CN1997437A - 结合空气输送装置的化学过滤设备 - Google Patents

Abstract

本发明克服了活性炭、离子交换树脂珠和纤维、和液体形式的离子交换树脂的限制，通过提供用于过滤化学污染物和微粒的过滤组件从空气流或气体流中除去酸、碱或VOC气体，该组件具有低压降结构。该过滤组件包括低压降化学过滤器、低压降微粒过滤器和空气输送装置如风扇或鼓风机，所有这些装置组装在一个外壳中。

Description

结合空气输送装置的化学过滤设备

本发明根据35U.S.C.§119(e)要求于2004年4月16日提交的美国临时申请第60/562864号的优先权。临时申请60/562864的全部内容通过参考结合于此。

发明领域

本发明涉及用于从气体流如空气流中除去污染物，尤其是如酸、碱或的VOC气体之类的化学污染物的空气过滤系统。所述空气过滤系统特别适用于从污染物含量低(＜100ppm)的空气流中除去污染物。

背景

包含活性碳的过滤器和过滤系统被广泛用于除去空气流中的VOC。可用酸或碱对碳进行改性，以除去碱或酸气体。化学污染物，例如VOC、碱污染物和酸污染物被碳材料吸附或吸收。这些吸附材料通常作为填充床形式使用，具有高压降、高终产品重量和慢反应机理。颗粒吸附床的例子包括美国专利第5290345(Osendorf等人)、5964927(Graham等人)、6113674(Graham等人)和6533847(Sequin等人)号中所述的。这些紧密填充床为空气流过该床提供了曲折途径。

对于酸或碱气体的去除，离子交换树脂珠与改性活性碳相比，提供了改进的容量和更快的反应机理，但是离子交换树脂珠也作为填充床形式使用，结果造成高压降和高终产物重量。

另一类离子交换材料是全氟化聚合物。一种由基于全氟碳磺酸的离聚物制备的特定材料可以“Nafion”从市场上购得，并且可以液体或隔膜形式购得。但是，这些形式不能用于柔性过滤器结构。

本发明克服了活性碳、离子交换树脂珠和液体形式的离子交换树脂在用于除去酸、碱或VOC气体方面的限制。

发明概述

本发明克服了活性碳、离子交换树脂珠和液体形式的离子交换树脂在从空气流或气体流中除去酸、碱或VOC气体方面的限制，是通过提供用于过滤化学污染物和微粒的过滤组件来实现的，该组件具有低压降。过滤组件包括低压降化学过滤器、低压降微粒过滤器和空气输送装置如风扇或鼓风机，所有这些装置都组装在一个外壳中。

可通过填充一薄层大尺寸颗粒、珠粒、小球或圆柱形吸附介质来得到低压降化学过滤器。或者可以通过一种纤维介质得到低压降，该纤维介质具有通过其中的通道，所述通道上具有活性涂层或离子交换涂层。任一实施方式都包括对除去化学污染物具有快速反应机理的化学污染物去除材料。使用低压降化学过滤器，通过堆叠或层叠不同的化学过滤器，可以从同一气体流中除去多种污染物。

低压降微粒过滤器是纤维介质，优选是HEPA型介质。

依据本发明，由于组件中包括低压降化学过滤器和微粒过滤器，所以与其它常规使用的过滤器相比，整个组件的重量、成本和通过该组件的压降明显下降。另外，用于使空气流或气体流通过该组件的能量也较小。

附图简要说明

图1是本发明过滤组件的第一实施方式的截面示意图。

图2是本发明过滤组件的第二实施方式的截面示意图。

图3本发明组件中所用的化学过滤器的第一实施方式的示意性透视图。

图4是本发明组件中所用的化学过滤器的第二实施方式的示意性透视图。

发明详述

本发明涉及使用低压降化学过滤器除去移动空气流中的低浓度(＜100ppm)酸、碱或VOC气体的过滤组件。被污染的空气流在任何空气输送设备如风扇、鼓风机、压缩机、真空泵等的作用下通过过滤组件。使空气流或气体流通过一个或多个低压降化学过滤器和一个或多个微粒过滤器。将该过滤组件设计成能有效除去酸、碱或VOC气体，且通过该过滤组件的压降较低，并且重量较轻。

