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滤除空气中的微粒、臭氧、 和氮氧化合物的空气过滤器

文章来源:http://www.iguolvqi.com/  2019年01月28日  点击数:271
[0001] 技术领域
[0002] 本发明属于空气净化技术领域,具体涉及一种能够同时滤除空气中的微粒、臭氧、 和氮氧化合物的空气过滤器
[0003] 背景技术
[0004] 局部空间空气净化是当前对抗空气污染的主要手段,由于人类的绝大多数的时间 处于室内,室内空气净化是大家关心的重点,同室外空气及工业区空气差别极大、室 内的主要空气污染物以挥发性有机物为主、有一定量的微生物(病菌、病毒、真菌、 等)、和少量的微粒(如PM2.5)。挥发性有机物来源于厨房活动(如燃烧的煤气、 食物的分解及固有挥发性组分),吸烟、室内装修材料和家具的释放以及室外大气的 向房间内循环等等。美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National  Laboratory)的研究结果显示,室内的挥发性有机物,有一百多种超标。另外室内的 生活环境适宜于微生物的生长,营养丰富、温度适宜,所以室内的微生物含量,在大 多数情况下,都高于室外。室内产生微粒的源较少,而室外空气在进入室内的过程中 有多次的阻挡拦截,所以室内的微粒数量,绝大多数情况下,远远低于室外空气。所 以对于室内的空气净化,重点是清除挥发性有机物,同时去除微生物和空气中的微粒。
[0005] 当前成熟的破坏挥发性有机物的方法,包括高温燃烧、电离、紫外活化与催化、 臭氧氧化等,破坏挥发性有机物的过程中全部产生臭氧、氮氧化合物等这些对人体危 害更大的二次污染物。已知的氮氧化合物吸收方法,无论是液相吸收(Chemical  Engineering Science,卷60,2005年,页6462?6471)还是传统的石灰水氧化吸收 (Environment Protection Engineering,卷37,2011年,页13-22),需要吸收或吸附 材料量都很大,且会出现气体通道堵塞的问题,这些技术手段应用于家用空气净化器 是一个挑战。而当科学研究结果显示臭氧的危害大于挥发性有机物后(参阅文献:美 国环保总署2006年EPA报告,EPA/600/R-05/004aF-cF;Ozone’s impact on public  health,2006年,Environmental Health Perpsectives,卷114,页1489-1496;Proceedings  of Healthy Buildings 2009,Paper 141;等等),并且发现臭氧在空气中的半衰期虽然 随条件的变化而存在差别,但是臭氧的半衰期都在几十分钟、甚至于几千分钟,而并 非原来推测的,由于臭氧的强氧化性,它在室内环境下会迅速消失。另外,最新的研 究结果[Concentrations on the order of 10ppb can lead to significant health effects  (Lawrence Berkeley National Laboratory,2012,LBNL-5889E)]证实了很多科学家 的推论,“由于臭氧的氧化能力很强,因此,只要身体接触到臭氧,就会对身体造成 损害”。因此,本领域的科学家进行了大量的实验,设法寻找合适的清除室内臭氧的 办法。但是,迄今为止,没有找到合适的清除方法。利用现有的加热、制冷和空调系 统清除室内臭氧,结果发现,臭氧氧化损坏现有系统的同时,产生大量的挥发性有机 物(如甲醛等羰基有机物、甲酸)、和超细微粒(参见文献:Proceedings of Indoor Air’05, the 10th International Conference on Indoor Air Quality and Climate II,Beijing,China, 页1521?1525;和2006,Atmospheric Environment,卷40,页315-325),相当于挥发 性有机物和臭氧之间的相互转化,耗费了能量,但是未起作用。使用还原性物质制备 的过滤器(Filters)来清除室内的臭氧,例如硅烷化的聚(1,4-亚苯基硫醚)[PFS: Silanized poly(1,4-phenylene sulfide)]、亚硫酸钠(Na2SO3)、硫代硫酸钠(Na2S2O3)、 碘化钾(KI)(参阅:Environ Sci Technol.2001年,卷35,页1458-62)、和还 原性活性碳(参阅:Am Ind Hyg Assoc J.1999年,卷60,页589-600)等等,由于 这些物质的固体是固定在过滤器装置内,只有这些物质的表面能够和臭氧反应,而内 部由于无法接触到臭氧没有利用,所以需要的物质的量很大。