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CN106999833A - 蜂窝体过滤器制品及其制造方法 - Google Patents

蜂窝体过滤器制品及其制造方法 Download PDF

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CN106999833A
CN106999833A CN201580066398.1A CN201580066398A CN106999833A CN 106999833 A CN106999833 A CN 106999833A CN 201580066398 A CN201580066398 A CN 201580066398A CN 106999833 A CN106999833 A CN 106999833A
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CN
China
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honeycomb
filter
adsorbent
surface modification
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Application number
CN201580066398.1A
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English (en)
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K·L·豪斯
吕志翚
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Corning Inc
Original Assignee
Corning Inc
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Publication date
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Abstract

一种流通型过滤器制品，如本文所定义，其包含：蜂窝体、以及具有表面改性的蜂窝体的至少一部分，所述具有表面改性的蜂窝体包含：如本文所定义的包含活性炭的第一吸附剂、用于挥发性有机化合物的第二吸附剂、和粘合剂。还公开了一种制造和使用过滤器制品的方法。

Description

蜂窝体过滤器制品及其制造方法
本申请依据35U.S.C.§119要求于2014年10月6日提交的美国临时申请系列号62/060,236的优先权，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全文纳入本文。
相关申请的交叉引用
本申请涉及共同拥有和受让的USSN申请第62/060123号，其与本申请同时申请，题为《非挤出的活性炭蜂窝体结构》(NON-EXTRUDED ACTIVATED CARBON HONEYCOMBSTRUCTURES)，但本申请不要求其优先权。
通过引用将本文所提及的各出版物或专利文件的全部公开内容纳入本文。
背景
本公开涉及蜂窝体过滤器制品、包括过滤器制品的空气净化器系统、以及制造和使用该制品的方法。
概述
在一些实施方式中，本公开提供了一种经过涂覆的蜂窝体过滤器制品、包括过滤器制品的空气净化器系统、以及制造和使用该制品的方法。
在一些实施方式中，本公开提供了具有相对低廉的成本和较低压降的蜂窝体结构过滤器制品，所述过滤器制品可用于空气净化器系统中，例如自立式家用空气净化器系统，其使环境室内空气循环通过过滤器制品以从空气中除去例如VOC。
附图的简要说明
在本公开的实施方式中：
