專利名稱：一種空氣凈化方法和使用這種方法的空氣凈化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空氣凈化方法和空氣凈化裝置，具體涉及一種利用多孔導電金剛石膜對空氣進行凈化的方法和裝置。
背景技術(shù)：
隨著社會的發(fā)展，室內(nèi)空氣污染已經(jīng)成為危害人體健康的重要因素之一，室內(nèi)空氣污染物主要包括家庭裝修材料釋放的甲醛、苯等有機氣體分子、煙葉燃燒產(chǎn)生的一氧化碳及煙塵顆粒、空氣中的細菌、病毒等?，F(xiàn)有的空氣凈化方法主要有物理吸附過濾法、化學試劑處理法、光催化法、負離子材料催化法。其中物理吸附過濾法主要采用活性炭等多孔材料作為吸附劑，由于價格較低，目前應(yīng)用較廣。但過濾材料的吸附能力存在一個限度，當吸附與脫附速率達到平衡時，吸附劑就會失效，需要對過濾材料及時地進行更換或再生，否則過濾材料很容易變成細菌滋生的溫床，變成二次污染源。另外，經(jīng)常更換濾芯，也增加了使用成本。化學試劑處理法容易引入二次污染物。光催化法一般需要使用紫外線激發(fā)，過量的紫外線照射會對人眼和皮膚造成傷害。負離子材料法催化法需要將材料涂覆在墻壁或家具表面，價格較貴，且施工質(zhì)量對催化效果影響較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種安全、高效、廣譜、無二次污染排放的空氣凈化方法和空氣凈化裝置。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種空氣凈化方法，其特征是利用多孔導電金剛石膜陽極在電解液中產(chǎn)生的強氧化劑羥基自由基，將空氣中溶解或分散于水的甲醛、苯、一氧化碳氧化生成二氧化碳和水，同時將病毒、細菌氧化滅活，達到凈化空氣的目的，具體步驟如下
1、將空氣引入電解液中并曝氣形成微小氣泡分散在電解液中，空氣中的部分甲醛、苯、病毒、細菌等有害物質(zhì)溶解在電解液中，與電解液發(fā)生反應(yīng)或被滅活，沒有溶于電解液中的有害物質(zhì)隨微小氣泡不斷上升；
2、在電解液中設(shè)置一下一上相平行分布的多孔導電金剛石膜陽極板和多孔金屬陰極板并施加直流電壓，多孔導電金剛石膜陽極板在電解液中電解水在多孔導電金剛石膜陽極板表面產(chǎn)生的強氧化劑羥基自由基，微小氣泡在經(jīng)過多孔導電金剛石膜陽極板表面時羥基自由基將微小氣泡中的甲醛、苯、一氧化碳氧化生成二氧化碳和水，同時將病毒、細菌氧化滅活，實現(xiàn)空氣過濾；
3、經(jīng)過電解液過濾后的空氣經(jīng)過多孔導電金剛石膜陽極板和多孔金屬陰極板上的通孔繼續(xù)上升，在電解液液面排出，完成空氣凈化；
電解液為Na2SO4、KOH和NaOH中的一種，電解液溶液濃度為0. 05-0. 15M ;多孔導電金剛石膜陽極板和多孔金屬陰極板之間施加的直流電壓為1-3V。使用上述方法對空氣進行凈化的空氣凈化裝置，它包括殼體，殼體內(nèi)設(shè)有電化學反應(yīng)容器、引風機和直流電源，引風 機的進風口上連接有與殼體外部相連通的引風管，引風機的出風口上連接有輸氣管、輸氣管的另一端連接有電磁閥，電磁閥的另一個口與安裝在電化學反應(yīng)容器內(nèi)底部上方的具有多個曝氣口的曝氣管相連通，電化學反應(yīng)容器內(nèi)曝氣管的上方一下一上水平設(shè)有多孔導電金剛石膜陽極板和多孔金屬陰極板，電化學反應(yīng)容器內(nèi)填充有液面沒過多孔金屬陰極板的電解液，電化學反應(yīng)容器的頂部設(shè)有與殼體外部相連通的排氣管，殼體的外壁上設(shè)有控制面板，控制面板通過導線分別與引風機、直流電源和電磁閥相連，直流電源通過導線分別與導電金剛石膜陽極板、多孔金屬陰極板和引風機相連。