專利名稱：用于車輛乘坐室空氣過濾器的包括活性炭、沸石和Fe離子的組合物的制作方法
用于車輛乘坐室空氣過濾器的包括活性炭、沸石和Fe離子的組合物本發(fā)明涉及用于機(jī)動車輛的通風(fēng)、加熱和/或空調(diào)系統(tǒng)的空氣過濾器中的包括活性炭、沸石和Fe離子的組合物。本發(fā)明進(jìn)一步涉及包括這種組合物的空氣過濾器。乘坐室過濾用于過濾顆粒形式污染 物和氣體污染物。當(dāng)今市場上存在兩種過濾器。首先，顆粒過濾器，其僅針對過濾O. I至10 μ m和更大的空氣顆粒。第二，組合的過濾器，其以兩種方式作用，不僅過濾顆粒，而且還過濾來自乘坐室外或當(dāng)用于通風(fēng)、加熱和/或空調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)氣擋板設(shè)置為循環(huán)時(shí)來自乘坐室本身的氣體和氣味。當(dāng)今，組合的過濾器使用活性炭來凈化空氣的氣體和氣味(通過各種集成方法將這種碳層夾在中間的無紡層)。通常根據(jù)其保留如下四種測試氣體的親合性來選擇使用的活性炭甲苯、正丁烷、二氧化氮和二氧化硫。這些測試主要根據(jù)IS0-11155的部分2進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)描述使用高濃度的四種前述氣體的方法。每次對一種氣體測試過濾性能，而不使用混合物。使用該標(biāo)準(zhǔn)獲得的測試結(jié)果顯示使用的碳與用來評價(jià)過濾器的總體性能的污染物之間的變化的親合性。因此，一些污染物-標(biāo)準(zhǔn)測試氣體或其它氣體-通常僅被使用的碳部分地阻止。此外，隨著活性炭老化，即隨著其吸收污染物，性能以變化的速率降低，因?yàn)樘嫉幕钚圆课槐徽紦?jù)。該降低還根據(jù)測試的碳和氣體，以及碳所經(jīng)受的濕度和溫度條件而變化。為改善空氣過濾器的過濾性能，已經(jīng)建議使用活性炭和沸石兩者。實(shí)際上，一些沸石對于例如醛類的氣體污染物具有優(yōu)良的過濾親合性。這種用途的實(shí)例描述在文獻(xiàn)EP1121978中。其中描述了使用具有Si/Al比為30至190且優(yōu)選為55至90的晶體結(jié)構(gòu)ZSM-5(亦稱Pentasil)的沸石。使用的沸石包括季銨(NH4+)，以改善其對醛類的親合性。其它文獻(xiàn)也討論了將沸石用于過濾溶液。因此，美國專利US 2005075238建議將與碳和鋰混合的沸石用于V0C、CO、CO2的組合的過濾以及除濕的用途。但是，在該文獻(xiàn)中，沸石的唯一功能是除濕，而不是像碳那樣吸收VOC (揮發(fā)性有機(jī)化合物，包括醛類的組)。本申請人已經(jīng)設(shè)法改善顆粒污染物和特別是氣體污染物的過濾。具體地，本申請人已經(jīng)設(shè)法獲得一種過濾最大量氣體污染物的組合物，并以令人滿意的壽命但不降低形成該組合物的各個組分的固有過濾性能而實(shí)現(xiàn)這個。為此進(jìn)行了研究，所述研究在于根據(jù)前述ISO標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)活性炭和新的吸附劑，而且還在于根據(jù)使用一系列低濃度和混合物形式的污染物，同時(shí)仍然監(jiān)控測試溫度和濕度的新方法評價(jià)該活性炭和新的吸附劑。該研究允許模擬例如污染區(qū)域中遇到的使用的實(shí)際條件。從該研究中能夠評價(jià)新的碳的性能，但是其也允許選擇對所選污染物具有特定親合性的沸石。因此，本發(fā)明涉及一種包括活性炭和沸石的組合物，該沸石包括Fe離子。根據(jù)結(jié)果，能夠選擇沸石、離子和活性炭的特定組合。這種特定組合顯示與其多么好地過濾污染物氣體有關(guān)的意外效果。該組合物過濾污染物氣體存在協(xié)同作用。實(shí)際上，與活性炭和沸石的各自效果的總和相比，該組合物提供了更好的對于污染物氣體的過濾效果O有利地，沸石包括O. I至I. 2質(zhì)量％的Fe尚子。有利地，F(xiàn)e離子為鐵離子或亞鐵離子。
