CN110822582B - 一种室内co2空气净化的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种室内CO2空气净化的装置与方法，所述装置包括横向吸附气路外壳、吸附膜组件(内含CO2循环吸附/脱附材料)、活性炭网膜、右侧风扇、上下横向挡板、循环空气排气管、纵向脱附气路外壳、底部风扇、湿空气进气管、空气加湿器、循环空气进气管和左右纵向挡板。使用时可直接从空气中捕集CO2，结构简单，操作简便；利用湿度调控，可循环使用吸附膜组件进行CO2吸附和脱附的过程，成本低廉；在实现空气除异味的基础上，又可降低室内CO2浓度，达到净化空气，提高室内空气质量的目的，从而提高人在室内呼吸的舒适度，有利于人体健康。该装置可应用于各种较封闭空间，如冬天开启暖气的封闭室内、夏天开启空调的封闭室内、各类汽车、空间站等。

Description

一种室内CO2空气净化的装置与方法
技术领域
本发明属于空气净化领域，具体涉及利用阴离子交换树脂膜设计的室内CO2空气净化的装置与方法。
背景技术
室内环境中CO2的含量会对人体健康和思考能力产生巨大影响。CO2浓度小于700ppm属于新鲜空气；CO2浓度在700～1000ppm时属于一般空气；当CO2浓度在1000～1500ppm时，处在临界边缘，许多人在这个环境下会感到不舒服；当CO2浓度在1500～2000ppm时，空气则属于轻度污染；假如其超出2000ppm，则属于重度污染。身体长时间吸收浓度过大的CO2，会限制呼吸神经正常功能和导致机体生物钟紊乱。当CO2浓度在 3000～4000ppm时，人们就会出现头疼、耳聋与血压增高等现象。当含量超过8000ppm的时候，将会使人窒息死亡。
夏季的空调房间，或者冬季开暖气的房间，往往门窗紧闭，室内人员的呼吸会导致CO2浓度快速累积上升，在关闭门窗的房间(20m2)内睡一晚，早上室内的CO2浓度往往可高达室外的8倍，超过3000ppm，不仅影响睡眠质量，还会直接影响人体健康。
目前常用的CO2吸收方法有化学吸收法、膜分离法、物理吸收法等。但其中涉及的一些方法往往具有工艺造价高、工艺复杂、吸/脱附能耗大和对空气中的CO2吸附效果差等弊端。因此开发一种简单、实用、高效的室内空气CO2吸/脱附分离技术，用于控制室内CO2的浓度，具有重要的家居与健康意义。
本发明基于阴离子交换树脂膜作为吸/脱附材料，设计了一种室内CO2空气净化装置，并初步测试了该装置的CO2吸/脱附性能。若将其利用在较密闭的空间如室内及车内的CO2浓度调节方面，将具有一定的社会效益和商业潜力。
发明内容
本发明在于提供一种室内CO2空气净化的装置与方法，采用本发明所述的装置来降低室内CO2浓度，具有成本低廉、易于设计制造、所用材料无腐蚀性且无毒无味等优点。使用时可提高室内环境的舒适度，有利于人体健康，在封闭性较强的办公场所使用，有利用提升办公人员的思维活跃性。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种室内CO2空气净化的装置，包括横向吸附气路外壳1和纵向脱附气路外壳8组成的十字框架结构，内含CO2循环吸附/脱附材料15的吸附膜组件2位于十字框架结构中心的空腔内；上横向挡板5和下横向挡板6分别位于横向吸附气路外壳1左侧的上下面上，且上横向挡板5和下横向挡板6能够推至横向吸附气路外壳1的中心即十字框架结构中心的空腔的上下；左纵向挡板13和右纵向挡板14分别位于纵向脱附气路外壳8上侧的左右侧面上，且左纵向挡板13和右纵向挡板14能够推至纵向脱附气路外壳8的中心即十字框架结构中心的空腔的左右；活性炭网膜3和右侧风扇 4位于横向吸附气路外壳1右侧的空腔内；空气加湿器11通过湿空气进气管10与纵向脱附气路外壳8连通，循环空气排气管7和循环空气进气管12分别与纵向脱附气路外壳8的上、下部连通，底部风扇9位于纵向脱附气路外壳8下侧的空腔内并位于湿空气进气管10的底部；
当上横向挡板5和下横向挡板6推至横向吸附气路外壳1的中心即十字框架结构中心的空腔的上下时，横向吸附气路外壳1与上横向挡板5和下横向挡板6以及位于横向吸附气路外壳1内的吸附膜组件2、活性炭网膜3和右侧风扇4组成横向CO2吸附气路；
当左纵向挡板13和右纵向挡板14推至纵向脱附气路外壳8的中心即十字框架结构中心的空腔的左右时，纵向脱附气路外壳8、左纵向挡板13、右纵向挡板14、循环空气排气管7、循环空气进气管12、吸附膜组件2、底部风扇9、湿空气进气管10和空气加湿器11组成纵向CO2脱附气路。
所述CO2循环吸附/脱附材料15为阴离子交换树脂膜或阴离子交换树脂颗粒，在干燥环境时能自动吸附CO2，在湿润环境时能自动脱附CO2。
所述横向吸附气路外壳1为100×100×300mm3亚克力板材质长方体，右侧面板上有多个小圆孔，以允许空气被右侧风扇4吸入，左侧面板与右侧面板相同；所述纵向脱附气路外壳8为100×100×300mm3亚克力板材质长方体，上部面板和底部面板与圆形PVC材质的循环空气排气管7 和循环空气进气管12相连。
所述空气加湿器11为超声加湿器，雾气粒径为3-5μm，有利于CO2脱附，所连接的湿空气进气管10为圆形PVC管。
所述吸附膜组件2为100×100×100mm3的亚克力板材质正方体，左、右、上、下四个侧面均打圆孔，以便空气流通，内部放置CO2循环吸附/ 脱附材料15。
所述上横向挡板5和下横向挡板6以及左纵向挡板13和右纵向挡板 14均为100×120mm2的亚克力板，使用时形成完整的横向CO2吸附气路或纵向CO2脱附气路。
所述右侧风扇4和底部风扇9的外直径小于100mm，能够放置于横向吸附气路外壳1和纵向脱附气路外壳8的内部，风扇转速为500～1500 r/min。
所述CO2循环吸附/脱附材料15的制备过程如下：
(1)阴离子交换树脂膜的制备及预处理：聚乙烯或聚丙烯和阴离子交换树脂粉末(质量分数占50～60％)通过复合挤压的方式形成异相离子交换树脂膜；将异相离子交换树脂膜浸泡在60～100℃去离子水中12～48h；热水诱发异相离子交换树脂膜膨胀到足以充分打开微孔结构；配置0.1～1 mol/L的碳酸钠溶液，将样品浸泡在碳酸钠溶液中，搅拌以增强离子交换效率；每2～6h更换一次碳酸钠溶液，每次更换后用去离子水冲洗样品；重复以上离子交换和去离子水冲洗操作3～10次，确保氯离子被碳酸根离子完全置换；将异相离子交换树脂膜捞出并用去离子水冲洗膜表面残留的碳酸钠溶液；
(2)由于阴离子交换树脂膜的透气性较差，为保证CO2循环吸附网膜的透气性和增大网膜与空气的接触面积，膜上打多个孔，同向“S型”折叠后，制成CO2循环吸附/脱附材料，根据空间的大小和CO2浓度添加或减少阴离子交换树脂膜。
所述的室内CO2空气净化装置进行室内CO2净化的方法，包括如下步骤：
(1)将制成的CO2循环吸附/脱附材料15放置于吸附膜组件2内；
(2)将上横向挡板5和下横向挡板6推至横向吸附气路外壳1的中心即十字框架结构中心的空腔的上下位置，打开右侧风扇4，在横向吸附气路外壳1内形成横向CO2吸附气路，进行室内CO2吸附过程；
(3)吸附完成后关闭右侧风扇4，将上横向挡板5和下横向挡板6拉至横向吸附气路外壳1左侧位置，将左纵向挡板13和右纵向挡板14推至纵向脱附气路外壳8的中心即十字框架结构中心的空腔的左右位置，打开空气加湿器11和底部风扇9，在纵向脱附气路外壳8内形成纵向CO2脱附气路，湿空气和室外空气沿着湿空气进气管10和循环空气进气管12进入纵向脱附气路外壳8内，进行CO2脱附过程；脱附所产生的CO2通过循环空气排气管7排往外部。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明以聚乙烯或聚丙烯和阴离子交换树脂粉末为原料，制成 CO2循环吸附网膜，在干燥状态下，碳酸盐的碱性阴离子基团可以吸附 CO2，产生碳酸氢盐。在湿润的状态下，吸附CO2后的多相离子交换树脂膜可以释放CO2，材料还原为碳酸盐，是一种湿法控制的CO2循环吸/脱附材料。材料具有制备方法和工艺简单、操作安全、再生性强、无毒无味等特点。
(2)湿法循环的吸收方法，能耗以及相应的费用和成本低，不受其他离子干扰，不存在二次污染，脱附后的CO2可直接排放到室外。
(3)与现有已成商业规模的空气净化器相比，本发明室内CO2空气净化装置着眼于调节CO2浓度的功能，解决了较密闭空间如夏季空调房、冬天北方室内的CO2超标以及汽车内CO2浓度较高等问题。装置使用时可提高室内环境的舒适度，有利于人体健康。
综上，从成本、结构及健康方面考虑，本发明装置调控室内CO2浓度的能力，更好的丰富了空气净化器功能，可进一步提升人在室内的舒适度，提高家居和办公环境的品质。
附图说明
图1为本发明室内CO2空气净化的装置示意图。
图2为本发明室内CO2空气净化的装置对不同浓度CO2吸附的作用图。
具体实施方式
下面将结合附图和本发明实例对本发明进行清楚、详细、完整地描述。以下实施例中，所述的CO2循环吸附/脱附材料为预处理后的聚乙烯阴离子交换树脂膜。
如图1所示，本发明一种室内CO2空气净化的装置，包括横向吸附气路外壳1和纵向脱附气路外壳8组成的十字框架结构，内含CO2循环吸附 /脱附材料15的吸附膜组件2位于十字框架结构中心的空腔内；上横向挡板5和下横向挡板6分别位于横向吸附气路外壳1左侧的上下面上，且上横向挡板5和下横向挡板6能够推至横向吸附气路外壳1的中心即十字框架结构中心的空腔的上下；左纵向挡板13和右纵向挡板14分别位于纵向脱附气路外壳8上侧的左右侧面上，且左纵向挡板13和右纵向挡板14能够推至纵向脱附气路外壳8的中心即十字框架结构中心的空腔的左右；活性炭网膜3和右侧风扇4位于横向吸附气路外壳1右侧的空腔内；空气加湿器11通过湿空气进气管10与纵向脱附气路外壳8连通，循环空气排气管7和循环空气进气管12分别与纵向脱附气路外壳8的上、下部连通，底部风扇9位于纵向脱附气路外壳8下侧的空腔内并位于湿空气进气管10 的底部；
当上横向挡板5和下横向挡板6推至横向吸附气路外壳1的中心即十字框架结构中心的空腔的上下时，横向吸附气路外壳1与上横向挡板5和下横向挡板6以及位于横向吸附气路外壳1内的吸附膜组件2、活性炭网膜3和右侧风扇4组成横向CO2吸附气路；
当左纵向挡板13和右纵向挡板14推至纵向脱附气路外壳8的中心即十字框架结构中心的空腔的左右时，纵向脱附气路外壳8、左纵向挡板13、右纵向挡板14、循环空气排气管7、循环空气进气管12、吸附膜组件2、底部风扇9、湿空气进气管10和空气加湿器11组成纵向CO2脱附气路。
作为本发明的优选实施方式，所述CO2循环吸附/脱附材料15为阴离子交换树脂膜或阴离子交换树脂颗粒，在干燥环境时能自动吸附CO2，在湿润环境时能自动脱附CO2。
作为本发明的优选实施方式，所述横向吸附气路外壳1为100×100 ×300mm3亚克力板材质长方体，右侧面板上有多个小圆孔，以允许空气被右侧风扇4吸入，左侧面板与右侧面板相同；所述纵向脱附气路外壳8 为100×100×300mm3亚克力板材质长方体，上部面板和底部面板与圆形 PVC材质的循环空气排气管7和循环空气进气管12相连。
作为本发明的优选实施方式，所述空气加湿器11为超声加湿器，雾气粒径为3-5μm，有利于CO2脱附，所连接的湿空气进气管10为圆形PVC 管。
作为本发明的优选实施方式，所述吸附膜组件2为100×100×100 mm3的亚克力板材质正方体，左、右、上、下四个侧面均打圆孔，以便空气流通，内部放置CO2循环吸附/脱附材料15。
作为本发明的优选实施方式，所述上横向挡板5和下横向挡板6以及左纵向挡板13和右纵向挡板14均为100×120mm2的亚克力板，使用时形成完整的横向CO2吸附气路或纵向CO2脱附气路。
作为本发明的优选实施方式，所述右侧风扇4和底部风扇9的外直径小于100mm，能够放置于横向吸附气路外壳1和纵向脱附气路外壳8的内部，风扇转速为500～1500r/min。
所述CO2循环吸附/脱附材料15的制备过程如下：
(1)阴离子交换树脂膜的制备及预处理：聚乙烯或聚丙烯和阴离子交换树脂粉末(质量分数占50～60％)通过复合挤压的方式形成异相离子交换树脂膜；将异相离子交换树脂膜浸泡在60～100℃去离子水中12～48h；热水诱发异相离子交换树脂膜膨胀到足以充分打开微孔结构；配置0.1～1 mol/L的碳酸钠溶液，将样品浸泡在碳酸钠溶液中，搅拌以增强离子交换效率；每2～6h更换一次碳酸钠溶液，每次更换后用去离子水冲洗样品；重复以上离子交换和去离子水冲洗操作3～10次，确保氯离子被碳酸根离子完全置换；将异相离子交换树脂膜捞出并用去离子水冲洗膜表面残留的碳酸钠溶液；
(2)由于阴离子交换树脂膜的透气性较差，为保证CO2循环吸附网膜的透气性和增大网膜与空气的接触面积，膜上打多个孔，同向“S型”折叠后，制成CO2循环吸附/脱附材料，根据空间的大小和CO2浓度添加或减少阴离子交换树脂膜。
本发明所述的室内CO2空气净化装置进行室内CO2净化的方法，包括如下步骤：
(1)将制成的CO2循环吸附/脱附材料15放置于吸附膜组件2内；
(2)将上横向挡板5和下横向挡板6推至横向吸附气路外壳1的中心即十字框架结构中心的空腔的上下位置，打开右侧风扇4，在横向吸附气路外壳1内形成横向CO2吸附气路，进行室内CO2吸附过程；
(3)吸附完成后关闭右侧风扇4，将上横向挡板5和下横向挡板6拉至横向吸附气路外壳1左侧位置，将左纵向挡板13和右纵向挡板14推至纵向脱附气路外壳8的中心即十字框架结构中心的空腔的左右位置，打开空气加湿器11和底部风扇9，在纵向脱附气路外壳8内形成纵向CO2脱附气路，湿空气和室外空气沿着湿空气进气管10和循环空气进气管12进入纵向脱附气路外壳8内，进行CO2脱附过程；脱附所产生的CO2通过循环空气排气管7排往外部。
实施例
使用27.0g聚乙烯阴离子交换树脂膜材料，打孔后同向“S型”折叠制成CO2循环吸附/脱附材料15放置在吸附膜组件2内，吸附膜组件2装入室内CO2空气净化的装置内，将上横向挡板5和下横向挡板6推至横向吸附气路外壳1的中心即十字框架结构中心的空腔的上下位置，打开右侧风扇4。将室内CO2空气净化的装置和CO2浓度检测仪分别放入125L实验仓的两个角落上，关闭实验仓门。打开气阀，通入约200ml CO2气体使实验仓内CO2浓度上升到2000ppm，关闭气阀，进行CO2吸附过程。记录实验仓内CO2浓度随时间的变化情况。将实验仓内CO2浓度由2000ppm 改为3000ppm，重复上述实验。由以上两个实验得出图2中CO2浓度随时间的变化情况图。
由图2可知，对于初始CO2浓度不同的情况下，随着阴离子交换树脂膜吸附CO2时间的延长，CO2的浓度也随之降低，且吸附速度基本稳定。通过实验和计算，初始浓度为3000ppm时，室内CO2空气净化装置吸收 CO2的平均速率为0.2633mg/min·g-1。
待CO2循环吸附网膜吸附饱和后，关闭右侧风扇4，将上横向挡板5 和下横向挡板6拉至横向吸附气路外壳1左侧位置，将左纵向挡板13和右纵向挡板14推至纵向脱附气路外壳8的中心即十字框架结构中心的空腔的左右位置，打开空气加湿器11和底部风扇9，进行CO2脱附进程，CO2脱附平均速率为0.1960mg/min·g-1。
因此，在2500～3000ppm的CO2污染条件下，装有27g CO2循环吸附 /脱附材料15的室内CO2空气净化的装置在125L模拟室内空间中可以在 70min左右完成净化过程，使空气中CO2浓度达到正常水平(CO2浓度为 1000ppm以下)；而后调整气路，打开空气加湿器11和底部风扇9进行脱附过程，95min左右可完成脱附，并将CO2排放到室外，从而提高室内空气质量。膜材料又可进行下一次的CO2吸附和脱附的循环过程。
以上对本发明的具体实施例进行了描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实例，而不是全部的实施例。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明原理的情况下，还可以做出很多变形，这些变形也应该为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种室内CO2空气净化的装置，其特征在于：包括横向吸附气路外壳(1)和纵向脱附气路外壳(8)组成的十字框架结构，内含CO2循环吸附/脱附材料(15)的吸附膜组件(2)位于十字框架结构中心的空腔内；上横向挡板(5)和下横向挡板(6)分别位于横向吸附气路外壳(1)左侧的上下面上，且上横向挡板(5)和下横向挡板(6)能够推至横向吸附气路外壳(1)的中心即十字框架结构中心的空腔的上下；左纵向挡板(13)和右纵向挡板(14)分别位于纵向脱附气路外壳(8)上侧的左右侧面上，且左纵向挡板(13)和右纵向挡板(14)能够推至纵向脱附气路外壳(8)的中心即十字框架结构中心的空腔的左右；活性炭网膜(3)和右侧风扇(4)位于横向吸附气路外壳(1)右侧的空腔内；空气加湿器(11)通过湿空气进气管(10)与纵向脱附气路外壳(8)连通，循环空气排气管(7)和循环空气进气管(12)分别与纵向脱附气路外壳(8)的上、下部连通，底部风扇(9)位于纵向脱附气路外壳(8)下侧的空腔内并位于湿空气进气管(10)的底部；
当上横向挡板(5)和下横向挡板(6)推至横向吸附气路外壳(1)的中心即十字框架结构中心的空腔的上下时，横向吸附气路外壳(1)与上横向挡板(5)和下横向挡板(6)以及位于横向吸附气路外壳(1)内的吸附膜组件(2)、活性炭网膜(3)和右侧风扇(4)组成横向CO2吸附气路；
当左纵向挡板(13)和右纵向挡板(14)推至纵向脱附气路外壳(8)的中心即十字框架结构中心的空腔的左右时，纵向脱附气路外壳(8)、左纵向挡板(13)、右纵向挡板(14)、循环空气排气管(7)、循环空气进气管(12)、吸附膜组件(2)、底部风扇(9)、湿空气进气管(10)和空气加湿器(11)组成纵向CO2脱附气路。
2.根据权利要求1所述的一种室内CO2空气净化的装置，其特征在于：所述CO2循环吸附/脱附材料(15)为阴离子交换树脂膜或阴离子交换树脂颗粒，在干燥环境时能自动吸附CO2，在湿润环境时能自动脱附CO2。
3.根据权利要求1所述的一种室内CO2空气净化的装置，其特征在于：所述横向吸附气路外壳(1)为100×100×300mm3亚克力板材质长方体，右侧面板上有多个小圆孔，以允许空气被右侧风扇(4)吸入，左侧面板与右侧面板相同；所述纵向脱附气路外壳(8)为100×100×300mm3亚克力板材质长方体，上部面板和底部面板与圆形PVC材质的循环空气排气管(7)和循环空气进气管(12)相连。
4.根据权利要求1所述的一种室内CO2空气净化的装置，其特征在于：所述空气加湿器(11)为超声加湿器，雾气粒径为3-5μm，有利于CO2脱附，所连接的湿空气进气管(10)为圆形PVC管。
5.根据权利要求1所述的一种室内CO2空气净化的装置，其特征在于：所述吸附膜组件(2)为100×100×100mm3的亚克力板材质正方体，左、右、上、下四个侧面均打圆孔，以便空气流通，内部放置CO2循环吸附/脱附材料(15)。
6.根据权利要求1所述的一种室内CO2空气净化的装置，其特征在于：所述上横向挡板(5)和下横向挡板(6)以及左纵向挡板(13)和右纵向挡板(14)均为100×120mm2的亚克力板，使用时形成完整的横向CO2吸附气路或纵向CO2脱附气路。
7.根据权利要求1所述的一种室内CO2空气净化的装置，其特征在于：所述右侧风扇(4)和底部风扇(9)的外直径小于100mm，能够放置于横向吸附气路外壳(1)和纵向脱附气路外壳(8)的内部，风扇转速为500～1500r/min。
8.根据权利要求1所述的一种室内CO2空气净化的装置，其特征在于：所述CO2循环吸附/脱附材料(15)的制备过程如下：
(1)阴离子交换树脂膜的制备及预处理：聚乙烯或聚丙烯和阴离子交换树脂粉末，其中阴离子交换树脂粉末质量分数占50～60％，通过复合挤压的方式形成异相离子交换树脂膜；将异相离子交换树脂膜浸泡在60～100℃去离子水中12～48h；热水诱发异相离子交换树脂膜膨胀到足以充分打开微孔结构；配置0.1～1mol/L的碳酸钠溶液，将样品浸泡在碳酸钠溶液中，搅拌以增强离子交换效率；每2～6h更换一次碳酸钠溶液，每次更换后用去离子水冲洗样品；重复以上离子交换和去离子水冲洗操作3～10次，确保氯离子被碳酸根离子完全置换；将异相离子交换树脂膜捞出并用去离子水冲洗膜表面残留的碳酸钠溶液；
(2)由于阴离子交换树脂膜的透气性较差，为保证CO2循环吸附网膜的透气性和增大网膜与空气的接触面积，膜上打多个孔，同向“S型”折叠后，制成CO2循环吸附/脱附材料，根据空间的大小和CO2浓度添加或减少阴离子交换树脂膜。
9.权利要求1至8任一项所述的室内CO2空气净化装置进行室内CO2净化的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)将制成的CO2循环吸附/脱附材料(15)放置于吸附膜组件(2)内；
(2)将上横向挡板(5)和下横向挡板(6)推至横向吸附气路外壳(1)的中心即十字框架结构中心的空腔的上下位置，打开右侧风扇(4)，在横向吸附气路外壳(1)内形成横向CO2吸附气路，进行室内CO2吸附过程；
(3)吸附完成后关闭右侧风扇(4)，将上横向挡板(5)和下横向挡板(6)拉至横向吸附气路外壳(1)左侧位置，将左纵向挡板(13)和右纵向挡板(14)推至纵向脱附气路外壳(8)的中心即十字框架结构中心的空腔的左右位置，打开空气加湿器(11)和底部风扇(9)，在纵向脱附气路外壳(8)内形成纵向CO2脱附气路，湿空气和室外空气沿着湿空气进气管(10)和循环空气进气管(12)进入纵向脱附气路外壳(8)内，进行CO2脱附过程；脱附所产生的CO2通过循环空气排气管(7)排往外部。
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