CN114593493B - 一种无耗材的空气净化器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无耗材空气净化器，通过静电吸附和室温催化氧化的技术路线，实现无耗材和无二次污染快速降解甲醛、挥发性有机化合物以及可吸入颗粒物的效果，解决了现有技术产生废弃耗材和高能耗问题。本发明无耗材空气净化器包括核心净化模块、风机模块、电源管理模块、嵌入式控制模块、传感器模块以及显示模块，核心净化模块包括双功能催化剂模块、臭氧发生模块以及静电模块，嵌入式控制模块通过读取分析传感器模块采集的空气污染数据，控制电源管理模块和风机模块在不同工作模式下工作，并在显示模块上实时显示空气质量。
Description
技术领域
本发明涉及空气净化领域，尤其涉及一种使用莫来石型氧化物催化剂材料的无耗材的空气净化器。
背景技术
杀灭室内空气中有害病原微生物、去除室内臭氧污染成为了室内空气净化的新需求。在面对这些需求时，以过滤吸附式为技术核心的空气净化器在室内空气净化中暴露出不能抑制细菌滋生、耗材重复使用困难和不能有效降解臭氧的问题，同时耗材的定期的更换，不仅给消费者带来额外的经济负担，也对环境造成了极大的负担。2020 年全国产生废弃空气净化器滤芯总量在1000万个以上，这完全不符合当前节能减排，实现碳中和的目标与战略部署，更严重的是，长期未更换的空气滤芯，会滋生大量细菌与病毒，产生酸味等恶臭气体，对室内空气造成二次污染，极大的危害室内人员的健康。
目前市面上也有使用无耗材技术的空气净化器，例如，中国专利文献公开了一种无耗材室内空气净化器[公开号:CN103791563A]，该无耗材空气净化器由前置过滤网、静电吸附模块、等离子净化模块、负离子发生模块、陶瓷活性炭装置、加湿装置和负压源组成，该装置通过前置活性炭过滤网和静电吸附模块吸附大颗粒物和PM2.5，等离子模块释放负离子杀灭病菌。虽然设备摆脱了传统的吸附式净化，但是仍然使用了活性炭等吸附剂，很难做到真正的没有耗材，同时静电模块以及等离子放电模块容易产生臭氧，造成二次污染，危害人体健康。又如一种无耗材空气净化器[公开号:CN207407449U]，该装置由静电除尘板、正极板、负极板、风扇、滤网、吸尘扇、紫外灯以及光触媒基板等部分组成，该装置虽然没有耗材，且静电除尘配合紫外灯照射能够有效的去除空无污染，但是我们知道紫外线和高压环境会产生大量的臭氧，整个装置没有对臭氧等副产物进行监控和清除，难以实现室内空气净化，这是因为，由GB/28232-2020规定，在有人类活动情况下，臭氧浓度必须在0.1mg/m3以下，通常，臭氧浓度需要高于污染物浓度数十倍以上才能够达到净化效果，因此在满足国家标准的浓度下，该设备的净化效果是没有办法保证的。又如一种智能调节无耗材空气净化器[公开号:CN105180273A]，该装置包括催化剂填装网、空气监测传感器模块、屏幕模块和风机模块，通过传感器模块检测当前室内空气污染状况，智能调节各模块的能耗，进一步降低设备的使用能耗，同时对臭氧等二次产物进行了检测与净化，但是其使用的催化剂填装网包含了多种金属氧化物以及贵金属材料，与非贵金属催化剂相比贵金属不仅价格高昂，储量有限，而且为后期的回收循环带来困难。
