CN111036070B - 极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置及方法，所述空气净化装置包括空气换气泵、空气布气系统、空气水洗净化单元、极性仿生水草单元、模块化湿地净化单元、微生物电化学净化单元。本发明主要是利用极性仿生水草、微生物修饰电极、模块化湿地基质、功能微生物、植物这个复合生化‑生态系统对室内空气进行物理、化学、微生物、生物电化学、植物多重作用，通过微生物分解、基质的过滤、吸附、植物吸收分解实现生态技术空气净化。本发明可以实现室内空气的生态净化，建设成本低，换水、基质反冲洗就可以恢复净化功能，无需更换耗材，无二次废弃物产生，运行成本低、长效性好，景观效果好。

Description

极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置及方法

技术领域

本发明属于室内空气净化领域，涉及一种极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置及方法。

背景技术

随着经济的发展和社会进步，以及人类生活水平的提高，室内逐步成为人类生活、工作和娱乐的主要场所。据调查研究表明，现代人们在室内花费的时间超过80%，每天吸入的空气量约为15kg，超过人体总摄入量的 75%，远多于水和食物摄入量。所以，相对于室外空气污染，室内空气污染对人们身体健康存在更大的威胁。但室内空气的污染源种类繁多，按污染物性质不同一般分为物理污染物、化学污染物、生物污染物和放射性污染物。这些污染物随着呼吸进入人体内部，长期积累，严重危害着人们的身体健康，甚至可能危及生命。

公知的空气净化技术主要包括过滤净化技术、静电净化技术、等离子净化技术、光催化技术。这些技术方法都具有处理方式单一（只能针对某种特定的污染物）、制备成本高、能耗高、需要经常更换吸附材料、运行成本和维护成本较高的缺点。因此，开发出一种新型、绿色环保、节能高效的生态型室内空气净化装置是未来室内空气净化领域发展的必然趋势。

发明内容

为了解决室内烹饪、装修、生活所带来的环境颗粒物、挥发性有机污染物、甚至臭气污染的问题，本发明提供了一种极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置及方法。本发明具有建造成本低、能耗低、生态化、景观化、高效的优点，是室内空气净化的换代技术。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置，包括空气换气泵、空气布气系统、空气水洗净化单元、极性仿生水草单元、模块化湿地净化单元、微生物电化学净化单元，其中：

所述空气换气泵与空气布气系统相连，空气换气泵抽取室内污染的空气进入与之相连的空气布气系统；

所述空气布气系统由若干个穿孔布气管构成，穿孔布气管分布在空气水洗净化单元的底部；

所述空气水洗净化单元为位于空气净化装置底部的池体，该池体内装自来水，池体的上部设置有进水管、进水阀门，底部设置有排水口和排水阀门，该单元内的自来水对空气进行水洗，溶解空气中的颗粒物、金属离子、有机挥发物等，并利用自来水中的余氯杀灭空气中的细菌、病毒；

所述极性仿生水草单元由通电仿生水草、石墨电极棒、直流电源构成，通电仿生水草位于空气水洗净化单元中，上下两端分别固定在有机玻璃孔板承托板和穿孔布气管之上，石墨电极棒安插在穿孔布气管中，直流电源的负极与通电仿生水草接通，直流电源的正极与石墨电极棒接通，该单元利用通电仿生水草高效捕获和拦截由空气布气系统产生的微纳气泡；

所述模块化湿地净化单元为位于水洗净化单元顶部的池体，池体内自下而上为有机玻璃孔板承托板、玄武岩混凝土槽、湿地基质和湿地植物，玄武岩混凝土槽外侧和模块化湿地净化单元池体内壁之间填充有弹性橡胶阻气环，该单元利用湿地基质、功能微生物、湿地植物对空气进行深度净化；

