空气净化模块及其制备方法、空气处理装置

技术领域

本发明涉及空气处理装置领域，特别涉及空气净化模块及其制备方法、空气处理装置。

背景技术

VOC(挥发性有机化合物)，特别是苯、甲苯、甲醛等，会损害人体健康，是造成室内空气质量低下的主要原因。目前，空气处理装置中最常用的VOC净化部件是活性炭滤网，其可以对VOC进行吸附净化，但存在活性炭易吸附饱和、VOC易脱附造成二次污染等问题，无法长时间高效地净化空气中的VOC，而且并不能将VOC分解去除。鉴于此，有人试图通过在活性炭滤网上负载二氧化钛来实现对吸附的VOC进行原位催化分解，但实际在无光照引发的情况下，负载的二氧化钛很难对VOC进行原位催化分解，效果甚微，而且即使进行光照引发，由于只能照射到活性炭滤网表面，也仅有很少一部分二氧化钛发挥作用，VOC原位催化分解的实际效果差强人意。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种空气净化模块，所述空气净化模块具有层叠设置的催化层和吸附层，通过对空气净化模块进行通电加热可以长时间高效地对空气中的VOC进行吸附和原位催化分解。

本发明还提出了一种上述空气净化模块的制备方法。

本发明还提出了一种具有上述空气净化模块的空气处理装置。

根据本发明的第一方面实施例提供一种空气净化模块，包括：

催化层，所述催化层包括气凝胶层和至少部分分布在所述气凝胶层内部的热活化催化剂颗粒，所述催化层还包括通电端口；

吸附层，所述吸附层包括吸附材料层；

所述催化层和所述吸附层层叠设置，且所述吸附层至少部分嵌入所述催化层内部。

根据本发明实施例的空气净化模块，至少具有如下技术效果：吸附层可以有效吸附过滤空气中的颗粒污染物，如PM10、PM2.5颗粒，并吸附VOC，而催化层包括气凝胶层和至少部分分布在所述气凝胶层内部的热活化催化剂颗粒，气凝胶层也具有一定的VOC吸附效果，通过将催化层的通电端口连接电源，可以使催化层发热，随后热量由催化层传导至吸附层，使吸附层内吸附的VOC受热脱附，并被空气气流带入催化层与热活化催化剂颗粒接触发生原位催化分解，而催化层本身吸附的VOC也会与热活化催化剂颗粒接触发生原位催化分解。

根据本发明的一些实施例，所述吸附层还包括至少部分分布在所述吸附材料层内部的热活化催化剂颗粒。通过使吸附材料层负载热活化催化剂颗粒，可以赋予吸附层一定的原位催化分解VOC效果，进而可以进一步提高本发明的空气净化模块原位催化分解VOC的效果。

根据本发明的一些实施例，所述气凝胶层为石墨烯气凝胶层。石墨烯气凝胶是一种三维多孔材料，含有大量纳米级和微米级的微孔，比表面积大，可以作为热活化催化剂颗粒的负载载体，且本身对VOC具有一定的吸附能力。

根据本发明的一些实施例，所述气凝胶层的孔洞孔径为20μm～100μm。

根据本发明的一些实施例，所述热活化催化剂颗粒包括金属氧化物颗粒、贵金属颗粒中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述金属氧化物颗粒包括锰氧化物颗粒、镍氧化物颗粒、铈氧化物颗粒、铜氧化物颗粒、钯氧化物颗粒、钛氧化物颗粒、锌氧化物颗粒、锡氧化物颗粒、钴氧化物颗粒、铁氧化物颗粒中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述贵金属颗粒包括铂颗粒、钯颗粒、金颗粒、钌颗粒、银颗粒中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述吸附材料层为蜂窝活性炭块、活性炭纤维网、活性炭海绵过滤网中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述蜂窝活性炭块的孔洞孔径为2mm～30mm。