现在市面上还没有一种设计合理，无耗材，能够杀灭空气中的病菌，室温降解臭氧、甲醛等气态污染物并做到无二次污染的集多功能于一体的空气净化器。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计更合理，无耗材且不产生二次污染并且能有效去除空气中可吸入颗粒物与气体污染物的室内空气净化器装置。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该低功耗无耗材型空气净化器包括核心净化模块、风机模块、电源管理模块、嵌入式控制模块、传感器模块以及显示模块，所述核心净化模块包括静电模块、臭氧发生模块以及双功能催化剂模块，其结构特点在于：所述双功能催化剂净化模块位于所述风机模块下方，所述风机模块包括风机和风机驱动模块，所述风机安装在装置顶部，栅型出风口下方，风机与风机驱动模块连接，风机驱动模块与所述的电源管理模块连接，所述静电模块由静电发生装置与金属网构成，金属网以方形结构置于双功能催化剂净化模块下方，进风口的上方，所述静电发生装置一端连接金属网，一端连接电源管理模块，所述臭氧发生模块位于双功能催化剂净化模块与静电模块四周，臭氧发生模块的一端与电源管理模块连接，所述显示模块与所述控制模块连接，所述传感器模块、电源管理模块均与嵌入式控制模块连接。传感器模块将采集到的数据传输给嵌入式控制模块，嵌入式控制模块分析数据，根据运算结果，将对应的空气污染物含量与污染等级通过显示模块显示，空气净化器设置待机、Ⅰ档、Ⅱ档、Ⅲ档和智能调节等运行模式，在智能调节模式下，嵌入式控制模块通过分析、计算传感器模块实时采集的数据，确定当前空气质量等级，嵌入式控制模块再根据当前空气质量等级，通过电源管理模块调节静电模块、臭氧发生模块以及风机模块的运行状态，比如在监测到当前空气质量为“健康”时，嵌入式控制模块通过控制电源管理模块电压输入，让整个空气净化设备进入掉电状态，设备停止工作，在监测到当前空气质量为“危害”时，嵌入式模块通过电源管理模块，增加静电模块工作电压，控制风机驱动模块，增加风机转速，使设备净化效率提升。在智能调节模式下，空气净化设备通过传感器模块的检测与嵌入式控制模块的控制，能有效的提升空气净化器净化效率，通过匹配不同空气质量状况，完成对应的净化效果，不仅有效提升能源利用率，还达到净化室内空气的目的。此外通过臭氧发生器产生的臭氧，是一种广谱的有效的杀菌剂，通过紫外光照射产生，最终分解为氧气，无污染且高效，通过静电吸附的方式处理空气中可吸入颗粒物，不仅有效的解决了耗材问题，还因为静电吸附本身工作电流极小而减少能源消耗，同时本设计中所使用的双功能催化剂，能够在室温下100％转化室内空气中的臭氧、未参与反应的以及由静电模块意外放电产生的臭氧、活性氧等二次污染物，保证了室内人员健康安全。
作为优选，本发明所述双功能催化剂为具有通式AB2O5-x的莫来石型氧化物，为减少催化剂的损失，通常将催化剂配置成浆料，以一定的工艺流程附着在蜂窝状骨架上，此双功能催化剂能够在-5摄氏度以上温度下对臭氧实现100％转化，具体的，将填充莫来石粉末的石英管放置于高低温试验箱中并调节至对应反应温度，在石英管尾端使用臭氧浓度在线检测仪监测臭氧浓度，最终的到双功能催化剂性能如下表所示：
| 质量空速(ml g-1h-1) | 温度(℃) | 臭氧浓度(ppm) | 转化率(％) |
| 600,000 | 25 | 120 | 100 |
| 600000 | -5 | 120 | 100 |
| 600000 | -15 | 120 | 80 |
| 600000 | -20 | 120 | 44 |
作为优选，本发明所述双功能催化剂为矩形，平铺整个所述低功耗无耗材空气净化器截面。
作为优选，本发明所述臭氧发生器为波长小于等于185纳米的紫外光灯管。
作为优选，本发明所述风机为轴流风机或离心风机。
作为优选，本发明所述显示模块为有机发光显示屏，所述显示模块下方有模式调节触摸按钮。
作为优选，本发明所述静电模块中金属网为矩形，并且有一定厚度和曲折。
作为优选，本发明所述传感器模块包括电化学型甲醛传感器、挥发性有机化合物传感器、可吸入颗粒物传感器、臭氧传感器、温度传感器、湿度传感器和光电角度传感器。
