專利名稱：非熱放電和光催化協(xié)同凈化污染空氣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非熱放電等離子體和化學(xué)催化領(lǐng)域，特別涉及電暈放電產(chǎn)生和非熱放電同光催化協(xié)同作用凈化污染空氣。
一般來說，如

圖1所示一個(gè)室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)室內(nèi)空氣循環(huán)的動(dòng)力裝置風(fēng)機(jī)1，一個(gè)凈化裝置2，若干進(jìn)出風(fēng)口3和4，和同處理裝置連接的通風(fēng)管道5，以及相應(yīng)的電控系統(tǒng)。其中室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)的核心單元是凈化裝置。
以下參考附圖詳細(xì)說明目前室內(nèi)空氣凈化處理的工作情況。
目前空氣凈化方法主要有過濾、靜電收塵、化學(xué)催化、臭氧或負(fù)離子等。其主要存在的技術(shù)問題如圖2所示，過濾器8有較大的風(fēng)阻，影響處理風(fēng)量，因化學(xué)反應(yīng)和固液顆粒物污染需要定期更換濾芯；如圖3所示，靜電場主要對顆粒物收集有效，但對微細(xì)顆粒物收集效果不佳；負(fù)離子與空氣中的懸浮顆粒物結(jié)合，極易生成具有極性污染的粒子——“重離子”；臭氧雖具有消毒、滅菌作用，但對人體有害(臭氧衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)1h平均最高允許濃度0.1mg/m3)；如圖4所示，化學(xué)觸媒也屬于過濾技術(shù)，易被油污煙塵污染而失去除臭功能。
針對現(xiàn)有技術(shù)不足，近年來國際國內(nèi)正從以下兩方面努力發(fā)展新一代空氣凈化技術(shù)。第一是開發(fā)等離子體空氣凈化技術(shù)，如脈沖電暈放電或介質(zhì)阻擋放電(如圖5和6所示)，而不僅僅通過臭氧或負(fù)離子發(fā)生來進(jìn)行空氣凈化。第二是二氧化鈦(TiO2)光催化分解惡臭分子和細(xì)菌使其無害化。顯然，強(qiáng)烈的自由基反應(yīng)或光催化促進(jìn)對有害化學(xué)氣體去除起到以往技術(shù)難以達(dá)到的效果。這些努力又分為以下三個(gè)關(guān)鍵的研究方向。
其一是單純采用等離子體凈化空氣技術(shù)。目前遇到的主要問題是，等離子體化學(xué)反應(yīng)難以控制，處理中和處理后可能產(chǎn)生有害物質(zhì)，對反應(yīng)機(jī)理需要深入研究；運(yùn)行中伴隨臭氧合成，如減弱放電強(qiáng)度凈化效果隨之下降；同時(shí)因放電電極受煙塵污染不能維持長期正常放電；另外等離子體發(fā)生裝置復(fù)雜昂貴，影響該技術(shù)的產(chǎn)品化和推廣應(yīng)用。
其二是采用光催化技術(shù)。TiO2只吸收小于400nm的光能，這部分光僅占地面接收太陽光的5％。為加快污染物的凈化，國際上正活躍著結(jié)合紫外光源輻照的光催化技術(shù)，已召開了多屆光催化水處理和空氣凈化國際學(xué)術(shù)會(huì)議。大量文獻(xiàn)提供的結(jié)果顯示，光催化處理需要的時(shí)間至少以小時(shí)計(jì)算，甚至需要更長的處理時(shí)間。此方法仍處于研究開發(fā)階段，主要研究集中在催化劑微觀特性和固化技術(shù)的改進(jìn)以及凈化效果提高上。
如圖7所示，第三個(gè)方向是將等離子體技術(shù)和催化技術(shù)相結(jié)合凈化室內(nèi)空氣。這種新技術(shù)已用于韓國LG等離子體空調(diào)器中，但據(jù)了解，目前利用該技術(shù)形成的產(chǎn)品還未達(dá)到快速高效凈化室內(nèi)空氣的目的，同時(shí)產(chǎn)品的價(jià)位非常高，不利于廣泛應(yīng)用。同時(shí)，這一研究方向還未普遍被重視，技術(shù)本身可以有許多發(fā)展分支，均未得到系統(tǒng)的研究。
