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双重过滤方法满足甲醛挑战

2019-09-02

2007年,卡特里娜飓风袭击了墨西哥湾沿岸,造成了灾难性的破坏。美国政府认识到这个问题并将许多流离失所的居住者安置在FEMA拖车中,这些拖车是用大量甲醛制造的。
随后,Innovative Labs参与了美国政府和FEMA资助的研究,以开发甲醛去除过滤工艺。美国国家航空航天局,CDC(疾病控制中心)和劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)对空气过滤系统进行了测试,以便从拖车中去除甲醛。在16家竞争公司中,Innovative Labs开发了唯一的光催化空气净化系统,可有效有效地去除甲醛,并具有经过验证的过滤器使用寿命(参见图1 - Aria Acqua现为Innovative Labs)。自成立以来,Innovative Labs现已开发出两种催化技术:使用氧化锰(MnO x)作为过滤介质的热催化空气过滤,以及使用二氧化钛(TiO 2)的光催化空气过滤)作为过滤介质。
创新实验室的首席执行官John Webley补充说,关注暴露于大量甲醛的人的健康和福祉促使公司参与寻找解决方案。
 
关注室内空气质量
病态建筑综合症影响了近50%的美国劳动力或6400万美国人。通常与建筑材料,家具和办公机器发出的挥发性有机化合物(VOC)有关,对眼睛,鼻子和喉咙的刺激,消化和中枢神经系统的损害,健康影响可能非常惊人。据世界卫生组织(WHO)称,病态建筑综合症导致:
•工作场所的生产力下降14%。
•全国生产力下降3%。 
•估计货币损失高达600亿美元。
•呼吸保健费用损失100-2-23亿美元。
•由于过敏和哮喘病例而损失了36亿美元。
应该解决诉讼问题,因为甲醛(一种常见的VOC)在2011年6月被国家毒理学部门宣布为致癌化学品。已经针对巴西爆胎头发拉直处理和殡仪馆中的防腐化学品提起了大量诉讼。参与。
 
OSHA关于甲醛的法规
甲醛是一种无色,有强烈气味的VOC,通常用作防腐剂。它可以在刨花板,家用产品,胶水,纤维板和胶合板中找到。OSHA甲醛标准(29 CFR 1910.1048)致力于在工作场所创造安全的甲醛水平,以保护员工。允许的暴露极限(PEL)为0.75份/百万份甲醛,时间加权平均值为8小时。短期暴露极限(STEL)在15分钟的时间段内为2 ppm。任何高于0.1ppm的甲醛水平都会引起呼吸道刺激。显然,PEL限值与0.1 ppm刺激阈值之间存在差异。这暗示了在室内空气质量方面制定公共政策的问题性质,其中多种化学敏感性可能发生在低水平。
 
光催化氧化
光催化氧化(PCO)工艺将氧气,水和VOC结合在催化剂表面,在紫外光下产生CO 2和H 2 O(见图2)。照片是指紫外线灯,而氧化是火灾中常见的燃烧过程。燃烧木材主要产生CO 2和H 2 O,与PCO技术相同的副产物。催化是指过程快速,以及过滤器的不变,自清洁性质。从理论上讲,少量催化剂可以与1克挥发性有机化合物以及1000克挥发性有机化合物同样良好地反应,并且仍然保持不变。诸如此类的催化剂已在汽车中使用了数十年,称为催化转换器 - 将烟雾和排放物转化为CO 2和H 2 O.两种原理都是相同的。
Innovative Labs的PCO工艺使用纳米二氧化钛(TiO 2)作为催化剂。二氧化钛广泛用于防晒剂中,因为它具有紫外线吸收能力,价格便宜且无毒。它是许多涂料中的白色颜料,以及牙膏,口香糖和许多其他食品。有趣的是,当纳米尺寸的二氧化钛颗粒表现出许多在结合时未发现的新特性,如在涂料中。当暴露于UV光时,TiO 2表现为宽带隙半导体。TiO 2吸收高能光子,将其电子提升到更高的能级。这些电子和随后的电子空穴与表面结合的分子(VOC,氧气,H 2 O)发生反应,产生自由基,并使它们相互反应,最终产生CO 2和H 2 O. 
虽然PCO已经存在几十年来,它的使用并不普遍,因为许多PCO过滤器的使用寿命和性能都很差,在停用前仅持续几个月。Innovative Labs研究了多种二氧化钛和各种配方,以获得持久耐用的高性能过滤器。
熟悉该技术的人们担心中间副产品。氧化过程确实消除了大量的VOC。然而,一小部分仍未完全氧化,并作为不同的化合物重新进入气流。具有讽刺意味的是,一些研究显示,在重负荷VOC下,甲醛和乙醛的净产量增加,因为这些分子是较大VOC的分解产物,尽管总体上VOC总量有所减少。
Innovative Labs通过在TiO 2背后使用单独的过滤器找到了解决这个问题的方法,该过滤器专门用于甲醛和乙醛。这种基于锰氧化物(MnO x)的过滤器不需要紫外线,也是催化剂,但氧化电位低于二氧化钛2,将其挥发性有机化合物的范围限制在容易氧化的那些(即甲醛和乙醛)。该方法控制来自TiO 2的有害副产物。
 
