TW201311336A - 吸附元件、吸附裝置及其再生方法 - Google Patents
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Abstract
一種吸附元件，包括：一電熱基材，其定義有一流體通道；以及一吸附材料層，形成於該電熱基材之上並接觸該流體通道，藉以吸附流經該流體通道內之一氣體內之水汽或有機揮發物。
Description
本發明係關於一種吸附元件、吸附裝置及其再生方法，且特別地關於可採用通電加熱方式再生其內吸附材料之一種吸附元件、吸附裝置及其再生方法。
常見的吸附材料有活性碳、矽膠(silica gel)、沸石(zeolite)等，其可吸附空氣中的有機揮發物(volatile organic compounds,VOCs)或水汽。此些材質本身具有巨孔(＞50μm)或微孔(＜2μm)之結構特性，因而可形成高比表面積之吸附載體，並可利用凡得瓦爾力而使得如有機揮發物或水汽的分子可吸附於此些吸附材料的表面。吸附材料的使用時常常是以多塔式構造或是轉輪構造等形態之吸附裝置來實現連續式的操作。
當吸附裝置中之吸附材料達到吸附飽和值時，則通常利用對流熱能方式以破壞吸附材料與吸附物質間的凡得瓦爾力結合情形，進而使得吸附的有機揮發物或水汽的分子可自吸附材料的表面處脫附而因此再生了吸附材料。吸附材料可重複地進行上述吸附與再生脫附等程序，以達到空間中之異味去除及除濕等功能。
然而，上述再生脫附方法必須先加熱空氣，再透過空氣與吸附材料間的熱傳來脫附，由於透過一空氣加熱器以加熱空氣，再將熱空氣送至脫附吸附材料等程序之間容易有熱損失，再加上空氣加熱器本身的加熱效率問題，因此產生上述脫附情形之所需能源損耗極大。此外，於要求輕薄短小的吸附裝置中，則往往缺乏空間來安裝足夠面積的加熱器，而因為熱交換面積不足，加熱空氣時之空氣加熱器本身的表面溫度極高，因此造成額外的「輻射熱」損失。
第1圖顯示了公開編號第201026374號之中華民國專利申請案中所分析之使用除濕轉輪的傳統家用滴水式除濕機能源消耗分析，由於加熱器的表面溫度極高，因此大部分的加熱器消耗的電能，是以輻射的方式散出。而第1圖中的家用式除濕機的耗能分析中，滴水量約為6.6公升/天(20 ℃，60%RH)，加熱器耗電量約600瓦特，其中有479瓦特為輻射熱，僅有121瓦特使用於加熱空氣。
第2圖顯示了中華民國公開編號第201026374號專利申請案中所揭示之低耗能脫附法，其係於一除濕材料30的兩側耦接如網狀金屬電極310之一電極結構31與32，並與電刷330相接觸後通以一電壓源33，進而使得再生區內之水分子產生電子躍遷而獲得水分子脫離吸附劑之能量。然而，上述方法之再生能力的優劣取決於如有機揮發物或水汽等被吸附物與吸附材料之間的導電性。由於吸附物質多為不規則多孔性結構，於其與水分子鍵結後再通以電能時，所產生之能量恐因不均勻之導通與發熱情形而造成了再生不均問題，因而會降低吸附裝置之再生脫附效果。另外，電極結構31與32內之網狀金屬電極310恐會阻擋用於再生之通道，因而減低了可用於再生脫附程序之有效面積。
有鑑於此，便需要一種新穎之吸附元件、吸附裝置及其再生方法，以解決上述習知問題。
依據一實施例，本發明提供了一種吸附元件，包括：一電熱基材，其定義有一流體通道；以及一吸附材料層，形成於該電熱基材之上並接觸該流體通道，藉以吸附流經該流體通道內之一氣體內之水汽或有機揮發物。
依據另一實施例，本發明提供了一種吸附裝置，包括：一絕緣外框，其內具有一空間；複數個上述之吸附元件，相結合且規則地設置於該絕緣外框之該空間中；以及數個接觸電極板，設置於該絕緣外框之外表面上，其中該些接觸電極板電性耦接該些吸附元件。
依據又一實施例，本發明提供了一種吸附元件之再生方法，包括：提供如上述之該吸附元件，其中該吸附材料層之表面上具有至少一被吸附物；提供一電源，並耦接該電源與該吸附元件之該電熱基材；由該電源提供一電流至該電熱基材，使該電熱基材產生熱能並以「熱傳導」之方式，將熱能直接傳導至該吸附材料層，以加熱該吸附材料層並脫附該至少一被吸附物至該流體通道中。