例如,即使采用非常细 的活性炭纤维,还原性活性炭和臭氧反应清除臭氧的能力,最高只能达到0.2克臭氧 /克活性炭(理论值应当达到2.67克臭氧/克活性炭。Proceedings of the 8th  International Conference on Indoor Air Quality and Climate,Indoor Air 99, Edinburgh,Scotland,Aug.8-13,1999,Vol.4,p.49-54)。在使用催化剂催化 降解臭氧领域,常常需要使用非常贵的金属催化剂,例如铂(Pt)、金(Au)等,并 且催化剂的活性下降很快(参阅:Atmospheric Environment,卷6,1972年,页 707?714)。
[0006] 对于室内空气净化器,需要一种新的过滤器系统,在能够过滤去除室内微粒的同 时,能够去除空气中的臭氧和氮氧化合物。
[0007] 发明内容
[0008] 本发明提供一种空气过滤器,以解决现有技术通过高温燃烧、电离、紫外活化与 催化、臭氧氧化方法等破坏挥发性有机物的同时会产生臭氧、氮氧化合物等对人体危 害更大的二次污染物的技术缺陷。
[0009] 为了解决以上技术问题,本发明采取的技术方案是:
[0010] 一种空气过滤器,所述空气过滤器由缸体、容纳在所述缸体内的液体和固体颗粒 构成,所述缸体上设置有进气口和出气口,所述固体颗粒具备还原性。
[0011] 优选为,所述液体为甘油(Glycerin)、植物油(Vegetable oils)、硅油(Silicone oil)、导热油和液体高分子如聚乙二醇(PEG)、氯化-1-乙基-3-甲基咪唑 (1-Ethyl-3-methyl imidazol ium chloride)、1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐 (1-Ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide)、溴化-1-丁基-3,5-二甲基吡啶 (1-butyl-3,5-dimethylpyridinium bromide)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟化硼 (1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)和N-甲基-N-丁基六氟磷酸盐 (N-methyl-N-butylpyrrol idinium hexafluorophosphate)。
[0012] 优选为,所述固体颗粒为硅烷化的聚(1,4-亚苯基硫醚)[PFS:Silanized  poly(1,4-phenylene sulfide)]颗粒、亚硫酸钠(Na2SO3)颗粒、硫代硫酸钠(Na2S2O3) 颗粒、碘化钾(KI)颗粒、还原性活性碳颗粒、铁粉和二氧化锰颗粒。
[0013] 优选为,所述固体颗粒为还原性活性碳颗粒、铁粉和二氧化锰颗粒。
[0014] 优选为,所述固体颗粒的大小为10-200目。
[0015] 优选为,所述固体颗粒在所述液体中的含量为5%-20%。
[0016] 在采用上述技术方案后,本发明提供的空气过滤器(Filter)能够同时过滤除去 空气中的微粒、臭氧和氮氧化合物,现有的过滤器都是固体胎具(Matrix),而本发 明过滤器是液态胎具。本发明提供的空气过滤器将固体颗粒有效的分散到液体内,利 用固体和液体形成的类似液体混晶体系,有效拦截空气中的微粒,从而达到过滤去除 空气中微粒的目的。空气过滤器去除微粒、臭氧和氮氧化合物的效果显著,成本较低, 具有广阔的市场应用前景。
[0017] 附图说明
[0018] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本 发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下, 还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0019] 图1是本发明空气过滤器实施例1的结构视图;
[0020] 图2是本发明空气过滤器实施例2的结构视图;
[0021] 图3是本发明空气过滤器实施例3的结构视图。
[0022] 具体实施方式
