CN104415659A - 用于气体的消毒和净化的等离子体驱动的催化剂系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新颖的用于消毒和净化空气的等离子体驱动的催化剂装置。由于等离子体和催化剂具有协同有利的影响，该装置具有高的消毒和净化效率和功效、低的副产物形成，和低的能量消耗。与催化剂结合的等离子体增加了新的活性物种的产生，提高了等离子体放电的氧化能力，并激活催化剂，其额外有助于消毒和净化过程以及有毒副产物的消除。

Description

用于气体的消毒和净化的等离子体驱动的催化剂系统

相关申请的交叉参考：

根据35U.S.C.§119(e)，这是非临时性的专利申请，其要求2013年8月19日申请的、序列号为61/959,252的美国临时专利申请的权益，并且通过引用将其公开内容并入本文。

技术领域

本发明涉及用于消毒、清洁和净化空气的等离子体驱动的催化剂(PDC)技术的应用。更具体地，本发明提供了利用等离子体驱动的催化剂技术的空气净化装置和系统，其用于家庭和工业环境中的室内空气质量的改善。

背景技术

根据各种研究，城市居民在一天中大约80％的时间是花费在室内环境中，如家庭、办公室、电影院、餐馆、商店和其他半封闭空间。由于各种各样的室内空气污染源，如吸烟、油烟、墙纸胶、线圈、烧油取暖器、烟雾、PM2.5等等，在这些半封闭空间中的空气质量可能会很差。各种污染物的连续或间歇的排出可导致严重的人体健康损害，甚至死亡。通过通风保持适当的室内空气质量通常会引进室外空气来稀释室内的空气空间。但是，如果室外空气质量较差或缺乏室内通风的能力，则室内空气污染会持续。因而，需要空气净化系统净化室内空气以便改善空气质量。

等离子体是分子被离子化的气体，它包含许多组分，诸如不同能量的电子、正负离子和中性粒子。许多研究表明，等离子体对于去除氮氧化物、硫氧化物、气味和挥发性有机化合物是有效的。在各种类型的等离子体中，非热等离子体已被证明是分解挥发性有机化合物和其他空气污染物的相当有效的技术。非热等离子体具有一些独特的性质，如在环境温度和大气压下的快速响应，在短的停留时间内实现高的电子能量，和容易操作。此外，等离子体放电的方式类似于静电除尘器可用于灰尘和液滴收集。然而，研究人员一致认为，应用等离子体消除挥发性有机化合物具有三个主要的弱点，其包括与有害化合物(一氧化碳、氮氧化物、其他挥发性有机化合物等)排放物的不完全氧化、差的能量效率和低矿化度。不完全氧化导致形成有毒副产物，如一氧化碳(CO)、臭氧和气溶胶粒子，这甚至增大了总的气体毒性。因此，这些副产物的形成需要额外的后处理系统，这增加了整个空气净化系统的成本和复杂性。

EP1671659公开了一种消毒和净化装置，包括：壳体；设置在所述壳体上的定向空气导流板；可移动的空气导流板，其包括在所述壳体内并设置在与所述定向空气导流板对应的位置；等离子体反应器，其安装在所述可移动的空气导流板下面，并且所述等离子体反应器从顶部至底部顺序安装阴离子阳极板、阴离子阴极板、等离子体阳极板和等离子体阴极板，并且所述阴离子阳极板、阴离子阴极板、等离子体阳极板和等离子体阴极板是带网孔的不锈钢板，纳米催化剂的薄膜覆盖在所述带网孔的不锈钢板的表面上。然而，由于在阳极和阴极板上的催化剂覆层，使用这种方法来产生等离子体在以高强度提供等离子体方面不那么有效。

根据具有用于空气处理的等离子体和催化剂组合的传统空气净化装置，等离子体在腔室中产生，并且光催化剂层放置在该腔室的空气出口处，或该腔室的空气入口处。然而，这种配置在空气净化中不是有效的，因为光催化剂层产生了空气净化系统的高空气阻力，导致空气循环速度的衰减和通风机电负荷的增加。更甚者，需要额外的紫外光灯照射光催化剂层以便自由基的产生，这增加了空气净化系统的成本和复杂性。并且，简单应用的UV照射可能不够强，不足以产生足够的自由基来分解空气污染物，最终导致无效的空气净化。