為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附的圖式，作詳細說明如下：
請參照第3圖，顯示了依據本發明之一實施例之吸附元件100，其包括一電熱基材102、一導熱黏結層104與一吸附材料層106，其中導熱黏結層104為一選擇性膜層，其可視吸附材料層106所使用之材料而選擇性的形成，不論電熱基材102是與吸附材料層106接觸進行熱傳導，或是其間透過一導熱黏結層104進行熱傳導，皆屬於以熱傳導之方式將電熱基材102所產生的熱能以熱傳導的方式直接對吸附材料層106進行加熱脫附。於一實施例中，電熱基材102之材料例如為超導薄膜發熱片或正溫度係數(PTC,Positive Temperature Coefficient)熱敏電阻，或如鎢絲、熱電材料(thermal electric material)等其他可電致生熱之材料，而於電熱材料102與吸附材料層106之間更可選擇性設置有一導熱黏結層104，其包括導熱、耐熱且絕緣之材料，例如為氧化矽與氧化鋁之無機膠或為如聚乙烯醇縮丁醛(poly(vinyl butyral)，PVB)之有機膠。於一實施例中，吸附材料層106之材料例如為矽膠、活性氧化鋁、沸石或活性碳等多孔性吸附材料，此時吸附材料層106係直接充填於電熱基材102中而於其間不存在有導熱黏結層104，或亦可藉由導熱黏結層104而黏著固定於電熱基材102的內部側壁之上，並於電熱基材102內定義出一流體通道110。
如第3圖所示，吸附元件100於吸附操作時，係通入包括有機揮發物或水汽之一氣流112至流體通道110之內，進而藉由吸附材料層106以吸附氣流112內之水汽或有機揮發物，而被吸附附著於吸附材料層106上之水汽或有機揮發物則繪示為被吸附物114。此時，而自流體通道110所流出之經處理之氣流116則包括較低之濕度或較低之有機揮發物濃度，如此便可達成淨化空間內空氣之目的。
請參照第4圖，當吸附元件100於施行吸附操作一段時間後，使得其內吸附材料層106可能達到飽和吸附時則需進行脫附操作以再生之。此時，將吸附元件100耦接於如為一交流電源或一直流電源之一電源108，而吸附元件100內之電熱基材102則可直接或間接地耦接於電源108，而此時電源108將通入一特定電壓以直接加熱電熱基材102並產生熱能118，所通入之電壓大小則視電熱基材102之體積而定。於電熱基材102內所產生之熱能118則可直接傳遞至吸附材料層106或藉由導熱黏結層104的熱傳導而抵達吸附材料層106處並加熱之。因此，吸附於吸附材料層106上之被吸附物114於接受熱能118後而達到可解離之狀態時便自吸附材料層106的表面脫附，進而達到再生了吸附元件100之吸附材料層106之目的。於上述再生操作時，可更導入如乾燥空氣之一氣流120至流體通道110內以結合並帶出被脫附之被吸附物114，因此自流體通道110流出之一氣流122則將包括較高之濕度或較高之有機揮發物濃度，如此便可達成再生吸附元件100之目的。
於第4圖所示之吸附元件100的再生程序中，由於電源108於電熱基材102內所產生之熱能118可直接且均勻地加熱吸附材料層104，因此可將熱能損失降至最低。熱能損失僅包括電熱基材102、導熱黏結層104與吸附材料層106本身之熱阻損失，因此可得到較前述第1-2圖所示相關裝置為佳之脫附效能。第5a-5d圖則顯示了包括數個如第3-4圖所示之吸附元件100之吸附裝置200之斷面實施情形，於吸附裝置200之不同區域內可整合有經規則排列之數個吸附元件100，而每一吸附元件100之電熱基材可包括如四邊形(第5a圖)、六邊形(第5b圖)、瓦楞形(第5c圖)或螺旋形(第5d圖)等不同幾何形狀。可以理解的是，吸附元件100之形狀並不以上述情形為限，亦可能為其他之形狀。