[0023] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例 中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实 施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域 普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明 保护的范围。
[0024] 空气过滤器由缸体1、容纳在缸体1内的液体2和固体颗粒3构成,缸体1上设 置有进气口11和出气口12,并且缸体1为透明材质。
[0025] 液体2为高沸点或者没有挥发性,并且液体2不和固体颗粒3发生反应,液体2 为甘油(Glycerin)、植物油(Vegetable oils)、硅油(Silicone oil)、导热油 和液体高分子如聚乙二醇(PEG)。在室温下是液态的离子液体,例如氯化-1-乙基-3- 甲基咪唑(1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride)、1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺 盐(1-Ethyl-3-methyl imidazol ium dicyanamide)、溴化-1-丁基-3,5-二甲基吡啶 (1-butyl-3,5-dimethylpyridinium bromide)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟化硼 (1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate)和N-甲基-N-丁基六氟磷酸盐 (N-methyl-N-butylpyrrolidinium hexafluorophosphate)。
[0026] 具备清除臭氧和氮氧化合物的能力的过滤器,固体颗粒3具备一定的还原性,由 于空气中含有大量的氧气和水气,固体颗粒3又不会同氧气和水反应。固体颗粒3为 硅烷化的聚(1,4-亚苯基硫醚)[PFS:Silanized poly(1,4-phenylene sulfide)] 颗粒、亚硫酸钠(Na2SO3)颗粒、硫代硫酸钠(Na2S2O3)颗粒、碘化钾(KI)颗粒、 还原性活性碳颗粒、铁粉和二氧化锰颗粒。优选选用还原性活性碳颗粒、铁粉和二氧 化锰颗粒。
[0027] 固体颗粒3的大小一般选用10-200目,固体颗粒3大于10目,对应的表面积和 重量之比太小,致使能够快速参与反应清除臭氧的固体重量百分比太小,效果不明显。 固体颗粒3大于200目,虽然能够快速参与反应清除臭氧的固体重量百分比大,但是 当这种大于200目的固体颗粒3分散到液体2中后,过滤介质的粘度太大,过滤器中 的压差降幅太大,因此一般不选用大于200目的固体颗粒3。
[0028] 本发明提供的过滤器,固体颗粒3在液体2中的含量,一般在5%-20%之间,虽然 比重小于5%也有效果,但过滤器清除臭氧的能力较低,也不优选;比重高于20%时过 滤介质的粘度太大,也不优选。
[0029] 本发明提供的过滤器与现有过滤器相似,同样也需要被过滤的气体通过过滤器。 只要能够让气体和过滤器充分接触都可行。一般情况下,被过滤的气体从过滤器的下 部进入、然后从过滤器的上部离开,过滤气体的效果最好。
[0030] 实施例1:
[0031] 如图1所示:过滤器由缸体1、容纳在缸体1内的液体2和固体颗粒3构成,缸 体1上设置有进气口11和出气口12,并且缸体1为透明材质,出气口12有两个分别 位于进气口11的两侧,进气口11和出气口12都位于缸体1的上方。
[0032] 第一步:需要过滤的空气通过处于中间部位的进气口11进入液体2内,然后经 过进气口11底部进入液体2,从而气体从过滤器的下部进入;第二步:气体被液体2 和固体颗粒3过滤;第三步:过滤后的空气,通过出气口12离开过滤器。
[0033] 实施例2:
[0034] 如图2所示:过滤器由缸体1、容纳在缸体1内的液体2和固体颗粒3构成,缸 体1上设置有进气口11和出气口12,并且缸体1为透明材质,出气口12有两个分别 位于进气口11的两侧,进气口11位于缸体1的下方,而两个出气口12位于缸体1 的上方。
[0035] 第一步:需要过滤的空气通过处于缸体1中间部位的进气口11进入,然后在进 气口11导流管面的作用下,气体通过进气口11底部离开并进入液体2中,完成气体 从过滤器的下部进入;第二步:气体被液体2和固体颗粒3过滤;第三步:经过过滤 后的空气,通过出气口12离开过滤器。
[0036] 实施例3:
[0037] 如图3所示:过滤器由缸体1、容纳在缸体1内的液体2和固体颗粒3构成,缸 体1上设置有进气口11和出气口12,并且缸体1为透明材质,进气口11和出气口 12各有一个,进气口11位于缸体1的左侧,出气口12位于缸体1的右侧。
