CN109893999A - 一种空气净化炭包 - Google Patents
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Abstract
公开了一种空气净化炭包，该空气净化炭包包括活性锰层和活性炭层，其中所述活性锰层包裹所述活性炭层；其中所述活性锰层是通过将锰氧化物负载到基材上形成的；并且所述活性炭层由活性炭构成。根据本发明的空气净化炭包构造简单、操作高效且安全，其既能保持活性炭的吸附效果又能有效去除空气中的甲醛。
Description
技术领域
本发明涉及空气净化领域，具体涉及一种空气净化炭包。
背景技术
空气中合有大量颗粒物，如灰尘、尘埃、烟尘、矿尘、砂尘、粉末等，过滤型纤维基材在净化去除空气中的颗粒物方面起了不可或缺的作用，但是在人们工作、生活的空间中还存在气态的、挥发性的有机污染物，如氮氧化物、臭氧、甲醛、甲苯、二甲苯等。其中甲醛是一种常见的室内空气污染物，主要从室内的建筑材料和装饰物中释放出来，且具有缓慢释放、持久污染的特点。甲醛具有刺激毒性，是一种致癌物质，可经由吸入及皮肤接触而影响人体健康。
当前，已知可以通过活性炭来吸附甲醛以及诸如氨气、臭氧之类的具有异味的气体。然而，活性炭对于甲醛仅限于吸附而无法有效地去除或分解。此外，在低浓度的甲醛作用下，活性炭无法发挥其微孔结构多，比表面积大的优点，在50min时即达到平衡浓度，出现穿透失活的现象，参见例如CN201310139928.3。
此外，虽然已经研究了锰氧化物在常温状态下对甲醛的分解作用，但是锰氧化物对甲醛的去除作用会随着时间或者去除量的增大而减小。也就是说，锰氧化物的活性会随着使用过程的进行而降低，从而妨碍对甲醛的持续去除效果。特别是在对空气中的甲醛含量敏感的空间中，保持锰氧化物的高活性以及对甲醛的去除效果具有重要意义。
鉴于此，本发明的一个目的是提供一种既能保持活性炭的吸附效果又能有效去除空气中的甲醛的空气净化炭包。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了空气净化炭包，该空气净化炭包包括活性锰层和活性炭层，其中，所述活性锰层包裹所述活性炭层；其中，所述活性锰层是通过将锰氧化物负载到基材上形成的；并且所述活性炭层由活性炭构成。
优选地，所述锰氧化物是水钠锰矿型锰氧化物，并且所述基材是过滤棉、无纺布、棉布和纱布中的一个。
优选地，所述活性锰层的表面被配置为凹凸形状，并且在所述凹凸形状的凹部设置有孔。
优选地，所述空气净化炭包还包括：加热装置，被设置在所述活性锰层和所述活性炭层之间，并且被配置为加热所述活性锰层。
优选地，在所述加热装置和所述活性炭层之间设置有隔热层。
优选地，所述加热装置是加热电阻丝。
优选地，所述加热装置是能够与水进行放热反应的物质。
优选地，所述加热装置是设置在所述活性锰层和所述活性炭层之间氧化钙层。
优选地，在所述空气净化炭包的表面、所述活性锰层与加热装置之间的界面、所述加热装置与活性炭层之间的界面中的两个处分别设置有疏水层和亲水层，并且疏水层被设置在亲水层的外侧。
优选地，所述疏水层被设置在所述氧化钙层与所述活性锰层之间，并且所述亲水层被设置在所述氧化钙层与所述活性炭层之间。
根据本发明的空气净化炭包构造简单、操作高效且安全，其既能保持活性炭的吸附效果又能有效去除空气中的甲醛。
参考附图，根据以下对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得清楚。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的空气净化炭包的结构示意图；
图2为根据本发明第一实施例的空气净化炭包的外形结构的示意图；
图3为根据本发明第一实施例的作为加热装置的电阻丝的布置示意图；
图4为根据本发明第二实施例的空气净化炭包的结构示意图，其中设置有亲水层和疏水层；以及
