CN107257706A - 过滤器元件及包括过滤器元件的气体净化设备 - Google Patents

Abstract

公开了用于在气体净化设备(100)中使用的过滤器元件(1)。其包括衬底(10)及覆盖衬底(10)的外表面的过滤器层(20)。衬底(10)包括用于包含从气体中有效去除气体污染物的化学品(30)的材料。过滤器层(20)的材料是亲水性的，以吸附从气体中有效去除气体污染物的液体溶液吸附剂，且衬底(10)的被过滤器层(20)所覆盖的外表面是疏水性的。

Description

过滤器元件及包括过滤器元件的气体净化设备

技术领域

本发明涉及用于在气体净化设备中使用的过滤器元件，其包括衬底及覆盖衬底的区域的过滤器层，该区域是衬底的外表面的至少一部分，其中过滤器层包括用于包含从气体中有效去除气体污染物的化学品的材料。此外，本发明涉及用于净化气体的设备，其包括所提到的过滤器元件及用于在操作期间实现气体沿着过滤器元件的过滤器层的流动的器件。

背景技术

室内空气质量是与人类健康和舒适度紧密有关的重要问题。鉴于许多人在室内度过其大部分时间(例如，多于90％的时间)的事实，室内空气的污染构成了对于各种健康问题的重大风险因素。一般而言，空气污染物可以是颗粒污染物、气体污染物及微生物中的一种或多种。颗粒污染物可以通过应用合适的空气净化系统(诸如装备有高效HEPA过滤器的系统)而从空气中被去除。通常存在于颗粒上的微生物也可以以此方式从空气中被去除。

本发明涉及从空气或需要被净化的另一气体中去除气体污染物的领域。气体污染物包括有机气体和无机气体两者。有机气体污染物的公知示例是甲醛及挥发性有机化合物(VOC)，如苯、甲苯及二甲苯。无机气体污染物是如CO、CO2、NO2、SO2及NH3的气体。应用活性炭过滤器以用于从空气中去除其他污染物是常见的做法。另外，应用光催化氧化方法是已知的。

美国专利申请2008/135060A1公开了一种过滤器元件，其包括涂覆有乙酰乙酸盐官能聚合物材料的衬底，乙酰乙酸盐官能聚合物材料与气体(诸如空气)中存在的醛类发生反应并将其去除。过滤器元件的功能基于以下事实：可以通过将包含有一种或多种醛类的气体与包括衬底(例如，过滤器支撑材料)和聚合物组分(其包含乙酰乙酸盐残基)的过滤器元件接触，而将诸如甲醛、乙醛及丙烯醛的气态醛类从空气或者其他气态环境或媒介(诸如烟草烟雾)中去除，其中聚合物组分从缩合聚合物、加成聚合物、环氧树脂、聚硅氧烷、纤维素及纤维素酯中选择。

当应用液体溶液吸附剂(即，包含适当化学品的液体溶液)时，气体污染物的有效和简单的去除被实现。然而，归因于相对小尺寸的气体-液体接触面积，在此过程中使用液体的应用是受限的。另外，依据液体的出现而增加的湿度可能是不利的，并且液体可能难以循环利用。通过提供用于包含吸附剂的亲水性衬底(诸如，一张纸)来提高液体溶液吸附剂的应用的有效性是已知的。然而，这种方法的一个缺点是：仅有在衬底的外表面的化学品被牵涉在对气体污染物的去除是必要的反应中，其中大部分化学品存在于衬底的内侧并且因此不能有效地参与反应。因此，当表面化学品已经发生反应时，达到过滤器元件的最大寿命。总而言之，包括亲水性衬底的过滤器元件牵涉包括低液体反应效率、短寿命及化学品的浪费的许多缺点。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种过滤器元件，其与通过应用液体溶液吸附剂而用于从气体(诸如空气)中去除气体污染物的已知过滤器元件相比得到了改进，以便减少与已知过滤器元件相关联的问题。本发明的目的借助于包括衬底及覆盖衬底的外表面的过滤器层的过滤器元件来实现，其中衬底包括用于包含从气体中有效去除气体污染物的化学品的材料，其中过滤器层的材料是亲水性的，以吸附从气体中有效去除气体污染物的液体溶液吸附剂，并且其中被过滤器层覆盖的衬底的外表面是疏水性的。

