CN100427182C

CN100427182C - 微波辅助的等离子体催化空气净化方法及净化装置

Info

Publication number: CN100427182C
Application number: CNB2005101009803A
Authority: CN
Inventors: 王建伟; 杨建�; 李荣先
Original assignee: Shenzhen Research Institute Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Research Institute Tsinghua University
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2005-11-01
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2025-11-01
Also published as: CN1785484A

Abstract

本发明涉及一种等离子体催化空气净化方法及净化装置，特别是微波与等离子体催化相耦合，降解空气中的有害气体并消除等离子体催化过程中产生的副产物的空气净化技术及其装置。在等离子体催化处理过程中，加入频率2.45～40GHz的微波场，并增加碳还原单元，等离子体催化反应器在微波的强化协同作用下将有效地提高降解有机物的效率，同时碳还原单元在微波作用下，能消除单纯等离子体反应器常产生的臭氧和氮氧化物副产物，空气处理装置还能在单位时间内处理较大空气流量。

Description

微波辅助的等离子体催化空气净化方法及净化装置

技术领域

本发明涉及一种等离子体催化技术在室内空气净化处理上的应用，特别是微波与等离子体催化相耦合，降解空气中的有害气体并消除等离子体催化过程中产生的副产物的空气净化技术。

背景技术

因室内装修及(中央)空调器等使用的普及造成的室内空气污染，已被国际社会归结为危害公共健康的环境因素之一。为净化室内空气，目前已经发展了各式各样的室内空气净化装置和技术，包括物理过滤、静电除尘、负离子、臭氧或紫外等，这些净化技术都不能彻底消除气态污染物，使其无害化。近年来，等离子体催化及纳米光催化等可降解有机物的新技术已相继被应用到了空气净化领域。等离子体催化净化空气的技术，在中国专利CN94247975.0、CN02262150.4、CN02205468.5、CN200320109667.2中已经有披露。不过，在实际应用过程中，等离子体催化类净化技术及装置还存在着很多不足，集中表现在：1、运行过程中会产生臭氧和NO_x等副产物，这些副产物的产量有时候甚至超过了未净化前的有害气体含量，而且，对于室内原有的NO_x，现有的单纯吸附类、光催化类、等离子体类空气净化装置，均不具备降解能力；2、单位时间内的处理量有限，净化装置的空气流速高，通过时间短时，其降解效率过低，无法满足短时间内处理大流量空气的要求。

根据有关查新资料表明，迄今为止，将微波应用在等离子体催化降解有害气体的研究工作国内外尚未见报道。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种微波辅助的等离子体催化空气净化方法，使用该方法，既能有效降解空气中的有害气体，又能有效消除等离子体催化作用产生的臭氧、NO_x副产物。

本发明的另外一个目的，就是提供一种微波辅助的等离子体催化空气净化装置，既能有效降解空气中的有害气体，并消除等离子体催化作用产生的臭氧、NO_x副产物，还能在单位时间内处理较大空气流量。

方法发明的目的是这样实现的：一种微波辅助的等离子体催化室内空气净化方法，其不同之处在于，在等离子体催化处理过程中，加入频率2.45~40GHz的微波场，并增加碳还原单元，当室内空气先经除尘、杀菌处理，然后通过吸附床，进行有害气体捕捉浓度达到一定量时，被集中解吸、释放，然后在微波场耦合作用下进行等离子体催化及还原降解处理，有害气体中的有机物被降解，同时副产物臭氧被消耗，副产物NOx被还原为氮气和水，完成空气净化。

同时，本发明提供的一种微波辅助的等离子体催化室内空气净化装置是这样实现的：包括沿空气流动方向依次排布的空气过滤段、紫外杀菌段、含有等离子体催化反应单元的降解净化段，其特征在于，所述降解净化段中，还包括有害气体吸附单元、微波发生单元、碳还原单元；有害气体吸附单元、等离子体催化反应单元分别位于降解净化段的下部和上部。

