CN113251551A - 空气净化装置及空气净化方法 - Google Patents

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山崎晴彦
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李弦哲
丁准善
崔炯佑
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Abstract

公开了一种空气净化装置，包括：反应器，形成为沿一个方向延伸的中空形状；放电等离子体生成装置，包括配置于所述反应器的外壁的第一电极和配置于所述反应器的内部的第二电极，且在预定的放电区域生成放电等离子体；多个电介质粒子，配置于所述反应器的填充层(packed‑bed)中；液体供给部，向所述反应器的内部供给液体；以及液体回收部，回收从所述反应器排出的所述液体。

Description

空气净化装置及空气净化方法
技术领域
本发明公开了净化空气中的颗粒物及污染物的空气净化装置及空气净化方法。
背景技术
空气净化装置捕捉或分解气体(例如，空气中的颗粒物及污染物)而净化空气。空气净化装置可适用于工业集尘设施、建筑物的空调/通风系统等。
清除空气中的颗粒物及污染物的代表性方法有过滤法和电集尘法。过滤法是通过过滤器捕捉空气中包括的颗粒物及污染物的方法。过滤法具有优秀的颗粒物及污染物清除效率，且可以从空气中过滤多种形态的颗粒物及污染物。但是，如果被捕捉的颗粒物的量增加，则会降低过滤器的性能，且会加大过滤器造成的压降。过滤器可以被定期维护或更换。此外，电集尘法是通过使用放电原理，将空气中的污染物进行电离且吸附其到强力集尘板上，从而净化空气。但是，存在需要定期洗涤管理金属材质的集尘板的困难。
发明内容
【要解决的问题】
本发明提供可以通过放电等离子体及溶液喷射清除颗粒物及污染物的空气净化装置及空气净化方法。
本发明提供提高了颗粒物及污染物清除性能的空气净化装置及空气净化方法。
【解决问题的手段】
根据一侧面的空气净化装置可以包括：反应器，形成为沿一个方向延伸的中空形状；放电等离子体生成装置，包括配置于所述反应器的外壁的第一电极和配置于所述反应器的内部的第二电极，且在预定的放电区域生成放电等离子体；多个电介质粒子，配置于所述反应器的填充层(packed-bed)中；液体供给部，向所述反应器的内部供给液体；及，液体回收部，回收从所述反应器排出的所述液体。
所述液体可以包括水。
所述液体可以包括碱性水溶液。
所述碱性水溶液的碱性强度(PH)可以根据所述反应器内部的臭氧浓度而被决定。
所述液体可以是具有1mmol/L-20mmol/L的摩尔浓度的氢氧化钠水溶液。
还可以包括：泵，生成用于将储存于所述液体回收部的液体传送到所述液体供给部的压力。
所述填充层的孔隙率可以为大于0％且为90％以下。
所述多个电介质粒子的平均粒径可以为1mm-20mm。
所述多个电介质粒子可以包括氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化锰、氧化钛、氧化钡、氧化铜、氧化镁、氧化锌、氧化锆、氧化钇、氧化钙、氧化镍、氧化铁中至少一个，或者所述物质的混合物中至少一个。
在所述放电区域中可以施加2kV-500kV的电压。
还可以包括：高电压生成装置，向所述反应器的内部施加高电压；及，控制部，控制所述高电压生成装置的生成电压，其中，所述控制部可以向所述高电压生成装置传送控制信号，所述控制信号随着引入至所述反应器的污染空气的引入量的增加而增加在所述高电压生成装置中生成的电压的大小。
所述第一电极可以被设置为银浆膜(silver paste film)。
所述第二电极可以沿所述一个方向延伸，且配置为与所述第一电极间隔预定距离。
所述反应器可以设置为沿所述一个方向延伸的金属、陶瓷、或者玻璃导管中任意一个。
根据另一侧面的空气净化方法可以包括以下步骤：向所述反应器的内部引入液体；向所述第一电极和第二电极施加预定电压而生成放电等离子体；向所述反应器的内部引入所述污染空气；及，从所述反应器排出液体及被净化的空气。
还可以包括以下步骤：向所述液体供给部供给从所述反应器排出的所述液体。
所述液体可以包括水。
所述液体可以包括碱性水溶液。
为了生成所述放电等离子体从而可以施加2kV-500kV的电压。
还可以包括以下步骤：在所述反应器的后端使用催化剂而清除臭氧。
所述催化剂可以包括氧化锰、氧化铜、氧化铝、氧化钛中至少一个，或者所述物质的混合物中至少一个。
【技术效果】
根据上述的空气净化装置及空气净化方法的实施例，颗粒物及污染物由放电等离子体离子化或分解，且在通过反应器的液体中被捕捉到后，可以容易地从反应器中被排出。因此，空气中的颗粒物及污染物更容易地在液体中被捕捉到并向外部排出，从而可以实现优秀的污染物清除性能。此外，捕捉颗粒物及污染物的液体更容易地从反应器排出，从而可以减少反应器的定期管理或更换的负担。
附图说明
图1是空气净化装置的一实施例的概括性的构成图。
图2是图1图示的空气净化装置的一部分的放大剖视图。
图3A及图3B是图2图示的M区域的放大概括图。
图4是图示根据一实施例的等离子体电压和水溶性有机化合物(VOCsol)的清除效率的图表。
图5A是图示根据一实施例及比较例的等离子体电压和非水溶性有机化合物(VOCinsol)的清除效率的图表。
图5B是图示根据一实施例的等离子体电压和颗粒物(PM)的清除效率的图表。
图6是图示根据一实施例及比较例的等离子体电压和臭氧(O3)浓度的关系的图表。
图7A至图7D是图示根据实验例的甲苯浓度和臭氧浓度的变化的图表。
图8A至图8B是图示根据实验例的甲苯浓度和臭氧浓度的变化的图表。