於一實施例中，吸附裝置200可為整合有多個吸附元件100之一輪狀物，如第6圖所示。吸附裝置200包括相結合且規則地設置之數個吸附元件100，於此些吸附元件100之外部包覆有一絕緣外框202(於本實施例為一絕緣輪體)，而於吸附裝置200內則設置有數個絕緣隔板204以將吸附裝置200定義出數個區域，此些區域內則分別設置了相結合且規則設置之數個吸附元件100。吸附裝置200更包括一輪體軸心206，藉以固定吸附裝置200。於絕緣外框202之數個部分的表面之上則設置有數個接觸電極板208，吸附裝置200內之吸附元件100則可透過接觸電極板208而電性耦接一外部電源(未圖示)，以利再生程序的施行。
請參照第7圖，顯示了沿如第6圖內線段7-7之一剖面情形。在此，接觸電極板208與吸附元件100內之間係藉由穿透絕緣外框202之一導電金屬板210而連結，如此來自外部電源的電流將可抵達吸附元件100處。
第8-9圖則顯示了相似於第6圖所示吸附裝置200之其他吸附裝置200’的實施情形，在此相同元件則採用相同編號表示。請參照第8圖，顯示了一吸附裝置200’，其主要構件相似於如第6圖所示之吸附裝置200，但僅於其一進氣側結合有一進氣蓋212以及於其一排氣側結合有一排氣蓋214。在此，進氣蓋212大體於吸附裝置200’內定義出一吸附區216與一脫附區218，可將欲吸附氣體220導入吸附裝置200’之吸附區216中以進行吸附程序，並可將脫附用氣體222通入吸附裝置200’之脫附區218中以協助被吸附物質脫附離開吸附裝置200’。而排氣蓋214中亦設置有相對進氣蓋212的吸附區216與脫附區218之對應吸附區與脫附區(未圖示)，進而將吸附後與脫附後之氣體導至適當地方。倘若欲脫附物質之脫附溫度較高時，例如高於180℃之水汽或高於100~160℃之有機揮發氣體，則吸附裝置200’可採用如第9圖所示之結構，於進氣蓋212之脫附區218旁增設一預冷區224，並可導入一預冷氣流226以加速吸附裝置200’之脫附區218的散熱冷卻，以利後續之吸附操作。
於另一實施例中，吸附裝置可為整合有多個吸附元件100之一立方體物，如第10圖所示之吸附裝置400。在此，吸附裝置400包括相結合且規則地設置之數個吸附元件100，而此些吸附元件100則組成一立方體結構，於此立方體結構之外側則包覆有一絕緣框架402，以保護內部結構體與絕緣用。於絕緣框架402之上設置有一對接觸電極板404、406，藉以電性耦接吸附元件100與一外部電源(未圖示)，以使電流可導通至吸附吸附元件100之電熱基材102處使其發熱而進行脫附程序。在此，吸附裝置400可應用於如第11-12圖所分別顯示之一單塔式吸附系統或一雙塔式吸附系統。
請參照第11圖，顯示了整合有第10圖之吸附裝置400之一種單塔式吸附裝置500。在此，單塔式吸附裝置500包括一進氣蓋502、吸附裝置400及一排氣蓋504。進氣蓋502結合於吸附裝置400之一進氣側以於吸附作用時導入被吸附氣體506至單塔式吸附裝置500之中以進行吸附處理，或於脫附作用時導入外部氣體508至單塔式吸附裝置500之中以協助排出包括經脫附物質之氣體。排氣蓋504係結合於吸附裝置400之一排氣側以將經吸附處理完成之氣體510或包括經脫附物質之氣體512導出單塔式吸附裝置500之外並送至適當場合。於本實施例中，單塔式吸附裝置500本身可進行吸附與脫附功能。
請參照第12圖，顯示了整合有第10圖之吸附裝置400之一種雙塔式吸附裝置600。在此，雙塔式吸附裝置600包括兩組吸附裝置400，其進氣側分別與所屬之進氣蓋602結合，每一進氣蓋602分別結合於每一吸附裝置400之一進氣側以於吸附作用時導入被吸附氣體606至雙塔式吸附裝置600之中以進行吸附處理，或於脫附作用時導入外部氣體608至雙塔式吸附裝置600之中以協助排出包括經脫附物質之氣體。每一排氣蓋604則結合於每一吸附裝置400之一排氣側，以將經吸附處理完成之氣體610或包括經脫附物質之氣體612導出雙塔式吸附裝置600之外並送至適當場合。於本實施例中，雙塔式吸附裝置600具有兩組之吸附裝置400，當其中一組吸附裝置400進行吸附程序時，另一組吸附裝置便可進行脫附程序，如此可增加吸附處理量並減少脫附程序時間。雙塔式吸附裝置600可藉由控制閥620、630以分別控制雙塔式吸附裝置600內進氣管路之啟閉。
