CN112638500A - 用于从室内空气中去除醛类voc的空气过滤器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于空气净化装置中的空气过滤器滤芯，以用于从室内空气中去除甲醛(蚁醛、HCHO)和其它醛类VOC(挥发性有机化合物)，和在一些实施例中的胺类VOC。所述空气过滤器滤芯由壳体构成，所述壳体含有多个细丝状元件作为支撑体，和作为粉末集成在所述支撑体中的一种或多种天然多酚和催化剂的混合物，从而形成海绵状网状物。所述空气过滤器用作为吸收过滤器，所述海绵状网状物与空气中存在的醛类VOC不可逆地反应，从而在所述空气过滤器内生成多酚‑醛树脂形式的聚合物。由于这种不可逆反应，空气过滤器能够捕获甲醛，以及比甲醛活性低的其它醛类VOC，胺类VOC和氨。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气过滤器，特别地涉及一种空气净化装置的空气过滤器滤芯，用于从室内空气中减少、基本上消除或清除污染剂，该空气过滤器适用于住宅区、医院、休闲区和工作空间区。该过滤器包括多个细丝状元件、一种或多种天然多酚，以及催化试剂。
空气过滤器特别地涉及适用于过滤醛类VOC(挥发性有机化合物)的过滤器，其中从室内空气中待过滤的主要醛类VOC为甲醛(HCHO、蚁醛)。
此外，所公开的空气过滤器还可以从室内空气中过滤胺类VOC和氨，以及由于它们与醛反应得到的亚胺和缩醛胺。
在整个本文件中，缩写词“VOC”或“VOCs”可取代术语“挥发性有机化合物”来使用。
术语“细丝状元件”在本文应理解为细长线状物体或纤维，还包括细长材料的窄小或薄条状物，例如条带，从而用作为颗粒的支撑体或载体。
背景技术
在现有技术中，市场上存在各种各样可获得的空气过滤器，这些空气过滤器能够过滤含有醛官能团(主要为甲醛)的VOC，例如专利号US 2016/228811所公开的那些，其中过滤器包括由液体胺和设置于一个或多个过滤器片材中的一种或多种颗粒状固体支撑材料(包括硅石、粘土、氧化铝、碳、聚合物、纤维或它们的组合)所构成的固体胺过滤介质，其提供过滤器中存在的胺，和流过所述过滤介质的空气中存在的甲醛之间的相互作用。
专利号WO 2017/114687公开了一种多层空气过滤器，该多层空气过滤器由包括催化剂的第一层、包括胺的第二层和优选的第三层构成；该优选的第三层由水吸收和释放材料(例如吸湿材料)构成。
从高分子化学开始，多酚(例如间苯二酚)通过在碱性条件下加热而与甲醛的水性溶液(已知为甲醛液或福尔马林)反应，是众所周知的。苯酚甲醛(PF)聚合物也通常地已知为苯酚树脂，并且特别是间苯二酚-甲醛树脂(已知为酚醛树脂)见于许多工业产品中，它们是通过逐步生长聚合形成的。这种已知的反应可以方便和创新地发展，允许以ppm(百万分之一)的浓度捕集甲醛气体。
本发明旨在改进和解决关于市场上可获得的空气过滤器的某些问题，即通过将均为固态的一种或多种多酚物质和催化试剂或催化剂，添加至多个细丝状元件中，然后与穿过过滤器的气流中存在的醛类VOC(主要是甲醛)和胺类VOC反应，通过吸收来大幅度地减少所存在的醛类和胺类VOC的量，从而改善室内空气的质量。
文件US 2013/052113公开了一种用于净化空气的方法和用于净化空气的空气净化器，其中空气净化器包括具有纤维结构的过滤器，该过滤器具有光催化作用涂层，以及迫使空气穿过该过滤器，从而去除VOC的风扇或涡轮机。空气净化器还可以包括清除剂介质，例如苯酚化合物(例如间苯二酚)。
