CN109107378B - 一种新型空气净化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型空气净化系统，其特征在于由多个沿面介质阻挡放电(SDBD)等离子体模块、纳秒脉冲电源、旋转系统和叶轮等组成，其中沿面介质阻挡放电等离子体模块结构为：高压电极、介质板、接地电极、催化剂涂层。其技术方案是采用纳秒脉冲电源同时激励多个镀有TiO2光催化薄膜的SDBD等离子体模块，并将多个SDBD等离子体模块组装成叶轮状或者叶片状安装在旋转系统上，利用风机旋转叶轮或者叶片实现高效脱出高通量空气中VOCs,以获得提升空气中VOCs处理速率和效率。本发明的有益效果为：本发明的新型等离子体净化装置具有结构简单、模块化和可扩展的特点，并且能够解决现有等离子体空气净化技术存在的装置复杂、处理体积小、效果不理想等问题。

Description

一种新型空气净化系统
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，具体而言，涉及一种新型空气净化系统。
背景技术
近些年来，我国城市环境空气质量恶化速度明显加快，导致长时间、大范围的雾霾天气持续出现，严重影响居民的生活质量和生态环境。PM2.5(细颗粒物)粒径小，面积大，活性强，易附带有毒有害物质，是目前城市环境空气污染的首要原因。而挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)，主要包括苯系物、有机氯化物、氟里昂系列、有机酮、多环芳烃(PAHs)等，是PM2.5的重要前驱体，控制VOC排放有利于降低空气中PM2.5的浓度。
工业废气是大气中VOCs的主要来源之一，近期国家和各地市相继出台了严格的工厂VOCs排放标准，并且针对特定行业开始征收VOCs排放费。目前工业废气中VOCs处理方法主要有吸附法、冷凝法、膜分离法、催化燃烧法、光催化法以及生物降解法等。吸附法主要是利用活性炭、沸石、分子筛等吸收VOCs，该方法相对成熟、操作方便，但是吸附剂容易失效。冷凝法通过饱和蒸气压的不同分离出VOCs，适合高浓度有机废气。膜分离法是比较新兴的技术，该方法对废气的浓度要求也比较高。催化燃烧法是让有机废气容易燃烧，局限在与处理对象具有可燃性。光催化法效率高、无二次污染，但是催化剂容易失活。生物法的缺点是需要及时处理受过污染的生物群。此外，室内VOCs主要指甲醛和苯系物等，主要来源于装修材料、纺织品、化妆品等；以甲醛为例，浓度大于0.08mg/m3可引起身体不适，长期暴露在甲醛超标环境中甚至可能发生癌变。目前脱除室内有害污染物的主要方法是吸附法，原理是利用有吸附能力的物质如活性炭、氧化铝或分子筛等吸附有害污染物，但是该方法只能吸附不能分解有害污染物，因此需要经常更换吸附材料，而且对微量有害污染物不起作用。
低温等离子体技术低温等离子体具有足够高的电子能量，而且气体温度低，通常作为一种有效的分子活化手段，目前已经广泛应用于杀毒灭菌、能源化工、航空航天等多个领域。基于低温等离子体技术脱除VOCs是一种新概念的气体污染物控制技术，该技术能够高效脱除ppm量级的有害污染物，同时具有噪音小、无二次污染、无热源效应的优点，并且能与催化剂相互协同进一步提高脱除效率和能量利用效率。其核心原理是在高压电极和地电极中间的电子在强电场作用下加速产生大量高能量电子，高能量电子与空气中气体分子发生碰撞产生活性自由基(OH、O、H等)，同时伴随辐射光电子，而空气中微量的VOCs分子在等离子体中高能电子以及光电子作用下充分分解之后，与活性自由基反应生成无害物质。
目前，基于低温等离子体技术的室内空气净化装置研究众多，其结构大都是抽风系统、过滤层、吸附层、等离子体处理区域和催化剂层等，其中抽风系统起到抽送气体的作用，过滤层和吸附层能够过滤或者吸附掉大部分有害物质，而等离子体处理区域能够净化微量(ppm量级)有害物质。如专利号为“200610104652.5”的中国发明专利“一种吸附法和低温等离子体相结合的室内空气净化方法”，其中空气借助电风扇通过粗滤网过滤掉比较大的悬浮物，然后再通过吸附剂床层和针-板结构电晕放电或介质阻挡放电等离子体区域。又如专利号为“201410194933.9”的中国发明专利“一种光催化等离子体结合超声波处理室内空气污染的方法”，同样是空气经过风机进入针-板电极电晕放电等离子体中，然后通过纳米二氧化钛催化剂网。再如申请号为“201610232828.9”的中国发明专利“一种多级等离子体空气净化器”，其结构依然是由风机、过滤层、多级介质阻挡放电等离子体区域以及催化剂层组成。
