CN100494794C - 等离子体耦合光催化单元组件及其构成的气体净化器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体净化装置。所述的等离子体耦合光催化单元组件，其电极为无孔平板状，内侧有刚性电介质阻挡层；光催化体多孔体，它放在两电介质阻挡层中间，在两电介质阻挡层周边设置密封挡板构成两个空间，其中一个空间侧壁上有进气孔，另一空间侧壁上开设出气孔；其中电极之一可用附载了光催化剂的多孔体代替。电极依附于刚性的电介质阻挡层，使其刚性和放电均匀性得到保证。电极与有害气体之间有电介质阻挡层相隔，避免电极被放电和腐蚀性气体侵蚀。每台气体净化器中至少有一组单元组件；使用多组单元组件的，其气流通道并联和/或串联。使用中可根据不同使用场合的不同要求，选择不同的气路并联和/或串联的组合，使其净化效果得到最大发挥。

Description

等离子体耦合光催化单元组件及其构成的气体净化器

技术领域

本发明涉及对气体中所含的细菌、病毒、臭气及有害物质等进行光催化和等离子体分解、氧化、还原、降解的气体净化装置。

背景技术

近年来，由于住宅向高层封闭性发展，同时室外空气的污染也日益严重，因此如何提高居住空间的空气质量问题越来越受到人们的重视。例如，如何降低空气中所含的细菌、病毒、烟草废气、建材装潢、家具慢性释放出的由甲醛、苯、香蕉水等VOC等所代表的有害成分及环境中的代谢臭气等。

现有技术中，通常采用活性碳等吸附剂进行脱臭、或使臭气成分与其它药剂成分发生反应变成无害物质来达到降低臭气的目的。但在实际使用中，由于吸附剂的吸附量有极限，所以长时期使用时，需定时更换脱臭过滤器。此外，即使是在脱臭过滤器的寿命期间内，其寿命末期也存在被吸附的成分再次放出而产生臭气的问题。另一种方法是，使臭气成分与其它药剂成分发生反应从而使臭气变成无害物质、来消除臭气。这种方法存在的问题是：需经常不断地更换反应药剂，不仅麻烦，而且控制药剂成分的排放量存在困难。此外，要分解去除甲醛等有害成分时，必须进行氧化还原电位高的催化剂反应，其存在的问题是，用臭氧进行的氧化分解并不能达到完全分解，而是停止在中间分解生成物的阶段，不能实现完全的无害化。

还有，也可以通过以紫外线照射氧化钛等光催化剂来完全净化有害气体成分。但是作为紫外线光源的水银灯的灯管内含有水银，灯管制品废弃时会使环保负荷增大；而且其净化速度较低。

中国专利申请02118409.7中公开了一种具有空气净化效果的放电电极及光催化剂反应装置，该装置具有通过高电压放电产生臭氧及紫外线的装置、利用光催化剂作用对有害气体等进行净化的光催化剂组件以及分解由放电装置所产生臭氧的臭氧分解装置。虽然该装置对有机物有较好的降解作用，可用于脱臭、净化有害气体等，但是，由于该装置中含有害物质的气体须直接穿过两电极，因此必须将电极做成多孔结构，这样不仅其强度差，而且易被腐蚀，须经常维修更换；同时使得电极的加工工艺复杂化，增加了制造成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制作简单、成本较低的用于气体净化的等离子体耦合光催化单元组件及其构成的气体净化器。