图1显示了一种示例性的过滤器制品(100)的剖面，其具有卷绕的波纹纸板以形成蜂窝体结构。
图2显示了图1的过滤器制品(100)的等距视图。
图3显示了一种替代性的蜂窝体结构过滤器制品(300)的等距视图。
图4是测试数据图，其显示具有波纹纸蜂窝体结构的吸附过滤器制品与商业吸附过滤器制品(410)在VOC吸附性能上的比较结果。
发明详述
下面参考附图(如果有的话)对本公开的各种实施方式进行详细描述。参考各种实施方式不限制本公开的范围，本公开的范围仅受所附权利要求书的范围限制。此外，在本说明书中列出的任何实施例都不是限制性的，且仅列出要求保护的发明的诸多可能的实施方式中的一些实施方式。
定义
“挥发性有机化合物”、“VOC”、“多种VOC”等术语是指在常规室温下具有高蒸气压的有机化学物质。VOC的高蒸气压是由于低沸点导致的，这会导致大量分子从化合物的液态或固态蒸发或升华并进入周围空气中。例如，从某些油漆配方中蒸发出的甲醛具有-19℃(-2℉)的沸点和25℃下约360mm Hg的高蒸气压，而福尔马林(甲醛水溶液)具有随其浓度而变化的沸点和0.09psia的瑞德蒸气压(Reid vapor pressure)。VOC是出现在例如气相色谱中的正己烷和正十六烷之间的化合物，包括正己烷和正十六烷。出现得较早的化合物被称为极易挥发性有机化合物(VVOC)，而出现得较晚的化合物被称为半挥发性有机化合物(SVOC)。本公开研究了对于捕捉VOC和至少一些VVOC和SVOC具有活性的制品和使用方法。
“补充的吸收剂材料”等用语是指例如通过比单独使用第一吸收剂能够更高效地吸收一些特定VOC来对第一吸收剂(即活性炭)进行补充和补给的第二吸收剂材料。例如，对于具有碳原子数少于5的分子结构的VOC，CBV 3002型沸石是比活性炭更好的吸收剂。因此，过滤器在吸收这些类型的VOC和其它物质时展现出高效，从而，CBV 3002型沸石就起到了补充吸收剂的作用。
“包括”、“包含”或类似术语意为包括但不限于，即内含而非排它。
用来描述本公开实施方式的修饰例如组合物中成分的量、浓度、体积、过程温度、过程时间、产量、流速、压力、粘度等数值及它们的范围或者组件尺寸等数值及它们的范围的“约”是指数量的变化，可发生在例如：制备材料、组合物、复合物、浓缩物、组件零件、制品制造或应用制剂的典型测定和处理步骤中；这些步骤中的无意误差；制造、来源或用来实施所述方法的原料或成分的纯度方面的差异中；以及类似的考虑因素中。术语“约”还包括由于组合物或制剂的老化而与特定的初始浓度或混合物不同的量，以及由于混合或加工组合物或制剂而与特定的初始浓度或混合物不同的量。
“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情形可能发生，也可能不发生，而且该描述包括事件或情形发生的实例和所述事件或情形不发生的实例。
除非另有说明，否则，本文所用的不定冠词“一个”或“一种”及其相应的定冠词“该/所述”表示至少一(个/种)，或者一(个/种)或多(个/种)。
可采用本领域普通技术人员熟知的缩写(例如，表示小时的“h”或“hrs”、表示克的“g”或“gm”、表示毫升的“mL”、表示室温的“rt”，表示纳米的“nm”以及类似缩写)。
在组分、成分、添加剂、尺度、条件、时间和类似方面公开的具体和优选的数值及其范围仅用于说明，它们不排除其他限定数值或限定范围内的其他数值。本公开的制品和方法可包括本文所描述的任何数值或数值、具体数值、更具体的数值和优选数值的任何组合，包括显义或隐义的中间值和中间范围。
在一些实施方式中，本公开提供了一种能够从空气中除去VOC的低成本且低压降的蜂窝体结构过滤器制品。该过滤器制品用于使室内空气循环通过过滤器制品的系统，例如自立式家用空气净化器系统。通过使用过滤器制品内的蜂窝体通道壁表面上的涂层中所存在的高表面积吸附剂材料来完成VOC的去除。蜂窝体通道的相对较小的尺寸，例如1～3mm会导致通过过滤器制品的空气中的气态杂质快速向通道壁扩散，并随后进入涂层中，然后，在涂层中，杂质与吸附剂材料接触并被其捕捉。存在于涂层中的多于一种类型的吸附剂材料能够从空气中除去各种不同种类的VOC。可选地存在于涂层中的针对在室温下氧化甲醛的催化剂能够同时从空气中除去甲醛。