本發(fā)明的技術(shù)效果是這種方法安全，高效，廣譜，無二次污染排放，可以將空氣中的甲醛、苯氧化生成二氧化碳和水，同時將病毒、細菌氧化滅活，經(jīng)電解液過濾后的清新空氣經(jīng)氣液分離排氣系統(tǒng)排出。這種裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、壽命長、維護方便、 成本低、零污染排放等優(yōu)點。


圖I為本發(fā)明實施例剖視結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明實施例多孔導電金剛石膜陽極板剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式一種空氣凈化方法經(jīng)過凈化后的清潔空氣中的水蒸汽還需要利用水蒸氣冷凝擋板進行回收。多孔導電金剛石膜陽極板是以硅片為基體，先采用濕法刻蝕形成通孔陣列，再采用化學氣相沉積法摻雜硼或氮元素在硅基體上雙面沉積高電導率金剛石膜，使硅片表面全部被金剛石膜覆蓋，且留有通孔。在浸于電解液中的多孔導電金剛石膜陽極板上施加正電壓使水電解，在多孔導電金剛石膜陽極板表面會產(chǎn)生羥基自由基( 0H)，羥基自由基是公知的強氧化活性基團，氧化能力僅次于氟(羥基自由基產(chǎn)生機理見參考文獻[1])，可將電解液中溶解的甲醛、苯、一氧化碳直接氧化成二氧化碳和水，同時將細菌氧化滅活。多孔導電金剛石膜陽極板的加工方法是選用厚度為0. 3mm、直徑為50mm的導電娃片作為基體，采用濕法刻蝕，在硅片上刻蝕大量直徑在2mm左右，孔間距在4mm左右的通孔陣列，刻蝕好的硅片采用化學氣相沉積法沉積金剛石膜，選擇硼酸三甲酯(B (OCH3) 3)或氮氣為摻雜源，甲烷、氫氣為前驅(qū)氣體，在沉積腔壓強I. 2 I. 6X 104Pa、基體溫度700 900°C、 輸入功率6kW條件下,先在娃片的一個表面生長導電金剛石膜；然后重復上述工藝，在娃片的另一個面生長導電金剛石膜。由于化學氣相沉積過程中，存在等離子體基團的擴散現(xiàn)象，因此在硅片被刻蝕的通孔部分，也會生長導電金剛石膜。通過控制生長時間，可以控制金剛石膜生長的厚度，使導電金剛石膜將整個硅片表面覆蓋，并且留有大量的通孔。導電金剛石膜的電阻率 < 10 Q cm。通過上述方法制備的多孔導電金剛石膜具有以下優(yōu)點1.可以提供氣體流經(jīng)的通道；2.可以提聞電極的表面積，增加電極與電解液的接觸面積，提聞輕基自由基的廣率；
3.可以降低金剛石膜與硅片之間的應(yīng)力，提高金剛石膜與硅片之間的結(jié)合力，延長金剛石膜電極的使用壽命。
多孔導電金剛石膜陽極的封裝方法將內(nèi)徑48mm外徑52mm左右的兩個銅環(huán)與多孔導電金剛石膜同心放置，且將金剛石膜夾在中間，沿兩銅環(huán)外沿用焊錫焊接，在銅環(huán)上焊接電極引線，最后用環(huán)氧樹脂將銅環(huán)密封。多孔導電金剛石膜陽極板與多孔金屬陰極板為形狀一致的盤狀體，將二者上下對置，多孔導電金剛石膜陽極板在下，多孔金屬陰極板在上，間距IOmm左右，用環(huán)氧樹脂封裝
在一起。
多孔金屬陰極板為多孔不銹鋼板，選用Imm厚的不銹鋼板，經(jīng)機械鉆孔，制備孔徑 2mm左右，孔間距4mm左右的通孔陣列。參考文獻耿榕，趙國華，劉梅川，雷燕竹，摻硼金剛石膜電極表面產(chǎn)生羥基自由基的原位 ESR 研究，物理化學學報 Acta Phys. Chim. Sin. , 2010, 26(6) :1493-1498
