CN109107334A - 一种活性碳纤维电热再生单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种活性碳纤维电热再生单元，包括由活性碳纤维布层叠形成的活性碳纤维床层以及电极机构，还包括设置在活性碳纤维床层外侧的围护机构以及温度传感器，所述电极机构包括设置在所述活性碳纤维床层端部上的导电胶区、设置在所述导电胶区内或设置在所述导电胶区表面上的导电金属体以及与所述导电金属体相连的电极引出接头，所述导电金属体埋设在所述导电胶区内部，所述导电胶区为活性碳纤维床层端部至少部分浸入导电胶固化成型，所述围护机构包括侧边板以及设置在所述侧边板上下面上的格栅板。本发明中的电极机构性能优良，活性碳纤维床层温度分布较为均匀，电极抗老化性能优良，寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及气体净化领域，特别是涉及一种活性碳纤维电热再生单元，适用于工业VOCs废气净化与回收，还适用于室内空气中VOCs和其他有毒有害气体净化。
背景技术
活性碳纤维(ACF)是新一代高效活性吸附材料和环保功能材料，是活性炭的更新换代产品。采用活性碳纤维可使吸附装置小型化，吸附层薄层化，吸附漏损小，效率高，节能经济，可以完成颗粒活性炭无法实现的工作，是其它类型的活性碳纤维无法比拟的，也是性能出类拔萃的活性吸附材料和环保工程材料。活性碳纤维是用天然纤维或人造有机化学纤维经过碳化制成，其主要成份由碳原子组成。碳原子主要以类似石墨微晶片、乳层堆叠的形式存在。ACF另一引人注目的结构是具有发达的比表面积，丰富的微孔径。一般活性碳纤维(ACF)的比表面积可达1000～1600m2/g，微孔体积高达90％，其微孔孔径为10～40A。
但是，活性碳纤维只能暂时吸附污染物，由于吸附剂存在吸附饱和状态，达到饱和状态的吸附剂不再吸附污染物。活性碳纤维再生，是指用物理或化学方法在不破坏活性炭或活性碳纤维原有结构的前提下，将吸附于活性炭或活性碳纤维上的吸附质予以去除，恢复其吸附性能，从而达到重复使用的目的。根据现有的技术，目前再生方式一般都是首选高温加热再生法，高温加热再生法的优点在于其在再生过程中能分解多种物质，再生环境良好，从而成为主要再生方法。目前主流的高温加热再生法也分两种情况，一种为直接使用热空气脱附，其能耗高，对设备结构要求也高；另一种为直接将活性碳纤维本身作为热电阻，通电使得活性碳纤维自身发热实现脱附。
在活性碳纤维电热再生时，直接通电使得活性碳纤维发热通常需要在床层端面附加电极。但是活性碳纤维是柔性材料，易变形，电极与活性碳纤维间存在接触电阻，而且活性碳纤维端面不可能完全平整，电极无法与活性碳纤维端面完全接触，造成局部接触电阻过大。
而另一种可行的方式为在活性碳纤维端面通过表面处理(如蒸发沉积法、热喷涂法、化学镀法或离子镀法等方式)附着一定厚度金属涂层，进而形成电极。但是在活性碳纤维端面形成金属涂层代价极为高昂，不仅工艺非常复杂，需要特定的专业设备(如PVD设备、CVD设备)，而且成本非常高。所以，采用上述方法严重限制了再生活性碳纤维的产能，且由于成本高昂也严重限制了应用领域和方向。
发明内容
本发明的目的是提出一种活性碳纤维电热再生单元，通过简单的结构以及工艺，提高活性碳纤维的再生产能，降低活性碳纤维的再生成本，以扩大活性碳纤维的应用领域。
为实现上述目的，本发明提供了一种活性碳纤维电热再生单元，包括由活性碳纤维布层叠形成的活性碳纤维床层以及设置在所述活性碳纤维床层的一对侧端面上的电极机构，还包括设置在活性碳纤维床层外侧的围护机构以及设置在所述活性碳纤维床层内的温度传感器，所述电极机构包括设置在所述活性碳纤维床层端部上的导电胶区、设置在所述导电胶区内的导电金属体以及与所述导电金属体相连的电极引出接头，所述导电金属体埋设在所述导电胶区内部，所述导电胶区为活性碳纤维床层端部至少部分浸入导电胶固化成型，所述围护机构包括侧边板以及设置在所述侧边板上下面上的格栅板。