在一些实施方式中，本公开提供了一种利用过滤器制品和结合了过滤器制品的过滤器系统从内部空间(例如室内生活空间、办公空间、娱乐空间)中的空气中除去诸如甲醛的挥发性有机化合物(VOC)以及其它蒸气污染物的方法。这些污染物可从例如建筑材料或者从内部空间的家具中释放出来。这些污染物对健康产生威胁。
已开发了各种从室内生活空间中除去蒸气污染物的自立式空气净化系统。这些系统中的许多被商业制造并以各种商品名销售。这些系统通常由鼓风机或风扇构成，鼓风机和风扇将空气抽入房间，将空气送过系统内的吸附剂单元，然后将空气送回入房间。现有的空气净化器系统的最常见的吸附剂单元是由活性炭颗粒构成的填充床。为了降低由填充床结构导致的高压降，有时会使用尺寸相对较大(例如约1mm)的碳颗粒，有时填充床被制成薄且正面面积大，这有时通过以下方式来实现：将碳分散在多孔板(例如纸)之间，随后折叠和打褶所得到的三明治结构以使其能够适合安置在自立式净化系统的内部。蒸气污染物中的一些(通常多达60～80％)在通过空气净化器系统之后被吸附而从空气中去除。
现在市面上的空气净化器系统存在问题，包括例如：
由于复杂的设计而导致单元制造的成本高，例如由通过模塑或其它方式成形的骨架结构支承的织物壁之间所含有的粉末层。在某一节点处，空气净化器单元中的吸附剂单元对污染物变得饱和。饱和的单元需要更换，而更换成本昂贵。
需要大体积的空气流以使内部空间中的蒸气污染物水平保持在较低水平。通过吸附剂单元的压降很高。合适的空气流率的能耗高，且风扇噪音水平高。
这些空气净化器系统无法对不同种类的VOC都完成高效去除。
这些空气净化器系统无法利用单一单元除去甲醛并且除去其它VOC。
参考附图，图1显示了一种示例性的过滤器制品(100)的剖面，其具有卷绕的波纹纸板以形成蜂窝体结构。为了清楚起见，图1中省略了蜂窝体结构的内部。蜂窝体结构可包含例如：纸背板(110)、附着于纸背板(110)的波纹纸板(120)、多个凹面开放通道(130)、和多个凸面开放通道(140)。通道宽度尺寸(150)或通道的直径可以是例如0.5～3mm
过滤器制品(100)可具有圆柱体形状，且可具有例如六英寸(6”)的外径和六英寸(6”)的长度或高度。可在纸蜂窝体结构上涂覆活性炭、沸石CBV3002、高表面积MnO2和聚乙烯醇(PVA)粘合剂的混合物。
图2显示了图1的过滤器制品(100)的等距视图，其具有例如约100～1600孔道每平方英寸(cpsi)、约200～1200cpsi、约200～800cpsi的波纹孔道密度，包括中间数值和范围。波纹过滤器制品(200)可包含例如：经过辊轧的纸背板(210)、附着于纸背板(210)的波纹纸板(220)，具有多个凹面开放通道和多个凸面开放通道。过滤器制品(200)可具有圆柱体形状的主体(250)，且可具有例如六英寸(6”)的外径和六英寸(6”)的长度或高度。过滤器制品(200)可具有第一入口端面和第二出口端面(230)。
图3显示了一种替代性的蜂窝体结构过滤器制品(300)的等距视图，其具有例如约200～2000孔道每平方英寸(cpsi)、约200～1200cpsi、约200～800cpsi的正方形蜂窝体孔道密度，包括中间数值和范围。替代性的过滤器制品(300)可具有圆柱体形状，且可具有例如六英寸(6”)的外径和六英寸(6”)的长度或高度，并且具有100～800孔道每平方英寸(cpsi)。替代性的过滤器制品(300)可以是挤出的陶瓷材料，例如堇青石，其被例如活性炭、沸石CBV3002和聚乙烯醇(PVA)粘合剂的混合物完全被覆。
挤出的过滤器制品(300)可在第一端部面(320)上包含多个入口孔道(310)。挤出的过滤器制品(300)可具有例如多个壁(340)，这些壁从圆柱形主体(350)的第一入口端面(320)延伸通至第二出口端面(330)，并且可具有例如六英寸(6”)的外径和六英寸(6”)的长度或高度。