文件CN 107321328公开了一种VOC吸收剂和一种用于获得此类VOC吸收剂的过程，该VOC吸收剂的组合物包括聚乙烯醇、水、植物多酚、高岭土、酸性液体和消泡剂。
文件JPH11-226100公开了一种过滤器，该过滤器包括甲醛吸收剂，即植物多酚，特别是茶衍生多酚，例如黄烷-3-醇和/或黄烷-3-醇衍生物。
发明内容
如先前所述，本发明旨在通过从所述室内空气中减少、过滤或清除醛类VOC，和某些实施例中的胺类VOC和氨(特别是甲醛，其为主要室内污染物)以及某些气味(这些气味由其它醛类VOC以及氨和胺类VOC所引起)，从而改善所述室内空气的空气质量。
甲醛为高度活性的、毒性的、过敏性的和致癌性的，并且当室内空气中存在一定含量的甲醛时，会构成重大的安全风险，导致多种健康问题。高于0.1ppm(百万分之一)浓度的甲醛可引起眼部刺激，而吸入所述空气还可引起头疼、喉咙刺激和呼吸短促(SOB)。室内空气中甲醛含量等于或高于5ppm可能导致死亡。
即使甲醛和其衍生物具有所有这些健康风险，但是它们仍广泛地用于各种各样的应用，例如：i)树脂和粘合剂，其在地板地毯上，或在家具制造的过程中使用，其中这些工业制备树脂和粘合剂一旦应用于建筑物，可以将痕量的甲醛逐渐地释放至室内空气中，当受热时(例如，由于附近有加热源(辐射器)或阳光)，这一过程会加速，ii)消毒剂，其当存在于水性溶液时，主要地用于医院的手术室和其它房间或清洁室，因为它杀死了可能存在的大多数细菌和真菌，或iii)水性保存溶液，已知为甲醛液或福尔马林，用于医院、博物馆和生物实验室中的生物器官。
因此，本发明公开了一种用于空气净化装置中的空气过滤器滤芯，以用于从室内空气中去除醛类VOC，和在一些实施例中的胺类VOC。空气过滤器滤芯由壳体构成，该壳体含有多个细丝状元件作为支撑体；一种或多种天然多酚和催化剂或催化试剂的混合物集成在所述支撑体中，作为精细的粉末存在于支撑体中，从而形成海绵状网状物。
空气过滤器作用为吸收过滤器，海绵状网状物与室内空气中的醛类VOC不可逆地反应，从而在空气过滤器内生成多酚-醛树脂形式的聚合物。由于这种不可逆反应，空气过滤器能够极其迅速地吸收室内空气中存在的任何痕量的甲醛，以及(尽管并非如此迅速地)其它醛类VOC，相比于甲醛，其它醛类VOC具有较低的活性、挥发性和毒性。
在空气过滤器的某些实施例中，通过增加添加至海绵状网状物的磺酸组分的比例，过滤器还能够吸收显著量的胺类VOC和氨，以及从胺与醛的反应中所产生的亚胺和缩醛胺。
细丝状元件，用作为一种或多种天然多酚和催化剂的精细的粉末的混合物的支撑体，为有机或无机性质，其选自包括以下项的组：无机纤维、合成和半合成纤维、天然纤维和它们的混合物。
无机纤维优选地选自包括以下项的组：玻璃绒、岩绒、陶瓷绒和它们的混合物。
另一方面，合成和半合成纤维优选地选自包括以下项的组：聚酯、聚酰胺(例如尼龙)、聚丙烯、它们的共聚物和它们的混合物，
最后，天然纤维优选地选自包括以下项的组：绒、丝绸、毛发、胶原蛋白、角蛋白、纤维素、木质素和它们的混合物。
关于一种或多种天然多酚，其可以添加到过滤器的支撑物中，作为精细的粉末，它们优选地选自包括以下项的组：白藜芦醇(3,4',5-三羟基二苯乙烯，红葡萄皮和红酒中十分丰富的天然产品)、间苯二酚(1,3-苯二酚)、邻苯三酚(1,2,3-苯三酚)、间苯三酚(1,3,5-苯三酚)和对苯二酚(1,4-苯二酚)，或它们的组合。