因此，对于空气净化装置存在未满足的需求，所述空气净化装置能有效地去除空气污染物且具有低的空气阻力、系统复杂性和功耗。

发明内容

本发明提供了一种去除空气污染物并改善室内空气质量的等离子体驱动的催化剂消毒和净化装置。该装置包括预滤器、电通风机和其内具有催化剂的等离子体反应器。本发明中使用的等离子体技术是基于电介质阻挡放电(DBD)等离子体。其非热平衡放电可以在大气压条件下方便地进行操作。DBD形成在由绝缘电介质阻挡件间隔开的两个平行电极之间，阻挡放电的最重要的特性是非平衡等离子体条件，与其他替代等离子体技术(如电子束、低压放电和脉冲高压电晕放电)相比较，非平衡等离子体条件是较简单的。这种技术很容易从实验室条件按比例扩大到大的工业规模的装置。DBD等离子体处理采用高压交流电(AC)，其范围从4kV至30KV，频率范围从几百赫兹(Hz)到几百千赫(kHz)的。该足够高的电压被用于电离两个电极之间的间隙中的介质，该介质包含许多组分，如不同能量的电子、正负离子和中性粒子。这些电离的组分能将挥发性有机化合物和其他空气污染物深入降解成无害的产物，如CO₂和H₂O。

然而在消毒和净化过程中，DBD等离子体产生臭氧和其他有毒副产物。因而，将催化剂整合在等离子体反应器中以去除这些有毒的副产物。在本发明中使用的催化剂是二氧化钛(TiO₂)基的催化剂。该二氧化钛基的涂层具有孔径为2-20纳米的多个介孔结构，因此总有效表面积大大增加。二氧化钛催化剂可以掺杂其它元素，如钛、锌、铜、锰、镧、钼、钨、钒、硒、钡、铈、锡、铁、镁、金、铂、钴、镍或钯，或其氧化物，或其合金，以提高其光催化性能。该二氧化钛基的催化剂可以在等离子体反应器内被激活，而无需额外的紫外光照射。所产生的臭氧和来自DBD等离子体的其它副产物可以被二氧化钛基的催化剂消除。催化剂的位置可以位于电极的表面上，电极之间或等离子体反应器的后端。

因此，目前要求保护的发明的第一个方面是提供一种用于净化空气的等离子体反应器。

根据目前要求保护的发明的一个实施方式，用于净化空气的等离子体反应器包括：至少两个间隔开的等离子体电极，用于通过交流电压在至少两个间隔开的等离子体电极之间的等离子体区域内产生等离子体；至少一个绝缘电介质层；至少一个光催化剂层；和用于容许空气通过等离子体的至少一个空气入口和至少一个空气出口；其中，绝缘电介质层形成在间隔开的等离子体电极中的至少一个上；其中光催化剂层沉积在绝缘电介质层上；和其中光催化剂层面对等离子体。

根据目前要求保护的发明的另一个实施方式，光催化剂层位于所述至少两个间隔开的等离子体电极之间的等离子体区域内。

根据目前要求保护的发明的另一个实施方式，光催化剂层位于等离子体反应器的空气入口，或者等离子体反应器的空气出口。光催化剂层的至少一个表面暴露于等离子体区域并与等离子体接触。

目前要求保护的发明的第二方面是提供一种空气净化装置。

根据目前要求保护的发明的实施方式，空气净化装置包括：本发明的等离子体反应器；壳体；电通风机；过滤器；和定向空气导流板。

目前要求保护的发明的第三方面是提供一种空气净化系统。

根据目前要求保护的发明的一个实施方式中，空气净化系统包括多个本发明的等离子体反应器。多个等离子体反应器呈蜂窝形状并堆叠在一起。

该等离子体驱动的催化剂空气净化装置能在环境条件(即室温、大气压和相对湿度)下操作。可去除的气态污染物包括但不限于氮氧化物、二氧化硫、硫化氢、甲醛、氨、挥发性有机化合物(VOC)、有机臭气以及空气传播的细菌和病毒。DBD等离子体和二氧化钛基的催化剂的组合不仅可以对空气的消毒和净化具有协同作用，而且有毒副产物的排放低。因此，本发明中的新的等离子体技术，其将等离子体与催化剂结合起来，可以最大限度地减少或者甚至消除现有等离子体技术的那些缺点。