本发明的等离子体耦合光催化单元组件，包括电极、电极电源和光催化体，其特征在于：所述电极为平板状，两个平板状电极平行放置，在该两电极平板的内侧分别设有刚性的电介质阻挡层，所述光催化体是附载了光催化剂的平板状多孔体，该平板状多孔体放在两个电介质阻挡层的中间，两侧均有空隙，在两电介质阻挡层平板的周边设置密封挡板，并连接成整体，使平板状多孔体与两个电介质阻挡层之间形成两个密封内空间，在其中一个空间的侧壁上开设用作进气孔，并在另一个空间的对面侧壁上开设出气孔，两个分别设有进、出气孔的空间之间由平板状多孔体上的孔连通构成气流通道；或者用附载了光催化剂的平板状多孔体代替其中一个电极，该多孔体与另一个平板状电极平行放置，在平板状电极的内侧设有刚性的电介质阻挡层，该电介质阻挡层与平板状多孔体之间有空隙，在电介质阻挡层与平板状多孔体的周边设置密封挡板，并在侧壁上开设用作进气的孔，使多孔体与电介质阻挡层之间形成设有进气口的空间，并和多孔体上的孔连通构成气流通道。

本发明的气体净化器，包括壳体及气体净化组件，其特征在于，所述的气体净化组件是上述的等离子体耦合光催化单元组件，每台气体净化器中至少有一组；使用多组单元组件的，其气流通道并联和/或串联。

本发明中，所述的电极是整体的平板形状，可以是实体，也可以是有孔的。平板形状电极与电介质阻挡层之间采用通常的连接方式，如粘贴、夹持、涂镀等。由于电介质阻挡层是刚性的，这使得电极的刚性和放电均匀性都得到了有效的保证。因此只要采用通常的导电材料制作成薄片状即可作为电极，这使得电极的加工容易实现。同时由于电极材料与有害气体之间有电介质阻挡层相隔，能够避免电极材料被放电和腐蚀性气体侵蚀，这将大大延长电极的使用寿命。

所述的电介质阻挡层采用介电系数较大的材料制作，通常为陶瓷材料，也可以采用石英玻璃、聚四氟乙烯等绝缘材料制作。该电介质阻挡层亦可制作成薄片状使其便于加工，其大小、形状应与电极的大小、形状相适应，其厚度(通常为0.5-5毫米)应与电极的电压相适应，使之对电极起到完全的电阻挡作用，以免造成局部电击穿。

所述的附载了光催化剂的平板状多孔体，可以为金属、陶瓷、玻璃等材料制作，以条材、丝材等编织成网格状的薄片或在片材上打眼，也可以直接加工为多孔状，其上的孔眼是为了让气流通过。光催化体可以为单层或多层叠加，其总厚度通常选择在5-20毫米范围内，其孔径可选择在0.5-5毫米。所附载的光催化剂可以是具有光催化作用的氧化钛TiO₂(锐钛矿型)，此外还有SrTiO₃、ZnO、BaTiO₃、V₂O₅、SnO₂等金属氧化物半导体，或Si、GaAs、CdS、ZnS等单质半导体或化合物半导体。可采用通常的涂覆、喷涂、镀膜等方式，在多孔体的所有表面(包括外表面和孔眼内表面)形成光催化剂膜，这样既使得工艺过程简单，也使得光催化剂的比表面积增大，有利于提高光催化效果。

所述的光催化体与电介质阻挡层之间的间隙，通常选择间距在0.5-5毫米之间。该间隙与进气孔、出气孔形成进气流通道和出气流通道；同时该间隙也是等离子体放电的间隙。等离子体放电产生的紫外光，照射到光催化剂表面，产生光催化作用，通过光催化降解有机污染物，同时放电产生的臭氧、离子和自由基等也参与所有光催化剂表面有机污染物降解过程。当使用附载了光催化剂的平板状多孔体代替其中一个电极时，即多孔体上所附载的半导体光催化剂膜或多孔体本身具有导电的作用，使光催化体与平板状电极之间构成一对放电电极。此时光催化体既具有光催化作用、又兼有电极的作用，这样省却了另一电极，可节约成本、缩减体积。对于气体受污染严重的状况，还可使光催化体的上下两侧均设置带有电介质阻挡层的平板电极，形成双电极结构(即串连使用)，此时每一电极均与中间的光催化体构成一对放电电极，使进气道及出气道中同时产生等离子体放电的作用，从而进一步提高气体净化处理效果。