上述分析了各種室內(nèi)空氣凈化裝置的技術(shù)情況，除LG等離子體空調(diào)器利用了先進(jìn)的新技術(shù)并具有較好的凈化功能外，其它各種應(yīng)用均存在較多的弊端。
本發(fā)明的目的是將一種新的放電方式應(yīng)用于空氣凈化裝置中，使非熱微放電的發(fā)生具有簡單、高效、穩(wěn)定和可靠的特點(diǎn)；并同光催化結(jié)合實(shí)現(xiàn)等離子體引發(fā)的自由基反應(yīng)和光催化作用引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)同時(shí)一體作用于污染空氣，達(dá)到快速高效凈化空氣。
在本發(fā)明設(shè)計(jì)的凈化裝置中，以針陣列對金屬平板或網(wǎng)的電極結(jié)構(gòu)作為放電反應(yīng)器主體，用高壓正直流和/或負(fù)直流給放電反應(yīng)器供電，產(chǎn)生強(qiáng)烈的非熱放電，同時(shí)在反應(yīng)器內(nèi)安設(shè)光催化劑或化學(xué)催化劑，共同作用處理流經(jīng)反應(yīng)器放電區(qū)的污染氣體。在這一放電裝置中，針陣列放電電極代替一般的線電極或多針電極，不同于一般靜電除塵電場的電極結(jié)構(gòu)和脈沖電暈放電的電極結(jié)構(gòu)；用高壓正直流和/或負(fù)直流供電代替目前正發(fā)展的脈沖高壓供電或其他各種波形的高壓供電；催化劑安設(shè)于直接受非熱放電產(chǎn)生的快速電子轟擊和放電產(chǎn)生的紫外光輻射之處；處理氣體在放電區(qū)的停留時(shí)間相對更短；穩(wěn)定的高壓電場，強(qiáng)烈的一級或多級正負(fù)非熱放電，以及光催化的綜合作用處理流經(jīng)的污染氣體。
在前述凈化裝置中，針陣列對金屬平板或網(wǎng)的放電電極結(jié)構(gòu)為強(qiáng)烈穩(wěn)定的非熱放電產(chǎn)生提供條件，同時(shí)有利于更多的高壓電能注入放電反應(yīng)器，易于擴(kuò)大放電裝置并增加其凈化處理容量。正直流和/或負(fù)直流高壓供電，降低整機(jī)制作成本，提高電能轉(zhuǎn)化成放電能量的轉(zhuǎn)化率。
由于直流高壓供能使放電區(qū)電場較為穩(wěn)定，同時(shí)強(qiáng)烈的非熱放電使微細(xì)顆粒物超飽和荷電，兩者共同作用達(dá)到高效捕集微細(xì)顆粒物。這樣同時(shí)起到保護(hù)后級安設(shè)的光催化劑免受污染，提高其使用效應(yīng)和壽命。根據(jù)實(shí)際工況應(yīng)用一級或多級正負(fù)非熱放電，達(dá)到各種工況下復(fù)雜污染體系的高效凈化。另外通過非熱放電和光催化的有機(jī)結(jié)合增強(qiáng)協(xié)同凈化作用，提高凈化速率和效果。
以下通過凈化實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步說明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
圖9為應(yīng)用本發(fā)明圖8B所示的兩級放電反應(yīng)器55和56凈化室內(nèi)空氣的結(jié)構(gòu)示意圖。在120m3封閉室內(nèi)空間中，放置一空氣凈化器，凈化器內(nèi)風(fēng)機(jī)54驅(qū)動(dòng)室內(nèi)空氣經(jīng)過凈化器循環(huán)流動(dòng)，通過電控系統(tǒng)57控制處理風(fēng)量、放電強(qiáng)度和凈化處理時(shí)間。在試驗(yàn)過程中用聲級計(jì)測量噪聲等級，取樣室內(nèi)空氣中懸浮顆粒物濃度，甲醛濃度，細(xì)菌和微生物濃度等。通過實(shí)驗(yàn)測試來確定本發(fā)明的綜合性能和凈化效果。
