專利名稱:結合空氣輸送裝置的化學過濾設備的制作方法
本發(fā)明根據(jù)35U.S.C.§119(e)要求于2004年4月16日提交的美國臨時申請第60/562864號的優(yōu)先權。臨時申請60/562864的全部內(nèi)容通過參考結合于此。
發(fā)明領域本發(fā)明涉及用于從氣體流如空氣流中除去污染物，尤其是如酸、堿或的VOC氣體之類的化學污染物的空氣過濾系統(tǒng)。所述空氣過濾系統(tǒng)特別適用于從污染物含量低(＜100ppm)的空氣流中除去污染物。
背景包含活性碳的過濾器和過濾系統(tǒng)被廣泛用于除去空氣流中的VOC?？捎盟峄驂A對碳進行改性，以除去堿或酸氣體?；瘜W污染物，例如VOC、堿污染物和酸污染物被碳材料吸附或吸收。這些吸附材料通常作為填充床形式使用，具有高壓降、高終產(chǎn)品重量和慢反應機理。顆粒吸附床的例子包括美國專利第5290345(Osendorf等人)、5964927(Graham等人)、6113674(Graham等人)和6533847(Sequin等人)號中所述的。這些緊密填充床為空氣流過該床提供了曲折途徑。
對于酸或堿氣體的去除，離子交換樹脂珠與改性活性碳相比，提供了改進的容量和更快的反應機理，但是離子交換樹脂珠也作為填充床形式使用，結果造成高壓降和高終產(chǎn)物重量。
另一類離子交換材料是全氟化聚合物。一種由基于全氟碳磺酸的離聚物制備的特定材料可以“Nafion”從市場上購得，并且可以液體或隔膜形式購得。但是，這些形式不能用于柔性過濾器結構。
本發(fā)明克服了活性碳、離子交換樹脂珠和液體形式的離子交換樹脂在用于除去酸、堿或VOC氣體方面的限制。
發(fā)明概述本發(fā)明克服了活性碳、離子交換樹脂珠和液體形式的離子交換樹脂在從空氣流或氣體流中除去酸、堿或VOC氣體方面的限制，是通過提供用于過濾化學污染物和微粒的過濾組件來實現(xiàn)的，該組件具有低壓降。過濾組件包括低壓降化學過濾器、低壓降微粒過濾器和空氣輸送裝置如風扇或鼓風機，所有這些裝置都組裝在一個外殼中。
可通過填充一薄層大尺寸顆粒、珠粒、小球或圓柱形吸附介質來得到低壓降化學過濾器?；蛘呖梢酝ㄟ^一種纖維介質得到低壓降，該纖維介質具有通過其中的通道，所述通道上具有活性涂層或離子交換涂層。任一實施方式都包括對除去化學污染物具有快速反應機理的化學污染物去除材料。使用低壓降化學過濾器，通過堆疊或層疊不同的化學過濾器，可以從同一氣體流中除去多種污染物。
低壓降微粒過濾器是纖維介質，優(yōu)選是HEPA型介質。
依據(jù)本發(fā)明，由于組件中包括低壓降化學過濾器和微粒過濾器，所以與其它常規(guī)使用的過濾器相比，整個組件的重量、成本和通過該組件的壓降明顯下降。另外，用于使空氣流或氣體流通過該組件的能量也較小。
附圖簡要說明圖1是本發(fā)明過濾組件的第一實施方式的截面示意圖。
圖2是本發(fā)明過濾組件的第二實施方式的截面示意圖。
圖3本發(fā)明組件中所用的化學過濾器的第一實施方式的示意性透視圖。
圖4是本發(fā)明組件中所用的化學過濾器的第二實施方式的示意性透視圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及使用低壓降化學過濾器除去移動空氣流中的低濃度(＜100ppm)酸、堿或VOC氣體的過濾組件。被污染的空氣流在任何空氣輸送設備如風扇、鼓風機、壓縮機、真空泵等的作用下通過過濾組件。使空氣流或氣體流通過一個或多個低壓降化學過濾器和一個或多個微粒過濾器。將該過濾組件設計成能有效除去酸、堿或VOC氣體，且通過該過濾組件的壓降較低，并且重量較輕。
本發(fā)明過濾組件的應用是相當廣泛的，在需要除去較低進口濃度(＜100popm)的酸、堿或VOC氣體的任何情況下都可以實現(xiàn)該過濾組件的優(yōu)點。應用環(huán)境可由干燥或含有大量濕氣的流動空氣流組成。
參考附圖，在全部附圖中，同樣的參考數(shù)字表示同樣的元件，圖1中顯示了過濾組件10。過濾組件10具有一個外殼12，在該外殼12中設置有低壓降化學過濾器20、低壓降微粒過濾器30和空氣移動設備40，諸如風扇。
