CN108479254B

CN108479254B - 一种大气细颗粒物的去除装置

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Publication number: CN108479254B
Application number: CN201810193957.0A
Authority: CN
Inventors: 陈仕意; 程迪; 宫建; 曾立民
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2018-03-09
Filing date: 2018-03-09
Publication date: 2020-06-02
Anticipated expiration: 2038-03-09
Also published as: CN108479254A

Abstract

本发明公开了一种大气细颗粒物的去除装置。将空气引入反应腔，通过超声雾化加湿使得细颗粒物快速长大，通过脉冲电晕放电装置产生负离子和自由基使细颗粒物荷电，加快凝并并发生非均相反应；继续将气溶胶被引入螺旋发生器，在离心力作用下液滴不断将气流中的细颗粒物挟带、溶解和冲刷下来，并将积液回流形成液膜，持续增强大气细颗粒物的湿沉降过程，最终PM_2.5随着液滴从螺旋发生器下端流出。本发明利用大气细颗粒物的吸湿增长特性和自然沉降过程来去除大气细颗粒物，简单高效，不仅可实现空气中PM_2.5的高效去除，而且可净化空气中甲醛等气态污染物，同时还具备灭活空气中细菌及病毒，加湿空气等作用。

Description

一种大气细颗粒物的去除装置

技术领域

本发明是一种大气细颗粒物的去除装置，特别是一种用于空气净化的细颗粒物去除装置，属于空气净化装置技术领域。

背景技术

大气中空气动力学直径小于或等于2.5μm的固体颗粒物或液滴统称为PM_2.5，在科学上被划分为细颗粒物。大气细颗粒物由于体积小、重量轻，可在大气中滞留很长时间，同时由于比表面积大，可吸附更多病毒细菌、重金属等多种有害物质。大气细颗粒物可伴随呼吸直接进入人体肺泡，并永远留存在肺里，危害人类的神经系统、心血管系统和生殖系统，是大气中对人体健康威胁最大的颗粒态污染物。

由于PM_2.5可轻易透过滤网，基于吸附过滤原理的传统空气净化方法和装置对超细粒子去除表现得无能为力或代价过高。电除尘方法由于对0.1～1μm粒径段颗粒物荷电效率极低，去除效率不高，同时传统电除尘振打清灰方法还会导致被收集到的细颗粒物的二次释放。最新流行的概念性负离子空气净化方法是通过发生负离子，利用空气的扩散性主动与空气中的细颗粒物结合，致使其凝聚沉降，虽然在原理上可以起到一定的净化作用，但负离子只能附着颗粒物并不能清除污染物且容易导致臭氧超标等问题，空气净化效果并不明显，用户体验也欠佳。因此，发明一种可高效去除空气中细颗粒物的新方法，集成一种简单、高效、低成本的空气净化装置非常必要。

发明内容

基于上述技术背景，本发明根据气溶胶化学相关的基础理论，通过模拟大气细颗粒物湿沉降的自然去除过程，发明了一种基于吸湿增长原理去除细颗粒物的空气净化方法，设计了一套结构简单、净化性能优良的空气净化装置，不仅可实现空气中PM_2.5的高效去除(可实现对空气动力学直径小于0.01μm的超细颗粒物的高效除去)，而且可净化空气中甲醛等气态污染物，同时还具备灭活空气中细菌及病毒，加湿空气等作用。

为了实现上述目标，本发明采取了以下的技术方案：

一种大气细颗粒物的去除方法，其包括以下步骤：

1)将待净化空气引入到一湿度过饱和的反应腔内，空气中的细颗粒物在反应腔内快速进行吸湿增长，颗粒物体积与质量快速增长；

2)反应腔内通过配置脉冲电晕放电装置，释放电子与自由基，与充分吸湿的细颗粒物和其他气态污染物反应，颗粒物发生非均相反应，甲醛、挥发性有机物(VOCs)等被氧化分解，细菌与病毒被灭活；

