CN111569617B - 空气净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气净化装置，其包括至少一个空气净化模块，所述模块包括：框体、至少一层由线电极形成的阵列、和至少一个板式电极。本发明改变了传统的板式阻挡介质结构，实现了放电的稳定性和安全性，降低了气体阻力，同时实现了催化剂与等离子体的紧密结合，实现了一段式的耦合效果，提高了低温等离子体与催化耦合的效应，提高了能量利用率，高效催化性能可以提高降解效率和矿化率，减少O₃；在本发明中气流方向与电场方向同向，解决了传统线板式放电反应器因受限于放电间隙而难以放大的问题。本发明结构设计简单，易于模块化组装和工业化应用，可应用于环境保护领域中挥发性有机物的低温高效净化，实现VOCs达标排放。

Description

空气净化装置

技术领域

本发明属于空气污染排放治理技术领域，涉及低温等离子体与催化耦合应用于挥发性有机污染气体排放治理，具体涉及一种线板式介质阻挡放电等离子体耦合催化处理有机废气的反应器设计。

背景技术

当前，我国的大气污染已经成为社会发展的重大问题，对人们的生活和健康产生了极大的影响。其中，挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，简称VOCs)的排放在大气化学中起着至关重要的作用，是引起大气污染的重要因素之一。大气中的VOCs是形成二次生有机气溶胶和臭氧的主要前驱体，对人体健康造成很大危害。因此，减少大气雾霾，降低PM2.5浓度，提高空气质量，对VOCs的控制就势在必行。近年来，我国对VOCs的控制也相继制定了严格的排放标准，社会企业面临严重的治理、减排任务。但是VOCs作为重要的工业原料，其应用十分广泛，包括石油化工行业、制造业、医药生产、喷涂、印刷、运输，等等。因此，对开发相应的减排和治理技术的需求十分迫切。

对于低浓度、大风量的有机废气，传统的处理技术如吸附、吸收、热催化、热力焚烧、生物降解等技术不同程度的存在成本高、效率低、能耗高等问题。低温等离子体技术具有条件温和、低能高效、适用广谱等特点，被广泛应用于污染物的处理，特别是对低浓度的VOCs(<1000PPm)污染物的控制更具有技术优势。低温等离子体与催化剂耦合可以进一步提高能量利用效率、污染物的除去效率和矿化率，减少副产物的产生。

目前，低温等离子体耦合催化技术主要采用介质阻挡放电或电晕放电产生等离子体与催化剂耦合，从耦合结合形式上主要可分为两种：一段式和两段式；从反应器结构上主要有同轴圆筒式和线板式。

一段式是指将催化剂置于等离子体放电区内，与等离子体子体放电结合为一体，其特点是可以有效利用放电产生的短寿命高能粒子，能够提高能量效率；两段式是指将催化剂置于等离子体放电区之后，与等离子体形成串联结构，其特点是只能利用放电产生的长寿命的活性物质如臭氧，并且产生的副产物容易沉积在催化剂表面降低耦合净化效率。

圆筒式结构反应器由于其开放截面较小，特别是在一段式耦合形式中会形成较大的气流阻力，难以实现反应器的放大及工业化应用。

线板式结构的反应器多采用电晕放电，要求放电电压和功率不能太高，否则会形成火花放电，产生危险；同时，电晕放电与催化剂耦合也大多只能采用两段式耦合形式，不能有效利用短寿命的高能粒子，降低了耦合效果和能量利用率。参考文献1公开了一种基于电晕放电的空气净化技术方案，其基于催化剂反电晕沿面击穿的等离子体发生装置，包括等离子体发生器和高压电源；等离子体发生器内设有由电晕电极与多孔电极组成的高低压电极对，高低压电极对间设有高比电阻催化剂层，高压电源与高低压电极对相连接。虽然不使用阻挡介质，有利于加大空气流动，但如前所述，电晕放电电压和功率仍然受到限制，因此也限制了其净化效率和使用场合。参考文献2公开了一种低温等离子体协同两段催化降解工业有机废气的工艺及装置，包括顺次连接的等离子体催化反应器和催化反应器；所述等离子体催化反应器包括第一外壳、设置于第一外壳内的电极对和设置于电极对之间的第一催化剂；所述催化反应器包括第二壳体和设置于第二壳体内的催化剂床，所述催化剂床上设置第二催化剂，其仍然是基于电晕放电产生等离子体。

