の形態の水吸着材料および充填床内のガス吸着粒子の形態のガス吸着材料を含む、動作させることを含むことができる。実施形態では、ガス吸着材料は、動作の方向において水吸着材料の下流に位置付けることができる。動作中、吸着剤は、周囲の空気、たとえば客室の調節された空気から水およびガスを吸着する。使用方法はさらに、フィルタユニットの吸着剤を再生することを含む。再生中、吸着ラインは、水吸着材料およびガス吸着材料から水およびガスを脱着する。実施形態では、水吸着材料およびガス吸着材料のそれぞれは、吸着材料が飽和しているかどうかを検出するためのヒータおよび／またはセンサに取り付けることができる。ヒータは、吸着材料を再生するため、または再生空気を予熱するために使用することができる。センサは、吸着剤が飽和しているかどうかを決定するために使用することができるか、または車室の空気中の湿度およびＣＯ２レベルを監視することができる。
実施形態では、使用方法は、フィルタユニットの第１の吸着ラインを動作させることであって、第１の吸着ラインが、第１の水吸着材料（たとえば、複数のユニットの形態、充填床内の粒子の形態、コーティングされた基材などを含む任意の適した形態で）および第１のガス吸着材料（たとえば、複数のユニットの形態、充填床内の粒子の形態、コーティングされた基材などを含む任意の適した形態で）を含む、動作させることを含む。実施形態では、第１のガス吸着材料は、動作の方向において第１の水吸着材料の下流に位置付けることができる。第１の水吸着材料および第１のガス吸着材料は、ＨＶＡＣシステムから排出された空気から水およびガスを吸着する。使用方法はさらに、フィルタユニットの第２の吸着ラインを再生することであって、第２の吸着ラインが、充填床内の水吸着粒子の形態の第２の水吸着材料を含む第２の吸着ラインおよび充填床内のガス吸着粒子の形態の第２のガス吸着材料を含む、再生することを含む。実施形態では、第２のガス吸着材料は、再生の方向において第２の水吸着材料の上流に位置付けることができる。再生中、第２の吸着ラインは、第２の水吸着材料および第２のガス吸着材料から水およびガスを脱着する。実施形態によれば、第１の吸着ラインおよび第２の吸着ラインのそれぞれの各充填床は、吸着剤を加熱して脱着を開始するヒータに接続されている。実施形態では、再生は、外気（すなわち、再生空気）を第２のガス吸着材料および第２の水吸着材料の上方を通過させることと、脱着したガスおよび脱着した水を含む外気を外部雰囲気に排出することと、を含むことができる。あるいは、吸着剤の上方を通過する前に再生空気を予熱することもできる。
実施形態によれば、第１の吸着ラインを動作させることと、第２の吸着ラインを再生することとは、同時に行うことができ、第２の吸着ラインの再生が終了すると、第１の吸着ラインの再生が必要になるまでアイドル状態のままにすることができる。実施形態では、第１の吸着ラインが動作を完了して再生を開始すると、第２の吸着ラインが動作を開始し、次に、第２の吸着ラインの吸着剤のうちの少なくとも１つが飽和すると、そのプロセスが逆になる。
実施形態によれば、本明細書に記載のフィルタユニットを使用する方法は、約５０℃～約２００℃、または約６０℃～約１９０℃、または約７０℃～約１８０℃、または約８０℃～約１７０℃、または約９０℃～約１６０℃、または約１００℃～約１５０℃、または約５０℃、または約５５℃、または約６０℃、または約６５℃、または約７０℃、または約７５℃、または約１００℃、または約１５０℃、または約２００℃の温度で吸着材料を再生することを含む。再生することは、脱着した水とガスを外部雰囲気に排出することも含まれる。
本明細書に記載のフィルタユニットおよびシステムは、客室内などの閉鎖空間内の空気の湿度およびＣＯ２レベルを維持するために特に有用である。実施形態によれば、単一の吸着ライン（すなわち、１つの水吸着材料および１つのガス吸着材料）を有するフィルタユニットは、図２（上記で説明）に示すように、客室に入る前に、ＨＶＡＣシステムに関連して動作して、ＨＶＡＣにより調節された空気から水およびＣＯ２を除去することができる。実施形態では、そのようなフィルタユニットを使用して車両（たとえば、電気自動車）の客室内の空気を調節する場合、フィルタユニットは飽和するまで動作することができ、飽和すると再生モードに切り替わって、水およびＣＯ２を脱着して外部の大気に排出する。フィルタユニットが再生している間、車両は、フィルタユニットが取り付けられていないかのように動作するとことができ、すなわち、ＨＶＡＣシステムに新鮮な外気を導入することで客室の空気を浄化する。