过滤器(滤芯内)的支撑体中所含有的多酚，选择为用于去除室内空气中存在的醛类VOC，包括但不限于：醋醛或乙醛、草酸醛或乙二醛、正丙醛或丙醛、败脂醛或丙烯醛、炔丙醛或丙炔醛、甲基乙二醛或2-氧代丙醛、乙醛酸和其烷基酯、正丁醛或丁醛、异丁醛或2-甲基丙醛、甲基丙烯醛或2-甲基丙烯醛、巴豆醛或2-丁烯醛的异构体、正戊醛或戊醛，和异戊醛或3-甲基丁醛，以及特别地甲醛(HCHO，蚁醛)。例如化妆品工业所用那些较长链醛(即，相比于所述及那些的较高分子量的醛)也可以被缓慢地吸收，但它们具有宜人气味，并且被认为没有必要捕获它们。
由于烯烃(例如来自石油工业和和用作空气清新剂的一些精油和天然香料的不饱和烃)与臭氧(来自外部产生或由激光打印机、影印机、离子空气净化器、电弧焊机或电动机电刷内部产生)的反应产生的醛类VOC可以污染室内空气。乙醇蒸气(来自酒精饮料)和其它短链伯醇(来自香料)的大气氧化，也可产生醛类VOC。
在一个优选的实施例中，优选的多酚为白藜芦醇，而在另一优选的实施例中，词语“多酚”是指白藜芦醇和间苯二酚的混合物，该白藜芦醇的比例在10％和90％之间，并且该间苯二酚的比例在10％和90％之间。
除了过滤器支撑体(由多个细丝状元件构成)中所含有的一种或多种多酚的粉末之外，支撑体还含有酸催化试剂，优选地，固体磺酸也作为精细的粉末添加。过滤器所用的磺酸优选地选自包括以下项的组：
-任意的芳烃磺酸(Ar-SO3H)，例如对甲苯磺酸(TsOH·H2O或TsOH)或苯磺酸(BsOH)，
-任意的烷基磺酸(R-SO3H)，例如10-樟脑磺酸(CSA)，
-任意的磺酸树脂，例如强酸离子交换树脂或磺酸聚合物，作为精细的粉末添加，
-酸形式的百里酚蓝和相关的三苯甲烷磺酸染料，
-酸形式的食用染料(例如诱惑红E129或胭脂红4R、E124和相关偶氮衍生物)，或
-任意的长链烷基硫酸氢盐或芳基硫酸氢盐，分别为RO-SO3H或ArO-SO3H，例如酸形式的常见洗涤剂和表面活性剂。
本发明还公开了一种方法，其描述室内空气中存在的污染剂如何与前文所公开的空气过滤器反应，其中用于从室内空气中去除醛类VOC和在一些实施例中去除胺类VOC和氨的方法，是建立受污染的室内空气通过空气过滤器的受控气流的结果，这使得醛类VOC在催化试剂(优选地为固体磺酸)的存在下与粉末状天然多酚(优选地为白藜芦醇或间苯二酚和白藜芦醇的混合物)反应，该醛类VOC和该粉末状天然多酚均支撑于多个细丝状元件上，并且通过所述反应生成聚合物(多酚-醛树脂)，该聚合物保留在过滤器中。在这些实施方案中，空气过滤器能够过滤胺类VOC和氨以及由于它们与醛类VOC反应生成的亚胺和缩醛胺，由于作为粉末添加的磺酸的存在，这些物质被捕获在过滤器中。
由于室内空气中存在的醛类VOC，在过滤器中进行的反应将在某一时刻达到饱和水平，因此将为无效的，并且因此该方法还包括额外步骤，其中一旦已达到饱和水平，则去除并替换空气过滤器，如通过视觉指示剂所示；其中过滤器的海绵状网状物经历颜色变化，在某些实施例中从白色变为红褐色，这取决于在任何蚀刻的饱和水平。
在空气过滤器的某些实施例中，指示剂为甲醛和相关VOC与过滤器含有的多酚或多酚混合物的磺酸催化反应的结果。
然而，在过滤器的其它实施例中，当甲醛和相关VOC与过滤器所用的多酚或多酚混合物反应完成时，即当磺酸基团已通过氨、胺类VOC，和/或醛和氨或胺的衍生物进行中和时，指示剂可为百里酚蓝和相关染料的颜色变化或食用染料和相关偶氮染料的颜色变化的结果，该百里酚蓝和相关染料或食用染料和相关偶氮染料均以其磺酸形式使用。
