CN106642487A - 一种新风和室内空气净化的一体化装置及净化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新风和室内空气净化的一体化装置，包括并列设置的室外空气净化室和室内循环空气净化室，室外空气净化室和室内循环空气净化室的远离进气口的一侧还设有风机，室外空气净化室进气口向内依次设有高压静电除尘器、臭氧催化剂层和热交换器；室内循环空气净化室进气口向内依次设有高压静电除尘器、高能紫外灯和光催化层。针对室外空气和室内空气污染物种类、浓度等特征的差异，灵活采用的净化方法解决了传统空气净化功能单一、降解不彻底，存在二次污染等问题，充分利用催化材料常温催化氧化室内典型污染物甲醛的功效，此外还能利用臭氧催化氧化的高效矿化作用，避免臭氧资源浪费，实现室内增氧，可广泛用于室内空气净化领域。
Description
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，更具体地，涉及一种新风和室内空气净化的一体化装置及净化方法。
背景技术
2012年冬季以来，雾霾频繁肆虐于中国北京及广大中东部地区上空，影响面积高达190万平方公里，全国各大城市深受其害。当前我国大气污染状况依然十分严重，城市大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍超标。我国的大气PM2.5浓度远远超过全球大部分其他地区，并且超出了世界卫生组织（WHO）给出的 PM2.5浓度准则值和过渡时期目标值。2015年11月16日，国际环保组织亚洲清洁空气中心在北京发布了《大气中国2015：中国大气污染防治进程》报告，报告显示，我国空气质量改善效果初显，但部分城市的臭氧污染呈加剧趋势，臭氧浓度整体略有上升，作为首要超标污染物的天数增加。与其他5项污染物相反，臭氧成为唯一不降反升的污染物。2014年，74个城市臭氧平均为145微克/立方米，同比上升4.3%，达标城市比例为67.6%，同比下降9.4%。加拿大职业健康与安全中心提出，臭氧会刺激和损害鼻粘膜和呼吸道，引发胸闷咳嗽、咽喉肿痛，哮喘，并有可能导致肺功能减弱、肺气肿和肺组织损伤，且往往是不可修复的。
相比于室外空气污染，室内空气质量状况也不容乐观。城市化进程加快的同时室内空气质量不断恶化，不良装修带来的甲醛、挥发性有机物等有害物质严重影响到人体健康。权威机构数据显示，90%新居家庭装修存在甲醛超标问题，中国每年因装修污染引起上呼吸道感染致死的儿童约有210万，90%儿童白血病家庭一年内有装修过。2016年环保部发布《中国儿童环境暴露行为模式研究成果》，研究成果表明，中国近三成儿童暴露于室内空气污染，13.6%的儿童主要活动场所周边1公里范围内有健康高风险企业。面临室内室外污染源的双重夹击。目前我国室内空气污染问题的特点是由室内源引发的污染和由室外源引发的污染并存，空气污染物呈现多为污染物的特点，污染物包括颗粒物、气态分子和微生物病毒等。因而，室内空气净化和新风净化同等重要。目前空气净化器处理手段可分为过滤式、吸附式、络合式、化学催化式、光催化式、静电式、负离子式、等离子式，目前空气净化技术功能单一、功效有限，主要集中于颗粒物去除，而对于致癌、致病的苯系物和甲醛等人体危害更严重的气态污染物以及传染性病菌缺乏有效及经济的方法消除。如吸附法仅能对部分气态污染物进行富集而非降解，吸附饱和后无法继续工作，且易滋生细菌。近年新兴的负离子技术亦仅能去除可吸入颗粒物，而等离子体技术存在能耗高和臭氧副产物等不足。单独UV或臭氧技术是常见的空气消毒方法，但其氧化能力有限，无法杀灭许多顽固细菌病毒和降解气体分子污染物。此外，UV存在无法照射到区域，而臭氧残余若不消除会产生二次污染。现有技术均存在固有缺陷，要实现对污染物的处理需要结合大量的处理手段，结构复杂且成本较高，难以满足当前空气污染净化的迫切要求。
发明内容
本发明所要而解决的技术问题是克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种新风和室内空气净化的一体化装置。
本发明的第二个目的是提供利用所述装置进行空气净化的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：