依据覆盖有亲水性材料的疏水性表面的组合，当液体溶液吸附剂液滴被应用到根据本发明的过滤器元件时，获得有利的效果。事实是液滴将在过滤器层中快速散开，形成非常薄的液体层。因此，如所想要的，所有化学品都可以有效地参与反应。此外，过滤器元件可以容易地被再生，即通过添加新的液体溶液吸附剂液滴。当衬底被设计为具有开放的多孔结构时，过滤器元件仅牵涉小的压降，使得相对小的风扇即足以用于生成要通过过滤器元件被净化的气体的流动。因此，当在根据本发明的过滤器元件与已知的过滤器元件之间进行比较时，发现：根据本发明的过滤器元件牵涉诸如设计复杂度的降低、效率的提高、费用的减少及还可能地功耗的减少的优点。

一般而言，对是根据本发明的过滤器元件的一部分的并用于支撑过滤器元件的过滤器层的衬底来说，具有大的表面区域和小的压降是有利的。在实际的实施例中，衬底包括多个通道，其中过滤器层覆盖通道中的衬底的至少一部分外表面。例如，凭借具有六边形轮廓的至少一部分通道，衬底可以具有蜂巢状的外观。衬底的通道可以是非直通道，即，与在单个纵向方向中延伸的直通道不同的通道，以便延长要在过滤器元件中被净化的气体的逗留时间。衬底的外表面具有耐液特性是重要的，这对基于被供应到过滤器元件的液体液滴而在过滤器层中形成薄的散开的液体层的过程是有益的。用于在衬底中使用的适当的耐液材料的示例是玻璃、金属、塑料及陶瓷。另外，衬底可以包括诸如Al₂O₃泡沫的耐液多孔材料。在这样的情况下，归因于过滤器层的亲水特性，液体溶液吸附剂被防止阻塞衬底中的孔。

衬底(衬底的至少一部分外表面)具有耐液特性的事实意味着：衬底不是亲水性的，且实际上在该部分外表面处不吸附液体。在本发明的过滤器元件的实施例中，衬底可以具有不透液体的特性。根据另一选择，被过滤器层覆盖的衬底的至少一部分区域是疏水性的。在此方面，应指出的是，衬底还可以完全由疏水性材料制成。在一个实施例中，衬底包括亲水性材料，使得仅其外表面是疏水性的。衬底的外部可以被涂覆有疏水性材料。

根据存在于本发明的框架之内的实际选择，过滤器层是被涂覆到衬底的至少一部分外表面的亲水性涂层的薄层。过滤器层的功能是快速吸附液体溶液吸附剂，使得薄膜被形成。应指出的是，液体溶液吸附剂可以包括水以及根据目标气体污染物而被配制的化学品(一种或多种)，这不改变可以使用除水以外的另一液体的事实。适当的亲水性涂层可以通过用亲水性涂料涂覆衬底、通过向衬底附接亲水性聚合物的薄层等而被实现。

本发明还涉及用于净化气体(诸如空气)的设备，其包括具有亲水性过滤器层及衬底的过滤器元件，衬底具有前文中所描述的耐液特性，并且该设备进一步包括用于在操作期间实现气体沿着过滤器元件的过滤器层的流动的器件(诸如风扇)。如前文中已经提到的，本发明允许过滤器元件的容易的再生。气体净化设备中所包含的再生措施可以牵涉指示器件的应用，指示器件用于向用户指示关于过滤器元件的过滤器层的有效寿命的信息。例如，假若设备上的特定灯接通、设备被激活时发出声音或者产生另外的警示信号的话，用户可以知道液体溶液吸附剂需要被供应到过滤器层。根据另一选择，过滤器层的颜色改变可以充当过滤器层的寿命状态的指示。例如，与气体污染物发生反应并因此而改变颜色的化学品可以被添加到过滤器层。如果再生牵涉来自用户的动作，特别是将过滤器元件从设备去除、通过例如喷雾将适当量的液体溶液吸附剂供应给过滤器元件的过滤器层以及将过滤器元件放回到设备中的适当位置。因此，在这样的情况下，对过滤器元件来说被可移除地布置在设备中是实用的，这并不改变以下事实：也可以具有其中过滤器元件可以被保持在适当位置并还可以被提供有液体溶液吸附剂的设备的设计，在该种情况下将过滤器元件从设备中去除及将过滤器元件放回设备中的适当位置可以省略。

