CN102139184B - 气体净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气体净化装置，包括藻类光合作用装置、气体净化器和风机，该藻类光合作用装置包括含有微藻的藻液，所述藻液包括藻种原液和培养基，且藻液能够利用其中的微藻进行光合作用吸收通过藻液的气体中的二氧化碳，其中：所述藻类光合作用装置包括包含藻液的微藻养殖器和设置在所述微藻养殖器底部的布风器，所述风机将待净化气体输送到所述藻类光合作用装置的布风器，且所述微藻养殖器的顶部设置有气体导出装置；所述微藻养殖器被分隔成若干隔间，所述布风器将气体引导到至少一个隔间，且从隔间出来的气体经由所述气体导出装置排出到环境中。
Description
技术领域
本发明涉及气体净化领域，更具体地，涉及去除二氧化碳的气体净化装置。
背景技术
二氧化碳的大量积聚，引起温室效应，导致全球气候变暖。
微藻每年固定的CO2大约为0.95×1011吨，占全球净光合产量的47.5％，在能量转化和碳元素循环中起到举足轻重的作用。微藻与陆生高等植物有着相同的光合作用机理，但由于它们有着简单的细胞结构，通常能够更有效地转化太阳能(光合作用转化效率可达到10％以上)。利用微藻生物质开发，还可以联产具有特殊价值的高附加值产品。
空气污染物主要是挥发性有机化合物(VOCS)、粉尘颗粒物和微生物等，其中VOCS是主要污染物，主要是醛类、苯类、氨、一氧化碳、硫化物等污染物，它们的存在直接影响人们的身体健康。
废气/空气净化的一个最基本的要求是不能产生二次污染，这就需要寻找一种经济有效且环境友好的处理方法。以TiO2为催化剂，利用光催化的方法氧化降解废气/空气中的VOCS是近年来日益受到重视的一项污染治理新技术(此技术也叫光触媒技术)。这个过程最终产物通常只有CO2和H2O，但不能从根本上解决CO2减排问题。但是，光触媒在降解污染物时会产生CO2气体，当室内CO2浓度较高时会使人感到胸闷气短，耳鸣头疼等，不利于身体健康。
发明内容
鉴于此，本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。
根据本发明的一个方面，提出了一种气体净化装置，包括：
气体净化器，所述气体净化器包括能够把待净化的气体中的污染物降解成二氧化碳和水的光催化剂触媒器件；
藻类光合作用装置，包括藻液，所述藻液能够利用其中的微藻进行光合作用以吸收通过藻液的气体中的二氧化碳；含有藻液的微藻养殖器；设置在所述微藻养殖器底部的布风器；和设置在所述微藻养殖器的顶部的气体导出装置，和
风机，所述风机将从所述光催化剂触媒器件出来的气体经由所述布风器送入到微藻养殖器的藻液中，
其中，所述微藻养殖器被分隔成若干隔间，所述布风器将该气体引导到至少一个隔间，经隔间出来的气体由所述气体导出装置排出到环境中。
在一个实施例中，所述藻液由独立包装的微藻藻种原液、独立包装的培养基、和水配制而成。
在一个实施例中，所述微藻藻种包括蓝藻、绿藻、红藻、金藻中的一种或它们至少两种的组合。
具体地，所述布风器将气体同时引导到每个隔间，且每个隔间的顶部设置有供气体引出的顶部开口，所述顶部开口形成为所述气体导出装置的至少一部分。有利地，所述气体导出装置还具有同时与每个隔间的顶部开口连通的气体出口。
可选地所述布风器将气体引导到微藻养殖器多个隔间中在气体流动路径上的第一个隔间，且相邻的两个隔间的顶部或底部交替相连，使气体从第一个隔间依次流到气体流动路径上的最后一个隔间；所述气体导出装置至少具有位于气体流动路径上的最后一个隔间顶部的供气体引出的的顶部开口。
有利地，所述气体净化器还包括初效过滤器和静电除尘器，所述风机使待净化的气体依次通过所述初效过滤器、静电除尘器、光催化剂触媒器件，且从所述光催化剂触媒器件出来的气体经由所述布风器进入到所述藻类光合作用装置。
更进一步地，所述气体净化器和所述风机置于所述底座内，且所述底座上设有供风机抽吸从光催化剂触媒器件出来的气体的开口；且所述藻类光合作用装置由所述底座支撑地置于所述底座上方，且所述藻类光合作用装置具有平板形状、弧型形状或圆柱形状。有利地，所述气体净化装置还包括气体传感器，用于检测被所述气体净化装置净化后的气体的质量状况和/或环境气体的质量状况；和电子显示装置，用于显示所述检测后的气体的质量状况。