使用上述方法對空氣進行凈化的空氣凈化裝置，如圖I、圖2所示，它包括殼體1，殼體 I內(nèi)設(shè)有電化學反應(yīng)容器2、引風機3和直流電源4，引風機3的進風口上連接有與殼體I外部相連通的引風管31，引風機3的出風口上連接有輸氣管5、輸氣管5的另一端連接有電磁閥6，電磁閥6的另一個口與安裝在電化學反應(yīng)容器2內(nèi)底部上方的具有多個曝氣口的曝氣管7相連通，電化學反應(yīng)容器2內(nèi)曝氣管7的上方一下一上水平設(shè)有多孔導電金剛石膜陽極板8和多孔金屬陰極板9，電化學反應(yīng)容器2內(nèi)填充有液面沒過多孔金屬陰極板9的電解液10，電化學反應(yīng)容器2的頂部設(shè)有與殼體I外部相連通的排氣管21，殼體I的外壁上設(shè)有控制面板11，控制面板11通過導線分別與引風機3、直流電源4和電磁閥6相連，直流電源4通過導線分別與導電金剛石膜陽極板8、多孔金屬陰極板9和引風機3相連。電化學反應(yīng)容器2內(nèi)電解液10液面上方水平設(shè)有相交錯設(shè)置以增加水蒸汽的冷凝行程的多塊水蒸汽冷凝擋板22。多孔導電金剛石膜陽極板8和多孔金屬陰極板9分別通絕緣封裝材料12安裝在電化學反應(yīng)容器2內(nèi)。殼體I的側(cè)壁上設(shè)有可以觀察電化學反應(yīng)容器2內(nèi)的反應(yīng)情況的透明觀察窗23。透明觀察窗23由透明塑料或玻璃制成，電化學反應(yīng)容器2的底部設(shè)有與殼體I外相通、具有閥門的排液口 24,殼體I的底部設(shè)有若干個支腿 13。引風機3為直流增壓風機。多孔導電金剛石膜陽極板8的基體為多孔導電硅片81，多孔導電硅片81表面通過化學氣相沉積法沉積導電金剛石膜層82構(gòu)成多孔導電金剛石膜83，多孔導電金剛石膜83 的周邊安裝有銅環(huán)84，銅環(huán)84上焊接有電極引線85。使用方法通過排氣管，向電化學反應(yīng)容器中注入濃度為0. IM的Na2SO4溶液。操作控制面板11，啟動引風機3，引風機3正常工作后，電磁閥6延時3秒打開，同時直流電源 4開始向多孔導電金剛石膜陽極板8和多孔金屬陰極板9供電，直流電源4輸出電壓可通過控制面板11調(diào)節(jié)，將加載在多孔金剛石膜陽極板8與多孔金屬陰極板9之間的電壓設(shè)置為1-3V，因金剛石膜在中性電解液中的電勢窗口可達4V，可以有效的抑制電解水析氫析氧副反應(yīng)。因此在此電壓下不會產(chǎn)生氫氣。室內(nèi)空氣經(jīng)引風管31、引風機3、輸氣管5、電磁閥6到達電化學反應(yīng)容器2內(nèi)的曝氣管7，空氣通過曝氣孔與電解液10混合，空氣中攜帶的甲醛、苯會溶解于水中，一氧化碳、 細菌、煙塵顆粒會分散于水中。多孔導電金剛石膜陽極板8表面產(chǎn)生的羥基自由基，可將電解液10中的苯、甲醛、一氧化碳直接氧化成水和二氧化碳，同時將細菌氧化滅活。沒有溶解于水的氣體會在水中形成小氣泡，在電解液10中不斷上浮。穿過多孔導電金剛石膜陽極板8與多孔金屬陰極板9上的通孔，從電解液10中逸出。經(jīng)過電解液10過濾后的清潔空氣流經(jīng)水蒸氣冷凝擋板22，回收部分水蒸氣，最后由排氣管21排出。裝置停止工作時，操作控制面板11上的停止按鈕，首先電磁閥6關(guān)閉，然后直流電源4停止供電，引風機3停止運轉(zhuǎn)。在控制面板11啟動裝置后，可將裝置設(shè)定為自動間歇運行模式，或設(shè)定為人工定時運行模式。裝置維護只需定期向電化學反應(yīng)容器2中補充自來水，當電解液出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象時，更換電解液即可。多孔導電金剛石膜陽極板8具有以下優(yōu)點1.可以提供氣體流經(jīng)的通道；