在圖1中，風扇40將待過濾的空氣或其它氣體抽吸進入到組件10中，并推動該空氣或氣體通過化學過濾器20和微粒過濾器30。在所示構造中，化學過濾器20位于微粒過濾器30的上游；在另一個實施方式中，微粒過濾器30可以位于化學過濾器20的上游。但是，在大部分構造中，優(yōu)選使微粒過濾器30位于化學過濾器20的下游，以捕獲任何可能從化學過濾器20中釋放出的物質。
圖2中說明了過濾組件10’的第二實施方式。與圖1中的實施方式類似，過濾組件10’具有外殼12，在該外殼12中，設置有低壓降化學過濾器20、低壓降微粒過濾器30和空氣移動設備40，諸如風扇。
在圖2中，風扇40將待過濾的空氣或其它氣體通過化學過濾器20和微粒過濾器30抽吸到組件10中。在所說明的構造中，化學過濾器20位于微粒過濾器30的上游；在其它實施方式中，微粒過濾器30可以位于化學過濾器20的上游。
優(yōu)選的是，在空氣流過濾器面速度(airflow filter face velocity)為0.5米/秒時，通過化學過濾器20和微粒過濾器30的組合后的壓降不超過2英寸水位(water)。優(yōu)選在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，壓降不大于1英寸水位，更優(yōu)選在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，壓降不大于0.5英寸水位。在一些實施方式中，壓降可以達到不大于0.25英寸，甚至不大于0.2英寸。
化學過濾器化學過濾器20是低壓降、輕重量、高效的薄層化學過濾器。化學過濾器20可用于除去流動空氣流中的酸、堿或揮發(fā)性有機(VOC)氣體。通過按序列設置多層來形成化學過濾器20，可以實現(xiàn)順流地從空氣流中除去酸、堿或VOC氣體。
所用的術語“低壓降”及其變體是指在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，通過過濾器20的壓降不大于1英寸水位。優(yōu)選在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，壓降不大于0.5英寸水位，更優(yōu)選在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，壓降不大于0.1英寸水位。優(yōu)選化學過濾器20具有通過它的“直通式(straight-through)”或“成直線式(in-line)”流動。
現(xiàn)在參考附圖，具體是圖3，20A顯示了低壓降化學過濾器20的第一實施方式。美國專利第6645271號中描述了這種化學過濾器，該專利的全部內(nèi)容通過參考結合于此。用具有第一面27A和第二面29A的結構體22A形成化學過濾器20A。結構體22A包括多個位于其中的孔洞24A。優(yōu)選孔洞24A以非任意、有序的陣列存在?？锥?4A形成了從第一面27A延伸到第二面29A的通過結構體22A的通道26A。過濾器20A具有“直通式流動”或“成直線式流動”是指待過濾的氣體從一個方向通過第一面27A進入，以大致相同的方向離開第二面29A。在孔洞24A的內(nèi)壁上存在吸附涂層，該涂層具有依靠聚合樹脂或粘合劑保留在孔洞24A上的吸附介質?？锥?4A內(nèi)存在涂層仍然能使空氣或其它流體移動通過通道26A。
吸附涂層，具體來說是吸附介質，能在空氣通過通道26A時，通過吸附、吸收、捕獲、截留、反應或其它除去污染物的方法將污染物從空氣流中除去。如活性碳之類的吸附介質將污染物捕獲在其表面上或孔隙中。根據(jù)污染物的尺寸和吸附介質的孔隙度，一些污染物會進入到吸附介質的孔隙或通道中并被其捕獲。通常，吸附介質的表面與污染物反應，這樣至少將污染物吸附到吸附介質表面上。涂層可以額外或另選地具有氧化劑。當加熱時，與涂層接觸的揮發(fā)性有機化合物(VOC)被氧化為二氧化碳和水。
用于化學過濾器20A的合適的吸附介質或材料的例子包括活性碳、離子交換樹脂、催化劑、無機化學吸附劑，諸如碳酸鹽、堿石灰、硅膠、活性氧化鋁和分子篩?？梢葬槍Ω鞣N目標污染物調節(jié)這些化學過濾介質，它們可以是各種形式，諸如顆粒、珠粒、圓柱體、粉末或纖維。
