CN113750754A - 介质阻挡放电空气净化装置以及空气净化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明采用大气压条件下的介质阻挡放电产生高能的活性粒子和基团，用于产生介质阻挡放电的电极结构为微阵列结构，可以有效的提高介质阻挡放电的面积，提高化学活性物质的产量。本发明提供一种介质阻挡放电空气净化装置，其包括壳体，其具有包含进气口和排气口的气体流通通道；气体流动促进装置，设置在气体流通通道内用于促使气体能主动通过气体流通管道；介质阻挡放电装置，其设置在气体流通通道内，对流过的气体施加等离子放电处理。利用本发明的装置，可提供廉价、高效、安全、可靠的甲醛、TVOC等装修污染的去除技术方案。

Description

介质阻挡放电空气净化装置以及空气净化方法
技术领域
本发明属于空气净化领域，特别涉及一种利用介质阻挡放电原理的空气净化装置以及空气净化方法。
背景技术
室内装修污染越来越为人所重视。室内装修污染就是指因装修行为对室内环境所产生的污染。它是近年来随着人们生活水平的提高对室内空间进行装修过程中出现的一种新的污染，主要是由于人们在室内装修过程中采用不合格装修材料以及不合理的设计造成的。装修在使居室变得舒适与美观的同时，也给室内环境造成了污染，这一问题早在上世纪70年代就引起世人的关注。世界卫生组织将由室内污染引起的一系列人体损害症状称为“不良建筑物综合征”代表性的认为：“室内装修污染是指室内空气中混入有害人体健康的氧、甲醛、苯、氨和挥发性有机物等气体的现象。”其中，尤以甲醛和总挥发性有机化合物(TVOC)的防范对策最受重视。
传统的对的甲醛和总挥发性有机化合物(TVOC)的防范对策种类繁多，从工作原理上讲，主要有传统的过滤吸附型、臭氧氧化型以及近年出现的光触媒型等。不同的空气净化技术各有侧重和不足，在现今污染源日趋多样复杂的情况下，任何单一的净化技术都难以满足实际需求，不能真正实现空气质量高效净化的目标。例如过滤吸附型主要利用多孔性滤材，如滤网和活性炭等，对空气中的悬浮颗粒和有害气体进行吸附，但时间长了吸附能力会下降，必须更换或进行再生处理，同时可能存在二次污染问题。
光催化技术作为近年来出现的新型空气净化技术，利用可见光或紫外光激发氧化钛半导体离子产生的“空穴-电子”效应来分解污染物，具有技术可靠、应用广、可适用于多种污染源的优点，但存在着制造成本高、催化效果不佳等缺点。
近年来利用等离子技术去除甲醛和TVOC进行空气净化的技术成为研究热点。例如，专利CN201143317Y、CN200945266Y、CN101850214B等都公开了利用静电场等离子装置进行空气净化的装置。然而现有的等离子空气净化装置存在设备昂贵、不易检修、维护不便、难以小型化的问题。而且其等离子体反应腔一般采用高压电源放电，在净化反应过程中容易产生非常多氮化物等副产物，实际上有可能存在二次污染；现有的技术方案中，用于产生等离子体的电极为简单的平面或者柱状几何结构，产生等离子体效率较低，均匀性一般，可能还需要昂贵且难以维护的大型气压控制装置。
因此，现状是作为甲醛、TVOC等装修污染物的去除方案，尚无廉价、高效、安全、可靠的技术方案，是亟待解决的问题。
发明内容