本发明过滤组件的应用是相当广泛的，在需要除去较低进口浓度(＜100popm)的酸、碱或VOC气体的任何情况下都可以实现该过滤组件的优点。应用环境可由干燥或含有大量湿气的流动空气流组成。

参考附图，在全部附图中，同样的参考数字表示同样的元件，图1中显示了过滤组件10。过滤组件10具有一个外壳12，在该外壳12中设置有低压降化学过滤器20、低压降微粒过滤器30和空气移动设备40，诸如风扇。

在图1中，风扇40将待过滤的空气或其它气体抽吸进入到组件10中，并推动该空气或气体通过化学过滤器20和微粒过滤器30。在所示构造中，化学过滤器20位于微粒过滤器30的上游；在另一个实施方式中，微粒过滤器30可以位于化学过滤器20的上游。但是，在大部分构造中，优选使微粒过滤器30位于化学过滤器20的下游，以捕获任何可能从化学过滤器20中释放出的物质。

图2中说明了过滤组件10’的第二实施方式。与图1中的实施方式类似，过滤组件10’具有外壳12，在该外壳12中，设置有低压降化学过滤器20、低压降微粒过滤器30和空气移动设备40，诸如风扇。

在图2中，风扇40将待过滤的空气或其它气体通过化学过滤器20和微粒过滤器30抽吸到组件10中。在所说明的构造中，化学过滤器20位于微粒过滤器30的上游；在其它实施方式中，微粒过滤器30可以位于化学过滤器20的上游。

优选的是，在空气流过滤器面速度(airflow filter face velocity)为0.5米/秒时，通过化学过滤器20和微粒过滤器30的组合后的压降不超过2英寸水位(water)。优选在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，压降不大于1英寸水位，更优选在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，压降不大于0.5英寸水位。在一些实施方式中，压降可以达到不大于0.25英寸，甚至不大于0.2英寸。

化学过滤器

化学过滤器20是低压降、轻重量、高效的薄层化学过滤器。化学过滤器20可用于除去流动空气流中的酸、碱或挥发性有机(VOC)气体。通过按序列设置多层来形成化学过滤器20，可以实现顺流地从空气流中除去酸、碱或VOC气体。

所用的术语“低压降”及其变体是指在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，通过过滤器20的压降不大于1英寸水位。优选在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，压降不大于0.5英寸水位，更优选在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，压降不大于0.1英寸水位。优选化学过滤器20具有通过它的“直通式(straight-through)”或“成直线式(in-line)”流动。

现在参考附图，具体是图3，20A显示了低压降化学过滤器20的第一实施方式。美国专利第6645271号中描述了这种化学过滤器，该专利的全部内容通过参考结合于此。用具有第一面27A和第二面29A的结构体22A形成化学过滤器20A。结构体22A包括多个位于其中的孔洞24A。优选孔洞24A以非任意、有序的阵列存在。孔洞24A形成了从第一面27A延伸到第二面29A的通过结构体22A的通道26A。过滤器20A具有“直通式流动”或“成直线式流动”是指待过滤的气体从一个方向通过第一面27A进入，以大致相同的方向离开第二面29A。在孔洞24A的内壁上存在吸附涂层，该涂层具有依靠聚合树脂或粘合剂保留在孔洞24A上的吸附介质。孔洞24A内存在涂层仍然能使空气或其它流体移动通过通道26A。

吸附涂层，具体来说是吸附介质，能在空气通过通道26A时，通过吸附、吸收、捕获、截留、反应或其它除去污染物的方法将污染物从空气流中除去。如活性碳之类的吸附介质将污染物捕获在其表面上或孔隙中。根据污染物的尺寸和吸附介质的孔隙度，一些污染物会进入到吸附介质的孔隙或通道中并被其捕获。通常，吸附介质的表面与污染物反应，这样至少将污染物吸附到吸附介质表面上。涂层可以额外或另选地具有氧化剂。当加热时，与涂层接触的挥发性有机化合物(VOC)被氧化为二氧化碳和水。

