一种用于净化空气的复合材料及其制备方法和应用与流程

本申请涉及空气净化领域。

背景技术：

大气环境中的污染物如SO₂等超过一定限度就会对人体造成伤害。这类问题越来越受到人们的重视。同时，精密仪器、电子设备或工厂工艺条件等均对各类气体污染物的浓度有非常严格的限制条件，甚至超过了一般民用大气洁净度的要求。为了从大气中去除这些有害物质，人们通常采用吸附法和化学反应方法。吸附法所用材料主要为活性炭、活性氧化铝、硅胶、分子筛等。

技术实现要素：

无论是民用的还是工业用的，目前市场上销售的空气净化产品所采用的技术一般为：

吸附法，其以活性炭类和氧化铝类产品为主，同时还有浸渍化学药剂的活性炭或氧化铝的材料；

化学反应方法，其中工业用的化学反应方法是以喷淋塔为代表的应用于化工厂、电厂等的装置。

这些方法和装置的缺点如下：

(1)装置的吸附容量有限；

(2)工业方法用的装置很大，可处理的空气量大，配合附属的装置设备，可以长期保持净化效率＞90％，但该方法造价高，能耗高，占地面积大，且需要专人维护和使用。在大风量应用条件下，这些方法的使用成本过高；对于民用和高科技场所(如电子厂房、数据中心等)均不具有实际使用意义；

其中，以上所指的净化效率：η_t＝(C₀-C_t)/C₀*100％；其中：

η_t：t时段内针对大气污染物的化学净化材料的净化率；

C₀:为气体中某种污染物浓度mg/m³；

C_t:t时段内空气通过净化材料后的污染物浓度，时间单位可以为小时、天、月等。不同净化材料的比对时间应相同。

(3)材料自身阻力过大，通风所需动力的能源消耗大，特别是对于一些需要大风量的场所；

(4)按照美国标准ANSI/ISA S71.04-1985对电子生产、数据中心等要求的G1级别的标准，在大风量条件下，净化效果难以保持。例如将SO₂浓度降低到10ppb以下，且空气过风速度、阻力、动力消耗指标、使用时间等同时有要求，现有方法无法做到。更达不到有特殊要求的有工艺要求的特殊标准。

另外，浸渍了药剂的活性炭和氧化铝等产品虽然比纯粹的活性炭等净化效率高，但会出现净化效果随着使用时间而迅速下降、阻力过大等缺点。

因此，目前市场上仍存在对处理效率高、能耗低且长时间保持过滤效率的用于空气净化的复合材料及含有这样的复合材料的设备的需求。本申请提供了一种用于净化空气的复合材料。本申请提供的用于净化空气的复合材料能够在长时间使用时展示出过滤效率不会出现明显下降的优点，并且处理效率高、能耗低，从而能够显著降低生产成本。

为了实现本申请的目的，本申请提供了一种用于净化空气的材料，所述复合材料可以包括：

多孔泡沫材料，所述多孔泡沫材料为开孔型聚氨酯发泡网；和

喷涂在所述多孔泡沫材料的内部和/或表面的混合物，所述混合物包括吸附性材料、处理剂和粘合剂，其中所述吸附性材料为硅藻土，所述处理剂为碱液。

其中，本申请所用到的开孔型聚氨酯发泡网可以为市售产品。

在以上或其他实施方式中，所述多孔泡沫材料可具有30目-60目的孔数，可选地为40目-50目，进一步可选地为约45目。

在以上或其他实施方式中，所述多孔泡沫材料通常可具有4-8mm的厚度。

本领域技术人员将理解，本申请的复合材料可以呈现出载体多孔泡沫材料的片状形式。

在以上或其他实施方式中，所述处理剂可以为碱液。

在以上或其他实施方式中，所述粘合剂可选自环氧树脂粘合剂、丁二烯丙烯酸共聚物粘合剂、聚醋酸乙烯粘合剂、丙烯酸粘合剂、聚氨酯粘合剂和聚丙烯酸酯粘合剂中的一种或更多种。可选地，所述粘合剂为丁二烯丙烯酸共聚物粘合剂。本领域技术人员将理解的是，粘合剂可根据处理剂的具体类型和期望的技术效果来合理地选择。