为了能获得廉价、高效、安全、可靠的甲醛、TVOC等装修污染的去除技术方案，发明人进行了深入的研究，着眼于低温等离子体介质阻挡放电技术，特别设计了一种适合进行甲醛、TVOC等装修污染的去除的空气净化装置。本发明具体的技术方案是一种介质阻挡放电空气净化装置，其包括壳体，其具有包含进气口和排气口的气体流通通道；气体流动促进装置，设置在气体流通通道内用于促使气体能主动通过气体流通管道；介质阻挡放电装置，其设置在气体流通通道内，对流过的气体施加等离子放电处理，所述介质阻挡放电装置包含金属制的高压电极、金属制的接地电极、覆盖在接地电极表面的电介质层、以及连接于高压电极和接地电极的高压电源，电介质层距离高压电极的距离为1mm～15mm，电介质层为由贝壳粉、硅藻土经无氧高温煅烧形成的多孔结构，厚度为0.5mm～5mm，高压电极和接地电极均为多孔的网状结构电极，其孔径为0.2mm～20mm，孔边缘的间隔为0.5～10mm。
在本发明优选的实施方式中，所述多孔的网状结构电极为正六边形拼合成的蜂巢结构网状电极，正六边形的边长为1.0mm～10mm，孔边缘的间隔为1mm～5mm。
在本发明优选的实施方式中，所述电介质层按照如下方式制备：
将60目～300目的贝壳粉、硅藻土在无氧的环境下于1000～1300℃中煅烧20～200分钟后，与水混合成悬浮液，将接地电极浸入悬浮液后取出，低温烘干10～30小时，再以100～450℃的瞬时热处理使其牢固附着于接地电极。
在本发明优选的实施方式中，所述壳体由绝缘材料形成。
在本发明优选的实施方式中，所述高压电极的蜂巢结构网状电极与接地电极的蜂巢结构网状电极的孔位错开对置。
在本发明优选的实施方式中，介质阻挡放电装置至少包含多组金属制的高压电极、金属制的接地电极、覆盖在接地电极表面的电介质层、以及连接于高压电极和接地电极的高压电源。
在本发明优选的实施方式中，介质阻挡放电装置中的高压电极、金属制的接地电极、覆盖在接地电极表面的电介质层卷曲成辊桶状。
在本发明优选的实施方式中，进气口附近还含有水雾生成装置。
利用本发明的净化装置可以进行空气净化，改善装修造成的室内空气污染。基于以上的技术方案，可以提供一种小型化低功率化的适合家用和车载便携的空气净化装置。
与现有技术相比较，其有益效果如下：本发明特殊的电极涉及和电介质层设计，使得放电电压和功率降低到可以方便实用的水平，又由于电介质层的疏松多孔结构，能够发挥对空气中的有害气体成分TVOC有着很强的吸附作用，可以大幅提高TVOC的滞留效果，使得TVOC在等离子区域缓慢、稳定的滞留，并且这些吸附后的TVOC经由等离子体放电后可以降解为无机物，避免了由于吸附饱和而引起的净化能力下降。由于本发明以微结构电极产生大气压介质阻挡放电的技术为基础，因此也改善了传统等离子净化装置会产生氮化物等二次污染的问题。本发明的空气净化装置，相比物理吸附而言，可以持续进行空气净化，不存在饱和的问题，相比光触媒等技术，稳定性更好，几乎不受环境光的影响，也没有催化剂失活问题。
附图说明
图1是本发明的介质阻挡放电空气净化装置的示意图；
图2是本发明的介质阻挡等离子放电单元的示意图；
图3是本发明对污染空气处理的模式图；
图4是本发明的电介质层的模式图，深色部分为接地电极，浅色部分为附着的电介质层；
图5是实施例中构建的本发明装置的外形图。
具体实施方式
以下对本发明进行更详细的说明。
本发明采用大气压条件下的介质阻挡放电产生高能的活性粒子和基团，用于产生介质阻挡放电的电极结构为微阵列结构，可以有效的提高介质阻挡放电的面积，提高化学活性物质的产量。
本发明的介质阻挡放电空气净化装置的示意图如图1所示。
本发明的介质阻挡放电空气净化装置，包括：
壳体，其具有包含进气口和排气口的气体流通通道；
气体流动促进装置，设置在气体流通通道内用于促使气体能主动通过气体流通管道；
介质阻挡放电装置，其设置在气体流通通道内，对流过的气体施加等离子放电处理，
