CN103388858B - 一种基于放电等离子体的室内气体净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于放电等离子体的室内气体净化装置，包括开设有气体入口和气体出口的壳体，在气体入口与气体出口之间的壳体内依次设有风扇、介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区。本发明利用相对布置的两个放电单元产生较均匀的低温等离子体，在介质阻挡电晕放电处理区内对有害气体进行氧化处理，对可吸入颗粒物进行异极性荷电凝并处理，接着在粉尘收集区对可吸入颗粒物进行收集，该装置无需化学制剂、物理添加剂以及特殊气体氛围，低能耗，可用于大气压下室内气体净化，效果良好。

Description

一种基于放电等离子体的室内气体净化装置

技术领域

本发明属于室内空气净化装置技术领域，涉及到一种基于放电等离子体的室内气体净化装置。

背景技术

目前，随着经济的快速发展，大气环境污染问题已经引起了工业界和科学界的广泛关注，但相对于室外大气环境污染，室内空气的污染问题普遍没有得到人们的重视。但实际上，人们每天大约有80%以上的时间是在室内度过的，所呼吸的空气主要来自于室内，室内空气污染将直接威胁人体健康。随着工业的发展和人民生活水平的提高，各种建筑装饰材料、家具、日用化学品涌入室内，室内空气污染物的来源和种类日趋增多，造成室内空气污染程度在室外空气污染的基础上更加重了一层。世界卫生组织调查显示，人体大约有68%的疾病是由于室内空气污染造成的。国外研究机构通过检测发现，在室内空气中存在500多种挥发性有机化合物，其中致癌物质就有20多种，致病病毒200多种，危害较大的主要有：氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。同时，可吸入颗粒物（粒径小于10μm，PM10）也是室内空气中危害较大的污染物之一，由于其粒径较小，容易被吸入人体呼吸道较深的位置并累积，对人体健康危害较大，作为影响室内空气品质的重要因素，可吸入颗粒物也逐渐受到人们的关注。

目前现有的室内空气净化技术包括机械过滤法，静电除尘法，物理吸附法，光催化氧化法，负离子法和低温等离子体法等。近年来，应用低温非平衡等离子体进行污染空气的处理已经成为国内外学者的研究热点。

等离子体所拥有的高能电子与空气中分子碰撞时可产生一系列基元物化反应，在反应过程中会产生多种活性自由基和生态氧。活性自由基可以有效地破坏各种病毒、细菌中的核酸、蛋白质，使其不能正常的代谢和生物合成，从而致其死亡；生态氧能迅速将多种高分子异味气体分解或部分还原为低分子无害物质；同时，低温等离子体中还富含大量的正负离子，当气体通过等离子体区时正负离子会与气体中的粉尘发生碰撞，进而对小至亚微米量级的细微颗粒物进行有效的异极性荷电与凝并，辅以直流电场进行颗粒物收集能够达到去除可吸入颗粒物的作用。

目前市面上的大部分室内气体净化装置均采用物理吸附原理，其处理效果受限于吸附剂的性质而并不十分明显，同时吸附剂由于吸附饱和后需要定时更换，使得其应用具有一定的局限性。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于放电等离子体的室内气体净化装置,该装置基于放电等离子体和板板静电集尘，可在室内进行高效、便捷的气体净化。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于放电等离子体的室内气体净化装置，该装置包括开设有气体入口和气体出口的壳体，在气体入口与气体出口之间的壳体内依次设有风扇、介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区；

所述的介质阻挡电晕放电处理区由相对设置的放电单元构成，每个放电单元包括绝缘介质、高压电极、阻挡介质和接地筛网电极；其中，接地筛网电极与高压电极分别紧贴在阻挡介质的两侧，接地筛网电极与高压交流电源接地端相连接，高压电极与电源高压端相连接；