用于化学过滤器20A的合适的吸附介质或材料的例子包括活性碳、离子交换树脂、催化剂、无机化学吸附剂，诸如碳酸盐、碱石灰、硅胶、活性氧化铝和分子筛。可以针对各种目标污染物调节这些化学过滤介质，它们可以是各种形式，诸如颗粒、珠粒、圆柱体、粉末或纤维。

活性碳可以基于椰子、木材、沥青或碳质聚合物，可以是各种形式，诸如颗粒、珠粒、圆柱体、粉末或活性碳纤维(ACF)。使用的材料可以是原始碳(virgin carbon)或碳纤维，以除去VOC，或者用酸或碱进行改性处理以除去碱或酸气体。

离子交换树脂通常是珠粒形式，包括碱性阴离子和酸性阳离子树脂，尽管液体形式是已知的(诸如“Nafion”)。纤维形式的离子交换剂包括在合成聚合物纤维上具有官能团的非织造针刺式(nonwoven needle punched)离子交换纤维。基材或基质包括工业纤维，诸如聚丙烯(PP)纤维或聚丙烯酸纤维。通过聚苯烯(ST)或其共聚物二乙烯基苯(DVB)的辐射化学接枝对聚丙烯工业纤维进行改性。PP-ST-DVB基质可用于制备各种离子交换树脂，诸如含有季铵基团或氯化铵或氢氧化铵的磺酸、羧酸和磷酸阳离子交换剂或阴离子交换剂。聚丙烯酸纤维可用于结合羧酸或强碱基团。离子交换纤维通常形成丝束(tow)、毛毡、纱线、非织造布或织物结构。这些织物结构已经提供了低压降的优点。其它如凹槽或折皱之类的构造使它们转化为其它低压降结构，诸如下文所述的纤维体22B。

离子交换树脂/纤维可以再生。对于低压降基材上的H形式阳离子交换剂来说，在与气态碱如氨或胺反应后形成胺-树脂络合物。可通过用苛性钠进行洗脱来回收胺，并通过用酸再次洗涤来完成最终的再生。消耗完的在低压降基材上的OH形式强阴离子交换剂可用浓氢氧化钠再生，该操作使所述阴离子交换剂转化为氢氧化物形式。消耗完的在低压降基材上的弱阴离子交换剂用弱碱试剂如氨或碳酸钠进行再生。

可使用催化剂来加快空气或气体中的污染物与其它物质之间的化学吸附，以提供无毒物质如二氧化碳和水，或提供能够容易地从空气中除去或保留在催化剂上的物质。“霍加拉特(Hopcalite)”就是这种催化剂，该催化剂使用活性锰和氧化铜来在低温下有效地破坏酸气体和挥发性有机化合物(VOC)。催化剂通常是各种形式，诸如颗粒、珠粒和圆柱体。

适用于化学过滤器20的其它种类的化学过滤介质是无机吸附剂，诸如碳酸盐、碱石灰、硅胶、活性氧化铝和分子筛。碳酸盐和碱石灰用于酸蒸气，例如氯化氢、氟化氢、硫化氢、二氧化硫、一氧化氮和碳的氧化物的化学吸附。硅胶吸附碱气体和VOC，并且可用盐进行改性以除去酸气体。活性氧化铝可用来除去酸性蒸气，并且可用盐进行改性以除去碱气体。分子筛可用来除去VOC，并且可用盐进行改性以除去酸气体或碱气体。这些无机吸附剂通常可以任何形式购得，例如颗粒、珠粒和圆柱体。

图4中显示了低压降化学过滤器20的第二实施方式20B。用具有第一面27B和相对的第二面29B的纤维体22B形成除去污染物的过滤器20B。一般而言，待净化的空气或气体通过第一面27B进入过滤器20B，通过第二面29B离开。在此实施方式中，通过折皱层24B与面层(facing layer)26B相互交替形成纤维体22B。折皱层24B具有圆形的波浪结构，其每个谷和峰大致相同。面层26B可以是折皱层或非折皱(例如，平坦)薄片；在该实施方式中，面层26B是平坦的薄片。层24B和层26B一起形成了多个从第一面27B延伸到第二面29B的通过纤维体22B的通道120。过滤器20B具有“直通式流动”或“成直线式流动”是指待过滤的气体从一个方向通过第一面27B进入，以大致相同的方向从第二面29B离开。

