CN103816726A - 一种祛除空气中颗粒类污染物的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空气净化技术领域，具体涉及一种祛除空气中颗粒类污染物的方法和装置。本发明装置包括：一个空气过滤器，一个升压设备，安装在膜分离器之前或之后，一组膜分离器，膜分离器的膜分离材料采用无孔膜即致密膜，另一个升压设备，用以建立膜分离器两侧跨膜压差，以及必要的将膜分离器原料气侧与过滤器或升压设备连接的将原料空气引入膜分离器的工艺管线，将膜分离器滞留气侧的含颗粒类污染物与未透过膜分离器的空气组分引出的工艺管线，将膜分离器渗透气侧与另一升压设备连接的将已净化的新鲜空气引出膜分离器渗透侧的工艺管线。本发明可从沾染了各种颗粒类污染物的空气中简单、高效、连续的祛除该颗粒类污染物，获得可供人呼吸的新鲜空气。
Description
技术领域
本发明属于空气净化技术领域，具体涉及一种祛除空气中颗粒类污染物的方法和装置。
背景技术
目前，祛除空气中颗粒类污染物的技术主要基于微孔截留效应的过滤，基于吸附截留效应的吸附过滤，基于场效应的静电除尘、负离子和等离子体过滤技术等。
基于微孔截留效应的机械式过滤是最为普遍的过滤方法，为获得更高精度的过滤效果，通常采用的这种基于死端过滤原理的滤芯的压差大、需要更加频繁的更换。
基于吸附截留效应的吸附式过滤方法中，则因为吸附材料巨大的大比表面积及多孔结构特征很容易堵塞，更适合用于气体污染物的祛除。
基于场效应的静电除尘技术是一种利用高压静电场使气体电离从而使尘粒带电吸附到电极上的收尘方法，其风阻虽小但对较大颗粒和纤维捕集效果差，而且会引起放电，且清洗麻烦费时，还容易产生臭氧，形成二次污染，不利于人居环境呼吸；负离子和等离子体法去除室内颗粒污染物的工作原理类似，都是通过使空气中的颗粒物带电，聚结形成较大颗粒而沉降，但颗粒物实际上并未移除，只是附着于附近的表面上，易导致再次扬尘。
更为重要的是，上述传统的这些过滤技术，均难以有效的截留如气体分子大小特征颗粒度以上的空气中颗粒类污染物，难以满足在组分复杂的环境空气中有效的、广谱性的祛除该颗粒类污染物，更因某些技术将产生臭氧等不适于人员呼吸的次生污染物，从而难以满足高洁净度要求的人居应用场合，诸如、十级、百级洁净度要求的手术室等。
发明内容
本发明的目的在于克服传统空气净化技术的缺点，提供一种可从沾染了各种颗粒类污染物的空气中简单、高效、连续的祛除该颗粒类污染物，获得可供人呼吸的新鲜空气的方法和装置。
本发明提供的祛除空气中颗粒类污染物的装置，其结构如附图1所示，包括：
（1）至少一个空气过滤器AF01；
（2）至少一个升压设备AB01，用于将待净化的空气组分（含颗粒类污染物）引入并排出分离器，并克服流程阻力和提供足额的气量，可安装在膜分离器之前或之后；
（3）至少一组膜分离器M01，膜分离器的膜分离材料采用无孔膜（即致密膜），且该膜分离材料的氧氮分离系数不大于3.5（优选的，不大于2.5，更优选的，不大于2.1）；膜分离器的原料气侧接入待净化的空气组分（含颗粒类污染物），滞留气侧排除经膜分离器分离后的含颗粒类污染物的废气，渗透侧产生经膜分离器之后截留了颗粒类污染物的新鲜空气；当采用多组膜分离器时，其原料气侧、滞留气侧、渗透气侧均并联连接；
（4）至少另一个升压设备AB02，优选真空泵，用以建立膜分离器两侧跨膜压差，以便将经膜分离器净化后的新鲜空气自膜分离器渗透侧（负压侧）抽取出来，并克服后续流程的流体输送的阻力；
