CN108295610B - 一种非过滤式空气净化设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型非过滤式空气净化设备，利用鼓泡塔反应器原理，以多孔材料作为气体分布器，以水为连续相，以空气为分散相，通过气液接触和气液传质，将空气中的颗粒物、甲醛等污染物转移吸收至水中，从而实现气体净化的目的；本发明将鼓泡塔反应器技术原理和多孔材料的微孔分散特性有机结合，针对性地解决了常规过滤式空气净化器最难以解决的微细颗粒物的净化难题，通过高效水吸收实现对颗粒物、甲醛等污染物的深度捕集吸收，达到对空气的深度净化。

Description

一种非过滤式空气净化设备

技术领域

本发明属于环保设备技术领域，具体涉及一种非过滤式空气净化设备。

背景技术

随着中国的不断发展，人们对于优美生活环境的需求日益增长，而另一方面，城市化和工业化带来的大气污染问题却日益严峻。微细粉尘尤其是PM2.5的污染已成为人们生活中最为突出的问题，微细粉尘是指空气动力学当量直径小于5μm的颗粒物，大量研究表明：微细粉尘粒径小、比表面积大、表面可富集有毒有害物质、能长时间停留于空气中，会对人体健康和大气环境会造成巨大危害。除此之外，家装和建材等带来的甲醛、TVOC问题也时常困扰着人们。

空气净化器是解决室内空气污染问题最直接、最有效的手段。近年来，空气净化器市场发展迅速，品牌云集、样式百出，但总体来看，主流空气净化器基本全都采用过滤+吸附的净化技术，即利用多层滤网(如初滤网+HEPA网)过滤颗粒物，利用活性炭吸附有机污染物。这种技术首先存在的就是微细颗粒逃逸问题，这主要来自两方面原因：一是过滤原理本身造成的；过滤材料平均孔径越小，过滤效果越好，但阻力也会越大，气体通量也会越小，所以空气净化器必须在净化效率(CADR)和材料的孔径之间取得一定平衡；而越是微细颗粒(＜1μm)，体积就会越小，质量就会越轻，有效荷电就越困难，因此就越难以通过过滤方式进行捕捉，对于高CADR(＞800m³/h)的净化器尤其如此；二是微细颗粒的累积造成的；在空气净化过程中，微细颗粒会在过滤材料表面和微孔内部不断累积，除非经常更换滤材，否则就会出现滤材堵塞、颗粒物逃逸的问题。其次过滤技术还存在耗材成本高的问题：要想达到净化要求，必须频繁更换滤网和活性炭，而二者的价格并不便宜，尤其HEPA网，每年仅耗材就是一笔不小的家庭开支。其三是耗材的二次污染问题：到目前为止，市售空气净化器的耗材都是一次性的，到期后只能作为垃圾抛弃，而这些耗材基本都是难以降解的，长期使用必然会带来环境污染问题。

鼓泡塔反应器是在塔体下部安装气体分布器，气体呈气泡状分散在液体中进行传质、传热的一种塔式反应器。鼓泡塔反应器以其结构简单、无机械传动部件、易密封、传热效率高、操作稳定、操作费用低等优点，被广泛应用于加氢、脱硫、烃类氧化、烃类卤化、费托合成、煤的液化及菌种培养等工业过程。

鼓泡塔反应器的特点是塔内充满液体，气相高度分散在液相中，因此有大的持液量和相际接触表面，传质效率很高，特别利于微细粉尘的吸收捕集；但鼓泡塔反应器技术多用于大规模工业生产，很少用于小型民用环境。

在鼓泡塔反应器中，气泡的大小是影响气体滞溜量、气液按触面积和气液传质效率的重要因素，决定气泡大小的关键设备是气体分布器。工业应用中鼓泡塔反应器的气体分布器主要采用多孔管、多孔板、栅格筛板等设计，分布器孔径较大，形成的气泡体积也大，存在气体分散不均，塔内液相返混，气泡容易聚并的缺点，影响了鼓泡塔反应器技术的应用效果。