所述微生物电化学净化单元为包埋在湿地基质内的一组微生物修饰电极，包含微生物阳极、微生物阴极和外加直流电源，微生物阳极铺在底部有机玻璃孔板承托板之上，与外加直流电池的正极相连；微生物阴极埋入湿地基质中，与外加直流电池的负极相连，该单元利用微生物阳极电极氧化臭气、难降解有机苯系物等，利用微生物阴极实现反硝化脱氮，深度净化空气。

一种利用上述空气净化装置进行室内空气净化的方法，包括如下步骤：

步骤一、空气换气泵抽取室内污染空气进入与之相连的空气布气系统；

步骤二、穿孔布气管中插有接通直流电源负极的石墨电极棒，穿孔布气管将空气以微纳小气泡的形式均匀的分布在水洗净化单元的底部，石墨电极棒使微纳小气泡的表面带有负电荷；

步骤三、经过极性仿生水草吸附和自来水水力洗涤，去除颗粒物（PM2.5）、重金属离子、有机物；同时利用自来水中的余氯杀灭空气中的细菌、病毒，实现对空气的初步净化；初步净化后的空气以气泡的形式上升进入模块化湿地基质净化单元；

步骤四、模块化湿地净化单元内通过微生物净化、湿地基质吸附、湿地植物吸收实现对空气的深度净化，净化后的清洁空气排回室内，净化室内空气。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明主要是利用极性仿生水草、微生物修饰电极、模块化湿地基质、功能微生物、植物这个复合生化-生态系统对室内空气进行物理、化学、微生物、生物电化学、植物多重作用，通过微生物分解、基质的过滤、吸附、植物吸收分解实现生态技术空气净化。

2、本发明可以实现室内空气的生态净化，建设成本低，换水、基质反冲洗就可以恢复净化功能，无需更换耗材，无二次废弃物产生，运行成本低、长效性好，景观效果好。

3、本发明对湿地基质进行了功能模块化处理，可以根据不同特征污染物选取不同基质和功能物生物菌进行包埋，利用功能微生物降解去除甲醛、TVOC等有机污染物，以提高针对不同特征污染物的空气净化效率。

4、在空气水洗净化单元植入仿生水草，仿生水草接电源正极，底部布气系统接电源负极，利用仿生水草带有正电荷的纤维表面极性捕获和拦截由布气系统产生的表面带有负电荷的微纳气泡，从而增大微纳气泡在水洗净化池中的停留时间，提高其对空气中的细颗粒物、重金属离子的净化效率。

附图说明

图1为本发明极性仿生水草强化生态型空气净化装置的结构示意图；

图2为空气布气系统图；

图3为玄武岩混凝土槽俯视图；

图4为玄武岩混凝土槽右视图；

图5为穿孔布气管剖视图及石墨电极放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置，如图1-5所示，所述空气净化装置由空气换气泵1、空气布气系统2、空气水洗净化单元3、极性仿生水草单元4、模块化湿地净化单元5、微生物电化学净化单元6六部分构成，实现室内空气净化。其中：

所述空气换气泵1吸取室内污染的空气进入空气净化装置底部的空气布气系统2。

所述空气布气系统2由若干个穿孔布气管2-1构成，通过穿孔布气管2-1将空气以微纳小气泡的形式，均匀的分布在水洗净化单元3的底部。

所述空气水洗净化单元3为位于空气净化装置底部的矩形池体3-1，该池体内装自来水3-2，池体的上部设置有进水管3-3、进水阀门3-4，底部设置有排水口3-5和排水阀门3-6，实现每天更新池体的自来水；保证池水内的余氯的有效浓度，并为湿地微生物及湿地植物提供水环境，保证水位淹没基质。

