CN104390271B - 等离子放电结合改性分子筛的空气净化装置及其使用方法 - Google Patents

等离子放电结合改性分子筛的空气净化装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开等离子放电结合改性分子筛的空气净化装置及其使用方法。该装置包括过滤网组模块、等离子净化装置、加湿增压装置、检测显示控制模块；过滤网组模块一个气体出口与加湿增压装置气体进口连接，另一个气体出口与等离子净化装置干燥空气气体进口连接；加湿增压装置气体出口与等离子净化装置湿空气气体进口连接。该方法是空气经过滤网组模块过滤分别送入等离子净化装置、加湿增压装置；空气进入加湿水箱通过超声波雾化器水雾化后送入等离子净化装置湿空气通入管；进入等离子净化装置的空气经电晕放电净化。本发明采用W型等离子净化装置有利于延长反应时间，且避免啸叫问题；采用干湿空气分离促进气体混合，使得VOC污染物清除率较高。

Description

等离子放电结合改性分子筛的空气净化装置及其使用方法
技术领域
本发明属于空气净化技术领域，具体涉及等离子放电结合改性分子筛的空气净化装置及其使用方法。
背景技术
当前我国大气污染状况依然十分严重，主要表现为煤烟型污染、工厂废气。城市大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍超标；二氧化硫污染一直在较高水平；机动车尾气污染物排放总量迅速增加；氮氧化物污染呈加重趋势，有害物包括甲醛、苯、氨、放射性氡等。随着工业化城镇化在我国深入推进，我国短期内环境空气质量难以获得较快改善，PM2.5、PM10、甲醛、苯、病菌等对人体有严重危害物质在室内空气中的浓度升高，成分也越来越复杂。
目前已有除甲醛技术可分为三大类：物理吸附法、光催化过滤网法、等离子放电处理法。物理吸附法主要使用活性碳、特殊分子筛等进行物理吸附，其优点是廉价低耗能，但是吸附效率低，适用于极小浓度甲醛吸附，通过定期更换过滤网实现污染物的去除。光催化过滤网法是利用二氧化钛在紫外光或者自然光条件下，产生高能电子空穴，产生较强氧化性，氧化小分子有机物将其降解成水和二氧化碳，多用于室内装潢墙体嵌入式净化模式，由于二氧化钛粉剂需要与VOC(VOC是挥发性有机化合物volatile organic compounds的英文缩写)充分接触，应用于墙体涂刷，使其净化效率较低，应用于净化器其催化光源的使用以及钛白粉固定以及增大比表面积成为难题。等离子放电处理法是通过电晕放电产生一定量O3或-OH，与小分子有机物充分氧化将其氧化成二氧化碳和水，较为简单的电刷放电即可产生O3但是臭氧具有异味，且对人类皮肤有一定刺激，直接放电也会产生少量氮氧化合物；另一种等离子放电处理法是通过加湿空气使得电晕放电产物生成-OH，羟基具有较强氧化性，在与VOC接触后获取电子，VOC和-OH均分解为水和二氧化碳，同时-OH在空气中存在时间仅为10-6秒，不会接触人类皮肤，氮氧化合物产量大幅降低。研究表明，加入水汽的棒-板间隙放电试验中临界电压与间隙距离呈线性关系，并且都与环境温度成负指数的幂函数关系，与水含量成正指数的幂函数关系。
发明内容
本发明的一个目的是针对现有技术的不足，提供一种等离子放电结合分子筛除甲醛PM2.5及其他VOC空气污染物的空气净化装置。
本发明空气净化装置包括过滤网组模块、等离子净化装置、加湿增压装置、检测显示控制模块；过滤网组模块的一个气体出口通过管道与加湿增压装置的气体进口连接，另一个气体出口通过管道与等离子净化装置的干燥空气气体进口连接；加湿增压装置的气体出口通过喷管与等离子净化装置的湿空气气体进口连接；