此外，有少量的研究采用线板式介质阻挡放电方式，即在线电极和板式电极之间插入介质阻挡板，此种反应器结构限制了气体流向只能沿着电场的垂直方向进入，类似于圆筒式结构，同样存在开放截面小的问题；同时由于放电间隙不能过大(一般小于5mm)，难于实现等离子体与催化剂的有效耦合，一般是采取两段式耦合形式。

上述这些低温等离子体耦合催化反应器的缺点，在一定程度上限制了该技术工业化应用的实现。尤其的，对于采用阻挡介质放电以实现等离子体与催化剂的有效耦合的技术仍有进一步提升的空间，因此，本领域中也存在提供一种净化效率更高的空气净化装置。

参考文献：

参考文献1：CN102958564A

参考文献2：CN105597529A

发明内容

发明要解决的问题

本发明所要解决的技术问题在于解决现有低温等离子体耦合反应器气流阻力大或者低温等离子体与催化剂耦合不佳问题。因此，本发明的目的在于提供一种线板式介质阻挡放电低温等离子体耦合催化反应器的设计模式，具有操作简单、放电稳定安全、处理效率高、能量利用率高、有效控制副产物等特点，并且能够增加迎风面的开放截面积，减少气体阻力。

此外，本发明所提供的空气净化模块属于模块化设计，多个空气净化模块可以实现任意模块化组装，有利于反应器的工业应用的方法，并提高了不同使用环境的适应性。

用于解决问题的方案

经过本发明发明人的深入研究，发现以下技术方案可以解决上述技术问题：

[1].本发明首先提供了一种空气净化模块，其包括：

框体、

至少一层由线电极形成的阵列、和

至少一个板式电极，

所述的线电极的外层具有阻挡介质层，所述的板式电极为负载有催化剂的多孔金属板，

所述的线电极组成的阵列平行于所述的板式电极，在所述的线电极和所述的板式电极之间形成等离子体放电区。

[2].根据[1]所述的模块，所述线电极为选自金属丝、金属棒或金属条中的一种或多种；所述阻挡介质层选自绝缘材料，优选为石英。

[3].根据[1]或[2]所述的模块，所述线电极之间的间距为0.5～5mm，并且可调节；所述线电极的横截面为圆形，且直径为0.1～1mm；所述阻挡介质层厚度为0.2～1.5mm。

[4].根据[1]～[3]任一项所述的模块，所述板式电极的厚度为2～30mm，孔隙率>90％。

[5].根据[1]～[4]任一项所述的模块，所述催化剂为金属氧化物。

[6].进一步，本发明还提供了一种空气净化装置，其包括至少一个根据[1]～[5]任一项所述的空气净化模块。

[7].根据[6]所述的装置，所述装置还包括空气传送部件、空气过滤部件和/或显示部件。

[8].一种将根据[1]～[5]任一项所述的模块或者根据[6]或[7]所述的装置用于挥发性有机污染气体净化的用途。

发明的效果

与现有技术相比，本发明采用上述技术方案得到的有益效果是：

(1)本发明所述的线板式介质阻挡放电等离子体催化耦合反应器，采用在金属丝外套装绝缘介质(例如石英管)作为线电极实现介质阻挡放电，改变了传统的板式阻挡介质结构，实现了放电的稳定性和安全性，同时多孔金属作为板式电极具有较大的空隙率，降低了气体阻力。

(2)本发明中气流方向与电场方向同向，本发明反应器模块的放大仅与线电极阵列和板式电极的面积有关，不再受放电间隙的影响，解决了传统线板式放电反应器因受限于放电间隙而难以工业放大的问题。

(3)本发明以负载有催化剂的金属作为板式电极，在降低阻力的同时实现了催化剂与等离子体的紧密结合，甚至在泡沫和/或蜂窝金属板表面放电区的催化剂实现了一段式的耦合效果，提高低温等离子体与催化耦合的效果，提高能量利用率；同时具有很好的催化性能，可以提高降解效率和矿化率，减少O₃的生成。