さらなる実施形態では、本明細書に記載の少なくとも１つのフィルタユニットを動作させて、車両（たとえば、電気自動車）の客室内のＣＯ２レベルを、ＣＯ２毒性レベルよりも十分に下（たとえば、約２０％下）（すなわち、屋内での推奨ＣＯ２濃度限界である１０００ｐｐｍよりも十分に下）に低減させることができる。同様に、フィルタユニットが湿度レベルを約５０％ｒ．ｈ．の標準的な相対湿度よりも十分に下（たとえば、約２０％下）に低減させるために動作することができる。センサは、客室の空気中の湿度およびＣＯ２レベルを検出するために使用することができる。この下限に達すると、フィルタユニットの動作とＨＶＡＣシステムによる新鮮な空気の取り込みが停止してエネルギーを節約し得る。この時点（たとえば、センサで測定したとき）でフィルタユニットが飽和している場合、フィルタユニットを再生することができる。湿度およびＣＯ２レベルの一方または両方が、指定されたターゲット（たとえば、９００ｐｐｍでのＣＯ２および／または５５％ｒ．ｈ．）に達すると、フィルタユニットは、再び空気から湿度およびＣＯ２を除去するように動作させることができる。
さらに別の実施形態では、本明細書に記載の少なくとも１つのフィルタユニットは、所定の動作時間（すなわち、再生が必要とされるまでの時間の長さ）、たとえば、少なくとも１時間、少なくとも２時間、少なくとも３時間、少なくとも４時間、少なくとも５時間、少なくとも６時間、少なくとも７時間、少なくとも８時間、少なくとも１２時間、少なくとも２０時間、または少なくとも２４時間、有効となるようなサイズにすることができる。たとえば、フィルタユニットは、車両が動作中に、車両（たとえば、電気自動車）の客室内の水およびＣＯ２レベルを、許容可能なレベル（たとえば、３００ｐｐｍのＣＯ２および５０％ｒ．ｈ．）に維持するように動作することができる。イグニッションキーを外すか、電気自動車の場合はバッテリーを接続すると、フィルタユニットを再生することができる。車両の電源を切るか電源に接続する前にフィルタユニットが飽和状態になると、フィルタユニットを再生して、フィルタユニットが取り付けられていないかのように（すなわち、新鮮な外気を吸い込むことによって）車両を機能させことができ、または第２のフィルタユニットが取り付けられる場合、第１のユニットが再生されている間に、第２のフィルタユニットが動作を開始することができる。
実施例１－ガス吸着材料
顆粒を、４５重量％のアミンと５５重量％のシリカを組み合わせて直径約１ｍｍのサイズにすることによって形成した。アミンは、ペンタエチレンヘキサミンと炭酸ジメチルを１：１のモル比で反応させることによって形成した。この材料は、空気中の１０００ｐｐｍで７０℃での前再生の後、３０℃で空気中１０００ｐｐｍのＣＯ２に曝露されたときに吸着剤の重量当たりの５．６重量％のＣＯ２の容量を有する。
実施例２－ガス吸着材料
直径が約０．５ｍｍの球状ビーズを形成した（材料の９０％は０．３ｍｍ～１．２５ｍｍの範囲であった）。ビーズは、材料１グラムあたり約０．０１モル（たとえば、０．００８モル～０．０１２モルの範囲）のアミン基を有するベンジルアミン基で官能化されたポリスチレンポリマーから構成されていた（乾燥ベース）。この材料は、空気中の１０００ｐｐｍで７０Ｃでの前再生の後、３０Ｃで空気中１０００ｐｐｍのＣＯ２に曝露されたときに吸着剤の重量当たりの３．０重量％のＣＯ２の容量を有する。
実施例３－水吸着材料
ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３（９７：３）の球状ビーズを調製し、それは、直径約２ｍｍ、表面積約６５０ｍ２／ｇ、細孔容積約０．４５ｃｃ／ｇであった。この材料は、２５℃で１０％の相対湿度で吸着剤の重量あたり４重量％のＨ２Ｏの水蒸気、および２５℃で８０％の相対湿度で４２重量％の水蒸気の平衡容量を有する。
前述の説明は、本発明のいくつかの実施形態の十分な理解を提供するために、特定のシステム、構成要素、方法などの例などの多数の特定の詳細を示している。しかしながら、本発明の少なくともいくつかの実施形態は、これらの特定の詳細なしで実施され得ることが当業者には明らかであろう。他の例では、本発明を不必要に曖昧にすることを回避するために、周知の構成要素または方法は詳細に説明されていない。したがって、記載されている特定の詳細は例示的なものである。特定の実施形態は、これらの例示的な詳細とは異なる場合があり、それでも本発明の範囲内であると考えられる。
