活性炭过滤器专题

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一种具有改进性能的活性碳空气过滤器

文章来源:http://www.ihepafilter.com/  2018年07月16日  点击数:176
本发明涉及一种空气过滤器及其制造方法。本发明尤其涉及使用活性碳的波纹纸过滤器结构,这种过滤器结构用于净化空气。
这种活性碳过滤器可被用于空气净化装置中,例如用于居室空气净化器和其他空气过滤设备上,这些装置借助于诸如风扇等的空气输送装置使空气通过整个过滤器,从而使活性碳过滤器通过吸附作用从空气流中尤其除去有机气体、氡、臭氧和二氧化氮(NO2)。
该过滤器的性能决定于除气效率、容量和压降(空气阻力)。除气效率和吸附能力由有效活性碳的数量决定,而且除气效率和压降还取决于过滤器的结构。
本发明的一个目的是提供一种具有改进性能的活性碳空气过滤器
本发明的另一目的是提供一种除气效率高、容量高以及压降小、体积小的活性碳空气过滤器。
本发明提供了一种波纹状纸结构的碳过滤器,该装置在费用、每单位过滤器体积的含碳量、过滤器的波纹特性、过滤器的表面积以及过滤器的厚度、经过碳过滤器的压降、碳涂层粘附在波纹状纸支承介质上的附着力等方面都得以优化,并可以便利地用在空气净化器中,特定的边界条件存在于这些过程条件方面,具体而言就是空气速度、压降、过滤器体积和单通空气净化性能(one-pass air cleaningperformance)等。
根据本发明的一个方面提供一种活性碳空气过滤器,这种过滤器包括一携带有活性碳的波纹状纸结构,其特征在于,所述波纹状纸由一种基本上无孔的有机纤维纸构成,并且活性碳作为一涂层设置于波纹状纸的表面上。
根据本发明的另一方面提供一种制造活性碳空气过滤器的方法,该活性碳空气过滤器包括一携带有活性碳的波纹状纸结构,该方法包括由基本上无孔的有机纤维纸制成波纹状纸结构,然后将活性碳以涂层的形式涂覆到波纹纸的表面上。
在现有技术中,活性碳纸制空气过滤器由一种无机纤维、有孔的纸构成,在这种纸被加工成波纹状并形成蜂窝结构前,先将其浸渍在碳中,使碳颗粒分布在纸纤维间的空隙内。这种过滤器可能仅含有限数量的碳,通常情况下,过滤器中碳的载量约为70克/升。
通过使用基本无孔的纸并将碳作为涂层附着在纸的表面上,而使碳涂层被限制并粘附在纸的表面上,从而使过滤器的工作效率得到显著地提高。在一个最佳实施例中,该波纹状纸被制成一蜂窝状结构,这种蜂窝状结构具有大约1mm直径的空气通道,并且最好使用E形槽结构,该结构具有一个1.2到1.4mm高和大致上3mm间距的单元,及约0.1到0.2mm厚的碳涂覆层,从而得到每升过滤器体积含有大约130克碳,这显著地改进了空气净化性能。通道的尺寸选择使过滤器的功能,特别是效率、寿命、压降和过滤器体积都得以优化。
无孔纸最好是由密度约为49克/米2的牛皮纸构成。这种纸的纤维密度足以阻止大约50μm或更大直径的碳颗粒穿过该纤维内部,从而确保碳保持限制在其要粘附的纸表面上。牛皮纸具有成本低、涂覆前易于加工成波纹状和低重量的优点,并且还提供了确保碳涂层以足够粘合力附着在牛皮纸表面上的所需特性。
在制造该空气过滤器的最佳方法中,使用包含粘结剂的水泥浆来涂覆碳涂层,该粘结剂最好是羟甲基纤维素,这种粘结剂具有连续性并可促进涂层良好地粘合到纸上。该涂层是通过将波纹状纸结构部分浸入浆料中涂覆的,最好事先将纸弄湿,并借助于毛细作用或抽吸等手段经过波纹通道上吸浆料,然后通过吹气或类似方法促使浆料排出并干燥,从而在纸表面上留下均匀、致密的碳涂层。
根据本发明的另一方面提供一种空气净化装置,它包括一根据本发明第一方面的活性碳空气过滤器,以及可形成通过空气过滤器之气流的空气输送装置。
现参照附图,通过实施例对根据本发明的空气过滤器和其制造方法作出说明,其中附图:
图1为空气过滤器的一个实施例之部分结构的透视简图;
图2为装配有本空气过滤器的空气净化装置之横截面的高度简化图。
参照图1,在该实施例中,一个总体用10表示的支承件包括一完成的过滤器结构,该支承件通过浸渍工艺涂覆有碳,该浸渍过程包括将过滤器结构浸入一含碳的水浆料中。该支承材料是一种由若干扁平牛皮纸层12和波纹状牛皮纸层14交替叠置而成的坚固的纸结构,这些牛皮纸层是用防水粘接剂粘结在一起的。这些层材的叠置形成一蜂窝状结构,该结构具有许多相互平行的通道。纸的厚度(d)最好在0.1到0.2mm的范围内,通道直径在1.2到2mm的范围内。这种预制的纸结构通过一种湿态涂覆过程被涂覆一种水泥浆粘结剂-在水中含有活性碳粉粒的粘接剂浆料。碳粉的颗粒尺寸小于150μm。该粘结剂是一种纤维素醚,例如羟基甲纤维素、甲基纤维素,或者是一种热塑性材料,例如聚乙烯醇,其含量相比活性碳的量至少为4%(m/m)。