（5）将膜分离器原料气侧与过滤器或升压设备AB01连接的将原料空气引入膜分离器的工艺管线；
（6）将膜分离器滞留气侧的含颗粒类污染物与未透过膜分离器的空气组分（统称为废气）引出的工艺管线，当升压设备AB01安装在膜分离器之后时本工艺管线也可连接该升压设备将膜分离器滞留气侧的含颗粒类污染物的废气引出至大气；
（7）将膜分离器渗透气侧与升压设备AB02连接的将已净化的新鲜空气引出膜分离器渗透侧的工艺管线。
如公知技术，装置还包含必要的控制组件，以使得系统动力设备能够正常运行、停止、调节等。
本发明提供的祛除空气中颗粒类污染物的方法即空气净化方法，是基于上述装置的、有别于现有传统空气过滤技术抑或是各种空气过滤技术的组合的净化方法，是一种全新的空气净化方法，也是一种简单、高效、连续的空气净化方法，可获得可供人呼吸的新鲜空气。如附图1所示，具体流程如下：
（1）沾染了各种颗粒类污染物的空气在升压设备AB01的作用下首先进入过滤器AF01，该过滤器AF01仅用以保证膜分离器对原料空气的清洁度要求，可适当延长膜分离器的使用寿命。
（2）经前述步骤处理后的仍然沾染了各种颗粒类污染物的空气（尽管沾染了各种颗粒类污染物的空气经过了过滤器AF01会减少了，但仍然存在有大量颗粒度小于AF01过滤精度的污染物）以一定的风速（进料风速典型的为1～20m/s，优选的，4～10m/s，较佳如8m/s的风速）进入膜分离器M01；并且控制升压设备AB01和另一压设备AB02的升压能力，或在工艺管线上增加调节阀、调节装置以获得分离压力比不大于4倍的工作条件，使得：
自原料气侧进入的待净化空气组分中的至少一部分气态组分（除颗粒类污染物之外的组分，如氧气、氮气等），因升压设备AB01,AB02在膜分离器、膜分离材料（M01）的两侧加载的跨膜压差，将通过溶解、渗透、扩散的原理透过膜分离器、膜分离材料（M01）在其渗透侧被收集，并经真空泵AB02排出系统作为产品气，新鲜空气。
而待净化空气中含有的所有颗粒类污染物均因有一定物理尺寸将被100%截留而不能透过膜分离器、膜分离材料（膜分离器M01内装填的分离材料，是无孔膜、致密膜），并随着未透过膜分离器、膜分离材料（M01）的另外一部分气态组分在升压设备AB01的作用下自膜分离器的滞留侧排除出系统作为废气返回大气。
（3）如上述连续进行膜分离“错流过滤”的净化过程，持续进行的基于有机膜分离原理的溶解、渗透、扩散的“错流过滤”空气净化过程不仅因“错流过滤”可连续净化包括PM2.5， PM0.5，细菌，热源等一切相对气体分子大小特征颗粒度以上物理尺寸的颗粒类污染物而获得新鲜空气，同时，还因为通过选择了氧氮分离系数不大于3.5（优选的，不大于2.5，更优选的，不大于2.1）的膜分离材料，并通过匹配选择AB01\AB02的升压能力或在工艺管线上增加调节阀、调节装置以获得分离压力比不大于4倍的工作条件，当膜分离器两侧加载一定的跨膜压差并形成了不大于4倍的分离压力比（优选的，不大于2倍，更优选的，不大于1.5倍）时，可获得的新鲜空气中的氧氮组分被限制在适宜人员呼吸的程度（典型的，空气中氧气浓度被控制在19～40%，更优选的，控制在21～23%）；
如上述持续进行的净化过程，可从沾染了各种颗粒类污染物的空气中简单、高效、连续的祛除该颗粒类污染物，并可获得可供人员呼吸的新鲜空气。