(4)本发明所述反应器结构设计简单，易于放大和模块化组装，更有利于工业化应用。

附图说明

图1：本发明一具体实施方案中所示的线板式介质阻挡放电低温等离子体反应器前剖面结构示意图。

图2：本发明一具体实施方案中所示的线板式介质阻挡放电低温等离子体反应器右剖面结构示意图。

图3：本发明一具体实施方案中线电极示意图。

附图标记说明

1 壳体

2 线电极接线板

3 线电极

4 板式电极

5 板式电极接线柱

6 板式电极固定支架

31 不锈钢丝

32 石英管

具体实施方式

以下将对本发明所述的聚酰胺及其制备方法和应用进行详细说明。需要说明的是，除非特殊声明，本发明所使用的单位名称均为本领域通用的国际单位名称。此外，本发明以下出现的数值的点值或者数值范围均应当理解为包括了工业上允许的误差。另外，本发明以下出现的数值范围均应当理解为包括了其端值在内，除非另有说明。

<第一方面>

本发明的第一方面提供了一种空气净化模块，其包括：框体、至少一层由线电极形成的阵列、和至少一个板式电极。所述的线电极的外层具有阻挡介质层，所述的板式电极为负载有催化剂的多孔金属板。所述的线电极组成的阵列平行于板式电极，在所述的线电极和板式电极之间形成等离子体放电区。

气体

本发明空气净化模块或者空气净化装置所针对的待净化气体没有特别的限制，可以是任意包含认为有害的物质的气体。所述的有害物质不仅包括固体颗粒物也可以是包含各种VOCs、含氮化物、含硫化物等有害气体。这样的待净化空气通常存在于日常生活或者工业生产中所产生的废气或者尾气。

具体而言，这些气体可以来自于城市化学能源的燃烧，例如煤炭的燃烧、不洁净燃气的燃烧、汽车尾气等。另外，这些气体也可以来自于不适当的工业生产，例如石油化工行业、制造业、医药生产、喷涂、印刷行业的不当排放等。

特别的，本发明的空气净化模块特别适合处理含有VOCs的气体或空气。普通意义上的VOCs就是指挥发性有机物；但是环保意义上的定义是指活泼的一类挥发性有机物，即会产生危害的那一类挥发性有机物。尽管国际上对其定义在各个国家或国际组织中有所不同，但通常这样的化合物包括烃类、酯类、醛类化合物或它们的卤化物等，典型地，例如短链烷烃，芳香烃以及它们的卤化物等，或者如甲醛等。

在本发明的一些具体的实施方案中，本发明的空气净化模块特别适合处理含有低含量的VOCs的气体或空气，例如VOCs含量在1000ppm以下的气体或空气。

线电极

本发明的线电极由金属制成，这样的金属没有特别的限定，只要能够与板式电极形成等离子放电区即可。

在本发明一些具体的实施方案中，这样的金属可以选自各种金属单质或合金，例如铁、铜、铝或它们的合金等。优选的，可以使用不锈钢或者铜。对于单个的线电极的形状，没有特别的限定。可以是长条形、长棒状、长丝等。

在本发明的一些具体的实施方案中，这些线电极可以在同一平面上或者基本上在同一平面上形成阵列，这个平面可以平行于板式电极。所述阵列的排布没有特别的限制，可以是相互平行的多个线电极排布而成，例如这些线电极均呈现出直线平行排布的方式，另外，不受限制的，一个或多个线电极可以以同心圆的方式排布于同一个平面内。在另外的一些具体的实施方案中，上述由一个或多个线电极形成的阵列平面内，所述一个或多个线电极可以均匀的分布于所述阵列平面内，也可以以任意的非均匀的或者形成所需要图案的方式平行排布于所述阵列平面内。