图4是测试数据图，其显示具有波纹纸蜂窝体结构的吸附过滤器制品(400)与商业吸附过滤器制品(410)在VOC吸附性能上的比较结果。
波纹蜂窝体结构(400)由166g的涂覆有40g的沸石(购自Zeolist的CBV 3024E)、286g的ACBL(1300m2/g，BL型，购自卡尔冈炭素公司(Calgon Carbon))和62g的聚乙烯醇(PVA，购自爱默思产品公司(Elmer's Products))的波纹纸构成。
用于比较的商业吸附过滤器制品(410)是涂覆有约1.4kg的活性炭的IQair单元。IQair过滤器替芯，过滤器编号：F2；型号：102401600，购自iallergy.com，其由包含以下物质的介质制成：约3磅的颗粒活性炭，其量约为32重量％；活性氧化铝，其量约为40重量％；且浸渍有高锰酸钾，其量约为5重量％，上述量基于表面改性的总重量或者过滤器制品的总重量。测试条件为：1200升每分钟的空气流，830ppb的苯的入口浓度。
纸蜂窝体结构(400)和商业吸附过滤器制品(410)在VOC去除效率上不相上下。然而，有利的是，通过纸蜂窝体结构(400)的压降小于约10Pa，比通过商业单元的约20Pa的压降小了约50％。
在一些实施方式中，本公开提供了一种流通式过滤器制品，其包含：
蜂窝体、和
具有表面改性的所述蜂窝体的至少一部分，
所述具有表面改性的所述蜂窝体包含：
包含活性炭的第一吸附剂；
用于挥发性有机化合物的第二吸附剂，所述第二吸附剂包含具有50～500m2/g的高表面积的颗粒无机物，所述颗粒无机物选自以下的至少一种：溶胶-凝胶；合成沸石或天然沸石、沉淀的金属氧化物、热解的金属氧化物；或它们的组合；和
粘合剂，所述粘合剂使表面改性或表面涂层以及蜂窝体结构具有更高的整体性和强度。
在一些实施方式中，制品还可在蜂窝体的至少一部分上包含例如MnO2催化剂，所述MnO2催化剂能够有效地在室温下氧化甲醛，所述MnO2催化剂的量基于表面改性的总重量为0.5～10重量％。
在一些实施方式中，蜂窝体可包含例如以下中的至少一项：
波纹结构，所述波纹结构包含纤维素、纸、塑料或它们的组合，且所述波纹结构经过辊轧、堆叠或它们的组合；
挤出和烧制的陶瓷体，所述陶瓷体具有端面孔道和相应的延伸进入并穿过所述陶瓷体的通道；
在相邻孔道中具有塞子的蜂窝体；
在相邻孔道中没有塞子的蜂窝体。
或上述各项的组合。
在一些实施方式中，包含活性炭或由活性炭构成的第一吸附剂可具有例如约1～约100微米的粒径以及500～1600m2/g的表面积，并且可以基于表面改性的总重量为50～95重量％的量存在。
在一些实施方式中，第二吸附剂，或者补充吸附剂可以是例如微多孔铝硅酸盐(例如沸石)，其量例如基于表面改性的总重量为5～50重量％、例如10～30重量％，包括中间值和范围。
在一些实施方式中，粘合剂可以是例如聚乙烯醇(PVA)，其量例如基于表面改性的总重量为3～20重量％。
在一些实施方式中，蜂窝体可具有下述特性或限定特征中的一种或多种，例如：
20～60％的总孔隙率(％P)；
200m2/g～1600m2/g的BET表面积；
100～2000cpsi、例如100～1000cpsi以及100～800cpsi的孔道密度；
0.3～0.8g/cm3的密度；和
30～300微米的壁厚，包括任意上述范围的中间值和范围。
在一些实施方式中，本公开的多孔蜂窝体具有由例如汞孔隙率测定法测得的总孔隙率。例如，本公开的蜂窝体可具有大于或等于20的总孔隙率P，例如至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、甚至至少60％的总孔隙率，包括中间值和范围。附加地或替代地，多孔陶瓷体可具有约20％～约60％的总孔隙率，包括中间值和范围。
在一些实施方式中，本公开提供了一种使用上述制品的方法，所述方法包括：
在过滤器设备中安装所述制品；以及