所述的过滤网组模块包括预过滤网、高效空气过滤器、改性分子筛过滤网，过滤网组模块从气体进口至气体出口方向依次设置预过滤网、高效空气过滤器、改性分子筛过滤网，在过滤网组模块的气体出口设有直流电风泵，该直流电风泵用于加压分流过滤后的空气；
所述的预过滤网主要用于阻挡空气中的可视异物进入本发明等离子净化装置；所述的高效空气过滤器采用HEPA过滤网，主要用于捕集粒径为0.5um以下的颗粒灰尘及各种悬浮物；所述的改性分子筛过滤网为以硅铝酸盐合成沸石为基础的分子筛通过嫁接有机胺后形成的改性分子筛，用于吸附甲醛及多种VOC空气污染物；
所述的等离子净化装置包括外壳电极板、湿空气通入管单元、绝缘固定架；
所述的外壳电极板为横截面为W形的中空封闭结构，构成两个放电空腔，并在该外壳电极板外侧面设有绝缘层；在等离子净化装置内设有一横截面为“n”形状的绝缘固定架，且绝缘固定架的两支撑臂各设于一个放电空腔内；在绝缘固定架上设有多组湿空气通入管单元，每组湿空气通入管单元设有若干长短不一的湿空气通入管；所述的每根湿空气通入管的气体出口端均设有一喷头，该喷头的朝向与外壳电极板相垂直；外壳电极板的一个放电空腔开口端作为干燥空气气体进口，另一个放电空腔的开口端作为净化后气体出口。
所述的喷头通过导线与高压放电器连接，高压放电器为其供电，能使得该喷头具有电晕放电功能；喷头的材质为金属材质；
作为优选，所述的喷头与外壳电极板的间隙距离为1～1.4cm；相邻的喷头距离为1.8～3cm；
所述的放电空腔内底部开有可关闭的通孔，便于清洁等离子净化装置。
所述的加湿增压装置包括加湿水箱、超声波雾化器、二级直流风泵；超声波雾化器设于加湿水箱内的气体出口位置，使得加湿水箱中的水产生水雾，用于雾化；二级直流风泵设于加湿增压装置的气体出口位置，用于将水雾化后的湿空气加压，作为电极气经喷管送入等离子净化装置的湿空气通入管；
本发明空气净化装置外部设有PM2.5传感器、温度传感器、湿度传感器、甲醛浓度传感器，PM2.5传感器用于检测空气中的PM2.5浓度，温度传感器用于检测空气温度，湿度传感器用于检测空气湿度，甲醛浓度传感器用于检测空气中甲醛浓度；加湿增压装置内储水位置设有水位传感器，该水位传感器采用2V低压电力驱动，水位传感器用于监测水位，提醒用户水量更新，当水位过低时等离子净化装置和加湿增压装置停止运行。
所述的检测显示控制模块将上述传感器的检测数据进行分析处理，并控制过滤网组模块中直流电风泵的转速、加湿增压装置中超声波雾化器和二级直流风泵的开关以及等离子净化装置的开关；
所述的检测显示控制模块可采用STM32F1系列的32位ARM微控制器。
本发明的另一个目的是提供利用上述空气净化装置进行空气净化的方法。
该方法包括以下步骤：
步骤(1).空气进入过滤网组模块，首先通过预过滤网过滤，除去空气中灰尘；然后通过高效空气过滤器过滤，除去空气中PM2.5及以上大小颗粒物；通过改性分子筛过滤网过滤，吸附空气中的甲醛物质以及氮氧化物等其他有机气体污染物；最后过滤后的空气经直流电风泵分别送入等离子净化装置的干燥空气进口处、加湿增压装置，其中进入等离子净化装置中的空气与进入加湿增压装置中空气的体积比为20～10：1；
作为优选，在进入过滤网组模块时空气的流量为150～400m3/小时；
所述的改性分子筛过滤网可吸附异味；
所述的改性分子筛过滤网的制备方法是：将有机胺、硅铝分子筛、乙醇通过80℃水浴加热并物理震荡24～48小时，微波烘干得到改性分子筛，最后将其制备成颗粒夹层过滤网；乙醇与有机胺的摩尔比为0.5～1:1(研究结果表明微波、煅烧和烘干分子筛对甲醛的吸附效率分别为99.51％、85.25％和61.63％)。
所述的硅铝分子筛为硅铝酸盐合成沸石，其孔径大小约为3A(10-10m)；