首先，本发明是一种简单、高效的净化方法
本发明的净化方法仅需一个膜分离器，二个升压设备即可满足空气中颗粒类污染物的连续净化要求，过程简单；
本发明的净化方法通过升压设备在膜分离器、膜分离材料两侧加载的跨膜压差，因膜分离材料采用的是无孔膜（致密膜），空气组分中的气态组分（除颗粒类污染物之外的组分，颗粒类污染物通常为有一定物理尺寸的固态组分）将通过溶解、渗透、扩散而透过膜分离器、膜分离材料而作为新鲜空气输出，而空气中含有的任何颗粒类污染物均因有一定物理尺寸将被100%截留而不能透过膜分离器、膜分离材料自滞留侧排除出系统返回大气。采用的是基于有机膜分离原理的溶解、渗透、扩散的空气净化过程，而非传统空气过滤技术的筛分原理的空气过滤净化过程，可净化PM2.5， PM0.5，细菌，热源等一切相对气体分子大小特征颗粒度以上物理尺寸的颗粒类污染物，而空气中的气体组分如氧、氮则可顺利通过，过程高效；
其次，本发明是一种过程连续的净化方法
本发明的净化方法，因为膜分离器原料气侧连续进料并连续自滞留侧返回大气（通常，进料风速典型的为1～20m/s，优选的，4～10m/s）形成的吹扫剪切力，这可使得被截留的颗粒类污染物在积累至一定的程度后则不会继续在膜层上累积，形成了一种“错流过滤”过程，而非传统过滤器的“死端过滤”过程，因此，净化过程能长期连续，通常，可维持长达5年以上的使用寿命。
其次，本发明的净化方法可获得可供人呼吸的新鲜空气
本发明的方法通过选择氧氮分离系数不大于3.5（优选的，不大于2.5，更优选的，不大于2.1）的膜分离材料，并通过匹配选择AB01\AB02的升压能力或在工艺管线上增加调节阀、或调节装置以获得分离压力比不大于4倍的工作条件，当膜分离器两侧加载一定的跨膜压差并形成了不大于4倍的分离压力比（优选的，不大于2倍，更优选的，不大于1.5倍）时，通过控制原料气进入的总量（可通过匹配选择AB01的输送能力或在工艺管线上增加调节阀、或调节装置），匹配恰当的风速（典型的，1～20m/s，优选的，4～10m/s），不仅可实现截留空气中含有的所有颗粒类污染物的同时，获得的新鲜空气中的氧氮组分也将限制在适宜人呼吸的程度（典型的，空气中氧气浓度（指体积浓度）被控制在19～40%，更优选的，控制在21～23%），并且该过程不会产生臭氧。
本发明中所用膜分离器可以是各种形式的膜分离器，如卷式、板式、中空纤维型式，可装填各种形式的膜分离材料，其氧氮分离系数不大于3.5；
本发明中所说的沾染了各种颗粒类污染物的空气中，其氧、氮组分与正常大气一致（其氧气浓度为20.95%,v/v）；
本发明中所说的新鲜空气，即祛除了沾染各种相对气体分子大小特征颗粒度以上物理尺寸的颗粒类污染物的空气，系指该空气中已将颗粒类污染物彻底截留，而其中的气态组分如氧、氮组分与正常大气基本相当，典型的，控制在21～23%（v/v）。
本发明所说的错流过滤过程系指待净化的空气在膜分离器的一侧有进有出，并且该侧与产品气通道因膜分离材料而分隔开的，即自膜分离器的一侧如原料气侧连续进料并连续自膜分离器的滞留侧返回大气，而净化后产品气的通道是膜分离器的另外一侧，污染物积累到一定程度后因原料气的吹扫剪切力而将维持压差基本一致，不会失效。
本发明所说的死端过滤过程系指待净化的空气在过滤器的一侧有进无出，并且该侧与产品气通道因过滤材料而分隔开的，即自过滤器的一侧如原料气侧连续进料而不返回大气，而净化后产品气的通道是过滤器的另外一侧，当污染物积累到一定程度后因压差过大过滤材料破裂而失效；
