[发明专利]用于高效率PM2.5捕获的空气过滤器

说明书

本文描述的是空气过滤器，其包括基底和沉积在基底上的聚合物纳米纤维的网络，其中当光透射比在50％以下时，空气过滤器具有至少70％的PM_2.5移除效率。本文还描述的是电空气过滤器，其包括适于接收第一电压的第一层，其中第一层包括涂覆有导电材料的有机纤维。进一步描述的是用于高温过滤的空气过滤器，其包括基底和沉积在基底上的聚合物纳米纤维的网络，其中空气过滤器在至少70℃的温度下具有至少70％的PM_2.5移除效率。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年12月12日提交的美国临时专利申请号62/091,041的权益，其内容通过引用以其全部并入本文。

背景技术

空气中微粒物质(PM)污染物极大地影响人们的生活质量，并且它造成对公众严重的健康威胁以及影响能见度、直接和间接的辐射强迫、气候和生态系统。PM是极端小的颗粒和液滴的复杂混合物。基于颗粒尺寸，PM被分类为PM_2.5和PM₁₀，其分别指在2.5μm和10μm以下的颗粒尺寸。因为PM_2.5由于其小的尺寸可以渗透人支气管和肺，所以PM_2.5污染是特别有害的。因此，长期暴露至PM_2.5增加了发病率和死亡率。最近，在拥有大制造工业的发展中国家诸如中国存在着严重的PM污染问题。图1A和1B分别显示了在清澈和雾霾日子期间北京某位置的图像。在雾霾日子期间，由于极高水平的PM_2.5，能见度降低很多并且空气质量是不健康的。

公众在雾霾日子期间采取的措施主要聚焦在室外个体保护，诸如使用面罩过滤器，其常常是笨重的并阻碍气流。在室内空间，保护可在现代商业建筑中通过通风系统或中央空调中的过滤获得；住宅很少具有对PM的过滤保护。而且，由于大量使用泵送系统，所有这些通过机械通风的主动空气交换消耗巨大能源。如果待在室内而没有充分的空气交换，室内空气质量也备受关注。假如通过窗口的风的被动空气交换(即，自然通风)可被用来室内空气过滤，那么这将是理想的。由于窗口的大面积，空气交换是非常有效的。在窗口处的保护需要空气过滤器不仅拥有高的PM捕获能力，还需要拥有同时对来自太阳的自然光照和观景的高的光透明性。

空气中的PM_2.5污染颗粒具有复杂的组成，包括来自不同来源的无机物质(诸如SiO₂、SO₄^2-和NO₃^-)和有机物质(诸如有机碳和元素碳)，这些来源包括土壤灰尘、机动车排放、煤燃烧、二次气溶胶、工业排放和生物质燃烧。由于PM颗粒的化学组成、形貌和机械性质，其性状是不同的。一些坚硬的无机PM颗粒主要通过拦截和嵌塞在过滤器表面而被捕获。一些包含大量碳化合物或水——诸如来自燃烧废气的那些——的软PM将在过滤器表面上变形并且在附着至过滤器的过程期间需要更强的结合。然而，在现有空气过滤器技术中，还没有进行太多的工作来研究过滤器材料性质。经常使用的有两种类型的空气过滤器。一种是多孔薄膜过滤器，其类似于水过滤过滤器(参见图1C)。该类型的空气过滤器是通过在固体基底上制造孔制作的，其通常具有过滤掉较大尺寸的PM的非常小的孔尺寸，并且该类型的过滤器的孔隙率是低的(<30％)。因此，虽然压降大，但是过滤效率高。另一类型的空气过滤器是纤维状空气过滤器，其通过厚物理屏障和粘合的组合来捕获PM颗粒(参见图1D)。该类型的过滤器通常具有大于70％的孔隙率并且由许多层的从几微米至数十微米不同直径的厚纤维制作。为了获得高效率，该类型的过滤器通常被制作得非常厚。第二类型的过滤器的缺陷是笨重、不透明以及气流和过滤效率之间的妥协。