对于上述线电极的直径，没有特别的限制，在一些具体的实施方案中，单独的一个线电极的横截面的直径可以为0.1～1mm，优选的可以为0.2～0.8mm，更优选的可以为0.3～0.5mm，对于这些线电极的横截面的形状，可以为圆形或方形，从加工成型的角度来看，这些线电极的横截面优选为圆形或近似的圆形。对于线电极的排布，在一些具体的实施方案中，不同的线电极之间任意两点的最小距离为0.5mm以上。在一些具体的实施方案中，多个线电极以直线、平行的方式形成阵列，所述线电极之间的间距为0.5～5mm，优选为1～3mm。在另外的一些实施方案中，一个或多个线电极以同心圆的方式形成阵列，这些线电极在中心圆的向外辐射方向上的直线距离也可以为0.5～5mm，优选为1～3mm。

另外，对于形成线电极阵列的多个线电极，可以相同也可以不同，在优选的实施方案中，这些线电极是相同的。

此外，在本发明另一些具体实施方案中，所述线电极之间的间距是可以调节的。同时，线电极的两端可以通过通常的方式固定于空气净化模块的框架上。

阻挡介质层

本发明中，所述线电极的外层具有阻挡介质层。对于阻挡介质层的材料，没有特别的限定，只要是通常使用的绝缘材料即可。这些材料具有极高的电阻率，通常在10¹⁰～10²²Ω·m的范围。对于阻挡介质层的厚度，可以为0.2～1.5mm的范围。

在一些具体的实施方案中，这些绝缘材料可以选自聚合物材料。例如各种聚烯烃、酚醛树脂、聚四氟乙烯、氯丁橡胶、聚乙烯醇缩醛、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚马来酰亚胺、聚二苯醚等中的一种或多种。

在另外一些具体的实施方案中，这些绝缘材料也可以选自各种无机物，例如，由氧化物形成的无机玻璃等，典型的，可以使用陶瓷、玻璃或石英材料。

在本发明优选的实施方案中，所述阻挡介质层选自石英材料。

对于所述阻挡介质层形成于线电极表面的方式，没有特别的限定。在一些具体的实施方案中，可以通过涂覆和沉积的方式将绝缘材料形成于线电极表面。或者，也可以将上述绝缘材料形成中空的套管，将所述线电极嵌套于所述套管内。在本发明优选的实施方案中，将石英材料形成套管，并且石英套管的内径与所述线电极的外径相吻合，使得线电极稳固的嵌套于所述石英套管内。

板式电极

本发明中板式电极为金属材料的板式电极。对于金属材料的材质没有特别的限定，可以遵照本领域通常的方式而选择。典型地，这样的金属选自铜、镍或他们的合金。

本发明中，所述的板式电极具有多孔结构，所述多孔结构能够允许空气流动或穿过。本发明这样的板式电极可以使用本领域通常的制备方法而得到。在一个具体的实施方案中，板式电极内部平行排列着通孔，通孔发展方向与空气流动方向相同。对于通孔的内径，没有特别限制，可以根据实际需要而进行调节。在本发明另一个具体的实施方案中，本发明的板式电极可以使用多孔的泡沫金属板或者蜂窝金属板，泡沫或蜂窝形成开孔，并且，多个开孔形成穿过板式电极的通孔。

对于本发明板式电极的厚度，可以为2～30mm，优选为5～20mm，在一些具体的实施方案中，其孔隙率大于90％，优选的大于91％，更优选的大于92％。

为了实现等离子放电与化学催化的耦合，本发明的板式电极中还具有催化剂。所述催化剂以金属氧化物为活性组分，并任选的可以添加其他的功能性催化组分。这样的金属氧化物可以为铜、铝、硅、锰或钴的氧化物中的一种或多种，或者是贵金属等。具体可以选自例如CuO、MnO₂、Co₃O₄等中的一种或多种。在另外的一些实施方案中，这些金属氧化物也可以是复合金属氧化物，如Mn_xCo_yO_z、Cu_xMn_yO_z等，对于这里的x/y/z的取值没有特别的限定，可以参考本领域通常的用于气体催化反应的复合金属氧化物的情况。在另外的一些实施方案中，可以负载铂、钯、金或银。对于催化剂与板式电极的结合方式，没有特别的限制，例如，可以采用水热或涂覆的方法负载催化剂。在一些具体的实施方案中催化剂负载于板式电极朝向线电极的表面，或者，同时负载与上述表面或者内部的开孔或通孔中。