根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，用ND6型脈沖精密聲級計(jì)在距凈化器0.5m處測量噪聲，采用的測量標(biāo)準(zhǔn)是A聲級(對人最敏感)。背景噪聲約50db左右，多次測量結(jié)果得到放電噪聲在45到50db之間。
甲醛是室內(nèi)空氣污染中具有代表性的污染物，在前述封閉空間中充滿一定濃度的甲醛氣體來模擬被污染的空間，然后用凈化器在該室內(nèi)運(yùn)行來測試凈化效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表一所示。
表一 甲醛去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果
從表一看出去除甲醛的效果C類放電劣于A類放電，凈化效果同放電方式和參數(shù)有關(guān)，應(yīng)用過程中需要視具體工況確定優(yōu)化的凈化工藝，本發(fā)明的應(yīng)用舉例裝置已經(jīng)達(dá)到快速高效去除甲醛氣體的目標(biāo)。
不完全燃燒紙張來發(fā)生煙霧，使前述封閉空間充滿嚴(yán)重的懸浮顆粒物。采用智能總懸浮顆粒物采樣儀采集懸浮顆粒物樣。通過采樣儀的空氣流量為100L/min，采樣時(shí)間是10min，實(shí)驗(yàn)分三組進(jìn)行，結(jié)果見表二、三和四。結(jié)果顯示，本舉例裝置能在短時(shí)間內(nèi)將嚴(yán)重懸浮顆粒物污染的室內(nèi)達(dá)到凈化標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)然具體的顆粒物捕集效率同放電方式和參數(shù)相關(guān)。
表二A類放電捕集顆粒物結(jié)果
表三B類放電捕集顆粒物結(jié)果
表四C類放電捕集顆粒物結(jié)果
采用空氣自然沉降法，對凈化器使用前、后兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行采樣、計(jì)數(shù)、分析。儀器與器材普通營養(yǎng)瓊脂，沙氏培養(yǎng)基及復(fù)星全自動(dòng)微生物鑒定儀。
在凈化器開啟前、啟動(dòng)后10min分別取三點(diǎn)距地面1m處直接將空氣中的含菌微粒收集于瓊脂培養(yǎng)基平皿上，采樣時(shí)間為5分鐘；采樣后，在37℃溫箱中培養(yǎng)48h，然后進(jìn)行菌落記數(shù)和細(xì)菌分類。結(jié)果得到在10分鐘處理時(shí)間內(nèi)，殺滅50％的致病細(xì)菌，包括微生物、細(xì)菌、和真菌。
以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明設(shè)計(jì)的空氣凈化裝置。
圖1是室內(nèi)空氣凈化系統(tǒng)整體示意圖；圖2是機(jī)械過濾裝置示意圖；圖3是靜電過濾裝置示意圖；圖4是化學(xué)觸媒裝置示意圖；圖5是脈沖電暈放電裝置示意圖；圖6是介質(zhì)阻擋放電裝置示意圖；圖7是脈沖電暈放電和光催化相結(jié)合的處理裝置示意圖；圖8A至8C是本發(fā)明各種非熱放電和光催化結(jié)合的凈化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是應(yīng)用本發(fā)明的兩級放電反應(yīng)器凈化室內(nèi)空氣的裝置示意圖；以下參考附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。
附圖8A至8C顯示出本發(fā)明高效凈化污染空氣處理裝置的示意圖。