应当理解的是，所给出值的任何范围在极值处可以为非最佳的，并且可能需要本发明对这些极值的适配，此类适配在技术人员所能达到的范围内。
本发明的其它特征根据实施例的下述具体实施方式而显现。
附图说明
通过以下参照附图对实施例的详细描述，将以示例性而非限制性的方式，更充分地理解上述以及其他优点和特征，其中：
图1示出了第一个图，其比较了由过滤器所吸收的甲醛(HCHO或CH2O、蚁醛)的量(Y轴线)相对于流经所述过滤器的HCHO的量(X轴线)；以及
图2示出了第二个图，其示出了第一个周期(Y轴)中由过滤器吸收的HCHO量相对于穿过的时间(X轴线)，其中引入了浓度为4.360ppm的HCHO的受污染空气流，该流量等同于图1所示的图。
具体实施方式
本文所讨论的图1和图2示出的图，其示出了在实验室试验和以远远较小规模所获得的结果，该试验在某些预定条件下执行，其中随着甲醛暴露量的增加(至多约4.4ppm)，该暴露量远远超出在延长时段对于人体的建议容许暴露极限，该建议容许暴露限值通常地设定于0.75ppm和1.0ppm之间(考虑到大约0.1ppm浓度的甲醛也可以视为被人察觉并且影响到人，例如气味和/或刺激性)，并且其规模要小得多。这些图仅示出了HCHO在第一个周期期间的吸收。
为模仿根据本发明的一个实施例的空气过滤器，例如用于空气净化装置的那些空气过滤器，其包括海绵状网状物，该海绵状网状物由多个细丝状元件和所使用的多酚和固体磺酸的混合物构成，w/w比例分别为以2.0:1.0:0.2；具有相同比例的较小海绵状网状物插入密封测试管中，并且包含增加浓度(以ppm为单位所测量)的甲醛的空气流，穿过测试管内的所述海绵状网状物。
用于测试空气过滤器吸收HCHO的能力的有效性的条件在空气柱中进行，该空气柱具有1.0cm直径，其中填充有120mg的玻璃绒、30mg的白藜芦醇、30mg的间苯二酚(60mg的多酚)和12mg的TsOH·H2O，厚度为4.0cm，以2.0:1.0:0.2的w/w比模拟空气过滤器的海绵状网状物。
受污染的空气以大约2.0L/min的气流速率和0.42m/s的速度，穿过插入柱中的海绵状网状物。穿过柱的受污染的空气具有4.360ppm浓度的甲醛。
如图所示，对于这些条件，由柱内侧的过滤器(海绵状网状物)所吸收或捕获的HCHO的量在最初的100至150min期间是最有效的，其中过滤器吸收空气流中存在的大约80％的HCHO，该空气流流经过滤器。然而，一旦达到该最大百分比，则这些图关于所吸收HCHO的量所示的斜率逐渐变缓，表明模仿空气过滤器的柱内侧的海绵状网状物变得饱和，并且因此不可有效地吸收HCHO。
在一个优选的实施例中，空气过滤器滤芯的壳体具有下述尺寸：40cm的长度、40cm的宽度和5cm的高度。然而，这些尺寸为非示例性的，并且可相应地改变，使得空气过滤器滤芯可适当地插入所有种类的空气净化装置中。改变滤芯的尺寸可改变细丝状元件、多酚和磺酸的w/w比，使得用于空气过滤器在最佳过滤条件下起作用。一般地，形成海绵状网状物的不同组分分别以2.0-8.0:1.0-2.0:0.2-2.0w/w比率来使用。在一个优选的实施例中，细丝状元件、多酚和磺酸分别以2.0:1.0:0.2w/w比率来使用。