所述光催化剂触媒器件可以包括光催化剂负载网和紫外光产生器，所述光催化剂负载网上负载有催化剂，所述紫外光产生器用于产生紫外光来照射光催化剂负载网，以使所述光催化剂负载网上的催化剂产生催化活性；所述催化剂负载网由一层或多层的网孔为0.01mm-2mm的金属或陶瓷制成；所述催化剂为纳米级TiO2、ZnO、Nb2O5、WO3、SnO2、ZrO、Fe2O3、CdS、ZnS中的一种或它们至少两种的混合物。
可选地，藻类光合作用装置布置在采光场所，例如屋顶上、阳台上、客厅等。进一步地，所述藻类光合作用装置为多个，所述风机使待净化的气体经由所述光催化剂触媒器件，并供给到所述多个藻类光合作用装置。
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
附图说明
图1是本发明的气体净化装置的工作原理示意图；
图2是本发明的一个实施例的气体净化器的结构示意图；
图3是本发明的气体净化器中的光催化剂触媒器件的示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的气体净化装置的示意图；
图5是根据本发明的一个实施例的微藻光合作用装置的示意图；
图6是根据本发明的一个实施例的气体净化装置的示意图；和
图7是根据本发明的一个实施例的微藻光合作用装置的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
下面参考图1至5说明根据本发明一个实施例的气体净化装置。
根据本发明的气体净化装置包括：
气体净化器3，气体净化器3包括能够把待净化的气体中的污染物降解成二氧化碳和水的光催化剂触媒器件35；
藻类光合作用装置5，包括：
藻液151，藻液151能够利用其中的微藻进行光合作用以吸收通过
藻液的气体中的二氧化碳；
含有藻液的微藻养殖器150；
设置在微藻养殖器150底部的布风器11；和
设置在微藻养殖器150的顶部的气体导出装置，和
风机4，风机4将从光催化剂触媒器件35出来的气体经由布风器11送入到微藻养殖器150的藻液中，
其中，微藻养殖器150被分隔成若干隔间，布风器11将气体该气体引导到至少一个隔间，且经隔间出来的气体由所述气体导出装置排出到环境中，例如，排出到室内环境中。在本发明中，微藻养殖器150内部被分成若干隔间，这有利于微藻混合和气体吸收。
藻液可以由独立包装的微藻藻种原液、独立包装的培养基、和水配制而成。这样，只需根据需要将藻种原液、培养基添加一定比例的水或纯净水即可获得适合于微藻生长的藻液。
所述微藻藻种可以包括蓝藻、绿藻、红藻、金藻中的一种或它们的任意组合。
布风器11将气体同时引导到每个隔间，且每个隔间的顶部设置有供气体引出的顶部开口，所述顶部开口形成为所述气体导出装置的至少一部分。尽管没有示出，每个隔间的顶部开口可以不是彼此连通，这样，所述气体导出装置也可以包括分别设置在每个隔间的顶部的多个顶部开口。经过净化的气体可直接通过该顶部开口排出到环境中。可选地，所述气体导出装置还具有同时与每个隔间的顶部开口连通的气体出口13。图5中仅仅是示意性地示出了该气体出口13。气体出口13的形式不限于此，例如，气体出口13可以具有其它形状，可以设置在微藻养殖器150的顶部的其它位置，还可以包括多个孔口。
布风器11可以根据需要在每个隔间中设置有一个开口用于注入待净化的气体，当然也可以在每个间隔中设置多个开口，这同样适用于布风器11向隔间供给气体的其它情形。
在本发明中，布风器11将气体引导到气体流动路径上的第一个隔间中；所述气体导出装置包括设置在位于气体流动路径上的最后一个隔间的隔间顶部出口；且相邻隔间的底部彼此连通或者相邻隔间的顶部彼此连通，即相邻的两个隔间的顶部或底部交替相连，从而气体从第一个隔间顺次流动到最后一个隔间。这样，待净化的空气依次经过每个隔间，这样可以增加待净化的气体的净化效果。所述气体导出装置至少具有位于气体流动路径上的最后一个隔间顶部的供气体引出的的顶部开口。从顶部开口引出的气体可以经由另外的气体分配器进入到环境中。