本明細書の方法の動作は、特定の順序で説明されているが、各方法の動作の順序は、特定の動作が逆の順序で実行され得るように、または特定の動作が少なくとも部分的に、他の動作と同時に実行され得るように変更され得る。別の実施形態では、別個の動作の命令またはサブ動作は、断続的および／または交互の方法であり得る。
上記の説明は例示を意図したものであり、限定を意図したものではないことを理解されるべきである。上記の説明を読んで理解すると、当業者においては他の多くの実施形態が自明となるであろう。したがって、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲が権利を与えられる均等物の全範囲とともに決定されるべきである。

Claims (52)

  1. フィルタユニットであって、
    ２つの吸着ラインであって、各吸着ラインが、
    水吸着材料と、
    ガス吸着材料であって、
    動作の方向において前記水吸着材料の下流にある、ガス吸着材料と、を含む、２つの吸着ラインと、
    各吸着ラインにおける前記水吸着材料および前記ガス吸着材料に結合されたヒータと、を備える、フィルタユニット。
  2. 前記水吸着材料および前記ガス吸着材料のうちの少なくとも１つが、複数のユニットの形態である、請求項１に記載のフィルタユニット。
  3. 前記複数のユニットが、粉末、ビーズ、押出物、タブレット、ペレット、凝集物、および顆粒のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のフィルタユニット。
  4. 前記複数のユニットが、円形、球形、球体、楕円形、規則的な顆粒、および不規則な顆粒のうちの少なくとも１つの形状を含む、請求項２に記載のフィルタユニット。
  5. 前記複数のユニットが、約０．０５ｍｍ～約１０ｍｍのサイズを有する、請求項２に記載のフィルタユニット。
  6. 前記複数のユニットが、約１０ｍｍ未満のサイズを有する、請求項２に記載のフィルタユニット。
  7. 前記複数のユニットが、約０．０５ｍｍ～約６．０ｍｍの平均サイズを有する、請求項２に記載のフィルタユニット。
  8. 前記水吸着材料および前記ガス吸着材料のうちの少なくとも１つが、充填床内の複数のユニットの形態である、請求項１に記載のフィルタユニット。
  9. 前記水吸着材料および前記ガス吸着材料のうちの少なくとも１つが、不織布媒体材料上にコーティングされていることと、前記不織布媒体材料の層内に含まれていることと、のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載のフィルタユニット。
  10. 前記不織布材料の層が、波形およびプリーツのうちの少なくとも１つである、請求項９に記載のフィルタユニット。
  11. 前記不織布媒体材料が、約１００ｃｍ２～約１０，０００ｃｍ２の断面積を有する、請求項９に記載のフィルタユニット。
  12. 前記水吸着材料および前記ガス吸着材料のうちの少なくとも１つが、ハニカム基材上にコーティングされていることと、前記ハニカム基材のチャネル内に含まれていることと、のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載のフィルタユニット。
  13. 前記水吸着材料および前記ガス吸着材料のうちの少なくとも１つを前記ハニカム構造内に保持するためのスクリーンまたは不織布材料をさらに含む、請求項１２に記載のフィルタユニット。
  14. 前記水吸着材料および前記ガス吸着材料のうちの少なくとも１つが、基材上にコーティングされている、請求項１に記載のフィルタユニット。
  15. 前記基材が、ハニカム構造、発泡体、および不織布媒体のうちの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載のフィルタユニット。
  16. 前記水吸着材料および前記ガス吸着材料のうちの少なくとも１つが、押し出されたハニカム構造であるか、または押し出されたハニカム構造上にコーティングされている、請求項１に記載のフィルタユニット。