一种新风和室内空气净化的一体化装置，包括并列设置的室外空气净化室和室内循环空气净化室，所述室外空气净化室和室内循环空气净化室的远离进气口的一侧还设有风机，其中，所述室外空气净化室进气口向内依次设有高压静电除尘器、臭氧催化剂层和热交换器；所述室内循环空气净化室进气口向内依次设有高压静电除尘器、高能紫外灯和光催化层，其中，所述光催化层为以吸附材料为载体，载体上负载有二氧化钛，锰氧化物和还原态贵金属的空气净化材料，其中，二氧化钛的负载量为吸附材料质量的0～60%；锰氧化物的负载量为吸附材料质量的0.1～10%；还原态贵金属的负载量为吸附材料质量的0.01～1%，所述还原态贵金属选自铂、钯、金、银中的一种或者两种，或者两种以上。
该装置可同时净化室外空气和室内循环空气，并根据室外空气和室内循环空气所携带的污染物进行针对性的净化，该装置利用紫外光催化氧化、臭氧催化氧化、甲醛常温纳米催化氧化和臭氧分解的协同作用来净化光空气污染物。
本发明所述装置中的高压静电除尘器、高能紫外灯、臭氧催化剂层、热交换器、光催化层光均可以设置为可拆卸的独立模块（例如可设置为抽屉式），其中，所述高压静电除尘器和高能紫外灯设置单独控制开关。
优选地，所述高压静电除尘器配置有静电场高压控制调节器，电压调整范围为3kv～20kv，高压静电除尘器共用于室外和室内循环风。
优选地，所述的室内空气净化室的高能紫外灯优选为185nm紫外灯，污染物浓度较低时优选为254nm紫外灯。
优选地，所述室外空气净化室内的热交换器为气气热交换器，内置有排风机，室外空气净化后再经过热交换器换热后进入室内，室外空气温度较高或大于室内循环空气温度时开启热交换器，以充分利用气体原有温度增强催化剂的催化性能。
本发明所述光催化层所用的催化剂是在载体上引入锰氧化物和贵金属，锰氧化物和贵金属原子能够吸附在载体表面缺陷上，进而形成表面丰富的基团结构，加强载体吸附。
优选地，所述光催化层中，二氧化钛的负载量为吸附材料质量的10～30%。
优选地，所述光催化层的制备方法包括以下步骤：
S1. 可溶性锰氧化物溶于第一份无水乙醇中，加入吸附材料，充分搅拌；然后加入钛酸四丁酯、抑制剂和可溶性贵金属前驱体，充分搅拌得溶液A；
S2. 取第二份无水乙醇，和水混合得溶液B，将溶液B滴入剧烈搅拌的溶液A中得凝胶；
S3. 将凝胶陈化、烘干、焙烧后再溶于水形成悬浮液；
S4. 悬浮液中加入液态还原剂进行还原反应，反应后将得到的悬浊液进行固液分离，将固体材料烘干后即得气态污染物的净化材料。
上述制备方法中，步骤S1中可溶性锰氧化物溶于无水乙醇中，再加入吸附材料，该步骤能够保证后面钛醇盐的水解反应在分子均匀的水平上进行，抑制剂的作用主要是用于缓解钛醇盐的水解速度，溶液B滴入溶液A中，使得钛醇盐与水发生水解反应，同时也发生失水和失醇缩聚反应，生成物聚集成1nm左右的粒子并形成溶胶；步骤S3的陈化可以使得溶胶形成三维网络而成为凝胶，烘干可除去水分和有机溶剂，本发明主要是在后面还加入了液态的还原剂，还原后的还原态贵金属形成的催化剂能够显著提高催化性能和选择性能。
优选地，步骤S1中第一份无水乙醇与钛酸四丁酯的体积比为2～16：1；所述钛酸四丁酯与抑制剂的体积比为5～150：1。
优选地，步骤S2中第二份无水乙醇与水的体积比为1～5：1，所述第二份乙醇与步骤S1中钛酸四丁酯的体积比为0.1～4：1。
优选地，步骤S1所述可溶性锰氧化物选自乙酸锰、硝酸锰、硫酸锰中的一种或者两种，或者两种以上。
优选地，步骤S1所述可溶性贵金属前驱体为可溶性的氯盐或者氯酸盐，所述的抑制剂选自盐酸、醋酸、硝酸、三乙醇胺、乙酰丙酮中的一种或者两种，或者两种以上。
优选地，步骤S4所述液态还原剂选自硼氢化钠、硼氢化钾、水合肼、甲醛、甲醇中的一种或者两种，或者两种以上。
优选地，步骤S3中所述的陈化温度为常温，时间为10小时以上，更优选地陈化时间为12～15小时；所述的烘干温度不低于100℃，更优选地为100～120℃，时间为10小时以上，更优选地为10～12小时。
优选地，步骤S3中所述的焙烧温度不低于300℃，更优选地为300～600℃。时间为2小时以上，更优选地为3～5小时。
优选地，所述吸附材料选自活性炭、沸石、碳纤维、二氧化硅、活性氧化铝或碳分子筛，吸附材料的形态优选为粉末、颗粒、柱状或蜂窝状。
优选地，所述臭氧催化剂层为在活性炭、分子筛、SiO2或活性氧化铝载体上负载有过渡金属氧化物和CeO2 ，所述过渡金属氧化物为Mn、Ni、Cu、Co中的一种，占载体质量比例为0.5%～20%，CeO2占载体质量比例为0～5%， Mn/Ce摩尔比为2～10：1。
