CN114768467A - 利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，属于废旧活性炭再生技术领域。为了解决现有的活性炭再生不适用于家用，工业生产工序复杂，耗费较大人力物力，易产生二次污染，再生后活性炭吸附力下降。复合式等离子体发生层包括至少一层网状微波等离子体发生层、颗粒状微波等离子体发生层和承载结构，网状微波等离子体发生层与承载结构连接，承载结构上放置颗粒状微波等离子体发生层，承载结构为包裹石英棉的金属网，承载结构放置在饱和活性炭再生层上，饱和活性炭再生层包括石英棉层。可提高活性炭再生效果且降低烧蚀率，符合家庭用，避免统一回收再生或使用后废弃造成污染，工序简单，可节省人力物力。
Description
技术领域
本发明涉及废旧活性炭再生技术领域，具体而言，涉及一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置。
背景技术
随着社会经济的发展，人们对自身的生活水平，尤其是居住条件的要求，越来越高。而装修过程中涂料、墙纸、胶合板等装修材料建材的广泛使用，以及居住过程中厨房的液化气、煤气燃烧，室内吸烟等行为均会释放挥发性有机污染物(VOCs)，导致室内空气严重污染。近年来，室内空气污染问题越来越成为人们关注的焦点，VOCs对人体健康造成的危害更是不可忽视。VOCs会刺激人体的眼黏膜、鼻黏膜、呼吸道和皮肤等感官，让人感觉干燥不适，严重时导致头痛、乏力、昏昏欲睡等症状。甲醛是常见的居室内挥发性有机污染物。世界卫生组织已确认甲醛为致畸、致癌物质。长期暴露在被甲醛污染的环境中，会导致人体肺功能、肝功能及免疫功能等的异常，易引发慢性呼吸道疾病、结肠癌等。儿童和孕妇对甲醛尤其敏感，危害更大。因此，室内挥发性有机物的快速去除技术成为学术界和工业界的研发焦点。
室内VOCs治理的基本途径有通风换气法、生物降解法、吸附法、光催化、等离子体法等。其中吸附净化法因其吸附效率高、成本低、易操作等优点而备受关注。吸附净化法中应用最广泛、最有前景的吸附材料为活性炭，因为活性炭具有发达的孔隙结构、高的比表面积和广谱的吸附作用。然而，活性炭吸附材料因吸附容量有限，在使用过程中存在容易吸附饱和、需频繁更换的问题。从而间接导致空气净化的成本增加，吸附材料利用不充分，资源浪费。同时如果使用后的活性炭处理不合理，如随意丢弃，作为固废焚烧或填埋等，浪费了大量的人力物力和社会资源，处理过程中又可能造成二次环境污染，增加碳排放。
活性炭再生是节约资源、避免二次污染的有效手段。现有的活性炭再生技术手段如电化学法、溶剂法、超临界萃取取法、生物降解法、湿法氧化等都有一些明显缺陷，如工序复杂，占地面积过大，需耗费大量人力物力，质量比损耗较大，再生时产生的尾气对空气的二次污染，再生后的活性炭吸附能力下降等，不适用于对家用活性炭的再生。因此，寻找一种适合家用的对活性炭高效无害化处理、再生、利用方法和技术，对保护人民生命财产安全、减少碳排放、促进经济的可持续发展及环保的循环具有十分重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：
为了解决现有的活性炭再生不适用于家用，工业生产工序复杂，耗费较大人力物力，易产生二次污染，再生后活性炭吸附力下降的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：
本发明提供了一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，包括装置主体，所述装置主体为上端开口的桶状结构，所述装置主体为石英装置主体，还包括复合式等离子体发生层和饱和活性炭再生层，所述装置主体内部依次设有复合式等离子体发生层和饱和活性炭再生层，所述复合式等离子体发生层包括至少一层的网状微波等离子体发生层、颗粒状微波等离子体发生层和承载结构，所述网状微波等离子体发生层与承载结构连接，所述承载结构上放置颗粒状微波等离子体发生层，所述承载结构为包裹石英棉的金属网，所述承载结构可拆卸的放置在饱和活性炭再生层上，所述饱和活性炭再生层包括桶状结构的石英棉层，所述石英棉层内部布设金属网，所述石英棉层及金属网内用于放置活性炭。
进一步地，所述网状微波等离子体发生层为半球型或立方体结构，所述网状微波等离子体发生层可将下方的颗粒状微波等离子体发生层覆盖。
进一步地，所述网状微波等离子体发生层为网状金属微波等离子体发生层。
进一步地，所述网状金属微波等离子体发生层和承载结构的金属丝的方孔边长均为5mm-25mm，所述网状金属微波等离子体发生层的金属丝直径为0.5mm-1.5mm。
进一步地，所述网状金属微波等离子体发生层在不破坏整体结构的情况下网状结构的肋形成多个0.5mm-1.5mm的断口。
