应用碳纳米管的过滤器 【技术领域】
本发明涉及一种用于空调器的过滤器，尤其涉及一种具有碳纳米管的过滤器，其中每个碳纳米管涂敷有至少一种纳米金属颗粒。
背景技术
正如本领域技术人员所公知的那样，通常人至少有80％的时间是在室内。但是，由于室内的空气受到烟草的烟尘、难闻的臭味、细菌或者其它有害物质的污染，因而对人体产生不利的影响。所以要求净化室内空气的呼声越来越高，并且关于净化的研究也日益深入。
通常，将空调器或空气净化器设置在室内，以净化室内空气。在空调器内主要安装了用于吸取和收集室内灰尘的集尘过滤器。
图1为具有集尘过滤器和除臭过滤器的习用空调器。如图1所示，过滤器的作用在于吸收和滤除灰尘和NH3、HCL、HF、有机气体、NOx或SOx等化学污染物。
习用的除臭过滤器包括活性碳、碳纤维或离子交换树脂，并且并且根据所需目的按化学配方制备。
但是，除臭过滤器的吸附性能与过滤器的表面积成比例，其中市售的活性碳、碳纤维或离子交换树脂的最大表面积仅为103m2/g。
为了使最大表面积为103m2/g的活性碳在浓度为10PPb和风速为0.3m/s的条件下能够去除NH3气体，含有活性碳的过滤器的厚度应该为100mm。另外，在与活性碳相同地条件下，要求碳纤维或离子交换树脂的过滤器厚度为150mm。因此，所述空调器的缺点在于其占用的室内空间非常大。
另外，活性碳的作用在于利用它的物理吸收性能去除空气中的臭味。但是，在吸收达到预定量或大于预定量以后，活性碳过滤器不再能继续吸收，导致循环空气中的臭味未被除掉。
在习用空调器中，由于集尘过滤器和除臭过滤器分开安装，因而需花费双倍的安装费用。另外，还难以对过滤器进行维护和使用。
在诸如由工业设备产生的各种有机物质或新建筑物装修期间空气环境恶劣的情况下，采用简单的过滤器不能去除难闻的臭味，因而将带来严重的问题。当人门闻到难闻的气味或VOC(挥发性有机化合物：芳香化合物、乙醇、烃、有机酸、酮、醛等)时，将会出现头疼和中枢神经系统紊乱等症状。
还有，当气味散发到大气中时，气味的成分和空气中的氮氧化物通过光致氧化作用反应产生臭氧(O3)，从而导致空气被污染。
因此，通过焚烧(加热和催化)、回收有机溶剂的吸附、吸收、凝聚等处理除去VOC。另外还使用诸如薄膜分离、紫外线氧化或电晕放电技术等新型处理技术。但是，考虑到成本、体积和管理等问题，上述处理技术很难应用于家用空调器。
因此，在住宅中利用排风机和排风罩以及活性碳吸附技术和吸收方案等可部分地去除VOC。目前广泛使用具有吸附功能的过滤器。
虽然使用吸附过滤器可以有效地去除低浓度的VOC，但是却无法去除高浓度的VOC。所以这种过滤器的缺点在于其使用寿命短，必须频繁更换并且使用成本也非常高。
【发明内容】
因此，本发明一方面提出一种适用于空调器的包括碳纳米管的过滤器，其中每个碳纳米管涂敷有至少一种纳米金属颗粒。
本发明另一方面提出了一种适用于空调器的过滤器，包括聚合物和分布在聚合物内的碳纳米管，其中每个碳纳米管涂敷有至少一种纳米金属颗粒。
本发明的其它方面和优点部分将由下述说明中得出，或部分根据说明是显而易见的，或部分可在实施本发明的过程中了解到。
本发明上述方面和其它方面的实现方案是：一种用于空调器的包括碳纳米管的过滤器，其中碳纳米管涂敷有至少一种纳米金属颗粒。
金属颗粒优选具有杀菌消毒、去除空气中的臭味、去除空气中的挥发性有机化合物等作用，或者同时具有所述作用的组合。
所述金属颗粒选自由银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、铁(Fe)、锌(Zn)、镉(Cd)、钯(Pd)、铑(Rh)和铬(Cr)组成的金属组，用于对流入的空气进行杀菌消毒；金属颗粒选自由铜(Cu)、铂(Pt)和镍(Ni)组成的金属组，用于去除空气中的挥发性有机化合物；金属颗粒选自由氧化钛(TiO2)、钒(V)、锌(Zn)和金(Au)组成的物质组，用于去除空气中的臭味，或者同时选用上述金属颗粒的组合，从而使金属颗粒不仅可以集尘还可以杀菌消毒。
