CN106000644A - 高效大气净化器及净化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效大气净化器及净化方法，包含对地绝缘的导体和给导体传送电荷的电源，电源的输出端连接到导体，电源的接地端接地。其方法是将对地绝缘的导体悬挂或支撑在大气中，电源连续传送电荷给导体，导体产生电场，大气中的颗粒物受到电场力的作用快速沉降到地。本发明导体上的电能几乎都转化为细颗粒物所受电场力所作的功，所以对大气中细颗粒物的净化效率高，而且不生产噪声、振动与干扰，无污染，由于效率高，即适用于城市和工业区或工地等净化大面积高空域的细颗粒物。

Description

高效大气净化器及净化方法

技术领域

本发明属于空气净化技术领域，尤其是净化大气中颗粒物的技术领域。

背景技术

大气中细颗粒物因为它本身很轻，因此能长时间在大气中悬浮停留，对人体健康和大气环境影响很大。

已知的净化技术方案有喷雾、洒水、过滤、吸附、静电和离子等，以及这些技术的组合。

喷雾和洒水技术方案对较大的颗粒有效，对细颗粒物效率低，作用范围小，而且在雾霾严重的北方冬天不适用，因为洒水、喷雾会结冰，长期在城市使用不但耗电耗水量大，还要用大功率的水泵或风机，而风机水泵能耗大，也会产生噪声扰民。

过滤和吸附技术方案的空气阻力大，随着吸附在高效滤网上的颗粒物越多，阻力会增加，风量会越来越小, 能耗也增加, 因而效率降低，滤网对超细颗粒物（UltrafineParticules,PM0.1、PM0.01）的净化效率也低，这类技术多数是用于室内，难以应用在面积大的广阔大气中。

静电和电离技术方案对粉尘净化效率高，但是对高电阻率粉尘和极细颗粒物效率低，主要应用在工矿企业，目前工矿企业颗粒物的排放标准是几十mg/m³ 甚至是几百mg/m³，是城市空气质量要求（μg/m³）的几百上千倍，而且不监测细颗粒物, 所以这些难以被静电和离子技术净化的细颗粒物或超细颗粒物从工矿企业“已达标”了的烟筒 “逍遥法外”漂到城市来了。现有的静电和电离技术方案已经不能满足城市中对 PM2.5 小于几十μg/m³ 的要求，但是要让工厂排放减小几百倍甚至上千倍（1mg/m³=1000μg/m³），几乎现有的工厂都要停产关闭或转型升级，短期内会严重影响生产。而随着人们生活水平提高，空气质量标准要求会更严，今后的要求可能低于10μg/m³，还可能还要监测超细颗粒物（PM0.1、PM0.01），这些都是现有的净化技术难以解决的难题。

除此之外，还有人工造风、人工增雨、制冷、制热等促使空气流动、扩散的方法，但能耗大、成本高以及运行费用高，实施难，效果不理想。自从人们认识雾霾危害以来，一直渴望得到解决技术方案，但始终未能获得有效的技术方案，各国政府也只能忍耐和采取各种行政管理措施。

要净化地面上空大气中的细颗粒物，现有的净化技术方案至少存在以下的一些不足。

1）使用风机或水泵喷雾、洒水、使空气或水雾定向流动，能耗大、噪声大。

2）过滤器阻力大，一次性使用并要定期更换，长期使用成本高，不适用室外广阔空间的大气中。

3）有净化壳体、有进风口、有出风口和强迫空气定向流动的装置，因而净化空间范围受限。

4）对室外大空间范围的细颗粒物和超细颗粒物的净化效率低，净化的空间范围小。

总之，现有净化技术方案最大的缺点是净化空间范围小、净化效率低、能耗高，目前还没有高效的净化技术方案能克服现有大气净化技术的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种没有净化壳体、没有进风口也没有出风口，没有管道、没有过滤材料，没有风机或水泵，结构简单，能高效净化地面上空大气中细颗粒物的高效大气净化器及净化方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高效大气净化器, 其特征是，包含对地绝缘的导体和给导体传送电荷的电源，电源的输出端连接到导体，电源的接地端接地;其净化过程如下。