其中，本申请所用到的这些粘合剂可以为市售产品。

在以上或其他实施方式中，所述吸附性材料可以为60目至300目。可选地，所述硅藻土的规格为每100克硅藻土至少能够吸水约100-200克，可选地所述硅藻土的规格为每100克硅藻土的吸水量为约170克。

在以上或其他实施方式中，相对于每平方米的所述多孔泡沫材料的外表面，所述混合物的喷涂量可以为200克/平方米至250克/平方米，可选地为约225克/平方米。

在以上或其他实施方式中，所述碱液可以是碱的浓度为5wt％-50wt％的水溶液，可选地为30wt％-50wt％的水溶液；

在以上或其他实施方式中，所述碱可选自氢氧化钠、氢氧化钙和碳酸钠中一种或更多种。

在以上或其他实施方式中，所述混合物中的所述吸附性材料、所述处理剂和所述粘合剂的重量比可以为1：5-7：1.3-1.7，可选地为1：6：1.5。在上述范围内，所述吸附性材料可以被有效的粘附在所述多孔材料上，不会造成在过滤过程中所述吸附性材料随风流失，同时，在较大的处理风量下比如在不低于1500m³/h·m²的风量下，由2至4片所述复合材料堆叠组成的组件的过滤阻力小于65Pa。

在以上或其他实施方式中，所述混合物还可包括悬浮剂。

在以上或其他实施方式中，所述悬浮剂可以为2wt％-5wt％的羧甲基纤维素钠水溶液。

在以上或其他实施方式中，所述悬浮剂可以为所述混合物总重量的5wt％-10wt％。

在以上或其他实施方式中，所述复合材料还可包括喷涂在喷涂了所述混合物的所述多孔泡沫材料的内部和/或表面的保湿剂。

在以上或其他实施方式中，所述保湿剂可以为甘油。

在以上或其他实施方式中，所述保湿剂的用量可以为所述混合物总重量的3wt％-5wt％。

另一方面，本申请还提供一种制备如上所述的用于净化空气的复合材料的方法，所述方法包括：

将碱溶于水中，以得到处理剂；

将所述吸附性材料和所述处理剂溶液混合均匀，得到初混物；

将所述粘合剂添加到所述初混物中并混合均匀，得到混合物；

任选地将悬浮剂添加到所述混合物中并混合均匀；

将所述混合物或包含了悬浮剂的混合物喷涂到所述多孔泡沫材料上，从而制得复合材料。

在以上或其他实施方式中，所述方法还包括将保湿剂均匀地喷涂到复合材料上。

本领域技术人员将理解的是，所述喷涂能够通过本领域已知的方法来进行，比如通过高压空气来均匀喷涂。

在以上或其他实施方式中，所述保湿剂可以为甘油。

又一方面，本申请提供一种用于净化空气的复合材料，所述复合材料是根据如上所述的方法制备的。

在以上或其他实施方式中，在不低于1500m³/h·m²的风量下，所述单片复合材料的阻力不大于15Pa。在以上或其他实施方式中，在进风量不低于1500m³/h·m²的情况下，通过由二片、三片或四片所述复合材料堆叠组成的组件的阻力不大于65Pa，出口空气中二氧化硫浓度小于10ppb。其中，阻力的检测是在进风量不低于1500m³/h·m²时，测量通过所述组件之前的气压和通过所述组件之后的气压而获得的所述组件受到的阻力不大于65Pa。

又一方面，本申请提供一种净化空气的方法，所述方法包括：

将待净化的空气的相对湿度控制在50％-90％，可选地为50％-75％，还可选地为75％；以及

使具有控制的相对湿度的空气通过如上所述的复合材料。

在以上或其他实施方式中，所述方法还可包括对待净化的空气进行初效过滤，以滤除空气中粒度大于5μm的颗粒物，从而有利于降低空气中的颗粒物堵塞所述复合材料的风险。

在以上或其他实施方式中，所述方法还可包括对通过所述复合材料的空气进行中效过滤，以滤除空气中粒度1-5μm的颗粒物，从而避免因为大风量可能导致的所述复合材料中的吸附性材料的脱落流失在处理后的空气中，影响处理后的空气质量。