图5为根据本发明第三实施例的空气净化炭包的结构示意图，其中通过化学反应释放的热量加热活性锰层。
具体实施方式
本发明提供了一种既能保持活性炭的吸附效果又能有效去除空气中的甲醛的空气净化炭包。
以下，参考附图描述本发明的示例性实施例，但是应当理解，以下的实施例仅仅是示例性的，并且不是要将本发明限制到这些实施例。此外，实施例中描述的构成要素的尺寸、材料、形状、它们的相对布置等可以根据应用本发明的装置的配置、各种条件等适当地改变。因此，实施例中描述的构成要素的尺寸、材料、形状、它们的相对布置等并不意图将本发明的范围限制到以下实施例
第一实施例
首先，参考图1，描述根据本发明第一实施例的空气净化炭包的整体配置。其中，图1示出了根据本发明第一实施例的空气净化炭包的截面图。
如图1所示，根据本发明的空气净化炭包被设计为密封袋的形式，并且包括包覆层101、活性锰层102、活性炭层103和加热装置104。空气净化炭包例如可以被配置为圆形、方形、矩形或者其它合适的形状。
包覆层101为空气净化炭包的最外层，其例如可以由聚酯纤维、棉布等材料制成，起到对内部包覆的活性锰、活性炭等填充材料进行吸附固定的作用。此外，为了便于空气中诸如甲醛、臭氧、氨气等污染物进入到碳包内部以与内部的填充材料发生物理和/或化学反应，优选地，形成包覆层101的材料具有较大的孔隙率。可替代地，为了进一步增大空气与内部填充材料的接触面积，可以在包覆层101上开孔1011，以使得空气与内部填充材料充分接触。
孔1011可以被设置成各种大小，以所包覆活性锰不会通过孔1011泄露为限。此外，孔1011可以被设置成各种形式和/或布置成各种图案。
活性锰层102被设置在包覆层101的内侧，并且被配置为主要吸附和分解空气中的甲醛。活性锰层102的材料例如可以是锰氧化物、铈氧化物、锰氧化物和铈氧化物的混合物等等。
在活性锰层102由锰氧化物和铈氧化物的混合物构成的情况下，通过高锰酸盐与硝酸铈反应生成二氧化锰和二氧化铈，高锰酸盐可以为高锰酸钠、高锰酸钾和高锰酸铵中的一种或它们的任意组合。
根据一个实施例，在锰氧化物与铈氧化物的质量比在10∶1-10∶5的范围内的条件下，检查对甲醛分解效果。具体地，准备3个3.5L的玻璃瓶，在三个玻璃瓶钟中分别悬挂三块聚酯纤维，三块聚酯纤维上的二氧化锰和二氧化铈的比例依次为：10∶1、10∶2以及10∶5，然后在空白的过滤棉上喷洒甲醛溶液，定时从玻璃瓶中取出1-2ml的气体，采用酚试剂法测定玻璃瓶中的甲醛浓度随时间的变化，结果得出，二氧化锰和二氧化铈的比例越大，分解甲醛的效率越高。因此，优选地，锰氧化物与铈氧化物的质量比为10∶1。
根据一个实施例，锰氧化物例如可以是水钠锰矿型锰氧化物，其制备方法在申请号为201310139928.3和201410455990.8的中国发明专利申请中有具体描述，这二者的全部内容通过引用结合于此。
此外，活性锰层102的材料不限于此，并且可以是其它能够分解甲醛的材料。以下，以锰氧化物为例作为根据本发明的活性锰层102的材料进行描述。
需要注意的是，虽然在以上描述中，将包覆层101和活性锰层102描述为单独的层，但是包覆层101和活性锰层102可以被配置为单层结构105。例如，当锰氧化物被固定或负载在诸如棉布、聚酯纤维等基材上时，所形成的负载有锰氧化物的基材(例如棉布)可以被视为单层结构105。在这种情况下，所形成的单层结构105具有包覆层101和活性锰层102二者的功能。具体地，所述单层结构105一方面包覆内部的活性炭，另一方面其中的锰氧化物可以分解空气中的甲醛。
此外，在包覆层101和活性锰层102被配置为单层结构105的情况下，为了增大与空气的接触面积，单层结构105可以如图2所示的被设置为具有凹凸形状106的结构。具体地，所述凹凸形状106可以是形成在单层结构105的表面上的凸起和凹槽。为了进一步地增大所包覆的活性炭与空气的接触面积，可以在单层结构105上设置孔1011。优选地，孔1011被设置在所述凹凸形状的凹部内，如此，可以在增大活性炭与空气的接触面积的同时减少活性炭从单层结构105的泄露。这是因为当活性炭被包覆在单层结构105内时，活性炭更倾向于停留在低的位置处，也就是单层结构105表面上的凸起所形成的内部空间中。