本发明中所说的选择性，也称分离系数、α(阿尔法)值，其一般定义为：
α(阿尔法)值，空气组分中氮气与氧气之间分离的选择性=（Q氮气/Q氧气）
式中Q氮气与Q氧气分别代表膜分离材料对待分离的空气组分中的氮气与氧气在单位时间、压力下纯组分氮气和氧气通过膜材料的渗透量，典型的如，1大气压，20℃，α(阿尔法)值即为该两组分的渗透量之比。
附图说明
图1为本发明祛除空气中颗粒类污染物的方法与装置的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图以说明本专利与现有技术的不同，以及本发明的空气净化过程，附图中:
AF01，是传统空气过滤器，可以是各种形式的过滤器，包括纤维形式、滤料形式、袋式过滤，优选采用可自清洁形式或者各种组合形式的过滤器，用于过滤、清洁进入分离器的原料空气，仅用以保证膜分离器对原料空气的清洁度要求；
AB01，是升压设备，可以是各种形式的压缩设备，如活塞式、离心式、螺杆、涡旋、罗茨、液环等等压缩形式，用于将待净化的空气组分（含颗粒类污染物）引入并排出分离器，并能克服流程阻力和提供足额的气量，典型的，选择100～15000Pa升压能力的压缩设备，优选采用各种形式的鼓风机，还可安装在膜分离器之前，如安装在过滤器AF01之前或之后的工艺管道上（图中未示出）。
M01，是一种3口薄膜分离器，可以是板式膜，卷式膜，中空纤维膜, 膜分离器中的膜分离材料具有一定的膜面积，并分成了两侧，一侧为正压侧，一侧为负压侧，正压侧也即膜分离器的原料气侧，也称为高压侧、滞留气侧，负压侧也即膜分离器的渗透气侧，也称为低压侧、负压侧, 其中，A0是膜分离器的原料气入口也即含颗粒类污染物空气的入口，A1是滞留气出口，也即贫空气组分出口、富含颗粒类污染物的废气出口，排放至大气，A2是膜分离器负压侧也即渗透侧出口，经彻底祛除了颗粒类污染物的新鲜空气出口；
AB02，也是升压设备，可以是各种形式的压缩设备，如活塞式、离心式、螺杆、涡旋、罗茨、液环等等压缩形式，用于将净化后的新鲜空气自膜分离器负压侧抽取出来，并克服后续流程的流体输送的阻力，典型的，选择10～80KPa升压能力的压缩设备，优选采用各种形式的真空泵。
具体流程如下：
（1）沾染了各种颗粒类污染物的空气在升压设备AB01的作用下首先进入过滤器AF01，该过滤器AF01仅用以保证膜分离器对原料空气的清洁度要求，可适当延长膜分离器的使用寿命。
（2）经前述步骤处理后的仍然沾染了各种颗粒类污染物的空气（尽管沾染了各种颗粒类污染物的空气经过了过滤器AF01会减少了，但仍然存在有大量颗粒度小于AF01过滤精度的污染物）以一定的风速（典型的，如8m/s的风速）进入膜分离器M01，其中：
自原料气侧进入的待净化空气组分中的至少一部分气态组分（除颗粒类污染物之外的组分，如氧气、氮气等），因升压设备AB01,AB02在膜分离器、膜分离材料（M01）的两侧加载的跨膜压差，将通过溶解、渗透、扩散的原理透过膜分离器、膜分离材料（M01）在其渗透侧被收集，并经真空泵AB02排出系统作为产品气，新鲜空气。
而待净化空气中含有的所有颗粒类污染物均因有一定物理尺寸将被100%截留而不能透过膜分离器、膜分离材料（M01，无孔膜、致密膜），并随着未透过膜分离器、膜分离材料（M01）的另外一部分气态组分在升压设备AB01的作用下自膜分离器的滞留侧排除出系统作为废气返回大气。