有利地，F(xiàn)e離子保持在沸石內(nèi)部。有利地，沸石具有ZSM-5晶體結(jié)構(gòu)。有利地，沸石具有60至20的SiO2Al2O3摩爾比。有利地，沸石具有50至30的SiO2Al2O3摩爾比。有利地，沸石具有40的SiO2Al2O3摩爾比。有利地，沸石是疏水性的。有利地，沸石與活性炭的質(zhì)量比為5至35%。有利地,沸石與活性炭的質(zhì)量比為10至20%。有利地，沸石與活性炭的質(zhì)量比為15%。有利地，活性炭具有1004m2/g的B. E. T.表面積、O. 356cm3/g的微孔體積、O. 422cm3/g的總孔體積和4 6A的中值孔徑。有利地，活性炭具有960m2/g的B. E. T.表面積、O. 344cm3/g的微孔體積、O. 404cm3/g的總孔體積和5 0人的中值孔徑。有利地，沽性炭具有969m2/g的B. E. T.表面積、O. 327cm3/g的微孔體積，O. 346cm3/g的總孔體積和6.8A的中值孔徑。有利地，活性炭為不同的活性炭的混合物。本發(fā)明還涉及一種用于通風(fēng)、加熱和/或空調(diào)系統(tǒng)的空氣過濾器，其包括按照前述特征中的任何一個的組合物。有利地，沸石和活性炭布置在單層中。當(dāng)閱讀如下給出的用于信息目的的說明書以及附圖時(shí)，本發(fā)明的其它特征、細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見，其中-圖I顯示pentasil單元的結(jié)構(gòu)-圖2顯示沸石的結(jié)構(gòu)-圖3顯示在22 °C的溫度和50%的濕度下的甲苯的穿透曲線(breakthroughcurve)-圖4顯示在22°C的溫度和50%的濕度下的正丁烷的穿透曲線-圖5顯示在22°C的溫度和50%的濕度下的二氧化氮的穿透曲線-圖6顯示在22°C的溫度和50%的濕度下的乙醛的穿透曲線-圖7顯示在22°C的溫度和50%的濕度下的硫化氫的穿透曲線-圖8顯示22°C和50%濕度下的硫化氫的其它穿透曲線-圖9顯示本發(fā)明的各個組合物的吸附容量-

圖10顯示在O小時(shí)時(shí)的過濾性能的柱狀圖-圖11顯示在30小時(shí)時(shí)的過濾性能的柱狀圖-圖12顯示在60小時(shí)時(shí)的過濾性能的柱狀圖-圖13顯示包括該組合物的過濾器的視圖-圖14顯示按照第一種變型的圖13的橫截面圖
-圖15顯示按照第二種實(shí)施方案變型的圖13的橫截面圖本發(fā)明的組合物I包括至少兩種吸附劑。組合物I包括第一種吸附劑(沸石2)和第二種吸附劑(活性炭4)。該組合物用于過濾機(jī)動車的通風(fēng)、加熱和/或空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的污染物氣體。更具體地，該組合物用于機(jī)動車的空氣過濾器。沸石2具有ZSM-5晶體結(jié)構(gòu)。這種ZSM-5結(jié)構(gòu)(也被稱為pentasil的結(jié)構(gòu))包括通過氧橋連接在一起的若干pentasil單元6。pentasil單元6包括八個五邊形環(huán)8。這些環(huán)8的頂點(diǎn)由鋁(Al)或硅(Si)形成。氧原子(O)連接所述頂點(diǎn)。因此，沸石ZSM-5包括Al2O3分子和SiO2分子。圖I顯示包括八個環(huán)8的pentasil單元6。 沸石2的所有pentasil 6單元形成籠(cage) 10，其中可以容納離子。根據(jù)本發(fā)明，鐵的離子(以下稱為Fe離子)容納在其中。“Fe離子”應(yīng)理解為表示亞鐵離子(Fe2+離子)和鐵離子(Fe3+離子)。圖2說明通過pentasil單元連接形成籠10。籠的尺寸為5. 4至5 6A (埃)。本發(fā)明的沸石2是疏水性沸石。此外，沸石2具有20至60的SiO2Al2O3比。優(yōu)選，該比為30至50。根據(jù)本發(fā)明，具有40的SiO2Al2O3比的沸石2對于污染物氣體的過濾測試提供最好的結(jié)果。這些結(jié)果將隨后描述。沸石2包括Fe離子。Fe離子和沸石之間的質(zhì)量比為O. I至I. 2%。優(yōu)選地,所述質(zhì)量比為O. 5%。在說明書的其余部分，術(shù)語“沸石”用于具有包括Fe離子的晶體結(jié)構(gòu)ZSM-5的沸石。組合物I由沸石2和活性炭4的顆粒形成。組合物I的粒度為直徑300至600 μ m。