更优选地，所述臭氧催化剂层的制备方法包括以下步骤：
S1. 充分溶解一定量的表面活性剂；
S2. 根据负载量称量过渡金属盐前驱体和硝酸铈，在搅拌状态下倒入步骤S1溶解后的表面活性剂内，充分溶解，配置成过渡金属盐-Ce(NO3)3混合溶液；
S3. 将过渡金属盐-Ce(NO3)3混合溶液置于超声水浴装置中，300～600W，在超声搅拌条件下倒入载体，并保持1～30min；
S4. 调节水温为30～60℃，在恒温水浴加热及搅拌条件下，保持12～24h；
S5. 放置于110℃烘箱中6～12h烘干，以10℃/min上升速率至300～600℃，恒温焙烧1～3h即得。
更优选地，S1中表面活性剂为十八烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和聚乙二醇中的一种，浓度为0.01～0.03mol/L。
更优选地，S2所述过渡金属盐前驱体选自乙酸盐、硝酸盐、硫酸盐中的一种或者两种，或者两种以上。
更优选地，S4所述超声装置中的水温调节为50～80℃。
更优选地，S5焙烧温度为500℃，恒温焙烧2～3h以上。
更优选地，所述制备臭氧催化剂的载体选自为煤质和椰壳活性炭、介孔分子筛；吸附材料的形态优选为球状、柱状或蜂窝状。
本发明还提供利用所述装置进行空气净化的方法，包括以下步骤：
一、在风机的作用下，室外和室内空气同步进入该装置；
对于室外空气而言，具体为：
S1. 含颗粒物、大气臭氧、低浓度挥发性有机气体的室外空气在风机作用下从室外空气净化室进气口进入室外空气净化室，首先经过高压静电除尘器，高压静电场在电晕放电过程中被荷电，并使尘粒荷电后趋向收尘极的表面而放电沉积；
S2. 大气臭氧，高压静电除尘器产生的微量臭氧，和剩余其他气态污染物进入臭氧催化剂层，被分解成CO2、水和氧气；
对于室内循环空气而言，具体为：
S1. 含颗粒物、室内臭氧、甲醛、挥发性有机气体和微生物的室内循环空气污染物在风机作用下从室内循环空气进气口进入室内循环空气净化室，首先经过高压静电除尘器，颗粒物经过高压静电场时在电晕放电过程中被荷电，并使尘粒荷电后趋向收尘极的表面而放电沉积；
S2. 空气中的水分、氧气在电晕放电的强电场作用下，高能电子与水分子的碰撞反应，以及激发态氧与水分子的电荷转移反应产生羟基自由基和臭氧；
S3. 甲醛和挥发性有机气体中的苯系物经过高能紫外灯，部分直接被裂解为CO2和中间产物，这些CO2和中间产物同挥发性有机气体中的剩余物质进入光催化层，在臭氧强化的光催化、臭氧催化氧化、臭氧分解和甲醛常温纳米催化氧化协同作用下，被完全矿化成CO2、H2O和氧气，同时臭氧得到完全消除和利用；净化后的室内循环空气与净化后的室外空气混合后进入室内。
当室内空气污染物浓度较低，且气态污染物以甲醛为主时，利用所述装置进行空气净化的方法，包括以下步骤：
对于室外空气而言，具体为：
S1. 含颗粒物、大气臭氧、低浓度挥发性有机气体的室外空气在风机作用下从室外空气净化室进气口进入室外空气净化室，首先经过高压静电除尘器，高压静电场在电晕放电过程中被荷电，并使尘粒荷电后趋向收尘极的表面而放电沉积；
S2. 大气臭氧，高压静电除尘器产生的微量臭氧，和剩余其他气态污染物进入臭氧催化剂层，被分解成CO2、水和氧气；
对于室内循环空气而言，具体为：
S1. 关闭高能紫外灯，含颗粒物、室内臭氧、甲醛为主的低浓度挥发性有机气体的气体污染物在风机作用下从室内循环空气进气口进入室内循环空气净化室，首先经过高压静电除尘器，颗粒物经过高压静电场时在电晕放电过程中被荷电，并使尘粒荷电后趋向收尘极的表面而放电沉积；
S2. 空气中的水分、氧气在电晕放电的强电场作用下，高能电子与水分子的碰撞反应，以及激发态氧与水分子的电荷转移反应产生羟基自由基和臭氧；
S3. 臭氧、低浓度甲醛、以苯系物为代表的挥发性有机气体经光催化剂层时，在臭氧催化氧化、臭氧分解和甲醛常温纳米催化氧化协同作用下，被完全矿化成CO2、H2O和氧气，同时臭氧得到完全消除和利用；净化后的室内循环空气与净化后的室外空气混合后进入室内。
与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：