近一步，该空气净化装置为一长方形结构，底部为空气入口及空气过滤段，中部为紫外杀菌段，上部为净化降解段及净化空气出口，在空气出口处安设有封闭门和风扇。其中，净化降解段内的吸附单元、微波发生单元、等离子体催化反应单元、碳还原单元均处于一个由金属薄板和网围成的壳体内，吸附单元位于降解净化段的下部，等离子体催化反应单元位于该壳体的上部。

其中，含等离子体催化反应单元的等离子体催化反应器选用介电阻挡填充床式反应器，该反应器的反应管包含有两段，管内前段填充涂覆纳米二氧化钛催化剂的氧化铝小球或其他高介电材料，管内后段填充颗粒状炭质材料；其外电极采用细长条网格孔形电极或绕线电极。

吸附单元采用吸附床的形式，吸附介质为多孔炭质吸附剂或聚合吸附剂。

空气过滤段采用初、中、高三级过滤器依次排列方式，其中高效过滤器采用了HEPA过滤器。而在靠近微波发生单元处安设有负离子网。

本发明提供的空气净化技术，在等离子体催化处理过程中，加入了微波场。由于在微波辐射条件下，由高电压所激发产生的高能电子及高能电子轰击所产生的自由基的产率和能量有明显提高，同时，微波可以有效的提高催化剂如纳米二氧化钛的催化性能，包括光催化和热催化，所以能够有效提高等离子体催化反应器降解有机物的降解率。

由于本发明在等离子体催化处理过程中，增加了碳还原单元，在微波作用下，利用碳还原的机理，可以把从空气中浓缩后被解析出的NO_x及在等离子体催化反应过程中产生的副产物NO_x还原为无害的氮气和水。

本发明提供的空气净化装置，采用了在封闭空间内处理有害气体的方式，等离子体催化产生的少量臭氧在相对封闭的空间内也会通过参与降解有机物和氧化CO的方式自动消耗，通过这样的过程，NOx、CO、臭氧均被最终消除。

本发明提供的空气净化装置，采用了先吸附后降解的间歇式循环处理方式，吸附过程保证了在高空气流速条件下有害气体有效捕集，而随后的降解处理则保证了有害气体在处理区有充足的时间停留并被处理，从而既保证了对有害气体的良好降解效果，又实现了大流量的空气净化。

附图说明

附图1是本发明中空气净化方法的原理方框图

附图2是本发明中空气净化装置一个实施例的结构示意图。

附图3是附图2中部件1的结构示意图。

附图4是空气净化装置在有、无微波情况下对乙醛降解的效果比较图。

附图5是空气净化装置在有、无微波-炭还原单元情况下，副产物NOx的产量比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

附图1是本发明中技术方案的方框图。当受污染的空气进入本反应器后，排放出的即是净化后符合标准的空气了。

附图2是本发明的一个空气净化装置实施例的结构示意图，该空气净化装置为一长方形结构，底部为空气入口及空气过滤段，中部为紫外杀菌段，上部为降解净化段及净化空气出口，在空气出口处安设有封闭门2和风扇3，降解净化段内的吸附单元、微波发生单元、等离子体催化反应单元、碳还原单元均处于一个由金属薄板和网围成的壳体7内，吸附单元位于降解净化段的下部，等离子体催化反应单元位于该壳体7的上部。

本发明的空气净化装置实施例中，底部空气进口处设置的空气过滤段主要对空气做除尘处理，同时过滤网上的酶也能杀死附着在其上的细菌，中部的紫外杀菌灯将过滤器不能去除的小于0.5μm的病毒、孢子等在强紫外线照射作用下杀死。

空气过滤段采用了初、中、高三级过滤器9依次排列方式，其中高效过滤器采用了HEPA过滤器。

紫外杀菌段安设有一只紫外灯管8，当然，也可以采取安设多只紫外灯管的方式来实现杀菌目的。

本发明的空气净化装置实施例中，吸附单元采用吸附床6的形式，吸附介质为多孔炭质吸附剂，也可以采用聚合吸附剂等其他吸附力较强的吸附介质。其主要目的是对有害气体进行有效捕集。

本发明中，微波的作用主要体现在几个方面：首先是增强等离子体单元的处理有害气体、降解有机物的能力；其次是增强碳还原能力，将等离子体催化反应过程中产生的副产物NOx还原为氮气和水；再者，在微波作用下，可以解析出吸附单元捕捉的有害气体，同时使吸附单元再生。