多孔材料是指具有一定尺寸和数量孔隙结构的功能材料，其在制备成形或高温烧结过程中，净化器本体结构内形成大量彼此相通或闭合气孔。常见多孔材料有多孔陶瓷、多孔高分子材料、多孔金属烧结材料等。多孔材料具有比表面积大、透过性均匀、密度低、原料来源广，使用寿命长等优良特性，现已作为过滤、分离、吸音、催化剂载体等关键材料而广泛应用于化工、能源、环保、石油、冶金、及生物等重要领域，并逐渐引起了材料学界的高度关注，成为一个非常活跃的研究领域。

利用鼓泡塔技术原理和多孔材料的分散特性来解决气体中微细粉尘的净化问题在目前还是一个全新的技术领域，目前尚未见相关文献报道。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种非过滤式空气净化设备。本发明所述非过滤式空气净化设备，利用鼓泡塔反应器原理，以板式多孔材料作为气体分布器，以水为连续相，以空气为分散相，通过气液接触和气液传质，将空气中的颗粒物、甲醛等污染物转移吸收至水中，从而实现气体净化的目的。

本发明所采用的技术方案为：

多孔材料在非过滤式空气净化设备中的应用。

一种非过滤式空气净化设备，包括第一净化器本体，所述第一净化器本体设置内筒和外筒，所述外筒的中部设置进气格栅，所述内筒和外筒之间设置导气通道，所述内筒内填充水，所述内筒的底部通过水槽与所述外筒连通，所述内筒的顶部设置第一出气口，所述内筒内沿水平方向设置第一多孔材料和第一除沫筛板，所述第一出气口处设置第一引风机，所述第一除沫筛板与所述第一引风机之间设置紫外线发生器；在第一引风机作用下，空气依次流经导气通道、水槽后进入内筒。

另一种非过滤式空气净化设备，包括第二净化器本体，所述第二净化器本体内部填充水，所述第二净化器本体的下部设置第二进气口，顶部设置第二出气口，所述第二净化器本体的内部沿水平方向设置第二多孔材料和第二除沫筛板，所述第二多孔材料位于所述第二进气口的上方，所述第二除沫筛板位于所述第二多孔材料的上方，与所述第二进气口连接设置第二引风机。

所述第一多孔材料或第二多孔材料的平均孔径0.005μm≤d≤500μm，孔隙率30％≤δ≤96％；所述第一多孔材料或第二多孔材料的微孔形态为开口气孔、闭口气孔、贯通气孔中的一种或几种的组合。

所述第一多孔材料或第二多孔材料的孔径呈梯级分布。

所述第一多孔材料或第二多孔材料的结构为板式。

所述第一多孔材料或第二多孔材料设置两个以上。

另一种非过滤式空气净化设备，包括第三净化器本体，所述第三净化器本体的顶部设置第三进气口，所述第三净化器本体的侧面设置第三出气口，所述第三进气口处设置第三引风机，所述第三净化器本体内部设置第三多孔材料，所述多孔材料位于所述第三引风机的出风口处，所述第三出气口处设置除湿纤维层。

所述第三进气口处还设置隔音海绵。

所述第三多孔材料结构为管式，所述第三多孔材料的表层为自清洁疏水层。

本发明的有益效果为：

(1)本发明将鼓泡塔反应器技术原理和多孔材料的微孔分散特性有机结合，针对性地解决了常规过滤式空气净化器最难以解决的微细颗粒物的净化难题，通过高效水吸收实现对颗粒物、甲醛等污染物的深度捕集吸收，达到对空气的深度净化。

