CN103230721A - 电热式净化滤芯的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电热式净化滤芯的结构，包括围护结构和其内部装填的活性炭床层，所述的活性炭床层由活性炭纤维织物叠加而成，层叠面为通风面，非层叠面中任意两个相对的端面植入低熔点金属，使床层端面的织物材料与低熔点金属熔接为一体，形成牢固的熔接层，熔接层可直接作为电极或与外加电极板熔接形成电极，活性炭床层中设有电偶，在电热升温过程中测试活性炭床层的温度。通过低熔点金属熔接吸附床层端面消除了电极与床层端面间的接触电阻，及由接触电阻存在导致大电流通过时带来的安全隐患；床层内部电流分布均匀，床层内外同步均匀发热，有机物脱附干净彻底，脱附效率高，再生效果好，活性炭纤维织物材料可以长时间保持良好的吸附性能。
Description
技术领域
本发明属于环境工程领域中的挥发性有机化合物（VOCs）废气治理，具体涉及用活性炭纤维类材料吸附净化VOCs 废气并用电热法脱附的滤芯，可用于工业VOCs废气净化与回收，也可用于室内空气中VOCs和其他有毒有害气体的净化。
背景技术
活性炭吸附的应用及存在的问题。活性炭类吸附材料的孔隙结构发达，对VOCs类污染物具有广谱、高效的吸附净化能力，广泛应用于溶剂回收、空气净化、化学防护、工业有毒有害气体防护等。在使用过程中，活性炭的吸附能力会逐渐降低直到丧失，为了降低应用成本，必须通过再生恢复其吸附能力。常用的再生方法有水蒸汽再生、热氮气、电热再生等。电热再生利用活性炭类吸附材料在通电条件下产生的电阻热，使吸附床层升温，床层吸附的VOCs脱附，无需外热源，通过活性炭自身发热，与其他再生方法相比，能量利用率更高，再生温度与升温速率可控，脱附再生完全，床层升温速度快，适用范围广，设备简单，结构紧凑，是最具发展前景的、最为高效的热再生方式。
可用于电热的活性炭类吸附材料包括颗粒状活性炭、活性炭纤维、活性炭纤维织物等。颗粒活性炭属于刚性活性炭材料，必须装填于围护结构中才能使用，在多次电热后易发生床层松动，造成气流分布不均匀、净化效率下降、电阻不均匀、电热过程中床层局部过热形成高温点等工程难题，中国专利“从废气中回收有机溶剂的吸附净化单元及吸附回收装置”（申请号201110029435.5）采用振动及弹性紧压的方式，实现了颗粒活性炭床层使用过程中自密实，解决了床层松动的问题，但电流在颗粒间传导时接触点处存在局部高温，会造成回收的溶剂变质，因此，颗粒活性炭装填的床层更适用于空气中低浓度的VOCs净化，通过电热再生恢复床层的净化能力，而不考虑脱附后VOCs的品质。
活性炭纤维织物，包括活性炭纤维非织造布（如活性炭纤维无纺布或毡）、活性炭纤维机织物、活性炭纤维针织物等，属柔性材料，其电热性能良好，由于纤维与纤维之间的多次搭接、有序或无序缠绕，接触点分散，接触点高温现象不明显，比颗粒活性炭更适于电热再生。但在实际应用中，由于织物单层厚度有限，需要层叠形成吸附床层。
织物可通过缠绕层叠形成圆筒体床层，如美国专利（US6364936B1）中提到的滤芯，采用的吸附材料为活性炭纤维布（Activated Carbon Fiber Cloth，ACFC）属活性炭纤维机织物，将其缠绕层叠在两端设置金属环状电极的圆筒体上形成织物床层，在床层外部与环状电极相对位置设置卡箍，将织物床层箍紧在环状电极上，形成环状箍紧式电极，保证床层与电极紧密接触。但这种电极设置方式会导致通电时床层中电流不均匀，沿径向方向从内到外，电流越来越小，沿轴向方向与电极位置越接近，这种差别越明显，在电极所在位置的床层内部甚至无电流。电流不均匀造成床层内外层有温差，特别是床层厚度与电极间距离比较接近时，床层内部与外部的温差很大，再生不均匀，部分床层中残留VOC太多，再吸附时局部床层过早穿透。因此，这种电极结构不能用于床层较厚的滤芯，仅适用于如美国专利（US6364936B1）中提到床层厚度仅为几个至十几个毫米的滤芯结构中。
织物也可通过平面层叠形成多面体吸附床层，电极可设置在层叠面上，也可设置在端面（非层叠方向）上。从理论角度，两种电极设置方式在通电条件下均能实现床层内部电流均匀分布，再生效果好。但在层叠面设置电极时，存在层与层间的接触电阻，当电流沿层叠方向通过时，特别是应用中国专利（申请号201210077796.1）中提到滤芯，采用的吸附材料为活性炭网眼布（Activated Carbon Mesh Cloth, ACMC）属活性炭纤维针织物，将其平面层叠形成织物床层时，由于材料空隙率高，层与层之间接触面积很小，在接触点处会发生局部过热现象，存在安全隐患。为了避免电流在层与层间传输，电极应施加在床层端面（非层叠方向）。