根据本发明的一些实施例，所述蜂窝活性炭块的孔洞形状包括方形、六边形、三角形、圆形中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述空气净化模块还包括若干贯穿所述催化层的第一通孔和若干贯穿所述吸附层的第二通孔，且所述第一通孔与所述第二通孔一一对应设置。通过设置贯穿所述催化层和所述吸附层的通孔，可以降低空气净化模块的风阻，进而满足空气处理装置的入风量要求。

根据本发明的一些实施例，所述第二通孔的孔径大于所述第一通孔。

根据本发明的一些实施例，所述空气净化模块还包括若干贯穿所述催化层的通孔。通过设置贯穿所述催化层的通孔，可以降低空气净化模块的风阻，进而满足空气处理装置的入风量要求。

根据本发明的第二方面实施例提供一种空气净化模块的制备方法，包括以下步骤：先将气凝胶材料和热活化催化剂颗粒混合后注入成型模具，再放入吸附层，进行成型，最后设置通电端口，即得空气净化模块。

根据本发明实施例的空气净化模块的制备方法，至少具有如下有益效果：本发明的空气净化模块的制备方法具有工艺简单的优点，且可以根据实际需要灵活调节空气净化模块的组成、结构和性能。

根据本发明的第三方面实施例提供一种空气处理装置，所述空气处理装置包括根据本发明上述第一方面实施例的空气净化模块。

根据本发明实施例的空气处理装置，至少具有如下有益效果：采用上述的空气净化模块的空气处理装置，可以长时间高效地净化空气中的VOC。

根据本发明的一些实施例，所述空气处理装置选自空调器、空气净化器或空气加湿器中的一种。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明第一种实施例的空气净化模块结构示意图。

图2为本发明第二种实施例的空气净化模块结构示意图。

图3为本发明第三种实施例的空气净化模块结构示意图。

图4为本发明第三种实施例的空气净化模块的顶部示意图。

图5为本发明第三种实施例的空气净化模块的底部示意图。

附图标记：催化组件100，气凝胶层110，第一热活化催化剂颗粒120，通电端口130，第一通孔140，吸附组件200，吸附材料层210，第二热活化催化剂颗粒220，第二通孔230。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

在本发明的描述中，颗粒是指纳米和微米尺度的粒子，粒子的形状包括球形、正方体、长方体、圆柱体、四面体、八面体、不规则形状等。

在本发明的描述中，对于圆形的孔，孔径是指直径，对于长方形的孔、正方形的孔、正六边形的孔、正八边形的孔，孔径均是指对角线的长度。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面参照附图1～5描述本发明实施例的空气净化模块。

如图1所示，本发明实施例的空气净化模块包括催化层100和吸附层200；催化层100包括气凝胶层110和分布在气凝胶层110内部的第一热活化催化剂颗粒120，还包括通电端口130；吸附层200包括吸附材料层210；催化层100和吸附层200层叠设置，且吸附层200部分嵌入催化层100内部；第一热活化催化剂颗粒120在加热至200℃～300℃的条件下可以催化分解VOC。

如图2所示，本发明实施例的空气净化模块包括催化层100和吸附层200；催化层100包括气凝胶层110和分布在气凝胶层110内部的第一热活化催化剂颗粒120，还包括通电端口130和若干贯穿催化层100的第一通孔140；吸附层200包括吸附材料层210；催化层100和吸附层200层叠设置，且吸附层200部分嵌入催化层100内部；第一热活化催化剂颗粒120在加热至200℃～300℃的条件下可以催化分解VOC。

如图3、图4和图5所示，本发明实施例的空气净化模块包括催化层100和吸附层200；催化层100包括气凝胶层110和分布在气凝胶层110内部的第一热活化催化剂颗粒120，还包括通电端口130和若干贯穿催化层100的第一通孔140；吸附层200包括吸附材料层210和分布在吸附材料层210内部的第二热活化催化剂颗粒220，还包括若干贯穿催化层200的第二通孔230；第一通孔140和第二通孔230一一对应设置，且第二通孔230的孔径大于第一通孔140；催化层100和吸附层200层叠设置，且吸附层200部分嵌入催化层100内部；第一热活化催化剂颗粒120和第二热活化催化剂颗粒220在加热至200℃～300℃的条件下可以催化分解VOC。