3)经过净化的空气和充分长大的颗粒物进入螺旋发生器中，液滴与颗粒物进行充分掺混，颗粒物体积与质量进一步增长，充分长大的颗粒物由于离心力作用被螺旋发生器内壁上的液滴捕获，从螺旋发生器锥体下部流出；

4)气流在进入过滤腔的过程中，与螺旋发生器出气口表面液膜在垂直方向相遇，在液膜冲刷作用下，颗粒物进一步去除，气流进入过滤腔后继续经过透气不透水膜过滤器，气流中的水滴和裹带的颗粒物被截留下来，净化后空气排出。

上述大气细颗粒物的去除方法中，在步骤1)通过引流风机将待净化空气引入到反应腔中，步骤4)净化后空气经引流风机排出。

本发明还提供了实现上述方法的一种大气细颗粒物的去除装置，包括由自下而上依次连接的存水段、反应段、过滤段和引流段组成的整体，以及供水罐和水泵，其中：

所述存水段具有一存水腔，其底部设置一出水口依次通过阀门和快接头与水泵相连，再通过管道连接过滤段，实现积液回流到过滤段；

所述反应段具有一反应腔，其内设置若干螺旋发生器和脉冲电晕放电装置，腔壁上布设若干进气孔；反应段的上下端分别与过滤段和存水段紧密相连，反应段和存水段之间通过下隔板隔开，下隔板上设有与螺旋发生器对应的若干通孔，用于定位螺旋发生器的锥体底部；反应段和过滤段之间通过上隔板隔开，上隔板上也设有与螺旋发生器对应的若干通孔，用于定位螺旋发生器的出气口；在所述下隔板上还设有若干梯形孔，其中安置超声波雾化片；

所述过滤段的过滤腔为喇叭口构造，喇叭口扩展端设有用于积液回流的进液口，使螺旋发生器的出气口表面形成液膜；喇叭口收缩端设置有透气不透水膜过滤器，用于拦截气流中的颗粒物和液滴；

所述引流段与过滤段上端紧密连接，其中安装有引流风机；

所述供水罐与反应腔相连，用于供给超声波雾化用水。

优选的，所述存水段、反应段、过滤段和引流段依次通过卡扣圈相连，组成一个整体。进一步的，所述存水段和反应段均为圆筒形构造，存水段与反应段之间、反应段与过滤段之间的连接处通过O形密封圈实现密封。

所述水泵使存水腔中的积液回流至过滤段，回流的积液在螺旋发生器上端的出气口表面形成液膜，并从螺旋发生器的锥体底部出口流出，重新回到存水腔中。

进一步的，所述螺旋发生器采取涡壳式进气方式，出气管为套管式构造。所述脉冲电晕放电装置优选为脉冲电晕放电针，设置在所述螺旋发生器的进气口处。所述螺旋发生器优选为不锈钢材质，内壁抛光并涂覆纳米TiO₂膜，用于增强螺旋发生器内壁亲水性能，易于形成液膜。在每个螺旋发生器进气口套装一脉冲电晕放电针，用于促进颗粒物凝并，同时具有灭活细菌、氧化甲醛等污染气体的作用。

在圆筒形反应腔中，优选将螺旋发生器沿同心圆圆周均匀排布，上下隔板之间设置若干立柱，将螺旋发生器固定在上下隔板通孔之间。同时，下隔板上的多个超声波雾化片围绕圆心均匀分布。

进一步的，在反应腔的壁面设置两个鸭舌式液位开关，分别用于超声波雾化片缺水保护和保障雾化片以上水位平衡。具体的，在所述供水罐与反应腔的连接管路上设有一电磁阀；反应腔壁面设置的一个液位开关为供水液位开关，其与连接供水罐的电磁阀连锁，当液位低于供水液位开关所在位置时，电磁阀打开，供水罐开始给反应段补水；另一个液位开关为保护液位开关，其与除电磁阀外的装置供电总线连锁，当液位低于保护液位开关所在位置时，除电磁阀外，其他电气装置不工作。