图9是根据一实施例的空气净化方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细说明本发明的实施例。在以下附图中，相同的附图标记指代相同的构成要素，并且为了说明的明了性和便利性，附图中每个构成要素的尺寸可能被夸张地表示。
图1是空气净化装置的一实施例的概括性的构成图。图2是图1图示的空气净化装置的一部分的放大剖视图。
参考图1及图2，根据一示例的空气净化装置1可以包括：反应器10，形成为沿一个方向延伸的中空形状；放电等离子体生成装置20，在反应器10的内部生成放电等离子体；多个电介质粒子30，配置于反应器10的填充层(packed-bed)中；液体供给部40，向反应器10的内部供给液体；液体回收部50，回收从反应器10排出的液体；泵60，生成用于将储存于液体回收部50的液体传送到液体供给部40的压力；及，控制部90。
本说明书中的污染空气(Air1)是指包括颗粒物(PM)、水溶性有机化合物(VOCsol)及非水溶性有机化合物(VOCinsol)中至少一个的混合气体。作为一个例子，颗粒物(PM)可以包括小于10μm的细颗粒物及小于25μm的超细颗粒物。此外，水溶性有机化合物(VOCsol)作为挥发性有机化合物，可以包括被捕捉于水或者水溶液而可以被清除的气体物质(例如，氨(NH3)、乙醛(CH3CHO)、乙酸(CH3COOH)、臭氧(O3)等)。此外，非水溶性有机化合物(VOCinsol)作为不被水或者水溶液捕捉的挥发性有机化合物，可以包括例如，苯(C6H6)、甲醛(CH2O)、甲苯(C6H5CH3)等。但是，本公开不限于此，由放电等离子体分解及电离从而可以被排出至反应器的外部的任意气体也可以被包括在污染空气(Air1)中。
反应器10形成污染空气(Air1)及液体的流路。此外，反应器10的内部设置有填充层11，在填充层11中配置有多个电介质粒子30。作为一个例子，填充层11可以是使用放电等离子体生成装置20而生成放电等离子体的放电区域。但是，本公开不限于此，包括填充层11的其他区域也可以是放电区域。
根据一示例的反应器10沿一个方向延伸，且可以具有污染空气(Air1)及液体可以流动的中空形状。但是，反应器10的形状没有特别的限定，例如，反应器10的截面形状可以是圆形、多边形等多种。本实施例的反应器10的截面形象为圆形。作为一个实施例，反应器10可以设置为沿一个方向延伸的玻璃导管或铝导管。但是，本公开并不限于此，可以生成放电等离子体的任意中空形状的导管可以用作反应器10。
根据一示例，污染空气(Air1)由送风器(未图示)通过污染空气引入口70供应至反应器10。污染空气(Air1)沿由反应器10形成的空气流路进行移动，而通过净化空气排出口80进行排出。此外，后述的从液体供给部40供给的液体通过反应器10的第一端部12流入，储存至液体回收部50的液体可以通过第二端部13进行排出。
放电等离子体生成装置20可以包括配置于反应器10的外壁的第一电极21、配置于反应器10的内部的第二电极22、及高电压生成装置23。根据一示例的第一电极21作为接地电极，可以生成放电等离子体的放电区域可以由第一电极21包围。例如，如果反应器10为导体的话，则第一电极21可以与反应器10一体化，如果反应器10为非导体的话，则第一电极21可以被设置为银浆膜(silver paste film)从而被配置为包围反应器10的外壁。
此外，第二电极22作为电力电极，在可以生成放电等离子体的放电区域中配置为与第一电极21间隔预定距离。例如，第二电极22被设置为沿一个方向延伸的钢丝(steelwire)从而可以被配置于反应器10的内部。
此外，高电压生成装置23可以向可以生成放电等离子体的放电区域施加高电压。根据一示例的高电压生成装置23可以具有正弦波AC供给装置及变压器。高电压生成装置23可以通过所述电力系统向反应器10的内部，例如，可以生成放电等离子体的放电区域持续施加高电压。作为一个例子，向放电区域施加的电压可以是2kV-500kV，且频率可以是10Hz-1000Hz，但本公开并不限于此。此外，在放电区域第一电极21和第二电极22之间的间隔可以是10mm-100mm，据此在放电区域可以施加2kV/cm-5kV/cm的电场。
多个电介质粒子30可以配置在反应器10内部的填充层11上。根据一示例的多个电介质粒子30被极化以吸引离子化的污染物。例如，多个电介质粒子30可以在由放电等离子体生成装置20生成的放电区域中包括可以分级的电介质。作为一个例子，多个电介质粒子30可以包括金属氧化物或者金属氮化物，例如，氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化锰、氧化钛、氧化钡、氧化铜、氧化镁、氧化锌、氧化锆、氧化钇、氧化钙、氧化镍、氧化铁中至少一个，或者所述物质的混合物中至少一个。
此外，作为一个例子，多个电介质粒子30形成预定的气孔，从而可以调整污染空气(Air1)在反应器10的残留时间。例如，多个电介质粒子30可以具有包括预定粒径，例如1mm-20mm的平均直径的珠子(bead)形象。但是，本公开并不限于此，可以具有任意的直六面体等其他三元形状。
多个电介质粒子30可以在填充层11中配置，据此被配置多个电介质粒子30的填充层11可以具有0％-90％，例如30％-60％的孔隙率(porosity)。作为一个例子，为调整污染空气(Air1)及液体在反应器10中的残留时间，可以通过调整配置于填充层11的多个电介质粒子30的直径而调整填充层11的孔隙率。例如，为了增加污染空气(Air1)及液体在反应器10中的残留时间，需要降低填充层11的孔隙率。此时，通过减小多个电介质粒子30的平均直径，可以降低填充层11的孔隙率。