在床层端面（非层叠方向）附加电极，如中国专利（ZL200920052826.7）提到的滤芯，采用的吸附材料为活性炭纤维毡（Activated Carbon Fiber Felt, ACFF）属活性炭纤维非织造布，滤芯通过固定在围护结构上的电极板与床层端面接触贴合导电，采用接触贴合式电极的滤芯在实际应用过程中会存在以下问题：（1）吸附材料是柔性材料，易变形，不易贴紧，电极与吸附床层间存在接触电阻；（2）床层端面不可能完全平整，板式电极无法与活性炭床层端面完全接触，造成局部接触电阻过大；（3）由于围护结构在多次升温后膨胀变形，或是滤芯在运输过程中发生颠振等情况，均会导致金属电极与活性炭床层端面的分离。因此，这种施加电极方式可靠性差，不仅造成电热工艺不稳定，还有可能造成燃烧、爆炸的危险。
发明内容
解决现有滤芯结构存在的问题，本发明提供一种电热式净化滤芯结构，将吸附床层端面植入低熔点的金属，使床层端面的吸附材料与低熔点金属熔接为一体，形成牢固的熔接层，熔接层可直接作为电极使用，也可与外加电极板熔接形成电极，不但增加了电极施加的牢固度与可靠度，还消除了电极与床层端面间的接触电阻，保证床层端面与电极完全接触，床层内部电流分布均匀，并有效避免电流在层与层间传导。
本发明采用的技术方案如下：电热式净化滤芯的结构，包括围护结构和其内部装填的活性炭床层，其特征在于：所述的活性炭床层由活性炭纤维织物叠加而成，层叠面为通风面，非层叠面中任意两个相对的端面植入低熔点金属，使床层端面的织物材料与低熔点金属熔接为一体，形成牢固的熔接层，熔接层可直接作为电极或与外加电极板熔接形成电极，活性炭床层中设有电偶，在电热升温过程中测试活性炭床层的温度。
所述的活性炭纤维织物为活性炭纤维非织造布、活性炭纤维机织物、活性炭纤维针织物。
所述的低熔点金属为熔点在70~350℃金属单质或合金，金属单质或合金性状为膏状、粉状、乳状、块状。
所述的低熔点金属为锡、铅、铋、镉、铟金属单质及其合金。
所述的植入方法为将低熔点金属直接填充植入、或熔融浇铸植入，或直接填充与浇铸植入联用，或对活性炭床层端面织物金属化预处理后填充植入、或浇铸植入、或直接填充与浇铸植入联用。
所述的金属化预处理方法为蒸发沉积法、或热喷涂法、或化学镀法、或离子镀法，使得活性炭床层端面织物附着一定厚度金属涂层的方法。
通过低熔点金属熔接吸附床层端面的有益效果是：
（1）消除了电极与床层端面间的接触电阻，及由接触电阻存在导致大电流通过时带来的安全隐患；
（2）保证床层端面材料与电极完全接触，电流通过织物自身与电极接触一端直接流向另一端，避免层与层之间传导产生接触点处局部过热现象，安全性好；
（3）增加电极施加的牢固度与可靠度；
（4）床层内部电流分布均匀，床层内外同步均匀发热，有机物脱附干净彻底，脱附效率高，再生效果好，活性炭纤维织物材料可以长时间保持良好的吸附性能。
附图说明
图1为箱式六面体滤芯结构示意图，其中：1. 活性炭纤维织物床层；2.格栅；3. 多孔筛板；4.护板；5. 熔接层；6.接线柱A；7.接线柱B；8.电偶；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为圆筒状滤芯结构示意图，其中1. 活性炭纤维织物床层； 2. 外筒体； 3.内筒体；4.端盖；5. 熔接层；6.接线柱A；7.接线柱B；8.电偶；
图4为熔接电极板的箱式六面体滤芯结构示意图，其中：1. 活性炭纤维织物床层；2.格栅；3. 多孔筛板；4.护板；5. 熔接层；6.外加电极板；7.电偶；
图5为图4的B-B剖视图；
图6 为熔接电极板的圆筒状滤芯结构示意图，其中1. 活性炭纤维织物床层； 2. 外筒体； 3.内筒体；4.端盖；5. 熔接层；6.外加电极板；7.电偶。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