附图说明

在下文中参照附图更详细地描述本发明的具体实施方式，其中：

图1是表示根据目前要求保护的发明的一实施方式的等离子体驱动的催化剂消毒和净化装置的示意图；

图2是表示根据目前要求保护的发明的一实施方式的PDC装置中的等离子体反应器的示意图，其中催化剂涂覆在电极上；

图3是表示根据目前要求保护的发明的一实施方式的PDC装置中的等离子体反应器的示意图，其中催化剂位于两个电极之间；

图4是表示根据目前要求保护的发明的一实施方式的PDC装置中的等离子体反应器的示意图，其中催化剂位于等离子体反应器的后端；

图5是一张照片，表示根据目前要求保护的发明的一实施方式的用于空气污染物去除试验的实验设置；和

图6是示意图，表示根据目前要求保护的发明的一实施方式的具有蜂窝配置的空气净化系统的俯视图。

具体实施方式

在下面的描述中，多个空气净化装置和系统作为优选的例子被阐明。对于本领域技术人员显而易见的是，可以在不背离本发明的范围和精神的情况下作出修改，包括添加和/或替换。具体细节可能被省略以免混淆本发明；然而，书面记载本公开内容以使本领域的技术人员能够实践本文中的教导而不需要过度的实验。

本发明中的等离子体驱动的催化剂消毒和净化装置可以去除空气污染物并有效地和高效地改善室内空气质量。该装置包括预滤器、电通风机和其内具有催化剂的等离子体反应器。等离子体反应器是基于电介质阻挡放电(DBD)等离子体，其包括两个平行的间隔开的电极，和一个或两个电介质阻挡件。电极由导电材料构成，其可以呈杆、管、筒、箔、薄膜、板或网的形式。在两个电极之间的距离范围从几毫米至一百毫米。电极被电介质阻挡件分开，并且这些阻挡件附接到电极或插入在两个电极之间。频率范围从几百赫兹(Hz)至几百千赫(kHz)的从4kV至30KV的高压交流电(AC)被施加在电极上以在反应器内产生DBD等离子体。

等离子体和催化剂的组合用于空气处理具有许多优点，如更高的能量效率、低功耗、高矿化速率和没有副产物形成。该等离子体驱动的催化空气清洁技术能通过在低温下将全部范围的有毒成分分解成CO₂和H₂O来实现深度净化。改变等离子体特性可最终导致增强新活性物种的产生和提高等离子体放电的氧化能力。等离子体放电也会影响催化剂的性质，如化学成分的变化、表面积的增加或催化结构的变化。等离子体区域中的催化剂被等离子体激活，激活机制包括臭氧、紫外线、局部加热、功函数的改变、晶格氧的激活、吸附/解吸、电子-空穴对的产生和气相自由基与被吸附污染物的直接相互作用。除了帮助降解等离子体反应器中的气体污染物之外，激活的催化剂也可以降解从等离子体产生的有毒副产物。因此，与仅使用等离子体或其它空气净化技术相比，该等离子体驱动的催化剂技术有高得多的空气净化效率和更低的有毒副产物排放。

图1是表示根据目前要求保护的发明的一实施方式的等离子体驱动的催化剂消毒和净化装置的示意图。该装置101包括具有空气入口103和空气出口104的壳体102、电通风机105、定向空气导流板106、预滤器107和等离子体反应器108。壳体102包围电通风机105、定向空气导流板106、预滤器107和等离子体反应器108。电通风机105产生气流。定向空气导流板106定位气流的方向。预滤器107去除空气微粒。等离子体反应器108产生用于消毒和净化空气的等离子体。