介质阻挡放电装置包含至少一组金属制的高压电极、金属制的接地电极、覆盖在接地电极表面的电介质层、以及连接于高压电极和接地电极的高压电源，电介质层距离高压电极的距离为1mm～15mm，
电介质层为由贝壳粉、硅藻土经无氧高温煅烧形成的多孔结构，厚度为0.5mm～5mm，
高压电极和接地电极均为多孔的网状结构电极，其孔径为0.2mm～20mm，孔边缘的间隔为0.5～10mm。
所谓的壳体可以是任意形状，优选为长方体或圆柱体结构，装置外壳可以是任意材料制成，优选为塑料材质，这样能够起到绝缘的效果，防止内部的电极发生漏电现象。装置内部的气体通道上方，靠近出口处设置等介质阻挡放电装置，也就是等离子体放电区。
气体流动促进装置可以是简单的风扇、鼓风机、电磁振荡片等，只要是能协助气体流过装置即可，也可在气体入口外部接入鼓风机。本发明气体流动促进装置的流速没有特别限制，由于本发明特殊的覆盖在接地电极表面的电介质层的多孔结构，可以为需要进行处理的甲醛、TVOC(本发明中有时也称为污染物分子)提供足够的滞留处理时间，即使风速较快也能够有高效的处理能力，气体流动促进装置优选的风量为10～50CFM。
本发明中的介质阻挡放电装置在大气压条件下的介质阻挡放电产生高能的活性粒子和基团，用于产生介质阻挡放电的电极结构为微阵列结构，可以有效的提高介质阻挡放电的面积，提高化学活性物质的产量。实质上是一种微腔结构的介质阻挡放电装置。参照图2可知，在放电空间中有大量随机分布的丝状通道。介质阻挡放电通常由正弦波交流高压电源驱动，随着供电电压的升高，系统中的气体状态将经历三个阶段，即从绝缘状态逐渐转变为放电状态，最终击穿。首先，空间某处中的一个在电场中获取了能量的电子，在其加速向高压极运动过程中，运动中的电子可能会与周围的其它气体分子发生非弹性碰撞，发生能量的传输并导致气体分子激发后电离，从而导致出现电子雪崩。此时气体在二次电子发射和电子雪崩作用下被击穿。当雪崩发展到一定程度时，电子雪崩会转变成流注。在大气压DBD下，雪崩通常向高压极移动，并在高压极附近形成正流注。当流注发展到低压极时，在放电气隙中，通常只需要经过几纳秒，就可以形成一个弱电离的可导电的等离子体通道。然后大量的电子通过等离子体通道向高压极移动，积聚在高压极板上，放电电流达到峰值。与电子的迁移率对比，离子在电场中的迁移率小于电子的，不能在短时间内迁移到高压极，因此大量离子依然留存在放电空间中。表面电子与空间离子之间的内建电场与外电场方向相反。随着表面上的电子累积量的增加，内部电场慢慢变大，直到能够抵消外电场的影响时，放电将会熄灭，此时一次放电的过程结束。放电的通道基本为圆柱形状，它的半径为0.2mm左右，连续放电的时间很短，数量级为纳秒。从雪崩开始到放电结束的一系列过程称为“微放电”。当空间某处发生微放电时，在静电斥力和扩散的作用下，放电产生的电子在移动到电介质板上后会在电介质板上径向扩展，表面电荷分布的直径一般大于导丝通道直径，分布在电介质板上的表面电荷会削弱线槽附近气隙中的电场，导致在一个放电周期内该区域附近不能新的放电通道；从另一个角度来说，流注在发展的过程中，从四周聚集了大量的光子和电子雪崩，这使得附近的位置因为缺乏电子，所以难以产生新的放电通道。这种丝状放电其自身存在的“侧抑制效应”，在整个放电空间中会出现大量相互独立的放电细丝通道，宏观呈现为丝状放电，这种现象称为丝状放电模式。在等离子体放电过程中会产生大量负离子，对污染物微粒有高效的吸附作用。