使安装的所述过滤器制品与具有或潜在具有污染物的流体之间产生相对运动。
在一些实施方式中，所公开的过滤器制品可以是例如压降例如小于约10Pa的纸蜂窝体结构，该压降比通过商业单元的约20Pa的压降小约50％。在一些实施方式中，所公开的过滤器制品、过滤器系统及其方法具有以下优势，例如：
相比于商业过滤器系统具有低压降性质；
构建材料的成本低，且制造成本低；以及
陶瓷蜂窝体的版本适合在升高了的温度下再生和再利用。
本公开的过滤器制品的蜂窝体通道的小直径允许污染物从流动的空气流向过滤器制品表面上的吸附剂材料和催化剂进行有效的质量输送，同时避免常见于空气流通过填充床的空气过滤器的高压降。
在一些实施方式中，制品可以是纸蜂窝体结构，且用作过滤器时可具有例如小于约50Pa的压降(即背压)，该压降比通过商业单元(即IQAir过滤器：GC MultiGas)的约100Pa的压降小约50％。
MnO2催化剂
本公开的可选的高表面积MnO2催化剂能够有效地在室温下氧化甲醛。该催化剂具有比由贵金属制成的催化剂低得多的成本。制备该催化剂的程序包括：通过将57g的MnSO4xH2O(以Mn计为29重量％)溶于800cc水中来制备第一溶液；通过将31g的KMnO4溶于800cc水中来制备第二溶液；在搅拌下将第二溶液滴入第一溶液中。在反应物之间发生了如下示所示的氧化还原反应：
3MnSO4xH2O+2KMnO4+2H2O→5MnO2+2K++3SO4 -+4H++xH2O，
结果形成了45g的表面约为150m2/g的细粒径MnO2。
涂覆蜂窝体结构
制备和向蜂窝体结构施用包含活性炭和其它材料的多孔涂层的一种示例性的程序包括：通过以下方式来制造浆料：第一步，通过将45g的MnO2细颗粒混入1600g水中来制备MnO2催化剂的水溶液；第二步，向溶液中添加2700g水；第三步，混入1000g磨细的高表面积(1300m2/g)活性炭粉末、100g磨细的沸石(型号CBV 3002)和430g的PVA胶(50％固体/50％水)；第四步，将蜂窝体浸入涂层浆料中。浸渍的蜂窝体被移除，甩动和吹扫以除去多余的涂层浆料。空气吹过结构直至涂层干燥。得到的涂层将会是坚硬且多孔的。反复进行浸渍和干燥以添加如上所述的附加层。图2显示了始于经过辊轧或卷制的纸蜂窝体结构、随后按照该示例性程序对其进行涂覆而制得的原型过滤器制品的图例。
实施例
以下实施例展示了所公开的过滤器制品和过滤器系统的制造、使用和分析、以及按照上述一般程序进行的方法。
实施例1
卷绕的波纹纸蜂窝体过滤器
该实施例的过滤器制品是一种如图1所示的经过辊轧的波纹纸蜂窝体结构，其具有涂覆有活性炭(第一吸附剂)、沸石(第二吸附剂)、高表面积MnO2催化剂和PVA基粘合剂的通道壁。这种过滤器制品的一种实际原型示于图2。
实施例2
挤出的陶瓷蜂窝体过滤器
该实施例的过滤器制品是一种模具挤出的陶瓷蜂窝体结构，其具有矩形剖面的通道，且通道直径约为1mm。该蜂窝体结构具有涂覆有活性炭、第二吸附剂和粘合剂的通道壁。这种挤出的陶瓷蜂窝体过滤器制品结构的一种实际原型示于图3。利用模具挤出工艺并随后进行烧制来生产挤出的堇青石(镁铝硅酸盐陶瓷材料)蜂窝体结构。
实施例3
堆叠的波纹纸蜂窝体过滤器
除了蜂窝体结构由约10～约100片在顶部彼此堆叠的波纹纸的平坦片以及利用诸如聚乙烯醇这样的胶结合在一起的片构成以外，该实施例与实施例1相同。堆叠的波纹纸蜂窝体过滤器的示例性尺寸为例如高度为1～24英寸，长度为1～24英寸，宽度为1～24英寸，例如6英寸×6英寸×6英寸。
实施例4
蜂窝体结构的VOC吸附测试
起初，担心本公开的过滤器制品上的活性炭的吸附能力会因为粘合剂的存在(例如在前述涂覆程序中使用430克PVA基粘合剂)而显著降低，或者会因为吸附剂从粉末态转变为涂层态而显著降低。出人意料的是，吸附剂材料从粉末态转变为涂层态后的处理能力并未明显变化。吸附剂测试包括测量两种不同试样在封闭腔室中暴露于相同空气和VOC混合物(VOC为苯)后的吸附能力。试样1是一片按照上述实施例程序制得的经过涂覆的纸蜂窝体，其具有含有100克活性炭和10克沸石的尺寸。试样2是由试样1中的相同的原始粉末堆制得的且与实施例1具有相同量的活性炭和沸石，但这些材料仍然处于未处理粉末的状态且不含有添加的粘合剂或其它组分。在测量精度+/-5％内，试样1和试样2吸收了相同量的VOC。