图2是表示根据目前要求保护的发明的一实施方式的PDC装置中的等离子体反应器的示意图，其中催化剂涂覆在电极上。等离子体反应器包括一对间隔开的等离子体电极201a和201b、两个绝缘电介质层202a和202b、两个光催化剂层203a和203b、交流电源204、用于进气的空气入口和用于出气的气体出口。间隔开的等离子体电极201a和201b放置成彼此平行并具有一距离。绝缘电介质层202a位于间隔开的等离子体电极201a上并且面对间隔开的等离子体电极201b。类似地，绝缘电介质层202b位于间隔开的等离子体电极201b上并且面对间隔开的等离子体电极201a。光催化剂层203a涂覆在绝缘电介质层202a上，光催化剂层203b涂覆在绝缘电介质层202b上。这样，光催化剂层203a面对间隔开的等离子体电极201b，同时光催化剂层203b面对间隔开的等离子体电极201a。当AC电源204将高压交流电提供给间隔开的等离子体电极201a和201b时，在位于间隔开的等离子体电极201a和201b之间的等离子体区域内产生等离子体205。光催化剂层203a和203b都与等离子体205接触。当来自空气入口的被污染的空气通过等离子体反应器中的等离子体205时，被污染的空气被净化和消毒，净化的空气被从空气出口释放出来。

由于光催化剂层直接涂覆在绝缘电介质层上，所以光催化剂层能够被等离子体反应器中的等离子体有效地激活，而无需额外的紫外光照射来产生自由基，其能将诸如VOC的空气污染物分解成无害产物，例如水和二氧化碳，从而进一步提高了空气污染物的去除效率。由于光催化剂与等离子体接触，所以自由基的生成效率在这种反应性的等离子体环境下进一步提高。另外，从等离子体产生的臭氧或其他有害副产物也被自由基消除了。

由于光催化剂层被涂覆在绝缘层上，因此几乎没有空气阻力从光催化剂层产生，最终维持高气流条件并降低空气净化装置的电通风机的负荷。

图3是表示根据目前要求保护的发明的一实施方式的PDC装置中的等离子体反应器的示意图，其中催化剂位于两个电极之间。在本实施方式中，光催化剂层303位于一对等离子体间隔开的电极301a和301b之间的等离子体区域中，并放置成与该对等离子体间隔开的电极301a和301b基本上平行。光催化剂层303浸入由该对等离子体间隔开的电极所产生的等离子体305并与等离子305接触，以使得在没有额外的紫外光照射的情况下，光催化剂层303有效地被等离子305激活，从而产生自由基以分解空气污染物并消除臭氧和从等离子体305释放的其他有害副产物。另外，当光催化剂层303放置成与气流平行时，几乎没有空气阻力从光催化剂层303产生。相似地，绝缘电介质层302a和302b分别涂覆在该对等离子体间隔开的电极301a和301b上。连接到电极的交流电源304将交流电压提供给电极。

优选地，光催化剂层的厚度范围为10微米到500微米。绝缘电介质层的厚度范围为1毫米至5毫米。

图4是表示根据目前要求保护的发明的一实施方式的等离子体反应器的示意图，其中催化剂位于等离子体反应器的后端。在本实施方式中，光催化剂层403位于等离子体反应器的后端，并覆盖等离子体反应器的空气出口。光催化剂层403的表面暴露于一对等离子体间隔开的电极401a和401b之间的等离子体区域，并与等离子体405接触以使得在没有额外的紫外光照射的情况下，光催化剂层403有效地被等离子体405激活，从而产生自由基以分解空气污染物并消除臭氧和从等离子体405释放的其他有害副产物。这种配置可以提供更好的空气污染物去除效率。相似地，绝缘电介质层402a和402b分别涂覆在该对等离子体间隔开的电极401a和401b上。连接到电极的交流电源404将交流电压提供给电极。

优选地，二氧化钛基的涂层被整合在反应器中。该催化剂具有孔径为2-20纳米的多个介孔结构，其总有效表面积被增加。二氧化钛催化剂可以掺杂其它元素，如钛、锌、铜、锰、镧、钼、钨、钒、硒、钡、铈、锡、铁、镁、金、铂、钴、镍或钯，或其氧化物以提高其光催化性能。该催化剂可涂覆在电介质阻挡件或其它基底上，如透气性的基底、金属、玻璃、陶瓷、塑料和织物。该催化剂的位置可以是在电极的表面上、电极之间或在等离子体反应器的后端或前端。