作为优选，本发明所述电源管理模块对设备进行状态调节时，设备不同状态与各模块功率对应关系如下表所示：
作为优选，本发明所述低功耗无耗材空气净化器还包括设置有进风口和出风口的外壳。
作为优选，本发明所述传感器模块与显示模块分别位于该净化器对立面，且传感器模块位于该净化器中部，显示模块位于风机下方且显示模块略高于传感器模块。
作为优选，本发明所述的嵌入式控制模块，通过与所述光电角度传感器相连接，实现防倾倒设计。在所述低功耗无耗材空气净化器偏离一定角度时，控制模块通过控制电源管理模块切断整机电源。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1、无耗材，通过静电模块、臭氧发生模块和双功能催化剂模块实现无耗材对空气中气态污染物，可吸入颗粒物以及病原微生物气溶胶实现净化。2、低功耗，选用功耗较低的静电吸附技术与臭氧净化技术，配合传感器对空气质量实时监控反馈，利用嵌入式电路控制，实现动态调节功能，进一步降低功耗。3双功能非贵金属催化剂，实现零下至室温乃至更高温度下的催化氧化，达到净化效果的同时，杜绝了副产物的二次污染。 4、结构合理，人性化设计，从用户使用角度出发，设计智能调节模式，在保证净化效果的同时，节省能源，同时减少用户操作难度与频次，防倾倒设计和杜绝二次污染设计，大大提升了使用安全性能。
附图说明
图1是本发明实施例中无耗材空气净化器的分解结构示意图。
图2是本发明实施例中无耗材空气净化器的工作原理示意图。
图3是本发明实施例中无耗材空气净化器中双功能催化剂材料的电镜扫描图。
图4是本发明实施例中无耗材空气净化器在室温下臭氧去除性能图。
图5是本发明实施例中无耗材空气净化器的PM2.5去除性能图。
图6是本发明实施例中无耗材空气净化器的甲醛去除性能图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明进行详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本实施例中的无耗材空气净化器，包括风机模块、双功能催化剂净化模块2、臭氧发生模块3、静电模块、传感器模块5、显示模块6、电源管理模块11以及栅型进风口8和栅型出风口9。
本实施例中的风机模块包括风机1和风机驱动模块7，风机驱动模块7一端连接风机1一端连接电源管理模块11，风机模块位于空气净化器顶部，栅型出风口9下方，双功能催化剂净化模块2上方，整个风机模块四周安装矩形挡风板并紧贴空气净化器四壁，同时做一定的密封处理，保证系统整体运行的稳定，减少风机运行时由晃动带来的噪音。风机的转动将空气净化器内部净化后的空气排向室内，空气净化器内部形成负压环境，室内被污染空气通过栅型进风口8进入空气净化器内部，依次通过静电模块，臭氧发生模块3和双功能催化剂净化模块 2净化后，由风机模块通过栅型出风口9排出。风机1可以为轴流风机或离心风机。
本实施例中的双功能催化剂净化模块2通常情况下由两块蜂窝陶瓷和涂覆在其表面的双功能催化剂组成，其中双功能催化剂为具有通式AB2O5-x的莫来石型氧化物，其中A位元素可以为镧系金属元素、Bi或Y，B为第一过度系过渡金属元素中的任意一种或多种，x在0～1之间。通过加入一定比例的前驱体原料，在恒温水域下搅拌蒸发，将形成的胶状材料置于高温下煅烧，最终形成莫来石晶体，将莫来石晶体配置成粘稠状浆料，将蜂窝陶瓷浸没在浆料后拿出进行后续的干燥煅烧，最终形成双功能催化剂净化模块2，双功能催化剂净化模块2断面形貌结构在扫描电子显微镜下成像清晰，附图3扫描电镜照片中明暗代表衍射衬度的不同，证明经过处理后蜂窝陶瓷上涂覆了所述莫来石型催化剂。如附图3所示，通过恒流采样仪采样净化后的空气并将其通入臭氧浓度在线检测仪中，检测净化后空气中的臭氧浓度，结果显示，双功能催化剂净化模块2能够实现室温下完全催化降解臭氧，防止静电模块产生的少量臭氧和臭氧发生模块3产生的臭氧泄漏到室内，造成二次污染，其分解原理为两个臭氧分子在双功能催化剂模块表面的活性位点上分解为三个氧气分子。同时双功能催化剂净化模块2还能够在室温下催化降解甲醛、挥发性有机化合物等室内常见气态污染物。