活性炭层103是在活性锰层102的内侧的层，并且由活性炭颗粒构成。活性炭层103主要用于吸附空气中的臭氧、苯、二甲苯、氨气等具有异味的气体。活性炭的示例包括煤质炭、椰维炭，椰维炭是以椰壳为原料，经高温活化、碳化处理，同时负载光触媒、碳纤维而成的一种活性炭。活性炭颗粒可以是通用活性炭，也可以是如中国发明专利CN201410618037.0中所公开的活性炭，该专利的全部内容通过引用结合于此。可以理解的是，活性炭可以是任何类型的活性炭，并且可以是现有或待开发的活性炭。
通常，高浓度的甲醛会在锰氧化物催化剂表面生成甲酸盐或碳酸盐等中间产物，而过多的中间产物积累会使催化剂失活。在本示例性实施例中，通过设置加热装置104对活性锰层102进行加热，以将所生成的中间产物分解为二氧化碳，从而使锰氧化物恢复活性。
具体地，可以在活性锰层102和活性炭层103之间设置加热装置104。加热装置104可以被设置为层状，以对活性锰层102进行均匀加热。可替代地，加热装置104可以被设置在活性锰层2中，以实现对活性锰层102内部进行加热。
如图3所示，根据一个实施例，加热装置可以是电阻丝，电阻丝可以被设置为弓形形式以实现对活性锰102的均匀加热。根据另一个实施例，电阻丝可以被设置成并联连接的形式，以防止在单个电流流动路径由于故障等而断路的情况下，其它电流路径仍然能够提供对活性锰层102加热的效果。具体地，如图3所示，可以在电极8之间设置多个并联连接的电流流动路径9。
在利用电阻丝来配置加热装置104的情况下，可以在空气净化炭包的周边设置可拆卸和/或可充电电池，以向电阻丝供给电力。电池例如可以是普通干电池、锂电池，等等。此外，代替可拆卸和/或可充电电池，可以在本发明的空气净化炭包周边设置太阳能板，以利用太阳能向加热装置104供给电力。
在通过加热装置104对活性锰层102进行加热的情况下，为了节省电力和保证活性锰层102对甲醛的分解效果，可以设置加热装置104的激活时间。
例如，根据一个实施例，加热装置104包括加热装置激活时间控制器，加热装置激活时间控制器例如可以被设置为每隔预定时间(例如，24小时，48小时，一周等等)自动激活加热装置，以对活性锰层102进行加热。
根据另一个实施例，加热装置激活时间控制器可以被配置为在特定时间自动激活加热装置，例如每天凌晨1点或2点，如此，可以在最小化对人的活动的影响的情况下使活性锰层102恢复活性，因为此时人最可能处于睡眠状态或者不处于设置碳包的空间中，而且可以在即将到来的白天使得空间中的甲醛浓度降到较低的水平。
根据又一个实施例，可以为空气净化炭包设置活性锰活性检测器，其检测活性锰的活性，以在活性锰的活性低于预定值时自动激活加热装置104。活性锰活性检测器的示例例如可以是甲酸盐或碳酸盐浓度传感器，并且当甲酸盐或碳酸盐浓度传感器所检测到的浓度值大于预定值时，自动激活加热装置104。
可替代地，可以直接设置甲醛浓度检测器，当甲醛浓度检测器的测量值高于预定值或者递增达预定时间时，可以自动激活加热装置104。
此外，为了减小加热装置104所生成的热对内部活性炭的影响，优选地，在活性炭层103与加热装置104之间设置未示出的隔热层。在图1中，隔热层例如可以是活性炭层103与加热装置104之间的部分。隔热层例如可以由聚氨酯硬质泡沫材料制成。此外，为了便于空气与活性炭接触，可以在隔热层上设置孔，孔的位置例如可以被设置在加热电阻丝之间，以防止加热电阻丝与活性炭直接接触。
此外，还可以在加热装置104与活性锰层102之间设置其它功能的层，例如防止粉末状锰氧化物进入活性炭层103的隔离层，如加热装置104与活性锰层102之间的部分所示的。