综上所述，目前等离子体净化装置和方法大都是经过抽风、过滤、吸附、等离子体处理以及催化处理等多个步骤，过程繁杂；每个过程都需要相应的设施，造成装置体积较大、成本较高，同时部件更换和维护也比较麻烦。而且等离子体区域大都是基于电晕放电或者介质阻挡放电等离子体形式，此方法存在放电面积小，造成空气处理量小、作用效果不明显、能量效率不高的缺点，很难满足实际应用需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种新型空气净化系统，利用纳秒脉冲激励SDBD等离子体与光催化协同作用，将多个SDBD等离子体模块组装成叶轮状或者叶片状安装在旋转系统上，利用风机旋转叶轮或者叶片，实现高效地、低能耗地、高通量地脱除空气中的VOCs。
本发明提供了一种新型空气净化系统，该系统包括：高压脉冲电源、旋转系统、若干SDBD等离子体模块和若干叶轮；
所述旋转系统，其由可旋转的旋转轴、两个圆环形的固定支架、高压端子和接地端子组成；所述旋转轴依次穿过两个所述固定支架；所述高压端子安装在其中一个固定支架外周，所述高压端子与所述高压脉冲电源连接，所述接地端子安装在另一个固定支架外周，所述接地端子与接地装置连接；所述旋转轴上设置高压线和接地线，旋转轴上的高压线与所述固定支架上的高压端子接触连接，旋转轴上的接地线与所述固定支架上的接地端子接触连接；
所述若干叶轮，其固定安装在所述旋转轴上，且所述若干叶轮上均设置高压线和接地线，并分别与所述旋转轴上的高压线和接地线连接；
所述若干SDBD等离子体模块，其分别安装在所述若干叶轮表面，且所述若干SDBD等离子体模块均由介质板、催化剂涂层、若干高压电极和若干接地电极组成；所述若干高压电极等间隔的安装在所述介质板的上表面，且所述若干高压电极均与叶轮上的高压线连接，所述若干接地电极等间隔的安装在所述介质板的下表面，且所述若干接地电极均与叶轮上的接地线连接，所述若干高压电极与所述若干接地电极错落布置，所述催化剂涂层喷涂在所述若干高压电极一侧的所述介质板表面。
作为本发明进一步的改进，所述高压脉冲电源为纳秒脉冲电源。
作为本发明进一步的改进，所述旋转轴上的高压线通过圆球形的高压端子与所述固定支架上的高压端子接触连接；所述旋转轴上的接地线通过圆球形的高压端子与所述固定支架上的高压端子接触连接。
作为本发明进一步的改进，所述若干叶轮为曲面型的薄片状绝缘材料。
作为本发明进一步的改进，所述若干叶轮错落排布在所述旋转轴上。
作为本发明进一步的改进，所述旋转轴转速可调节。
作为本发明进一步的改进，所述若干高压电极为金属电极，形状为锯齿形。
作为本发明进一步的改进，所述若干接地电极为金属电极。
作为本发明进一步的改进，所述介质板为绝缘材料。
作为本发明进一步的改进，所述催化剂涂层为TiO2光催化材料。
本发明的有益效果为：通过在旋转装置的叶片上安装SDBD等离子体模块，纳秒脉冲激励多个镀有TiO2光催化薄膜的SDBD等离子体模块，利用放电等离子体与TiO2光催化协同作用脱除VOCs，具有结构简单、模块化和可扩展的特点，而且能够提升气体处理量，提高空气中的VOCs处理速率和效率。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种新型空气净化系统的系统示意图；
图2为本发明实施例所述的一种新型空气净化系统的SDBD等离子体模块的侧视图；
图3为本发明实施例所述的一种新型空气净化系统的SDBD等离子体模块的正视图；
图4为本发明实施例所述的一种新型空气净化系统的SDBD等离子体模块的后视图。
图中，
1、高压脉冲电源；2、旋转轴；3、固定支架；4、叶轮；5、SDBD等离子体模块；6、接地装置；7、介质板；8、高压电极；9、接地电极；10、催化剂涂层。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
本发明实施例所述的一种新型空气净化系统，该系统包括：高压脉冲电源1、旋转系统、若干SDBD等离子体模块5和若干叶轮4。