所述的粉尘收集区由多片金属板构成，每两板间相距一定距离，相对平行放置，通电之后相邻的金属板之间形成静电场。

所述的两个放电单元相互平行，接地筛网电极相对设置，筛网间相距2～4cm，形成一个放电等离子体处理区；每个放电单元分别由一个高压交流电源驱动。

所述还用尼龙螺丝将绝缘介质、高压电极、阻挡介质与接地筛网电极按顺序贴合固定，然后固定在箱体内设置的上、下内衬绝缘板上，其中与高压交流电源相连接的电源线还被植入在聚四氟乙烯板内。

所述的绝缘介质为5～10mm厚的聚四氟乙烯板，高压电极为1～2mm厚的铝合金板，阻挡介质为1～1.5mm厚的氧化铝陶瓷，接地筛网电极为20～25目的可定型铝合金筛网，其中筛网细丝的直径为0.3～0.5mm；所述的高压电极与接地筛网电极之间的交流高压峰峰值为5～8.5kV，电压频率范围为10kHz～25kHz。

所述的粉尘收集区设置在壳体内的轨道上，推拉后可被取出、放进；

金属板为铝合金板，其边缘还设有绝缘封装。

所述的粉尘收集区由三片矩形金属板构成，金属板由高压直流电源驱动，中间的一片金属板接高压直流电源高压端，两侧的金属板接直流电源接地端。

所述的金属板为厚度1～2mm的铝合金板，金属板面积为60～80cm²，金属板之间的间距为1～3cm，直流高压幅值为3～18kV，相邻的金属板之间的场强在3～6kV/cm。

所述的壳体为硬质壳体，壳体上的气体入口处安装有过滤网，壳体上的气体出口处设有脱扣结构，便于卸下气体出口板，抽出粉尘收集装置进行清灰清理；

风扇的风力能够使空气通过介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区，由气体出口排出；介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区之间距离保证无高压放电发生。

所述的高压交流和粉尘收集区的驱动电源均与工频市电相连接，分别安装在壳体内，并与介质阻挡电晕放电处理区、粉尘收集区相独立。

所述的壳体上还设有定时器和档位旋钮；

定时器用来设定进行气体净化的时间；

档位旋钮控制介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区的工作状态，包括3个档位：停止档、1档和2档；其中，1档对应仅粉尘收集区工作、2档对应介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区均工作。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、本发明提供的基于放电等离子体的室内气体净化装置，是基于介质阻挡电晕放电（DBCD）等离子体和板板静电集尘进行气体净化的装置。当外界空气被壳体内风扇吹入介质阻挡电晕放电处理区，其中甲醛等有害气体在等离子体处理区内被氧化，生成CO₂和H₂O等无害物质；而空气中的可吸入颗粒物经过等离子体处理区时，由于碰撞或随机吸附正负离子从而实现异极性荷电，当颗粒物吸附不同极性的离子时，还会发生凝并，从而较小粒径的颗粒物结合为较大粒径的颗粒物，更有利于在静电场中被吸附；经过异极性荷电和凝并的颗粒物进入粉尘收集区，在直流高压电场的作用下被吸附在铝合金板上，如此不断进行有害气体处理与粉尘收集；

等离子体与有害气体发生氧化反应，并对可吸入颗粒物进行异极性荷电凝并进而被收集，所需能量仅为少量电能，能够长期使用，仅需定期清理粉尘收集装置，解决了使用吸附剂处理效率较低和需要定期更换的缺点；

此外，由于介质阻挡电晕放电区对可吸入颗粒物的异极性荷电凝并作用，能够提高对颗粒物尤其是小粒径颗粒物（PM1）的收集率；而传统的静电除尘对于PM2.5以下的颗粒物吸附效果并不令人满意；因此，本装置能够达到室内气体、小粒径颗粒物的净化要求，具有广泛的应用前景。

具体的，采用本装置对以0.5μm和2μm粒径的硅粉模拟小粒径可吸入颗粒物进行收集，结果显示，经过介质阻挡电晕放电处理区的异极性荷电凝并后，两种粒径的颗粒物的一次通过收集率均得到了显著提高，效果良好。

2、本发明提供的基于放电等离子体的室内气体净化装置，介质阻挡电晕放电处理区采用两个放电单元相对放置的结构，能够形成一个立体放电区，大大增加了有效处理面积，提高处理效率，同时，根据应用时具体情况的不同，可以增加放电单元，成倍增加处理面积；