本公开的原型过滤器制品按照上述实施例的程序制造，且与商业吸附单元进行从空气流中除去VOC(例如浓度为830ppb的苯)的性能的比较。商业试样是具有5”直径×5”长度的含有环形区域填充床的圆柱形替芯，所述环形区域填充床具有尺寸约为1mm的活性炭。所述原型示于图2，并且是按照上述制备例的程序制得的。商业试样含有约1.4kg的活性炭。本公开的原型含有约0.25kg的吸附剂材料(91％的活性炭和9％的沸石)。在对比试验中，将含有VOC的空气以1200升/分钟的速率吹过过滤器制品，通过测量出口物流中的VOC水平来确定吸附效率。测试结果图示于图4。因为商业试样(410)和原型(400)含有不同量的吸附剂，吸附或去除效率的降低速率不同。对于1:1的比较，图4中的图表显示了吸附效率对时间/A，所述A为吸附剂的量。当以这种方式作图时，数据证明商业和原型试样都能够不相上下地除去VOC。两种过滤器的初始吸附效率都为100％。随着时间的推移，随着吸附剂被填充，过滤器试样的效率降低。曲线相互重叠得很好，这表明两种试样的表现基本上相同。商业单元和原型单元之间的明显差异在于压降上。原型显示出比商业单元低50％的压降。这种更低的压降是本发明的关键优势之一。
已经参考各种具体实施方式和技术描述了本公开。但是，应当理解，可以在本公开的范围内做出许多变化和改进。

Claims (9)

1.一种流通型过滤器制品，其包含：
蜂窝体、和
具有表面改性的所述蜂窝体的至少一部分，
所述具有表面改性的所述蜂窝体包含：
包含活性炭的第一吸附剂；
用于挥发性有机化合物的第二吸附剂，所述第二吸附剂包含具有50～500m2/g的高表面积的颗粒无机物，所述颗粒无机物选自以下中的至少一种：溶胶-凝胶；合成沸石或天然沸石、沉淀的金属氧化物、热解的金属氧化物；或它们的组合；和
粘合剂。
2.如权利要求1所述的制品，其特征在于，还包含在所述蜂窝体的至少一部分上的MnO2催化剂，所述MnO2催化剂的量基于所述表面改性的总重量为0.5～10重量％。
3.如权利要求1或2所述的制品，其特征在于，所述蜂窝体包含以下中的至少一项：
波纹结构，所述波纹结构包含纤维素、纸、塑料或它们的组合，且所述波纹结构经过辊轧、堆叠或它们的组合；
挤出并烧制的陶瓷体，所述陶瓷体具有端面孔道和相应的延伸进入并穿过所述陶瓷体的通道；
在相邻孔道中具有塞子的蜂窝体；
在相邻孔道中没有塞子的蜂窝体；
或上述各项的组合。
4.如权利要求1～3中任一项所述的制品，其特征在于，所述活性炭具有1～100微米的粒径和500～1600m2/g的表面积，且其量基于所述表面改性的总重量为50～95重量％。
5.如权利要求1～4中任一项所述的制品，其特征在于，所述第二吸附剂是多微孔的铝硅酸盐，且其量基于所述表面改性的总重量为5～50重量％。
6.如权利要求1～5中任一项所述的制品，其特征在于，所述粘合剂是聚乙烯醇(PVA)，其量基于所述表面改性的总重量为3～20重量％。
7.如权利要求1～6中任一项所述的制品，其特征在于，所述蜂窝体具有：
20～60％的总孔隙率(％P)；
200～1600m2/g的BET表面积；
100～2000cpsi的孔道密度；
0.3～0.8g/cm3的堆积密度；以及
50～300微米的壁厚度。
8.一种方法，其使用权利要求1～7中任一项所述的制品，所述方法包括：
在过滤器设备中安装所述制品；以及
使安装的所述过滤器制品与具有或潜在具有污染物的流体之间产生相对运动。
9.如权利要求1～8中任一项所述的方法，其特征在于，所述制品是纸蜂窝体结构，且压降小于约10Pa。
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