所述引流段为管道式构造，引流风机被固定在变径管道内，通过O形密封圈与透气不透水膜过滤器和过滤腔体相连，保障密封。所述引流风机可选择变频轴流风机，可通过变频器实现自主调速。

所述存水腔、反应腔、过滤腔、引流风机通过卡扣圈相连都采取了必要的密封措施，供水罐供水管路和积液回流管路同样采取了相应的防漏措施。

本发明采取以上方法和技术方案，具有以下优点：

1.本发明基于细颗粒物吸湿增长特性，通过人工增强大气细颗粒物湿沉降的自然过程，利用液滴和液膜直接捕获充分吸湿增长后的细颗粒物，无需过滤膜，简单、高效。

2.本发明设计了一种反应腔，不仅集成了加湿装置，实现了细颗粒物的快速吸湿增长，而且配备了脉冲电晕放电针，既实现了对颗粒物的荷电，提高了颗粒物的凝并效果，又实现了对空气中细菌的杀灭，对甲醛等有害气体的氧化去除。

3.本发明设计的反应段还配备了若干内壁抛光涂覆TiO₂纳米材料的螺旋发生器，经过充分吸湿凝并长大的细颗粒物进入螺旋发生器后，由于离心力作用，增强了液滴和颗粒物的掺混作用，同时螺旋发生器内壁粘附的液滴增强了对颗粒物的捕获效果。

4.本发明通过积液回流，在螺旋发生器出口断面形成了一层薄薄的液膜，增强了液膜对颗粒物的冲刷去除效果，进一步提高了对颗粒物的去除效率。

5.本发明在引流风机进气口处设置了一透气不透水膜，不仅有效地防止了气流裹带颗粒物和液滴跑出，而且保证了出气在合理的湿度范围。

6.本发明装置采取模块化设计理念，分为存水段、反应段、过滤段和引流段4个模块，模块之间通过卡扣圈连接，拆卸简单，清洗方便。

附图说明

图1为本发明实施例所述大气细颗粒物去除装置的总体结构示意图；

图2为本发明实施例所述大气细颗粒物去除装置中螺旋发生器的结构示意图；

图3为本发明实施例所述大气细颗粒物去除装置中反应段的结构示意图，其中A)反应段侧视图，B)下隔板结构示意图；

图中：1-存水段，2-反应段，3-过滤段，4-引流段，5-螺旋发生器，6-超声波雾化片，7-脉冲电晕放电针，8-透气不透水膜，9-引流风机，10-供水罐，11-水泵，12-下隔板，13-上隔板，14-立柱，15-进风口，16-卡扣圈，17-保护液位开关，18-供水液位开关，19-电磁阀，20-手动阀，21-水管快接头，22-小台，23-梯形孔，24-通孔，25-沉头螺丝。

具体实施方式

为了使本发明的目的、发明内容及优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明方法主要是利用大气细颗粒物的吸湿增长特性和自然沉降过程，通过人工增强来去除大气细颗粒物。研究表明，在过饱和空气下，大气气溶胶极易吸收水蒸气而迅速长大，大约在0.1s的停留时间内气溶胶中超细粒子的粒径就能长大至2μm以上。当环境湿度越过潮解点进一步升高时，大气中水的化学势相应增加，更多的水分子从大气中进入气溶胶，颗粒物体积进一步增大。而颗粒物的去除主要有两种途径，干沉降和湿沉降，对于细颗粒物而言，干沉降过程过于缓慢，在5000m高空，粒径1.0μm的细颗粒物沉降到地面需要3年，湿沉降是大气细颗粒物的主要去除途径，因此，通过人工增强手段，模拟大气细颗粒物的湿沉降过程，是去除PM_2.5可行的技术方法。

本发明基于环境化学和物理化学基础理论，当气流通过反应腔，经过超声雾化加湿，使得细颗粒物快速长大；同时通过配备脉冲电晕放电装置，产生负离子和自由基，细颗粒物被荷电，细颗粒物与细颗粒物、细颗粒物与水滴之间快速凝并并发生非均相反应。气溶胶继续被引入螺旋发生器中，由于离心力作用，液滴不断将气流中的细颗粒物挟带、溶解和冲刷下来，同时由于积液回流形成液膜，会继续增强大气细颗粒物的湿沉降过程，最终PM_2.5随着液滴从螺旋发生器下端流出。