通过不同测试已证实，所提出空气过滤器对于由胺或NH3衍生物(尿味)所引起的恶臭的消除，也可以是高度有效的。为此，还需注意，增加用于破坏间苯二酚的磺酸比例将是有利的。因此，将典型的组合物考虑为前文提及的具有以下比例的组合物：80％的白藜芦醇、10％的间苯二酚和10％的磺酸，当间苯二酚限制至2％并且白藜芦醇保持至78％时，后者可增加至20％，仅作为实例，非限制性的，从而提供了一种空气过滤器，其高度有效地过滤醛类VOC(挥发性有机化合物)和同时去除所提及的恶臭。
通过不同测试已证实，所提出空气过滤器对于由胺或NH3衍生物(尿味)所引起的恶臭的消除，也可以是高度有效的。为此，还需注意，增加用于破坏白藜芦醇的磺酸的比例将是有利的。因此，将典型的组合物考虑为前文提及的组成具有以下比例的组合物：80％的间苯二酚、10％的白藜芦醇和10％的磺酸；当白藜芦醇限制至30％并且间苯二酚保持至40％时，后者可增加至30％，仅作为实例，非限制性的，从而提供了一种空气过滤器，其高度有效地过滤醛类VOC(挥发性有机化合物)和同时去除所提及的恶臭。
应当理解，本发明的一个实施例的各种部分可与其它实施例中所描述的部分自由地组合，即使所述组合未明确地描述，前提是此类组合无危害。
Claims (15)
1.一种用于从室内空气中去除醛类VOC的空气净化装置的过滤器滤芯，包括壳体，所述壳体含有多个细丝状元件作为支撑体，其中一种或多种天然多酚和催化剂或催化试剂集成在所述支撑体中，其中所述多个细丝状元件为有机或无机性质，并且其中所述过滤器用作为吸收过滤器，从而与所述室内空气的所述醛类VOC不可逆地反应，其特征在于：
-所述一种或多种天然多酚选自包括以下项的组：白藜芦醇(3,4',5-三羟基二苯乙烯)、间苯二酚(1,3-苯二酚)、邻苯三酚(1,2,3-苯三酚)、间苯三酚(1,3,5-苯三酚)和对苯二酚(1,4-苯二酚)或它们的组合，以及
-所述催化剂或催化试剂为固体磺酸，
其中所述一种或多种天然多酚和所述催化试剂的混合物，在所述支撑体中，作为精细的粉末存在，从而形成海绵状网状物。
2.根据权利要求1所述的过滤器，其中过滤器中含有的所述多酚选择为用于去除所述室内空气中存在的甲醛(HCHO、蚁醛)。
3.根据权利要求1所述的过滤器，其中用作为催化试剂的所述固体磺酸选自包括以下项的组：
-任意的芳烃磺酸(Ar-SO3H)，例如对甲苯磺酸(TsOH·H2O或TsOH)或苯磺酸(BsOH)，
-任意的烷基磺酸(R-SO3H)，例如10-樟脑磺酸(CSA)，
-任意的磺酸树脂，例如强酸离子交换树脂或磺酸聚合物，作为精细的粉末添加，
-酸形式的百里酚蓝和相关的三苯甲烷磺酸染料，
-酸形式的食用染料(例如诱惑红E129或胭脂红4R、E124和相关偶氮衍生物)，或
-任意的长链烷基硫酸氢盐或芳基硫酸氢盐，分别为RO-SO3H或ArO-SO3H，例如酸形式的常见洗涤剂和表面活性剂。
4.根据权利要求1所述的过滤器，其中所述细丝支撑元件为：
-无机纤维，所述无机纤维选自包括以下项的组：玻璃绒、岩绒、陶瓷绒和它们的混合物，
-合成和半合成纤维，所述合成和半合成纤维选自包括以下项的组：聚酯、聚酰胺(尼龙)、聚丙烯、它们的共聚物和它们的混合物，
-天然纤维，所述天然纤维选自包括以下项的组：绒、丝绸、毛发、胶原蛋白、角蛋白、纤维素、木质素和它们的混合物，或
-它们的混合物。
5.根据前述权利要求中任一项所述的过滤器，其中所述细丝状元件、所述多酚和所述磺酸，分别以2.0-2.8:1.0-2.0:0.2-2.0w/w比率来使用。