旋转系统，其由可旋转的旋转轴2、两个圆环形的固定支架3、高压端子和接地端子组成；旋转轴2依次穿过两个固定支架3；高压端子安装在其中一个固定支架3外周，高压端子与高压脉冲电源1连接，接地端子安装在另一个固定支架3外周，接地端子与接地装置6连接；旋转轴2上设置高压线和接地线，旋转轴2上的高压线与固定支架3上的高压端子接触连接，旋转轴2上的接地线与所述固定支架3上的接地端子接触连接；高压端子和接地端子之间的距离应超过10mm，优选20mm。
若干叶轮4，其固定安装在旋转轴2上，且若干叶轮4上均设置高压线和接地线，并分别与旋转轴2上的高压线和接地线连接；若干叶轮4安装在旋转轴2一端，两个固定支架3安装在另一端。
若干SDBD等离子体模块5，其分别安装在若干叶轮4表面，且所述若干SDBD等离子体模块5均由介质板7、催化剂涂层10、若干高压电极8和若干接地电极9组成；若干高压电极8等间隔的安装在介质板7的上表面，且若干高压电极8均与叶轮上的高压线连接，若干接地电极9等间隔的安装在介质板7的下表面，且若干接地电极9均与叶轮上的接地线连接，若干高压电极8与若干接地电极9错落布置，催化剂涂层10喷涂在若干高压电极8一侧的介质板7表面；每个叶轮上装有多个SDBD等离子体模块5，SDBD等离子体模块5的大小、形状和排布方式根据叶轮的形状调节。在SDBD电极中的裸露介质表面镀有TiO2光催化薄膜，该区域正是有效的等离子体处理区域，因此能够很好地实现等离子体与光催化剂协同脱除VOCs的效果；此外，相对于传统同轴DBD协同催化剂的方法，该方法在光催化薄膜的镀膜工艺和维护方面具有独特的优势。
另外，采用SDBD电极结构，多个SDBD等离子体模块可以扩展成任意形状，避免了传统同轴或者平行板DBD电极结构净化空气体量小、不容易扩展的缺点；同时SDBD电极结构具有诱导气流效果，能够控制气体紧贴SDBD电极表面，即使SDBD等离子体模块在高速气流下也能够保证VOCs处理效果，因此能够实现脱除高通量空气中VOCs。
进一步的，高压脉冲电源1为纳秒脉冲电源。幅值调节范围为5～50kV，优选20kV；上升沿、脉宽、下降沿、极性、频率可调，上升沿、脉宽、下降沿均调节范围为10～1000ns，优选50ns；极性可选正、负极性，优选负极性；频率范围为100Hz～100kHz，优选10kHz；参数选择以能够产生稳定、均匀的表面滑闪放电为准。利用纳秒脉冲放电快速上升沿和窄脉宽的独特优点，将等离子体气体温度控制在室温左右，减少不必要的能量损失，克服传统高频高压放电热不稳定性问题；而且能够同时激励多个SDBD等离子体模块，增大等离子体净化空气的体量，从而提升能量利用效率和技术经济性。
进一步的，旋转轴2上的高压线通过圆球形的高压端子与固定支架3上的高压端子接触连接；旋转轴2上的接地线通过圆球形的高压端子与固定支架3上的高压端子接触连接。
进一步的，若干叶轮4为曲面型的薄片状绝缘材料。叶轮的形状可根据实际使用情况确定。
进一步的，若干叶轮4错落排布在旋转轴2上。多个叶轮错落排布并固定在旋转系统的旋转轴2上，随着旋转轴2一起旋转。
进一步的，旋转轴2转速可调节。范围为0～7200转/min，优选3000转/min。
进一步的，若干高压电极8为金属电极，形状为锯齿形。优选铜材料，电极形状优选宽度80mm、长度30mm、厚度50μm，锯齿数目优选20个，其中每个锯齿高度优选为5mm，相邻两个锯齿间距优选为5mm，电极可用PCB板腐蚀制作或采用相同规格的铜条贴附在介质板上。
进一步的，若干接地电极9为金属电极。优选铜材料，尺寸优选宽度为80mm，长度30mm，厚度50μm，电极可用PCB板腐蚀制作或采用相同规格的铜条贴附在介质板7下表面，通过热熔胶加热熔化覆盖到整个接地电极上，保证接地电极全部被封装。放电等离子体发展通道发生在高压电极右侧空气间隙。
进一步的，介质板7为绝缘材料。优选FR-46为阻挡介质材料，尺寸优选宽度200mm，长度600mm，厚度1mm。
进一步的，催化剂涂层10为TiO2光催化材料。可采用喷涂的方式将TiO2光催化材料涂层到高压电极右侧的介质板7表面。催化剂涂层10厚度优选为10μm。在此区域，放电等离子体与TiO2光催化协同作用脱除VOCs。
具体操作步骤：
(1)选用合适的FR-4环氧板，并将环氧板上下两个表面的灰尘杂质等擦拭干净，用乙醇和丙酮清洗金属铜片表面后错落地贴附于FR-4环氧板上下表面，保证完全贴附没有气隙，并用热熔胶进行封装。
(2)将SDBD等离子体模块有序地排列在叶轮上。将叶轮安装在旋转轴上，将所有SDBD等离子体模块的高压电极与叶轮上的高压线连接，接地电极与叶轮上的接地线连接。