活性碳可以基于椰子、木材、瀝青或碳質聚合物，可以是各種形式，諸如顆粒、珠粒、圓柱體、粉末或活性碳纖維(ACF)。使用的材料可以是原始碳(virgin carbon)或碳纖維，以除去VOC，或者用酸或堿進行改性處理以除去堿或酸氣體。
離子交換樹脂通常是珠粒形式，包括堿性陰離子和酸性陽離子樹脂，盡管液體形式是已知的(諸如“Nafion”)。纖維形式的離子交換劑包括在合成聚合物纖維上具有官能團的非織造針刺式(nonwoven needle punched)離子交換纖維?；幕蚧|包括工業(yè)纖維，諸如聚丙烯(PP)纖維或聚丙烯酸纖維。通過聚苯烯(ST)或其共聚物二乙烯基苯(DVB)的輻射化學接枝對聚丙烯工業(yè)纖維進行改性。PP-ST-DVB基質可用于制備各種離子交換樹脂，諸如含有季銨基團或氯化銨或氫氧化銨的磺酸、羧酸和磷酸陽離子交換劑或陰離子交換劑。聚丙烯酸纖維可用于結合羧酸或強堿基團。離子交換纖維通常形成絲束(tow)、毛氈、紗線、非織造布或織物結構。這些織物結構已經(jīng)提供了低壓降的優(yōu)點。其它如凹槽或折皺之類的構造使它們轉化為其它低壓降結構，諸如下文所述的纖維體22B。
離子交換樹脂/纖維可以再生。對于低壓降基材上的H形式陽離子交換劑來說，在與氣態(tài)堿如氨或胺反應后形成胺-樹脂絡合物?？赏ㄟ^用苛性鈉進行洗脫來回收胺，并通過用酸再次洗滌來完成最終的再生。消耗完的在低壓降基材上的OH形式強陰離子交換劑可用濃氫氧化鈉再生，該操作使所述陰離子交換劑轉化為氫氧化物形式。消耗完的在低壓降基材上的弱陰離子交換劑用弱堿試劑如氨或碳酸鈉進行再生。
可使用催化劑來加快空氣或氣體中的污染物與其它物質之間的化學吸附，以提供無毒物質如二氧化碳和水，或提供能夠容易地從空氣中除去或保留在催化劑上的物質?！盎艏永?Hopcalite)”就是這種催化劑，該催化劑使用活性錳和氧化銅來在低溫下有效地破壞酸氣體和揮發(fā)性有機化合物(VOC)。催化劑通常是各種形式，諸如顆粒、珠粒和圓柱體。
適用于化學過濾器20的其它種類的化學過濾介質是無機吸附劑，諸如碳酸鹽、堿石灰、硅膠、活性氧化鋁和分子篩。碳酸鹽和堿石灰用于酸蒸氣，例如氯化氫、氟化氫、硫化氫、二氧化硫、一氧化氮和碳的氧化物的化學吸附。硅膠吸附堿氣體和VOC，并且可用鹽進行改性以除去酸氣體?；钚匝趸X可用來除去酸性蒸氣，并且可用鹽進行改性以除去堿氣體。分子篩可用來除去VOC，并且可用鹽進行改性以除去酸氣體或堿氣體。這些無機吸附劑通?？梢匀魏涡问劫彽茫珙w粒、珠粒和圓柱體。
圖4中顯示了低壓降化學過濾器20的第二實施方式20B。用具有第一面27B和相對的第二面29B的纖維體22B形成除去污染物的過濾器20B。一般而言，待凈化的空氣或氣體通過第一面27B進入過濾器20B，通過第二面29B離開。在此實施方式中，通過折皺層24B與面層(facing layer)26B相互交替形成纖維體22B。折皺層24B具有圓形的波浪結構，其每個谷和峰大致相同。面層26B可以是折皺層或非折皺(例如，平坦)薄片；在該實施方式中，面層26B是平坦的薄片。層24B和層26B一起形成了多個從第一面27B延伸到第二面29B的通過纖維體22B的通道120。過濾器20B具有“直通式流動”或“成直線式流動”是指待過濾的氣體從一個方向通過第一面27B進入，以大致相同的方向從第二面29B離開。
化學過濾器20B包括在纖維體22B上或在纖維體22B內(nèi)的吸附材料或反應性材料。在美國專利申請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)中揭示了浸漬纖維低壓降過濾器的例子，上述專利申請的內(nèi)容通過參考結合于此。這些申請涉及化學過濾器元件，該元件使用浸漬了各種活性組分的纖維過濾介質，設置為以吸附、吸收或其它方式除去目標污染物，諸如酸污染物、堿污染物和VOC，包括含羰基化合物。空氣以大致直通式流動通過這些過濾器元件。這類低壓降過濾器的各種例子可以名稱"Wizard"過濾器元件從Donaldson Company購得。浸漬劑的例子包括離子交換樹脂、催化劑、無機化學吸附劑，諸如碳酸鹽、堿石灰、硅膠和分子篩。一般通過以下步驟將這些材料涂布到低壓降基材上將這些材料溶解在溶液中并洗滌，或者通過浸漬或噴涂方法，然后進行干燥處理。