6.根据权利要求1或5所述的过滤器，其中所述细丝状元件、所述多酚和所述磺酸，分别以2.0:1.0:0.2w/w比率来使用。
7.根据权利要求1、2、5或6所述的过滤器，其中所用的多酚为白藜芦醇。
8.根据权利要求1、2、5或6所述的过滤器，其中所用的多酚为白藜芦醇和间苯二酚的混合物，所述白藜芦醇的比例在10％和90％之间，并且所述间苯二酚的比例在10％和90％之间。
9.根据权利要求1所述的过滤器，其中所述壳体具有下述尺寸：
-40cm的长度，
-40cm的宽度，以及
-5cm的高度。
10.根据权利要求2所述的过滤器，其中用于去除所述室内空气中存在的甲醛的所述过滤器，还去除醛，所述醛选自包括以下项的组：醋醛或乙醛、草酸醛或乙二醛、正丙醛或丙醛、败脂醛或丙烯醛、炔丙醛或丙炔醛、甲基乙二醛或2-氧代丙醛、乙醛酸和其烷基酯、正丁醛或丁醛、异丁醛或2-甲基丙醛、甲基丙烯醛或2-甲基丙烯醛、巴豆醛或2-丁烯醛的异构体、正戊醛或戊醛，和异戊醛或3-甲基丁醛，以及胺类VOC和氨。
11.一种用于从室内空气中去除醛类VOC、胺类VOC和氨的方法，其中使得受污染的室内空气的控制气流穿过空气过滤器，所述空气过滤器包括多个细丝状元件作为支撑体，其中一种或多种天然多酚和催化剂或催化试剂集成在所述支撑体中，其中所述多个细丝状元件为有机或无机性质，其特征在于，在所述催化试剂存在下，所述醛类VOC与所述一种或多种天然多酚反应，生成多酚-醛树脂形式的聚合物，所述聚合物保留在所述过滤器中，并且其特征在于，所述胺类VOC和氨，以及从它们与醛类VOC的反应所产生的亚胺和缩醛胺，由于所述过滤器中存在的催化试剂，被捕获在所述过滤器的海绵状网状物中，
其中所述一种或多种天然多酚选自包括以下项的组：白藜芦醇(3,4',5-三羟基二苯乙烯)、间苯二酚(1,3-苯二酚)、邻苯三酚(1,2,3-苯三酚)、间苯三酚(1,3,5-苯三酚)和对苯二酚(1,4-苯二酚)或它们的组合，
其中所述催化剂或催化试剂为固体磺酸，以及
其中所述天然多酚和所述催化试剂的混合物，在所述支撑体中，作为精细的粉末存在，从而形成所述海绵状网状物，所述支撑体由所述多个细丝状元件构成。
12.根据权利要求11所述的用于去除醛类VOC的方法，其中所述醛类VOC选自包括以下项的组：甲醛(HCHO、蚁醛)、醋醛或乙醛、草酸醛或乙二醛、正丙醛或丙醛、败脂醛或丙烯醛、炔丙醛或丙炔醛、甲基乙二醛或2-氧代丙醛、乙醛酸和其烷基酯、正丁醛或丁醛、异丁醛或2-甲基丙醛、甲基丙烯醛或2-甲基丙烯醛、巴豆醛或2-丁烯醛的异构体、正戊醛或戊醛，和异戊醛或3-甲基丁醛。
13.根据权利要求11所述的用于去除醛类VOC、胺类VOC和氨的方法，其中一旦所述过滤器的指示剂已达到饱和水平，则去除和替换所述空气过滤器。
14.根据权利要求13所述的用于去除醛类VOC、胺类VOC和氨的方法，其中所述指示剂是由于甲醛和相关VOC与所述过滤器中含有的所述多酚或多酚混合物进行磺酸催化反应而运行。
15.根据权利要求13所述的用于去除醛类VOC、胺类VOC和氨的方法，其中当所述甲醛和相关VOC与所述过滤器中所用的所述多酚或多酚混合物反应完成时，所述指示剂是由于百里酚蓝和相关染料的颜色变化或食用染料和相关偶氮染料的颜色变化而运行，所述百里酚蓝和相关染料或食用染料和相关偶氮染料均以其磺酸形式使用。
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