采用如图1、图2所示滤芯结构，活性炭纤维织物床层1是由裁切成大小相同的活性炭纤维布织物平面叠加形成，装填在由格栅2、多孔筛板3和护板4组成的围护结构中；活性炭纤维织物的层叠面为通风面，与格栅2和多孔筛板3组成的通风面相对；在织物床层其他任意两相对端面，将熔点为138℃的低熔点Sn-Bi合金（粉、膏或乳）直接填充织物组织中并覆盖床层端面，将床层端面置于138~180℃气体氛围下，使床层端面上的低熔点金属熔融，在熔融渗透过程中，纤维与金属紧密抱合，冷却凝固后，床层端面与低熔点金属熔接为一体，形成牢固的熔接层5，熔接低熔点金属量为5~50g/cm2；在熔接层5上分别焊接接线柱A6和接线柱B7，通过导线与外电源相连；活性炭纤维织物床层1中设置电偶8，在电热升温过程中测试活性炭纤维织物床层1的温度。
实施例二
采用如图3所示滤芯结构，活性炭纤维布织物缠绕于内筒体9上形成活性炭纤维织物床层1，装填在由外筒体2、内筒体9和端盖4组成的围护结构中，外筒体2和内筒体9为通风面，在活性炭织物床层1的上下端面，将熔点为70℃的低熔点Bi-Pb-Sn-Cd系列合金（粉、膏或乳），直接填充活性炭纤维织物床层1端面织物组织中，并覆盖床层端面，将床层端面置于70~120℃气体氛围下，使床层端面上的低熔点金属熔融，在熔融渗透过程中，纤维与金属紧密抱合，冷却凝固后，床层端面与低熔点金属熔接为一体，形成牢固的熔接层5，熔接低熔点金属量为5~50g/cm2；在熔接层5上焊接接线柱A6和接线柱B7，通过导线与外电源相连；活性炭纤维织物床层1中设有电偶8，在电热升温过程中测试活性炭纤维织物床层1的温度。
实施例三
采用如图4、图5所示滤芯结构，活性炭纤维织物床层1是由裁切成大小相同的活性炭纤维机织物平面叠加形成，装填在由格栅2、多孔筛板3和护板4组成的围护结构中；活性炭纤维织物的层叠面为通风面，与格栅2和多孔筛板3组成的通风面相对；在织物床层其他任意两相对端面浇铸电极，方法是先将熔融的低熔点金属Pb（熔点为327℃）直接浇在床层端面上，并迅速将带有接线柱的外加电极板6按压在熔融金属层表面，待金属冷却凝固后，床层端面与低熔点金属熔接为一体，形成牢固的熔接层5，熔接低熔点金属量为5~50g/cm2，外加电极板6与熔接层5熔接形成电极，通过外加电极板6上的接线柱，连接导线与外电源相连；活性炭纤维织物床层1中设置电偶7，在电热升温过程中测试活性炭纤维织物床层1的温度。
实施例四
采用如图6所示滤芯结构，活性炭纤维机织物缠绕于内筒体9上形成活性炭纤维织物床层1，装填在由外筒体2、内筒体9和端盖4组成的围护结构中，外筒体2和内筒体9为通风面，在活性炭织物床层1的上下端面浇铸电极，方法是先将熔融的低熔点金属Sn（熔点为232℃）直接浇在床层端面上，并迅速将带有接线柱的外加电极板6按压在熔融金属层表面，待金属冷却凝固后，床层端面与低熔点金属熔接为一体，形成牢固的熔接层5，熔接低熔点金属量为5~50g/cm2，外加电极板6与熔接层5熔接形成电极，通过外加电极板6上的接线柱，连接导线与外电源相连；活性炭纤维织物床层1中设置电偶7，在电热升温过程中测试活性炭纤维织物床层1的温度。
实施例五
采用如图1、图2所示滤芯结构，活性炭纤维织物床层1是由裁切成大小相同的活性炭纤维针织物平面叠加形成，装填在由格栅2、多孔筛板3和护板4组成的围护结构中；活性炭纤维织物的层叠面为通风面，与格栅2和多孔筛板3组成的通风面相对；在织物床层其他任意两相对端面，将熔点为183℃的低熔点Sn-Pb合金（粉、膏或乳）直接填充织物组织中并覆盖床层端面，将床层端面置于183~230℃的气体氛围下，使床层端面上的低熔点金属熔融，同时将熔融的Sn浇铸在床层端面上，在熔融渗透过程中，纤维与金属紧密抱合，冷却凝固后，床层端面与低熔点金属熔接为一体，形成牢固的熔接层5，熔接低熔点金属量为5~50g/cm2；在熔接层5上分别焊接接线柱A6和接线柱B7，通过导线与外电源相连；活性炭纤维织物床层1中设置电偶8，在电热升温过程中测试活性炭纤维织物床层1的温度。
实施例六
采用如图3所示滤芯结构，活性炭纤维针织物缠绕于内筒体9上形成活性炭纤维织物床层1，装填在由外筒体2、内筒体9和端盖4组成的围护结构中，外筒体2和内筒体9为通风面，在活性炭织物床层1的上下端面，将熔点为179℃的低熔点Sn-Pb-Ag合金（粉、膏或乳）直接填充织物组织中并覆盖床层端面，将床层端面置于179~230℃的气体氛围下，使床层端面上的低熔点金属熔融，同时将熔融的Sn浇铸在床层端面上，在熔融渗透过程中，纤维与金属紧密抱合，冷却凝固后，床层端面与低熔点金属熔接为一体，形成牢固的熔接层5，熔接低熔点金属量为5~50g/cm2；在熔接层5上焊接接线柱A6和接线柱B7，通过导线与外电源相连；活性炭纤维织物床层1中设有电偶8，在电热升温过程中测试活性炭纤维织物床层1的温度。