如图1所示，本发明主要由存水段1、反应段2、过滤段3、引流段4四个部分组成，主要装置包括螺旋发生器5、超声波雾化片6、脉冲电晕放电针7、透气不透水膜8、引流风机9、供水罐10、水泵11、下隔板12、上隔板13、立柱14、进风口15、卡扣圈16、保护液位开关17、供水液位开关18、电磁阀19、手动阀20、水管快接头21等。

存水段1、反应段2、过滤段3和引流段4均通过卡扣圈16连接为一个整体，其中存水段1与过滤段3之间通过PVC水管连接一水泵11，以实现存水段积液回流至螺旋发生器5出气口表面，形成液膜。在存水段1与水泵11之间还连接有一手动阀门20和一水管快接头21，当换水时可手动关闭阀门20，从水管快接头21处断开PVC水管，以方便对存水段进行换水。过滤段3内安装一透气不透水过滤膜8，以防止引流风机9将液滴从螺旋发生器5出气口带出，同时保证出风合适的湿度。

图2是螺旋发生器5的结构示意图，为一内壁抛光并涂覆TiO₂纳米颗粒的不锈钢微型旋风分离器。螺旋发生器采取涡壳式进气方式，出气管为套管式构造。

图3是反应段2的结构示意图，为圆筒形构造，其中一段壁面沿圆周均布有若干进气小孔，作为装置进风口15，内部沿上下隔板圆心均布有39个螺旋发生器5，每个螺旋发生器进气口还套装一脉冲电晕放电针7，壁面上下两端分别设置有一小台22，小台内可安置O圈，用于上下隔板密封。下隔板12与上隔板13均沿圆心布置有39个相同的通孔24，分别与螺旋发生器出气口和锥体底部相连，立柱14分别与下隔板12、上隔板13通过沉头螺丝25连接，将螺旋发生器5固定在反应段2内。下隔板12还沿圆心布置有6个梯形孔23，用于安置超声波雾化片。雾化片套有一硅胶外圈，可通过螺母固定在梯形孔中并可实现密封。反应段2壁面从下向上分别安置有保护液位开关17，供水液位开关18，保护液位开关17与装置供电总线连锁(电磁阀19采取单独供电，不受液位保护开关影响)，当液位低于保护液位开关17所在位置时，除电磁阀19外，其他电气装置不工作；供水液位开关18与电磁阀19连锁，当液位低于供水液位开关18时，电磁阀19打开、供水罐10开始给反应段2补水。

上述实施例中均布在反应段2内的螺旋发生器个数，脉冲电晕放电针个数以及均布在下隔板12中的超声波雾化片个数均可根据净化空间大小进行适当调整，其中超声波雾化效果可通过电位器进行自主调节。

上述实施例中螺旋发生器5内壁采取抛光处理并涂覆TiO₂纳米材料以增强螺旋发生器内壁的亲水性，促进内壁面液膜形成，也可以采用其他亲水材料加工而成。

上述实施例中引流风机9转速可通过变频器进行连续调节，上述实施例中供水罐表壁存在液位刻度，可现实液位变化，存水段1由高透明亚克力材料加工而成，可观察到存水段水体浊度和色度变化情况。

本发明的一种大气细颗粒物的去除方法与装置的完整工作过程如下：

1)关闭手动阀20、拔下快接头21，打开卡扣圈，将存水段1从装置主体上卸下，清洗干净后补充1000mL自来水，重新将存水段1装到装置主体上；

2)启动电源，给供水罐10补水，同时反应段2自动开始加水，当供水罐10液位开始稳定时停止补水，此时装置开始启动，水泵11开始回流存水段1积液并在上隔板13表面形成液膜。