本实施例中的臭氧发生模块3由一组紫外灯管组成，臭氧发生模块3位于双功能催化剂净化模块2下方，静电模块上方，通常每根灯管的功率不大于8W，同时要求灯管发出的紫外线为短波紫外光，波长低于185nm。通常由臭氧发生模块3产生一定浓度的臭氧，臭氧具有强氧化性，能够破坏遗传物质，有效杀灭空气中病原微生物。利用臭氧的强氧化性能配合双功能催化剂净化模块2实现甲醛、挥发性有机化合物等的氧化分解，实现空气净化。
本实施例中使用紫外光光分度法测量所述无耗材空气净化器对甲醛的净化效果，首先，在模拟舱内通入0.218mg/m3浓度的甲醛气体，通过搅拌风扇使甲醛均匀的分散在模拟仓内，随后，关闭搅拌风扇，静置一段时间，等待密闭舱内甲醛浓度稳定后，开启所述无耗材空气净化器，通过大气恒流采样仪采样，采样完毕后，将样品转移至比色管中，加入硫酸铁铵显示剂显色，在静置15分钟后，将比色管放入紫外光光分度计中比色定量，得到如附图6所示甲醛净化效率图，从图中可以看出，在开启空气净化器后甲醛浓度迅速下降，在20分钟内浓度下降至零，其中背景数据也是采用上述紫外光光分度法获得，具体的，在相同实验条件下，不开启空气净化器测得的结果。
本实施例中通过在上述无耗材空气净化器中，更换未涂覆莫来石氧化物催化剂材料的泡沫陶瓷，对空气中臭氧浓度进行了检测，使用靛蓝二磺酸钠分光光度法，在上述紫外光光分度计中测量得到臭氧浓度，测量的结果如图4所示，从图中可以看出，没有使用莫来石氧化物催化剂材料的情况下，臭氧浓度一直上升，其中背景数据也是采用上述靛蓝二磺酸钠分光光度法获得，具体的，在相同的实验条件下，使用涂覆莫来石氧化物催化剂的泡沫陶瓷测得的结果。
本实施例中使用便携式红外检测仪测量所述无耗材空气净化器对PM2.5的净化效果，该检测仪器放置于测试环境中，能够实时测量空气中PM2.5浓度，首先，在模拟仓内通入370ug/m3的PM2.5，随后，开启搅拌风扇使PM2.5颗粒均匀的分散到模拟仓中，随后，关闭搅拌风扇，静置一段时间待浓度稳定后，开启空气净化器，通过上述便携式红外检测仪测量并记录当前模拟仓内PM2.5浓度，最终得到空气净化器对PM2.5的净化结果如图5所示。从图中可以看到在开启空气净化器后，PM2.5浓度迅速下降，在20分钟内下降至零，其中背景数据也是采用上述方法测得，具体的，在相同实验条件下，不开启空气净化器测得的结果。
本实施例中的静电模块包括静电发生装置4和金属网10，金属网10覆盖整个静电发生装置4上下两侧，通常情况下，静电发生装置4一端连接金属网10，另一端连接电源管理模块11，通常情况下，臭氧发生模块3置于静电模块上方，双功能催化剂净化模块2下方，通常情况下，双功能催化剂净化模块2由两块表面及孔道均匀涂覆了莫来石型氧化物催化剂材料的蜂窝陶瓷组成，静电模块和双功能催化剂净化模块2四周都紧贴空气净化器四壁，并进行密封处理，阻止未净化的空气从净化模块四周通过。
本实施例中的栅型进风口8和栅型出风口9由栅条组成，同时栅型进风口8 栅条上有镂空菱形小孔，栅型出风口9和栅型进风口8分别位于空气净化器上下两面，栅型出风口9下方为风机模块，栅型进风口8上方为静电模块，栅型进风口8和栅型出风口9的栅型结构能够有效阻止大体积物体进入空气净化器内部，同时栅型出风口9能够减小出风口风速，使空气净化器运行更加稳定，噪音进一步降低。