3、本发明提供的基于放电等离子体的室内气体净化装置，由于低温等离子体内所含活性成分的强氧化性，使得该净化装置对所处理有害气体的普适性强，并不局限于某几种气体。该装置无需化学制剂、物理添加剂以及特殊气体氛围，低能耗，可用于大气压下室内气体净化，效果良好。

4、本发明提供的基于放电等离子体的室内气体净化装置，处理过程能够在常温常压下进行，不需要成本昂贵的低压设备，能耗较低，有效处理面积较大，并可根据应用中的实际情况，如室内面积大小对放电单元与粉尘收集装置进行增加或者减少，提高处理效率，同时装置的维修方便。

该气体净化装置通过介质阻挡电晕放电等离子体来进行气体净化，放电等离子体中所含活性产物较丰富，活性粒子与被处理气体发生一系列复杂的物理化学反应，最终产物多为无害的气体成分。

以室内具有典型性的甲醛气体作为气体处理对象为例，间接气相自由基反应，即等离子体中活性OH或O自由基与HCHO分子碰撞反应，即

HCHO+OH→H₂O+CHO

HCHO+O→OH+CHO

生成的CHO自由基经以下反应最终生成CO₂和H₂O。

CHO+H→H₂+CO

CHO+O₂→CO+OH

CHO+OH→H₂O+CO

CHO+H₂O→OH+H+CO₂

CHO+O→OH+CO

CHO+O→H+CO₂

CO+O→CO₂

CO+OH→CO₂+H

附图说明

图1为本发明的结构俯视示意图；

图2为本发明的结构左侧侧视示意图；

图3为本发明的结构正面示意图；

图4为本发明的DBCD放电单元具体布置示意图；

图5为本发明的DBCD放电单元的详细结构示意图；

图6为本发明进行气体净化的流程图；

图7-1为介质阻挡电晕放电等离子体处理后甲醛浓度变化

图7-2为不经处理甲醛浓度变化（对照组）示意图；

图8-1、图8-2分别为本发明对两种不同粒径（0.5μm、2μm）的可吸入颗粒物的收集作用效果图。

其中，1为高压电极，2为阻挡介质，3为接地筛网电极，4为绝缘保护介质，5为箱体内衬绝缘板，6为高压交流电源，7为矩形金属板，8为高压直流电源，9为绝缘封装，10为塑料壳体，11为介质阻挡电晕放电处理区，12为粉尘收集区，13为风扇，14为气体入口，15为气体出口，16为尼龙螺丝，17为定时器，18为档位旋钮。

具体实施方式

下面结合一个具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述仅对本发明进行解释，而并非完全限定。

参见图1～图3，一种基于放电等离子体的室内气体净化装置，该装置包括开设有气体入口14和气体出口15的壳体10，在气体入口14与气体出口15之间的壳体内依次设有风扇13、介质阻挡电晕放电处理区11和粉尘收集区12；

所述的介质阻挡电晕放电处理区由相对设置的放电单元构成，每个放电单元包括绝缘介质4、高压电极1、阻挡介质2和接地筛网电极3；其中，接地筛网电极3与高压电极1分别紧贴在阻挡介质2的两侧，接地筛网电极3与高压交流电源接地端相连接，高压电极1与电源高压端相连接；

所述的粉尘收集区由多片金属板7构成，每两板间相距一定距离，相对平行放置，通电之后相邻的金属板7之间形成静电场。

参见图4～图5，所述的两个放电单元相互平行，接地筛网电极相对设置，筛网间相距2～4cm，形成一个放电等离子体处理区；每个放电单元分别由一个高压交流电源6驱动。

具体的，介质阻挡电晕放电处理区由两个放电单元构成，每个放电单元由绝缘介质4、高压电极1、阻挡介质2和接地筛网电极3构成的夹心结构构成；两个放电单元的接地筛网电极相对平行设置，筛网间距离2～4cm，形成一个立体放电区；