(2)本发明利用水吸收对空气进行净化，完全不同于常规过滤式空气净化技术，不需要过滤材料，因此可以大幅降低净化器的运行维护成本，避免耗材的二次环境污染问题。

(3)本发明将工业应用中的鼓泡塔反应器技术用于气体净化，不但拓展了鼓泡塔反应器技术的应用领域，更充分利用了该技术相际接触表面大、传质效率高的特点，有效解决了现有雾化除尘和旋转水洗净化设备所存在的气体停留时间短、气液交换不充分、雾沫夹带量大、空气净化效果差的问题，使水吸收技术得以成为空气深度净化的优选方案。

(4)本发明采用多孔材料作为气体分散单元，是对传统气体分布器分散机理的一次创新，它充分发挥了多孔材料的微孔尺寸特性，利用多孔材料的均匀透过性特点，可以实现传统气体分布器所无法实现的高效微泡化均匀分布，能够充分改善和提升鼓泡塔反应器技术的气体传质效率，满足空气深度净化的需要。

(5)本发明设备结构简单，净化效果稳定，易安装，易维护，使用寿命长，放大效应小，操作弹性大，可以广泛应用于民用和家庭的空气净化，更可满足化工、生物、环保等不同领域的需要，应用前景广阔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1所述非过滤式空气净化设备的结构示意图；

图2是本发明实施例2所述非过滤式空气净化设备的结构示意图；

图3是本发明实施例3所述非过滤式空气净化设备的结构示意图。

图中1-第一净化器本体，11-内筒，12-外筒，121-进气格栅，13-导气通道，14-水槽，15-第一出气口，16-板式的第一多孔材料，17-第一除沫筛板，18-第一引风机，19-紫外线发生器，2-第二净化器本体，21-第二进气口，22-第二出气口，23-板式的第二多孔材料，24-第二除沫筛板，25-第二引风机，3-第三净化器本体，31-第三进气口，32-第三出气口，33-第三引风机，34-管式的第三多孔材料，35-除湿纤维层，36-隔音海绵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种非过滤式空气净化设备，如图1所示，包括第一净化器本体1，所述第一净化器本体1设置内筒11和外筒12，所述外筒12的中部设置进气格栅121，所述内筒11和外筒12之间设置导气通道13，所述内筒11内填充水，所述内筒11的底部通过水槽14与所述外筒12连通，所述内筒11的顶部设置第一出气口15，所述内筒11内沿水平方向设置板式的第一多孔材料16和第一除沫筛板17，所述第一出气口15处设置第一引风机18，所述第一除沫筛板17与所述第一引风机18之间设置紫外线发生器19；在第一引风机18作用下，空气依次流经导气通道13、水槽14后进入内筒11。

本实施例所述的非过滤式空气净化设备，其工作原理为：采用上出风设计，空气自外筒12的进气格栅121进入后，经导气通道13进入所述内筒11底部的水槽14中，之后经板式的第一多孔材料16分散为小气泡进入水中，在水中经过充分的气液接触和气液传质，空气中的污染物被水吸收，空气得到净化；净化后的空气经过第一除沫筛板17除去水汽后，进入紫外线发生器19，通过紫外线消毒杀菌后经第一引风机18从上部排出。经应用测试表明：该设备空气净化效果显著，颗粒物和甲醛净化效能均达到高效级，除菌效率达到99.99％；设备运行稳定，易于维护，没有滤材消耗，能耗低，噪音低，极具推广价值。

所述板式的第一多孔材料16的骨料材质为刚玉，所述板式的第一多孔材料16的平均孔径5μm，孔隙率δ为65-70％，气体经该板式的第一多孔材料16分散后的平均气泡直径d＜1mm，所述板式的第一多孔材料16的微孔形态以贯通孔和开口气孔为主，所述板式的第一多孔材料16的氮气通量≤5×10⁴m³/m²·h·bar(氮气通量，是指以氮气为标准测定气体通过量)。所述板式的第一多孔材料16的表层为自清洁疏水层，在实现高效气体分布的同时，可有效避免颗粒物的堵塞。