需要说明的是，本发明中高压电极和接地电极均为多孔的网状结构电极，其孔径为0.2mm～20mm，孔边缘的间隔为0.5～10mm为重要的，两个电极间距也是重要的。通过对于网状电极孔径和间距的设计，以及电极间距的设计，使得该结构可等效为由大量微腔网格状电极的局部放电并联而成，状微腔结构的放电电极间隔较小，其数量级是毫米级，也就是说，微孔电极采用金属导体外层沉积多孔介质绝缘体的结构，多孔介质包裹在阵列型排布的金属导体网外侧，形成了片层状的，大面积介质阻挡放电电极，从而极大的提高的放电的效率和污染物处理的效率。如本发明图3所示，每一个高压电极网孔和接地电极网孔间就组成一个微腔，污染物分子在该微腔内发生降解反应，一般而言，微腔内高压射频电源对放电装置内的两个电极进行供电，电极之间的气体发生放电，产生众多含有高能量的电子和各类离子团以及中性粒子，即等离子体,而后，这些高能粒子与有机污染物大分子发生碰撞，使得污染物大分子发生激发、电离和解离，其中各类自由基也在碰撞解离中产生，并参与后续一系列的反应，使结构复杂有机污染物大分子分解转化成结构简单的小分子，比如使有毒有害的TVOC、甲醛、氮氧化物等转换成无毒无害的H2O、N2和CO2等，进而达到降解有机污染物的目的。在降解过程中，高压放电的产生的电子首先通过电场获得高额的能量，再分别与气体分子、有机物分子进行碰撞，将自身能量转移变为分子中电子、分子的动能和内能。而后电子和分子间再发生一系列的化学反应转化为生成物的内能和反应热。
网状的电极放电时，等离子体产生的面积相比于板—板电极结构，会有更大的面积；其放电更为稳定和更加均匀，放电持续时间更长，所需要施加的外加电压也更低，氮化物的生成也非常少，这也导致在与大面积气体反应的时候，效率也会更高，直接促成了该装置的低功率可用性。另外，网状电极更加易于气体流通循环，含有污染物的空气能够较大程度的得到净化。从宏观整体看，当放电稳定时，含有污染物的气流，开始通过进气口流入绝缘气体通道，此时的等离子体在每个微腔的内部和表面出现，流过网孔电极的气体，与等离子体发生反应，风扇的转速控制气体流速，净化后的气体按照设定的流速由排气口排出。
本发明中，电介质层为由贝壳粉、硅藻土经无氧高温煅烧形成的多孔结构这一特征是至关重要的。其除了能完成电介质作用，使得等离子放电更加温和高效，减少氮化物的产生，还因为贝壳粉末具有天然的疏松多孔结构，对有害气体成分甲醛、TVOC有着很强的吸附作用，然而吸附的有害气体位于放电区域，可以有效的降解成为更小分子，从而脱出，因此，本发明的电介质层的多孔结构，相当于是增强的等离子的处理效率，给待处理物理想的滞留时间，可以大幅提高TVOC的处理效果，并且这些吸附后的TVOC经由等离子体放电后可以降解为无机物。
本发明的高压电极和接地电极均为多孔的网状结构电极只要是金属材料即可，例如可以是镍电极、不锈钢电极、铜电极。从强度、加工难度等角度出发，优选为铜电极。作为制备方法，由于是毫米尺度的微加工，可以使用现有的几乎所有金属加工方法，例如模铸法、冲孔法、三维打印的方法，只要是能够形成本发明限定的电极的方法即可。
本发明中贝壳粉的处理和在金属电极上的固着可以使用现有已知的方法。例如，将60目～300目的贝壳粉在无氧的环境下于1000～1300℃中煅烧20～200分钟后，与水混合成悬浮液，将接地电极浸入悬浮液后取出，低温烘干10～30小时，再以100～450℃的瞬时热处理使其牢固附着于接地电极。
在本发明优选的实施方式中，多孔的网状结构电极为正六边形拼合成的蜂巢结构网状电极，正六边形的边长为1.0mm～10mm，孔边缘的间隔为1mm～5mm。这样的网状电极的模式图可参照本发明的图5。这样的网状电极，可以产生更高的放电效率，其具体原因尚不清楚，可能是由于这样的排列能够组合出更多的并联微腔室。
在本发明优选的实施方式中，电介质层按照如下方式制备：