化学过滤器20B包括在纤维体22B上或在纤维体22B内的吸附材料或反应性材料。在美国专利申请10/928776(2004年8月27日提交)、10/927708(2004年8月17日提交)和11/016013(2004年12月17日提交)中揭示了浸渍纤维低压降过滤器的例子，上述专利申请的内容通过参考结合于此。这些申请涉及化学过滤器元件，该元件使用浸渍了各种活性组分的纤维过滤介质，设置为以吸附、吸收或其它方式除去目标污染物，诸如酸污染物、碱污染物和VOC，包括含羰基化合物。空气以大致直通式流动通过这些过滤器元件。这类低压降过滤器的各种例子可以名称"Wizard"过滤器元件从Donaldson Company购得。浸渍剂的例子包括离子交换树脂、催化剂、无机化学吸附剂，诸如碳酸盐、碱石灰、硅胶和分子筛。一般通过以下步骤将这些材料涂布到低压降基材上：将这些材料溶解在溶液中并洗涤，或者通过浸渍或喷涂方法，然后进行干燥处理。

可通过在两薄层聚合物筛子之间填充一薄层大尺寸颗粒、珠粒、圆柱体、纤维等吸附材料如碳、离子交换介质、催化剂或无机吸附剂以形成三明治结构来得到能减少能量损失的低压降化学过滤器20的另一个实施方式。离子交换材料的纤维垫可以形成平板式过滤器，优选由筛子支撑。

微粒过滤器

微粒过滤器30是低压降、轻重量、高效率的微粒过滤器，通常是薄层过滤介质。微粒过滤器30优选包括HEPA介质。HEPA过滤器在过滤器领域中是已知的“高效微粒空气”过滤器。HEPA介质是能够提供过滤效率的过滤器的介质。当用基本上单分散(monodispersed)的0.3微米的颗粒测试时，HEPA介质的最低效率能除去99.97％。用于过滤器30的介质可以是任何合适的介质，HEPA介质或其它介质，可以由纤维素、聚合材料(例如，粘胶、聚丙烯、聚碳酸酯等)、玻璃或玻璃纤维、或天然材料(例如，棉花)制得。其它过滤介质材料是已知的。例如，微纤维玻璃是优选的用于HEPA介质的材料。过滤介质可以经静电处理，和/或包括一层或多层材料。如4650506(Barris等人)或美国专利第6673136号(Gillingham等人)所述的，微粒过滤器30中可包括一层或多层细纤维。

文中所用的术语“低压降”及其变体是指在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，通过微粒过滤器30的压降不大于1英寸水位。优选在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，压降不大于0.5英寸水位，更优选在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，压降不大于0.1英寸水位。

空气输送设备

空气输送设备40用来产生通过过滤组件10、10’的空气流。空气输送设备40的例子通常包括风扇、鼓风机、压缩机、真空泵等。

在图1中，化学过滤器20和微粒过滤器30示意在空气输送设备40的下游或后面，但是，在图2中，化学过滤器20和微粒过滤器30示意在空气输送设备40的上游或前面；任何一种构造都是合适的。

外壳

如上所述且表示在图1和图2中，化学过滤器20、微粒过滤器30和空气输送设备40都包含在外壳12中。外壳12包括位于化学过滤器20、微粒过滤器30和空气输送设备40上游的进口和位于化学过滤器20、微粒过滤器30和空气输送设备40下游的出口。

示例性过滤组件

制造依据本发明的过滤组件，该过滤组件具有铝片金属外壳，约11.2英寸长，7.45英寸高，7.75英寸宽。尺寸为7.45×7.75的两个面通常是敞开的，沿着各面的周边只有约0.5英寸的凸缘(lip)。在外壳中有化学过滤器，该化学过滤器由酸气体除去介质(从IMATEK以名称Fiban AK22购得)，大小为6.75英寸×7.0英寸，厚度为10毫米。外壳中还包括微粒过滤器，该过滤器由HEPA级过滤介质制得，大小也为6.75英寸×7.0英寸，厚度为10毫米。该微粒过滤器设置在化学过滤器的外部。容量为0-202cfm的风扇(从EBM Industries购得，型号为R1G133-AB41-52)也设置在外壳中。用外壳中的凸缘或制动装置将化学过滤器和微粒过滤器固定在位。