另外，根据一示例的多个电介质粒子30的各表面上形成被液体包围的水膜31(参考图3A)，从而可以捕捉污染空气(Air1)。后述的由液体供给部40供给的液体沿重力方向(G)向下移动。此时，向下移动的液体可以与各多个电介质粒子30接触。通过向下移动的液体和多个电介质粒子30之间的接触，多个电介质粒子30的各表面上可以形成水膜31。与所述水膜31相邻配置的污染空气(Air1)可以被水膜31捕捉，从而与液体一起排出至反应器10的外部。
液体供给部40储存液体，且可以向反应器10的内部供给储存的液体。作为一个例子，液体供给部40可以包括向反应器10的内部喷射储存于液体供给部40的液体的至少一个喷射喷嘴42。储存于液体供给部40的液体可以是捕捉污染空气(Air1)而排出至反应器10的外部的任意流体。例如，液体可以是水或者碱性水溶液。
作为一个例子，储存于液体供给部40的水可以通过喷射喷嘴42以液滴形状喷射至反应器10的内部。在这个过程中，液体附着于多个电介质粒子30的各表面而形成水膜31。污染空气(Air1)中的一部分被吸引至各多个电介质粒子30上，从而被捕捉至水膜31上。此外，污染空气(Air1)的流向可以由多个电介质粒子30形成为弯曲形状。据此，形成于多个电介质粒子30的各表面上的水膜31与污染空气(Air1)的接触面积的增加，使得污染空气(Air1)更容易被捕捉至水膜31上。反应器10的内部中形成污染空气(Air1)和液体被混合的气液混合流体。气液混合流体流向反应器10的第二端部13，从而被排出至反应器10的外部。
作为一个例子，可以由放电等离子体生成装置20从空气中的氧气(O2)生成臭氧(03)。在反应器10的内部中生成臭氧(03)而增加臭氧(03)浓度的情况下，为了防止其可以在液体供给部40储存碱性水溶液。作为一个例子，碱性水溶液可以为具有2mmol/L-20mmol/L的摩尔浓度的氢氧化钠(NaOH)水溶液。碱性水溶液的碱性强度(PH)也可以根据反应器10内部的臭氧(03)的浓度而被确定。例如，反应器10内部的臭氧(03)的浓度增加的情况下，碱性水溶液的碱性强度(PH)可以按比例增加。
液体回收部50储存被排出至反应器10的外部的液体，且可以向液体供给部40再次供给所储存的液体。作为一个例子，液体回收部50储存被排出至反应器10的外部的企业混合状态的排出物。此时，液体回收部50可以通过预定的净化装置(未图示)净化企业混合状态的排出物。被净化的液体通过泵60再次被供给至液体供给部40而可以被重复使用。
控制部90例如可以通过执行软件(例如：程序)而控制连接至控制部90的至少一个另一构成要素(例如：硬件或者软件构成要素)，且可以执行多种数据处理或计算。根据一实施例，控制部90可以通过生成对于高电压生成装置23的控制信号，而控制在高电压生成装置23中生成的电压的大小。例如，在引入至反应器10的污染空气(Air1)的引入量增加或者污染物的浓度增加的情况下，控制部90可以向高电压生成装置23传送使得在高电压生成装置23中生成的电压的大小增加的控制信号。据此，在污染空气(Air1)的引入量增加的情况下，也可以保持或提高污染空气(Air1)的净化效率。
催化反应器95配置于反应器10的后端，而可以通过催化剂清除从反应器10排出的臭氧。作为一个例子，被包括在催化反应器95的催化剂可以包括金属氧化物或者金属氮化物，例如，氧化锰、氧化铜、氧化铝、氧化钛中至少一个，或者所述物质的混合物中至少一个。
如上所述，空气净化装置1可以通过同时适用由放电等离子体的分解和由液体的捕捉，而净化污染空气(Air1)。在下文中，通过区分包括在污染空气(Air1)的颗粒物(PM)、水溶性有机化合物(VOCsol)、非水溶性有机化合物(VOCinsol)及臭氧(03)而更详细地说明使用放电等离子体和液体的对污染空气(Air1)的净化。
图3A及图3B是图2图示的M区域的放大概括图。
参考图3A，在根据一实施例使用放电等离子体生成装置20而在填充层11施加高电压的情况下，在配置于反应器10的内部的第二电极22本身中生成电子(e)或者在第二电极22周围的气体中生成电子(e)，因此可以在第二电极22的周围形成放电等离子体。在第二电极22周围生成的电子(e)由电性引力向被施加相反电荷的第二电极22移动。相反，被分离电子的离子荷电周围的颗粒物(PM)，从而颗粒物(PM)具有正(+)电荷。
作为一个例子，在通过等离子体生成装置20向填充层11施加高电压的情况下，第一电极21和第二电极22之间施加电场。此时，配置于电场的多个电介质粒子30可以被极化。作为一个例子，如图3A所述，与第二电极22相对地配置的电介质粒子30具有负(-)电荷。如上所述，由等离子体具有正(+)电荷的颗粒物(PM)通过电性引力向具有相反电荷的多个电介质粒子30移动。此时，多个电介质粒子30的各表面上形成根据液体的水膜31，具有正(+)电荷的颗粒物(PM)由水膜31捕捉。形成水膜31的液体沿重力方向(G)移动，从而被排出至反应器10的外部。据此被捕捉至颗粒物(PM)也可以与液体一起排出至反应器10的外部。
如上所述，通过在填充层11中填充多个电介质粒子30且喷射液体，从而可以在多个电介质粒子30的各表面上形成水膜31。据此，可以通过增加形成水膜31的液体与颗粒物(PM)之间的接触面积，而提高颗粒物(PM)的捕捉率。此外，通过使用等离子体生成装置20使颗粒物(PM)转化为特定电荷状态，且使多个电介质粒子30变为相反电荷状态，可以在多个电介质粒子30与颗粒物(PM)之间形成引力。据此，形成于各多个电介质粒子30上的水膜31可以提高对颗粒物(PM)的捕捉率。
根据一示例的空气净化装置1可以通过使用喷射至等离子体生成装置20与反应器10的内部的液体，从而不仅清除颗粒物(PM)还同时清除水溶性有机化合物(VOCsol)和非水溶性有机化合物(VOCinsol)。