特別地，活性炭對于其粒度具有300 μ m的分布模式，且沸石對于其粒度具有600 μ m的分布模式。換言之，活性炭通常具有300 μ m的直徑，而沸石通常具有600 μ m的直徑。選擇沸石和活性炭的直徑值，以允許制造工藝期間均勻的混合和更好的成型。因此，使沸石與活性炭混合不引起額外的壓降或者操作困難。組合物I包括活性炭4。測試兩種不同的活性炭。使用的第一活性炭4a具有以下物理性質(zhì)1004m2/g的B. E. T.表面積,0. 356cm3/g的微孔體積，O. 422cm3/g的總孔體積和4.6A的中值孔徑。使用的第二活性炭4b具有以下物理性質(zhì)960m2/g的B.E.T.表面積，O. 344cm3/g的微孔體積,O. 404cm3/g的總孔體積和5.0A的中值孔徑。圖3至7是說明對于單獨(dú)的活性炭4、單獨(dú)的沸石2和包括所述沸石和活性炭4的組合物的污染物氣體穿透曲線的圖表。穿透曲線說明通過所選擇的一種或多種吸附劑過濾污染物氣體的功效。在y軸上，我們得到包括一種或多種吸附劑的過濾器下游的污染物氣體濃度(Cs)和過濾器上游的污染物氣體濃度(Ce)之間的比。術(shù)語“下游”和“上游”根據(jù)穿過過濾器并攜帶污染物氣體的空氣流的移動方向延伸。因此，污染物氣體濃度越高，通過一種或多種吸附劑吸附污染物氣體的效率越低。在這些圖表中呈現(xiàn)的測試結(jié)果是采用低濃度混合物完成的。在圖3中，污染物氣體為甲苯。活性炭4很好地過濾甲苯，因?yàn)槠錆舛葟奈闯^0.3。單獨(dú)的沸石很明顯不足以過濾甲苯，Cs/Ce比峰值超過I. 2。就根據(jù)本發(fā)明的組合物而論，其比單獨(dú)的活性炭4更加有效地過濾。在圖4中，污染物氣體為正丁烷。該圖表顯示與單獨(dú)的活性炭4或單獨(dú)的沸石相t匕，沸石2和活性炭4的組合對正丁烷的過濾更加有效。更具體地，與活性炭4和沸石2的累加的過濾相比，根據(jù)本發(fā)明的組合物過濾得更好。因此，使活性炭4與沸石2組合存在協(xié)同作用。在圖5中，污染物氣體為二氧化氮(NO2)。單獨(dú)的沸石2或單獨(dú)的活性炭4對二氧化氮過濾的作用顯著小于根據(jù)本發(fā)明的組合物的作用。二氧化氮過濾的結(jié)果顯示在根據(jù)本發(fā)明的組合物中存在協(xié)同作用，以及該組合物并非兩種吸附劑的簡單并置。實(shí)際上，在將吸附劑暴露于包含二氧化氮的空氣流中60小時(shí)之后，組合物I具有低于O. 2的Cs/Ce比，然而沸石2具有聞于O. 8的Cs/Ce比，且活性炭4具有聞于O. 3的Cs/Ce比。在圖6中，污染物氣體為乙醛。組合物I比單獨(dú)的活性炭4或單獨(dú)的沸石2更好地過濾乙醛。同樣地，組合物I具有低于O. 7的Cs/Ce比，然而單獨(dú)的沸石具有O. 7的Cs/Ce比。因此，應(yīng)理解沸石和活性炭4的混合物改善了沸石本身對乙醛的作用。在圖7中，污染物氣體為硫化氫(H2S)。相比于單獨(dú)的沸石2或單獨(dú)的活性炭4的過濾結(jié)果的簡單并置，沸石2和活性炭4的混合物在這種污染物氣體的過濾中顯示了實(shí)質(zhì)的改善。根據(jù)圖3至7，應(yīng)理解使沸石與活性炭混合顯著改善其對于各種污染物氣體的過濾能力的事實(shí)。換言之，與包括一個沸石層和一個活性炭層(其中兩層在過濾器之內(nèi)物理分離)的過濾器相比，根據(jù)本發(fā)明的組合物改善對于污染物氣體的過濾功效。單獨(dú)使用活性炭充分地去除污染物氣體(甲苯、正丁烷、NO2)。沸石對上述氣體的表現(xiàn)要比活性炭差的多，但是其對于醛吸附，且更具體地對于吸附乙醛和硫化氫是有利的。因此，混合這兩種吸附劑提高了吸附材料對于某些特定污染物的功效，同時(shí)保持對于其它污染物的相同性能。因此，雖然添加沸石，但保持了對于甲苯、正丁烷和NO2的相同性能。顯著地改善了對于乙醛的性能。該混合物對H2S也是有效的。那么，該解決方案更好地保護(hù)人類健康 并保持舒適，同時(shí)減少令人討厭的味道。為了不降低活性炭的性能和為了從沸石的添加中受益，沸石的比例必須為5至35質(zhì)量％，優(yōu)選為10至20質(zhì)量％。更優(yōu)選，沸石的比例為15質(zhì)量％。圖8說明對于包括沸石2和第一活性炭4a的第一組合物Ia和包括沸石2和第二活性炭4b的第二組合物Ib的硫化氫(H2S)穿透曲線。