热催化氧化
热催化氧化是一种纳米催化剂技术,其利用氧化锰(MnO x),这是一种自然界中常见的矿物质,并且通常在肥料中用作微量营养素。它被称为热催化剂,因为它具有从环境温度再生的催化能力,并随着温度的升高而增加活性。该过程也是氧化性的,导致形成CO 2和H 2 O(参见图3)。甲醛是MnO x过滤器的主要目标,尽管它对其他VOC有效,但速度较慢。与TiO 2不同,MnO x的巨大优势在于它不需要任何外来设备(UV灯); 在空气流中开始净化一次。这允许它安装在任何传统的空气管道系统中。
MnO x通过将氧和VOC结合在催化剂表面上而起作用。完整的机制仍然是一个谜,但许多假设,MnO的X捐赠了自己的氧气,挥发性有机物,从而“氧化”他们,然后替换其失去氧为O 2从空气流,从而再生本身。
 
光催化和热催化过滤的好处
二氧化钛(TiO 2)是去除苛刻挥发性有机化合物(如甲醛,乙基己醇,己醛,乙醛等)的有效方法(见图4)。该过程具有UV 254杀菌灯的额外好处,可消除细菌和病毒。它在室温下运行,具有自洁性和无毒性。氧化锰(MnO x)是去除甲醛和少量其他VOC的有效方法。MnO x在室温下具有活性并且已经证明具有长寿命(参见图4)。MnO x不需要额外的能量,因为催化过程不需要紫外线。由于能源使用的减少,这是一种有效的空气净化解决方案,可提供快速的投资回报率(投资回报率)。2005年9月,劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)开展了一项关于节约能源和改善室内空气质量(IAQ)的研究。从理论上讲,可以将室外空气供应率降低50%或更多,同时保持室内空气质量和节约能源[Hodgson,2005]。降低通风率可以节省能量,因为过滤器的压降很小,而没有额外的能量来运行过滤器。这反过来可以为绿色建筑施工产生LEED等级。
给定测试数据(参见图5),运行160天后,我们发现在时间比率下暴露于甲醛和VOC的相对活性为50-70%。建议的锰氧化物和二氧化钛的寿命/过滤寿命为一年或更长。关于用氧化锰和二氧化钛快速破坏甲醛(见图6),在500 ppb时,我们看到甲醛浓度在440秒(128英尺3室,环境温度,100 CFM风扇)下降至150 ppb 。
 
未来的发展
Innovative Labs首席执行官John Webley认为,开发用于去除VOC的先进技术是过滤的最前沿。他最近解释说,作为一家研发公司,Innovative Labs已经测试了许多过滤器,以了解它们对VOC的有效性,由于大多数过滤器的设计效果不佳,往往效果不佳。化学过滤器和碳过滤器使用吸附过程,这是捕获较大分子的好方法,但较小的分子是对个体健康构成最大威胁的分子。甲醛被归类为致癌化学品,需要新技术来解决VOC问题。
 
创新实验室是一家绿色科技初创公司,专注于气相过滤工艺的研究和开发:热催化过滤(TCO)和光催化过滤(PCO),以去除住宅和商业应用中的挥发性有机化合物。创新实验室的使命是解决室内空气质量问题,同时建立一个以慈善世界健康为重点的企业。

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