所述极性仿生水草单元4由接通直流电源正极的通电仿生水草4-1和安插在穿孔布气管2-1中接通直流电源负极的石墨电极棒4-2、直流电源4-3构成。通电仿生水草4-1选取粒径为20~40nm的超细铜粉作为主要添加剂，与聚丙烯粉料按照质量比1:10充分混合搅拌后，通过压模成型、拉丝，编织成所需的仿生水草纤维束，通电仿生水草4-1的骨架选用细铜丝；通电仿生水草4-1的下环扣固定在穿孔布气管2-1上，上环扣固定在有机玻璃孔板承托板5-1上，利用铜导线将通电仿生水草4-1的上环扣与直流电源4-3的正极相连，通电仿生水草4-1按照适当的方式均匀分散在空气水洗净化单元3中。纤维表面带有正电荷的通电仿生水草4-1将对空气布气系统2产生的表面带有负电荷的微纳气泡进行极性捕获和拦截，增大微纳气泡在空气水洗净化单元3中的停留时间，提高空气水洗净化单元3对细颗粒物、重金属离子、有机物的吸附效率。穿孔布气管2-1中插入石墨电极棒4-2，利用铜导线与直流电源4-3的负极相连，使从穿孔布气管2-1释放的微纳气泡表面带有负电荷。为了防止通电过程中发生电解水，控制电极间的电压为1V及以下。

所述模块化湿地净化单元5为位于水洗净化单元3顶部的矩形池体，该单元由有机玻璃孔板承托板5-1、玄武岩混凝土槽5-2、弹性橡胶阻气环5-3、湿地基质和湿地植物5-6组成。有机玻璃孔板承托板5-1位于水洗净化单元3上部，开孔率70%，孔口直径小于8mm。玄武岩混凝土槽5-2位于有机玻璃孔板承托板5-1上，选取粒径10~14mm的玄武岩碎石为粗骨料，普通混凝土为胶结材料，水灰比0.28，减水剂用量0.45%，形状为矩形开口槽，壁厚为30mm；玄武岩混凝土槽5-2的右侧面依据微生物阳极6-1和微生物阴极6-2的布置位置开通两个孔口直径为2mm的导线预留孔5-2-1，底部开通透气孔5-2-2，开孔率60%，孔口直径小于5mm，左、右两侧面分别开通两个孔口直径为5mm的平行对称装卸预置孔5-2-3，装卸预置孔中心距离为150mm，装卸预置孔中心与玄武岩混凝土槽顶部的距离为200mm；玄武岩混凝土槽可实现对湿地基质、包埋的功能微生物和湿地植物的模块化处理，有利于模块化湿地净化单元的装卸和后期维护，避免湿地基质等在装填过程中操作不便，玄武岩材料质轻、坚硬、耐磨，内部含有丰富孔洞结构，有利于透水和透气。弹性橡胶阻气环5-3填充在玄武岩混凝土槽5-2外侧与模块化湿地净化单元5矩形池体内壁之间，可防止进入该单元的空气未经湿地净化过程而从混凝土槽与矩形池内壁间隙通过，发生气体短路。湿地基质按其功能化装填在玄武岩混凝土槽5-2中，包含湿地火山石基质层5-4，火山石粒径为5~8mm，比表面积约1×10⁴m²/g，火山石颗粒表面包含有大量的金属离子，有利于电子的传递及质子扩散；湿地硅藻土颗粒基质层5-5，粒径在3~5mm，其中包埋功能微生物，可实现对甲醛、TVOC等有机污染物的降解；湿地植物5-6的根系位于湿地火山石基质层5-4内，湿地植物5-6为杂交培育的双植物栽培，根系互荣共生，高效促进根际酶和根系溶解氧分泌的湿地植物花叶芦竹5-6-1和西伯利亚鸢尾5-6-2；花叶芦竹5-6-1和西伯利亚鸢尾5-6-2根际互荣，在水淹的条件下能够分泌根际有机多糖、有机酸有利于微生物电极包埋的微生物生长，为微生物生长提供营养。