1）将对地绝缘的导体悬挂或支撑在大气中。

2）电源传送电荷给导体，导体与地之间形成电场区。

3）大气中的颗粒物受到电场力的作用沉降到地。

所述导体是指表面或内部能够传导电荷的任何物体，包括金属材料、静电导体、静电亚导体。导体存在正曲率的表面，形状包括球、球体、环、圆环体、线、分裂线、丝、板。导体的结构利于生产加工，又易于电荷存储与流入大气中，由于电荷分布在外表面，所以成空心或网状，或由丝网加工而成，即节省材料，又减轻重量。正曲率的导体表面有利于在电场的作用下电荷流入大气。而根据静电场知识可知，导体内部任一点的电场强度等于零，电荷分布在外表面，所以本发明中优选的导体为空心导体。

为了提高效率，本发明中的导体对地绝缘，植物或由导电材料做成的仿生植物都必须对地绝缘，所谓对地绝缘就是与导体接触的其它物体，包括支撑或悬挂导体的物体，应使用电阻率非常高的材料。本发明的导体对地绝缘，使得从电源提供给导体的电荷绝大部分都流入大气中用于净化大气，漏掉的电荷非常少，所以有高的净化效率。

本发明中的电源是传送电荷给导体的装置，包括静电发生器、高压直流电源，电源的输出电流限制在安全范围内，电源有限流保护装置，电源的上部有防雨的伞形结构，电源有控制端，可人工控制或自动控制电源的输出电流，包括空气质量检测系统和网络控制，空气污染严重时，提高电源传送电荷的速率，空气污染小时，降低电源传送电荷的速率，当达到空气质量优时，电源处于待机状态，以节省电能。电源的技术是公知的现有技术，静电发生器已得到广泛的应用，其技术成熟可靠，在此不再赘述。

本发明中的地是电位为零的物体或与地等电位的物体，包括地球、地面、山、海以及与地球表面相连接的物体包括建筑物、植物。

本发明方案的工作原理是：当电源连续给导体传送电荷时，由于导体绝缘，导体上的电只能传送给大气，使大气中的颗粒物也带电, 大气中的颗粒物受到电场力比重力大得多时，则颗粒物在电场力作用下快速沉降到地，而且带电了的颗粒物由于静电力的作用会吸引其周围的颗粒物凝并成较大的颗粒物，也有利于快速沉降到地，由此实现大气中细颗粒物的净化作用。带电导体离地的高度越高，电场作用空间范围越大，而且还不会发生击穿放电，更安全。

为简化和理论分析，在此仅考虑电场力的作用。对于带电 q ，质量为m 的颗粒物，在电场 E 的作用下。

由静电学电场理论可得：F=qE。

根据牛顿第二定律：F=ma。

根据位移S 公式：。

联解得到： 。

由此可见，颗粒物沉降的距离 S 与其带电量 q 、电场强度 E 和电场力作用时间t 的平方成的乘积成正比，与颗粒物的质量 m 成反比。颗粒物带电量 q 越多，所受到的电场 E 越强，电场力作用时间 t 越长，颗粒物质量 m 越小，则颗粒物沉降的距离 S 越远，所以本发明对质量小的细颗粒物和超细颗粒物的净化效率高。

本发明中，只要颗粒物没有降到地，导体就一直对颗粒物带电，从而荷电时间长，将不易带电的细颗粒及高电阻率的颗粒也带上电荷 q，从上述联解得到的公式中可知，电荷量q越大时，在其它相同条件下颗粒物下降的距离S更大。长期以来静电除尘技术对细颗粒特别是超细颗粒物以及对高电阻率的颗粒物净化效率低，使得这一技术基本上是用在工业除尘，工业排放的标准都是几十甚至几百mg/m³，比城市大气污染控制要求的几十甚至几百μg/m³大千倍，在本发明的技术方案中，只要颗粒物没有降到地，或只要颗粒物漂浮在大气中，电场就一直对颗粒物施加电场力 F，迫使大气中任何颗粒物沉降在地面，在雾霾还没有形成时高效大气净化器就将它控制了，从而防止了雾霾的形成，克服现有静电技术难以除去细颗粒特别是超细颗粒物以及对高电阻率的颗粒物净化效率低的偏见。