在本发明的空气净化器中，通过多组单元组件的气路并联，能够提高气体净化的处理能力；通过多组单元组件的串连，能够提高气体净化处理效果。也可通过串连和并联的混用，同时提高气体净化的处理能力和处理效果。串连时，各单元组件可顺序安置，也可两两相对安置，此时可省外围挡板，使两个单元组件的出气道共用，可进一步节约成本。

在本发明的空气净化器中，还可通过在出气道中或其出口处增用臭氧分解催化剂，把没有与有害物质反应的臭氧进行分解处理，以免向大气中释放对人体有害的臭氧；或者通过在进气道中或其进口处增用过滤装置将有害物质预先滤除一部分，以减少有害物质含量，并避免大固体颗粒直接进入光催化体堵塞孔眼，使光催化体上的孔眼保持畅通，充分发挥其光催化效果；通过在进/出气道中或其进/出口处使用风机，确保装置内的气体有一定的流速，从而获得所需要的处理能力。

本发明的空气净化器中所用的高压电源可根据设置环境的不同进行选择，例如输出占空比为0.5-0.01的直流脉冲或交流短脉冲电源、或频率为50Hz-100kHz的交流电源，如在交流电源上叠加相当于峰值的50-90％的直流偏压，可增加交流电源间歇工作的功能。

综上所述，本发明所述的等离子体耦合光催化单元组件，利用等离子体放电产生的紫外光，照射到光催化剂表面，产生光催化作用，使光催化降解有机污染物；放电产生的臭氧、离子和自由基等也参与所有光催化剂表面有机污染物的降解过程，这大大加快了污染物分解过程，使净化气体污染物的效果更好。同时，由于不需要将电极做成特定的多孔电极，使电极加工方便；光催化体上所附载的光催化剂为膜状，制作工艺简单。由于以上原因，使得总的制作成本明显降低。本发明的等离子体耦合光催化单元组件，能够根据不同使用场合的不同要求，选择不同的气路并联和/或串联的组合，组装成气体净化器，使其净化效果得到最大发挥。

附图说明

图1是本发明的单元组件的基本结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是本发明单元组件的一种实施例的结构示意图。

图4是本发明单元组件的另一种实施例的结构示意图

图5是由本发明的气体净化器的实施例结构示意图。

图6是由本发明的气体净化器另一种的实施例(单元组件的气路并联/串联混合使用)结构示意图。

具体实施方式

参见图1、图2，两块平行放置的电介质阻挡层2为陶瓷平板，其厚度为1毫米，在该陶瓷板2的外侧(放电间隙的背面)镀上一层厚度为0.02-0.1毫米的铜膜作为电极1，平板状光催化多孔体3是直径0.5毫米左右的铜丝编制的网片，网孔约为2毫米，12片叠加而成，总厚度约为6毫米，以镀膜方式附载在网片上的光催化剂膜为氧化钛TiO₂(锐钛矿型)，在电介质阻挡层2与光催化多孔体3之间分别有5毫米间隙。工程塑料制作的密封件6将两平板状光催化多孔体连接成一整体，并构成密封内空间。其侧壁上的进气口4、出气口5和多孔光催化体3上的孔构成了通畅的气流通道，气流流动方向如箭头所示。图中还示意表达了两电极与电源N的连接情况。该电源可采用放电频率为50kHz、电压为8kV、脉冲占空比为0.2的交流放电装置。

图3是本发明单元组件的另一种实施例的结构示意图。该实施例中用附载了光催化剂的平板状多孔体7代替一个电极平板，该平板状多孔体与依附有电极的电介质阻挡层8平行放置，密封件9将电介质阻挡层8和平板状多孔体7连成一整体，图中也示意表达了两电极与电源N的连接。其箭头表达气流流动方向。