在根据本发明的气体净化设备的一个更加复杂的实施例中，设备包括用于将液体喷射到过滤器元件的至少一部分过滤器层的喷射装置，使得用户不需要使用分离的喷雾设备。此外，在这一实施例中，可以具有自动的再生。为了这个目的，设备可以另外被装备有用于以预定的间隔频率来激活喷射装置的计时器。备选地，设备可以包括用于检查气体净化过程的有效性的检测和控制器件等，其中有效性一显现为小于预定阈值，喷射装置就自动地被操作。例如，这样的检测和控制器件可以适于：通过将输出气流的气体污染物的含量与输入气流的相同气体污染物的含量作比较来检查气体净化过程的有效性；以及假若比较的结果显现为小于预定的参考数值同时输入气流的气体污染物的含量大于预定的参考数值的话，那么激活喷射装置。

根据本发明的设备可以被装备有用于包含液体化学品的容器，其中对喷射装置来说被连接到该容器是有利的。在自动的再生的情况下，不需要向用户指示过滤器层的寿命已经结束。然而，假定设备中存在用于包含液体化学品的容器，则在设备中具有指示器件，即用于指示容器的空的状态或接近空的状态仍然是有用的。

本发明不限于某些类型的化学品的应用。原则上，能够去除一种或多种其他污染物的所有种类的液体溶液都可以与根据本发明的过滤器元件一起使用。液体溶液的一个示例是包含含量在1％到40％范围内的三羟甲基氨基甲烷，其已知能有效从空气中去除甲烷。

本发明的上述及其他方面将从以下详细描述变得明显，并参考以下详描述得以阐明：包括亲水性过滤器层及具有耐液外表面的衬底的过滤器元件的一个实际实施例，以及包括过滤器元件的空气净化器的部件。

附图说明

现在将参考附图更详细地解释本发明，在附图中同样的或类似的部件由相同的参考标记指示，以及在附图中：

图1概要地示出了根据本发明的过滤器元件的一个实际实施例；以及

图2概要地示出了包括过滤器元件的空气净化器的部件。

具体实施方式

图1概要地示出了根据本发明的过滤器元件1的一个实际实施例。过滤器元件1包括衬底10和过滤器层20，过滤器层20为被涂覆到区域11的亲水性涂层的薄层的形式，区域11是衬底10的外表面12的一部分，(即，从衬底10的外部是衬底10的可接近的表面的一部分)，所包括的表面在可存在于衬底10中的孔、洞、通道等中是可接近的。在图1的概要表示中，为了说明存在在衬底10的被覆盖区域11上的过滤器层20，过滤器层20的厚度相对于衬底10的厚度以过分放大的方式被描绘。

在所示的示例中，衬底10包括用于允许要被净化的气体流过过滤器元件1的多个通道13。为了具有最有效的过滤器元件1，在各个通道13中，衬底10的外表面12被过滤器层20覆盖。衬底10的外表面12是耐液的，以便获得下文将所解释的效果。为了这一目的，衬底10的外层可以包括诸如玻璃、金属、塑料或陶瓷的耐液材料，或者整个衬底10可以由这样的材料制成。

通道13可以具有任何适当的轮廓。在所示的示例中，若干通道13具有六边形轮廓，使得衬底10具有蜂巢状外观。众所周知的事实是，就具有相对大的表面和相对小的压降两者而言，蜂巢状结构是有利的。所有通道13都可以具有六边形轮廓，以便获得蜂巢状结构，但是也可以具有如所示的、六边形通道13a和菱形通道13b的组合。通道13可以是直通道，但是包括弯曲部分的通道13在本发明的框架之内也是可行的。