虽然在以上的示例性实施例中，以在空气净化炭包中设置能够使锰氧化物恢复活性的加热装置104为例进行了描述，但是加热装置104不是必须的。也就是说，根据本发明的空气净化炭包可以是活性锰层2包裹活性炭层3的形式。如此获得的空气净化炭包可以通过外层的锰氧化物分解空气中的甲醛气体，从而防止了甲醛造成的活性炭的活性下降，增强活性炭的使用寿命，而且可以通过内部的活性炭层103吸附臭氧、氨气等具有异味的气体，从而实现了在保持活性炭的吸附活性的条件下，在去除臭氧、氨气等具有异味的气体的同时高效地分解空气中的甲醛的效果。
第二实施例
以下，将主要描述与第一示例性实施例的空气净化炭包的不同之处，并省略与第一示例性实施例的空气净化炭包的相同部分的冗余描述。
一般而言，活性炭可以净化空气是因为活性炭内部具有发达的空隙结构和丰富的微孔组织，这些微孔组织产生吸附力场，当空气中的有毒有害气体与活性炭接触时，活性炭微孔的吸附力场将有毒有害气体的分子吸附到微孔内，从而实现吸附有毒有害气体的效果。
然而，当空气中的湿度过大或者在活性炭长期使用之后，空气中的水分与活性炭接触，造成微孔组织被水分占据，从而降低了活性炭的有效孔隙率和比表面积，进而影响活性炭的吸附效果。
鉴于此，根据本示例性实施例的空气净化炭包还设置有亲水层202和疏水层201结构。图4示出了根据本示例性实施例的亲水层202和疏水层201的布置。疏水层201例如可以由氟/硅材料、合成高分子熔体聚合物(如聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不合氟的丙烯酸酯、熔融石蜡)等材料制成。亲水层202例如可以是亲水绵、亲水性纤维、亲水皮革等等。
具体而言，在根据本示例性实施例的空气净化炭包中，疏水层201和亲水层202被从外到内依次设置，也就是说，在根据本示例性实施例的空气净化炭包中，疏水层201被设置在亲水层202的外侧，也即，当空气中的水分要与内层的活性炭接触时，首先通过疏水层201，之后再通过亲水层202。
根据一个实施例，疏水层201可以被设置在最外层，以防止空气中的水分进入空气净化炭包以与活性锰层102和活性炭层103接触。在这种情况下，亲水层202可以被设置在活性炭层103的外部并与活性炭层103接触。如此，一方面，在外层的疏水层201可以防止空气中的水分进入空气净化炭包，从而堵塞活性炭的微孔结构使得活性炭的活性降低，另一方面，内部的亲水层可以吸附活性炭中的水分，进一步防止了水分堵塞活性炭层103中的活性炭的微孔结构，从而延长了活性炭的使用寿命。
在活性锰层102和活性炭层103之间设置作为加热装置104的电阻丝的情况下，亲水层202可以被设置在活性锰层102的内部并与活性锰层102接触，但是，这种方案不是优选的，因为亲水层上吸附的水分可能导致加热装置的电阻丝短路。
根据另一个实施例，疏水层201可以被设置在活性锰层102的内部并且与活性锰层102接触，而亲水层202可以被设置在活性炭层103的外部并且与活性炭层103接触。这种布置对于作为加热装置104的电阻丝被设置在活性锰层102和活性炭层103之间的情况是特别有用的，这是因为活性锰层102在分解甲醛的过程中会生成水和二氧化碳，如果所生成的水与电阻丝直接接触，可能导致电阻丝的短路。而如此设置的疏水层201和亲水层202结构不仅可以防止外部的水分与电阻丝接触，而且可以通过亲水层202吸附电阻丝和活性炭层103中的水分，从而进一步延长空气净化炭包的使用寿命并提高使用的安全性。
第三实施例
以下，将主要描述与第一和第二示例性实施例的空气净化炭包的不同之处，并省略与第一和第二示例性实施例的空气净化炭包的相同部分的冗余描述。
在以上第二示例性实施例中，描述了在作为加热装置104的电阻丝的两侧(内侧和外侧)分别设置亲水层202和疏水层201的结构。在本示例性实施例中，代替加热电阻丝，在亲水层202和疏水层201之间设置氧化钙层203作为加热装置。在这种情况下，可以在疏水层201上设置孔，以使得活性锰层102分解甲醛所生成的水通过孔与氧化钙层203接触。这种设置对于所生成的水与氧化钙层203接触是特别有利的，这是因为水分在疏水层201上形成大的接触角而成水滴状，并且倾向于不附着到疏水层201的表面，从而可以随着疏水层201上设置的孔与进入氧化钙层203。水可以和氧化钙层203中的氧化钙发生如下反应：