所述微生物电化学净化单元6为包埋在湿地基质内的一组微生物修饰电极，包含微生物阳极6-1、微生物阴极6-2和外加直流电源（1V）6-3。微生物阳极6-1为活性炭毡，厚度为3mm，面积与空气净化装置截面积相同，包埋有光合细菌和放线菌，二者比例为2:1（浓度比）；包埋方式为将活性炭毡电极在光合细菌与放线菌培养菌液（浓度200mg/L）浸泡3~7天后，微生物附着生长在活性炭毡上，实现微生物修饰后，将微生物阳极铺在底部有机玻璃孔板承托板5-1之上，利用铜导线与外加直流电池6-3的正极相连。微生物阴极6-2为活性炭毡，厚度为3mm，面积与空气净化装置截面积相同，包埋有反硝化细菌，包埋方式为活性炭毡电极在反硝化菌液（菌液浓度100mg/L）浸泡3~7天后，反硝化细菌在活性炭毡表面附着生长，埋入湿地火山石基质层5-4和湿地硅藻土颗粒基质层5-5之间，用铜导线与外加直流电池6-3的负极相连。外加直流电源6-3为微生物阳极6-1提供氧化电位，有利于阳极微生物附着生长，并高效利用微生物催化降解有机物产生电荷，并将电荷传递到阳极表面。同时外加直流电源6-3为微生物阴极6-2提供还原电位，有力于空气中重金属还原沉积吸附，同时为反硝化细菌提供电子，提高反硝化脱硝酸盐氮性能。为了控制微生物电化学净化单元6发生微生物电解而不是电解水，控制电极间的电压为1V及以下。

工艺原理：

空气被空气换气泵1吸入，进入空气净化装置底部的空气水洗净化单元3，该单元底部为空气布气系统2，穿孔布气管2-1中插有接通电源负极的石墨电极棒4-2，可使空气以表面带有负电荷的微纳气泡的形式从穿孔布气管中释放出来，该微纳气泡具有较小的体积、较大的比较面积、表面带有负电荷，使气体内颗粒物、重金属离子、有机物更容易被水分子包裹并形成极性吸附，而溶解在水体里，被水洗涤去除；空气布气系统的上方为极性仿生水草单元4，通电仿生水草4-1接通电源正极，使其纤维表面带有正电荷，因为从穿孔布气管释放出的微纳气泡表面带有负电荷，所以纤维表面带有正电荷的通电仿生水草会对微纳气泡形成极性捕获和拦截，从而增大微纳气泡在空气水洗净化单元中的停留时间，提高其对细颗粒物、重金属离子等污染物的吸附效率；同时自来水内的余氯，能有效杀灭细菌病毒，实现对空气的初步净化。

初步净化的气泡上升进入模块化湿地净化单元5，在该单元内经过四重基质层：湿地火山石基质层5-4、湿地硅藻土颗粒基质层5-5、活性炭毡层物理吸附、微生物净化以及湿地植物的吸收，实现深度净化；通过对模块化湿地净化单元进行基质填充和功能微生物菌包埋，可实现对含有不同特征污染物空气的净化；同步利用包埋在湿地基质中的微生物电化学单元6，进行微生物电极电解，在微生物阳极6-1利用微生物作为催化剂，利用阳极高电位，强化氧化有机污染物，去除空气中的苯、甲醛、臭气等污染物；在微生物阴极6-2利用外电路提供的电子，以硝酸盐氮为电子受体，利用反硝化细菌脱出硝酸盐氮，利用阴极还原空气中的重金属离子，深度净化空气。由于选培的植物根系发达而且共荣，根基酶互助，高效分解有机污染物，吸附降解重金属，而使空气更清新。空气的净化效果更好。

同时，湿地植物5-6的蒸腾作用有效提高环境空气的湿度，起到同步加湿的作用，这也是公知的室内空气净化方法所不具备的。

Claims (10)

1.一种极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置，其特征在于所述空气净化装置包括空气换气泵、空气布气系统、空气水洗净化单元、极性仿生水草单元、模块化湿地净化单元、微生物电化学净化单元，其中：