过滤器元件1适合被应用在旨在被用来净化空气或另一气体的设备中。在这样的设备中，风扇等被用来驱动要被净化的气体通过过滤器元件1，以接触过滤器元件1的过滤器层20。归因于其亲水性特性，过滤器层20能够吸附液体溶液吸附剂，在气体净化设备的操作期间，液体溶液吸附剂从沿着过滤器层20流动的气体中有效去除气体污染物。过滤器元件1的过滤功能基于以下事实：污染物被夹带在过滤器层20中并与过滤器层20中存在的化学品发生反应。只要并非所有化学品都已经发生反应，则实现过滤器元件1的输出气流比过滤器元件1的输入气流包含更少气体污染物。液体溶液吸附剂以薄膜的形式停留在衬底10的外表面12之上，其中，归因于衬底10的耐液特性，避免了液体溶液吸附剂更深地渗透到衬底10中。因此，具有过滤器元件1的功能状态所需要的液体溶液吸附剂的量比假若如本领域所已知的、衬底10是亲水性的情况少很多。

为了达到过滤器元件1的满意的去除效率，过滤器元件1的由通道13的横截面尺寸所确定的孔径是非常重要的因素。小孔径的过滤器元件将具有更好的去除效率，但获得更大的压降。另一方面，具有较大孔径的过滤器元件将受益于更小的压降，但因为气体将不具有与过滤器元件的全面接触，其去除效率将降低。因此，牵涉满意的去除效率和可接受的压降的适当的孔径的选择是重要的。

以下将解释一种确定适当的孔径的方式。作为借助于适当的设备(即，空气净化器)来净化房间中的空气的实际情况的一个示例，假定房间的容积是50m³并且空气净化器可以每小时清洁房间五次，使得过滤器元件1的流速需要是250m³/h。过滤器元件1的表面积尺寸假定为0.1m²，同时过滤器元件1的厚度假定为30mm。气流速度被计算为0.69m/s(250÷0.1÷3600＝0.69m/s)。使用以下公式，可以计算气体分子在过滤器元件1内的逗留时间t，其中ε表示过滤器元件1的孔隙率并被假定为0.5，L表示过滤器元件1的厚度，以及v表示气流速度：

t＝εL/v＝0.5×0.03/0.69＝0.02s

借助于以下公式计算气体分子的扩散路程Δ，其中D表示气体扩散系数，其在这一示例中被假定为适用于甲醛，D_HCOH＝1×10^-5m²/s:

Δ＝(4Dt)^1/2＝(4×10^-5×0.02)^1/2＝0.9mm

根据计算结果，如果过滤器元件1的通道13的形状是直的，那么通道13的理想直径(即，理想孔径)是0.9mm。如果过滤器元件1的通道13不是直的，那么空气通路的增加的复杂度允许更大的孔径，只要从过滤器元件1的一侧一直延伸到另一侧的过滤器元件1的开放孔径小于0.9mm即可。

在用于净化空气或另一气体的过滤器元件的领域中一个重要问题是过滤器元件的寿命。根据本发明的过滤器元件1可以通过向过滤器层20供应化学品而被再生，这可以以任何适当的方式(例如，通过喷雾)来完成。以下解释如何计算再生间隔。作为一个示例，假定要被包括在过滤器层20中的化学吸附剂的组分是10％w/w KHCO₃/5％w/w K₂CO₃/10％w/wKHCO₂/25％w/w三羟甲基氨基甲烷/50％w/w H₂O。在该情况下，当过滤器层20被假定为吸附50g化学吸附剂时，供应给过滤器层20的三羟甲基氨基甲烷是12.5g(约0.1mol)。依据每个NH₂基帮助化合两个甲醛气体分子的事实，发现0.1mol的三羟甲基氨基甲烷吸附0.2mol(6000mg)甲醛。这意味着在其中甲醛浓度是0.1mg/m³的50m³大小的房间中，过滤器元件能够清洁60000m³的被污染的空气。假定空气净化器能够排放200m³/h的清洁空气，这意味着过滤器元件1可以使用300小时。当污染达到两倍水平(0.2mg/m³)时，过滤器元件1的有效寿命是150小时。基于这一示例性计算，过滤器元件1的再生需要每周或每两周发生，这是实际和合理的时间间隔。