优选地，所述活性碳纤维布为编织或非编织的活性碳纤维层。
优选地，所述导电金属体的材质为铜、银、铅、金、锡、镉、镍、铁、铂金属单质或其合金中的一种。
优选地，所述导电金属体的形态为金属箔、金属棒、金属丝或金属块。
优选地，所述导电胶区由导电胶浸渍形成，所述导电胶至少为银基导电胶、金基导电胶、铜基导电胶或石墨基导电胶。
优选地，所述导电胶区的体积电阻率小于10-2Ω·cm，所述导电胶区的耐高温温度大于100℃。
优选地，所述围护机构的材质为热变形温度在150℃以上的树脂塑料。
优选地，所述温度传感器为热电阻或热电偶。
优选地，所述围护机构内设有至少两个活性碳纤维床层，相邻的活性碳纤维床层之间设有格栅板。
优选地，当所述导电胶为石墨基导电胶时，所述导电胶区采用烘干固化成型，烘干温度为60～100℃，烘干时间为30～150min。
优选地，所述导电胶区的宽度为0.5～2cm。
优选地，在活性碳纤维床层端部至少部分浸入导电胶固化成型的步骤包括：
将活性碳纤维布进行层叠，按照活性碳纤维床层的尺寸进行切割且使端部对齐，之后将所述活性碳纤维床层进行固定，并将活性碳纤维床层的端部外露；同时将导电金属体与电极引出接头预先进行连接；
将导电胶倒入与所述活性碳纤维床层的端部尺寸相对应的容器内，并将所述活性碳纤维床层的端部浸入导电胶内；
将活性碳纤维床层从容器内取出，将导电金属体埋入所述活性碳纤维床层的端部内，电极引出接头留在所述活性碳纤维床层的端部外部，自然晾干或烘干。
优选地，在制备所述活性碳纤维电热再生单元时，在活性碳纤维床层端部至少部分浸入导电胶固化成型制得电极机构；
在所述围护机构的侧边板上开具电极引出接头和温度传感器的安装孔洞，并将所有侧边板和一块格栅板组装，在缝隙处采用704密封胶进行堵缝；
之后将制好电极机构的活性碳纤维床层填入围护机构内，并将电极引出接头和温度传感器从安装孔洞穿出；
采用704密封胶在边缘进行密封，之后安装另一块格栅板并采用704密封胶进行密封，自然晾干固化成型。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
本发明的活性碳纤维电热再生单元消除了电极与床层端面间的接触电阻，在大电流通过电极时，电极产热极低，使用寿命长；而且保证了活性碳纤维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，使得温度在整个床层上分布均匀，温度梯度较小。由于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，使得活性碳纤维材料可以长时间保持良好的吸附性能。
本发明通过电极引出接头(如金属导线、金属触点等)与导电金属体连接，避免了活性碳纤维与金属电极直接连接不可靠的情况，增大了电极施加的牢固度与可靠度。同时，通过导电胶形成导电金属体与活性碳纤维之间均匀连接，避免了传统方式需要对活性碳纤维进行金属化处理的步骤，降低了工艺难度，降低了活性碳纤维的再生成本，极大地丰富了活性碳纤维的应用领域。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为活性碳纤维床层俯视示意图；
图2为活性碳纤维床层侧视示意图；
图3围护机构示意图；
图4为活性碳纤维电热再生单元电性能图；
图5为活性碳纤维电热再生单元温度测点分布图；
图6为活性碳纤维电热再生单元温度测点分布图；
图7为活性碳纤维电热再生单元老化性能图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了一种活性碳纤维电热再生单元，如图1～图7所示，其中示出了本发明的一种优先实施方式。本发明通过简单的结构以及工艺，提高活性碳纤维的再生产能，降低活性碳纤维的再生成本，以扩大活性碳纤维的应用领域。