  17. 前記ガス吸着材料が、１つ以上の高表面積支持体上に含浸されたアミンおよびカルバメートのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のフィルタユニット。
  18. 前記カルバメートが、エチルアミンと炭酸ジメチルとの間の反応の生成物である、請求項１７に記載のフィルタユニット。
  19. 前記アミンが、アミン官能化ポリマーを含み、任意選択で前記ポリマーが、ポリスチレンポリマーであり、任意選択で前記ポリスチレンポリマーが、ベンジルアミン基を含む、請求項１７に記載のフィルタユニット。
  20. 前記高表面積支持体が、ビーズ、顆粒、および押出物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載のフィルタユニット。
  21. 前記ガス吸着材料が、アミン、カルバメート、アタパルジャイト、金属有機フレームワーク（ＭＯＦ）、ゼオライト、活性炭、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、前述のいずれかの表面修飾類似体、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のフィルタユニット。
  22. 前記アミンが、アミン官能化ポリマーを含み、任意選択で前記ポリマーが、ポリスチレンポリマーであり、任意選択で前記ポリスチレンポリマーが、ベンジルアミン基を含む、請求項２１に記載のフィルタユニット。
  23. 前記カルバメートが、エチルアミンと炭酸ジメチルとの間の反応の１つ以上の生成物を含む、請求項２１に記載のフィルタユニット。
  24. 前記アルカリ金属酸化物が、リチウム、カリウム、ナトリウム、ルビジウム、およびセシウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項２１に記載のフィルタユニット。
  25. 前記アルカリ土類金属酸化物が、バリウム、ストロンチウム、カルシウム、ベリリウム、マグネシウム、およびラジウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項２１に記載のフィルタユニット。
  26. 前記ガス吸着材料が、約３５重量％～約５５重量％のアミンおよび約４５重量％～約６５重量％のシリカ、または約４０重量％～約５０重量％のアミンおよび約５０重量％～約６０重量％のシリカ、または約４５重量％のアミンおよび約５５重量％のシリカを含む、請求項１に記載のフィルタユニット。
  27. 前記複数のユニットが、円形、球形、球体、楕円形、規則的な顆粒、不規則な顆粒、およびそれらの組み合わせである形状を有する、請求項２６に記載のフィルタユニット。
  28. 前記高表面積支持体が、約０．８ｃｃ／ｇ超の細孔容積を含む、請求項１７に記載のフィルタユニット。
  29. 前記高表面積支持体が、約１００Å超の平均細孔径を有する、請求項１７に記載のフィルタユニット。
  30. 前記ガス吸着材料が、１つ以上の結合剤をさらに含む、請求項１に記載のフィルタユニット。
  31. 前記１つ以上の結合剤が、有機結合剤、スチレンアクリルポリマー、無機結合剤またはケイ酸ナトリウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項３０に記載のフィルタユニット。
  32. 前記ガス吸着材料が、フィブリル化ポリマー繊維をさらに含む、請求項１に記載のフィルタユニット。
  33. 前記水吸着材料が、高多孔性かつ高表面積の材料を含む、請求項１に記載のフィルタユニット。
  34. 前記水吸着材料が、シリカ、アルミナ、および金属有機フレームワークのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のフィルタユニット。
  35. 前記水吸着材料に対前記ガス吸着材料の重量比が約１：１０～約１：１である、請求項１に記載のフィルタユニット。
  36. 前記水吸着材料が、乗客１人あたり約０．１Ｌ～乗客１人あたり約１５．０Ｌの量で存在し、前記ガス吸着材料が、乗客１人あたり約０．５Ｌ～乗客１人あたり約２０．０Ｌの量で存在する、請求項１に記載のフィルタユニット。
  37. フィルタユニットであって、
    回転吸着装置であって、
    ハウジングと、
    前記ハウジング内の複数のセクターであって、複数の吸着床を形成する、複数のセクターと、