2.可以提聞電極的表面積，增加電極與電解液的接觸面積，提聞輕基自由基的廣率；
3.可以降低金剛石膜與硅片之間的應(yīng)力，提高金剛石膜與硅片之間的結(jié)合力，延長金剛石膜電極的使用壽命。電解液選擇中性Na2SO4溶液，用于提供導電離子，優(yōu)選溶液濃度0. 1M。多孔金屬陰極選用Imm厚的不銹鋼板，經(jīng)機械鉆孔，制備孔徑2mm左右，孔間距4mm 左右的通孔陣列。電化學反應(yīng)容器2可為圓柱型或圓錐型，材料選用透明塑料或玻璃制成。本發(fā)明空氣凈化裝置總功耗8 10W。
權(quán)利要求
1.空氣凈化方法，其特征是利用多孔導電金剛石膜陽極在電解液中產(chǎn)生的強氧化劑羥基自由基，將空氣中溶解或分散于水的甲醛、苯、一氧化碳氧化生成二氧化碳和水，同時將病毒、細菌氧化滅活，達到凈化空氣的目的，具體步驟如下(1)、將空氣引入電解液中并曝氣形成微小氣泡分散在電解液中，空氣中的部分甲醛、 苯、病毒、細菌等有害物質(zhì)溶解在電解液中，與電解液發(fā)生反應(yīng)或被滅活，沒有溶于電解液中的有害物質(zhì)隨微小氣泡不斷上升；(2)、在電解液中設(shè)置一下一上相平行分布的多孔導電金剛石膜陽極板和多 孔金屬陰極板并施加直流電壓，多孔導電金剛石膜陽極板在電解液中電解水在多孔導電金剛石膜陽極板表面產(chǎn)生的強氧化劑羥基自由基，微小氣泡在經(jīng)過多孔導電金剛石 膜陽極板表面時羥基自由基將微小氣泡中的甲醒、苯、一氧化碳氧化生成二氧化碳和水，同時將病毒、細菌氧化滅活，實現(xiàn)空氣過濾；(3)、經(jīng)過電解液過濾后的清新空氣經(jīng)過多孔導電金剛石膜陽極板和多孔不銹鋼陰極板上的通孔繼續(xù)上升，在電解液液面排出，完成空氣凈化；電解液為Na2SO4 ,KOH和NaOH中的一種，電解液溶液濃度為0. 05-0. 15M ;多孔導電金剛石膜陽極板和多孔金屬陰極板之間施加的直流電壓為1-3V。
2.如權(quán)利要求I所述的空氣凈化方法，其特征在于經(jīng)過凈化后的清潔空氣中的水蒸汽還需要利用水蒸氣冷凝擋板進行回收。
3.如權(quán)利要求I所述的空氣凈化方法，其特征在于所述多孔導電金剛石膜陽極板是以硅片為基體，先采用濕法刻蝕形成通孔陣列，再采用化學氣相沉積法摻雜硼或氮元素在硅基體上雙面沉積高電導率金剛石膜，使硅片表面全部被金剛石膜覆蓋，且留有通孔。
4.如權(quán)利要求3所述的空氣凈化方法，其特征在于所述多孔導電金剛石膜陽極板的加工方法是選用厚度為0. 3mm、直徑為50mm的導電硅片作為基體，采用濕法刻蝕，在硅片上刻蝕大量直徑在2mm左右，孔間距在4mm左右的通孔陣列，刻蝕好的硅片采用化學氣相沉積法沉積金剛石膜，選擇硼酸三甲酯或氮氣為摻雜源，甲烷、氫氣為前驅(qū)氣體，在沉積腔壓強I.2 I. 6X104Pa、基體溫度700 900°C、輸入功率6kW條件下，先在硅片的一個表面生長導電金剛石膜；然后重復上述工藝，在硅片的另一個面生長導電金剛石膜。
5.如權(quán)利要求I所述的空氣凈化方法，其特征在于所述多孔導電金剛石膜陽極板與多孔金屬陰極板為形狀一致的盤狀體，將二者上下對置，多孔導電金剛石膜陽極板在下，多孔金屬陰極板在上，間距IOmm左右，用環(huán)氧樹脂封裝在一起。