如圖中所示，以直流高壓電源HV1到HVn為針陣列38和47對金屬平板39或金屬網(wǎng)48構(gòu)成放電電極反應(yīng)器供電，輸出電壓值為幾kV到幾十kV，放電反應(yīng)器可以為多級結(jié)構(gòu)，每一級反應(yīng)器用一高壓電源供電或同時(shí)給多個(gè)反應(yīng)器供電。在圖8B中，放電區(qū)分多個(gè)通道，每一通道中針電極到平板的距離為cm量級，通道高度和長度為cm量級以上。通道數(shù)、放電反應(yīng)器級數(shù)、高壓電源極性視處理氣體的流量、污染程度、以及應(yīng)用場合而定。光催化劑可以附著在板狀電極41和/或網(wǎng)狀電極49上，但必須在第一級放電反應(yīng)器的出風(fēng)口處或后一級反應(yīng)器之中；同時(shí)也可在放電反應(yīng)器后增設(shè)催化裝置43，這樣通過前級放電反應(yīng)器高效捕集微細(xì)顆粒物避免催化劑被污染而失效。處理氣體在放電區(qū)的停留時(shí)間相對更短，一般在ms量級以避免放電產(chǎn)生的臭氧量過量；穩(wěn)定的高壓電場，強(qiáng)烈的一級或多級正負(fù)非熱放電，光催化的綜合協(xié)同作用處理流經(jīng)的污染氣體。
現(xiàn)在說明在室內(nèi)空氣凈化中應(yīng)用本發(fā)明的圖9所示裝置為優(yōu)先實(shí)施例的工作及其特征。
圖9為應(yīng)用本發(fā)明中圖8B所示放電反應(yīng)器用于室內(nèi)空氣凈化的總體結(jié)構(gòu)示意圖和凈化試驗(yàn)室的示意圖。以靜音風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使試驗(yàn)室內(nèi)空氣通過放電反應(yīng)器，經(jīng)反應(yīng)器處理由出風(fēng)口排出，這樣室內(nèi)空氣被凈化處理裝置循環(huán)處理。
從試驗(yàn)結(jié)果得到，非熱放電單位放電區(qū)注入的放電能量同一般電暈放電的注入能量有數(shù)量級區(qū)別，包括脈沖電暈放電在內(nèi)，本新型電暈放電具有更高的放電能量密度。表一、二、三和四顯示的結(jié)果以及其他結(jié)果得到本空氣凈化裝置具有高效的凈化效率，包括快速高效捕集懸浮顆粒物、有效降低有害氣體成分、快速殺滅各種致病細(xì)菌。同時(shí)，臭氧在處理空間中的濃度始終穩(wěn)定在50ppb以下，放電噪聲A級在50db以下，這些參數(shù)均滿足民用和工業(yè)用各種場合，適合實(shí)際應(yīng)用的需要。另外，非熱放電裝置制作簡單而價(jià)廉，放電強(qiáng)烈而穩(wěn)定，處理流程簡單，風(fēng)阻小似靜電除塵裝置，同處理量凈化裝置體積相對較小，這些特點(diǎn)不但使本凈化裝置易于工業(yè)化大量生產(chǎn)，而且在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的可靠性。
由該實(shí)施例所示，為在凈化處理工藝中應(yīng)用非熱放電技術(shù)，特別是強(qiáng)烈、穩(wěn)定、可靠的非熱放電發(fā)生，在本發(fā)明中更易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)可見，高效凈化污染空氣的實(shí)質(zhì)原因是穩(wěn)定的高壓電場、均勻強(qiáng)烈的非熱放電、光催化、以及這些因素的協(xié)同作用。相對于其它各種類型的空氣凈化裝置，本發(fā)明電源簡單，無需高壓脈沖電源；反應(yīng)器風(fēng)阻小，易于增大處理風(fēng)量且節(jié)省能量；體積小且捕集懸浮顆粒物效率高，同時(shí)延長催化劑使用壽命和提高其使用效應(yīng)，不產(chǎn)生重離子；同時(shí)因臭氧產(chǎn)生微量，可持續(xù)工作，真正達(dá)到全面凈化空氣的目的。
對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不偏離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)和內(nèi)容范圍的前題下，可對本發(fā)明作出種種修改。因此在權(quán)利要求書和其等效范圍內(nèi)，本發(fā)明還包括對其的各種修改方案。