所述空气换气泵与空气布气系统相连，空气换气泵抽取室内污染的空气进入与之相连的空气布气系统；

所述空气布气系统由若干个穿孔布气管构成，穿孔布气管分布在空气水洗净化单元的底部；

所述空气水洗净化单元为位于空气净化装置底部的池体，该池体内装自来水，池体的上部设置有进水管、进水阀门，底部设置有排水口和排水阀门；

所述极性仿生水草单元由通电仿生水草、石墨电极棒、直流电源构成，通电仿生水草位于空气水洗净化单元中，上下两端分别固定在有机玻璃孔板承托板和穿孔布气管之上，石墨电极棒安插在穿孔布气管中，直流电源的负极与通电仿生水草接通，直流电源的正极与石墨电极棒接通；

所述模块化湿地净化单元为位于水洗净化单元顶部的池体，池体内自下而上为有机玻璃孔板承托板、玄武岩混凝土槽、湿地基质和湿地植物，玄武岩混凝土槽外侧和模块化湿地净化单元池体内壁之间填充有弹性橡胶阻气环；

所述微生物电化学净化单元为包埋在湿地基质内的一组微生物修饰电极，包含微生物阳极、微生物阴极和外加直流电源，微生物阳极铺在底部有机玻璃孔板承托板之上，与外加直流电池的正极相连；微生物阴极埋入湿地基质中，与外加直流电池的负极相连。

2.根据权利要求1所述的极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置，其特征在于所述通电仿生水草选取超细铜粉作为添加剂，与聚丙烯粉料按质量比1:10充分混合搅拌后，通过压模成型、拉丝，编织成所需的仿生水草纤维束，通电仿生水草的骨架选用细铜丝。

3.根据权利要求1所述的极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置，其特征在于所述直流电源电极间的电压为1V及以下。

4.根据权利要求1所述的极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置，其特征在于所述有机玻璃孔板承托板位于空气水洗净化单元上部，开孔率70%，孔口直径小于8mm。

5.根据权利要求1所述的极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置，其特征在于所述玄武岩混凝土槽选取玄武岩碎石为粗骨料，普通混凝土为胶结材料，水灰比0.28，减水剂用量0.45%，形状为矩形开口槽，右侧面依据微生物阳极和微生物阴极的布置位置开通导线预留孔，底部开通透气孔，左、右两侧面分别开通平行对称装卸预置孔。

6.根据权利要求1所述的极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置，其特征在于所述湿地基质装填在玄武岩混凝土槽中，包含湿地火山石基质层和湿地硅藻土颗粒基质层。

7.根据权利要求1所述的极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置，其特征在于所述湿地植物为花叶芦竹和西伯利亚鸢尾。

8.根据权利要求1所述的极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置，其特征在于所述微生物阳极为活性炭毡，包埋有光合细菌和放线菌；微生物阴极为活性炭毡，包埋有反硝化细菌。

9.根据权利要求1所述的极性仿生水草强化生态型室内空气净化装置，其特征在于所述外加直流电池电极间的电压为1V及以下。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述空气净化装置进行室内空气净化的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、空气换气泵抽取室内污染空气进入与之相连的空气布气系统；

步骤二、穿孔布气管中插有接通直流电源负极的石墨电极棒，穿孔布气管将空气以微纳小气泡的形式均匀的分布在水洗净化单元的底部，石墨电极棒使微纳小气泡的表面带有负电荷；

步骤三、经过极性仿生水草吸附和自来水水力洗涤，去除颗粒物、重金属离子、有机物；同时利用自来水中的余氯杀灭空气中的细菌、病毒，实现对空气的初步净化；初步净化后的空气以气泡的形式上升进入模块化湿地基质净化单元；

步骤四、模块化湿地净化单元内通过微生物净化、湿地基质吸附、湿地植物吸收实现对空气的深度净化，净化后的清洁空气排回室内，净化室内空气。

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