可通過在兩薄層聚合物篩子之間填充一薄層大尺寸顆粒、珠粒、圓柱體、纖維等吸附材料如碳、離子交換介質、催化劑或無機吸附劑以形成三明治結構來得到能減少能量損失的低壓降化學過濾器20的另一個實施方式。離子交換材料的纖維墊可以形成平板式過濾器，優(yōu)選由篩子支撐。
微粒過濾器微粒過濾器30是低壓降、輕重量、高效率的微粒過濾器，通常是薄層過濾介質。微粒過濾器30優(yōu)選包括HEPA介質。HEPA過濾器在過濾器領域中是已知的“高效微?？諝狻边^濾器。HEPA介質是能夠提供過濾效率的過濾器的介質。當用基本上單分散(monodispersed)的0.3微米的顆粒測試時，HEPA介質的最低效率能除去99.97％。用于過濾器30的介質可以是任何合適的介質，HEPA介質或其它介質，可以由纖維素、聚合材料(例如，粘膠、聚丙烯、聚碳酸酯等)、玻璃或玻璃纖維、或天然材料(例如，棉花)制得。其它過濾介質材料是已知的。例如，微纖維玻璃是優(yōu)選的用于HEPA介質的材料。過濾介質可以經(jīng)靜電處理，和/或包括一層或多層材料。如4650506(Barris等人)或美國專利第6673136號(Gillingham等人)所述的，微粒過濾器30中可包括一層或多層細纖維。
文中所用的術語“低壓降”及其變體是指在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，通過微粒過濾器30的壓降不大于1英寸水位。優(yōu)選在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，壓降不大于0.5英寸水位，更優(yōu)選在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，壓降不大于0.1英寸水位。
空氣輸送設備空氣輸送設備40用來產(chǎn)生通過過濾組件10、10’的空氣流?？諝廨斔驮O備40的例子通常包括風扇、鼓風機、壓縮機、真空泵等。
在圖1中，化學過濾器20和微粒過濾器30示意在空氣輸送設備40的下游或后面，但是，在圖2中，化學過濾器20和微粒過濾器30示意在空氣輸送設備40的上游或前面；任何一種構造都是合適的。
外殼如上所述且表示在圖1和圖2中，化學過濾器20、微粒過濾器30和空氣輸送設備40都包含在外殼12中。外殼12包括位于化學過濾器20、微粒過濾器30和空氣輸送設備40上游的進口和位于化學過濾器20、微粒過濾器30和空氣輸送設備40下游的出口。
示例性過濾組件制造依據(jù)本發(fā)明的過濾組件，該過濾組件具有鋁片金屬外殼，約11.2英寸長，7.45英寸高，7.75英寸寬。尺寸為7.45×7.75的兩個面通常是敞開的，沿著各面的周邊只有約0.5英寸的凸緣(lip)。在外殼中有化學過濾器，該化學過濾器由酸氣體除去介質(從IMATEK以名稱Fiban AK22購得)，大小為6.75英寸×7.0英寸，厚度為10毫米。外殼中還包括微粒過濾器，該過濾器由HEPA級過濾介質制得，大小也為6.75英寸×7.0英寸，厚度為10毫米。該微粒過濾器設置在化學過濾器的外部。容量為0-202cfm的風扇(從EBM Industries購得，型號為R1G133-AB41-52)也設置在外殼中。用外殼中的凸緣或制動裝置將化學過濾器和微粒過濾器固定在位。
過濾組件按照與圖1類似的方式排列，使得空氣被風扇抽吸到組件中，然后迫使其通過化學過濾器，接著通過微粒過濾器。
據(jù)信，該過濾組件提供可接受的通過該過濾組件的壓降。盡管該實施例中的風扇的規(guī)格不足以提供測量所需的流量，但是在體積流量為208cfm時，就能得到空氣流過濾器面速度為0.5米/秒。在空氣流量為200cfm時，得到的過濾器面流速為0.48米/秒。
另一個替換的過濾組件類似于上述的，不同的是微粒過濾器是厚度約為2英寸，各面上都有篩子提供支撐的折皺板式過濾器(pleated panel filter)。