实施例七
采用如图4、图5所示滤芯结构，活性炭纤维织物床层1是由裁切成大小相同的活性炭纤维针织物平面叠加形成，装填在由格栅2、多孔筛板3和护板4组成的围护结构中；活性炭纤维织物的层叠面为通风面，与格栅2和多孔筛板3组成的通风面相对；在织物床层其他任意两相对端面，将熔点为79℃的低熔点Bi-Sn-In合金（粉、膏或乳）直接填充织物组织中并覆盖床层端面，将床层端面施加79~120℃的气体氛围下，使床层端面上的低熔点金属熔融，同时将熔融的Sn浇铸在床层端面上，并迅速将带有接线柱的外加电极板6按压在熔融金属层表面，待金属冷却凝固后，床层端面与低熔点金属熔接为一体，形成牢固的熔接层5，熔接低熔点金属量为5~50g/cm2，外加电极板6与熔接层5熔接形成电极，通过外加电极板6上的接线柱，连接导线与外电源相连；活性炭纤维织物床层1中设置电偶7，在电热升温过程中测试活性炭纤维织物床层1的温度。
实施例八
采用如图6所示滤芯结构，活性炭纤维针织物缠绕于内筒体9上形成活性炭纤维织物床层1，装填在由外筒体2、内筒体9和端盖4组成的围护结构中，外筒体2和内筒体9为通风面，在活性炭织物床层1的上下端面，将熔点为220℃的低熔点Sn-Ag-Cu合金（粉、膏或乳）直接填充织物组织中并覆盖床层端面，将床层端面置于220~260℃的气体氛围下，使床层端面上的低熔点金属熔融，同时将熔融的Sn浇铸在床层端面上，并迅速将带有接线柱的外加电极板6按压在熔融金属层表面，待金属冷却凝固后，床层端面与低熔点金属熔接为一体，形成牢固的熔接层5，熔接低熔点金属量为5~50g/cm2，外加电极板6与熔接层5熔接形成电极，通过外加电极板6上的接线柱，连接导线与外电源相连；活性炭纤维织物床层1中设置电偶7，在电热升温过程中测试活性炭纤维织物床层1的温度。
实施例九
采用如图1或2或3或4或5或6所示滤芯结构，与上述实施例不同的是：在植入低熔点金属前，需对活性炭纤维织物床层1端面织物进行金属化预处理，方法是活性炭纤维织物床层端面经过预处理、化学镀和后处理工艺过程，使活性炭纤维织物床层1端面沉积一层铜、镍、银等金属，以提高植入金属与活性炭纤维的结合力。预处理工艺包括常规的敏化、水洗、活化和水洗工序，采用的敏化剂为SnCl2等，活化剂采用钯盐、镍盐、银盐等，化学镀溶液一般由金属盐、还原剂、缓冲剂、络合剂和稳定剂等组成，化学镀银液的组分为Ag+、氨水，还原剂为蔗糖、葡萄糖、甲醛等；化学镀铜液的组分为Cu2+、OH-，还原剂为甲醛，稳定剂为(NH2)2S、C2H5NS2等含硫化合物和K2Se、(C2H5)2Se等含硒化合物；化学镀镍液的组分为Ni2+，还原剂为次磷酸钠、硼氢化钠、氨基硼烷等；后处理工艺包括水洗和干燥工序。
实施例十
采用如图1或2或3或4或5或6所示滤芯结构，与上述实施例不同的是，在植入低熔点金属前，需对活性炭纤维织物床层1端面织物进行金属化预处理，方法是通过常规蒸发沉积工艺，将活性炭纤维织物床层1端面暴露在真空腔内，把金属丝（铝、铜、镍等）加热至沸点后，气化金属沉积在暴露的活性炭纤维表面，形成均匀的金属涂层。
实施例十一
采用如图1或2或3或4或5或6所示滤芯结构，与上述实施例不同的是，在植入低熔点金属前，需对活性炭纤维织物床层1端面织物进行金属化预处理，方法是通过常规热喷涂工艺，利用电弧、等离子弧或燃烧火焰等热源，将金属加热到熔融或半熔融状态，经压缩空气喷射到活性炭纤维表面，形成均匀的金属涂层。
实施例十二
采用如图1或2或3或4或5或6所示滤芯结构，与上述实施例不同的是，在植入低熔点金属前，需对活性炭纤维织物床层1端面织物进行金属化预处理，方法是通过常规离子镀工艺，使活性炭纤维表面形成均匀的金属涂层。
需要说明的是，本领域的普通技术人员在本发明的暗示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，做出替换、简单组合等多种变形，这些均落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电热式净化滤芯的结构，包括围护结构和其内部装填的活性炭床层，其特征在于：所述的活性炭床层由活性炭纤维织物叠加而成，层叠面为通风面，非层叠面中任意两个相对的端面植入低熔点金属，使床层端面的织物材料与低熔点金属熔接为一体，形成牢固的熔接层，熔接层可直接作为电极或与外加电极板熔接形成电极，活性炭床层中设有电偶，在电热升温过程中测试活性炭床层的温度。