所述板式的第一多孔材料16采用如下方法制备得到：

(1)制备混合粉体：

分别取400重量份的三水氧化铝粉、400重量份的一水氧化铝粉、1重量份的羧甲基纤维素钠、20重量份的黄原胶、30重量份的聚丙烯酸钠、50重量份木质素磺酸钠，在2000r/min的搅拌速度下进行充分混合60min，以使所有物料充分混合均匀，即得所述混合粉体；

(2)制备混合溶液：

分别取3重量份的甲基纤维素、20重量份的丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物、200重量份的去离子水，在360r/min搅拌条件下进行充分混合均匀，之后加热至80℃并恒温60min，停止加热，搅拌冷却至室温，即得所述混合溶液；

(3)采用球磨将所述混合粉体与所述混合溶液进行混合均匀，之后加入500重量份的去离子水、40重量份的丙三醇、5重量份的环己酮，进行球磨混合30h，得到浆料先在10kPa的真空条件下进行陈化60min，之后在常压、氮气氛围中陈化80h；

(4)将陈化好的浆料注入平板成型模具，在-50℃下冷冻24h，得到陶瓷胚体；

(5)将步骤(4)得到的陶瓷胚体在-50℃进行真空冷冻干燥20h；

(6)将冷冻干燥后的陶瓷胚体按照2℃/min的升温速度进行预焙烧；当温度达到330℃时，恒温0.5h；继续升温至400℃，然后恒温0.5h；最后升温至650℃，恒温1h；

(7)将预焙烧后的陶瓷胚体按照5℃/min的升温速度进行高温焙烧；当温度达到1050℃时，恒温2h；继续升温至1450℃，然后恒温2h；最后升温至1650℃，恒温2h，即得所述板式的第一多孔材料16。

实施例2

本实施例提供一种非过滤式空气净化设备，如图2所示，包括第二净化器本体2，所述第二净化器本体2内部填充水，所述第二净化器本体2的下部设置第二进气口21，顶部设置第二出气口22，所述第二净化器本体2的内部沿水平方向设置板式的第二多孔材料23和第二除沫筛板24，所述板式的第二多孔材料23位于所述第二进气口21的上方，所述第二除沫筛板24位于所述板式的第二多孔材料23的上方，与所述第二进气口21连接设置第二引风机25。

本实施例所述的非过滤式空气净化设备，其工作原理为：空气经第二引风机25自设备下部进入第二净化器本体2，之后经板式的第二多孔材料23分散为小气泡进入水中；在水中经过充分的气液接触和气液传质，空气中的污染物被水吸收，空气得到净化；净化后的空气经过第二除沫筛板24除去水汽后，从顶部输送至新风系统。

所述板式的第二多孔材料23的骨料材质为氧化铝陶瓷和聚丙烯复合材料，内部孔径呈梯级分布，所述板式的第二多孔材料23的孔径范围为1-5μm，孔隙率δ为80-85％，所述板式的第二多孔材料23的表层为自清洁疏水层，在实现高效气体分布的同时，可有效避免颗粒物的堵塞。

所述板式的第二多孔材料23采用如下方法制备得到：

(1)制备混合粉体：

分别取600重量份的三水氧化铝粉、100重量份的一水氧化铝粉、10重量份的羧甲基纤维素钠、5重量份的黄原胶、100重量份的聚丙烯酸钠、5重量份木质素磺酸钠，在4000r/min的搅拌速度下进行充分混合20min，以使所有物料充分混合均匀，即得所述混合粉体；

(2)制备混合溶液：

分别取30重量份的甲基纤维素、1重量份的丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物、300重量份的去离子水，在120r/min搅拌条件下进行充分混合均匀，之后加热至100℃并恒温30min，停止加热，搅拌冷却至室温，即得所述混合溶液；