（3）如上述连续进行的膜分离“错流过滤”的净化过程中，持续进行的基于有机膜分离原理的溶解、渗透、扩散的“错流过滤”空气净化过程不仅因“错流过滤”可连续净化PM2.5， PM0.5，细菌，热源等一切相对气体分子大小特征颗粒度以上物理尺寸的颗粒类污染物而获得新鲜空气，同时，还因为通过选择了氧氮分离系数不大于3.5（优选的，不大于2.5，更优选的，不大于2.1）的膜分离材料，并通过匹配选择AB01\AB02的升压能力或在工艺管线上增加调节阀、调节装置以获得分离压力比不大于4倍的工作条件，当膜分离器两侧加载一定的跨膜压差并形成了不大于4倍的分离压力比（优选的，不大于2倍，更优选的，不大于1.5倍）时，可获得的新鲜空气中的氧氮组分也将限制在适宜人员呼吸的程度（典型的，空气中氧气浓度被控制在19～40%，更优选的，控制在21～23%）。
如上述持续进行的净化过程，可从沾染了各种颗粒类污染物的空气中简单、高效、连续的祛除该颗粒类污染物，并可获得可供人员呼吸的新鲜空气。
与传统空气净化方法不同，传统空气净化方法为获得更高的截留效率，如手术室净化中为获得“百”级的净化空间，通常需要采用更高过滤精度的过滤器，甚至多种净化技术手段相结合方可满足净化要求，并且，因这些技术手段均系 “死端过滤”技术，3个月，甚至1,2个月即需更换滤芯方可满足连续使用所需的运行压差要求，而本发明的方法，以相对简洁的工艺，不仅实现了高效截留，可100%的截留待净化空气中的各种颗粒类污染物，还因“错流过滤”的膜分离净化过程，使得净化过程连续，并且，还因选择氧氮分离系数不大于3.5的膜分离材料，并通过匹配选择AB01\AB02的升压能力或在工艺管线上增加调节阀、调节装置以获得分离压力比不大于4倍的工作条件，当膜分离器两侧加载一定的跨膜压差并形成了不大于4倍的分离压力比时，可获得的新鲜空气中的氧氮组分也将限制在适宜人员呼吸的程度。
本发明优先应用于可100%截留待净化空气中的各种颗粒类污染物，并持续获得新鲜空气中的氧氮组分限制在适宜人员呼吸的程度的空气净化过程，但是所公开的基本原则可用于很多其它的分离场合，如采用对氧氮组分没有分离性能的气体分离膜，仅以截留待净化空气中的各种颗粒类污染物的净化过程。
一个祛除空气中颗粒类污染物的装置的例子，按附图1连接，其中，膜分离器采用上海偲达弗材料科技有限公司生产的板式膜分离器，其膜分离材料的氧氮分离系数为2.04，膜面积装填量为113.25m2，配套选型了1台流量465m3/h，风压300Pa的鼓风机用以输送含尘量达10g/m3、最小微粒直径0.1微米的颗粒类污染物的高含尘空气进入膜分离器，另配套了1台20℃下抽速156m3/h，真空度20.3KPa，装机功率1.1KW的真空泵，当运行如下环境温度25℃、空气中相对湿度RH70%的条件下时，获得了无任何颗粒类污染物的含氧22.85%的新鲜空气116.31 m3/hr。
Claims (6)
1. 一种祛除空气中颗粒类污染物的装置，其特征在于包括：
（1）至少一个空气过滤器（AF01）；
（2）至少一个升压设备（AB01），安装在膜分离器之前或之后；用于将含颗粒类污染物的待净化的空气组分引入并排出膜分离器，并克服流程阻力和提供足额的气量；