另外，对于板式电极中催化剂的负载量没有特别的限定，可以为板式电极的1～20质量％，优选为5～15质量％。

本发明中，负载催化剂的板式电极可以有效利用等离子体产生的活性粒子，分解臭氧，促进降解效率，减少副产物的产生。

模块

本发明中所述的空气净化模块是使用框体对上述的线电极形成的阵列与板式电极提供支撑或固定。

对于框体，可以使用本领域通常的聚合物材料或者金属材料进行制备。所述框体结构没有特别的限定，其可以仅为框架结构，可以仅为壳体，也可以是框架结构与壳体的复合结构。

在框架内，按照气体或空气流动方向依次架设线电极阵列、板式电极。上述线电极的端部可以固定于框体的框架中，多个线电极形成线电极阵列。并且，线电极之间的距离设置为可调节。线电极阵列形成的平面平行于板式电极，并且所述的板式电极与线电极之间的距离可以调节，优选地放电间隙2～4mm。

在一些具体的实施方案中，本发明中所述框体具有立方或圆柱形桶状结构。所述的框体内设计一对平行接线板，用于固定所述的线电极，并与高压电源连接；所述的线电极的两端固定在所述的框体内的接线板上，所述的板式电极通过导线连接在所述的框体内的接线柱上，在所述的线电极和板式电极之间形成等离子体放电区。

上述在气体或空气流动方向上依次设置线电极阵列和负载有催化剂的板式电极(即空气流动方向与电场的方向平行)，相对于现有技术能够在实现低温等离子体与化学催化耦合的同时，也可以使得空气流动不受现有设计中开放截面较小的限制。

因此，本发明改变了传统的板式阻挡介质结构，实现了放电的稳定性和安全性，降低了气体阻力，同时实现了催化剂与等离子体的紧密结合，实现了一段式的耦合效果，提高了低温等离子体与催化耦合的效应，提高了能量利用率，高效催化性能可以提高降解效率和矿化率，减少O₃；在本发明中气流方向与电场方向同向，解决了传统线板式放电反应器因受限于放电间隙而难以放大的问题。另外，本发明结构设计简单，易于模块化组装和工业化应用，可应用于环境保护领域中挥发性有机物的低温高效净化，实现VOCs达标排放。

<第二方面>

本发明的第二方面提供了一种空气净化装置，所述空气净化装置中，至少包括了一个以上第一方面中所公开的空气净化模块。

上述的模块可以放置于空气净化装置任意的气体或空气流动的部位。对于模块的整体尺寸没有特别的限制，可以根据实际需要进行调节。在一些具体的实施方案中，可以在一个空气净化装置中使用多个空气净化模块，这些模块可以并列进行排布或者进行叠放，这样的设计可以增加单位时间内空气净化量或者空气净化效率。

在另外一些具体的实施方案中，还可以根据实际净化装置所需要安装的位置来调整空气净化模块的形状和/或大小，尤其的，在一个空气净化装置中，也允许使用形状、大小相同或不同的所述空气净化模块。

不受限制的，本发明空气净化装置除了包含上述至少一个空气净化模块以外，还可以包括空气传送部件、空气过滤部件和/或显示部件。对于空气传送部件，例如可以使用风扇等驱动空气流动。对于空气过滤部件，没有限制，可以使用本领域通常的过滤固体颗粒物或者吸附有害气体的过滤部件。典型的，可以使用无纺布、合成纤维过滤棉、玻璃纤维过滤棉、活性炭过滤棉、合成纤维高温过滤棉等。通过空气过滤部件的使用能够有效的减少颗粒物进入等离子放电区，以减少对多孔板式电极中的开孔或通孔的堵塞。对于显示部件，没有特别的限制，例如可以通过安装于上述空气净化装置的内部或外部的各种传感器以显示空气净化水平或者环境参数等。

另外，不受限制的，上述空气净化装置还可以通过各种电子或网络模块的添加实现实时、在线监控和调节。

本发明所提供的空气净化装置不仅适用于环境空气的净化，尤其适用于含有挥发性有机污染气体的净化。特别的，即使当VOCs含量在1000ppm以下时，也能够实现有效、快速的净化。