(3)采用球磨将步骤(1)所述混合粉体与步骤(2)所述混合溶液进行混合均匀，之后加入2000重量份的去离子水、10重量份的丙三醇、20重量份的环己酮，进行球磨混合30h，得到浆料先在30kPa的真空条件下进行陈化40min，之后在常压、氮气氛围中陈化150h，作为第一层浆料备用；

(4)采用球磨将同样重量份的步骤(1)所述混合粉体与步骤(2)所述混合溶液进行混合均匀，之后加入1600重量份的去离子水、8重量份的丙三醇、16重量份的环己酮，进行球磨混合30h，得到浆料先在30kPa的真空条件下进行陈化40min，之后在常压、氮气氛围中陈化150h，作为第二层浆料备用；

(5)采用球磨将同样重量份的步骤(1)所述混合粉体与步骤(2)所述混合溶液进行混合均匀，之后加入1200重量份的去离子水、6重量份的丙三醇、12重量份的环己酮，进行球磨混合30h，得到浆料先在30kPa的真空条件下进行陈化40min，之后在常压、氮气氛围中陈化150h，作为第三层浆料备用；

(6)将陈化好的第一层浆料进行流延处理，控制基板温度为-30℃，刮刀间隙为1mm，得到单层流延片；待单层流延片冷却结晶后，以所述单层流延片为基板，将陈化好的第二层浆料进行流延处理，保持基板温度为-30℃，刮刀间隙为1mm，得到沉积有第二层浆料的流延片；待流延片的第二层浆料冷却结晶后，以所述沉积有第二层浆料的流延片为基板，将陈化好的第三层浆料进行流延处理，保持基板温度为-30℃，刮刀间隙为1mm，得到沉积有第三层浆料的流延片；待流延片的第三层浆料冷却结晶后，即得具有多层结构的陶瓷胚体；

(7)将步骤(6)得到的陶瓷胚体在-30℃进行真空冷冻干燥20h；

(8)将冷冻干燥后的陶瓷胚体按照2℃/min的升温速度进行预焙烧；当温度达到300℃时，恒温0.5h；继续升温至450℃，然后恒温0.5h；最后升温至650℃，恒温1h；

(9)将预焙烧后的陶瓷胚体按照5℃/min的升温速度进行高温焙烧；当温度达到1100℃时，恒温2h；继续升温至1400℃，然后恒温2h；最后升温至1650℃，恒温2h，即得所述板式的第二多孔材料23。

实施例3

本实施例提供一种非过滤式空气净化设备，如图3所示，包括第三净化器本体3，所述第三净化器本体3的顶部设置第三进气口31，所述第三净化器本体3的侧面设置第三出气口32，所述第三进气口31处设置第三引风机33，所述第三净化器本体3内部沿轴向设置管式的第三多孔材料34，所述管式的第三多孔材料34位于所述第三引风机33的出风口处，所述第三出气口32处设置除湿纤维层35，所述第三进气口31处还设置隔音海绵36，所述管式的第三多孔材料34的表层为自清洁疏水层。

本实施例所述的非过滤式空气净化设备，其工作原理为：采用上进气正压输送方式，空气自顶部第三引风机33进入第三净化器本体3，之后经所述管式的第三多孔材料34分散为小气泡进入水中，在水中经过充分的气液接触和气液传质，空气中的污染物被水吸收，空气得到净化，净化后的空气经过除湿纤维层35除去水汽后，从上部侧面的出气口排出。经应用测试表明：该设备空气净化效果显著，在颗粒物和甲醛净化效能均达到高效级；该设备结构简单，体积小，重量轻，造价低，易于维护，没有滤材消耗，运行成本低，能耗低，噪音低，特别适用于办公室、宿舍、卧室等小型空间的气体净化。

所述管式的第三多孔材料34的骨料材质为刚玉，所述管式的第三多孔材料34的平均孔径5μm，孔隙率δ为65-70％，气体经该管式的第三多孔材料34分散后的平均气泡直径d＜1mm，所述管式的第三多孔材料34的微孔形态以贯通孔和开口气孔为主。所述管式的第三多孔材料34的表层为自清洁疏水层，在实现高效气体分布的同时，可有效避免颗粒物的堵塞。