从上述理论分析可知，颗粒物沉降的距离 S 与作用时间 t 的平方成正比，如果作用时间t长，能起到预料不到的显著净化效果。一般静电除尘器中由于气流速度快，颗粒物在静电场中荷电时间t和所受电场力F的作用时间都很短，高电阻率和细颗粒物荷电量少，所以一般静电除尘器对高电阻率和细颗粒物的除尘效率低。假如静电除尘器电场力作用时间为 1 秒，而本发明中电场力的作用时间为 1 个小时，则 t²=3600²=12960000（s）>1千万（倍），也就是在其它条件相同时，本发明中颗粒物在电场力作用下沉降的距离比现有静电除尘技术的颗粒物沉降的距离要大一千万倍！或者在消耗同样能量的情况下，本发明可净化更多的颗粒物，或者用比现有静电除尘技术弱得多的电场强度，而取得比现有静电除尘技术更高净化效率，即节省能耗，又提高效率。本发明的高效大气净化器所消耗的电能几乎都转化为颗粒物所受电场作用力所作的功，所以能耗小效率高。颗粒物质量 m 越小，在同条件下，颗粒物沉降的距离S越远, 或者说颗粒物越细小，在同样条件下，更快速沉降到地，所以本发明对大气中各种大小的颗粒物，包括细颗粒物和超细颗粒物的净化效率都会产生预料不到的净化效果。

在没有净化壳体的限制时，点电荷导体产生的电场可以发散到无穷远，其净化器的作用范围也是无穷远，但是从静电学理论可知，电场强度会随距离的平方成反比，也就是随着距离的增加，场强会迅速减小，净化效果也明显降低，但是多个高效大气净化器组合形成线时，从静电学理论可知，线的电场与距离成反比，而不是距离的平方成反比，即使在较远的距离，净化效果也比单个高效大气净化器好，而多个高效大气净化器形成面时，从静电学理论可知，其产生的电场与距离无关，也就是说其净化效果与距离无关，即使在离开导体很远距离，高效大气净化器组合形成的超级大气净化器效果依然显著，所以多个高效大气净化器组合构成线，平面和立体净化区结构，组合成超级大气净化器，组建成防霾护栏、防霾长城和防霾净化区，会产生预料不到的净化效果，只要有颗粒物漂浮在大气中，高效大气净化器就一直对颗粒物施加电场力 F，迫使大气中任何颗粒物沉降在地面，从而防止了雾霾的形成。