参考图3B，根据一实施例清除水溶性有机化合物(VOCsol)的初步方法是在供给至反应器10的内部的液体里溶解水溶性有机化合物(VOCsol)而与液体一起进行排出的方法。但是，根据水溶性有机化合物(VOCsol)的引入流量，在反应器10内部水溶性有机化合物(VOCsol)残留的时间可能会相对不充分。此时，水溶性有机化合物(VOCsol)与液体之间的接触不充分，水溶性有机化合物(VOCsol)可能无法充分清除。
为了补充上述初步方法，可以通过使用等离子体生成装置20直接对水溶性有机化合物(VOCsol)进行分解。根据一实施例，通过使用放电等离子体生成装置20在填充层11施加高电压的情况下，可以通过使用OH自由基(OH·)对水溶性有机化合物(VOCsol)进行分解。作为一个例子，通过使用放电等离子体生成装置20在填充层11施加高电压的情况下，在配置于反应器10的内部的第二电极22的周围的空气中的氧气(O2)和水分子(H2O)破裂而成为中性的气体离子态(等离子体态)，且可以从此离子中生成OH自由基(OH·)。作为一个例子，水溶性有机化合物(VOCsol)中乙酸(CH3COOH)、乙醛(CH3CHO)及甲烷(CH4)如同以下化学反应式1至化学反应式3，可以分解为二氧化碳(CO2)和水(H2O)。
化学反应式1
CH3COOH+4OH+O2→2CO2+4H2O
化学反应式2
CH3CHO+6OH+O2→2CO2+5H2O
化学反应式3
CH4+4OH+O2→CO2+4H2O
作为分解产物的二氧化碳(CO2)和水(H2O)可以与液体一起被排出至反应器10的外部。如上所述，通过使用由液体溶解水溶性有机化合物(VOCsol)的初步方法及利用等离子体生成装置20的次级方法，可以提高水溶性有机化合物(VOCsol)的清除效率。
非水溶性有机化合物(VOCinsol)无法由供给至反应器10的液体，例如水或者碱性水溶液进行分解。因此，无法使用在液体中溶解非水溶性有机化合物(VOCinsol)而进行清除的方法。
根据一示例，可以通过使用等离子体生成装置20直接对非水溶性有机化合物(VOCinsol)进行分解。根据一实施例，通过使用放电等离子体生成装置20在填充层11施加高电压的情况下，可以通过使用OH自由基(OH·)对非水溶性有机化合物(VOCinsol)进行分解。作为一个例子，通过使用放电等离子体生成装置20在填充层11施加高电压的情况下，在配置于反应器10的内部的第二电极22的周围的空气中的氧气(O2)和水分子(H2O)破裂而成为中性的气体离子态(等离子体态)，且可以从此离子中生成OH自由基(OH·)。作为一个例子，水溶性有机甲苯(C6H5CH3)可以由OH自由基(OH·)分解为二氧化碳(CO2)和水(H2O)。
作为分解产物的二氧化碳(CO2)和水(H2O)可以与液体一起被排出至反应器10的外部。如上所述，通过使用等离子体生成装置20的分解方法，可以在根据一示例的空气净化装置1中提高非水溶性有机化合物(VOCinsol)的清除效率。
图4是图示根据一实施例的等离子体电压和水溶性有机化合物(VOCsol)的清除效率的图表。
实验例1
在大气压及接近于室温的温度，进行空气净化装置1与水溶性有机化合物(VOCsol)的反应。
作为水溶性化合物(VOCsol)的氨(NH3)、乙醛(CH3CHO)、乙酸(CH3COOH)的混合物(NH3:CH3CHO:CH3COOH＝1:1:1)的体积流率(volume flow rate)为4L/min。使用内径为20mm且厚度为2mm的石英管为反应器10的电介质阻挡。使用直径为2mm的不锈钢棒作为第二电极22(电力电极)，且使用银浆膜为第一电极21(接地电极)。反应器10中，长度为280mm的放电区域被接地电极包围。石英管内部表面和作为第二电极22的高电压电极之间的放电间隙为9mm。此时，等离子体放电区域的体积固定为80.865cm3。设置于等离子体放电区域的填充层11中多个电介质粒子30被完全填充。此时，多个电介质粒子30是直径为6mm的球形状的玻璃粒子，且填充层11的孔隙率为58％。使用水(H20)作为向反应器10内部供给的液体，以100mL/min的体积流率被喷射。向变压器连接正弦波AC电源供给装置，且通过此电力系统向等离子体放电区域持续施加高电压。将被施加至等离子体放电区域的电压变为0kV-35kV，此时电场被变为0kV/cm-38.89kV/cm。在净化空气排出口80测量氨(NH3)、乙醛(CH3CHO)、乙酸(CH3COOH)的残留率。
参考图4，可以确认所有的氨(NH3)已经在等离子体放电区域中被施加5kV以下的电压的第一区域(Area1)中被清除。即，氨(NH3)由供应至反应器10的内部的水(H2O)被清除至液体回收部50。并且，可以确认乙醛(CH3CHO)和乙酸(CH3COOH)已经在等离子体放电区域中被施加5kV以下的电压的第一区域(Area1)中被清除80％以上。可以确认乙醛(CH3CHO)和乙酸(CH3COOH)中其他残留物已经在被施加25kV以上的电压的第二区域(Area2)中分解为二氧化碳(CO2)和水(H2O)而被清除。因此，可以确认大部分的水溶性有机化合物(VOCsol)由液体捕捉而初步地被清除。可以确认残留的剩余水溶性有机化合物(VOCsol)由施加至等离子体放电区域的高电压分解且被清除。
对液体的溶解性高的氨(NH3)的比率较高的情况下，要提高水溶性有机化合物(VOCsol)在反应器10的内部的残留时间。为此，可以减小多个电介质粒子30的平均直径，使得减小填充层11的内部的孔隙率。
相反，在对液体的溶解性相对较低的乙醛(CH3CHO)和乙酸(CH3COOH)的比率较高的情况下，通过提高施加至等离子体生成区域的电压，可以提高水溶性有机化合物(VOCsol)的清除效率。例如，控制部90可以通过生成对于高电压生成装置23的控制信号，而增加在高电压生成装置23中生成的电压的大小，以提高水溶性有机化合物(VOCsol)的清除效率。
图5A是图示根据一实施例及比较例的等离子体电压和非水溶性有机化合物(VOCinsol)的清除效率的图表。