雖然第一組合物Ia在30小時(shí)之后對于硫化氫給出優(yōu)良的過濾結(jié)果，但是第二組合物Ib更加有效地過濾。在30小時(shí)之后，第一組合物Ia具有低于O. 4的Cs/Ce比，而第二組合物Ib具有低于O. 2的Cs/Ce比。從這些結(jié)果中顯示用于組合物I的各個吸附劑的選擇慎重進(jìn)行，并基于對污染物氣體的令人信服的過濾結(jié)果。因此，除具有ZSM-5結(jié)構(gòu)且包括Fe離子的沸石2的特定選擇以外，活性炭的選擇甚至更加改善組合物I的吸附劑的協(xié)同作用。實(shí)際上，根據(jù)圖3至8看來沸石2與第二活性炭4b的混合物對測試的所有污染物氣體具有最好的過濾性能。盡管如此，包括沸石2和第一活性炭4a的第一組合物Ia提供比分離的沸石2和活性炭4更好的性能。因此，與單獨(dú)的沸石和單獨(dú)的活性炭相比，這種第一組合物Ia也具有協(xié)同作用。圖9至12說明不同的根據(jù)本發(fā)明的組合物之間的比較結(jié)果。第一組合物Ia包括第一活性炭Ia和沸石2 ;沸石2與第一活性炭Ia的質(zhì)量比為33%。第二組合物Ib包括第二活性炭Ib和沸石2 ;沸石與第二活性炭2a的質(zhì)量比為33%。第三組合物Ic包括第二活性炭Ib和沸石2 ;沸石與第二活性炭2a的質(zhì)量比為15%。
圖9顯示對于各種污染物氣體測試的各個組合物的吸附容量。由此可見第三組合物Ic為具有最好吸附容量的一個，特別是對于乙醛、硫化氫、二氧化氮、正丁烷和甲苯。給出圖10至12的過濾性能結(jié)果的測試是在低濃度(大約幾十μ g/m3，用于機(jī)動車中)下且是混合的。因此，包含待測試的所有污染物氣體的單一空氣流穿過包括根據(jù)本發(fā)明的組合物的空氣過濾器。此外，測試的污染物氣體如下甲苯、正丁烷、二氧化氮、乙醛和硫化氫。圖10顯示第三組合物Ic在O小時(shí)時(shí)(即空氣流穿過空氣過濾器的瞬間)產(chǎn)生比單獨(dú)的沸石或單獨(dú)的活性炭4更好的過濾。實(shí)際上，對于甲苯，第三組合物Ic的過濾性能為83，而對于沸石2其為60，對于活性炭4其為80。 這一點(diǎn)對于正丁烷和硫化氫同樣正確。對于二氧化氮，第三組合物Ic和活性炭4的性能相同(值92);且第三組合物Ic的性能明顯好于沸石2的性能。圖11給出在30小時(shí)時(shí)的過濾性能的結(jié)果。對于甲苯、二氧化氮和硫化氫，第三組合物Ic表現(xiàn)比其它組合物la、lb以及比單獨(dú)的沸石2和單獨(dú)的活性炭4更好。對于乙醛，第三組合物Ic的過濾與單獨(dú)的沸石相當(dāng)。在圖12中，在60小時(shí)時(shí)的過濾性能的結(jié)果說明這樣的事實(shí)與其它組合物la、lb、單獨(dú)的沸石和單獨(dú)的活性炭相比，第三組合物Ic對于甲苯、正丁烷、二氧化氮、乙醛和硫化氫具有最好的過濾性能。本發(fā)明還涉及一種用于通風(fēng)、加熱和/或空調(diào)系統(tǒng)的空氣過濾器12，其包括根據(jù)本發(fā)明的組合物。圖13中說明的空氣過濾器12包括過濾介質(zhì)14，其中容納組合物I。過濾介質(zhì)14為具有若干折疊(fold)的無紡材料。如先前所述，組合物I為沸石2和活性炭4的混合物，其中所述混合物提供比由單獨(dú)的沸石2或單獨(dú)的活性炭4獲得的過濾性能更好的過濾性能。沸石2包括Fe離子。組合物I因此由如圖13所描述的單層形成?！皢螌印睉?yīng)理解為這樣的事實(shí)沸石和活性炭混合在一起并且沒有物理障礙將它們分開。在空氣過濾器內(nèi)，該組合物分布在整個過濾介質(zhì)內(nèi)(圖14)或通過條分布在過濾介質(zhì)內(nèi)(圖15)。作為一種變型，該組合物布置在過濾介質(zhì)上。作為一種變型，該組合物包括至少第三吸附劑。例如，該組合物包括沸石、活性炭，所述活性炭是不同的活性炭的混合物。因此，該組合物包括三種吸附劑沸石和兩種不同的活性炭。“不同的”應(yīng)理解為表示形成混合物的活性炭具有不同的物理性能的事實(shí)。例如，活性炭混合物由第一活性炭4a和第二活性炭4b形成。也使用具有以下特性的第三活性炭4cο該第三活性炭4c具有以下物理性能0. 327cm3/g的微孔體積，O. 346cm3/g的總微孔體積，95%的微孔體積百分比,6.8A的中值孔徑和969m2/g的B. E. T.表面積。這種活性炭通常被稱為“活性炭NC60”?；钚蕴炕旌衔镆虼藶榈谝缓偷诙钚蕴?a和4b，或第一和第三活性炭4a和4c，或第二和第三活性炭4b和4c的混合物。