所述涂覆工艺包括下述步骤。预先将纸材弄湿,例如通过喷雾法,这样就可在涂覆过程中消除浆料结块的可能性,否则将会引起通道阻塞。因此,这些预制的纸蜂窝结构用水打湿,然后(部分)放置在浆料中,此时通道处于竖直位置上。接着,可通过微真空的方式向上抽吸浆料,以使所有通道内都基本均匀地充满浆料。随后,通过施加一过压力(压缩空气)促使浆料从通道中排出,并通过通道吹入空气,从而打开通道。然后通过经通道吹入干燥空气而使涂覆有碳的纸结构干燥,同时在纸表面上留下均匀、致密的活性碳涂层,而且其是光滑和无粉末的。碳在这种波纹状纸结构上的载量决定于干燥后涂层的厚度,而干燥后涂层的厚度又决定于碳浆料的粘度。高粘度使得在排出浆料后有更多的浆料留在通道中,并且可以通过增加碳的份额或利用高分子重量的粘结剂来得到一高粘度。高份额的碳与低分子重量的粘结剂组合是最佳的,例如与羟甲基纤维素组合,因为这种组合可以产生更大的碳涂层。
这样,令人满意的0.1-0.2mm的附着活性碳层被涂覆到纸通道壁上。用这种过滤器去除大部分有机气体的“单通效率”是90%。
在碳浆料中添加粘结剂,有助于实现碳涂层内足够的内部连续性,并确保碳良好地附着到纸上。粘结剂的存在对过滤器的吸附能力略微产生负面影响,但其吸附能力主要由所用活性碳粉末的吸附能力来决定。4%的粘结剂份额足以实现良好的粘接。16%或更多的粘结剂含量将使吸附能力明显降低。该过滤器中每升过滤器体积包括大约130到150克的活性碳。这样,3.5升体积可以包括约500克的碳。空气向上流经过滤器时遇到很小的阻力。例如,在空气速度v=1m/s时,通过长度L=40mm的过滤器的压降是40-45N/m2。
所用的纸由有机纤维制成,并具有致密、基本无孔的结构形式。牛皮纸是特别优选的。它是一种按照所谓的牛皮化工艺由纤维素纤维制成的。这种纸可能具有轻微的疏水性,所以能够防止被水弄湿,尽管这种纸不是完全无孔的,但却是致密的。而且,其纤维密度足够阻止所述的50μm或更大直径的活性碳颗粒穿透到纸层的纤维内部。从而使涂覆碳浆料保持基本限制在其要粘附的纸表面上。
牛皮纸具有价格低、重量轻和不污染环境的优点。另外,其具有固有的刚性,这是有益的并易于在涂覆前形成波纹状,且为碳被涂覆其表面上提供足够的粘附性。
在一个特别的最佳实施例中,使用了重量约为49克/米2的漂白牛皮纸。在碳涂覆工艺之前,它被加工成波纹状的标准E形槽,槽中的单元高(h)为1.2到1.4mm、间距(p)为3mm到3.2mm。这些参数对于优化过滤器的功能,尤其是效率、寿命、压降和过滤器体积等都是非常重要的。
该波纹状纸可以卷绕、叠置、扇状折叠或按其他方式装配,以得到所需的过滤器形状,例如图中所示的结构。该实施例中的过滤器结构的总厚度(1)约为30mm到40mm。在上述使用活性碳浆料涂覆波纹状纸壁和干燥工艺之后,所形成的碳蜂窝过滤器内的空气通道其直径接近1mm,表面涂层中碳的含量大约是130克/过滤器升,这提供了优越的空气净化性能。
除了可以利用浸渍工艺对纸进行涂覆之外,还可以想到使用流动涂覆方法,在该方法中,浆料被灌注到纸的表面上,然后被抽吸或通过通道吹气。
简言之,本发明公开了一种用在居室空气净化器和类似装置中的活性碳空气过滤器,该过滤器包括一由基本上无孔的纸构成的波纹状纸结构,这种无孔纸最好是通过浸渍过程在其表面涂覆有碳的牛皮纸,在浸渍过程中,该结构被浸入一包含有碳和粘结剂的含水浆料中。通过使用一特定的纸材厚度和通道尺寸而得到一种效率高、体积小、寿命长的空气净化过滤器。

图2以简化剖面的方式示意性地示出了一个使用这种空气过滤器的空气净化装置。安装在壳体20内的过滤器10与一个空气输送装置24一起,在空气入口21和空气出口22之间形成一空气流动通道,所述空气输送装置,例如电风扇,其可产生一从入口到出口并通过过滤器的空气流动,如箭头所示,由过滤器的波纹结构限定的空气通道与空气流动方向对直。当然,除了设置成以这种方式通过过滤器抽吸空气之外,空气输送装置也可以设置成通过过滤器吹气。


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