【实验例2-1至实验例2-3】
除供应至反应器10的污染空气的种类及体积流率和液体的体积流率之外的其他的实验方法与实验例1相同。
在实验例2-1中流入至反应器10的非水溶性有机化合物(VOCinsol)为22ppm的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率为4L/min。液体不流入至反应器10。
在实验例2-2中流入至反应器10的非水溶性有机化合物(VOCinsol)为22ppm的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率为4L/min。流入至反应器10的液体为水(H2O)，且体积流率为100mL/min。
在实验例2-3中流入至反应器10的非水溶性有机化合物(VOCinsol)为22ppm的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率为4L/min。流入至反应器10的液体为水(H2O)，且体积流率为200mL/min。
【实验例3-1至实验例3-3】
除供应至反应器10的污染空气的种类及体积流率和液体的体积流率之外的其他的实验方法与实验例1相同。
在实验例3-1中流入至反应器10的非水溶性有机化合物(VOCinsol)为22ppm的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率为10L/min。液体不流入至反应器10。
在实验例3-2中流入至反应器10的非水溶性有机化合物(VOCinsol)为22ppm的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率为10L/min。流入至反应器10的液体为水(H2O)，且体积流率为100mL/min。
在实验例3-3中流入至反应器10的非水溶性有机化合物(VOCinsol)为22ppm的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率为10L/min。流入至反应器10的液体为水(H2O)，且体积流率为200mL/min。
参考图5A，在实验例2-1至实验例2-3中，可以确认甲苯(C6H5CH3)的清除比率随等离子体放电区域中的电压上升至25kV而上升。但是，与供应至反应器10的水(H2O)的体积流率不相关地，甲苯(C6H5CH3)随施加至等离子体放电区域中的电压被清除。因此，可以确认非水溶性有机化合物(VOCinsol)与供应至反应器10的液体的流量不相关地残留。
此外，在实验例3-1至实验例3-3中，可以确认甲苯(C6H5CH3)的清除比率随等离子体放电区域中的电压上升至25kV而上升。但是，与实验例2-1至实验例2-3进行比较，反应器10内部的甲苯(C6H5CH3)的残留时间可以随包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率的增加而缩短。据此，在等离子体放电区域的电压上升至30kV的情况下也可以确认仅有约60％的甲苯(C6H5CH3)被清除。
如上所述，在反应器10内部的甲苯(C6H5CH3)的残留时间随包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率的增加而缩短的情况下，为了完全清除甲苯(C6H5CH3)，需要增加反应器10内部的甲苯(C6H5CH3)的残留时间。例如，通过减少供应至反应器10的甲苯(C6H5CH3)的体积流率，或者降低填充层11内部的孔隙率，可以增加反应器10内部的甲苯(C6H5CH3)的残留时间。在上述实施例中，说明了包括各颗粒物(PM)、水溶性有机化合物(VOCsol)或非水溶性有机化合物(VOCinsol)的污染空气(Air1)，但是根据一示例的空气净化装置1也可以净化包括颗粒物(PM)、水溶性有机化合物(VOCsol)或非水溶性有机化合物(VOCinsol)中两种以上的污染空气(Air1)。
图5B是图示根据一实施例的等离子体电压和颗粒物(PM)的清除效率的图表。
【实验例4-1至实验例4-3】
在大气压及接近于室温的温度，使用空气净化装置1进行颗粒物(PM)与非水溶性有机化合物(VOCinsol)的反应。
非水溶性有机化合物(VOCinsol)为22ppm的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气与颗粒物(PM)的混合物的体积流率为10L/min。使用内径为20mm且厚度为2mm的石英管作为反应器10的电介质阻挡。使用直径为2mm的不锈钢棒作为第二电极22(电力电极)，且使用银浆膜作为第一电极21(接地电极)。反应器10中，长度为260mm的放电区域被接地电极包围。玻璃管内部表面和作为第二电极22的高电压电极之间的放电间隙为9mm。此时，等离子体放电区域的体积固定为80.865cm3。设置于等离子体放电区域的填充层11中多个电介质粒子30被完全填充。此时，多个电介质粒子30是直径为2mm的球形状的玻璃粒子，且填充层11的孔隙率为53％。用于供给至反应器10的内部的液体是浓度为2.5mmol/L且PH11的氢氧化钠(NaOH)水溶液，其以75mL/min的体积流率被进行喷射。向反应器连接DC脉冲电源供给装置，且通过此电力系统向等离子体放电区域持续施加高电压。
参考图5B，在实验例4-1中，施加至等离子体放电区域的电压是18kV，且频率是840Hz。在实验例4-2中，施加至等离子体放电区域的电压是20kV，且频率是840Hz。在实验例4-3中，施加至等离子体放电区域的电压是22kV，且频率是840Hz。对于实验例4-1至实验例4-3，在净化空气排出口80测量颗粒物(PM)及甲苯(C6H5CH3)的残留率和臭氧(O3)的生成浓度。