在以上或其他实施方式中，所述复合材料的处理剂可以为碱，且所述方法用于处理空气中的酸性气体，可选地为二氧化硫含量不超过1000ppb的酸性气体，且在不低于1500m³/h·m²的风量下且在空气相对湿度在50％-90％的情况下，通过复合材料的空气中的二氧化硫含量小于10ppb；待到使用一段时间后，通过复合材料的空气中的二氧化硫含量大于10ppb时，则需更换所使用的复合材料。其中，所述ppb是按重量计的单位。

在以上或其他实施方式中，其中相对湿度可以通过进风侧的湿度传感器和与所述湿度传感器连接的湿度控制器，以及与所述湿度控制器连接的加湿装置来控制。

又一方面，本申请提供一种用于净化空气的设备，所述设备可以包括：

一个密闭壳体，所述壳体上设置有在所述壳体一端的进风口以及在所述壳体另一端的出风口；

加湿单元，其设置在所述密闭壳体的内部，所述加湿单元位于所述进风口的下游，且包括湿度传感器和与所述湿度传感器连接的湿度控制器，以及与所述湿度控制器连接的加湿装置，所述加湿单元设置为将空气的相对湿度控制在50％-90％，可选地为50％-75％，还可选地为75％；

化学处理单元，其设置在所述密闭壳体的内部，所述化学处理单元位于所述加湿单元的下游，且包括如上所述的复合材料，所述化学处理单元设置为处理具有控制的相对湿度的空气以去除空气中的酸性气体；以及

风机，其设置在所述密闭壳体的内部，所述风机位于所述化学处理单元的下游，且设置为使得空气能够以一定的风速通过所述用于净化空气的设备；

可选的初效过滤单元，如果存在，其设置在所述密闭壳体的内部，且所述初效过滤单元位于所述进风口的下游且位于所述加湿单元的上游，且设置为滤除从进风口进入的空气中粒度大于5μm的颗粒物；

可选的中效过滤单元，如果存在，其设置在所述密闭壳体的内部，所述中效过滤单元位于所述化学处理单元的下游且位于所述风机的上游，且设置为滤除空气中粒度为1-5μm的颗粒物。

在以上或其他实施方式中，所述化学处理单元中的所述复合材料可以被成型为任意合适的形状，例如可以被成型为中空圆筒，其中该中空圆筒的一端被密封且另一端敞开作为出风侧，使得空气从所述中空圆筒的侧壁通过并进入所述中空圆筒的中空部分，然后从出风侧流出。

在以上或其他实施方式中，所述中空圆筒可以通过其出风侧与所述中效过滤单元连接。

在以上或其他实施方式中，所述化学处理单元由一定数量的由上述复合材料形成的中空圆筒组成，例如1-10个，1-20个等。

在以上或其他实施方式中，所述中空圆筒可以由二片至四片的复合材料堆叠形成。

在以上或其他实施方式中，所述设备如图2所示。

在以上或其他实施方式中，所述设备如图3所示。

在以上或其他实施方式中，所述设备还可包括在进风口和出风口设置的检测器，以检测从进入进风口的空气的污染物浓度或检测从出风口出来的空气的污染物浓度，从而计算设备的过滤效率。当设备的过滤效率低于99％时，可以更换所述设备的复合材料。一般情况下会有几台新风主机同时工作的，需要更换的这一台需要停机，但整体新风机组是不停机的。此时仍然有其它新风主机在代替它工作，更换时间不会超过1个小时的时间。

在以上或其他实施方式中，所述加湿装置可以为高压喷雾器、电极加湿、超声波加湿器和湿膜中的一种或更多种。

在以上或其他实施方式中，通过所述湿度传感器检测进风侧空气中的湿度含量，当进风侧空气中的湿度含量低于50％时，与所述湿度传感器连接的湿度控制器开启加湿装置，当进风侧空气的湿度在此范围内时，则关闭所述加湿装置。此外，需要说明的是，因为如果有水滴在复合材料的表面，那么凝聚多了水滴就会堆积并蔓延到设备的其他地方从而产生诸多安全问题。为了避免加湿装置的水滴接触到所述复合材料，所述加湿装置距离所述复合材料一定的安全距离设置，该安全距离可以根据设备大小等实际情况进行合理选择。