(3)在所有SDBD等离子体模块的高压电极右侧的FR-4环氧板表面均匀喷涂TiO2光催化材料涂层。
(4)选择合适的纳秒脉冲电源，将高压电源与固定架上的高压端子连接，接地装置与接地端子连接。启动旋转系统，并启动纳秒脉冲电源开关，观察放电等离子体形态。
(5)待处理气体被旋转系统抽到该装置中，并经过SDBD放电等离子体区域，在此区域，放电等离子体与TiO2光催化协同作用脱除VOCs。
具体实施时，空气净化处理需要考虑污染物种类、浓度、净化需求以及经济性等多方面的因素，下面以工业废气处理和室内空气净化两个实施案例加以说明：
实施例1：工业废气处理
以石化行业为例，废气主要VOCs种类为苯系物、酮类、酯类等比较难降解的多环芳烃，而且通常浓度比较高、处理体积较大、净化标准也非常严格。本案例中采用大功率旋转系统，转速为6000转/min,叶轮数量为24个，采用脉冲电压幅值为25kV,频率为10kHz。经过该装置处理后的废气中污染物的浓度达到了国家规定标准。
实施案例2：室内空气净化
室内VOCs种类主要是甲醛为主，浓度较低、处理体积较小、但是净化标准非常严格。本案例中采用小功率的旋转系统，转速为1000转/min,叶轮数量为6个，采用脉冲电压幅值为20kV,频率为10kHz。经过该装置处理后的室内空气中污染物的浓度达到了国家规定标准。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型空气净化系统，其特征在于，该系统包括：高压脉冲电源（1）、旋转系统、若干SDBD等离子体模块（5）和若干叶轮（4）；所述旋转系统，其由可旋转的旋转轴（2）、两个圆环形的固定支架（3）、高压端子和接地端子组成；所述旋转轴（2）依次穿过两个所述固定支架（3）；所述高压端子安装在其中一个固定支架（3）外周，所述高压端子与所述高压脉冲电源（1）连接，所述接地端子安装在另一个固定支架（3）外周，所述接地端子与接地装置（6）连接；所述旋转轴（2）上设置高压线和接地线，旋转轴（2）上的高压线与所述固定支架（3）上的高压端子接触连接，旋转轴（2）上的接地线与所述固定支架（3）上的接地端子接触连接；所述若干叶轮（4），其固定安装在所述旋转轴（2）上，且所述若干叶轮（4）上均设置高压线和接地线，并分别与所述旋转轴（2）上的高压线和接地线连接；所述若干SDBD等离子体模块（5），其分别安装在所述若干叶轮（4）表面，且所述若干SDBD等离子体模块（5）均由介质板（7）、催化剂涂层（10）、若干高压电极（8）和若干接地电极（9）组成；所述若干高压电极（8）等间隔的安装在所述介质板（7）的上表面，且所述若干高压电极（8）均与叶轮上的高压线连接，所述若干接地电极（9）等间隔的安装在所述介质板（7）的下表面，且所述若干接地电极（9）均与叶轮上的接地线连接，所述若干高压电极（8）与所述若干接地电极（9）错落布置，所述催化剂涂层（10）喷涂在所述若干高压电极（8）一侧的所述介质板（7）表面。
2.根据权利要求1所述的一种新型空气净化系统，其特征在于，所述高压脉冲电源（1）为纳秒脉冲电源。
3.根据权利要求1所述的一种新型空气净化系统，其特征在于，所述旋转轴（2）上的高压线通过圆球形的高压端子与所述固定支架（3）上的高压端子接触连接；所述旋转轴（2）上的接地线通过圆球形的接地端子与所述固定支架（3）上的接地端子接触连接。
4.根据权利要求1所述的一种新型空气净化系统，其特征在于，所述若干叶轮（4）为曲面型的薄片状绝缘材料。
5.根据权利要求1所述的一种新型空气净化系统，其特征在于，所述若干叶轮（4）错落排布在所述旋转轴（2）上。
6.根据权利要求1所述的一种新型空气净化系统，其特征在于，所述旋转轴（2）转速可调节。
7.根据权利要求1所述的一种新型空气净化系统，其特征在于，所述若干高压电极（8）为金属电极，形状为锯齿形。
8.根据权利要求1所述的一种新型空气净化系统，其特征在于，所述若干接地电极（9）为金属电极。
9.根据权利要求1所述的一种新型空气净化系统，其特征在于，所述介质板（7）为绝缘材料。
10.根据权利要求1所述的一种新型空气净化系统，其特征在于，所述催化剂涂层（10）为TiO2光催化材料。
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