将60目～300目的贝壳粉在无氧的环境下于1000～1300℃中煅烧20～200分钟后，与水混合成悬浮液，将接地电极浸入悬浮液后取出，低温烘干10～30小时，再以100～450℃的瞬时热处理使其牢固附着于接地电极。电介质层的模式图可以参照图4，需要说明的是，模式图中仅在电极的一面附着电介质层，然而为了制备方便，整体都覆盖电介质层也不影响效果。
实施例中使用贝壳粉作为电介质层原料，但是硅藻土也具有类似效果。
在本发明优选的实施方式中，高压电极的蜂巢结构网状电极与接地电极的蜂巢结构网状电极的孔位错开对置，错开配置的孔位，可以增加流经空气的滞留效率，有利于高效处理污染物分子。
另外，在模式图和后述实施例中，均示出了两电极均为平板的实施形态。然而本发明并不限于电极为平板形状，且数量为一组。然而，只要满足电极间距，电极也可以为弯曲形状，甚至可以是采用多组叠加的方式，或卷曲成辊桶状的方式，收容在气体流通管道中，增加放电面积，提高放电效果。
在本发明优选的实施方式中，进气口附近还含有水雾生成装置。液体雾化区与等离子体放电区相结合，由雾化装置产生水雾，利用等离子体放电产生的高能粒子和活性基团，这些高能粒子经由水雾为载体释放到环境空气中，一方面可以起到传统加湿器的加湿净化作用，另一方面由于水雾所携带的高能粒子具有很高的氧化性，可以对环境中的病菌实现消杀的作用。将放电产生的大量高能活性粒子和活性基团携带在细小的水雾之中，这些水雾随后经由装置的出气口散播到环境空气当中去。由于这些高能粒子具有很强的氧化性，使得含有这些高能粒子的水雾在具有传统加湿器的加湿功能之外还具有对环境中的病菌等微生物的消杀作用，兼具加湿与净化的功能。以雾化装置产生液体水雾，这些水雾经由放电区的微电极附近，将该区域产生的高能活性粒子和基团携带在水雾中，并通过装置上方的出气口散播到环境空气中。液体可以为普通水，也可以为各种消毒液，从而适用于不同的应用场景。
本发明中，气体流通通道中任一位置，还可以设置过滤网，用于去除空气中的颗粒物。作为滤网，优选HEPA过滤网等公知的用于空气净化的组件。
本发明中电源可以采用中频与射频电源，发明人发现，普通小型高压电源，当频率为100KHz,功率达到10W左右时，可以放电稳定。如此低功率，使得本发明非常适合家庭使用，甚至可以利用锂离子电池和车载12V电源进行供电，使得本发明具有很好的便携性，也适用于在车内空间上使用。
以下基于实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1空气净化装置的构建
图5为构建的本发明的空气净化装置外形图，还可以参照图1的分解图。净化装置主要分为内外两个部分，内部是介质阻挡放电装置，外部为外壳和内壳(相当于气体流通通路)。装置主体是一个边长为104mm的立方体，用塑料外壳制成，壁厚为2mm，装置内部容积为100cm3，考虑安全问题，对外壳内里增加一层绝缘内壳，进一步防漏电。内壳形成直径30mm，长度40mm的圆形管道，分别用于接入待处理气体和排出尾气。风扇设置在气体流入口附近。介质阻挡放电装置的核心部分，包含高压电极、接地电极、介质层。介质层覆盖在接地电极表面。待处理气体首先从进气口流入，通过风扇，经过高压电极，流向介质并最后流经接地电极，最终从出气口流出。