本发明提供了一种新风和室内空气净化的一体化装置，并列设置的室外空气净化室和室内循环空气净化室，所述室外空气净化室和室内循环空气净化室的远离进气口的一侧还设有风机，其中，所述室外空气净化室进气口向内依次设有高压静电除尘器、臭氧催化剂层和热交换器；所述室内循环空气净化室进气口向内依次设有高压静电除尘器、高能紫外灯和光催化层，其中，所述光催化层为以吸附材料为载体，载体上负载有二氧化钛，锰氧化物和还原态贵金属的空气净化材料，其中，二氧化钛的负载量为吸附材料质量的0～60%；锰氧化物的负载量为吸附材料质量的0.1～10%；还原态贵金属的负载量为吸附材料质量的0.01～1%，所述还原态贵金属选自铂、钯、金、银中的一种或者两种，或者两种以上。针对室外空气和室内空气污染物种类、浓度等特征的差异，利用常温纳米催化氧化、臭氧催化氧化和光催化氧化协同作用来高效净化复合空气污染物；灵活采用不同的净化方法，解决了传统空气净化功能单一、降解不彻底，存在二次污染等问题，充分利用催化材料常温催化氧化室内典型污染物甲醛的功效，此外还能利用臭氧催化氧化的高效矿化作用，避免臭氧资源的浪费，实现臭氧的深度利用和净化，具有高效稳定、能耗低、无二次污染、净化能力强等优点，可广泛应用于室内空气净化领域。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构示意图。
附图标记说明：1-室外空气净化室进气口；2-室内循环空气进气口；3-高压静电除尘器；4-高能紫外灯；5-臭氧催化剂层；6-光催化层；；7-热交换器室内排风进气口；8-热交换器室内排风出气口；9-热交换器；10-室外空气净化室出气口；11-室内循环空气出气口；12-风机。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的简单修改或替换，均属于本发明的范围；若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1 0.1%Pt-0.1%MnO-40%TiO2-AC（T400）
一种气态污染物的空气净化材料，以活性炭为载体，其他组分占吸附材料按质量分数含有：二氧化钛40%；氧化锰0.1%；铂0.1%。
具体制备步骤如下：将0.0134g乙酸锰溶于15mL无水乙醇中，然后加入3g活性炭，充分搅拌；加入2.5mL钛酸四丁酯，0.1mL浓盐酸，0.05mL乙酰丙酮，1.5375mL，0.01M 氯铂酸溶液，充分搅拌，记为A溶液；取1mL无水乙醇和0.7mL纯水混合制成B溶液；将B溶逐渐滴入剧烈搅拌的A溶液，搅拌至凝胶状态；将上述所得的材料在常温下陈化12h，然后在120℃烘干11h。将烘干的材料放入马弗炉，在400℃焙烧3小时。然后将材料制成悬浊液，加入硼氢化钠还原，固液分离后，在100℃中烘干6小时，得到0.1%铂-0.1%氧化锰-40%二氧化钛-活性炭复合催化剂（催化剂1，记为T400）。
实施例2 0.1%Pt-1%MnO-60%TiO2-AC（T600）
一种除气态污染物的空气净化材料，以活性炭为载体，其他组分占吸附材料按质量分数含有：二氧化钛 60%；氧化锰1%；铂 0.1%。
具体制备步骤如下：将0.1338g乙酸锰溶于19mL无水乙醇中，然后加入3g粉末活性炭，充分搅拌；加入7.2mL钛酸四丁酯，0.1mL浓盐酸，0.05mL乙酰丙酮，1.5375mL摩尔浓度为0.01mol/L氯铂酸溶液，充分搅拌，记为A溶液；取1mL无水乙醇和1mL纯水混合制成B溶液；将B溶逐渐液滴入剧烈搅拌的A溶液，搅拌至凝胶状态；将上述所得的材料在常温下陈化14h，然后在120℃烘干12h。将烘干的材料放入马弗炉，在600℃焙烧3小时。然后将材料制成悬浊液，加入硼氢化钾还原，固液分离后，在100℃中烘干8小时，得到0.1%铂-1%氧化锰-60%二氧化钛-活性炭复合催化剂（催化剂2，记为T600）。
实施例3 0.5%Pd-0.1%MnO-20%TiO2-沸石（T500）
一种除气态污染物的空气净化材料，以沸石为载体，其他组分占吸附材料按质量分数含有：二氧化钛 20%；氧化锰0.1%；钯 0.5%。