本发明的高效大气净化器的技术与现有净化技术相比的有益效果是。

1）没有净化壳体的限制，也没有进风口和出风口，净化的空间范围更大。

2）不用过滤材料，不用定期更换和维护，长期使用没有耗材的成本，也不用维护。

3）不用风机和水泵，不产生噪声与振动，适用于人口密度大的城市居住区。

4）不产生污染，不产生噪声与振动，不放电不产生电磁干扰。

5）消耗的电力少，能效比高，消耗的电能几乎都转化为颗粒物所受电场作用力所作的功。

6）安全，高效大气净化器的电源有保护和控制系统，而且导体离地高，不会发生放电。

7）结构简单工作可靠，因为没有机械运转，没有机械磨损，维护成本低，运行费用低。

8）对质量小的细颗粒物和超细颗粒物净化效率高。

9）不但能除雾霾，还能防止雾霾的形成，在雾霾还没有形成时高效大气净化器就控制它的形成。

总之，只要细颗粒物还漂浮在大气中，没有到达地之前，导体就一直对颗粒物荷电，颗粒物就一直会受到电场力的作用直到其沉降到地，由于电场力对颗粒物的作用时间长，可以用比静电除尘器较弱的电场和较小的电流获得更高的效率，对一些难以带电的高电阻率颗粒物以及细颗粒物，包括空气中的雾、沙尘暴，带电导体就会长时间连续对这些颗粒物带电。在颗粒物带电时间长的条件下颗粒物带电荷就多，因而受到的电场力作用也大，在电场力作用大、作用时间又长的情况下，颗粒物移动的距离就越远，就能快速沉降到地，已经带电的颗粒物在下降时，又会吸引其周围其它颗粒物凝并成较大的颗粒物，甚至引发降雨，更有利于颗粒物快速沉降，从而进一步提高净化效率，高效大气净化器所消耗的电能几乎都转化为颗粒物所受电场作用力所作的功，所以本发明能耗小，效率高，本发明组合形成的构成线，平面和立体净化区结构，组合成超级大气净化器，组建成防霾护栏、防霾长城和防霾净化区，不但能除雾霾，还能防止雾霾的形成，在雾霾还没有形成时高效大气净化器就将它控制了，从而防止雾霾的形成。

下面参考附图和实施例对本发明进一步进行说明。

附图说明

图 1 是本发明的高效大气净化器结构示意图。

图 2 是本发明的高效大气净化器的一个实验结果。

图 3 是本发明的高效大气净化器应用于道路的实施例示意图。

图 4A 是本发明高效大气净化器（树）的示意图。

图 4B 是本发明高效大气净化器（花篮）的示意图。

图 4 是本发明高效大气净化器应用于居民区立体净化器实施例的示意图。

图 5A 是多个气球组成气球结构的高效大气净化器的示意图。

图 5B 是单个气球组成气球结构的高效大气净化器的示意图。

图 5 是本发明高效大气净化器应用于城市立体净化器实施例的示意图。

图 6 是本发明的高效大气净化器（气球）应用于高空的实施例示意图。

图中：1-导体， 2-电源， 3-地，4-支柱，5- 空气质量检测传感器，6-底座,7-供电引线，8-防雨伞形结构, 9-拉线。

具体实施方式

实施例一。

图 1 中，导体1直接接在电源 2 输出端，不用高压线连接，从而减小了电荷的泄漏，提高效率。

为检验本发明的净化效果，将高效大气净化器放置在道路边附近，为了增加球形传送电荷的效率，在球上有数根针 1-1，也可将尖针换成其它尖端、弯针、金属丝、导电纤维或铝箔。将 PM2.5 检测仪放在离球 3 米的下方位置连续测试，测试结果如图 2 所示。通电前检测 PM2.5 值为 330μg/m³ （严重污染），通电 5 分钟就降到小于 75μg/m³ 空气良的水平，再加电 10 分钟，降到了 25.2μg/m³ 空气优的水平。10 分钟时间就能将严重污染的空气变成优的空气。

在上述实施本方案的过程中发现，在测试开始后细颗粒物浓度下降速度非常快，当快要从良到优的过程中颗粒物浓度就又升高了，后来发现是由于空气流动时将净化后的空气吹走了，将其它的污染空气吹过来了，而高效大气净化器对这新流过来的污染空气也就几分钟时间就再净化到优的水平了，空气的流动和对流扩大了本发明的净化范围。一个空气对流、扩散的简单例子就是北京春季杨柳飞絮能飘到十几层甚至几十层楼高。这说明本发明在无净化壳体、无进风口，无出风口时，不用风机，仅仅依靠空气对流、扩散和电场力就能将净化的区域范围更宽更广，而再加上电场力作用和人员及车辆等的运动又促进了空气的流动，从而取得预料不到的大范围净化效果和净化效率。

本实施例中，球形导体 1 下部或电源 2 上部有防雨伞形结构 8，是为了减小下雨时因雨水降低导体 1 对地 3 的绝缘电阻而产生漏电，如果下雨后空气变优，安装在支柱 4 中的空气质量检测传感器 5 输出信号给电源降低电源 2 的输出电流。底座 6 用于固定高效大气净化器，供电引线 7 接到市政 AC220V 电或 AC380V 供电网络或者其它能源供电。

将高效大气净化器安装在在人员与车辆活动的区域，例如安装在隔离带的中间区域，如图 3，这一区域也是城市中汽车排放与扬尘污染物最严重之区域，其污染物的密度比高空中要大，也是周围人员受害最多的区域，在街道、道路、高速公路边，人员与汽车的流动也能增加空气的流动，特别是高速公路上汽车快速的运动能扩大本发明的净化范围。