高压电极、接地电极均为网状结构，为铜制的正六边形拼合而成的蜂巢结构，厚度为0.5mm，通过铜片冲孔获得，高压电极和接地电极的正六边边长为2mm，孔边缘的间隔为2mm，两个电极上的孔交错分布，既能保证电极与气体的接触面积足够大，同时能避免大量气体未经电离直接从两个孔里流出。电介质层距离高压电极的距离为1mm，电介质层为由贝壳粉经无氧高温煅烧形成的多孔结构，厚度为1mm。具体将贝壳粉多孔介质与金属电极的粘附的方法为：贝壳粉首先经由管式炉在1200℃中煅烧30分钟，期间需要通入惰性保护气体防止其被氧化，之后将煅烧后的贝壳粉与去离子水混合成悬浮液，将金属电极浸入悬浮液后取出，以60℃烘干24小时，使贝壳粉多孔介质初步粘附在金属电极上，之后再用碘钨灯快速加热粘附后的复合电极表面30—60秒进一步增强其粘附性。粘附增强后的复合电极进行局部抛光，漏出金属部分作为电极的连接点。电源选择为使用频率100KHz,电压0～15kV可调，功率10W的正弦交流高压射频电源，实际使用时在3kV即开始发生等离子放电反应，完全可以利用常用的锂电池来驱动。
实施例2空气净化效果测试
以自净式密闭药剂柜(型号DZ-ROBOT DZ901-B，内部容积约为0.16m3)为试验场所，注意关闭自净式密闭药剂柜的内循环和自洁系统，仅使用其密闭功能。内部放置本发明的实施例1中构建的空气净化装置，利用UPS电源进行供电，还放置Kanfur KFR-JQ002型甲醛和TVOC检测仪器，从透明窗可以直接读出检测仪器读数。
在其中用烧杯分别盛放福尔马林和甲苯，直至甲醛和TVOC检测仪器显示甲醛大于1mg/m3，TVOC显示大于5mg/m3，移除盛放福尔马林和甲苯的烧杯，打开空气净化装置电源，关闭柜门。从试剂柜透明窗可见甲醛、TVOC读数缓慢下降，120分钟后，检测仪器的读数甲醛为0.090g/m3，TVOC读数为0.710g/m3。
以上实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种介质阻挡放电空气净化装置，其特征在于，其包括：
壳体，其具有包含进气口和排气口的气体流通通道；
气体流动促进装置，设置在气体流通通道内用于促使气体能主动通过气体流通管道；
介质阻挡放电装置，其设置在气体流通通道内，对流过的气体施加等离子放电处理，
所述介质阻挡放电装置包含金属制的高压电极、金属制的接地电极、覆盖在接地电极表面的电介质层、以及连接于高压电极和接地电极的高压电源，电介质层距离高压电极的距离为1mm～15mm，
电介质层为由贝壳粉经无氧高温煅烧形成的多孔结构，厚度为0.5mm～5mm，
高压电极和接地电极均为多孔的网状结构电极，其孔径为0.2mm～20mm，孔边缘的间隔为0.5～10mm。
2.根据权利要求1的介质阻挡放电空气净化装置，其特征在于，
所述多孔的网状结构电极为正六边形拼合成的蜂巢结构网状电极，正六边形的边长为1.0mm～10mm，孔边缘的间隔为1mm～5mm。
3.根据权利要求1的介质阻挡放电空气净化装置，其特征在于，
所述电介质层按照如下方式制备：
将60目～300目的贝壳粉在无氧的环境下于1000～1300℃中煅烧20～200分钟后，与水混合成悬浮液，将接地电极浸入悬浮液后取出，低温烘干10～30小时，再以100～450℃的瞬时热处理使其牢固附着于接地电极。
4.根据权利要求1所述的介质阻挡放电空气净化装置，其特征在于，
所述壳体由绝缘材料形成。
5.根据权利要求2所述的介质阻挡放电空气净化装置，其特征在于，
所述高压电极的蜂巢结构网状电极与接地电极的蜂巢结构网状电极的孔位错开对置。
6.根据权利要求1所述的介质阻挡放电空气净化装置，其特征在于，进气口附近还含有水雾生成装置。
7.根据权利要求1所述的介质阻挡放电空气净化装置，其特征在于，气体流通通道中设置有HEPA滤网。
8.一种利用权利要求1所述的介质阻挡放电空气净化装置进行空气净化的空气净化方法。
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