2.根据权利要求1所述的一种电热式净化滤芯的结构，其特征在于：所述的活性炭纤维织物为活性炭纤维非织造布、活性炭纤维机织物、活性炭纤维针织物。
3.根据权利要求1所述的一种电热式净化滤芯的结构，其特征在于：所述的低熔点金属为熔点在70~350℃金属单质或合金，金属单质或合金性状为膏状、粉状、乳状、块状。
4.根据权利要求3所述的一种电热式净化滤芯的结构，其特征在于：所述的低熔点金属为锡、铅、铋、镉、铟金属单质及其合金。
5.根据权利要求1或3所述的一种电热式净化滤芯的结构，其特征在于：所述的植入方法为将低熔点金属直接填充植入、或熔融浇铸植入，或直接填充与浇铸植入联用，或对活性炭床层端面织物金属化预处理后填充植入、或浇铸植入、或直接填充与浇铸植入联用。
6.根据权利要求5所述的一种电热式净化滤芯的结构，其特征在于：所述的金属化预处理方法为蒸发沉积法、或热喷涂法、或化学镀法、或离子镀法，使得活性炭床层端面织物附着一定厚度金属涂层的方法。
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Inventor after: Zhu Junli Inventor after: Zhang Lei Inventor before: Zhu Junli Inventor before: Zhang Lei Inventor before: Li Ke Inventor before: Zhu Guanghui Inventor before: Li Shizhen Inventor before: Zhang Zhongliang Inventor before: Song Yanlong |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20160224 Address after: 450002, 3 floor, No. 36 high-yield Road, Jinshui District, Henan, Zhengzhou Patentee after: ZHENGZHOU ZHONGSIDA ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Sanjiang science and technology building, No. 170 Henan 450053 Zhengzhou province Huiji District, room 208 Nanyang Road Patentee before: ZHENGZHOU ZHONGSIDA ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. Patentee before: No.63971 Troops, PLA |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20160422 Address after: Ying Xiang Lankao County in Henan province 475300 claw three village seven groups Patentee after: Li Xinyan Address before: 450002, 3 floor, No. 36 high-yield Road, Jinshui District, Henan, Zhengzhou Patentee before: ZHENGZHOU ZHONGSIDA ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240819 Address after: No. 54, No. 6 Wanglizhai North Street, Erqi District, Zhengzhou City, Henan Province, 450052 Patentee after: Zhu Junli Country or region after: China Address before: 475300 group 7, village 3, Zhaoying Township, Lankao County, Henan Province Patentee before: Li Xinyan Country or region before: China |