为了实现除去气体中的VOCS、粉尘颗粒物和微生物等，气体净化器3还可包括初效过滤器33、静电除尘器34，利用风机4，待净化的气体依次通过初效过滤器33、静电除尘器34、光催化剂触媒器件35，从气体净化器的光催化剂触媒器件35出来的气体经由布风器11进入到藻类光合作用装置5。这样，含有污染物质和尘埃的废气1通过风机4被吸入气体净化器3中，之后将被气体净化器3净化的气体输送到藻类光合作用装置5中用于除去其中的二氧化碳。上述气体净化装置将微藻光合作用装置5与气体净化器相结合，达到空气净化，减少CO2排放的目的，同时得到微藻产品。
如图2和3中所示，光催化剂触媒器件35包括光催化剂负载网37和紫外光产生器36，光催化剂负载网37上负载有催化剂，该紫外光产生器36产生紫外光来照射光催化剂负载网37，以使得光催化剂负载网37上的催化剂产生催化活性，光催化剂负载网37由一层或多层的网孔为0.01mm-2mm的金属或陶瓷制成，且所述催化剂为纳米级TiO2、ZnO、Nb2O5、WO3、SnO2、ZrO、Fe2O3、CdS、ZnS中的一种或它们至少两种的混合物。
在本发明的一个实施例中，该紫外光产生器36设置在光催化剂触媒器件35和静电除尘器34之间，当然，只要能够起到使催化剂具有催化活性的功能，本领域技术人员应当理解该紫外光产生器36也可以采用其它的布置方式，例如设置在光催化剂触媒器件35的上方。在一个实施例中紫外光产生器36可以是紫外灯。
室内空气污染物的主要成分为：甲醛、苯及苯系物、VOCS、氨等。通过气体净化器可将室内污染物完全降解为二氧化碳和水，然后通过微藻光合作用装置吸收气体中的二氧化碳，同时释放出氧气，起到室内净化器和加湿器的作用，成为一种理想的“家庭氧吧”。如图4中所示，所述气体净化装置还可包括：底座6，其中：气体净化器3和风机4置于底座6内，且底座6上设有供风机4抽吸从光催化剂触媒器件35出来的气体的开口；且藻类光合作用装置5由底座6支撑地置于底座6上方，且藻类光合作用装置5具有平板形状、弧型形状或圆柱形状。可以将本发明的气体净化装置用于室内空气污染物的净化。具体地，风机4将室内空气导入气体净化器3内，气体净化器3采用纳米TiO2颗粒作为光催化剂，使其依次通过初效过滤器、静电除尘器，以及光催化剂触媒器件，通过除尘和去污分解过程，然后产生的富含二氧化碳的气体经管道(未示出)由布风器输送到屏风式微藻光合作用装置5中(其中，培养到对数生长期的微藻事先按一定比例接入到微藻光合作用装置5的藻液151中)，气体中的二氧化碳在经过微藻光合作用装置5中的微藻吸收利用后，转化成氧气从微藻光合作用装置5顶部的出口13释放出来到室内。
所述气体净化装置还包括气体传感器8，用于检测被所述气体净化装置净化后的气体的质量状况和/或环境气体的质量状况；和电子显示装置7，用于显示所述检测后的气体的质量状况。气体传感器8可以设置在所述底座6中，电子显示装置7可以设置在气体净化器3的外表面上。气体传感器8和电子显示装置7也可以设置在不同于附图4中示出的位置。电子显示装置7可以是电子显示屏，气体传感器8的检测结果可显示于电子显示装置上，让人们清楚的了解室内空气的质量情况，做到有效的防护。
还可在进入布风器11的气体通路上设置止回阀12。
以下以还包括气体净化器的气体净化装置为例对本发明的气体净化装置的工作方式进行说明。
首先废气1通过初效过滤器33，较大颗粒的尘埃被吸附到初效过滤器33上。通过初效过滤器33后的废气1再经过静电除尘器34，静电除尘器34由高压电网组成，在静电除尘器34内等离子场的作用下较小颗粒的尘埃被吸附到高压电网上，经过静电除尘后的废气1基本不再含有尘埃。之后，废气1通过光催化剂负载网37，在紫外灯36的照射下光催化剂颗粒开始具有催化活性，其产生的具有强氧化性的空穴或离子将废气中的VOCS有害气体分解为二氧化碳和水。因此，经过气体净化器净化之后，废气1中仅含有二氧化碳。最后，净化后的气体2再输送到微藻光合作用装置5中，其中的微藻利用光合作用吸收二氧化碳，把二氧化碳中的碳转化成自身生物质，释放出氧气，从而减少温室气体排放，改善环境质量。微藻吸收的CO2有两个来源：一是空气中本身含有的二氧化碳，二是光催化剂触媒器件降解VOCS而得到的二氧化碳。因此，经上述气体净化装置净化后的气体中，因为除去了其中的VOCS、粉尘颗粒等污染物且将其中的二氧化碳转化成氧气，从而得到了干净的富含氧气的气体。