在本发明的一些具体实施例中，气凝胶层为石墨烯气凝胶层。

在本发明的一些具体实施例中，热活化催化剂颗粒为纳米尺度的颗粒。

在本发明的一些具体实施例中，热活化催化剂颗粒包括金属氧化物颗粒、贵金属颗粒中的至少一种。

在本发明的一些具体实施例中，金属氧化物颗粒包括锰氧化物颗粒、镍氧化物颗粒、铈氧化物颗粒、铜氧化物颗粒、钯氧化物颗粒、钛氧化物颗粒、锌氧化物颗粒、锡氧化物颗粒、钴氧化物颗粒、铁氧化物颗粒中的至少一种；进一步的，金属氧化物颗粒包括锰氧化物颗粒、镍氧化物颗粒、铈氧化物颗粒、铜氧化物颗粒中的至少一种；更进一步的，金属氧化物颗粒包括氧化锰纳米棒、纳米氧化铜颗粒中的至少一种。

在本发明的一些具体实施例中，贵金属颗粒包括铂颗粒、钯颗粒、金颗粒、钌颗粒、银颗粒中的至少一种；进一步的，贵金属颗粒包括铂颗粒、钯颗粒、金颗粒、钌颗粒中的至少一种。

在本发明的一些具体实施例中，吸附材料层为蜂窝活性炭块、活性炭纤维网、活性炭海绵过滤网中的至少一种；进一步的，吸附材料层为蜂窝活性炭块。

在本发明的一些具体实施例中，蜂窝活性炭块具有方形、六边形、三角形或圆形的孔洞；进一步的，蜂窝活性炭块具有正方形或正六边形的孔洞。

在本发明的一些具体实施例中，蜂窝活性炭块的孔洞孔径为2mm～30mm；进一步的，蜂窝活性炭块的孔洞孔径为10mm～20mm。

在本发明的一些具体实施例中，空气净化模块还包括若干贯穿催化层的第一通孔和若干贯穿吸附层的第二通孔，且第一通孔与第二通孔一一对应设置。

在本发明的一些具体实施例中，空气净化模块还包括若干贯穿催化层的第一通孔。

在本发明的一些具体实施例中，第一通孔的形状为正方形或圆形，通孔的孔径为5mm～10mm。

在本发明的一些具体实施例中，第二通孔的形状为正方形或圆形，通孔的孔径为5mm～10mm。

在本发明的一些具体实施例中，第二通孔的孔径大于第一通孔。

在本发明的一些具体实施例中，空气净化模块的制备方法包括以下步骤：先将气凝胶材料和热活化催化剂颗粒混合后注入成型模具，再放入吸附层，进行成型，最后设置通电端口，即得空气净化模块。

在本发明的一些具体实施例中，空气净化模块的形状选自长方形、正方形或圆形中的一种。

以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。以下所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到。

实施例1

本实施例的空气净化模块的制备方法如下：

准备500mL浓度为7mg/mL的氧化石墨烯溶液，在里面加入11.7mL的乙二胺(EDA)和120mg的氧化锰纳米棒，加热至80℃搅拌反应24小时，把得到的混合液倒入预设有通孔形成部件、大小规格为700mm×150mm×20mm的长方形模具(通孔形成部件可以使空气净化模块的催化层形成与蜂窝活性炭块的方孔一一对应的贯穿的方孔，方孔大小5mm×5mm)，放入大小规格500mm×140mm×10mm的蜂窝活性炭块(方孔，方孔大小10mm×10mm，方孔壁厚5mm)，使蜂窝活性炭块浸润并悬浮在液面上，冷冻成型，真空干燥，然后在通N

性能测试：

将本实施例的空气净化模块安装在空调入风口，空气净化模块的吸附层朝外，该空气净化模块含有贯穿催化层和吸附层的通孔，风阻小于15％，参照《GB/T 18801-2015空气净化器》标准测试该空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力，测试结果如下表所示：