如图1、图2、图3所示，所述活性碳纤维电热再生单元包括由活性碳纤维布2层叠形成的活性碳纤维床层以及设置在所述活性碳纤维床层的一对侧端面上的电极机构，还包括设置在活性碳纤维床层外侧的围护机构以及设置在所述活性碳纤维床层内的温度传感器5，所述电极机构包括设置在所述活性碳纤维床层端部上的导电胶区1、设置在所述导电胶区1内的导电金属体4以及与所述导电金属体4相连的电极引出接头3，所述导电金属体4埋设在所述导电胶区1内部，所述导电胶区1为活性碳纤维床层端部至少部分浸入导电胶固化成型，所述围护机构包括侧边板6以及设置在所述侧边板6上下面上的格栅板7。
优选地，所述活性碳纤维布2为编织或非编织的活性碳纤维层。由于电极机构设置在碳纤维床层端部，碳纤维床层采用活性碳纤维布2层叠形成，所以要求碳纤维需要编织成层状结构，如常见的活性碳网眼布。活性碳纤维布2也可以为活性碳毡等非编织形态，同样是层状结构适宜于在非层叠面制作电极。
所述导电金属体4的为常见的导电材料。优选地，所述导电金属体4的材质为铜、银、铅、金、锡、镉、镍、铁、铂金属单质或其合金中的一种。优选地，所述导电金属体4的形态为金属箔、金属棒、金属丝或金属块。由于活性碳纤维床层为多层结构，采用金属箔能够使得活性碳纤维床层端部与中部的高度近似，最大程度地减小端部与中间的高度差，有利于活性碳纤维过滤器在使用过程中的结构装配。而金属棒、金属丝或金属块形态的导电金属体4则能够增大导电金属体4与导电胶区1之间的结合力，使得电极机构更为牢固。
进一步，所述导电胶区1由导电胶浸渍形成，所述导电胶至少为银基导电胶、金基导电胶、铜基导电胶或石墨基导电胶。优选地，由于电极机构要满足大电流的发热要求，所述导电胶区1的体积电阻率小于10-2Ω·cm。同时，由于活性碳纤维电热再生单元需要进行升温脱附，为保证电极机构正常工作，所述导电胶区1的耐高温温度大于100℃。优选地，所述导电胶区1的宽度为0.5～2cm，既能够保证导电胶区1与导电金属体4之间的结合力，又能够使得接触电阻在较佳的范围，同时还使得活性碳纤维床层的损失控制在较小的范围。
所述导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性的胶粘剂。导电胶是一种固化或干燥后具有一定导电性能的胶粘剂，它通常以基体树脂和导电填料即导电粒子为主要组成成分，通过基体树脂的粘接作用把导电粒子结合在一起，形成导电通路，实现被粘材料的导电连接。由于导电粒子间的相互接触形成导电通路，使导电胶具有导电性，胶层中粒子间的稳定接触是由于导电胶固化或干燥造成的。
导电胶在固化或干燥前，导电粒子在胶粘剂中是分离存在的，相互间没有连续接触，因而处于绝缘状态。导电胶固化或干燥后，由于溶剂的挥发和胶粘剂的固化而引起胶粘剂体积的收缩，使导电粒子相互间呈稳定的连续状态，因而表现出导电性。本发明中，导电胶采用自然晾干或烘干。优选地，当所述导电胶为石墨基导电胶时，所述导电胶区1采用烘干固化成型。由于石墨基导电胶自然晾干很难保证固化后的强度，其固化需要在一定温度下进行。优选地，烘干温度为60～100℃，烘干时间为30～150min，既能保证固化强度，又能减少活性碳纤维在高温下的质量损失和微孔损失。
优选地，所述围护机构的材质为热变形温度在150℃以上的树脂塑料。由于活性碳纤维床层在脱附时，电热产生高温，需要活性碳纤维床层四周的围护机构能够具有一定耐温性能，同时兼具良好的绝缘性能。所述树脂塑料可为聚苯硫醚(PPS)、氯化聚醚、聚芳砜(PAR)、PEEK、POB、可熔PI、氨基塑料、EP、PF、F4、聚苯酯、聚苯并咪唑(PBI)、不熔PI、聚硼二苯基硅氧烷(PBP)、LCP等。
优选地，所述温度传感器5为热电阻或热电偶，能够实时监测活性碳纤维床层的脱附温度，用于判断脱附终点，保证脱附的安全性。优选地，所述围护机构内设有至少两个活性碳纤维床层，相邻的活性碳纤维床层之间设有格栅板7，以将上下相邻的活性碳纤维床层进行隔离，防止活性碳纤维床层在通电时电流不均进而导致局部温度过高，引起活性碳纤维床层着火。优选地，所述活性碳纤维床层与围护机构之间以及电极机构与围护机构之间通过704胶进行密封，防止漏风，同时固化后的704胶也起到热隔离与电隔离的作用。