在以上或其他实施方式中，所述加湿装置设置在进风侧，且所述加湿装置在所述复合材料的进风侧的周围均匀分布，以使所述加湿装置能够均匀喷雾进风侧的空气。所述加湿装置的数量可以根据实际需要而选择，只要能使所述加湿装置能够均匀喷雾进风侧的空气即可。

在以上或其他实施方式中，所述初效过滤单元可以为具有100目的孔数的过滤网。

在以上或其他实施方式中，所述中效过滤单元可以为孔数在300目至500目之间的过滤网。

本申请的发明人在实验过程中发现，通过在空气穿过所述复合材料之前将空气的相对湿度控制在50％-90％的范围内，能够有效的保持所述复合材料的处理效率的稳定性。并且，在不低于1500m³/h·m²的风量下且在空气相对湿度为50％-90％的情况下，通过本申请的净化设备的空气中的二氧化硫含量小于10ppb。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得明显，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请保护范围的限制。

图1为本申请用于净化空气的方法的流程图。

图2为本申请一个实施方式的用于净化空气的设备的平面示意图,其中a为进风口，1为密闭壳体、2为初效过滤单元、3为加湿单元、4为化学过滤单元、5为中效过滤单元、6为风机，b为出风口。

图3为本申请一个实施方式的用于净化空气的设备的示意图，其中1为密闭壳体、2为初效过滤单元、3为加湿单元、4为化学过滤单元、5为中效过滤单元、6为风机。

图4为本申请一个实施方式的用复合材料成型的中空圆筒的示意图，其中7为由复合材料成型的侧壁，8为进风侧，9为出风侧，10为用于连接固定的结构件。

具体实施方式

下面通过实施例来描述本申请的实施方式，本领域的技术人员应当认识到，这些具体的实施例仅是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。根据本申请的教导，结合现有技术对本申请技术方案的改进均属于本申请保护范围。

在以下实施例中，所用到的原料均为市购获得的产品。以下实施例中所用试剂，除非特殊说明，否则均来自商购，相同的试剂来源相同。

实施例1

用于净化空气的复合材料，包括：

聚氨酯发泡网(购自：常州市顺达空气净化材料有限公司)，具有50目的孔数且具有8mm的厚度；以及

喷涂在聚氨酯发泡网的内部和/或表面上的混合物，所述混合物含有：具有200目的颗粒度的硅藻土颗粒(购自：嵊州市华力硅藻土制品有限公司)220克(其中，每100克硅藻土能够吸水约170克，粉末)，处理剂1540克，丁二烯丙烯酸共聚物粘合剂(购自：上海摩田化学有限公司)374克；以及悬浮剂112克，所述悬浮剂为2wt％的羧甲基纤维素钠水溶液。

制备方法：

将碳酸钠(购自：上海京格贸易有限公司)540克溶于1000克的水中，得到pH为10的处理剂；

将硅藻土颗粒与所述处理剂混合均匀，得到初混物；

将丁二烯丙烯酸共聚物粘合剂添加到所述初混物中并混合均匀，得到混合物；

将羧甲基纤维素钠(购自：天津市福晨化学试剂厂)添加到水中，配制浓度为2wt％的羧甲基纤维素钠水溶液112克，作为悬浮剂；

将所述悬浮剂添加到所述混合物中，并混合均匀，得到最终的混合物；

然后，以混合物的喷涂量为200克/平方米的标准，将所述最终的混合物喷涂到所述聚氨酯发泡网上，得到复合材料(长×宽＝2000mm×1000mm)。

实施例2

用于净化空气的复合材料，包括：

聚氨酯发泡网(购自：常州市顺达空气净化材料有限公司)，具有30目的孔数且具有4mm的厚度；以及

喷涂在聚氨酯发泡网的内部和/或表面上的混合物，所述混合物含有：具有60目的颗粒度的硅藻土颗粒(购自：嵊州市华力硅藻土制品有限公司)270克(其中，每100克硅藻土能够吸水约100克，粉末)，处理剂1350克，丁二烯丙烯酸共聚物粘合剂(购自：北京万吉建业建材有限公司)351克；以及悬浮剂219克，所述悬浮剂为5wt％的羧甲基纤维素钠水溶液。