實施例：請參照第13圖，顯示了依據本發明一實施例之一吸附元件之剖面情形，其為正三角形之電熱基材102，而電熱基材102之內部表面上形成有一吸附材料層106及定義出一通道110。在此，電熱基材102的厚度為0.05mm，而吸附材料層106的厚度為0.5mm。熱基材102的邊長為5mm，通道110的長度為20mm。當再生用氣流(未圖示)以2m/s，25℃之條件下進入吸附裝置內之通道110時，吸附裝置內之吸附材料層106於脫附程序時之熱能計算如下：直熱基材102材質為鋁合金，其比熱(Cp)為0.21cal/g℃；熱傳系數(K)為210~255w/m‧k；密度為2.7g/cm3。而吸附材料層106材質為分子篩，其比熱(Cp)為0.95cal/g℃；熱傳系數(K)為0.588w/m‧k；密度為2.03g/c.c.(溼)，1.57g/c.c.(乾)。
經計算，分子篩塗佈截面積，而通道分子篩塗佈體積=6.2×20=124mm2=1.24c.c.，而吸附劑重量(乾)=1.57g/c.c.×1.24=1.95g。以吸、脫附水份以10%基重計算，再生溫度為140℃。水份量=1.95×10%=0.195g。以3w功率加熱通道110約10秒計：3×10=30J，每克水脫附耗能==154J/g。每克水脫附耗能==308J/g。由以上之計算得知以直通熱方式進行脫附，如脫附水份為10%時其耗能為154J/g。如脫附水份為5%時其耗能為308J/g。
無論是相較於第1圖所分析之使用除濕轉輪的傳統家用滴水式除濕機之能源消耗分析，或相較於中華民國公開號第201026374號專利申請案之電極通電脫附方式的4200-4700J/g耗能情形，上述實施例中之吸附元件於再生脫附過程中之耗能極低，甚至是僅為中華民國公開號第201026374號專利申請案之3%~7%左右。因此，本案所揭示之吸附元件與其再生方法實質上具有更低耗能之優點。此外，由於本案之吸附元件與吸附裝置係將電熱基材整合於其內以用於脫附再生之用，故可免除加熱器的設置，因而可提供體積更為縮減之吸附元件與吸附裝置。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
30．．．除濕材料
31、32．．．電極結構
33．．．電壓源
310．．．網狀金屬電極
330．．．電刷
100．．．吸附元件
102．．．電熱基材
104．．．導熱黏結層
106．．．吸附材料層
108．．．電源
110．．．流體通道
112．．．氣流
114．．．被吸附物
116．．．氣流
118．．．熱能
120．．．氣流
122．．．氣流
200、200’．．．吸附裝置
202．．．絕緣外框
204．．．絕緣隔板
206．．．輪體軸心
208．．．接觸電極板
210．．．導電金屬板
212．．．進氣蓋
214．．．排氣蓋
216．．．吸附區
218．．．脫附區
220．．．欲吸附氣體
222．．．脫附用氣體
224．．．脫附用氣體
226．．．預冷氣流
400．．．吸附裝置
402．．．絕緣框架
404、406．．．接觸電極板
500．．．單塔式吸附裝置
502．．．進氣蓋
504．．．排氣蓋
506．．．被吸附氣體
508．．．外部氣體
510．．．經吸附處理完成之氣體
512．．．包括經脫附物質之氣體
600．．．雙塔式吸附裝置
602．．．進氣蓋
604．．．排氣蓋
606．．．被吸附氣體
608．．．外部氣體
610．．．經吸附處理完成之氣體
612．．．包括經脫附物質之氣體
620、630．．．控制閥
第1圖顯示了使用除濕轉輪的家用滴水式除濕機能源消耗分析示意圖；
第2圖顯示了習知之一種低耗能脫附法；