每个放电单元由独立的高压交流电源6驱动，其中，接地筛网电极与高压交流电源接地端相连接；高压电极与电源高压端相连接，接地筛网电极和高压电极之间电压峰峰值为5～8.5kV，电压频率范围为10kHz～25kHz。

具体的，所述的两个放电单元分别设置在箱体内上下两侧，绝缘介质4作用为保护绝缘与机械固定，用尼龙螺丝将绝缘介质、高压电极、阻挡介质与接地筛网电极按顺序贴合并固定在壳体内设置的上下内衬绝缘板上，与高压交流电源相连接的电源线出于绝缘考虑，被植入聚四氟乙烯板内。

进一步，绝缘介质4为5～10mm厚的聚四氟乙烯板，高压电极为1～2mm厚的铝合金板，阻挡介质为1～1.5mm厚的氧化铝陶瓷，接地筛网电极为20～25目的可定型铝筛网，与高压电极分别紧贴在阻挡介质两侧外表面，其中，筛网丝的直径为0.3～0.5mm，放电单元产生的有效等离子体面积为60～80cm²。

粉尘收集区由三片矩形金属板7构成，每两板间相距1～3cm，相对平行放置，金属板被高压直流电源8驱动，三片金属板中间一片接高压直流电源高压端，另两片接直流电源接地端。

具体的，金属板使用厚度1～2mm，面积60～80cm²的铝合金板，中间金属板和另两片之间的直流高压幅值为3～18kV，这是为了保证板间场强范围为3～6kV/cm。进一步，所述的粉尘收集区设置在壳体10内的轨道上，推拉后可被取出、放进，便于粉尘收集区收集满灰尘后抽出进行清理；此外，铝合金板边缘被绝缘封装。

此外，根据室内面积等具体情况的不同，可以增加介质阻挡电晕放电处理区的放电单元数和粉尘收集区的平板数量，提高处理效率。

介质阻挡电晕放电处理区、粉尘收集区、风扇装置、气体入口和气体出口，其排布顺序分别为气体入口，风扇装置，介质阻挡电晕放电处理区，粉尘收集区，气体出口，其中，风扇类型选择应确保其风力能够使气体通过介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区，由气体出口排出；介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区之间距离应保证无高压放电发生，距离在1～1.5cm为宜。

所述的高压交流和直流电源安装在壳体内，与介质阻挡电晕放电处理区及粉尘收集区相独立，两种电源均与工频市电相连接。

所述的壳体材料为硬塑料（其他材料亦可，如金属），其面板上还设有定时器17和档位旋钮18；

定时器用来设定进行气体净化的时间；

档位旋钮控制介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区的工作状态，包括3个档位：停止档、1档和2档；其中，1档对应仅粉尘收集区工作、2档对应介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区均工作。

所述的壳体的气体入口处应安装为细密的金属过滤网，这是为了防止室内较大粒径的颗粒物或昆虫进入净化装置。

所述的壳体上气体出口处还设有脱扣结构，便于卸下气体出口板，抽出粉尘收集装置进行扫灰清理。

参见图6所述的处理流程图，将基于放电等离子体和板板静电集尘的小型室内气体净化装置放置室内即可，接通市电，选择2档，室内空气即经过介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区，对有害气体进行氧化处理，对可吸入颗粒物进行异极性荷电和收集，实现室内气体净化；同时也可选择1档，仅进行粉尘的收集，但处理效率相对较低，按照具体需要选择即可。

基于所述的介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区的工作原理，选取了甲醛气体和两种粒径的硅粉模拟可吸入颗粒物作为处理对象进行研究，实验结果如图7-1、7-2所示，对比可以看出，与作为对照的未进行处理的甲醛相比，经过本装置处理之后，甲醛的浓度自处理零时起显著降低，至500s时残留少许气体；结果表明本装置对甲醛气体具有良好的降解效果。

如图8-1、8-2所示，对比可以看出，与作为对照的未经等离子体荷电处理的硅粉相比，0.5μm和2μm粒径的硅粉的吸附率均得到了显著的提高，本装置对可吸入颗粒物具有良好的收集吸附效果。