进一步地，所述承载结构与网状金属微波等离子体发生层的底端通过若干个连接柱连接。
进一步地，所述承载结构的侧边围设有围挡，所述围挡为聚四氟乙烯或石英围挡。
进一步地，所述颗粒状微波等离子体发生层为非金属微波等离子体产生颗粒，所述非金属微波等离子体产生颗粒的粒径为1mm-6mm。
进一步地，所述石英棉层铺设在装置主体底部和侧壁，所述石英棉层的厚度为1mm-3mm。
进一步地，所述石英棉层底部上铺设导热层。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，装置主体内部依次设有复合式等离子体发生层和饱和活性炭再生层，复合式等离子体发生层包括至少一层的网状微波等离子体发生层、颗粒状微波等离子体发生层和承载结构，网状微波等离子体发生层与承载结构连接，承载结构上放置颗粒状微波等离子体发生层，承载结构为包裹石英棉的金属网，承载结构可拆卸的放置在饱和活性炭再生层上，饱和活性炭再生层包括桶状结构的石英棉层和活性炭，石英棉层内部布设金属网，活性炭设置在石英棉层及金属网内。
本发明的效果从以下三方面展现，包括VOCs的去除效率、活性炭的再生效果、可再生活性炭的普适性：
1.在VOCs的去除效率方面，以吸附甲醛的4mm-6mm球型活性炭为代表，只放置饱和活性炭再生层时，微波炉腔内的甲醛浓度为2.14mg/m3，而将装置整体放入后，甲醛浓度降低为0.07mg/m3(已达到排放标准)，因此本装置的甲醛处理效率为96.7％；
2.在活性炭的再生效果方面，经过实验验证，活性炭再生前后质量损失仅为0.8％-1.2％，单位质量活性炭甲醛吸附容量上升1.6％-2.4％；
3.在可再生活性炭的普适性方面，收集了市面上常见的三种类型活性炭(4mm-6mm球型活性炭、2mm-4mm椰壳活性炭、4mm-6mm椰壳活性炭)进行再生实验，VOCs去除效率分别96.7％、96.4％和95.4％，都具有良好的处理效果，且排放的气体均达到排放标准。
此外，在使用时将活性炭放置在石英棉层内再放入微波炉内进行处理，符合家庭用，避免统一回收再生或使用后废弃造成污染，工序简单，可节省人力物力。
附图说明
图1为本发明实施例中利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置的立体图；
图2为本发明实施例中利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置的主视图；
图3为本发明实施例中利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置的剖视图；
图4为本发明实施例中利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置的实物图。
附图标记说明：
1-装置主体，3-把手，4-网状微波等离子体发生层，5-连接柱，6-颗粒状微波等离子体发生层，7-石英棉层，8-承载结构，9-金属网，10-活性炭，12-导热层，13-围挡。
具体实施方式
在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
具体实施方案一：结合图1至图4所示，本发明提供一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，包括装置主体1，所述装置主体1为上端开口的桶状结构，所述装置主体1为石英装置主体，还包括复合式等离子体发生层和饱和活性炭再生层，所述装置主体1内部依次设有复合式等离子体发生层和饱和活性炭再生层，所述复合式等离子体发生层包括至少一层的网状微波等离子体发生层4、颗粒状微波等离子体发生层6和承载结构8，所述网状微波等离子体发生层4与承载结构8连接，所述承载结构8上放置颗粒状微波等离子体发生层6，所述承载结构8为包裹石英棉的金属网9，所述承载结构8可拆卸的放置在饱和活性炭再生层上，所述饱和活性炭再生层包括桶状结构的石英棉层7，所述石英棉层7的侧壁围设有金属网9，所述石英棉层7及金属网9内用于放置活性炭12。
本发明的效果从以下三方面展现，包括VOCs的去除效率、活性炭的再生效果、可再生活性炭的普适性：
1.在VOCs的去除效率方面，以吸附甲醛的4mm-6mm球型活性炭为代表，只放置饱和活性炭再生层时，微波炉腔内的甲醛浓度为2.14mg/m3，而将装置整体放入后，甲醛浓度降低为0.07mg/m3(已达到排放标准)，因此本装置的甲醛处理效率为96.7％。
2.在活性炭的再生效果方面，经过实验验证，活性炭再生前后质量损失仅为0.8％-1.2％，可降低烧蚀率，单位质量活性炭甲醛吸附容量上升1.6％-2.4％；需要说明的是，再生效果受活性炭的种类和再生次数影响，具体为：