在前文所描述的示例中，去除甲醛的官能团是NH₂。注意到，具有NH基的其他类型的胺也适合用于甲醛去除。

如果周期性再生系统与过滤器元件1一起被提供，这对过滤器元件1的有效性是有益的。过滤器元件1的寿命周期通过用官能气体去除吸附剂装填亲水性过滤器层20而被启动。在预定的时间段之后或依据传感器反馈，新剂量的吸附剂可以被供应给过滤器层20以启动新的寿命周期并贯穿过滤器元件1的整个寿命保持气体污染物的去除发生在预定水平的有效性。依据根据本发明的过滤器元件1的设计允许再生的事实，与已知过滤器元件相关联的问题(诸如短寿命及气体污染物去除的有限效率)得以有效地减轻。

图2概要地示出了空气净化器100的部件，空气净化器100包括如前文所描述的过滤器元件1。特别地，除过滤器元件1之外，空气净化器100包括：用于生成通过过滤器元件1的流动空气的风扇101，用于包含液体溶液吸附剂30的容器102，具有控制阀104的泵103，将液体溶液吸附剂30喷射到过滤器元件1上的喷嘴105，以及具有第一部分106a和第二部分106b的管道106，其中第一部分106a用于使得具有控制阀104的泵103能够从容器102获得液体溶液吸附剂30，第二部分106b用于使得具有控制阀104的泵103能够通过喷嘴105将液体溶液吸附剂30供应给过滤器元件105。根据这一设计，空气净化器100包括再生系统，其适于通过从容器102获得液体溶液吸附剂30并将液体溶液吸附剂30喷射到过滤器元件1上来使过滤器元件1再生，其中液体溶液吸附剂30由过滤器元件1的过滤器层20吸附并如前文所解释的在过滤器元件1的衬底10的外表面12上形成薄膜。在图2中，借助于一组虚线概要地描绘了液体溶液吸附剂30的喷射。

在所示的空气净化器100中，假定容器102被填充有液体溶液吸附剂30，过滤器元件1的再生通过激活具有控制阀104的泵103而发生。根据一种可行的选择，具有控制阀104的泵103由空气净化器100的用户手动地激活。为了这个目的，空气净化器100可以包括用于由用户操作的适当的按钮等。在空气净化器100的一个基础实施例中，由用户决定过滤器元件1的再生应当何时发生，即，通过感知空气净化器100的周围中的空气质量和/或考虑到某一时间间隔。在空气净化器100的一个更复杂的实施例中，指示器107被提供用于警告用户是该进行再生动作的时候了。指示器107可以借助于计时器(未示出)而被操作，或者空气净化器100可以被装备有控制器108及至少一个传感器109，该至少一个传感器109用于检查过滤器元件1是否有效到预定程度并在这显现为不是这种情况时激活指示器107。所提到的检查过程可以以任何适当的方式发生，且可以牵涉检测输出的空气流中气体污染物的含量并将所找到的数值与阈值数值作比较，或者检测输入空气流和输出空气流两者中的气体污染物含量并将所找到的差值与阈值数值作比较。在一个自动的实施例中，指示器107可以被省略，该实施例在所示的再生系统的构思之内也是可行的。替代适于将信号提供给用户，控制器108可以适于：依据通过传感器109所接收的、与过滤器元件1的有效性有关的信号，再生一显现为是必需的，就直接激活具有控制阀104的泵103。

虽然优选以便捷的方式允许过滤器元件1的再生，但是对包括过滤器元件1的空气净化器来说不一定包括再生系统。作为一种备选，用户可以采取行动以使过滤器元件1再生，即，通过将过滤器元件1从空气净化器中去除、利用来自适当的喷雾壶等的液体溶液吸附剂30喷射过滤器元件1、然后将以这种方式被再生的过滤器元件1放回到空气净化器中的适当位置。在这一备选的方面，空气净化器可以被装备有用于帮助用户确定再生动作的恰当时间的指示器。

对本领域的技术人员将清楚的是，本发明的范围不限于前文所讨论的示例，但是示例的数个修正和修改在不脱离如由所附的权利要求所限定的本发明的范围的情况下是可能的。尽管本发明已经在附图和描述中进行了详细说明和描述，但这样的说明和描述将被认为仅是说明性或示例性的，并不是限制性的。本发明不被限制在所公开的实施例。