制备方法：

将氢氧化钠(市购，粉末)540克溶于810克的水中，得到pH为13的处理剂；

将硅藻土颗粒与所述处理剂溶液混合均匀，得到初混物；

将粘合剂添加到所述初混物中并混合均匀，得到混合物；

将羧甲基纤维素钠(购自：天津市福晨化学试剂厂)添加到水中，配制浓度为5wt％的羧甲基纤维素钠水溶液219克，作为悬浮剂；

将所述悬浮剂添加到所述混合物中，并混合均匀，得到最终的混合物；

然后，以混合物的喷涂量为250克/平方米的标准，将所述混合物喷涂到所述聚氨酯发泡网上，得到复合材料(长×宽＝2000mm×1000mm)。

实施例3

用于净化空气的复合材料，包括：

聚氨酯发泡网(购自：常州市顺达空气净化材料有限公司)，具有60目的孔数且具有6mm的厚度；以及

喷涂在聚氨酯发泡网的内部和/或表面上的混合物，所述混合物含有：过200目筛的硅藻土颗粒(嵊州市华力硅藻土制品有限公司)240克(其中，每100克硅藻土能够吸水约200克，粉末)，处理剂1440克，丁二烯丙烯酸共聚物粘合剂(购自：北京万吉建业建材有限公司)360克；以及悬浮剂200克，所述悬浮剂为5wt％的羧甲基纤维素钠水溶液。

制备方法：

将氢氧化钠(市购，粉末)432克溶于1008克的水中，得到pH为12的处理剂；

将硅藻土颗粒与所述处理剂溶液混合均匀，得到初混物；

将粘合剂添加到所述初混物中并混合均匀，得到混合物；

将羧甲基纤维素钠(购自：天津市福晨化学试剂厂)添加到水中，配制浓度为5wt％的羧甲基纤维素钠水溶液200克，作为悬浮剂；

将所述悬浮剂添加到所述混合物中，并混合均匀，得到最终的混合物；

然后，以混合物的喷涂量为225克/平方米的标准，将所述混合物喷涂到所述聚氨酯发泡网上，得到复合材料(长×宽＝2000mm×1000mm)。

实施例4

用于净化空气的复合材料的配方及其制备方法与实施例1相同，唯一的区别在于聚氨酯发泡网的厚度为4mm。

实施例5

用于净化空气的复合材料的配方及其制备方法与实施例1基本相同，不同的是，复合材料还含有作为保湿剂的甘油(购自：淘宝网-欣远实验)，甘油的量为所述混合物的3wt％，且制备方法的最后增加了一个将甘油喷涂在复合材料上的步骤。

对比例1

采用实施例1的配方和方法来制备复合材料，不同的是，用等量的活性氧化铝颗粒(购自：廊坊亚太龙兴分子筛化工有限公司，氧化铝含量(Al₂O₃)：92wt％，孔容积：≥0.38g/cm³；吸水率：≥50％)代替硅藻土。

对比例2

采用实施例1的配方和方法来制备复合材料，不同的是，用等量的活性炭颗粒(购自：上海全虎活性炭有限公司，椰壳活性炭：1-2mm；比表面积：≥1100m²/g；总孔容积：≥0.9cm³/g)代替硅藻土。

对比例3

采用实施例1的配方和方法来制备复合材料，不同的是，用碳纤维(购自：常州市顺达空气净化材料有限公司，HCC单向碳纤维编织物)代替聚氨酯发泡网。

对比例4

采用实施例1的配方和方法来制备复合材料，不同的是，用玻璃纤维(购自：常州市顺达空气净化材料有限公司，ECD450)代替聚氨酯发泡网。

实施例6

采用图3所示的设备。其中，所述设备包括密闭壳体，所述设备包括一个密闭壳体，所述壳体上设置有在所述壳体一端的进风口以及在所述壳体另一端的出风口，并且，所述密闭壳体的内部设置有：