本发明通过电极引出接头(如金属导线、金属触点等)与导电金属体连接，避免了活性碳纤维与金属电极直接连接不可靠的情况，增大了电极施加的牢固度与可靠度。通过电极引出接头，能够对活性碳纤维床层进行通电，活性碳纤维床层作为热电阻自身产热实现脱附再生。
同时，通过导电胶形成导电金属体与活性碳纤维之间均匀连接，避免了传统方式需要对活性碳纤维进行金属化处理的步骤，降低了工艺难度，降低了活性碳纤维的再生成本，极大地丰富了活性碳纤维的应用领域。
优选地，在活性碳纤维床层端部至少部分浸入导电胶固化成型的步骤包括：
将活性碳纤维布2进行层叠，按照活性碳纤维床层的尺寸进行切割且使端部对齐，将毛边去除。优选地，在切割时采用一次性切割，避免反复切割刀刃对活性碳纤维布2造成损伤，影响后续的浸胶。之后将所述活性碳纤维床层进行固定，并将活性碳纤维床层的端部外露，其端部外露0.5～2cm即可，以控制导电胶区1的宽度。同时将导电金属体4与电极引出接头3预先进行连接，为后续的电极制作做准备。
将导电胶倒入与所述活性碳纤维床层的端部尺寸相对应的容器内，容器的尺寸较活性碳纤维床层端部的尺寸稍大，以减少导电胶的工作损耗。之后将所述活性碳纤维床层的端部浸入导电胶内，使得导电胶从活性碳纤维床层的端面浸入内部。
将活性碳纤维床层从容器内取出，将导电金属体4埋入所述活性碳纤维床层的端部内，保证导电金属体4的埋设在未固化的导电胶内。电极引出接头3留在所述活性碳纤维床层的端部外部，用于脱附过程中进行通电加热。之后将活性碳纤维床层的端部自然晾干或烘干。
进一步，在制备所述活性碳纤维电热再生单元时，在活性碳纤维床层端部至少部分浸入导电胶固化成型制得电极机构；在所述围护机构的侧边板6上开具电极引出接头3和温度传感器5的安装孔洞，并将所有侧边板6和一块格栅板7组装，在缝隙处采用704密封胶进行堵缝；之后将制好电极机构的活性碳纤维床层填入围护机构内，并将电极引出接头3和温度传感器5从安装孔洞穿出；采用704密封胶在边缘进行密封，之后安装另一块格栅板7并采用704密封胶进行密封，自然晾干固化成型。
本发明中的在活性碳纤维床层端部亦可采用至少部分注入导电胶固化成型。在采用注入导电胶固化成型的方式时，需要将导电胶通过压力挤入活性碳纤维床层端部的纤维内部，并在活性碳纤维床层端部施加压力，以保证导电胶的均匀性。
将本发明的活性碳纤维电热再生单元通电，进行电学性能试验。如图4所示，在整个升温过程中，升温曲线非常平滑，电极机构性能优良。
如图5所示，对活性碳纤维床层布设B、E、F、G、H、I六个测温点，通电进行升温。活性碳纤维床层的升降温曲线如图6所示，通过本发明中的电极机构进行升温，活性碳纤维床层温度分布较为均匀，最高温度与最低温度相差不超过10℃，本发明的电极机构能够保证活性碳纤维床层脱附温度的均匀性，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，使得温度在整个床层上分布均匀，温度梯度较小。
进一步，对活性碳纤维电热再生单元进行升降温循环，进行老化试验，如图7所示，利用活性碳纤维利用自身作为电偶发再生脱附，电极机构可行、安全，电极抗老化性能优良，随着脱附次数的变化，本身的性能变化稳定。在280次升降温循环内，活性碳纤维床层总体保持稳定，电极外观无变化，活性碳纤维电热再生单元性能变化率小，在280次吸附脱附循环内性能变化小于15％，寿命长。
本发明的活性碳纤维电热再生单元消除了电极与床层端面间的接触电阻，在大电流通过电极时，电极产热极低，使用寿命长；而且保证了活性碳纤维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，使得温度在整个床层上分布均匀，温度梯度较小。由于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，使得活性碳纤维材料可以长时间保持良好的吸附性能。