对所公开实施例的变型可以由本领域的技术人员，从对附图、描述及所附权利要求的学习，在实践所要求保护的发明中被理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其他步骤或元件，以及不定冠词“一个”或“一种”不排除多个或多种。某些措施被记载在互相不同的独立权利要求中的单纯事实不能指示这些措施的组合不能有利地被使用。权利要求中的任何参考标记不应当被解释为限制本发明的范围。

总之，本发明涉及用于在净化气体的设备中使用的过滤器元件1，该过滤器元件1包括衬底10和过滤器层20，过滤器层20覆盖衬底10的区域11，区域11是衬底10的外表面12的至少一部分。过滤器层20包括用于包含从诸如空气的气体中有效去除气体污染物的化学品的材料。过滤器层20的材料是亲水性的，同时衬底10的被过滤器层20所覆盖的区域11的至少一部分是耐液的。当液体液滴溶液吸附剂30被应用到过滤器元件1时，液滴将在过滤器层20中快速散开，形成非常薄的液体层，使得所有化学品都可以被有效地使用以及通过将液体溶液吸附剂30供应给过滤器元件1的过滤器层20的至少一部分，过滤器元件1的再生是可能的。

Claims (13)

1.一种过滤器元件(1)，用于在气体净化设备(100)中使用，所述过滤器元件(1)包括衬底(10)及覆盖所述衬底(10)的外表面的过滤器层(20)，其中所述衬底(10)包括用于包含从气体中有效去除气体污染物的化学品(30)的材料，其中所述过滤器层(20)的材料是亲水性的以吸附从气体中有效去除气体污染物的液体溶液吸附剂，以及其中所述衬底(10)的被所述过滤器层(20)所覆盖的所述外表面是疏水性的。

2.根据权利要求1所述的过滤器元件(1)，其中所述衬底(10)包括多个通道(13、13a、13b)，并且其中所述过滤器层(20)覆盖所述通道(13、13a、13b)中的所述衬底(10)的所述外表面(12)的至少一部分。

3.根据权利要求2所述的过滤器元件(1)，其中所述衬底(10)凭借至少一部分具有六边形轮廓的所述通道(13、13a、13b)而具有蜂巢状外观。

4.根据权利要求2所述的过滤器元件(1)，其中所述通道(13、13a、13b)是非直通道，即与在单个纵向方向中延伸的直通道不同的通道。

5.根据权利要求1所述的过滤器元件(1)，其中所述衬底(10)包括亲水性材料，使得仅所述衬底(10)的外表面是疏水性的。

6.根据任何前述权利要求所述的过滤器元件(1)，其中所述衬底(10)完全由疏水性材料制成。

7.一种用于净化气体设备(100)，所述气体诸如为空气，所述用于净化气体设备(100)包括根据权利要求1至6中任一项所述的过滤器元件(1)，以及用于在操作期间实现气体沿着所述过滤器元件(1)的所述过滤器层(20)的流动的器件(101)。

8.根据权利要求7所述的设备(100)，进一步包括指示器件(107)，所述指示器件(100)用于向用户指示关于所述过滤器元件(1)的所述过滤器层(20)的有效寿命的信息。

9.根据权利要求7至8中任一项所述的设备(100)，其中所述过滤器元件(1)被可移除地布置在设备(100)中。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的设备(100)，进一步包括喷射装置(103、104、105、106)，所述喷射装置(103、104、105、106)用于将液体(30)喷射到所述过滤器元件(1)的所述过滤器层(20)的至少一部分上。

11.根据权利要求10所述的设备(100)，进一步包括用于包含液体化学品(30)的容器(102)，其中所述喷射装置(103、104、105、106)被连接到所述容器(102)。

12.根据权利要求10至11中任一项所述的设备(100)，进一步包括计时器，所述计时器用于以预定间隔频率激活所述喷射装置(103、104、105、106)。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的设备(100)，进一步包括检测和控制器件(108、109)，所述检测和控制器件(108、109)适于检查气体净化过程的有效性，以及在所述有效性显现为小于预定参考数值的情况下激活所述喷射装置(103、104、105、106)。