步骤(2).空气进入加湿增压装置，首先空气进入加湿水箱通过超声波雾化器水雾化(利用电子振荡频率为1.7MHz或2.4MHz，超过人的听觉范围，通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生自然飘逸的水雾，与加热雾化方式比较，能源节省了90％)，雾化后的湿空气经二级直流风泵将其作为电极气经喷管送入等离子净化装置的湿空气通入管；
所述的喷管为绝缘导管；
步骤(3).进入等离子净化装置的空气分为两路，一路由加湿增压装置气体出口进入湿空气通入管，由喷头喷出进入放电空腔；另一路由过滤网组模块的气体出口进入等离子净化装置的干燥空气进口处的放电空腔，在喷头和外壳电极板间形成电晕放电(通过二级直流风泵加压，使得气压达到0.2MPa,由于极板电子能量处于1～20eV,其效率27.6％，故极板温度较高，拟使得水汽以干蒸气形式进入放电室)，产生OH、O3气体(主要的电子碰撞反应为e+O2＝O2-+O2-+e，e+O2＝O2-+O2-(1D)+e，e+H2O＝OH-+H++e)，最后净化后的空气从装置气体出口排除。
作为优选，所述的有机胺为二乙烯三胺或三乙烯四胺。
本发明的有益效果：首先是改性分子筛过滤网的应用，其材料廉价，制备工艺简单，吸附甲醛、氮氧化物效果明显，同时网颗粒夹层方便更换；其次是等离子净化装置与加湿增压模块分离，便于选择低功耗、个性化运行模式，同时该等离子净化装置拥有较强处理甲醛等VOC空气污染物能力，通过高压放电器为喷头供电使得其产生氧负离子；
本发明采用W型等离子净化装置有利于延长反应时间，气体在装置内由近似平流状态变成混流状态，并且W设计可以避免进气口收窄进入直通管道器件发生啸叫的问题；
本发明采用干湿空气分离设计中由于电极气(即湿空气)与干空气存在温差与湿度差，放电空腔内气体发生对流与气相变化，进一步促进气体的混合，有利于反应，使得甲醛等VOC污染物在一次净化后就有较高清除率。此外由于加湿增压装置与等离子净化装置用导管相连，多组湿空气通入管喷头使得电离反应的区域扩大至整个等离子净化装置放电空腔内，而非局部小范围电离，上述特点使得等离子净化装置具有较强的净化功能。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明等离子净化装置的纵切面；
图3是本发明的检测显示控制模块示意图；
其中1为过滤网组模块，2为加湿增压装置，3为等离子净化装置，1-1为预过滤网，1-2为高效空气过滤器，1-3为改性分子筛过滤网，1-4为直流电风泵，2-1为加湿水箱，2-2为超声波雾化器，2-3为二级直流风泵，3-1为外壳电极板，3-2为湿空气通入管单元，3-3为绝缘固定架，3-2-1为每根湿空气通入管，3-2-2为喷头。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步详细描述本发明(下面实施例所用的有机胺为二乙烯三胺或三乙烯四胺)。
如图1所示，本发明空气净化装置包括过滤网组模块(1)、加湿增压装置(2)、等离子净化装置(3)、检测显示控制模块；过滤网组模块(1)的一个气体出口通过管道与加湿增压装置(2)的气体进口连接，另一个气体出口通过管道与等离子净化装置(3)的干燥空气气体进口连接；加湿增压装置(2)的气体出口通过喷管与等离子净化装置(3)的湿空气气体进口连接；
所述的过滤网组模块(1)包括预过滤网(1-1)、高效空气过滤器(1-2)、改性分子筛过滤网(1-3)，过滤网组模块(1)从气体进口至气体出口方向依次设置预过滤网(1-1)、高效空气过滤器(1-2)、改性分子筛过滤网(1-3)，在过滤网组模块的气体出口设有直流电风泵(1-4)，该直流电风泵用于加压分流过滤后的空气；