本发明的上述方面和其它方面的实现方案如下：一种用于空调器的过滤器，所述过滤器包括聚合物和分布在聚合物内的碳纳米管，其中碳纳米管涂敷有至少一种纳米金属颗粒。
金属颗粒优选具有杀菌消毒、去除空气中的臭味、去除空气中的挥发性有机化合物的作用，或者同时具有所述作用的组合。
所述金属颗粒选自由银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、铁(Fe)、锌(Zn)、镉(Cd)、钯(Pd)、铑(Rh)和铬(Cr)组成的金属组，用于对流入的空气进行杀菌消毒；金属颗粒选自由铜(Cu)、铂(Pt)和镍(Ni)组成的金属组，用于去除空气中的挥发性有机化合物；金属颗粒选自由氧化钛(TiO2)、钒(V)、锌(Zn)和金(Au)组成的物质组，用于去除空气中的臭味；或者具有上述金属颗粒的组合，从而使金属颗粒不仅可以集尘还可以杀菌消毒。
【附图说明】
下面将结合附图并对照优选实施例对本发明上述和其它的方面和优点加以详细说明。图中示出：
图1示出具有集尘过滤器和除臭过滤器的习用空调器的结构；
图2a示出碳纳米管的结构；
图2b示出碳纳米管的类型；
图3a-3d为说明习用的活性碳过滤器和本发明的碳纳米管过滤器的吸附性能的色谱图；
图4a为通过电弧放电将金属颗粒涂敷在碳纳米管内的处理过程；
图4b示出通过激光闪蒸将金属颗粒涂敷在碳纳米管内的处理过程，和
图5为说明金属颗粒涂敷在碳纳米管上的状态示意图。
【具体实施方式】
下面将参照本发明给出的具体实施例，在附图中示出这些实施例的举例，其中用相同的附图标记表示相同的部件。
被称作新型材料的碳纳米管(CNT)为具有在地球上大量存在的碳的同素异形体，其中一个碳原子与其它碳原子结合成六角形的蜂窝状的管形。所述碳纳米管的直径为毫微米量度的超小直径。
图2a示出碳纳米管的结构。如图2a所示，碳纳米管实际上是环绕成毫微米量度直径的石墨片，具有sp2结合结构。
图2b示出碳纳米管的类型。例如，如图2b所示，根据构成纳米管壁的结合数量将碳纳米管分成两种类型：单壁纳米管和多壁纳米管。另外，多个单壁纳米管被结合形成纳米管束。
碳纳米管的直径范围为几个纳米到几十个纳米，其长度约为0.1-10μm。所述碳纳米管包括中空的芯在内的表面积为104m2/g。由于增大了碳纳米管的特定表面积，所以提高了具有碳纳米管的过滤器的吸附效率，因而便于制备使用寿命长且结构紧凑的过滤器。
为对根据已有技术和根据本发明的除臭过滤器的吸附性能进行比较，分别采用了活性碳和碳纳米管。
使用HP5890系列II气相色谱仪，将每种过滤器样品放置在柱内(DB-1：直径为0.53m，长度为3m)，将氮气作为流动相以2ml/min的速度注入。在空白组中使用3μl的苯、乙酸乙酯和甲苯，同时对于活性碳过滤器组和碳纳米管过滤器组，使用20μl的苯、乙酸乙酯和甲苯。
经过预定时间之后，使用火焰电离检测器(FID)测量密闭的室内的苯、乙酸乙酯和甲苯的含量。就此点而言，柱的入口温度为200℃，柱的内部温度为30℃(5min)-100℃(10℃/min)，柱的出口温度为250℃。
图3a-3d示出活性碳过滤器和碳纳米管过滤器的性能的测试结果。如图3a-3d所示，4个小时之后，在任一个过滤器内基本上不会检测到苯、乙酸乙酯和甲苯。
但是，从下面的表1中可以看出，在该时间段内，活性碳过滤器和碳纳米管过滤器内的苯、乙酸乙酯和甲苯的浓度差别很大。
表1