具体制备步骤如下：将0.0134g乙酸锰溶于15mL无水乙醇中，然后加入3g沸石，充分搅拌；加入2.6mL钛酸四丁酯，0.1mL浓盐酸，0.05mL乙酰丙酮，6.3mL，0.0242M氯化钯水溶液，充分搅拌，记为A溶液；取1mL无水乙醇和0.7mL纯水混合制成B溶液；将B溶液逐渐液滴入剧烈搅拌的A溶液，搅拌至凝胶状态；将上述所得的材料在常温下陈化12h，然后在120℃烘干10h。将烘干的材料放入马弗炉，在500℃焙烧4小时，然后将材料制成悬浊液，加入水合肼还原，固液分离后，在110℃中烘干6小时，得到0.5%钯-0.1%氧化锰-20%二氧化钛-沸石复合催化剂（催化剂3，记为T500）。
实施例4 1%Au-2%MnO-30%TiO2-碳分子筛（T300）
一种除气态污染物的空气净化材料，以碳分子筛为载体，其他组分占吸附材料按质量分数含有：二氧化钛 30%；氧化锰 2%；金 1%。
具体制备步骤如下：将0.2677g乙酸锰溶于15mL无水乙醇中，然后加入3g碳分子筛，充分搅拌；加入3.85mL钛酸四丁酯，0.1mL浓盐酸，0.05mL乙酰丙酮，15.15mL，0.01M氯金酸水溶液，充分搅拌，记为A溶液；取1mL无水乙醇和1mL纯水混合制成B溶液；将B溶逐渐液滴入剧烈搅拌的A溶液，搅拌至凝胶状态；将上述所得的材料在常温下陈化13h，然后在120℃烘干11h。将烘干的材料放入马弗炉，在300℃焙烧4小时，然后将材料制成悬浊液，加入甲醛水溶液还原，固液分离后，在120℃中烘干10小时，得到1%金-2%氧化锰-30%二氧化钛-碳分子筛复合催化剂（催化剂4，记为T300）。
实施例 5 UV+光催化剂（高能紫外灯催化剂层）
将催化剂（实施例1到实施例4制备得到的催化剂）在关闭紫外灯的情况下净化复合空气污染物，其次配合185nm紫外灯使用，构成光催化体系，提高降解气态污染物的效率。
对比例1
一种除气态污染物的空气净化材料，以沸石为载体，其他组分占吸附材料按质量分数含有：氧化锰 0.1%。
具体制备步骤如下：用去离子水溶解0.0134g乙酸锰前驱体，在搅拌状态下，往前驱体溶液中倒入3g 沸石，使其呈浆液状态，并在搅拌条件下浸渍12 h；在烘箱100 ℃的条件，进行干燥，保持12h，将其中的水分充分蒸发；将干燥的催化剂置于马弗炉，在550℃下焙烧3h。
将实施例1到实施例5和对比例1制备得到的催化剂以及活性炭进行活性评价。催化剂的性能测试在连续流动的玻璃管反应器（管径8mm）上进行，光催化测试在反应器外面放置两支4W紫外灯。选取20～40目1g的催化剂颗粒进行性能评价。进气流量为1L/min，室内臭氧浓度为90～200ppb，混合气体中甲醛浓度为10ppm，苯浓度20ppm，甲苯浓度20ppm。反应器出口甲醛浓度用甲醛分析仪（PPM-400，英国PPM公司），苯和甲苯浓度用气相色谱（GC-9790 plus，中国福立），臭氧浓度检测用臭氧分析仪（model49i，ppb美国热电公司）。测试的结果如表1所示。从表1可看出，在常温无紫外条件下，甲醛的转化率>85%（催化氧化为CO2和水），苯去除和甲苯去除以吸附去除为主，并且是不断在衰减。配合紫外灯使用后，甲醛去除率维持在 88%以上，苯的去除率长时间稳定维持在80%以上，甲苯的去除率可达85%以上。因此，本发明所制得的催化剂对气态污染物具有良好的净化效果。
对比例2
本对比例的催化剂的具体制备步骤如下：将0.2677g乙酸锰溶于15mL无水乙醇中，然后加入3g碳分子筛，充分搅拌；加入3.85mL钛酸四丁酯，0.1mL浓盐酸，0.05mL乙酰丙酮，15.15mL，0.01M氯金酸水溶液，充分搅拌，记为A溶液；取1mL无水乙醇和1mL纯水混合制成B溶液；将B溶逐渐液滴入剧烈搅拌的A溶液，搅拌至凝胶状态；将上述所得的材料在常温下陈化13h，然后在120℃烘干11h。将烘干的材料放入马弗炉，在300℃焙烧4小时即得。
利用本对比例获得的催化剂进行活性评价，评价方法同上，其结果表明：氧化态的复合催化剂对苯、甲苯的降解性能基本和实施例4持平，但是甲醛的去除率急剧下降，低至41%。
对比例3
本对比例的催化剂的具体制备步骤如下：将0.1338g乙酸锰溶于19mL无水乙醇中，充分搅拌；加入7.2mL钛酸四丁酯，0.1mL浓盐酸，0.05mL乙酰丙酮，1.5375mL摩尔浓度为0.01mol/L氯铂酸溶液，充分搅拌，记为A溶液；取1mL无水乙醇和1mL纯水混合制成B溶液；将B溶逐渐液滴入剧烈搅拌的A溶液，搅拌至凝胶状态；然后将3g活性炭加入溶胶。将上述所得的材料在常温下陈化14h，然后在120℃烘干12h。将烘干的材料放入马弗炉，在600℃焙烧3小时。然后将材料制成悬浊液，加入硼氢化钾还原，固液分离后，在100℃中烘干8小时，得到复合催化剂，结果发现：形成溶胶后再加入吸附材料，导致吸附材料和其他组分负载不均匀，很容易脱落，活性炭表面基团没发生明显变化，其吸附性能和负载型二氧化钛催化氧化不能形成协同作用，因此其降解性能大大下降。