将多个高效大气净化器间隔安装, 在地面形成地面净化的隔离带，不但能净化雾霾，还能净化高速公路上汽车排放和路面上扬尘。同样将多个高效大气净化器间隔安装应用于机场跑道，能大范围净化跑道，对于飞机起降中识别跑道非常有效。将多个高效大气净化器间隔安装而应用于居民区、广场、娱乐场所、学校，或将高效大气净化器的导体做成树或花篮，树或花篮对地绝缘，因而形成高效大气净化器的“雾霾净化围墙或雾霾净化防护网”，更能发挥本发明的净化效果。

实施例二。

本发明组合成立体净化器在高层建筑物、游乐场、广场、塔、烟囱中实施作用范围更大，特别是城市公共烟囱都是在房顶，炒菜也是颗粒物的主要来源之一，一个单元几十户甚至更多，炒菜时通过公共烟囱排放到几十米至上百米高空。采用本发明的实施方案如图4 所示的居民区，图 4 中固定在地的高效大气净化器的导体 1 是如图 4A 所示的与地绝缘的树或仿生植物，或者图 4B 所示的花篮，仿生植物或花篮要用导电的材料做成。图 4中在房顶上两个高效大气净化器之间可用分裂导线连接，中间可以悬挂导体 1，导体 1 的形状包括球形、直导线或分裂线，或气球，气球表面要能导电，例如用铝箔做的气球。多个高效大气净化器在不同高度构成立体超级净化器。

实施例三。

本发明的高效大气净化器还可将城市上空几十米到几百米的高空构成城市立体净化，如图 5 所示，本发明实施时可以使用低成本的气球或飞艇，雾霾往往出现在没有风或风力小的天气，为本发明实施提供了好的天气条件，本发明即可采用由单个气球或飞艇构成导体 1，如图 5B 所示。也可采用多个气球构成一个大气球的导体 1，如图 5A 所示。也可以将多个串接后与大气球捆绑一起构成更长更高的导体 1，如图 6 所示。气球充以密度比空气小的气体，如安全的氦气，气球或飞艇漂浮在大气中，气球通过导线如碳纤维导线与电源 2 输出端相接。城市中大部分建筑的高度都低于 500 米，所以能除去 500 米以下的雾霾就解决了雾霾对城市居民健康的危害。

气球虽然成本低，但是会漏气，如果不用气球，也可以建成塔，例如北京气象塔的高度达325米，上海东方明珠塔高 468 米，而现在很多建筑高度都能达到几百米。如果将高效净化器固定在 500 米的塔上，由于空气的对流和流动以及电场发散的作用，不仅能净化500 米以下的细颗粒物，还能净化 500 米以上一定的高度的细颗粒物。

实施例四。

从前面的实施例可见，本发明的高效大气净化器组合成地面保护区或立体保护区屏障，对城市中汽车及饮食等产生的主要颗粒物和城市上空的颗粒物净化都能实施。但城市外的颗粒物往往是从上百公里甚至更远的距离随高空气流输送到城市来，为防止这些外来的雾霾，将前述的几个高效大气净化器在城市郊区组合成高中低空的高效立体净化器或“防霾长城”，以北京市为例，北京市外来颗粒物输送的主要方向是东南或西南，所以在东南和西南郊区组成高效大气净化器防霾围栏或防霾长城，当雾霾来侵时，高效大气净化器将雾霾击落在地，城外雾霾就难以从郊区跑到市区里来。如果将本发明实施到市内各道路或建筑物上组合成防霾保护净化区，将整个城市打造成超级高效大气净化器，再将高效大气净化器在城市周围组建防霾围栏或者防霾长城，任何时间空气质量达标了，因为只要颗粒物从地上漂起来或从城外来侵，就受到电场力的作用将它时时刻刻击落在地，防止雾霾的形成，无论是雾霾还是节假日放鞭炮，无论是城市内产生的 PM2.5 还是外来的 PM2.5、无论是大雾或沙尘暴, 实施本发明的高效大气净化器，只要细颗粒物离开地面，都将它击落在地，不让雾霾形成，也不让外面的雾霾进城来，几百米甚至更高的高空中也就不会有雾霾了，从被动的等天气“吹”雾霾变成了主动的控制雾霾。