通過上述討論和附圖揭示的上述說明書涉及包含本發(fā)明原理的本發(fā)明的實施方式?？墒褂酶鞣N類型的設備和排列來改變、修改和/或實現(xiàn)組件。本領域技術人員容易理解，在不嚴格遵循文中說明和描述的示例性實施方式的情況下對所述設備作出的各種修改、構造和變化。
權利要求
1.一種過濾組件，其包括(a)外殼，具有用于限定空氣流通過外殼的路徑的進口和出口；(b)位于外殼中、在進口和出口之間的空氣流路徑中的低壓降化學過濾器；(c)位于外殼中、在進口和出口之間、在空氣流路徑中的低壓降微粒過濾器；以及(d)位于外殼中、在進口和出口之間、在空氣流路徑中的空氣輸送設備。
2.如權利要求
1所述的過濾組件，其特征在于，將低壓降化學過濾器設置成在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，提供的壓降不大于0.5英寸水位。
3.如權利要求
1所述的過濾組件，其特征在于，將低壓降化學過濾器設置成在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，提供的壓降不大于0.1英寸水位。
4.如權利要求
1至3中任一項所述的過濾組件，其特征在于，將低壓降化學過濾器設置成用于直通式流動。
5.如權利要求
1至4中任一項所述的過濾組件，其特征在于，將化學過濾器設置成用于從空氣流路徑中除去酸污染物、堿污染物和VOC中的至少一種。
6.如權利要求
1所述的過濾組件，其特征在于，將低壓降微粒過濾器設置成在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，提供的壓降不大于0.5英寸水位。
7.如權利要求
1至6中任一項所述的過濾組件，其特征在于，所述低壓降微粒過濾器包含HEPA介質。
8.如權利要求
1至7中任一項所述的過濾組件，其特征在于，所述微粒過濾器位于所述化學過濾器的下游。
9.一種過濾組件，其包括(a)外殼，具有用于限定空氣流通過外殼的路徑的進口和出口；(b)位于外殼中、在進口和出口之間、在空氣流路徑中的低壓降化學過濾器，所述化學過濾器被設置成用于直通式流動，且被設置成在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，提供的壓降不大于0.5英寸水位；(c)位于外殼中、在進口和出口之間、在空氣流路徑中的低壓降微粒過濾器，所述微粒過濾器被設置成在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，提供的壓降不大于0.5英寸水位；(d)位于外殼中、在進口和出口之間、在空氣流路徑中的空氣輸送設備。
10.一種過濾組件，其包括(a)外殼，具有用于限定空氣流通過外殼的路徑的進口和出口；(b)位于外殼中、在進口和出口之間、在空氣流路徑中的低壓降化學過濾器，所述化學過濾器被設置成用于直通式流動，且被設置成在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，提供的壓降不大于0.5英寸水位，所述化學過濾器包括(i)設置成用于除去酸性污染物的第一層；(ii)設置成用于除去堿性污染物的第二層；(c)位于外殼中、在進口和出口之間、在空氣流路徑中的低壓降微粒過濾器，所述微粒過濾器被設置成在空氣流過濾器面速度為0.5米/秒時，提供的壓降不大于0.5英寸水位；(d)位于外殼中、在進口和出口之間、在空氣流路徑中的空氣輸送設備。
11.如權利要求
10所述的過濾組件，其特征在于，所述化學過濾器還包括用于除去VOC的第三層。
專利摘要
本發(fā)明克服了活性炭、離子交換樹脂珠和纖維、和液體形式的離子交換樹脂的限制，通過提供用于過濾化學污染物和微粒的過濾組件從空氣流或氣體流中除去酸、堿或VOC氣體，該組件具有低壓降結構。該過濾組件包括低壓降化學過濾器、低壓降微粒過濾器和空氣輸送裝置如風扇或鼓風機，所有這些裝置組裝在一個外殼中。
文檔編號B01D53/34GK1997437SQ200580016468
公開日2007年7月11日 申請日期2005年4月14日
發(fā)明者A·J·達拉斯, 丁樂飛, J·D·喬瑞曼, J·G·帕森斯 申請人:唐納森公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan