CN109107765A - 静电催化耦合空气净化器及其制造方法 - Google Patents

静电催化耦合空气净化器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种静电催化耦合空气净化器及其制造方法，包括壳体(1)、静电电离单元(2)以及静电集尘催化耦合单元(3)；所述静电电离单元(2)包括电离放电极(21)和电离金属极板(22)；所述静电集尘催化耦合单元(3)包括集尘催化金属极板(31)和催化剂涂层(32)；所述催化剂涂层(32)设置在集尘催化金属极板(31)上，能够与极板间电场形成“静电‑催化”耦合效应，大幅增加对可挥发性有机污染物的去除效果。该空气净化器能对颗粒污染物和可挥发性有机污染物同时进行高效去除，且内部无高效滤网或多孔载体等高风阻部件，空气阻力小，使用寿命长，无需经常维护。

Description

静电催化耦合空气净化器及其制造方法
技术领域
本发明涉及空气净化器领域，具体地，涉及静电催化耦合空气净化器及其制造方法，尤其涉及一种低空气阻力的高压静电催化耦合的空气净化器。
背景技术
随着环境污染的加剧和人们健康意识的提高，空气质量逐渐成为社会广泛关注的话题。日常生活中对人类健康产生危害的空气污染物可大致分为两种：颗粒污染物和可挥发性有机污染物。前者以雾霾之名为大众所熟知，后者以室内甲醛污染为代表。类似空气污染物的治理与去除，以及空气净化技术逐渐引起了人们的重视，相关设备的研发也开展的十分迅速。
近年来公开的空气净化技术和装置中，有采用物理拦截和物理吸附结合的空气净化技术，如专利文献CN207342359U公开的一种活性炭滤网空气净化器和专利文献CN207324513U公开的一种活性炭过滤器。但其问题在于吸附饱和后的装置不仅失去净化能力还可能因污染物脱附而造成二次污染，并且高效滤网和活性炭等细密的装置也会形成很大空气阻力，导致风机能耗过多和设备运行噪声大的问题。
也有采用高压静电去除空气中颗粒污染物的技术，如专利文献CN103615767A公开室内空气静电净化装置和专利文献CN207146788U公开的一种静电除尘新风装置。但其问题在于去除目标单一，对可挥发性有机污染物去除效率极低，易形成臭氧二次污染。
亦有采用高压静电与催化剂相结合的技术，如专利文献CN207073898U公开的一种殡仪场用的蜂窝式静电、紫外、光催化耦合净化装置和专利文献CN103900132B公开的一种复合型具有耦合功能的油烟净化器。该技术问题在于催化剂的载体蜂窝陶瓷属于空气阻力很大的多孔介质，并且负载有催化剂的载体置于静电模块后，不能很好利用静电催化耦合的特性，对可挥发性有机污染物去除效率较低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种静电催化耦合空气净化器及其制造方法。
根据本发明提供的一种静电催化耦合空气净化器，包括壳体、静电电离单元以及静电集尘催化耦合单元；
所述壳体包括进风口和出风口，且进风口与出风口在壳体内部连通形成气体通道；
所述气体通道内沿气体流动方向，依次设置有静电电离单元和静电集尘催化耦合单元，其中静电电离单元的出口与静电集尘催化耦合单元的入口紧密相连。
优选地，所述静电电离单元包括电离放电极和电离金属极板；所述电离放电极连接至高压直流电源，所述电离金属极板接地。
优选地，所述静电集尘催化耦合单元包括集尘催化金属极板和催化剂涂层；所述催化剂涂层设置在集尘催化金属极板上。
优选地，所述集尘催化金属极板平行放置；集尘催化金属极板分为两组且相邻的集尘催化金属极板所属的组别不同，在这两组集尘催化金属极板中，其中一组接地，另一组连接至高压直流电源。
优选地，所述催化剂涂层包括催化剂和胶黏剂；所述催化剂能够与静电集尘催化耦合单元中集尘催化金属极板间的强电场形成“静电-催化”耦合效应；所述胶黏剂能够连接催化剂与集尘催化金属极板。
优选地，所述催化剂包括复合金属氧化物和/或ZSM-5分子筛；所述胶黏剂包括乙醇，还包括单组份聚氨酯、双组份聚氨酯、环氧树脂胶黏剂、水玻璃、膨润土中的任一种或任多种。
优选地，所述复合金属氧化物包括金属硝酸盐，所述金属硝酸盐包括硝酸锰、硝酸铁、硝酸铜、硝酸钴、硝酸铈、硝酸镍中的任一种或任多种。
优选地，静电电离单元中电离金属极板间距是静电集尘催化耦合单元中集尘催化金属极板间距的2-5倍；静电电离单元中电离金属极板长度是静电集尘催化耦合单元中集尘催化金属极板长度的3-6倍。
根据本发明提供的一种静电催化耦合空气净化器制造方法，包括如下步骤：
胶黏剂制备步骤：将第一物质与乙醇混合并搅拌均匀，制得胶黏剂；
催化剂制备步骤：将第二物质加入去离子水种形成溶液，将ZSM-5分子筛加入溶液浸渍，磁力搅拌均匀后加热蒸发干燥至液体消失，经煅烧后得到催化剂；
金属极板清洗步骤：将金属极板置于超声清洗仪中并依次浸没在去离子水、乙醇、去离子水中分别清洗10分钟，随后风干得到经过预处理的金属极板；
催化剂涂覆步骤：将经过预处理的金属极板需要负载催化剂的部分均匀涂抹胶黏剂并旋转固化2小时，然后将催化剂均匀涂覆于金属极板上并继续旋转固化8小时，随后再次涂覆催化剂并固化24小时，最终得到负载有催化剂的金属极板；
其中，所述第一物质包括单组份聚氨酯、双组份聚氨酯、环氧树脂胶黏剂、水玻璃、膨润土中的任一种或任多种；所述第二物质包括硝酸锰、硝酸铁、硝酸铜、硝酸钴、硝酸铈、硝酸镍中的任一种或任多种，若第二物质为多种硝酸盐组合，则各组分质量相等。
优选地，所述催化剂制备步骤中：
加入的ZSM-5总质量为第二物质总质量的三倍；
蒸发干燥温度为50℃；
煅烧温度为500℃，时间为2小时，具体方式为使用马弗炉煅烧，且升温速率为6℃/min。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的空气净化器在高效去除空气各类污染物的同时具有很低的空气阻力。本发明巧妙利用“静电-催化”耦合效应增加了催化剂对可挥发性有机污染物的去除效率，对颗粒物和挥发性有机物一次性通过去除率可达到90％以上。并且由于本发明采用集尘极板作为催化剂载体，整机内无高效滤网或多孔载体等高空气阻力部件，有效降低了空气净化器运行时的空气阻力，同时降低了气流噪声和风机能耗，实现了对空气全方位、高效率、低能耗的净化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的静电催化耦合空气净化器具体实施方式的剖面俯视结构示意图；
图中示出：
壳体 1
静电电离单元 2
静电集尘催化耦合单元 3
放电极 21
电离金属极板 22
集尘催化金属极板 31
催化剂涂层 32
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种静电催化耦合空气净化器，包括壳体1、静电电离单元2以及静电集尘催化耦合单元3；所述壳体1包括进风口和出风口，且进风口与出风口在壳体1内部连通形成气体通道；所述气体通道内沿气体流动方向依次设置有静电电离单元2和静电集尘催化耦合单元3，其中静电电离单元2的出口与静电集尘催化耦合单元3的入口紧密相连。
优选地，所述静电电离单元2包括电离放电极21和电离金属极板22；所述电离放电极21连接至直流电源，所述电离金属极板22接地。所述静电集尘催化耦合单元3包括集尘催化金属极板31和催化剂涂层32；所述催化剂涂层32设置在集尘催化金属极板31上。所述集尘催化金属极板31平行放置；集尘催化金属极板31分为两组且相邻的集尘催化金属极板31所属的组别不同，在这两组集尘催化金属极板31中，其中一组接地，另一组连接至高压直流电源。所述催化剂涂层32包括催化剂和胶黏剂；所述催化剂能够与静电集尘催化耦合单元3中集尘催化金属极板31间的强电场形成“静电-催化”耦合效应；所述“静电-催化”耦合效应具体指：高压静电场中产生的臭氧和活性物种，在催化剂作用下将与空气中的甲醛等有机挥发物(VOCs)反应，具有臭氧和VOCs的同时去除的效果。所述胶黏剂能够连接催化剂与集尘催化金属极板31。所述催化剂包括复合金属氧化物和/或ZSM-5分子筛；所述胶黏剂包括乙醇，还包括单组份聚氨酯、双组份聚氨酯、环氧树脂胶黏剂、水玻璃、膨润土中的任一种或任多种。所述复合金属氧化物包括金属硝酸盐，所述金属硝酸盐包括硝酸锰、硝酸铁、硝酸铜、硝酸钴、硝酸铈、硝酸镍中的任一种或任多种。静电电离单元2中电离金属极板22间距是静电集尘催化耦合单元3中集尘催化金属极板31间距的2-5倍；静电电离单元2中电离金属极板22长度是静电集尘催化耦合单元3中集尘催化金属极板31长度的3-6倍。
根据本发明提供的一种静电催化耦合空气净化器制造方法，包括如下步骤：
胶黏剂制备步骤：将第一物质与乙醇混合并搅拌均匀，制得胶黏剂；
催化剂制备步骤：将第二物质加入去离子水种形成溶液，将ZSM-5分子筛加入溶液浸渍，磁力搅拌均匀后加热蒸发干燥至液体消失，经煅烧后得到催化剂；
金属极板清洗步骤：将金属极板置于超声清洗仪中并依次浸没在去离子水、乙醇、去离子水中分别清洗10分钟，随后风干得到经过预处理的金属极板；
催化剂涂覆步骤：将经过预处理的金属极板需要负载催化剂的部分均匀涂抹胶黏剂并旋转固化2小时，然后将催化剂均匀涂覆于金属极板上并继续旋转固化8小时，随后再次涂覆催化剂并固化24小时，最终得到负载有催化剂的金属极板；
其中，所述第一物质包括单组份聚氨酯、双组份聚氨酯、环氧树脂胶黏剂、水玻璃、膨润土中的任一种或任多种；所述第二物质包括硝酸锰、硝酸铁、硝酸铜、硝酸钴、硝酸铈、硝酸镍中的任一种或任多种，若第二物质为多种硝酸盐组合，则各组分质量相等。
具体地，所述催化剂制备步骤中：加入的ZSM-5总质量为第二物质总质量的三倍；蒸发干燥温度为50℃；煅烧温度为500℃，时间为2小时，具体方式为使用马弗炉煅烧，且升温速率为6℃/min。
更具体地，如图1所示，根据本发明提供的一种静电催化耦合空气净化器，所述壳体1内部的气体通道截面呈方形，含有颗粒污染物和可挥发性有机污染物的空气从进风口进入，依次通过静电电离单元2和静电集尘催化耦合单元3后，从出风口排出。所述电离放电极21为通电钨丝。本实施例中静电电离单元2的长度为25mm，相邻电离金属极板22的间距为20mm。各电离金属极板22由通电导体相连接地，电离放电极21也由通电导体相连，均连接至+10KV高压电源，所述高压电源未在图中示出。在高压电源的激发下，静电电离单元2内部和附近的空气充满带电离子。当气流中的颗粒经过时，颗粒的带电量逐渐增加。同时，由于高压电源具有较强的功率，空气中部分氧气被电离为活泼的氧原子，与空气中其他成分结合后生成活性物质，包括臭氧O3、羟基自由基·OH和活性氧O-、O2-、O3-，这些活性物质随气流进入集尘催化耦合区后与极板表面的催化剂接触，可增加催化剂对可挥发性有机污染物的去除效率。