權(quán)利要求
1·一種非熱放電和光催化協(xié)同凈化空氣的裝置，其中通過正和/或負(fù)直流高壓電源提供高壓電能注入針陣列對板或網(wǎng)電極的一級或多級放電反應(yīng)器內(nèi)，在所述反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生電暈放電，同時(shí)光催化劑受放電產(chǎn)生的快速電子轟擊和紫外光輻射，處理流經(jīng)該凈化裝置的污染氣體，其特征在于通過穩(wěn)定的高壓電場、強(qiáng)烈的電暈放電、以及光催化三者作用于污染空氣，因協(xié)同作用快速高效地捕集污染空氣中的懸浮顆粒物、降低有害氣體成分、和殺滅致病細(xì)菌，達(dá)到凈化空氣的目的。
2·根據(jù)權(quán)利要求1所述的凈化裝置，其特征在于，高壓電源輸出正和/或負(fù)直流高壓，其電壓值在幾KV到幾十KV，放電反應(yīng)器為針陣列對板或網(wǎng)的電極結(jié)構(gòu)，針陣列電極中針尖間距為mm到cm量級，針陣列到板或網(wǎng)電極距離為cm量級，板或網(wǎng)電極面積視應(yīng)用場合而定。
3·根據(jù)權(quán)利要求1所述的凈化裝置，其特征在于，放電產(chǎn)生的快速電子直接轟擊光催化劑，放電產(chǎn)生的紫外光直接輻射光催化劑，光催化劑可以附著在板狀或網(wǎng)狀電極上，也可以安設(shè)在放電反應(yīng)器的通道空間中，但是光催化劑必須安設(shè)在第一級放電反應(yīng)器后部或包括第二級反應(yīng)器在內(nèi)的后級反應(yīng)器之中。
4·根據(jù)權(quán)利要求1所述的凈化裝置，其特征在于，在穩(wěn)定的高壓電場、強(qiáng)烈的電暈放電、以及光催化三者協(xié)同作用下，同時(shí)一體快速高效捕集懸浮顆粒物、降低有害氣體成分、以及殺滅致病細(xì)菌。
5·根據(jù)權(quán)利要求1所述的凈化裝置，其特征在于，在考慮室內(nèi)空間大小、污染程度和污染物種等工況條件下，設(shè)計(jì)放電方式、放電反應(yīng)器級數(shù)和放電強(qiáng)度、處理風(fēng)量和通風(fēng)方式，在達(dá)到權(quán)利要求4所述特征的同時(shí)，保持裝置運(yùn)行噪聲在50db以下，保持室內(nèi)空氣中臭氧濃度在50ppb左右。
6·根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述放電反應(yīng)器的電極結(jié)構(gòu)可采用一級或多級結(jié)構(gòu)，每級反應(yīng)器可以是單通道或多通道并行的結(jié)構(gòu)。
7·根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述凈化裝置的部分或全部裝置可以用于其他污染處理。
全文摘要
本發(fā)明以正高壓和/或負(fù)高壓給放電反應(yīng)器提供電能，放電電極結(jié)構(gòu)為針陣列對平板或網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，同時(shí)在放電區(qū)適當(dāng)?shù)奈恢冒苍O(shè)光催化劑，使非熱放電和光催化作用結(jié)合，協(xié)同處理流經(jīng)放電區(qū)的污染空氣。在非熱放電和強(qiáng)電場作用下高效捕集污染空氣中微細(xì)懸浮顆粒物；在非熱放電和催化的協(xié)同作用下高效降低污染空氣中的有害化學(xué)成分；同時(shí)有效殺滅致病細(xì)菌，最終實(shí)現(xiàn)快速高效凈化污染空氣的目的。
文檔編號B03C3/06GK1520935SQ03104038
公開日2004年8月18日 申請日期2003年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月14日
發(fā)明者朱益民 申請人:朱益民