所以，微波发生单元可以分为各自独立的三部分，分别作用于碳还原单元、吸附单元、等离子体催化反应单元，也可以采用组合方式，集中作用于上述处理单元。在本发明提供的空气净化装置实施例中，采用的是组合方式，可以同时实现上述目的。如图2所示，微波发生单元采用常规的微波发生装置5，微波发生装置5直接安设在空气净化段封闭壳体7与空气出口相对的后壁上，释放出的微波将集中进入壳体7内。

本发明中，碳还原单元可以单独设置，也可以与其他的处理单元组合设置。在本发明提供的空气净化装置实施例中，采用了与等离子体催化反应单元组合设置的方式，组合在等离子体催化反应器1中。

在本发明提供的空气净化装置实施例中，等离子体催化反应单元选用了高电压激发的介电阻挡填充床式反应器1，当然，也可以选用其他形式的等离子体催化反应器。如图3所示，介电阻挡填充床式反应器1的反应管包含有两段，管内前段是等离子体催化反应单元，管内填充有涂覆纳米二氧化钛催化剂的多孔氧化铝小球12，该反应段主要是在微波强化作用下通过等离子体激发的等离子体光催化分解有害气体，管内填充的材料也可以是其它，如钛酸钡等高介电材料；管内后段是组合的碳还原单元，管内填充有颗粒状多孔炭质材料13，其作用是在微波辅助的作用下，将残余的氮氧化物以及臭氧彻底净化消除。介电阻挡填充床式反应器1由高电压激发装置14激发，内部为内部线电极11，外部特别设计为长条网格孔状的外电极10，或者设计为能够允许微波能辐射能进入的绕线电极。

在本发明提供的空气净化装置实施例中，吸附床6、等离子体催化反应器1分别位于降解净化段的下部和上部，解吸后的有害气体由于吸收了热量温度上升，通过自然对流也向降解净化段上部汇集，这样便于收集。如果空气净化装置的出口，直接布置在降解净化段的前上方，有害气体容易泄漏到室内空间，所以在本发明提供的空气净化装置实施例中，在空气出口处安设了一封闭门2，如图2所示，在等离子体反应器及微波发生装置工作时将关闭，这样整个壳体的上部将完全封闭，吸附床吸附而后又被解析出的有害气体将处于封闭空间内，而不会泄漏至室内。当然，如果空气净化装置的出口，直接布置在降解净化段的前下方，也就是靠近空气净化装置的中部段，就可以去掉封闭门，同样可以有效的防止处理过程中解吸出的有害气体泄漏到室内。

在本发明提供的空气净化装置实施例在使用过程中，经除尘处理、消毒处理的空气经过吸附床6后，其中的有害气体将被吸附，从出口排出的便是净化后的空气了。吸附床6工作一定的时间，其吸附效果将会弱化，甚至丧失。于是，微波发生装置5将启动，把有害气体从吸附床6解析出来，释放至封闭的空间内进行集中处理，同时使吸附床6再生，这样可以保证空气净化装置能够对空气中的有害气体不断进行吸附处理。同时，由于微波发生装置5启动后，封闭门2将关闭，等离子体催化反应器1也将启动，解析出并进入封闭空间的有害气体将在微波作用下，与等离子体催化反应器1的氧化段(涂覆纳米二氧化钛催化剂的多孔氧化铝小球12)充分接触，有机物将被降解，由于等离子体催化反应器1管内的高介电材料可以非常有效的吸收微波能，能有效提高小球表面纳米二氧化钛的催化性能(包括光催化和热催化)，而且能使高电压所激发产生的高能电子及高能电子轰击所产生的自由基的产率和能量明显提高，提高了对有机物的降解率。而在降解过程中产生的副产物NO_x、以及室内空气中先被吸附后被解析出的NO_x，因与碳还原段(颗粒状多孔炭质材料13)充分接触，在微波作用下将被还原为氮气和水。采用多孔炭质材料13作为碳还原单元，在还原过程中，会产生少量的CO，通过控制微波功率稳定在一定范围内，可以控制还原段产生的CO量至非常的少。而且，由于采用了间歇式的循环处理方式，降解过程中等离子体反应器1的氧化段产生的少量副产物臭氧，在相对封闭的空间内，会通过降解有机物和氧化CO的方式自动消耗。通过这样的过程，NOx、CO、臭氧均被最终消除。