本实施例中的传感器模块5由电化学型甲醛传感器、挥发性有机化合物传感器、可吸入颗粒物传感器、臭氧传感器、温度传感器、湿度传感器和光电角度传感器组成，传感器模块5均与嵌入式控制模块相连接，传感器模块5采集空气中污染物浓度数据，并将采集的数据传递给嵌入式控制模块，嵌入式控制模块分析数据，得到当前室内空气污染状态，在智能调节模式下，嵌入式控制模块通过控制电源模块智能调节设备状态，同时将室内空气污染浓度与温湿度数值通过显示模块6显示，嵌入式控制模块通过分析传感器模块5采集的室内污染物浓度数据，得到当前室内空气污染水平，通过控制电源管理模块11来控制静电模块电压大小与风机转速，实现降低整体运行功耗的效果，设备运行状态与空气中污染物指标对应关系如下表1所示。
表1：设备状态与空气中污染物指标对应关系
由表1可知，空气净化器运行可分为四个状态，分别为待机状态、Ⅰ档运行、Ⅱ档运行和Ⅲ档运行，只有当PM2.5浓度、甲醛浓度以及总挥发有机物浓度改变并都处在同一空气质量等级时，运行状态才会改变，当目前室内空气质量为“健康”时，嵌入式控制模块通过电源管理模块11调节空气净化设备为待机状态。当目前室内空气质量为“可以接受”时，嵌入式控制模块通过电源管理模块11调节空气净化设备为Ⅰ档运行。当目前室内空气质量为“轻度”时，嵌入式控制模块通过电源管理模块11调节空气净化设备为Ⅱ档运行。当目前室内空气质量为“危害”时，嵌入式控制模块通过电源管理模块11调节空气净化设备为Ⅲ档运行。嵌入式控制系统实时分析室内空气质量并通过电源管理模块11智能调节设备运行状态，实现设备低功耗设计。使用插入式功率测量仪测得设备不同工作状态下各模块功率，其对应关系如下表2所示。
表2：设备状态与各模块功率对应关系
由表2可知，当设备处于待机状态时，嵌入式控制模块通过电源管理模块 11减小静电发生装置4工作电压至0V，降低风机1转速至0r/min,此时静电模块与风机模块功率都为0W。当设备处于Ⅰ档运行时，嵌入式控制模块通过电源管理模块11增加静电发生装置4工作电压为8.0KV,增加风机1转速至500r/min，此时静电模块功率为11W，风机模块功率为13W。当设备处于Ⅱ档运行时，嵌入式控制模块通过电源管理模块11增加静电发生装置4工作电压为8.5KV,增加风机1转速至1000r/min，此时静电模块功率为15W，风机模块功率为25W。当设备处于Ⅲ档运行时，嵌入式控制模块通过电源管理模块11增加静电发生装置 4工作电压为9.0KV,增加风机1转速至2000r/min，此时静电模块功率为23W，风机模块功率为35W。
本实施例中显示模块6与嵌入式控制模块连接，嵌入式控制模块与显示模块 6、电源管理模块11和传感器模块5连接。显示模块6通常为有机发光显示屏，所述显示模块下方有模式调节触摸按钮。传感器模块5包括电化学型甲醛传感器、挥发性有机化合物传感器、可吸入颗粒物传感器、臭氧传感器、温度传感器、湿度传感器传和光电角度传感器，通常除光电角度传感器位于空气净化设备下方外，其他传感器与屏幕分别位于空气净化器两侧，并且屏幕模块高于传感器模块。传感器模块5传输的数据被嵌入式控制模块处理后，传输至显示模块6显示。