[0038] 第一步:需要过滤的空气通过处于缸体1中间部位的进气口11进入,然后在进 气口11导流管面的作用下,气体通过进气口11底部离开并进入液体2中,完成气体 从过滤器的下部进入;第二步:气体被液体2和固体颗粒3过滤;第三步:经过过滤 后的空气,通过出气口12离开过滤器。
[0039] 实验中给出的所有数据,都是至少三次平行试验结果的平均值。
[0040] 实验一:去除空气中微粒
[0041] 使用附图3所示的透明玻璃过滤器,以利于观察试验过程,缸体1为透明材质, 缸体1的高度H为30厘米、缸体1的直径D为20厘米、进气口11的直径d为8厘 米,进气口11的底部离缸体1的底部距离为3厘米。
[0042] 向缸体1内加入固体颗粒3为50目的铁粉和液体2为食用大豆油6.5升。并向 过滤器内通入空气,空气流速为1.5米/秒,分别在进气口11处和出气口12处测定 气体中的微粒数,结果如下:
[0043]  
[0044] 结果显示:过滤器使用铁粉和不使用铁粉相比较,使用铁粉过滤空气中的微粒效 果非常显著。
[0045] 液体2选用硅油、导热油、液体聚乙二醇、甘油,效果和液体2选用大豆油的过 滤效果一致。
[0046] 实验二:去除空气中臭氧
[0047] 使用实施例3中的透明玻璃过滤器。
[0048] 向过滤器内加入固体颗粒3为不同目数的活性炭100克和液体2为食用大豆油6.5 升。在30立方米的密封试验舱内,使用150立方米/小时的进气泵向过滤器内进风, 通过向密封试验舱内补加臭氧的方法维持臭氧浓度稳定100ppb(0.1ppm),直到密封 试验舱内的臭氧浓度不再下降。相对于固体颗粒3中没有加入食用油。计算活性炭吸 收的臭氧量,结果如下:
[0051] 结果显示:在使用过滤器时,活性炭吸收臭氧的能力远远高于单独使用活性炭来 还原臭氧。没有使用液体2,活性炭颗粒只有100目时,活性炭的破坏臭氧的能力只 有0.17(克臭氧/克活性炭);有液体2存在时,即使是非常大的活性炭颗粒,如35 目的活性炭颗粒,其降解臭氧的能力提高了5倍多。
[0052] 实验三:去除空气中臭氧和氮氧化合物
[0053] 使用实施例3中的透明玻璃新过滤器。
[0054] 向过滤器内加入固体颗粒3为50目的铁粉650克和液体2为食用大豆油6.5升。
[0055] 使用150立方米/小时的进气泵,向过滤器内通入空气,分别在进气口11处和出 气口12处测定气体中的微粒数、臭氧浓度、氮氧化合物浓度,进气口的微粒数为180 微克/立方米、臭氧浓度为110ppb、氮氧化合物浓度为335ppb、测量出气口污染物浓 度的变化,结果如下:
[0056]  
[0057] 结果显示,本发明提供的过滤器,过滤清除空气污染物微粒、臭氧、氮氧化合物 的能力,非常稳定,72小时后,过滤效果没有下降。
[0058] 实验四:去除空气中臭氧催化剂颗粒活性
[0059] 使用实施例3中的透明玻璃过滤器。
[0060] 向过滤器内加入固体颗粒3为50目的氧化锰(MnO2)颗粒650克,对比添加液 体2为6.5升的硅油和不使用液体2的除臭氧能力变化。
[0061] 使用150立方米/小时的进气泵,向过滤器内通入空气,分别在进气口11处和出 气口12处测定气体中的微粒数、臭氧浓度、氮氧化合物浓度,进气口11的臭氧浓度 为110ppb,测量出气口污染物浓度的变化,结果如下:
[0062]  
[0063] 结果显示,使用液体2的过滤器,对于催化剂氧化锰,过滤器单次降解臭氧的能 力非常稳定,72小时后,降解效果没有下降,而在没有使用液体2的情况下,单次降 解臭氧的能力低于有液体2的情况,且呈现逐步下降的趋势。
[0064] 本发明提供的空气过滤器(Filter)能够同时过滤除去空气中的微粒、臭氧和氮 氧化合物,现有的过滤器都是固体胎具(Matrix),而本发明过滤器是液态胎具。本 发明提供的空气过滤器将固体颗粒3有效的分散到液体2内,利用固体和液体形成的 类似液体混晶体系,有效拦截空气中的微粒,从而达到过滤去除空气中微粒的目的。 空气过滤器去除微粒、臭氧和氮氧化合物的效果显著,成本较低,具有广阔的市场应 用前景。

[0065] 最后应说明的是:以上实施例仅说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参 照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同 替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。

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