所述的预过滤网(1-1)主要用于阻挡空气中的可视异物进入本发明等离子净化装置(3)；所述的高效空气过滤器(1-2)采用HEPA过滤网，主要用于捕集粒径为0.5um以下的颗粒灰尘及各种悬浮物；所述的改性分子筛过滤网(1-3)为以硅铝酸盐合成沸石为基础的分子筛通过嫁接有机胺后形成的改性分子筛，用于吸附甲醛及多种VOC空气污染物；
所述的等离子净化装置(3)包括外壳电极板(3-1)、湿空气通入管单元(3-2)、绝缘固定架(3-3)；
所述的外壳电极板(3-1)为横截面为W形的中空封闭结构，构成两个放电空腔，并在该外壳电极板(3-1)外侧面设有绝缘层；在等离子净化装置(3)内设有一横截面为“n”形状的绝缘固定架(3-3)，且绝缘固定架(3-3)的两支撑臂各设于一个放电空腔内；如图2所示，在绝缘固定架(3-3)上设有多组湿空气通入管单元(3-2)，每组湿空气通入管单元(3-2)设有若干长短不一的湿空气通入管(3-2-1)；所述的每根湿空气通入管(3-2-1)的气体出口端均设有一喷头(3-2-2)，该喷头(3-2-2)的朝向与外壳电极板(3-1)相垂直；外壳电极板(3-1)的一个放电空腔开口端作为干燥空气气体进口，另一个放电空腔的开口端作为净化后气体出口。
所述的喷头(3-2-2)通过导线与高压放电器连接，高压放电器为其供电，能使得该喷头(3-2-2)具有电晕放电功能；喷头(3-2-2)的材质为金属材质；
所述的喷头(3-2-2)与外壳电极板(3-1)的间隙距离为1～1.4cm；相邻的喷头(3-2-2)距离为1.8～3cm；
所述的放电空腔内底部开有可关闭的通孔，便于清洁等离子净化装置(3)。
所述的加湿增压装置(2)包括加湿水箱(2-1)、超声波雾化器(2-2)、二级直流风泵(2-3)；超声波雾化器(2-2)设于加湿水箱(2-1)内的气体出口位置，使得加湿水箱(2-1)中的水产生水雾，用于雾化；二级直流风泵(2-3)设于加湿增压装置(2)的气体出口位置，用于将水雾化后的湿空气加压，作为电极气经喷管送入等离子净化装置(3)的湿空气通入管(3-2-1)；
本发明空气净化装置外部设有PM2.5传感器、温度传感器、湿度传感器、甲醛浓度传感器，PM2.5传感器用于检测空气中的PM2.5浓度，温度传感器用于检测空气温度，湿度传感器用于检测空气湿度，甲醛浓度传感器用于检测空气中甲醛浓度。加湿增压装置(2)内储水位置设有水位传感器，该水位传感器采用2V低压电力驱动，水位传感器用于监测水位，提醒用户水量更新，当水位过低时等离子净化装置(3)和加湿增压装置(2)停止运行。如图3所示，所述的检测显示控制模块可采用STM32F1系列的32位ARM微控制器。所述的检测显示控制模块将上述传感器的检测数据进行分析处理，并控制过滤网组模块(1)中直流电风泵(1-4)的转速、加湿增压装置(2)中超声波雾化器(2-2)和二级直流风泵(2-3)的开关以及等离子净化装置(3)的开关；
利用上述空气净化装置进行空气净化的方法，包括以下步骤：
步骤(1).空气进入过滤网组模块(1)，首先通过预过滤网(1-1)过滤，除去空气中灰尘；然后通过高效空气过滤器(1-2)过滤，除去空气中PM2.5及以上大小颗粒物；通过改性分子筛过滤网(1-3)过滤，吸附空气中的甲醛物质以及氮氧化物等其他有机气体污染物；最后过滤后的空气经直流电风泵(1-4)分别送入等离子净化装置(3)的干燥空气进口处、加湿增压装置(2)，其中进入等离子净化装置(3)中的空气与进入加湿增压装置(2)中空气的体积比为20～10：1；
在进入过滤网组模块(1)时空气的流量为150～400m3/小时；
所述的改性分子筛过滤网(1-3)可吸附异味；