本实施例中静电集尘催化耦合单元3的长度为80mm，相邻接地的集尘催化金属极板31的间距为5mm。集尘催化金属极板31通过导线间隔连接分为两组，其中一组接地，另一组连接至+5KV的高压电源，各极板间形成均匀强电场。气流中的颗粒污染物通过静电电离单元2而带电后，其会在集尘催化耦合单元3极板间强电场作用下趋近接地极板，到达极板表面后即完成颗粒捕集过程。同时，静电电离单元2产生的活性物质随气流到达静电集尘催化耦合单元3，在“静电-催化”耦合效应下极板表面催化剂涂层32将活性物种进一步转化为高活性物种，实现对可挥发性有机污染物的有效去除。
进一步地，本实施例中催化剂涂层32制备方法如下：首先，将金属极板依次分别浸没在去离子水、乙醇、去离子水中，置于超声清洗仪中清洗10分钟，风干。其次，将钴、锰、铁、铜、镍、铈等不同金属硝酸盐中的一种或多种等量加入去离子水中，形成溶液，将质量为3倍于已加入硝酸盐质量总和的ZSM-5分子筛加入溶液中浸渍，磁力搅拌均匀后，50℃蒸发干燥至液体基本消失，之后在马弗炉中以6℃/min的升温速率升温至500℃，煅烧2小时，得到复合氧化物/ZSM-5催化剂。随后，将单组份聚氨酯与乙醇以1:1比例混合，搅拌均匀，制得胶黏剂。最后，将预处理过的金属极板需要负载催化剂的部分均匀涂抹胶黏剂，旋转固化2小时，将催化剂均匀涂覆于金属极板上，继续旋转固化8小时，再次涂覆催化剂，固化24小时，制得所述负载有催化剂的金属极板。
更进一步地，本发明所要解决的技术问题是针对现有技术提供一种室温下有效去除空气中颗粒污染物和可挥发性有机污染物的低空气阻力的空气净化器，并提供一种高效去除室内空气中可挥发性有机污染物的催化剂，及其在集尘区金属极板上的负载方式。为了达到上述目的，本发明采用巧妙的设计使催化剂处于极板间强电场中，“静电-催化”耦合效应会极大增加催化剂涂层32的活性，其作用机理如下：在静电集尘催化耦合单元3强电场作用下，催化剂的带电活性位点向表面移动，增加了催化剂表面活性位点的暴露几率；气流中活性氧等带电活性物质在静电集尘催化耦合单元3电场作用下向极性相反的极板趋近，使得带电活性物质更易与集尘催化金属极板31表面的催化剂接触，增加了带电活性物质的利用效率；静电集尘催化耦合单元3强电场能增加金属氧化物催化剂表面的电子不稳定性，电子在电场作用下溢出后参与催化剂表面的氧化还原反应，降低了反应难度，加快了反应速率。并且与其他使用催化技术的空气净化手段相比，本发明未采用蜂窝陶瓷或其他多孔介质作为载体，而是直接将催化剂涂层负载在集尘极板表面，消除了空气净化流程中气流压降最大的部分，使得本发明的空气阻力大为减小。
按照空气净化器相关国家标准对本实施例中的空气净化器进行三立方仓颗粒污染物和可挥发性有机污染物去除实验，结果表明该装置10分钟颗粒去除率可达90％，3小时甲醛去除率可达80％。在保证催化剂负载量相同的前提下，与催化剂负载于蜂窝陶瓷并后置于静电除尘器后的空气净化器相比，本实施例中空气净化器的3小时甲醛去除率可相对提高20％，臭氧达到安全释放标准。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种静电催化耦合空气净化器，其特征在于，包括壳体(1)、静电电离单元(2)以及静电集尘催化耦合单元(3)；
所述壳体(1)包括进风口和出风口，且进风口与出风口在壳体(1)内部连通形成气体通道；