优选地，溶胶-凝胶法用于将催化剂涂覆在电介质层上。带有其他化学品的光催化剂的前体被充分混合以形成预光催化剂溶液。然后通过浸涂而在电介质层上形成涂层。在这之后，在炉中对涂层进行退火处理以形成光催化剂层。

利用本发明的管状等离子体反应器进行实验以研究空气污染物去除效率。如图5所示，等离子体反应器包括内径为14毫米的电介质管，该电介质管充当电介质绝缘层。二氧化钛涂覆在电介质管的内表面上。导线盘绕在电介质管的外表面上作为接地电极，而另一根导线位于电介质管的中心作为高压电极。两个电极都与交流电源相连以向电极提供交流电流。等离子体反应器置于封闭的盒子中，其中有电通风机以产生气流。然后将VOC溶液注入到封闭的盒子中，并通过VOC监测器监测封闭的盒子中的VOC的浓度。当初始VOC浓度达到最大值时，接通等离子体反应器以产生等离子体，从而净化封闭的盒子中的空气。30分钟后，测量最终的VOC浓度以计算空气污染物去除效率。用三种不同的交流电压重复进行测试。通过没有二氧化钛涂层的等离子体发生器进行对照实验，该等离子体发生器作为仅仅使用等离子体技术的传统空气净化器。

表1示出了通过本发明的等离子体反应器进行的测试结果。

表1

表2显示了对照实验的测试结果。

表2

如结果所示，本发明的等离子体发生器在三个电压下提供了比对照实验高得多的空气污染物去除效率。在绝缘电介质层上整合了光催化剂层后，去除效率的增加范围基本上为39％至78％。

利用上述设置进行臭氧去除试验。用臭氧监测器测量封闭的盒子中的臭氧浓度。分别用本发明的等离子体反应器(具有光催化剂涂层)和没有光催化剂涂层的等离子体反应器(对照实验)进行两个实验。在接通等离子体反应器之前测量初始臭氧浓度，在30分钟后测量最终臭氧浓度。结果示于表3中。

表3

如结果所示，当没有光催化剂涂层时，臭氧浓度在30分钟后基本上从3ppb增加至362ppb。与之形成鲜明对比，臭氧浓度在30分钟后保持与5ppb相同。该结果表明，本发明的等离子体反应器能够避免由等离子体产生的有害产物的释放，因为光催化剂能够去除通过自由基的生成而产生的有害产物。

在组装本发明的PDC装置之后，可以将净化器放在预定的地方以消毒和净化室内空气。

如果需要更高的气流速度，则可以将多个等离子体反应器集成在一起作为蜂窝配置以形成空气净化系统。该系统可以提供更高的空气净化效率、更大的气流速度和更长的催化剂寿命。

图6是示意图，表示根据目前要求保护的发明的一实施方式的具有蜂窝配置的净化系统的俯视图。该系统包括多个本发明的等离子体反应器601和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料护套外壳602。PET塑料护套外壳602的直径为56毫米，高度为10厘米，外壳602的厚度为2-3毫米。每个等离子体反应器都是蜂窝形状，以使得等离子体反应器可以紧密地堆叠在一起，从而节省空间。等离子体反应器包括作为接地电极的厚度为1-2毫米的不锈钢壁603，和高压电极604。二氧化钛涂层和电介质涂层形成在不锈钢壁603的内侧上。当施加交流电源时，在接地电极603和高电压电极604之间产生等离子体605。由于总的等离子体区域在这种配置下相当大地增加，所以空气净化系统更有效地去除空气污染物。

本发明适用于在家庭和工业空气处理环境中的室内空气品质改善，比如市政厅和城市建筑、机场和火车站、公共场所吸烟室、地下商场、保健中心、清洁生产基地等等。

本发明的上述描述是为了说明和描述的目的而提供。它并非意在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。对于本领域普通技术实践者而言，许多修改和变化将是显而易见的。

选择并描述实施方式以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员能够理解本发明的各种实施方式及适合于预期的特定用途的各种变型。本发明的范围由所附的权利要求书及其等价物限定。

Claims (20)