此外，需要说明的是，本说明书中描述的具体内容仅仅是对本发明结构和功能的举例说明，各功能模块的命名与选型等可以不同。凡依据本发明专利构思所述的结构、特征及原理所做的等效改变或者容易联想的变化，均包括与本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对上述具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种无耗材空气净化器，包括核心净化模块、风机模块、电源管理模块、嵌入式控制模块、传感器模块以及显示模块，其特征在于：所述核心净化模块包括双功能催化剂模块、臭氧发生模块以及静电模块；所述核心净化模块位于风机模块下方；所述风机模块包括风机和风机驱动模块，所述风机驱动模块与所述电源管理模块连接，所述电源管理模块与所述嵌入式控制模块连接；臭氧发生模块与电源管理模块连接；所述静电模块包括静电发生装置和金属网，所述金属网连接所述静电发生装置；静电发生装置与电源管理模块连接；所述传感器模块包括电化学型甲醛传感器、挥发性有机化合物传感器、可吸入颗粒物传感器、臭氧传感器、温度传感器、湿度传感器和光电角度传感器；传感器模块与嵌入式控制模块连接；所述显示模块与嵌入式控制模块连接；嵌入式控制模块通过分析传感器模块采集的空气质量，将实时空气质量通过显示模块显示，同时通过电源管理模块控制风机模块、静电模块和臭氧发生模块的工作状态；空气净化器设置待机、Ⅰ档、Ⅱ档、Ⅲ档运行模式以及智能调节模式，在智能调节模式下，嵌入式控制模块会根据当前空气质量智能切换运行模式，减少空气净化器在运行过程中的能量消耗；所述双功能催化剂为具有通式AB2O5-x的莫来石型复合氧化物，其中A为镧系金属元素、Bi、Y中的任意一种金属或多种，B为第一过渡系过渡金属元素中的任意一种或多种，x在0～1之间,双功能催化剂净化模块能够实现室温下完全催化降解臭氧，以及能够在室温下催化降解挥发性有机化合物。
2.根据权利要求1所述的无耗材空气净化器，其特征在于：所述的双功能催化剂处于-5℃以上温度时，对臭氧转化率达到100％。
3.根据权利要求1所述的无耗材空气净化器，其特征在于：所述的双功能催化剂在臭氧氛围下能够将甲醛和挥发性有机化合物催化氧化为二氧化碳和水。
4.根据权利要求2所述的无耗材空气净化器，其特征在于：所述的双功能催化剂在臭氧氛围下能够将甲醛和挥发性有机化合物催化氧化为二氧化碳和水。
5.根据权利要求1-4之一所述的无耗材空气净化器，其特征在于：所述无耗材空气净化器的净化方式为静电吸附配合臭氧氛围下双功能催化剂上发生的催化氧化反应。
6.根据权利要求1-4之一所述的无耗材空气净化器，其特征在于：双功能催化剂模块放置在臭氧发生模块和静电模块的上方或内侧。
7.根据权利要求1-4之一所述的无耗材空气净化器，其特征在于：显示模块与传感器模块分别位于所述空气净化器两侧。
8.根据权利要求1-4之一所述的无耗材空气净化器，其特征在于：所述电源管理模块与所述嵌入式控制模块连接，实现对所述无耗材空气净化器电源的适配；所述风机模块、静电模块与电源管理模块连接，嵌入式控制模块通过控制电源管理模块对所述无耗材空气净化器运行模式进行调节，具体的运行模式为：当设备处于“待机”状态时，所述静电模块功率为0W，静电模块工作电压为0KV，所述风机模块功率为0W，风机转速为0r/min；当设备处于“Ⅰ档”状态时，静电模块功率为11W，静电模块工作电压为8.0KV，风机模块功率为13W，风机转速为500r/min；当设备处于“Ⅱ档”状态时，静电模块功率为15W，静电模块工作电压为8.5KV，风机模块功率为25W，风机转速为1000r/min；当设备处于“Ⅲ档”状态时，静电模块功率为23W，静电模块工作电压为9.0KV，风机模块功率为35W，风机转速为2000r/min。
9.根据权利要求1-4之一所述的无耗材空气净化器，其特征在于：所述无耗材空气净化器还包括带有栅型结构的进风口和出风口。
10.根据权利要求1-4之一所述的无耗材空气净化器，其特征在于：所述无耗材空气净化器中的双功能催化剂模块、臭氧发生模块和静电模块为模块化设计，能够独立拆卸和运行。
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