所述气体通道内沿气体流动方向，依次设置有静电电离单元(2)和静电集尘催化耦合单元(3)，其中静电电离单元(2)的出口与静电集尘催化耦合单元(3)的入口紧密相连。
2.根据权利要求1所述的静电催化耦合空气净化器，其特征在于，所述静电电离单元(2)包括电离放电极(21)和电离金属极板(22)；所述电离放电极(21)连接至高压直流电源，所述电离金属极板(22)接地。
3.根据权利要求1所述的静电催化耦合空气净化器，其特征在于，所述静电集尘催化耦合单元(3)包括集尘催化金属极板(31)和催化剂涂层(32)；所述催化剂涂层(32)设置在集尘催化金属极板(31)上。
4.根据权利要求3所述的静电催化耦合空气净化器，其特征在于，所述集尘催化金属极板(31)平行放置；集尘催化金属极板(31)分为两组且相邻的集尘催化金属极板(31)所属的组别不同，在这两组集尘催化金属极板(31)中，其中一组接地，另一组连接至高压直流电源。
5.根据权利要求3所述的静电催化耦合空气净化器，其特征在于，所述催化剂涂层(32)包括催化剂和胶黏剂；所述催化剂能够与静电集尘催化耦合单元(3)中集尘催化金属极板(31)间的强电场形成“静电-催化”耦合效应；所述胶黏剂能够连接催化剂与集尘催化金属极板(31)。
6.根据权利要求5所述的静电催化耦合空气净化器，其特征在于，所述催化剂包括复合金属氧化物和/或ZSM-5分子筛；所述胶黏剂包括乙醇，还包括单组份聚氨酯、双组份聚氨酯、环氧树脂胶黏剂、水玻璃、膨润土中的任一种或任多种。
7.根据权利要求6所述的静电催化耦合空气净化器，其特征在于，所述复合金属氧化物包括金属硝酸盐，所述金属硝酸盐包括硝酸锰、硝酸铁、硝酸铜、硝酸钴、硝酸铈、硝酸镍中的任一种或任多种。
8.根据权利要求1至7种任一项所述的静电催化耦合空气净化器，其特征在于，静电电离单元(2)中电离金属极板(22)间距是静电集尘催化耦合单元(3)中集尘催化金属极板(31)间距的2-5倍；静电电离单元(2)中电离金属极板(22)长度是静电集尘催化耦合单元(3)中集尘催化金属极板(31)长度的3-6倍。
9.一种权利要求1至8种任一项所述的静电催化耦合空气净化器制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
胶黏剂制备步骤：将第一物质与乙醇混合并搅拌均匀，制得胶黏剂；
催化剂制备步骤：将第二物质加入去离子水种形成溶液，将ZSM-5分子筛加入溶液浸渍，磁力搅拌均匀后加热蒸发干燥至液体消失，经煅烧后得到催化剂；
金属极板清洗步骤：将金属极板置于超声清洗仪中并依次浸没在去离子水、乙醇、去离子水中分别清洗10分钟，随后风干得到经过预处理的金属极板；
催化剂涂覆步骤：将经过预处理的金属极板需要负载催化剂的部分均匀涂抹胶黏剂并旋转固化2小时，然后将催化剂均匀涂覆于金属极板上并继续旋转固化8小时，随后再次涂覆催化剂并固化24小时，最终得到负载有催化剂的金属极板；
其中，所述第一物质包括单组份聚氨酯、双组份聚氨酯、环氧树脂胶黏剂、水玻璃、膨润土中的任一种或任多种；所述第二物质包括硝酸锰、硝酸铁、硝酸铜、硝酸钴、硝酸铈、硝酸镍中的任一种或任多种，若第二物质为多种硝酸盐组合，则各组分质量相等。
10.根据权利要求9所述的静电催化耦合空气净化器制造方法，其特征在于，所述催化剂制备步骤中：
加入的ZSM-5总质量为第二物质总质量的三倍；
蒸发干燥温度为50℃；
煅烧温度为500℃，时间为2小时，具体方式为使用马弗炉煅烧，且升温速率为6℃/min。
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