实施例一

以处理含乙醛的空气为例，试验选用钛酸钡小球作为填充介质，炭还原单元位于催化反应器内后段。微波输入功率为200W。图4所示是有、无微波辐射强化时，废气一次性通过催化反应器时对乙醛的降解效果比较，可以看出，微波辐射后等离子体降解乙醛的效果有明显增强，其他有机物如苯，甲苯等有机物的降解效果类似。

实施例二

图5所示是有、无微波-炭还原单元时，空气一次性通过等离子体催化反应器时副产物NOx的产量比较。试验条件与实施例一相同。从图5可以看出，加入微波-炭还原单元后，NO_x副产物大幅度减少。另外，如果将微波-炭还原单元与催化反应单元分开，循环处理废气，NO_x的产量可进一步降低，循环处理时间较长时，NO_x最终可被完全消除。

在本发明提供的空气净化装置实施例中，在壳体7内安设有负离子网4，通过微波本身以及微波引发的流场、温度场作用于负离子网4，可以产生大量负离子。在净化装置下一次启动工作时，这些负离子将被释放到室内，达到近一步改良室内空气的效果。当然，也可以采用安设高电压激发的负离子装置的方式，达到制造负离子的效果。

以上为本发明的空气净化装置的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明空气净化装置的保护范围。

Claims

1.一种微波辅助的等离子体催化室内空气净化方法，其特征在于，在等离子体催化处理过程中，加入频率2.45~40GHz的微波场，并增加碳还原单元，当室内空气先经除尘、杀菌处理，然后通过吸附床，进行有害气体捕捉浓度达到一定量时，被集中解吸、释放，然后在微波场耦合作用下进行等离子体催化及还原降解处理，有害气体中的有机物被降解，同时副产物臭氧被消耗，副产物NOx被还原为氮气和水，完成空气净化。

2.一种微波辅助的等离子体催化空气净化装置，包括沿空气流动方向依次排布的空气过滤段、紫外杀菌段、含有等离子体催化反应单元的降解净化段，其特征在于，所述降解净化段中，还包括有害气体吸附单元、微波发生单元、碳还原单元；有害气体吸附单元、等离子体催化反应单元分别位于降解净化段的下部和上部。

3.根据权利要求2所述的微波辅助的等离子体催化空气净化装置，其特征在于，该空气净化装置为一长方形结构，底部为空气入口及空气过滤段，中部为紫外杀菌段，上部为净化降解段及净化空气出口，在空气出口处安设有封闭门(2)和风扇(3)，净化降解段内的吸附单元、微波发生单元、等离子体催化反应单元、碳还原单元均处于一个由金属薄板和网围成的壳体(7)内，吸附单元位于降解净化段的下部，等离子体催化反应单元位于该壳体(7)的上部。

4.根据权利要求3所述的微波辅助的等离子体催化空气净化装置，其特征在于，含等离子体催化反应单元的等离子体催化反应器选用介电阻挡填充床式反应器(1)，所述反应器(1)的反应管包含有两段，管内前段填充涂覆纳米二氧化钛催化剂的氧化铝小球或其他高介电材料，管内后段填充颗粒状炭质材料(13)；所述反应器(1)的外电极采用细长条网格孔形电极(10)或绕线电极。

5.根据权利要求3所述的微波辅助的等离子体催化空气净化装置，其特征在于，吸附单元采用吸附床(6)的形式，吸附介质为多孔炭质吸附剂或聚合吸附剂。

6.根据权利要求3所述的微波辅助的等离子体催化空气净化装置，其特征在于，空气过滤段采用了初、中、高三级过滤器(9)依次排列方式，其中高效过滤器采用了HEPA过滤器。

7.根据权利要求3所述的微波辅助的等离子体催化空气净化装置，其特征在于，在靠近微波发生单元处安设有负离子网(4)。