權(quán)利要求
1.一種組合物(I)，包括活性炭(4)和沸石(2)，特征在于沸石(2)包括Fe離子。
2.如在前權(quán)利要求所述的組合物(I)，其中沸石(2)包括O.I至1.2質(zhì)量％的Fe離子。
3.如在前權(quán)利要求所述的組合物(I)，其中Fe離子為鐵離子或亞鐵離子。
4.如權(quán)利要求2和3中任一所述的組合物(I)，其中Fe離子保持在沸石(2)內(nèi)。
5.如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)，其中沸石(2)具有ZSM-5晶體結(jié)構(gòu)。
6.如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)，其中沸石(2)具有60至20的SiO2Al2O3摩爾比。
7.如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)，其中沸石具有50至30的SiO2Al2O3摩爾比。
8.如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)，其中沸石⑵具有40的SiO2Al2O3摩爾比。
9.如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)，其中沸石(2)是疏水性的。
10.如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)，其中沸石(2)與活性炭⑷的質(zhì)量比為5 至 35%。
11.如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)，其中沸石與活性炭的質(zhì)量比為10至20%。
12.如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)，其中沸石與活性炭的質(zhì)量比為15%。
13.如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)，其中活性炭具有1004m2/g的B.E. T.表面積、O. 356cm3/g的微孔體積、O. 422cm3/g的總孔體積和4.6人的中值孔徑。
14.如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)，其中活性炭具有960m2/g的B.E. T.表面積、O. 344cm3/g的微孔體積、O. 404cm3/g的總孔體積和5.θΑ的中值孔徑。
15.如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)，其中活性炭具有969m2/g的B.E. T.表面積、O. 327cm3/g的微孔體積、O. 346cm3/g的總孔體積和6.8A的中值孔徑。
16.如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)，其中活性炭為不同的活性炭的混合物。
17.一種用于通風(fēng)、加熱和/或空調(diào)系統(tǒng)的空氣過濾器(12)，包括如在前權(quán)利要求中任一所述的組合物(I)。
18.如在前權(quán)利要求所述的空氣過濾器，其中沸石和活性炭布置在單層中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種組合物(1)，包括活性炭(4)和沸石(2)，所述沸石(2)包括Fe離子。本發(fā)明還涉及一種用于通風(fēng)、加熱和/或空調(diào)系統(tǒng)的包括所述組合物(1)的空氣過濾器(12)。
文檔編號B01J20/18GK102725062SQ201080062524
公開日2012年10月10日 申請日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者A.馬迪內(nèi)爾, C.霍特, F.拉德雷克, L.德爾法布羅, M.昂達(dá)茨, N.考迪 申請人:法雷奧熱系統(tǒng)公司