加湿单元，所述加湿单元位于所述进风口的下游，且包括湿度传感器和与所述湿度传感器连接的湿度控制器，以及与所述湿度控制器连接的加湿装置，所述加湿单元设置为将空气的相对湿度控制为50％-90％，例如在本实施例中具体测试时所用的52％；

化学处理单元，所述化学处理单元位于所述加湿单元的下游，且包括复合材料，所述化学处理单元设置为处理具有控制的相对湿度的空气以去除空气中的酸性气体；以及

风机，所述风机位于所述化学处理单元的下游，以提供动力，从而使得空气能够以一定的风速通过所述用于净化空气的设备；

初效过滤单元，所述初效过滤单元位于所述进风口和所述加湿单元之间且用于滤除从进风口进入的空气中粒度大于5μm的颗粒物；

中效过滤单元，所述中效过滤单元位于所述化学处理单元和所述风机之间且用于滤除空气中粒度为1-5μm的颗粒物。

其中，在本应用实例中，所述初效过滤单元为具有100目孔的聚酯合成纤维材料网。所述化学处理单元为由4片实施例1制备的复合材料成型的中空圆筒，其结构如图4所示。所述化学处理单元还包括在中空圆筒的两端外侧设置压力传感器。所述中效过滤单元为具有300-500目孔数的白色聚酯合成纤维材料网。所述中效过滤网还包括设置在其出风侧的二氧化硫检测器。所述风机设置在所述中效过滤网的出风侧。

处理二氧化硫含量为0.1ppm的空气时，开启风机，以1500m³/h·m²的风量通过初效过滤网，湿度传感器检测空气的湿度；当空气湿度低于50％时，湿度控制器控制加湿装置开始喷雾，检测到空气的湿度在50％-90％范围内时，停止喷雾。湿度在50％-90％的空气通过中空圆筒的圆周壁进入，从该圆筒的开口端离开并通过中效过滤网。压力检测装置检测中空圆筒两端外侧的气压，以及二氧化硫检测器检测中效过滤网出风侧即离开该设备的空气中二氧化硫的含量。采用该设备进行连续处理，直到出风侧空气中二氧化硫的浓度高于10ppb时，则需要更换化学处理单元且以此为判断依据来计算化学处理单元的使用寿命。具体结果参见表1。

然后，分别用实施例2-5和对比例1-4制备的复合材料代替实施例1的复合材料进行处理，所得结果如表1所示。

表1使用包括不同复合材料的设备来净化空气的结果

另外，按照美国标准ANSI/ISA S71.04-1985对电子生产、数据中心等要求的G1级别的标准(要求二氧化硫含量在0-10ppb之间)，本申请的实施例1-6的复合材料均能够达到这一标准。

由此可以看出，本申请实施例1-6提供的复合材料，在1500m³/h·m²的大风量下，处理含二氧化硫不高于100ppb的空气时，所述复合材料所受的阻力不大于65Pa，且连续2400小时以上能够实现二氧化硫处理效率为100％，既能有效控制空气中的酸性污染气体的含量，又能保证低的能耗和高的处理效率。

另外，本申请实施例提供的净化空气的方法和设备，能够满足美国标准ANSI/ISA S71.04-1985对电子生产，数据中心等要求的G1级别的标准二氧化硫含量0-10ppb，因此，本申请提供的净化空气的方法和设备能够用于大型精密设备的生产环境和数据中心，为精细仪器和电子设备的生产提供有利的保障。

此外，通过比较表1中的实施例1和对比例1-2的材料所测定的数据可知，与其他吸附性材料比如活性炭颗粒和活性氧化铝颗粒相比，聚氨酯发泡网和硅藻土的组合不仅能够实现小的风阻值，而且能够同时实现高的净化率和更长的使用寿命。

并且，通过表1中的实施例5的材料所测定的数据可知，在添加了保湿剂之后，本申请的复合材料的使用寿命被显著延长；从表1中的对比例3和4的材料所测定的数据可知，硅藻土与其他载体比如碳纤维或玻璃纤维的组合既不能实现小于65pa的风阻的目的，也不能用于有效去除二氧化硫，并且使用寿命相对较短。

虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请的示例，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，仍在本申请的专利保护范围内。