藻类光合作用装置5也可以布置在采光场所(例如，如图6中所示，在屋顶上，也可以布置在阳台或窗台或外墙上)，布置在室外，不仅光线充足有利于藻类的生长，而且不占用室内空间。如图6中所示，藻类光合作用装置5可以为多个，风机4使待净化的气体至少经由光催化剂触媒器件35，并供给到多个藻类光合作用装置5。
气体净化装置所要净化的污染物可包含挥发性有机化合物、粉尘颗粒以及微生物的空气污染物或包括烃类、卤代烃类、醇酚醚类、醛酮类、羧酸及衍生物类、稠环杂环类和胺类的油烟污染物。
下面以去除餐饮油烟作为室内气体的污染物为例进行说明。油烟的主要污染物为：烃类、卤代烃类、醇酚醚类、醛酮类、羧酸及衍生物类、稠环杂环类和胺类。通过光催化剂触媒器件35可将油烟污染物降解为二氧化碳和水，然后通过微藻光合作用装置吸收气体中的二氧化碳，同时释放出氧气，起到空气净化的作用，成为一种理想的微藻养殖与餐饮油烟气体净化相结合的装置。
具体地，风机4将餐饮产生的油烟气体导入光催化剂触媒器件35或含有光催化剂触媒器件35的气体净化器3内，光催化剂触媒器件35采用纳米ZnO颗粒作为光催化剂，使油烟气体进行去污分解过程，然后产生的富含二氧化碳的气体由管路输送到微藻光合作用装置5(培养到对数生长期的微藻事先按一定比例接入到微藻光合作用装置5的藻液151中)，气体通过微藻光合作用装置5底部的布风器11扩散到微藻光合作用装置5中，二氧化碳在微藻光合作用装置5中被微藻吸收利用后，转化成氧气从微藻光合作用装置5的顶部释放出来。其中气体净化器3或光催化剂触媒器件35和微藻光合作用装置5可以置于屋顶。本发明的光催化剂可采用TiO2、ZnO、Nb2O5、WO3、SnO2、ZrO、Fe2O3、CdS、ZnS等。本发明的光催化剂负载网主要选用金属(Ti、Ni、Fe等)或陶瓷(TiO2、Al2O3等)制成，可选用一层网或多层网，网孔大小为0.01mm～2mm。
另外，藻种原液按品种和规格进行不同包装，品种根据需求进行不同选择，主要品种有：蓝藻、绿藻、红藻、金藻等；规格为：1∶100接种液；1∶50接种液；1∶20接种液等，包装为袋状或桶装(藻种包装上标注适用培养基)，密封保存、常温保质期为5-10天。培养基的固体规格为：10L/袋、50L/袋、100L/袋等，不同藻种选择不同型号培养基(培养基包装上标注适用藻种)，根据培养反应器的大小进行选择。培养一个周期为25-35天，视不同藻种而定，培养一个周期结束后藻内活性物质积累较多，藻液视不同功能而定，可集体回收，也可作为花鸟鱼虫的养料自行处理；清洗反应器，可直接用清水也可用专业清洗液，清洗干净后，重新选购藻种和培养基开始新一次的培养。
综上所述，上述的藻液的配制简化了藻液的制备过程即按照预定比例配制藻种原液、培养基以及水即可获得，从而使得有利于上述的藻液用于工业化。
微藻CO2处理量：
以的室内微藻光合作用装置的产量为理论计算依据；微藻光合作用装置宽1m、高2m、厚2cm，体积为40升，受光面积约为4m2，每天其生物质产量约为2g/m2；吸收2g CO2约可获得1g生物质；则每天CO2的处理量约为16g，每月处理量为480g，每年处理量为5.84kg。
室内CO2含量：40×3×1000÷22.4×0.03％×44≈70g
其中40×3——按40m2，高3m的居室计算
1000——m3与L的换算
22.4——气体常数
0.03％——空气中CO2体积百分比
44——CO2分子量
32——O2分子量
每天的处理量为室内原CO2含量的16/70＝22.85％
每天产生的O2量为16×32÷44＝11.63g/d
注：室内二氧化碳浓度标准为1260mg/m3，甲醛标准浓度为0.1mg/m3，两者差1万倍，也就是说处理甲醛转化成的二氧化碳量为原有量的1万分之一，根据上面的计算，一定能够吸收在气体净化过程中产生的二氧化碳，因此不会产生二次污染。