所述管式的第三多孔材料34采用如下方法制备得到：

(1)制备混合粉体：

分别取400重量份的三水氧化铝粉、400重量份的一水氧化铝粉、1重量份的羧甲基纤维素钠、20重量份的黄原胶、30重量份的聚丙烯酸钠、50重量份木质素磺酸钠，在2000r/min的搅拌速度下进行充分混合60min，以使所有物料充分混合均匀，即得所述混合粉体；

(2)制备混合溶液：

分别取3重量份的甲基纤维素、20重量份的丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸共聚物、200重量份的去离子水，在360r/min搅拌条件下进行充分混合均匀，之后加热至80℃并恒温60min，停止加热，搅拌冷却至室温，即得所述混合溶液；

(3)采用球磨将所述混合粉体与所述混合溶液进行混合均匀，之后加入500重量份的去离子水、40重量份的丙三醇、5重量份的环己酮，进行球磨混合30h，得到浆料先在10kPa的真空条件下进行陈化60min，之后在常压、氮气氛围中陈化80h；

(4)将陈化好的浆料注入直管成型模具，在-40℃下冷冻24h，得到陶瓷胚体；

(5)将步骤(4)得到的陶瓷胚体在-40℃进行真空冷冻干燥20h；

(6)将冷冻干燥后的陶瓷胚体按照2℃/min的升温速度进行预焙烧；当温度达到350℃时，恒温0.5h；继续升温至450℃，然后恒温0.5h；最后升温至600℃，恒温1h；

(7)将预焙烧后的陶瓷胚体按照5℃/min的升温速度进行高温焙烧；当温度达到1050℃时，恒温2h；继续升温至1450℃，然后恒温2h；最后升温至1600℃，恒温2h，即得所述管式的第三多孔材料34。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种非过滤式空气净化设备，其特征在于，包括第一净化器本体(1)，所述第一净化器本体(1)设置内筒(11)和外筒(12)，所述外筒(12)的中部设置进气格栅(121)，所述内筒(11)和外筒(12)之间设置导气通道(13)，所述内筒(11)内填充水，所述内筒(11)的底部通过水槽(14)与所述外筒(12)连通，所述内筒(11)的顶部设置第一出气口(15)，所述内筒(11)内沿水平方向设置第一多孔材料和第一除沫筛板(17)，所述第一出气口(15)处设置第一引风机(18)，所述第一除沫筛板(17)与所述第一引风机(18)之间设置紫外线发生器(19)；在第一引风机(18)作用下，空气依次流经导气通道(13)、水槽(14)后进入内筒(11)；所述第一多孔材料的平均孔径0.005μm≤d≤500μm，孔隙率30％≤δ≤96％；所述第一多孔材料的微孔形态为开口气孔、闭口气孔、贯通气孔中的组合。

2.根据权利要求1所述的非过滤式空气净化设备，其特征在于，所述第一多孔材料的孔径呈梯级分布。

3.根据权利要求1所述的非过滤式空气净化设备，其特征在于，所述第一多孔材料的结构为板式。

4.根据权利要求1所述的非过滤式空气净化设备，其特征在于，所述第一多孔材料设置两个以上。

5.一种非过滤式空气净化设备，其特征在于，包括第三净化器本体(3)，所述第三净化器本体(3)的顶部设置第三进气口(31)，所述第三净化器本体(3)的侧面设置第三出气口(32)，所述第三进气口(31)处设置第三引风机(33)，所述第三净化器本体(3)内部设置第三多孔材料，所述多孔材料位于所述第三引风机(33)的出风口处，所述第三出气口(32)处设置除湿纤维层(35)；

所述第三进气口(31)处还设置隔音海绵(36)；

所述第三多孔材料结构为管式，所述第三多孔材料的表层为自清洁疏水层。