在实验例4-1中，平均有83％以上的颗粒物(PM)被清除，且55％以上的甲苯(C6H5CH3)被清除。相反，生成10ppm的臭氧(O3)。
在实验例4-2中，平均有91％以上的颗粒物(PM)被清除，且64％以上的甲苯(C6H5CH3)被清除。相反，生成25ppm的臭氧(O3)。
在实验例4-3中，平均有94％以上的颗粒物(PM)被清除，且71％以上的甲苯(C6H5CH3)被清除。相反，生成38ppm的臭氧(O3)。
参考实验例4-1至实验例4-3，可以确认颗粒物(PM)及甲苯(C6H5CH3)的清除比率随施加至等离子体放电区域中的电压上升而上升。但是，可以确认在等离子体放电过程中生成了氧气(O2)的分解而增加了臭氧(O3)的生成量。为了清除污染空气，可以提高施加至等离子体放电区域的电压，但还需要降低臭氧(O3)的生成量。为此可以调整流入至反应器10内部的液体的碱性强度(PH)。
图6是图示根据一实施例及比较例的等离子体电压和臭氧(O3)浓度的关系的图表。
【实验例5-1至实验例5-4】
在大气压及接近于室温的温度，使用空气净化装置1进行非水溶性有机化合物(VOCinsol)的反应。
在实验例5-1中，非水溶性有机化合物(VOCinsol)为具有23ppm的浓度的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率(volume flow rate)为10L/min。使用内径为20mm且厚度为2mm的玻璃管作为反应器10的电介质阻挡。使用直径为2mm的不锈钢棒作为第二电极22(电力电极)，且使用银浆膜作为第一电极21(接地电极)。反应器10中，长度为260mm的放电区域被接地电极包围。石英管内部表面和作为第二电极22的高电压电极之间的放电间隙为9mm。此时，等离子体放电区域的体积固定为80.865cm3。设置于等离子体放电区域的填充层11中多个电介质粒子30被完全填充。此时，多个电介质粒子30是直径为2mm的球形状的玻璃粒子，且填充层11的孔隙率为53％。不供给供给至反应器10内部的液体。施加至等离子体放电区域的电压进行变化，频率为210Hz。
在实验例5-2中，非水溶性有机化合物(VOCinsol)为具有22ppm的浓度的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率(volume flow rate)为10L/min。向反应器10内部供给体积流率为100mL/min的水(H2O)。其他设置于实验例5-1相同。
在实验例5-3中，非水溶性有机化合物(VOCinsol)为具有24ppm的浓度的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率(volume flow rate)为10L/min。向反应器10内部供给体积流率为100mL/min且摩尔浓度为1.25mmol/L的氢氧化钠(NaOH)。其他设置于实验例5-1相同。
在实验例5-4中，非水溶性有机化合物(VOCinsol)为具有25ppm的浓度的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率(volume flow rate)为10L/min。向反应器10内部供给体积流率为100mL/min且摩尔浓度为6.25mmol/L的氢氧化钠(NaOH)。其他设置于实验例5-1相同。
参考实验例5-1，可以确认在最低的放电等离子体电压中也有臭氧(O3)浓度的上升。参考实验例5-2，可以确认在比实验例5-1高的放电等离子体中电压臭氧(O3)浓度与实验例5-1相似地上升。
参考实验例5-3，可以确认在比实验例5-2高的放电等离子体电压中臭氧(O3)浓度有上升，且其保持为比实验例5-1低的浓度。参考实验例5-4，可以确认在比实验例5-3高的放电等离子体电压中臭氧(O3)浓度有上升，且其保持为比实验例5-3低的浓度。
在根据一示例的空气净化装置1中等离子体放电电压上升的情况下，非水溶性有机化合物(VOCinsol)的清除比率可以上升。相反，在等离子体放电电压上升的情况下，在氧气(O2)的分解过程中臭氧(O3)浓度可以上升。如同实验例5-1至实验例5-4，在供给至反应器10的液体的碱性强度(PH)上升的情况下，可以确认可以抑制臭氧(O3)浓度的上升。因此，可以随污染空气(Air1)的体积流率及污染程度的增加而提高等离子体放电电压，此时，在提高供给至反应器10的液体的碱性强度(PH)的情况下，不仅可以净化污染空气(Air1)还可以抑制臭氧(O3)的生成。
图7A至图7D是图示根据实验例的甲苯浓度和臭氧浓度的变化的图表。
【实验例6-1至实验例6-4】
在大气压及接近于室温的温度下，使用空气净化装置1进行非水溶性有机化合物(VOCinsol)的反应。
在实验例6-1中，非水溶性有机化合物(VOCinsol)为具有23ppm的浓度的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率(volume flow rate)为10L/min。使用内径为20mm且厚度为2mm的玻璃管作为反应器10的电介质阻挡。使用直径为2mm的不锈钢棒作为第二电极22(电力电极)，且使用银浆膜作为第一电极21(接地电极)。反应器10中，长度为260mm的放电区域被接地电极包围。石英管内部表面和作为第二电极22的高电压电极之间的放电间隙为9mm。此时，等离子体放电区域的体积固定为80.865cm3。设置于等离子体放电区域的填充层11中多个电介质粒子30被完全填充。此时，多个电介质粒子30是直径为2mm的球形状的氧化铝粒子，且填充层11的孔隙率为53％。不供给供给至反应器10内部的液体。施加至等离子体放电区域的电压进行变化，频率为210Hz。