所述的改性分子筛过滤网(1-3)的制备方法是：将有机胺、硅铝分子筛、乙醇通过80℃水浴加热并物理震荡24～48小时，微波烘干得到改性分子筛，最后将其制备成颗粒夹层过滤网；乙醇与有机胺的摩尔比为0.5～1:1(研究结果表明微波、煅烧和烘干分子筛对甲醛的吸附效率分别为99.51％、85.25％和61.63％)。
所述的硅铝分子筛为硅铝酸盐合成沸石，其孔径大小约为3A(10-10m)；
步骤(2).空气进入加湿增压装置(2)，首先空气进入加湿水箱(2-1)通过超声波雾化器(2-2)水雾化(利用电子振荡频率为1.7MHz或2.4MHz，超过人的听觉范围，通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生自然飘逸的水雾，与加热雾化方式比较，能源节省了90％)，雾化后的湿空气经二级直流风泵(2-3)将其作为电极气经喷管送入等离子净化装置(3)的湿空气通入管(3-2-1)；
所述的喷管为绝缘导管；
步骤(3).进入等离子净化装置(3)的空气分为两路，一路由加湿增压装置(2)气体出口进入湿空气通入管(3-2-1)，由喷头(3-2-2)喷出进入放电空腔；另一路由过滤网组模块(1)的气体出口进入等离子净化装置(3)的干燥空气进口处的放电空腔，在喷头(3-2-2)和外壳电极板(3-1)间形成电晕放电(通过二级直流风泵(2-3)加压，使得气压达到0.2MPa,由于电极板电子能量处于1～20eV,其效率27.6％，故电极板温度较高，拟使得水汽以干蒸气形式进入放电空腔)，产生OH、O3气体(主要的电子碰撞反应为e+O2＝O2-+O2-+e，e+O2＝O2-+O2-(1D)+e，e+H2O＝OH-+H++e)，最后净化后的空气从装置气体出口排除。
电极气在喷头与电极板间发生电晕放电，产生一定量的氧负离子以及少量臭氧(世卫组织规定臭氧安全限制为不大于0.10ppmUL)。
若本发明装置电压较高则需要安装在静电屏蔽装置内。
本发明装置PM2.5清除率可达到99.78％，甲醛清除率可达到99.9％，出风量150m3/h,预计耗水量3.47ml/h,额定功率120瓦，适用面积30～50m2,固态污染物洁净空气量140m3。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.等离子放电结合改性分子筛的空气净化装置，其特征在于该空气净化装置包括过滤网组模块、等离子净化装置、加湿增压装置、检测显示控制模块；过滤网组模块的一个气体出口通过管道与加湿增压装置的气体进口连接，另一个气体出口通过管道与等离子净化装置的干燥空气气体进口连接；加湿增压装置的气体出口通过喷管与等离子净化装置的湿空气气体进口连接；
该空气净化装置外部设有PM2.5传感器、温度传感器、湿度传感器、甲醛浓度传感器，PM2.5传感器检测空气中的PM2.5浓度，温度传感器检测空气温度，湿度传感器检测空气湿度，甲醛浓度传感器检测空气中甲醛浓度；加湿增压装置内储水位置设有水位传感器，水位传感器监测水位；所述的检测显示控制模块将上述传感器的检测数据进行分析处理，并控制过滤网组模块中直流电风泵的转速、加湿增压装置中超声波雾化器和二级直流风泵的开关以及等离子净化装置的开关；
所述的过滤网组模块包括从气体进口至气体出口方向依次设置的预过滤网、高效空气过滤器、改性分子筛过滤网，在过滤网组模块的气体出口设有直流电风泵，该直流电风泵用于加压分流过滤后的空气。
2.如权利要求1所述的等离子放电结合改性分子筛的空气净化装置，其特征在于所述的高效空气过滤器采用HEPA过滤网，用于捕集粒径为0.5um以下的颗粒灰尘及各种悬浮物；所述的改性分子筛过滤网为以硅铝酸盐合成沸石为基础的分子筛通过嫁接有机胺后形成的改性分子筛，用于吸附甲醛及多种VOC空气污染物。