对比例4
本对比例的催化剂的具体制备步骤如下：将0.1338g乙酸锰溶于19mL无水乙醇中，然后加入3g粉末活性炭，充分搅拌；加入7.2mL钛酸四丁酯，0.1mL浓盐酸，0.05mL乙酰丙酮，1.5375mL摩尔浓度为0.01mol/L氯铂酸溶液，充分搅拌，记为A溶液；取1mL无水乙醇、1mL纯水和硼氢化钾水溶液混合制成B溶液；将B溶逐渐液滴入剧烈搅拌的A溶液，搅拌至凝胶状态；将上述所得的材料在常温下陈化14h，然后在120℃烘干12h。将烘干的材料放入马弗炉，在600℃焙烧3小时得到复合催化剂，结果发现：所制得催化剂团聚现象明显，颗粒变大，比表面积变小，导致催化剂吸附性能大大下降，在复合催化剂表面的催化氧化能力也下降。
实施例6 臭氧催化剂10%MnO2-2%CeO2-AC
一种臭氧催化剂层的制备方法，以活性炭为载体，活性组分占载体按质量分数含有：MnO210%，CeO22%。
具体制备步骤如下：取0.547g十六烷基三甲基溴化铵倒入烧杯，加入50ml去离子水后在搅拌条件下，充分溶解；在搅拌状态下将2.819g醋酸锰和0.504g的硝酸铈倒入溶液中，充分溶解，配置成Mn(CH3COO)2-Ce(NO3)3混合溶液；将混合溶液置于超声水浴装置中，功率调整为400W，在超声搅拌条件下倒入10g椰壳活性炭载体，并保持30min；将超声装置中的水温调节为50℃，在恒温水浴加热及超声搅拌条件下，保持24h；放置于110℃烘箱中12h，将水分蒸发后，置于马弗炉中，以10℃/min上升速率上升至300℃，恒温焙烧2h即得臭氧催化剂层。
实施例7 臭氧催化剂5%MnO2-1%CeO2-分子筛
一种臭氧催化剂层的制备方法，以活性炭为载体，活性组分占载体按质量分数含有：MnO25%，CeO21%。
具体制备步骤如下：取0.309ml聚乙二醇溶液倒入烧杯，加入50ml去离子水后在搅拌条件下，将1.029g硝酸锰和0.252g的硝酸铈倒入溶液中，充分溶解，配置成Mn(NO3)2-Ce(NO3)3混合溶液；将混合溶液置于超声水浴装置中，功率调整为300W，在超声搅拌条件下倒入10g分子筛载体，并保持10min；将超声装置中的水温调节为60℃，在恒温水浴加热及超声搅拌条件下，保持12h；放置于110℃烘箱中24h，将水分蒸发后，置于马弗炉中，以10℃/min上升速率上升至500℃，恒温焙烧3h即得臭氧催化剂层。
实施例8 同时净化室内和室外复合空气污染物的一体化装置
一种同时净化室内和室外复合空气污染物的一体化装置，包括并列设置的室外空气净化室和室内循环空气净化室，所述室外空气净化室和室内循环空气净化室的远离进气口的一侧还设有风机，其中，所述室外空气净化室由进气口向内依次设有高压静电除尘器、臭氧催化剂层和热交换器；所述室内循环空气净化室由进气口向内依次设有高压静电除尘器、高能紫外灯和光催化层。
该装置可同时净化室外空气和室内循环空气，并根据室外空气和室内循环空气所携带的污染物进行针对性的净化，该装置利用紫外光催化氧化、臭氧催化氧化、甲醛纳米催化氧化和臭氧分解的协同作用来净化复合空气污染物。
本发明所述装置中的高压静电除尘器、高能紫外灯、臭氧催化剂层、热交换器、光催化层均可以设置为可拆卸的独立模块（例如可设置为抽屉式），其中，所述高压静电除尘器和高能紫外灯设置单独控制开关。
所述高压静电除尘器配置有静电场高压控制调节器，电压调整范围为3kv～20kv，高压静电除尘器共用于室外和室内循环风。
所述高能紫外灯优选为185nm紫外灯，当室内空气污染物浓度较低时高能紫外灯优选为254nm紫外灯。
所述室外空气净化室内的热交换器为气气热交换器，内置有排风机，室外空气净化后再经过热交换器换热后进入室内，室外空气温度较高或大于室内循环空气温度时开启热交换器，以充分利用气体温度增强催化剂的催化性能。
所述臭氧催化剂层为实施例6和实施例7制备得到的催化剂组成。
所述室内循环空气净化室内的光催化层为实施例1到实施例4制备得到的催化剂组成；所述光催化层在室温下能够通过臭氧催化氧化、纳米催化氧化甲醛、臭氧分解来净化室内空气中除甲醛、苯系物等挥发性气态污染物和臭氧污染物。