应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (13)
1.一种活性碳纤维电热再生单元，包括由活性碳纤维布(2)层叠形成的活性碳纤维床层以及设置在所述活性碳纤维床层的一对侧端面上的电极机构，其特征在于：还包括设置在活性碳纤维床层外侧的围护机构以及设置在所述活性碳纤维床层内的温度传感器(5)，所述电极机构包括设置在所述活性碳纤维床层端部上的导电胶区(1)、设置在所述导电胶区(1)内的导电金属体(4)以及与所述导电金属体(4)相连的电极引出接头(3)，所述导电金属体(4)埋设在所述导电胶区(1)内部，所述导电胶区(1)为活性碳纤维床层端部至少部分浸入导电胶固化成型，所述围护机构包括侧边板(6)以及设置在所述侧边板(6)上下面上的格栅板(7)。
2.根据权利要求1所述的活性碳纤维电热再生单元，其特征在于：所述活性碳纤维布(2)为编织或非编织的活性碳纤维层。
3.根据权利要求1所述的活性碳纤维电热再生单元，其特征在于：所述导电金属体(4)的材质为铜、银、铅、金、锡、镉、镍、铁、铂金属单质或其合金中的一种。
4.根据权利要求1所述的活性碳纤维电热再生单元，其特征在于：所述导电金属体(4)的形态为金属箔、金属棒、金属丝或金属块。
5.根据权利要求1所述的活性碳纤维电热再生单元，其特征在于：所述导电胶区(1)由导电胶浸渍形成，所述导电胶至少为银基导电胶、金基导电胶、铜基导电胶或石墨基导电胶。
6.根据权利要求1所述的活性碳纤维电热再生单元，其特征在于：所述导电胶区(1)的体积电阻率小于10-2Ω·cm，所述导电胶区(1)的耐高温温度大于100℃。
7.根据权利要求1所述的活性碳纤维电热再生单元，其特征在于：所述围护机构的材质为热变形温度在200℃以上的树脂塑料。
8.根据权利要求1所述的活性碳纤维电热再生单元，其特征在于：温度传感器(5)为热电阻或热电偶。
9.根据权利要求1所述的活性碳纤维电热再生单元，其特征在于：所述围护机构内设有至少两个活性碳纤维床层，相邻的活性碳纤维床层之间设有格栅板(7)。
10.根据权利要求5所述的活性碳纤维电热再生单元，其特征在于：当所述导电胶为石墨基导电胶时，所述导电胶区(1)采用烘干固化成型，烘干温度为60～100℃，烘干时间为30～150min。
11.根据权利要求1所述的活性碳纤维电热再生单元，其特征在于：所述导电胶区(1)的宽度为0.5～2cm。
12.根据权利要求1所述的活性碳纤维电热再生单元，其特征在于：在活性碳纤维床层端部至少部分浸入导电胶固化成型的步骤包括：
将活性碳纤维布(2)进行层叠，按照活性碳纤维床层的尺寸进行切割且使端部对齐，之后将所述活性碳纤维床层进行固定，并将活性碳纤维床层的端部外露；同时将导电金属体(4)与电极引出接头(3)预先进行连接；
将导电胶倒入与所述活性碳纤维床层的端部尺寸相对应的容器内，并将所述活性碳纤维床层的端部浸入导电胶内；
将活性碳纤维床层从容器内取出，将导电金属体(4)埋入所述活性碳纤维床层的端部内，电极引出接头(3)留在所述活性碳纤维床层的端部外部，自然晾干或烘干。
13.根据权利要求1或10所述的活性碳纤维电热再生单元，其特征在于：在制备所述活性碳纤维电热再生单元时，在活性碳纤维床层端部至少部分浸入导电胶固化成型制得电极机构；
在所述围护机构的侧边板(6)上开具电极引出接头(3)和温度传感器(5)的安装孔洞，并将所有侧边板(6)和一块格栅板(7)组装，在缝隙处采用704密封胶进行堵缝；
之后将制好电极机构的活性碳纤维床层填入围护机构内，并将电极引出接头(3)和温度传感器(5)从安装孔洞穿出；
采用704密封胶在边缘进行密封，之后安装另一块格栅板(7)并采用704密封胶进行密封，自然晾干固化成型。
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