过滤组件按照与图1类似的方式排列，使得空气被风扇抽吸到组件中，然后迫使其通过化学过滤器，接着通过微粒过滤器。

据信，该过滤组件提供可接受的通过该过滤组件的压降。尽管该实施例中的风扇的规格不足以提供测量所需的流量，但是在体积流量为208cfm时，就能得到空气流过滤器面速度为0.5米/秒。在空气流量为200cfm时，得到的过滤器面流速为0.48米/秒。

另一个替换的过滤组件类似于上述的，不同的是微粒过滤器是厚度约为2英寸，各面上都有筛子提供支撑的折皱板式过滤器(pleated panel filter)。

通过上述讨论和附图揭示的上述说明书涉及包含本发明原理的本发明的实施方式。可使用各种类型的设备和排列来改变、修改和/或实现组件。本领域技术人员容易理解，在不严格遵循文中说明和描述的示例性实施方式的情况下对所述设备作出的各种修改、构造和变化。

Claims (11)

1.一种过滤组件，其包括：

(a)外壳，具有用于限定空气流通过外壳的路径的进口和出口；

(b)位于外壳中、在进口和出口之间的空气流路径中的低压降化学过滤器；

(c)位于外壳中、在进口和出口之间、在空气流路径中的低压降微粒过滤器；以及

(d)位于外壳中、在进口和出口之间、在空气流路径中的空气输送设备。

2.如权利要求1所述的过滤组件，其特征在于，将低压降化学过滤器设置成在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，提供的压降不大于0.5英寸水位。

3.如权利要求1所述的过滤组件，其特征在于，将低压降化学过滤器设置成在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，提供的压降不大于0.1英寸水位。

4.如权利要求1至3中任一项所述的过滤组件，其特征在于，将低压降化学过滤器设置成用于直通式流动。

5.如权利要求1至4中任一项所述的过滤组件，其特征在于，将化学过滤器设置成用于从空气流路径中除去酸污染物、碱污染物和VOC中的至少一种。

6.如权利要求1所述的过滤组件，其特征在于，将低压降微粒过滤器设置成在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，提供的压降不大于0.5英寸水位。

7.如权利要求1至6中任一项所述的过滤组件，其特征在于，所述低压降微粒过滤器包含HEPA介质。

8.如权利要求1至7中任一项所述的过滤组件，其特征在于，所述微粒过滤器位于所述化学过滤器的下游。

9.一种过滤组件，其包括：

(a)外壳，具有用于限定空气流通过外壳的路径的进口和出口；

(b)位于外壳中、在进口和出口之间、在空气流路径中的低压降化学过滤器，所述化学过滤器被设置成用于直通式流动，且被设置成在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，提供的压降不大于0.5英寸水位；

(c)位于外壳中、在进口和出口之间、在空气流路径中的低压降微粒过滤器，所述微粒过滤器被设置成在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，提供的压降不大于0.5英寸水位；

(d)位于外壳中、在进口和出口之间、在空气流路径中的空气输送设备。

10.一种过滤组件，其包括：

(a)外壳，具有用于限定空气流通过外壳的路径的进口和出口；

(b)位于外壳中、在进口和出口之间、在空气流路径中的低压降化学过滤器，所述化学过滤器被设置成用于直通式流动，且被设置成在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，提供的压降不大于0.5英寸水位，所述化学过滤器包括：

(i)设置成用于除去酸性污染物的第一层；

(ii)设置成用于除去碱性污染物的第二层；

(c)位于外壳中、在进口和出口之间、在空气流路径中的低压降微粒过滤器，所述微粒过滤器被设置成在空气流过滤器面速度为0.5米/秒时，提供的压降不大于0.5英寸水位；

(d)位于外壳中、在进口和出口之间、在空气流路径中的空气输送设备。

11.如权利要求10所述的过滤组件，其特征在于，所述化学过滤器还包括用于除去VOC的第三层。

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