    前記吸着床の少なくとも１つ内にある水吸着材料と、
    前記吸着床の少なくとも１つ内にあるガス吸着材料と、を備える、回転吸着装置、を備え、
    前記水吸着材料および前記ガス吸着材料が、ガスの流路が動作中に各吸着床の上方を通過でき、再生空気の向流流路が再生中に各吸着床の上方を通過できるように、前記回転吸着装置内に配置されている、フィルタユニット。
  38. システムであって、
    客室と、
    前記客室内の空気の質を維持するための暖房、換気、および空調（ＨＶＡＣ）システムと、
    前記客室内の湿度および二酸化炭素レベルを維持するための、請求項１に記載のフィルタユニットと、を備える、システム。
  39. 前記客室が、車両、飛行機、ヘリコプター、または宇宙船内にある、請求項３８に記載のシステム。
  40. 前記車両が、自動車、バン、バス、列車、トラック、または潜水艦である、請求項３９に記載のシステム。
  41. 電気自動車換気システムであって、
    客室と、
    前記客室内の空気の質を維持するための暖房、換気、および空調（ＨＶＡＣ）システムと、
    バッテリーと
    前記客室内の湿度および二酸化炭素レベルを維持するための、請求項１に記載のフィルタユニットと、を備える、電気自動車換気システム。
  42. 前記フィルタユニットが、前記フィルタユニットがない場合と比較して、前記バッテリーの寿命を約１％～約２０％増加させる、請求項４１に記載の電気自動車換気システム。
  43. 前記フィルタユニットが、前記フィルタユニットがない場合と比較して、前記ＨＶＡＣシステムの電力消費を約１％～約２０％減少させる、請求項４１に記載の電気自動車換気システム。
  44. 自動車換気システムであって、
    客室と、
    前記客室内の空気の質を維持するための暖房、換気、および空調（ＨＶＡＣ）システムと、
    前記客室内の湿度および二酸化炭素レベルを維持するための、請求項１に記載のフィルタユニットと、を備える、自動車換気システム。
  45. フィルタユニットを使用する方法であって、
    前記フィルタユニットの第１の吸着ラインを動作させることであって、前記第１の吸着ラインが、
    第１の水吸着材料と、
    第１のガス吸着材料であって、
    動作の方向において前記第１の水吸着材料の下流にある、第１のガス吸着材料と、を含み、
    前記第１の吸着ラインが、周囲の空気から水およびガスを吸着する、動作させることと、
    前記フィルタユニットの第２の吸着ラインを再生することであって、前記第２の吸着ラインが、
    充填床内の水吸着粒子の形態の第２の水吸着材料と、
    充填床内のガス吸着粒子の形態の第２のガス吸着材料であって、
    再生の方向において前記第２の水吸着材料の上流にある、第２のガス吸着材料と、を含み、
    前記第２の吸着ラインが、前記第２の水吸着材料および前記第２のガス吸着材料から水およびガスを脱着させる、再生することと、を含む、方法。
  46. 前記第１の水吸着材料、前記第１のガス吸着材料、前記第２の水吸着材料、および前記第２のガス吸着材料のそれぞれが、少なくとも１つのヒータに結合されている、請求項４５に記載の方法。
  47. 前記第２の吸着ラインを再生することが、約５０℃～約２００℃の温度にある、請求項４５に記載の方法。
  48. 再生することが、脱着した水およびガスを外部雰囲気に排出することを含む、請求項４５に記載の方法。
  49. 前記第１の吸着ラインを動作させることと、前記第２の吸着ラインを再生することとが同時に行われる、請求項４５に記載の方法。
  50. 前記第２の吸着ラインが再生を終了したとき、前記第２の吸着ラインが、前記第１の吸着ラインが再生を必要とするまでアイドル状態のままである、請求項４５に記載の方法。
  51. 前記第１の吸着ラインが動作を完了して再生を開始し、前記第２の吸着ラインが再生を完了して動作を開始する、請求項４５に記載の方法。
  52. 再生することが、前記第２のガス吸着材料および前記第２の吸水材料の上方に外気を通過させることと、脱着したガスおよび脱着した水を含む前記外気を外部雰囲気に排出することと、を含む、請求項４５に記載の方法。
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