表1空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力测试结果

在空气净化模块吸附甲醛与苯系物饱和后，通24V的电3分钟，空气净化模块的温度可快速升至220℃～260℃，吸附的VOC迅速脱附至气凝胶内，并原位热催化分解成二氧化碳和水，10分钟后检测的二氧化碳浓度与空气中的二氧化碳浓度相当，表明催化过程结束，空气净化模块的吸附能力得到再生。在加热过程中，检测的TVOC浓度低于《GB/T18883-2002室内空气质量标准》的限值，说明高温热处理并未造成大量的VOC从气凝胶腔体内逃离而使浓度超标。

实施例2

本实施例的空气净化模块的制备方法如下：

准备500mL浓度为7mg/mL的氧化石墨烯溶液，在里面加入11.7mL的乙二胺(EDA)和120mg的氧化锰纳米棒，加热至80℃搅拌反应24小时，把得到的混合液倒入大小规格为700mm×150mm×20mm的长方形模具，放入大小规格500mm×140mm×10mm的蜂窝活性炭块(正六边形孔，孔的边长为10mm，孔壁厚5mm)，使蜂窝活性炭块浸润并悬浮在液面上，冷冻成型，真空干燥，然后在通N

性能测试：

将本实施例的空气净化模块安装在空调入风口，空气净化模块的吸附层朝外，该空气净化模块仅含贯穿吸附层的通孔，风阻小于40％，参照《GB/T 18801-2015空气净化器》标准测试该空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力，测试结果如下表所示：

表2空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力测试结果

在空气净化模块吸附甲醛与苯系物饱和后，通24V的电3分钟，空气净化模块的温度可快速升至220℃～270℃，吸附的VOC迅速脱附至气凝胶内，并原位热催化分解成二氧化碳和水，10分钟后检测的二氧化碳浓度与空气中的二氧化碳浓度相当，表明催化过程结束，空气净化模块的吸附能力得到再生。在加热过程中，检测的TVOC浓度低于《GB/T18883-2002室内空气质量标准》的限值，说明高温热处理并未造成大量的VOC从气凝胶腔体内逃离而使浓度超标。

实施例3

本实施例的空气净化模块的制备方法如下：

准备500mL浓度为10mg/mL的氧化石墨烯溶液，在里面加入12.7mL的乙二胺(EDA)和150mg的氧化锰纳米棒，加热至80℃搅拌反应24小时，把得到的混合液倒入大小规格为700mm×150mm×20mm的长方形模具，放入大小规格500mm×140mm×3mm的蒸汽处理过的活性炭纤维网，使活性炭纤维网浸润并悬浮在液面上，冷冻成型，真空干燥，然后在通N

性能测试：

将本实施例的空气净化模块安装在空调入风口，空气净化模块的吸附层朝外，该空气净化模块不含贯穿的通孔，风阻小于45％，参照《GB/T 18801-2015空气净化器》标准测试该空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力，测试结果如下表所示：

表3空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力测试结果

在空气净化模块吸附甲醛与苯系物饱和后，通24V的电3分钟，空气净化模块的温度可快速升至220℃～270℃，吸附的VOC迅速脱附至气凝胶内，并原位热催化分解成二氧化碳和水，10分钟后检测的二氧化碳浓度与空气中的二氧化碳浓度相当，表明催化过程结束，空气净化模块的吸附能力得到再生。在加热过程中，检测的TVOC浓度低于《GB/T18883-2002室内空气质量标准》的限值，说明高温热处理并未造成大量的VOC从气凝胶腔体内逃离而使浓度超标。

实施例4

本实施例的空气净化模块的制备方法如下：

准备500mL浓度为15mg/mL的石墨烯纳米微片(又称石墨纳米片)-乙醇混合液，超声1小时，磁力搅拌2小时，在里面加入15.1mL的乙二胺(EDA)和150mg的氧化锰纳米棒，加热至80℃搅拌反应24小时，把得到的混合液倒入预设有通孔形成部件、大小规格为700mm×150mm×20mm的长方形模具(通孔形成部件可以使空气净化模块的催化层形成与蜂窝活性炭块的方孔一一对应的贯穿的方孔，方孔大小5mm×5mm)，放入大小规格500mm×140mm×10mm的蜂窝活性炭块(方孔，方孔大小10mm×10mm，方孔壁厚5mm)，使蜂窝活性炭块浸润并悬浮在液面上，冷冻成型，真空干燥，然后在通N