在实验例6-2中流入至反应器10的非水溶性有机化合物(VOCinsol)为30ppm的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率为10L/min。流入至反应器10的液体为水(H2O)，且体积流率为100mL/min。其他设置与实验例6-1相同。
在实验例6-3中流入至反应器10的非水溶性有机化合物(VOCinsol)为25.5ppm的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率为10L/min。液体不流入至反应器10。在反应器的后端连接被填充二氧化锰(MnO2)催化剂的反应器，且被填充的二氧化锰催化剂的体积为80cm3。其他设置与实验例6-1相同。
在实验例6-4中流入至反应器10的非水溶性有机化合物(VOCinsol)为20ppm的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气的体积流率为10L/min。流入至反应器10的液体为水(H2O)，且体积流率为100mL/min。在反应器的后端连接被填充二氧化锰(MnO2)催化剂的反应器，且被填充的二氧化锰催化剂的体积为80cm3。其他设置于实验例6-1相同。
在实验例6-1中甲苯的清除率为90％，臭氧浓度为476ppm。
在实验例6-2中甲苯的清除率为82％，臭氧浓度为74ppm。
在实验例6-3中甲苯的清除率为89％，臭氧浓度小于1ppm。
在实验例6-4中甲苯的清除率为73％，臭氧浓度小于1ppm。
参考实验例6-3至实验例6-4，可以确认可以通过导入如二氧化锰(MnO2)的臭氧清除催化剂而降低臭氧浓度为小于1ppm。此时，可以确认有无流入液体不影响催化剂的臭氧清除性能。
图8A至图8B是图示根据实验例的甲苯浓度和臭氧浓度的变化的图表。
【实验例7-1至实验例7-2】
在大气压及接近于室温的温度，使用空气净化装置1进行非水溶性有机化合物(VOCinsol)的反应。
在实验例7-1中，非水溶性有机化合物(VOCinsol)为22ppm的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气与颗粒物(PM)的混合物的体积流率为10L/min。不供给供给至反应器10内部的液体。在反应器的后端连接被填充二氧化锰(MnO2)催化剂的反应器，且被填充的二氧化锰催化剂的体积为80cm3。其他设置与实验例6-1相同。
在实验例7-2中，非水溶性有机化合物(VOCinsol)为22ppm的甲苯(C6H5CH3)，且包括甲苯(C6H5CH3)的污染空气与颗粒物(PM)的混合物的体积流率为10L/min。流入至反应器10的液体为水(H2O)，且体积流率为100mL/min。在反应器的后端连接被填充二氧化锰(MnO2)催化剂的反应器，且被填充的二氧化锰催化剂的体积为80cm3。其他设置与实验例6-1相同。
在实验例7-1中，平均有99％以上的颗粒物(PM)被清除，且91％以上的甲苯(C6H5CH3)被清除。臭氧(O3)生成量低于1ppm。
在实验例7-2中，平均有99％以上的颗粒物(PM)被清除，且74％以上的甲苯(C6H5CH3)被清除。臭氧(O3)生成量低于1ppm。
参考实验例7-1至实验例7-2，在颗粒物(PM)和甲苯同时被供给的情况下，也可以确认可以通过导入如二氧化锰(MnO2)的臭氧清除催化剂而降低臭氧浓度为小于1ppm。
图9是根据一实施例的空气净化方法的流程图。
参考图1及图9，根据一示例可以向反应器10的内部流入液体。(S110)作为一个例子，反应器10可以具有液体和污染空气(Air1)可以移动的流动路径。此时，液体可以是水或者碱性水溶液。
接下来，可以在第一电极21及第二电极22施加预定电压而生成放电等离子体。(S210)作为一个例子，可以在反应器10的外壁部配置作为接地电极的第一电极21，且在反应器10的内部配置作为电力电极的第二电极22。此时，第一电极21与第二电极22可以配置为间隔预定距离。在第一电极21和第二电极22施加预定电压，从而在填充层11生成放电等离子体。此时，施加至第一电极21和第二电极22的电压的大小可以通过控制部90进行控制。
接下来，可以向反应器10的内部流入污染空气(Air1)。(S130)作为一个例子，污染空气(Air1)可以是包括颗粒物(PM)、水溶性有机化合物(VOCsol)及非水溶性有机化合物(VOCinsol)中至少一个的混合气体。被流入污染空气(Air1)的体积流率可以根据空气净化装置1净化能力而增加或减少。流入至反应器10内部的污染空气(Air1)可以由液体捕捉，或者由等离子体分解为二氧化碳(C02)和水(H20)。
接下来，可以在反应器10的后端使用催化剂来清除臭氧。(S140)作为一个例子，被包括在催化反应器95的催化剂可以包括氧化锰、氧化铜、氧化铝中至少一个，或者所述物质的混合物中至少一个。
接下来，可以从反应器10排出液体及被净化的空气。(S150)根据一示例捕捉污染空气(Air1)中的一部分的液体、和污染空气(Air1)中的一部分被分解而被净化的空气(Air2)可以被排出到反应器的外部。
捕捉污染空气(Air1)中的一部分的液体可以被储存在液体回收部50。储存在液体回收部50的液体可以在使用净化装置清除污染空气(Air1)后，由泵60移动至液体供给部40。据此，液体供给部40可以再次使用被净化的水或者碱性水溶液。
尽管为了更好地理解，已经参考附图说明了空气净化装置及空气净化方法的实施例，但是这些仅仅是示例性的，并且具有本领域的通常知识的技术人员将理解，由此可以进行各种修改和等同的其他实施例。因此，本发明的真正的技术保护范围应由所附权利要求书确定。
附图标记
1：空气净化装置
10：反应器
11：填充层
20：等离子体生成装置