3)引流风机9将空气从进气口15引入，首先，空气中的颗粒物在反应段2的腔体内迅速进行吸湿增长反应，细颗粒物体积与质量快速长大；然后，气流通过脉冲电晕放电针7，进入螺旋发生器5中，甲醛、细菌等有害成分被负离子消解，颗粒物被荷电，加快凝并过程，同时由于离心力作用，颗粒物被螺旋发生器5内壁液滴捕获；最后，气流在螺旋发生器5出气口与上隔板13表面的液膜发生强制掺混，气流中的颗粒物进一步被去除，溶于液滴中细颗粒物从螺旋发生器锥体底部排出，同时气流经过透气不透水膜8，气流中的液滴和颗粒物被捕获，滴落在液膜上，最终经过螺旋发生器5进入到存水段，净化后的空气从引流风机9出口排出，达到空气净化的作用。

4)当存水段1水体浊度和色度发生变化时，重新进行步骤1)对存水段1进行换水；当供水罐10水量不足时，可不停机加水。

本发明提出的一种大气细颗粒物的去除方法与装置在运行过程中不必更换滤膜，只需更换存水段积液和不定时清洗透气不透水膜，不仅可以以较低成本实现对空气中细颗粒物的高效去除，而且可杀菌、除去空气中的甲醛等污染气体，同时可适当提高室内湿度。

本发明仅以以上实例进行说明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种大气细颗粒物的去除装置，包括由自下而上依次连接的存水段、反应段、过滤段和引流段组成的整体，以及供水罐和水泵，其中：

所述反应段具有一反应腔，其内设置若干螺旋发生器和脉冲电晕放电装置，腔壁上布设若干进气孔；反应段的上下端分别与过滤段和存水段紧密相连，反应段和存水段之间通过下隔板隔开，下隔板上设有与螺旋发生器对应的若干通孔，用于定位螺旋发生器的锥体底部；

反应段和过滤段之间通过上隔板隔开，上隔板上也设有与螺旋发生器对应的若干通孔，用于定位螺旋发生器的出气口；在所述下隔板上还设有若干梯形孔，其中安置超声波雾化片；

所述引流段与过滤段上端紧密连接，其中安装有引流风机；

所述供水罐与反应腔相连，用于供给超声波雾化用水。

2.如权利要求1所述的去除装置，其特征在于，所述存水段、反应段、过滤段和引流段依次通过卡扣圈相连。

3.如权利要求2所述的去除装置，其特征在于，所述存水段和反应段均为圆筒形构造，存水段与反应段之间、反应段与过滤段之间的连接处通过O形密封圈实现密封。

4.如权利要求3所述的去除装置，其特征在于，在圆筒形反应腔中，多个螺旋发生器沿同心圆圆周均匀排布；上下隔板之间设置若干立柱，将螺旋发生器固定在上下隔板通孔之间；同时，下隔板上的多个超声波雾化片围绕圆心均匀分布。

5.如权利要求1所述的去除装置，其特征在于，所述螺旋发生器采取涡壳式进气方式，其出气管为套管式构造；所述脉冲电晕放电装置为脉冲电晕放电针，设置在所述螺旋发生器的进气口处。

6.如权利要求1所述的去除装置，其特征在于，所述螺旋发生器为不锈钢材质，内壁抛光并涂覆纳米TiO₂膜。

7.如权利要求1所述的去除装置，其特征在于，在反应腔的壁面设置有分别用于超声波雾化片缺水保护和保障雾化片以上水位平衡的两个鸭舌式液位开关。

8.如权利要求7所述的去除装置，其特征在于，在所述供水罐与反应腔的连接管路上设有一电磁阀，该电磁阀与用于超声波雾化片缺水保护的液位开关连锁，当反应腔内液位低于该液位开关所在位置时，电磁阀打开，供水罐开始给反应腔补水。

9.如权利要求1所述的去除装置，其特征在于，所述引流段为管道式构造，引流风机被固定在变径管道内，通过O形密封圈与透气不透水膜过滤器和过滤腔体相连。