性能测试：

将本实施例的空气净化模块安装在空调入风口，空气净化模块的吸附层朝外，该空气净化模块含有贯穿催化层和吸附层的通孔，风阻小于12％，参照《GB/T 18801-2015空气净化器》标准测试该空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力，测试结果如下表所示：

表4空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力测试结果

在空气净化模块吸附甲醛与苯系物饱和后，通24V的电5分钟，空气净化模块的温度可快速升至200℃～260℃，吸附的VOC迅速脱附至气凝胶内，并原位热催化分解成二氧化碳和水，10分钟后检测的二氧化碳浓度与空气中的二氧化碳浓度相当，表明催化过程结束，空气净化模块的吸附能力得到再生。在加热过程中，检测的TVOC浓度低于《GB/T18883-2002室内空气质量标准》的限值，说明高温热处理并未造成大量的VOC从气凝胶腔体内逃离而使浓度超标。

相对于氧化石墨烯而言，石墨纳米微片因制备工艺简单、易量产，成本更低。

对比例1

本对比例的空气净化模块的制备方法如下：

准备500mL浓度为7mg/mL的氧化石墨烯溶液，在里面加入11.7mL的乙二胺(EDA)和120mg的氧化锰纳米棒，加热至80℃搅拌反应24小时，把得到的混合液倒入大小规格为700mm×150mm×20mm的长方形模具，冷冻成型，真空干燥，然后在通N

性能测试：

将本对比例的空气净化模块安装在空调入风口，参照《GB/T 18801-2015空气净化器》标准测试该空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力，测试结果如下表所示：

表5空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力测试结果

由表5可知：本对比例的空气净化模块不含吸附层，对VOC的吸附能力低，对甲醛、甲苯和二甲苯的CADR值均不足50m

对比例2

本对比例的空气净化模块为大小规格700mm×150mm×20mm、表面负载了5wt％的氧化锰纳米棒的蜂窝活性炭块(方孔，方孔大小10mm×10mm，方孔壁厚5mm)。

性能测试：

将本对比例的空气净化模块安装在空调入风口，参照《GB/T 18801-2015空气净化器》标准测试该空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力，测试结果如下表所示：

表6空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力测试结果

在空气净化模块吸附甲醛与苯系物饱和后，通24V的电20分钟，空气净化模块的温度仅仅升至60℃～160℃，吸附的VOC缓慢脱附至气凝胶内，加热过程TVOC浓度超过0.6mg/m

对比例3

本对比例的空气净化模块为大小规格700mm×150mm×20mm、表面喷涂有石墨烯分散液(含交联剂)的蜂窝活性炭块(方孔，方孔大小10mm×10mm，方孔壁厚5mm)。

性能测试：

将本对比例的空气净化模块安装在空调入风口，参照《GB/T 18801-2015空气净化器》标准测试该空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力，测试结果如下表所示：

表7空气净化模块对甲醛、甲苯和二甲苯的吸附能力测试结果

在空气净化模块吸附甲醛与苯系物饱和后，通24V的电10分钟，空气净化模块的温度可升至220℃左右，温差在30℃左右，说明蜂窝活性炭块负载石墨烯会使其导电导热性能大幅提高，但也会导致其对VOC的吸附能力大幅降低，对甲醛、甲苯和二甲苯的CADR值不足50m

本发明提供的这种空气净化模块可以应用在空气处理装置中，如空调器、空气净化器或空气加湿器。这种空气净化模块设置在这些空气处理装置的入风口处(空气净化模块的吸附层朝外)。这些具有本发明空气净化模块的空气处理装置，适用于有空气流向的过滤，通过对空气净化模块间歇式进行通电加热便可以高效地净化空气中的VOC，应用前景十分广阔。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。