实施例

为了使本技术领域的技术人员能够更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例，进一步阐述本发明。但应当理解的是，所述实施例仅是本发明的具体方案，不应将其理解为对本发明的限制。

实施例1

一种线板式介质阻挡放电等离子体耦合催化反应器的结构。并且参照图1、图2和图3进行说明进一步的实施过程。

该实施例包括壳体1、线电极3、线电极接线板2、板式电极4、板式电极接线柱5和板式电极固定支架6组成。

本实施例中，所述线电极3由不锈钢丝31和石英管32组成；石英管32套装在不锈钢丝31上，不锈钢丝31直径0.18mm，长度60mm，石英管32内径0.2mm，壁厚0.4mm，长度50mm；多根线电极3平行排列，两端分别固定在接线板2上，线电极3之间的间距为2mm；两个线电极接线板2分别嵌入壳体1的两个平行面内，并保证两个接线板2的位置平行，线电极接线板2通过导线与高压电源相连接。

本实施例中，所述板式电极4为多孔泡沫镍金属板，孔隙率95％，目数100PPI；该实施例中板式电极4长宽高尺寸分别为50mm、30mm和10mm；裁剪好的板式电极4经过处理后，采用水热法负载锰-钴催化剂，负载量为10％wt；所述板式电极4放置在壳体1内，保持板式电极4的宽边与线电极3平行，宽与长组成的面与线电极3组成的排列形成两个平行面；板式电极4通过导线与壳体1上的板式电极接线柱5相连，板式电极接线柱5通过导线接地。

在本实施例中，应用本实施方式所述的线板式介质阻挡放电等离子体耦合催化反应器处理有机废气的方法是：用含有甲苯的空气模拟有机废气，甲苯的含量为300ppm，气体流量为4～10L/min；交流高压电源，放电参数为10～14kV，频率10kHz，放电功率15～30W；在线电极3和板式电极4之间形成稳定的介质阻挡放电，板式电极4上表面的催化剂处于等离子体氛围内，形成一段式的耦合效果；当有机废气通过等离子体放电区，有机物会被激发电离发生分解，由于板式电极上催化剂的存在，提高了氧化分解效率；之后，部分没有分解的甲苯和生成的中间产物经过板式电极4，板式电极4上负载的催化剂可以利用等离子体产生的活性物质继续氧化分解污染物，最终生成CO₂和H₂O。

可见，由于本发明的催化剂负载在电极(板式电极4)上，具有一段式和两段式的双重耦合效果，提高了等离子体与催化剂耦合效应；在本实施例中，甲苯的降解效率达到了98％，并且没有发现氮氧化物和臭氧等无机副产物的产生。

产业上的可利用性

本发明的空气净化模块或者装置可以用于工业上净化空气。

Claims (9)

1.一种空气净化模块，其特征在于，包括：

框体、

至少一层由线电极形成的阵列、和

至少一个板式电极，

所述的线电极的外层具有阻挡介质层，所述阻挡介质层形成于所述线电极表面，所述阻挡介质层厚度为0.2～1.5mm，所述的板式电极为负载有催化剂的多孔金属板，

所述的线电极组成的阵列平行于所述的板式电极，所述线电极在同一平面上形成阵列，在所述的线电极和所述的板式电极之间形成等离子体放电区。

2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述线电极为选自金属丝、金属棒或金属条中的一种或多种；所述阻挡介质层选自绝缘材料。

3.根据权利要求2所述的模块，其特征在于，所述阻挡介质层为石英。

4.根据权利要求1～3任一项所述的模块，其特征在于，所述线电极之间的间距为0.5～5mm，并且可调节；所述线电极的横截面为圆形，且直径为0.1～1mm。

5.根据权利要求1～3任一项所述的模块，其特征在于，所述板式电极的厚度为2～30mm，孔隙率>90％。

6.根据权利要求1～3任一项所述的模块，其特征在于，所述催化剂为金属氧化物。

7.一种空气净化装置，其特征在于，包括至少一个根据权利要求1～6任一项所述的空气净化模块。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括空气传送部件、空气过滤部件和/或显示部件。

9.一种将根据权利要求1～6任一项所述的模块或者根据权利要求7或8所述的装置用于挥发性有机污染气体净化的用途。

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