Claims (8)

1.一种基于放电等离子体的室内气体净化装置，其特征在于，该装置包括开设有气体入口(14)和气体出口(15)的壳体(10)，在气体入口(14)与气体出口(15)之间的壳体内依次设有风扇(13)、介质阻挡电晕放电处理区(11)和粉尘收集区(12)；

所述的介质阻挡电晕放电处理区由相对设置的放电单元构成，每个放电单元包括绝缘介质(4)、高压电极(1)、阻挡介质(2)和接地筛网电极(3)；其中，接地筛网电极(3)与高压电极(1)分别紧贴在阻挡介质(2)的两侧，接地筛网电极(3)与高压交流电源接地端相连接，高压电极(1)与电源高压端相连接；所述的两个放电单元相互平行，接地筛网电极相对设置，筛网间相距2～4cm，形成一个放电等离子体处理区；每个放电单元分别由一个高压交流电源(6)驱动；且阻挡介质(2)为氧化铝陶瓷板；

所述的粉尘收集区由三片矩形金属板(7)构成，每两板间相距一定距离，相对平行放置，金属板(7)由高压直流电源(8)驱动，中间的一片金属板(7)接高压直流电源高压端，两侧的金属板(7)接直流电源接地端，通电之后相邻的金属板(7)之间形成静电场。

2.如权利要求1所述的基于放电等离子体的室内气体净化装置，其特征在于，用尼龙螺丝(16)将绝缘介质(4)、高压电极(1)、阻挡介质(2)与接地筛网电极(3)按顺序贴合固定，然后固定在箱体内设置的上、下内衬绝缘板上(5)，其中与高压交流电源相连接的电源线还被植入在聚四氟乙烯板内。

3.如权利要求1或2所述的基于放电等离子体的室内气体净化装置，其特征在于，所述的绝缘介质(4)为5～10mm厚的聚四氟乙烯板，高压电极(1)为1～2mm厚的铝合金板，阻挡介质(2)为1～1.5mm厚的氧化铝陶瓷板，接地筛网电极(3)为20～25目的可定型铝合金筛网，其中筛网细丝的直径为0.3～0.5mm；所述的高压电极与接地筛网电极之间的交流高压峰峰值为5～8.5kV，电压频率范围为10kHz～25kHz。

4.如权利要求1所述的基于放电等离子体的室内气体净化装置，其特征在于，所述的粉尘收集区设置在壳体(10)内的轨道上，推拉后可被取出、放进；

金属板(7)为铝合金板，其边缘还设有绝缘封装(9)。

5.如权利要求4所述的基于放电等离子体的室内气体净化装置，其特征在于，金属板(7)为厚度1～2mm的铝合金板，金属板面积为60～80cm²，金属板(7)之间的间距为1～3cm，直流高压幅值为3～18kV，相邻的金属板(7)之间的场强在3～6kV/cm。

6.如权利要求1所述的基于放电等离子体的室内气体净化装置，其特征在于，所述的壳体为硬质壳体，壳体上的气体入口处安装有过滤网，壳体上的气体出口处设有脱扣结构，便于卸下气体出口板，抽出粉尘收集装置进行清灰清理；

风扇的风力能够使空气通过介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区，由气体出口排出；介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区之间距离保证无高压放电发生。

7.如权利要求1所述的基于放电等离子体的室内气体净化装置，其特征在于，所述的高压交流和粉尘收集区的驱动电源均与工频市电相连接，分别安装在壳体内，并与介质阻挡电晕放电处理区、粉尘收集区相独立。

8.如权利要求1所述的基于放电等离子体的室内气体净化装置，其特征在于，所述的壳体上还设有定时器(17)和档位旋钮(18)；

定时器用来设定进行气体净化的时间；

档位旋钮控制介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区的工作状态，包括3个档位：停止档、1档和2档；其中，1档对应仅粉尘收集区工作、2档对应介质阻挡电晕放电处理区和粉尘收集区均工作。