3.如权利要求1所述的等离子放电结合改性分子筛的空气净化装置，其特征在于所述的等离子净化装置包括外壳电极板、湿空气通入管单元、绝缘固定架；
所述的外壳电极板为横截面为W形的中空封闭结构，构成两个放电空腔，并在该外壳电极板外侧面设有绝缘层；在等离子净化装置内设有一横截面为“n”形状的绝缘固定架，且绝缘固定架的两支撑臂各设于一个放电空腔内；在绝缘固定架上设有多组湿空气通入管单元，每组湿空气通入管单元设有若干长短不一的湿空气通入管；所述的每根湿空气通入管的气体出口端均设有一喷头，该喷头的朝向与外壳电极板相垂直；外壳电极板的一个放电空腔开口端作为干燥空气气体进口，另一个放电空腔的开口端作为净化后气体出口；
所述的喷头通过导线与高压放电器连接，高压放电器为其供电，能使得该喷头具有电晕放电功能；
所述的喷头的材质为金属材质；
所述的放电空腔内底部开有可关闭的通孔，便于清洁等离子净化装置。
4.如权利要求3所述的等离子放电结合改性分子筛的空气净化装置，其特征在于所述的喷头与外壳电极板的间隙距离为1～1.4cm；相邻的喷头距离为1.8～3cm。
5.如权利要求1所述的等离子放电结合改性分子筛的空气净化装置，其特征在于所述的加湿增压装置包括加湿水箱、超声波雾化器、二级直流风泵；超声波雾化器设于加湿水箱内的气体出口位置，使得加湿水箱中的水产生水雾，用于雾化；二级直流风泵设于加湿增压装置的气体出口位置，用于将水雾化后的湿空气加压，作为电极气经喷管送入等离子净化装置的湿空气通入管。
6.如权利要求1所述的等离子放电结合改性分子筛的空气净化装置，其特征在于所述的检测显示控制模块采用STM32F1系列的32位ARM微控制器。
7.利用如权利要求1所述的等离子放电结合改性分子筛的空气净化装置进行空气净化的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1).空气进入过滤网组模块，首先通过预过滤网过滤，除去空气中灰尘；然后通过高效空气过滤器过滤，除去空气中PM2.5及以上大小颗粒物；通过改性分子筛过滤网过滤，吸附空气中的甲醛物质以及氮氧化物等其他有机气体污染物；最后过滤后的空气经直流电风泵分别送入等离子净化装置的干燥空气进口处、加湿增压装置，其中进入等离子净化装置中的空气与进入加湿增压装置中空气的体积比为20～10：1；
步骤(2).空气进入加湿增压装置，首先空气进入加湿水箱通过超声波雾化器水雾化，雾化后的湿空气经二级直流风泵将其作为电极气经喷管送入等离子净化装置的湿空气通入管；
所述的喷管为绝缘导管；
步骤(3).进入等离子净化装置的空气分为两路，一路由加湿增压装置气体出口进入湿空气通入管，由喷头喷出进入放电空腔；另一路由过滤网组模块的气体出口进入等离子净化装置的干燥空气进口处的放电空腔，在喷头和外壳电极板间形成电晕放电，产生OH、O3气体，最后净化后的空气从装置气体出口排除。
8.如权利要求7所述的空气净化的方法，其特征在于步骤(1)中在进入过滤网组模块时空气的流量为150～400m3/小时；步骤(2)中超声波雾化器振荡频率为1.7MHz或2.4MHz。
9.如权利要求7所述的空气净化的方法，其特征在于所述的改性分子筛过滤网的制备方法是：将有机胺、硅铝分子筛、乙醇通过80℃水浴加热并物理震荡24～48小时，微波烘干得到改性分子筛，最后将其制备成颗粒夹层过滤网；乙醇与有机胺的摩尔比为0.5～1:1；所述的硅铝分子筛为硅铝酸盐合成沸石，其孔径大小为3A(10-10m)。
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