1.一种用于净化空气的等离子体反应器，包括：

至少两个间隔开的等离子体电极，用于通过交流电压在所述至少两个间隔开的等离子体电极之间的等离子体区域内产生等离子体；

至少一个绝缘电介质层；

至少一个光催化剂层；和

用于容许空气通过所述等离子体的至少一个空气入口和至少一个空气出口；

其中，所述绝缘电介质层形成在间隔开的等离子体电极中的至少一个上；

其中所述光催化剂层沉积在所述绝缘电介质层上；和

其中所述光催化剂层面对所述等离子体。

2.如权利要求1所述的等离子体反应器，其中所述光催化剂层与所述等离子体接触。

3.如权利要求1所述的等离子体反应器，还包括：

连接到至少两个电极的用于提供所述交流电压的交流电源，其中所述交流电源提供的频率范围为0.1至40千赫，提供的交流电压范围为4至30千伏。

4.如权利要求1所述的等离子体反应器，其中间隔开的等离子体电极中的至少一个包括金属或导电的非金属，并且呈杆、管、筒、箔、薄膜、板或网的形式。

5.如权利要求1所述的等离子体反应器，其中所述至少两个间隔开的等离子体电极彼此平行地放置，并且间距为1毫米至100毫米。

6.如权利要求1所述的等离子体反应器，其中所述绝缘电介质层包括陶瓷、石英或玻璃。

7.如权利要求1所述的等离子体反应器，其中所述光催化剂层包括二氧化钛，其进一步包括钛、锌、铜、锰、镧、钼、钨、钒、硒、钡、铈、锡、铁、镁、金、铂、钴、镍、钯、其氧化物或其合金中的一种或多种。

8.一种空气净化装置，包括如权利要求1所述的等离子体反应器。

9.如权利要求8所述的空气净化装置，还包括：

壳体；

电通风机；

过滤器；和

定向空气导流板。

10.一种空气净化系统，包括如权利要求1所述的多个等离子体反应器。

11.如权利要求10所述的空气净化系统，其中多个等离子体反应器呈蜂窝形状并堆叠在一起。

12.一种用于净化空气的等离子体反应器，包括：

至少两个间隔开的等离子体电极，用于通过交流电压在所述至少两个间隔开的等离子体电极之间的等离子体区域内产生等离子体；

至少一个绝缘电介质层；

至少一个光催化剂层；和

用于容许空气通过所述等离子体的至少一个空气入口和至少一个空气出口；

其中所述绝缘电介质层形成在间隔开的等离子体电极中的至少一个上；

其中所述光催化剂层位于所述至少两个间隔开的等离子体电极之间的所述等离子体区域内。

13.如权利要求12所述的等离子体反应器，其中所述光催化剂层涂覆在透气性的基底、玻璃、陶瓷、塑料或织物上。

14.如权利要求12所述的等离子体反应器，其中所述光催化剂层包括二氧化钛，其进一步包括钛、锌、铜、锰、镧、钼、钨、钒、硒、钡、铈、锡、铁、镁、金、铂、钴、镍、钯、其氧化物或其合金中的一种或多种。

15.如权利要求12所述的等离子体反应器，还包括：

连接到至少两个电极的用于提供所述交流电压的交流电源，其中所述交流电源提供的频率范围为0.1至40千赫，提供的交流电压范围为4至30千伏。

16.一种空气净化装置，包括如权利要求12所述的等离子体反应器。

17.如权利要求16所述的空气净化装置，还包括：

壳体；

电通风机；

过滤器；和

定向空气导流板。

18.一种空气净化系统，包括多个如权利要求12所述的等离子体反应器。

19.如权利要求18所述的空气净化系统，其中所述多个等离子体反应器呈蜂窝形状并堆叠在一起。

20.一种用于净化空气的等离子体反应器，包括：

至少两个间隔开的等离子体电极，用于通过交流电压在所述至少两个间隔开的等离子体电极之间的等离子体区域内产生等离子体；

至少一个绝缘电介质层；

至少一个光催化剂层；和

用于容许空气通过所述等离子体的至少一个空气入口和至少一个空气出口；

其中所述绝缘电介质层形成在间隔开的等离子体电极中的至少一个上；

其中所述光催化剂层位于所述空气入口或所述空气出口；和

其中所述光催化剂层的至少一个表面暴露于所述等离子体区域并与所述等离子体接触。