实施例9 利用实施例8所述装置进行空气净化的方法
当室外大气污染物和室内空气污染物都包含颗粒物、臭氧、低浓度挥发性有机污染物等多种复合型污染物时，采用实施例8的装置进行空气净化方法，该方法包括如下步骤：
一、在风机的作用下，室外和室内空气同步进入该装置；
对于室外空气而言，具体为：
（1）含颗粒物、大气臭氧、挥发性有机气体的室外风从室外空气净化室进气口进入室外空气净化室，首先经过高压静电除尘器，高压静电场在电晕放电过程中被荷电，并使尘粒荷电后趋向收尘极的表面而放电沉积；
（2）室外大气中的臭氧污染物，高压静电除尘器产生的臭氧和其他一些气态污染物进入具有臭氧催化氧化和臭氧分解作用的臭氧催化剂层，被分解成CO2、水和氧气，最终大气中的臭氧和静电除尘器臭氧副产物得以资源化利用，用于催化氧化VOCs；
对于室内循环空气而言，具体为：
（1）含颗粒物、室内臭氧、甲醛和挥发性有机气体和微生物的室内空气污染物在风机作用下从室内循环空气进气口进入室内循环空气净化室，首先经过高压静电除尘器，颗粒物经过高压静电场时在电晕放电过程中被荷电，并使尘粒荷电后趋向收尘极的表面而放电沉积；
（2）空气中的水分、氧气在电晕放电的强电场作用下，高能电子与水分子的碰撞反应，以及激发态氧与水分子的电荷转移反应产生羟基自由基和臭氧；
（3）甲醛和苯系物等气态污染物经过高能紫外灯，部分直接被裂解为CO2和中间产物，同残余VOCs进入光催化层，在光催化、臭氧催化氧化、臭氧分解和甲醛常温纳米催化氧化协同作用下，被完全矿化成CO2、H2O和氧气，同时臭氧得到完全消除和利用；净化后的室内循环空气与净化后的室外空气混合后进入室内。
实施例10 利用实施例8所述装置进行空气净化的方法
当室外大气污染物包含颗粒物、臭氧、挥发性有机污染物等多种复合型污染物，室内空气气态污染物包含臭氧、以甲醛为主的低浓度挥发性有机污染物时，采用实施例8的装置进行复合空气污染物的净化方法，该方法包括如下步骤：
一、在风机的作用下，室外和室内空气同步进入该装置；
对于室外空气而言，具体方法步骤不变，同实施例9；
对于室内循环空气而言，具体为：
（1）关闭高能紫外灯，含颗粒物、室内臭氧、低浓度甲醛和挥发性有机气体的室内空气污染物在风机作用下从室内循环空气进气口进入室内循环空气净化室，首先经过高压静电除尘器，颗粒物经过高压静电场时在电晕放电过程中被荷电，并使尘粒荷电后趋向收尘极的表面而放电沉积；
（2）空气中的水分、氧气在电晕放电的强电场作用下，高能电子与水分子的碰撞反应，以及激发态氧与水分子的电荷转移反应产生羟基自由基和臭氧；
（3）臭氧、低浓度甲醛、苯系物等气态污染物经光催化剂层时，在臭氧催化氧化、臭氧分解和甲醛常温纳米催化氧化协同作用下，被完全矿化成CO2、H2O和氧气，同时臭氧得到完全消除和利用；净化后的室内循环空气与净化后的室外空气混合后进入室内。
Claims (8)
1.一种新风和室内空气净化的一体化装置，其特征在于，包括并列设置的室外空气净化室和室内循环空气净化室，所述室外空气净化室和室内循环空气净化室的远离进气口的一侧还设有风机（12），其中，所述室外空气净化室进气口（1）向内依次设有高压静电除尘器（3）、臭氧催化剂层（5）和热交换器（9）；所述室内循环空气净化室进气口（2）向内依次设有高压静电除尘器（3）、高能紫外灯（4）和光催化层（6），其中，所述光催化层（6）为以吸附材料为载体，载体上负载有二氧化钛，锰氧化物和还原态贵金属的空气净化材料，其中，二氧化钛的负载量为吸附材料质量的0～60%；锰氧化物的负载量为吸附材料质量的0.1～10%；还原态贵金属的负载量为吸附材料质量的0.01～1%，所述还原态贵金属选自铂、钯、金、银中的一种或者两种，或者两种以上。
2.根据权利要求1所述的新风和室内空气净化的一体化装置，其特征在于，所述光催化层（6）的制备方法包括以下步骤：
S1. 可溶性锰氧化物溶于第一份无水乙醇中，加入吸附材料，充分搅拌；然后加入钛酸四丁酯、抑制剂和可溶性贵金属前驱体，充分搅拌得溶液A；
S2. 取第二份无水乙醇，和水混合得溶液B，将溶液B滴入剧烈搅拌的溶液A中得凝胶；
S3. 将凝胶陈化、烘干、焙烧后再溶于水形成悬浮液；
S4. 悬浮液中加入液态还原剂进行还原反应，反应后将得到的悬浊液进行固液分离，将固体材料烘干后即得气态污染物的净化材料。