综上所述，本发明的气体净化装置具有以下有益技术效果：第一，可以有效除去废气中的污染物，并且通过微藻吸收二氧化碳，同时释放出氧气，有利于人体健康，减少了废气对环境的污染，缓解了二氧化碳产生的温室效应；第二，每天可吸收室内原二氧化碳含量的22.85％，产生11.63g/d的氧气；第三，此种空气清洁方法不会给空气带来二次污染，因为TiO2是一种无毒，无挥发性的半导体材料，同时最终产生的是氧气，不会带来环境污染；第四，降低净化气体的成本，纳米TiO2、ZnO等是造价相对较低的催化剂。
上述本发明的实施例仅例示性的说明了本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，熟知本领域的技术人员应明白，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，对本发明所作的任何改变和改进都在本发明的范围内。本发明的权利保护范围，应如本申请的申请专利范围所界定的为准。
Claims (11)
1.一种气体净化装置，包括：
气体净化器，所述气体净化器包括能够把待净化的气体中的污染物降解成二氧化碳和水的光催化剂触媒器件；
藻类光合作用装置，包括：
藻液，所述藻液能够利用其中的微藻进行光合作用以吸收通过藻液的气体中的二氧化碳；
含有藻液的微藻养殖器；
设置在所述微藻养殖器底部的布风器；和
设置在所述微藻养殖器的顶部的气体导出装置，和
风机，所述风机将从所述光催化剂触媒器件出来的气体经由所述布风器送入到所述微藻养殖器的藻液中，
其中，所述微藻养殖器被分隔成若干隔间，所述布风器将该气体引导到至少一个隔间，经隔间出来的气体由所述气体导出装置排出到环境中；
所述光催化剂触媒器件包括光催化剂负载网和紫外光产生器，所述光催化剂负载网上负载有催化剂，所述紫外光产生器用于产生紫外光来照射光催化剂负载网，以使所述光催化剂负载网上的催化剂产生催化活性；所述催化剂负载网由一层或多层的网孔为0.01mm-2mm的金属或陶瓷制成；所述催化剂为纳米级TiO2、ZnO、Nb2O5、WO3、SnO2、ZrO、Fe2O3、CdS、ZnS中的一种或它们至少两种的混合物。
2.根据权利要求1所述的气体净化装置，其中：
所述藻液由独立包装的微藻藻种原液、独立包装的培养基、和水配制而成。
3.根据权利要求2所述的气体净化装置，其中：
所述微藻藻种包括蓝藻、绿藻、红藻、金藻中的一种或它们至少两种的组合。
4.根据权利要求1所述的气体净化装置，其中：
所述布风器将气体同时引导到每个隔间，且每个隔间的顶部设置有供气体引出的顶部开口，所述顶部开口形成为所述气体导出装置的至少一部分。
5.根据权利要求4所述的气体净化装置，其中：
所述气体导出装置还具有同时与每个隔间的顶部开口连通的气体出口。
6.根据权利要求1所述的气体净化装置，其中：所述布风器将气体引导到微藻养殖器多个隔间中在气体流动路径上的第一个隔间，且相邻的两个隔间的顶部或底部交替相连，使气体从第一个隔间依次流到气体流动路径上的最后一个隔间；所述气体导出装置至少具有位于气体流动路径上的最后一个隔间顶部的供气体引出的的顶部开口。
7.根据权利要求1-6任一项所述的气体净化装置，其中：
所述气体净化器还包括初效过滤器和静电除尘器，所述风机使待净化的气体依次通过所述初效过滤器、静电除尘器、光催化剂触媒器件，且从所述光催化剂触媒器件出来的气体经由所述布风器进入到所述藻类光合作用装置。
8.根据权利要求7所述的气体净化装置，还包括底座，其中：所述气体净化器和所述风机置于所述底座内，且所述底座上设有供风机抽吸从光催化剂触媒器件出来的气体的开口；且所述藻类光合作用装置由所述底座支撑地置于所述底座上方，且所述藻类光合作用装置具有平板形状、弧型形状或圆柱形状。
9.根据权利要求8所述的气体净化装置，还包括：
气体传感器，用于检测被所述气体净化装置净化后的气体的质量状况和/或环境气体的质量状况；和
电子显示装置，用于显示所述检测后的气体的质量状况。
10.根据权利要求7所述的气体净化装置，其中：
所述藻类光合作用装置布置在采光场所。
11.根据权利要求1-6任一项所述的气体净化装置，其中：
所述藻类光合作用装置为多个，所述风机使待净化的气体经由所述光催化剂触媒器件，并供给到所述多个藻类光合作用装置。
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