(浓度单位：ppm) 不具有任何材料的过滤器0分钟 5分钟 30分钟 60分钟 120分钟 240分钟乙酸乙酯5347.02 5347.02 4164.28 3620.42 3462.19 3308.12苯5791.42 5791.42 4561.94 3978.54 3806.73 3649.44甲苯4557 4557 3593 3099 3953 2756 碳纳米管过滤器0分钟 5分钟 30分钟 60分钟 120分钟 240分钟乙酸乙酯40050.04 1103.29 0 0 0 0苯43324.25 1592.48 56.18 5.59 5.28 0甲苯37109.32 744.12 19.49 0 0 0 活性碳过滤器0分钟 5分钟 30分钟 60分钟 120分钟 240分钟乙酸乙酯40050.04 6142.37 19.44 0 0 0苯43324.25 5100.22 15.87 2.92 0 0甲苯37109.32 3911.71 25.81 3.69 0 0
另外，当碳纳米管的密度过大时，将增加其制造成本。同时，当碳纳米管的密度过小时，将降低其除臭功能。因此，碳纳米管要以适当的数量分布在诸如聚丙烯等聚合物内，以便制备过滤器。
为了从流经过滤器的空气中除去VOC，将选自铜(Cu)、铂(Pt)和镍(Ni)的纳米金属颗粒涂敷在每个碳纳米管的孔内，以便提高过滤器的去除有害物质的功能。另外，为了对流经过滤器的空气进行杀菌消毒，将选自银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)、铁(Fe)、锌(Zn)、镉(Cd)、钯(Pd)、铑(Rh)和铬(Cr)的纳米的金属颗粒涂敷在每个碳纳米管的孔内。另外，采用氧化钛(TiO2)、钒(V)、锌(Zn)或金(Au)的纳米颗粒提高过滤器的除臭功能。
同时，利用电弧放电或激光气相淀积将纳米金属颗粒涂敷在碳纳米管内。
图4a示出电弧放电过程。如图4a所示，当用作电极的两个石墨棒之间发生放电时，与阴极石墨棒分离的碳簇聚集到处于低温状态的阳极石墨棒上。聚集到阳极上的石墨包括碳纳米管和碳纳米颗粒。为制造本发明的有效的碳过滤器，纯的阴极石墨棒被穿成孔，将诸如Ag、Cu、Co、Ni、Fe和Y等金属粉末填充到孔内，然后进行合成，得到单壁碳纳米管。
图4b为激光汽相淀积过程。如图4b所示，在反应熔炉的温度保持约1200℃之后，炉内的石墨靶被激光辐射并汽化。汽化后的石墨被吸附在冷却收集器上。采用此方式获得的凝聚的材料包括多壁碳纳米管和碳纳米颗粒。同样，将氦或氩用作传送气体，并使熔炉保持在约500托以下。当制造本发明的有效的碳过滤器时，使用与Ag、Cu、Co、Ni和Fe混合的石墨替代纯净的石墨作为靶子，从而制备标准的单壁的碳纳米管。
图5示出采用上述工艺将金属颗粒淀积到碳纳米管内的过程。
如上所述，尽管使用碳纳米管的过滤器被作得非常薄，但是这些过滤器的表面面积仍然非常大，并具有极好的除臭功能。从而形成了一种结构紧凑的过滤器。
另外，由于碳纳米管在300℃或更高温度下能解吸所吸附的物质，因而经过对碳纳米管的简单的热处理和化学处理可以重复使用该过滤器。所以，不必频繁更换新的过滤器，从而增加了经济效益。
因为通过使用碳纳米管形成的具有密集层的过滤器可以吸附诸如灰尘等固体颗粒，并用作集尘过滤器，所以碳纳米管过滤器可以单独安装在空调器内，而不使用附加的集尘过滤器，从而易于使用和维护。
根据使用空调器的环境，将可以除去VOC的镍、具有杀菌消毒功能的银、具有除臭功能的氧化钛或者它们的混合物淀积在碳纳米管的孔内，从而不必使用附加的处理装置和过滤器即可有效地实现对空气的净化。
换句话说，虽然具有本发明的碳纳米管的过滤器厚度非常薄，但仍然可以有效地实现对室内空气的净化，并且经过简单的处理后可以反复加以利用，因此增加了经济效益。另外，由于空调器内没有附加安装集尘过滤器，所以空调器的过滤器易于维护和使用。而且至少有一种纳米金属颗粒被淀积在碳纳米管内，所以即便不使用附加的装置，这种碳纳米管的过滤器也可以有效地去除诸如VOC等有害物质。因此这种空调器的结构非常紧凑。
虽然上面仅对本发明的几个优选实施例做了说明，但是对本领域的普通技术人员显然仍可以对这些实施例加以变动，而不会偏离本发明的原则口精神。