3. 根据权利要求1所述的新风和室内空气净化的一体化装置，其特征在于，所述臭氧催化剂层（5）为在活性炭、分子筛、SiO2或活性氧化铝载体上负载有过渡金属氧化物和CeO2 ，所述过渡金属氧化物为Mn、Ni、Cu、Co中的一种，占载体质量比例为0.5%～20%，CeO2占载体质量比例为0～5%， Mn/Ce摩尔比为2～10：1。
4.根据权利要求3所述的新风和室内空气净化的一体化装置，其特征在于，所述臭氧催化剂层（5）的制备方法包括以下步骤：
S1. 充分溶解一定量的表面活性剂；
S2. 根据负载量称量过渡金属盐前驱体和硝酸铈，在搅拌状态下倒入步骤S1溶解后的表面活性剂内，充分溶解，配置成过渡金属盐-Ce(NO3)3混合溶液；
S3. 将过渡金属盐-Ce(NO3)3混合溶液置于超声水浴装置中，300～600W，在超声搅拌条件下倒入载体，并保持1～30min；
S4. 调节水温为30～60℃，在恒温水浴加热及搅拌条件下，保持12～24h；
S5. 放置于110℃烘箱中6～12h烘干，以10℃/min上升速率至300～600℃，恒温焙烧1～3h即得。
5.根据权利要求1所述的新风和室内空气净化的一体化装置，其特征在于，所述热交换器（9）为气气热交换器，内置有排风机。
6.根据权利要求3所述的新风和室内空气净化的一体化装置，其特征在于，所述高压静电除尘器的电压为3kv～20kv。
7.利用权利要求1至6任一项所述装置进行空气净化的方法，其特征在于，
包括以下步骤：
一、在风机的作用下，室外和室内空气同步进入该装置；
对于室外空气而言，具体为：
S1. 含颗粒物、大气臭氧、低浓度的挥发性有机气体的室外空气在风机（12）作用下从室外空气净化室进气口（1）进入室外空气净化室，首先经过高压静电除尘器（3），高压静电场在电晕放电过程中被荷电，并使尘粒荷电后趋向收尘极的表面而放电沉积；
S2. 大气臭氧，高压静电除尘器（3）产生的微量臭氧，和剩余其他气态污染物进入臭氧催化剂层（5），被分解成CO2、水和氧气；
对于室内循环空气而言，具体为：
S1. 含颗粒物、室内臭氧、甲醛、挥发性有机气体和微生物的室内循环空气污染物在风机（12）作用下从室内循环空气进气口（2）进入室内循环空气净化室，首先经过高压静电除尘器（3），颗粒物经过高压静电场时在电晕放电过程中被荷电，并使尘粒荷电后趋向收尘极的表面而放电沉积；
S2. 空气中的水分、氧气在电晕放电的强电场作用下，高能电子与水分子的碰撞反应，以及激发态氧与水分子的电荷转移反应产生羟基自由基和臭氧；
S3. 甲醛和以苯系物为代表的挥发性有机气体经过高能紫外灯（4），部分直接被裂解为CO2和中间产物，这些CO2和中间产物同挥发性有机气体中的剩余物质进入光催化层（6），在臭氧强化的光催化、臭氧催化氧化、臭氧分解和甲醛常温纳米催化氧化协同作用下，被完全矿化成CO2、H2O和氧气，同时臭氧得到完全消除和利用；净化后的室内循环空气与净化后的室外空气混合后进入室内。
8.利用权利要求1至6任一项所述装置进行空气净化的方法，其特征在于，
包括以下步骤：
对于室外空气而言，具体为：
S1. 含颗粒物、大气臭氧、低浓度挥发性有机气体的室外空气在风机（12）作用下从室外空气净化室进气口（1）进入室外空气净化室，首先经过高压静电除尘器（3），高压静电场在电晕放电过程中被荷电，并使尘粒荷电后趋向收尘极的表面而放电沉积；
S2. 大气臭氧，高压静电除尘器（3）产生的微量臭氧，和剩余其他气态污染物进入臭氧催化剂层（5），被分解成CO2、水和氧气；
对于室内循环空气而言，具体为：
S1. 关闭高能紫外灯（4），含颗粒物、室内臭氧、甲醛为主的低浓度挥发性有机气体的气体污染物在风机（12）作用下从室内循环空气进气口（2）进入室内循环空气净化室，首先经过高压静电除尘器（3），颗粒物经过高压静电场时在电晕放电过程中被荷电，并使尘粒荷电后趋向收尘极的表面而放电沉积；
S2. 空气中的水分、氧气在电晕放电的强电场作用下，高能电子与水分子的碰撞反应，以及激发态氧与水分子的电荷转移反应产生羟基自由基和臭氧；
S3. 臭氧、低浓度甲醛、以苯系物为代表的挥发性有机气体经光催化剂层（6）时，在臭氧催化氧化、臭氧分解和甲醛常温纳米催化氧化协同作用下，被完全矿化成CO2、H2O和氧气，同时臭氧得到完全消除和利用；净化后的室内循环空气与净化后的室外空气混合后进入室内。
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