CaO+H2O＝(CaOH)2
由于该反应是放热反应，所释放的热量可以提高作为催化剂的锰氧化物的催化活性，如此通过提高反应温度来促进甲醛的分解，此外，通过对活性锰层102进行加热，使得能够恢复锰氧化物的活性。也就是说，通过该放热反应，不仅通过提高反应温度提高了甲醛的分解效率而且通过加热分解所生成的中间产物提高了催化剂的催化活性。
根据该实施例的空气净化炭包可以在提高反应温度的同时实时地对活性锰层102进行加热，这一方面可以增强锰氧化物对甲醛的分解效果，另一方面又保证了活性锰层102的活性。具体地，当在锰氧化物的催化作用下，甲醛被分解的过程中生成的水可以与氧化钙发生反应，所生成的热使得分解甲醛的温度条件升高，从而提高了锰氧化物的催化活性，提高了对甲醛的分解效果。此外，所生成的热可以促进甲酸盐或碳酸盐等中间产物的分解，从而保持锰氧化物的催化活性。
此外，可以在碳包上设置可封闭开口，以便于氧化钙的更换。
在以上描述中，以氧化钙与水的放热反应为例描述了加热装置，但是与水进行放热反应的原料不限于此，只要该原料与水反应能够产生足够的热即可。
此外，虽然在以上的描述中，以单层活性锰层102和单层活性炭层103的层叠结构为例描述了根据本发明的空气净化炭包，但是本发明不限于此。例如，根据本发明的空气净化炭包可以包括两个或更多个单层活性锰层和单层活性炭层的层叠结构。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以包含所有这些修改以及等同的结构和功能。
Claims (10)
1.一种空气净化炭包，其特征在于，包括活性锰层(102)和活性炭层(103)，
其中，所述活性锰层(102)包裹所述活性炭层(103)；
其中，所述活性锰层(103)是通过将锰氧化物负载到基材上形成的；并且
所述活性炭层(103)由活性炭构成。
2.根据权利要求1所述的空气净化炭包，其特征在于，所述锰氧化物是水钠锰矿型锰氧化物，并且所述基材是过滤棉、无纺布、棉布和纱布中的一个。
3.根据权利要求1所述的空气净化炭包，其特征在于，所述活性锰层(102)的表面被配置为凹凸形状，并且在所述凹凸形状的凹部设置有孔(1011)。
4.根据权利要求1所述的空气净化炭包，其特征在于，还包括：
加热装置(104)，被设置在所述活性锰层(102)和所述活性炭层(103)之间，并且被配置为加热所述活性锰层(103)。
5.根据权利要求4所述的空气净化炭包，其特征在于，在所述加热装置(104)和所述活性炭层(103)之间设置有隔热层。
6.根据权利要求4所述的空气净化炭包，其特征在于，所述加热装置(104)是加热电阻丝。
7.根据权利要求4所述的空气净化炭包，其特征在于，所述加热装置(104)是能够与水进行放热反应的物质。
8.根据权利要求7所述的空气净化炭包，其特征在于，所述加热装置(104)是设置在所述活性锰层(102)和所述活性炭层(103)之间氧化钙层。
9.根据权利要求4所述的空气净化炭包，其特征在于，在所述空气净化炭包的表面、所述活性锰层(102)与加热装置(104)之间的界面、所述加热装置(104)与活性炭层(103)之间的界面中的两个处分别设置有疏水层(201)和亲水层(202)，并且疏水层(201)被设置在亲水层(202)的外侧。
10.根据权利要求8所述的空气净化炭包，其特征在于，所述疏水层(201)被设置在所述氧化钙层与所述活性锰层(102)之间，并且所述亲水层(202)被设置在所述氧化钙层与所述活性炭层(103)之间。
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