实施例五。

本发明的高效大气净化器和组合的高效大气净化器，实施于工业生产区能取得更好的效益。因为工厂企业的烟囱大部分都低于 500 米，从前面实施例可以看出，当在工业生产区和施工工地实施本发明后，这些颗粒物还没有升空时，高效大气净化器就将它击落在地，不让它入侵其周边区域，这样即不影响工业生产，又不影响城市居民的身体健康与生活。将高效大气净化器应用在工业生产区、建设工地、车间,将生产过程中产生的 PM2.5 在源头就降下来，即改善了工人的生产环境，提高了工人的身体健康水平，又不影响城市人民的生活与健康，那些高烟囱都可以拆除掉。高效大气净化器的实施将城外产生 PM2.5 的源头挡在了“防霾长城”之外，又将城市内汽车排放与生活排放的 PM2.5“击落在地”，所以本发明的实施具有非常高的社会与经济效益。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明仅限于上述实施，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不付出创造性劳动做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种高效大气净化器, 其特征是，包含对地绝缘的导体和给导体传送电荷的电源，电源的输出端连接到导体，电源的接地端接地;所述导体是指表面或内部能够传导电荷的任何物体，包括金属材料、静电导体、静电亚导体;导体存在正曲率的表面，形状包括球、球体、环、圆环体、线、分裂线、丝、板;所述电源是传送电荷给导体的装置，包括静电发生器、高压直流电源;所述地是电位为零的物体或与地等电位的物体，包括地球表面、山、海以及与地相连接的物体包括建筑物、植物。

2.如权利要求1 所述的高效大气净化器，其特征是，导体是对地绝缘的球，球连接到电源的输出端，所述的球包括实心球、空心球或网状结构的球、多个球构成的大球、椭球、球环，球表面存在正曲率的表面，包括尖端、弯针、连接在球表面的导电材料，包括金属丝、导电纤维。

3.如权利要求1 所述的高效大气净化器，其特征是，导体是铝箔，铝箔连接到电源的输出端，所述的铝箔包括铝丝、铝箔空心体、多个铝箔体构成的大导体。

4.如权利要求1 所述的高效大气净化器，其特征是，导体是导电丝，导电丝连接到电源的输出端，所述的导电丝包括金属丝、导电纤维。

5.如权利要求1 所述的高效大气净化器，其特征是，导体是对地绝缘的植物或仿生植物 ，对地绝缘的植物或仿生植物连接到电源的输出端。

6.如权利要求1 所述的高效大气净化器，其特征是，导体为表面导电的气球，包括铝箔气球、导电塑料的气球，气球充以密度比空气小的气体，单个气球或多个气球捆绑构成大球，或串起来构成长气球，气球通过导线包括金属导线、导电纤维连接到电源的输出端。

7.上述权利要求的任意高效大气净化器的组合，其特征是，多个高效大气净化器组合构成线，平面或立体净化区结构，组合成超级高效大气净化器，组建成防霾长城、围栏。

8.上述权利要求的任意高效大气净化器，其特征是，电源有限流保护装置; 电源的上部有防雨的伞形结构; 电源有控制端，可人工控制或自动控制电源的输出电流，包括空气质量检测系统和网络控制，空气污染严重时，提高电源传送电荷的速率，空气污染小时，降低电源传送电荷的速率，当达到空气质量优时，电源处于待机状态。

9.一种高效大气净化方法：其过程包括：

1）将对地绝缘的导体悬挂或支撑在大气中;

2）电源传送电荷给导体，导体与地之间形成电场区;

3）大气中的颗粒物受到电场力的作用沉降到地。

10.上述任意高效大气净化器和高效大气净化方法的应用，其特征是高效大气净化器或者高效大气净化方法应用到包括城市、郊区、工业区、工厂周围、施工工地，应用在包括道路、高速公路、机场、居民区、街道、广场、娱乐场所、学校、建筑物、塔、烟囱。