21：第一电极
22：第二电极
23：高电压生成装置
30：多个电介质粒子
31：水膜
40：液体供给部
41：液体储存部
42：喷射喷嘴
50：液体回收部
60：泵
70：污染空气引入口
80：净化空气排出口
90：控制部

Claims (27)

1.一种空气净化装置，包括：
反应器，形成为沿一个方向延伸的中空形状；
放电等离子体生成装置，包括配置于所述反应器的外壁的第一电极和配置于所述反应器的内部的第二电极，且在预定的放电区域生成放电等离子体；
多个电介质粒子，配置于所述反应器的填充层(packed-bed)中；
液体供给部，向所述反应器的内部供给液体；以及
液体回收部，回收从所述反应器排出的所述液体。
2.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，
所述液体包括水。
3.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，
所述液体包括碱性水溶液。
4.根据权利要求3所述的空气净化装置，其特征在于，
所述碱性水溶液的碱性强度PH根据所述反应器内部的臭氧浓度而被决定。
5.根据权利要求3所述的空气净化装置，其特征在于，
所述液体是具有2mmol/L～20mmol/L的摩尔浓度的氢氧化钠水溶液。
6.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，
还包括：泵，生成用于将储存于所述液体回收部的液体传送到所述液体供给部的压力。
7.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，
所述填充层的孔隙率为大于0％且为90％以下。
8.(限定多个电介质粒子的直径)根据权利要求7所述的空气净化装置，其特征在于，
所述多个电介质粒子的平均粒径为1mm～20mm。
9.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，
所述多个电介质粒子包括氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化锰、氧化钛、氧化钡、氧化铜、氧化镁、氧化锌、氧化锆、氧化钇、氧化钙、氧化镍、氧化铁中至少一个，或者这些物质的混合物中至少一个。
10.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，
在所述放电区域中施加2kV～500kV的电压。
11.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，还包括：
高电压生成装置，向所述反应器的内部施加高电压；以及
控制部，控制所述高电压生成装置的生成电压，
其中，所述控制部向所述高电压生成装置传送控制信号，所述控制信号随着引入至所述反应器的污染空气的引入量的增加而增加在所述高电压生成装置中生成的电压的大小。
12.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，
所述第一电极被设置为银浆膜(silver paste film)。
13.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，
所述第二电极沿所述一个方向延伸，且配置为与所述第一电极间隔预定距离。
14.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，
所述反应器被设置为沿所述一个方向延伸的玻璃导管。
15.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，还包括：
催化剂反应器，配置在所述反应器的后端，从而使用催化剂清除从所述反应器排出的臭氧。
16.根据权利要求15所述的空气净化装置，其特征在于，
所述催化剂包括氧化锰、氧化铜、氧化铝、氧化钛中至少一个，或者这些物质的混合物中至少一个。
17.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，
由所述液体在所述多个电介质粒子的表面上形成水膜。
18.根据权利要求1所述的空气净化装置，其特征在于，
向所述空气净化装置供给的污染空气包括甲苯、氨气、乙醛、乙酸、甲醛、臭氧及粒子状物质中至少一个。
19.一种空气净化方法，使用根据权利要求1的空气净化装置来净化污染空气，包括以下步骤：
向反应器的内部引入液体；
向第一电极和第二电极施加预定电压而生成放电等离子体；
向反应器的内部引入所述污染空气；以及
从所述反应器排出液体及被净化的空气。
20.根据权利要求19所述的空气净化方法，其特征在于，还包括以下步骤：
向液体供给部供给从所述反应器排出的所述液体。
21.根据权利要求19所述的空气净化方法，其特征在于，
所述液体包括水。
22.根据权利要求19所述的空气净化方法，其特征在于，
所述液体包括碱性水溶液。
23.根据权利要求21所述的空气净化方法，其特征在于，
根据所述反应器内部的臭氧浓度决定所述碱性水溶液的碱性强度PH。
24.根据权利要求19所述的空气净化方法，其特征在于，
生成施加2kV～500kV的电压用于生成所述放电等离子体。
25.根据权利要求19所述的空气净化方法，其特征在于，
还包括以下步骤：在所述反应器的后端使用催化剂而清除臭氧。
26.根据权利要求25所述的空气净化方法，其特征在于，
所述催化剂包括氧化锰、氧化铜、氧化铝、氧化钛中至少一个，或者这些物质的混合物中至少一个。
27.根据权利要求19所述的空气净化方法，其特征在于，
由所述液体在多个电介质粒子的表面上形成水膜。
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