第3圖顯示了依據本發明之一實施例之吸附元件；
第4圖顯示了第3圖之吸附元件之再生程序；
第5a-5d顯示了依據本發明之多個實施例之吸附裝置之斷面情形；
第6圖顯示了依據本發明之一實施例之一種吸附裝置；
第7圖顯示了第6圖所示吸附裝置之一剖面情形；
第8-9圖顯示了依據本發明之多個實施例之一種吸附裝置；
第10圖顯示了依據本發明之一實施例之一種吸附裝置；
第11圖顯示了依據本發明之一實施例之一種單塔式吸附裝置；
第12圖顯示了依據本發明之一實施例之一種雙塔式吸附裝置；以及
第13圖顯示了依據本發明一實施例之一吸附元件之剖面情形。
100．．．吸附元件
102．．．電熱基材
104．．．導熱黏結層
106．．．吸附材料層
108．．．電源
110．．．流體通道
114．．．被吸附物
118．．．熱能
120．．．氣流
122．．．氣流
Claims (18)
- 一種吸附元件，包括：一電熱基材，其定義有一流體通道；以及一吸附材料層，設置於該電熱基材之上並接觸該流體通道，藉以吸附流經該流體通道內之一氣體內之水汽或有機揮發物。
- 如申請專利範圍第1項所述之吸附元件，其中該電熱基材包括超導薄膜發熱片或正溫度係數熱敏電阻。
- 如申請專利範圍第1項所述之吸附元件，更包括：一導熱黏結層，設置於該電熱基材與該吸附材料層之間，其中該導熱黏結層包括無機膠或有機膠。
- 如申請專利範圍第3項所述之吸附元件，其中該無機膠包括氧化矽與氧化鋁。
- 如申請專利範圍第3項所述之吸附元件，其中該有機膠包括聚乙烯醇縮丁醛。
- 如申請專利範圍第1項所述之吸附元件，其中該吸附材料層包括多孔性吸附材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之吸附元件，其中該吸附材料層包括矽膠、活性氧化鋁、沸石或活性碳。
- 一種吸附裝置，包括：一絕緣外框，其內具有一空間；複數個如申請專利範圍第1項所述之吸附元件，相結合且規則地設置於該絕緣外框之該空間中；以及數個接觸電極板，設置於該絕緣外框之外表面上，其中該些接觸電極板電性耦接該些吸附元件。
- 如申請專利範圍第8項所述之吸附裝置，其中該絕緣外框為一絕緣輪體，而該吸附裝置更包括：複數個絕緣隔板，設置於該絕緣輪體內，於該絕緣輪體內定義出數個區域，其中此些區域包括了該些吸附元件；以及一輪體軸心，設置於該絕緣輪體之中心，以固定該吸附裝置。
- 如申請專利範圍第9項所述之吸附裝置，更包括一導電金屬板，穿透該絕緣輪體以連結該些吸附元件與該些接觸電極版之一。
- 如申請專利範圍第9項所述之吸附裝置，更包括一進氣蓋與一排氣蓋，設置於該絕緣輪體之相對側，其中該進氣蓋與該排氣蓋於該吸附裝置內定義出一吸附區與一脫附區。
- 如申請專利範圍第11項所述之吸附裝置，其中該進氣蓋與該排氣蓋於該吸附裝置內更定義出預冷區，該預冷區鄰近該脫附區。
- 如申請專利範圍第8項所述之吸附裝置，其中該絕緣外框為一絕緣立方體，而該吸附裝置更包括：一進氣蓋，結合於該絕緣立方體之一側；以及一排氣蓋，結合於該絕緣立方體之另一側，相對於該排氣蓋。
- 如申請專利範圍第13項所述之吸附裝置，其中該吸附裝置為一塔式吸附裝置。
- 一種吸附元件之再生方法，包括：提供如申請專利範圍第1項所述之該吸附元件，其中該吸附材料層之表面上具有至少一被吸附物；提供一電源，並耦接該電源與該吸附元件之該電熱基材；以及由該電源提供一電流至該電熱基材，使該電熱基材產生熱能並熱傳導至該吸附材料層，以加熱該吸附材料層並脫附該至少一被吸附物至該流體通道中。
- 如申請專利範圍第15項所述之吸附元件之再生方法，其中該電源為一交流電源或一直流電源。
- 如申請專利範圍第15項所述之吸附元件之再生方法，更包括導入一氣流至該流體通道內，以結合並帶離該經脫附之該至少一被吸附物。
- 如申請專利範圍第17項所述之吸附元件之再生方法，其中該氣流包括乾燥空氣。
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