6.如權(quán)利要求I所述的空氣凈化方法，其特征在于所述多孔金屬陰極為多孔不銹鋼板，選用Imm厚的不銹鋼板，經(jīng)機械鉆孔，制備孔徑2mm左右，孔間距4mm左右的通孔陣列。
7.使用權(quán)利要求I所述空氣凈化方法對空氣進行凈化的空氣凈化裝置，它包括殼體(1)，其特征在于殼體(I)內(nèi)設(shè)有電化學反應(yīng)容器(2)、引風機(3)和直流電源(4)，引風機(3)的進風口上連接有與殼體(I)外部相連通的引風管(31)，引風機(3)的出風口上連接有輸氣管(5)、輸氣管(5)的另一端連接有電磁閥(6),電磁閥(6)的另一個口與安裝在電化學反應(yīng)容器(2)內(nèi)底部上方的具有多個曝氣口的曝氣管(7)相連通，電化學反應(yīng)容器(2)內(nèi)曝氣管(7)的上方一下一上水平設(shè)有多孔導電金剛石膜陽極板(8)和多孔金屬陰極板(9)， 電化學反應(yīng)容器(2)內(nèi)填充有液面沒過多孔金屬陰極板(9)的電解液(10)，電化學反應(yīng)容器(2)的頂部設(shè)有與殼體(I)外部相連通的排氣管(21)，殼體(I)的外壁上設(shè)有控制面板(11)，控制面板(11)通過導線分別與引風機(3)、直流電源(4)和電磁閥(6)相連，直流電源(4)通過導線分別與導電金剛石膜陽極板(8)、多孔金屬陰極板(9)和引風機(3)相連。
8.如權(quán)利要求7所述的空氣凈化裝置，其特征在于所述電化學反應(yīng)容器(2)內(nèi)電解液(10)液面上方水平設(shè)有相交錯設(shè)置以增加水蒸汽的冷凝行程的多塊水蒸汽冷凝擋板(22)。
9.如權(quán)利要求7所述的空氣凈化裝置，其特征在于所述殼體(I)的側(cè)壁上設(shè)有可以觀察電化學反應(yīng)容器(2)內(nèi)的反應(yīng)情況的透明觀察窗(23)，電化學反應(yīng)容器(2)的底部設(shè)有與殼體(I)外相通、具有閥門的排液口(24),殼體(I)的底部設(shè)有若干個支腿(13)。
10.如權(quán)利要求7所述的空氣凈化裝置，其特征在于所述多孔導電金剛石膜陽極板(8) 的基體為多孔導電硅片(81)，多孔導電硅片(81)表面通過化學氣相沉積法沉積導電金剛石膜層(82)構(gòu)成多孔導電金剛石膜(83)，多孔導電金剛石膜(83)的周邊安裝有銅環(huán)(84)， 銅環(huán)(84)上焊接有電極引線(85 )。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種空氣凈化方法和空氣凈化裝置，空氣凈化方法是利用多孔導電金剛石膜陽極在電解液中產(chǎn)生的強氧化劑羥基自由基，將空氣中溶解或分散于水的甲醛、苯、一氧化碳氧化生成二氧化碳和水，同時將病毒、細菌氧化滅活，達到凈化空氣的目的。空氣凈化裝置包括殼體(1)、電化學反應(yīng)容器(2)、引風機(3)和直流電源(4)。這種方法安全，高效，廣譜，無二次污染排放，可以將空氣中的甲醛、苯氧化生成二氧化碳和水，同時將病毒、細菌氧化滅活，經(jīng)電解液過濾后的清新空氣經(jīng)氣液分離排氣系統(tǒng)排出。它具有功耗低、成本低、零污染排放等優(yōu)點。這種裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、壽命長、維護方便、成本低、零污染排放等優(yōu)點。
文檔編號A61L9/00GK102614537SQ20121011557
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者姜宏偉, 尹龍承, 王丹, 趙立新, 鄭友進, 黃海亮 申請人:牡丹江師范學院