图4是图3实施例的改进，即在平板状多孔体的下方设置同等大小的底版9，并有密封件将其与电介质阻挡层、多孔体连成一整体。底板10与多孔体之间的空隙作为气流的出气道，11是设置在该出气道上的臭氧分解催化剂-活性炭材料。图中的箭头表示气流流动方向。

在图5的气体净化器实施例中，共使用了4组等离子体耦合光催化单元组件，单元组件的基本形式如上述图3所示。12是上两组共用的的出气道，16是下两组共用的的出气道。电极13也是共用件，在该电极13的上下两侧均设有电介质阻挡层，分别用于上下两个密封腔中。从气流流动方向上看，上、下两组内的两个单元组件的气流通道为并联，上、下两组的气流通道也为并联。为了提高净化效果，本净化器中还设置了风扇14，在进气口的气流路上还设置了滤网15，由尼龙或金属网构成，用以粗滤气体中的有害物质，以减少有害物质含量并避免大固体颗粒进入光催化多孔体，使孔眼保持畅通。在出气口的气流路上设置了臭氧分解催化剂16，如活性炭，对没有与有害物质反应的臭氧进行分解处理，以免向大气中释放对人体有害的臭氧。图中示意表达了7个电极与电源N的连接。图中的箭头表示气流流动方向。

图6是由单元组件的气路并联加串联混合使用组成的气体净化器的结构示意图。该实施方案中，使用相同的上、下两组。在每一组中有两层平板状光催化多孔体，该两层多孔体分别和上、中或中、下的两个平板状电极及其电介质阻挡层构成气流通道。如上组中，18和20即为两层平板状光催化多孔体，多孔体18和上电极19构成一对放电电极，多孔体20和中电极21构成一对放电电极。穿过多孔体18的被污染气体进入吸附层22，然后再穿过多孔体20进入排气道，从出气孔再一次穿过吸附层才排出到外部环境中。本实施例使有害气体连续两次穿过光催化多孔体，通过光催化降解有机污染物，能够进一步提高气体净化处理效果，适用于气体受污染严重的状况。图中的箭头表示气流流动方向，另外也示意表达了7个电极与电源N的连接。

Claims (4)

1.一种等离子体耦合光催化单元组件，包括电极、电极电源和光催化体，其特征在于：所述电极为平板状，两个平板状电极平行放置，在两电极平板的内侧分别设有刚性的电介质阻挡层，所述光催化体是附载了光催化剂的平板状多孔体，该平板状多孔体放在两个电介质阻挡层的中间，两侧均有空隙，在两电介质阻挡层平板的周边设置密封挡板，并连接成整体，使平板状多孔体与两个电介质阻挡层之间形成两个密封内空间，在其中一个空间的侧壁上开设进气孔，并在另一个空间的对面侧壁上开设出气孔，两个分别设有进、出气孔的空间之间由平板状多孔体上的孔连通构成气流通道。

2.如权利要求1所述的等离子体耦合光催化单元组件，其特征在于，所述电极之一用附载了光催化剂的平板状多孔体代替其中一个电极，该多孔体与另一个平板状电极平行放置，在平板状电极的内侧设有刚性的电介质阻挡层，该电介质阻挡层与平板状多孔体之间有空隙，在电介质阻挡层与平板状多孔体的周边设置密封挡板，并在侧壁上开设用作进气的孔，使多孔体与电介质阻挡层之间形成设有进气口的空间，并和多孔体上的孔连通构成气流通道。

3.使用权利要求1或权利要求2所述的等离子体耦合光催化单元组件制作的气体净化器，包括壳体及气体净化组件，其特征在于，所述的气体净化组件是上述的等离子体耦合光催化单元组件，每台气体净化器中至少有一组。

4.如权利要求3的气体净化器，其特征在于，使用多组等离子体耦合光催化单元组件时，其气流通道并联和/或串联。

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