（3）至少一组膜分离器（M01），膜分离器的膜分离材料采用无孔膜即致密膜，且该膜分离材料的氧氮分离系数不大于3.5；膜分离器的原料气侧接入含颗粒类污染物的待净化的空气组分，滞留气侧排除经膜分离器分离后的含颗粒类污染物的废气，渗透侧产生经膜分离器截留了颗粒类污染物的新鲜空气；当采用多组膜分离器时，其原料气侧、滞留气侧、渗透气侧均并联连接；
（4）至少另一个升压设备（AB02），用以建立膜分离器两侧跨膜压差，以便将净化后的新鲜空气自膜分离器渗透侧即负压侧抽取出来，并克服后续流程的流体输送的阻力；
（5）将膜分离器原料气侧与过滤器或升压设备AB01连接的将原料空气引入膜分离器的工艺管线；
（6）将膜分离器滞留气侧的含颗粒类污染物与未透过膜分离器的空气组分引出的工艺管线；当升压设备（AB01）安装在膜分离器之后时，该工艺管线连接该升压设备将膜分离器滞留气侧的含颗粒类污染物的废气引出至大气；
（7）将膜分离器渗透气侧与另一升压设备（AB02）连接的将已净化的新鲜空气引出膜分离器渗透侧的工艺管线。
2. 如权利要求1所述的祛除空气中颗粒类污染物的装置，其特征在于所述的空气过滤器（AF01）为纤维形式、滤料形式或袋式过滤器。
3. 如权利要求1所述的祛除空气中颗粒类污染物的装置，其特征在于所述的升压设备（AB01是活塞式、离心式、螺杆、涡旋、罗茨或液环压缩形式的压缩设备，其升压能力为100～15000Pa。
4. 如权利要求1所述的祛除空气中颗粒类污染物的装置，其特征在于所述的膜分离器（M01）有3个端口：一为原料气入口（A0），也即含颗粒类污染物空气的入口，一为滞留气出口（A1），也即贫空气组分出口、富含颗粒类污染物的废气出口，排放至大气，一为渗透侧出口（A2），也即经彻底祛除了颗粒类污染物的新鲜空气出口。
5. 如权利要求1所述的祛除空气中颗粒类污染物的装置，其特征在于所述的另一升压设备（AB02），是活塞式、离心式、螺杆、涡旋、罗茨或液环压缩形式的升压设备，其升压能力为10～80KPa。
6. 一种基于如权利要求1所述装置的祛除空气中颗粒类污染物的方法，其特征在于具体步骤为：
（1）由升压设备（AB01）将沾染了各种颗粒类污染物的空气送入空气过滤器（AF01）；
（2）经前述步骤处理后的仍然沾染了各种颗粒类污染物的空气以1～20m/s的风速进入膜分离器（M01），并且控制压设备（AB01）和另一压设备（AB02）的升压能力，或在工艺管线上增加调节阀、调节装置以获得分离压力比不大于4倍的工作条件，使得：
自原料气侧进入的待净化空气组分中的至少一部分气态组分，因升压设备（AB01）, 另一升压设备（AB02）在膜分离器（M01）的两侧加载的跨膜压差，将通过溶解、渗透、扩散的原理透过膜分离器（M01）在其渗透侧被收集，并经另一升压设备（AB02）排出系统作为产品气，即新鲜空气；
而待净化空气中含有的所有颗粒类污染物均因有一定物理尺寸将被100%截留而不能透过膜分离器（M01），并随着未透过膜分离器（M01）的另外一部分气态组分在升压设备（AB01）的作用下自膜分离器的滞留侧排除出系统作为废气返回大气；
（3）如上述连续进行膜分离“错流过滤”的净化过程，可连续净化包括PM2.5， PM0.5，细菌，热源一切相对气体分子大小特征颗粒度以上物理尺寸的颗粒类污染物而获得新鲜空气，同时，还获得的新鲜空气中的氧氮组分被限制在适宜人呼吸的程度。
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