实验例1，对20g吸附甲醛的4-6mm球形活性炭进行实验，甲醛处理效率为96.7％，再生后的活性炭质量损失为0.8％，单位质量甲醛吸附能力提高1.6％；
实验例2，对20g吸附甲醛的4-6mm椰壳活性炭进行实验，甲醛处理效率为95.4％，再生后的活性炭质量损失为0.9％，单位质量甲醛吸附能力提高2.2％；
实验例3，对20g吸附甲醛的2-4mm椰壳活性炭进行实验，甲醛处理效率为96.4％，再生后的活性炭质量损失为1.2％，单位质量甲醛吸附能力提高2.4％。
3.在可再生活性炭的普适性方面，收集了市面上常见的三种类型活性炭(4mm-6mm球型活性炭、2mm-4mm椰壳活性炭、4mm-6mm椰壳活性炭)进行再生实验，VOCs去除效率分别96.7％、96.4％和95.4％，都具有良好的处理效果，且排放的气体均达到排放标准。
优选地，所述石英装置主体的底部直径为60mm，高度125mm，石英壁厚5mm，顶部突出一个直径100mm，厚度5mm的圆盘。装置主体1为一体式结构，可增强本装置的一体性和便携性；由于装置主体1仅上方开口，可保证饱和活性炭再生层脱附的VOCs气体全部通过复合式微波等离子体发生层，实现对VOCs的有效处理。
具体实施方案二：结合图1至图4所示，所述网状微波等离子体发生层4为半球型或立方体结构，也可选择其他结构，只需所述网状微波等离子体发生层4可将下方的颗粒状微波等离子体发生层6完全覆盖即可，网状微波等离子体发生层4设置为多层，可提高等离子体产生效果；所述网状微波等离子体发生层4为网状金属微波等离子体发生层，包括纯金属或合金材质。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案一相同。
具体实施方案三：结合图1至图4所示，所述网状金属微波等离子体发生层和承载结构8的金属丝的方孔边长均为5mm-25mm，所述网状金属微波等离子体发生层的金属丝直径为0.5mm-1.5mm；所述网状金属微波等离子体发生层在不破坏整体结构的情况下网状结构的肋形成多个0.5mm-1.5mm的断口，以便于微波等离子体的产生。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案二相同。
优选地，所述网状金属微波等离子体发生层的上端设有把手3，所述把手3为耐高温橡胶或树脂材质。
优选地，所述承载结构8与网状金属微波等离子体发生层的底端通过若干个连接柱5连接，便于将复合式等离子体发生层取下、盖回及活性炭12的更换。
具体实施方案四：结合图1至图4所示，所述承载结构8的侧边围设有围挡13，所述围挡13为聚四氟乙烯或石英围挡，聚四氟乙烯或石英围挡为透波性好、耐热性好的材料，在起到支撑作用的同时可尽量减少静电屏蔽，同时不影响脱附出来的VOCs气体通过。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案三相同。
具体实施方案五：结合图1至图4所示，所述颗粒状微波等离子体发生层6为非金属微波等离子体产生颗粒，所述非金属微波等离子体产生颗粒为石墨或黄铁矿，为保证放电均匀性及放电强度，所述非金属微波等离子体产生颗粒的粒径为1mm-6mm，通过实验发现将材料堆叠为圆锥体效果较好。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案四相同。
具体实施方案六：结合图1至图4所示，所述石英棉层7铺设在装置主体1底部和侧壁，所述石英棉层7的厚度为1mm-3mm，石英棉层7可起到保温、隔热作用，内部的金属网9对活性炭12形成静电屏蔽，以防止其由于吸波过多导致温度过高产生烧蚀，同时可以为活性炭12的脱附提供所需要的热量。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案五相同。
具体实施方案七：结合图1至图4所示，所述石英棉层7底部上铺设导热层13，所述导热层13为碳化硅片或金属片，使活性炭12受热均匀，提高导热系数，石英棉层7内可盛放20-50g吸附VOCs的活性炭12(不同的饱和活性炭密度不同)。本实施方案的其他组合和连接关系与具体实施方案六相同。
运行原理：
活性炭层的再生原理：微波加热技术通过外加交变电磁场，物料内极性分子极化并随外加交变电磁场极性变更而交变取向，极性分子因频繁相互间摩擦损耗使电磁能转化为热能；活性炭12、金属等材料具有优良的微波吸收性能。实验中发现，活性炭12直接暴露在家用微波炉中时，会发生红热、甚至燃烧，导致再生效果变差并产生碳排放。因此在其外侧设计了金属材质微波屏蔽及导热网，在屏蔽微波的同时，还可以将活性炭层的温度控制在合理的范围内。这一温度范围足够使活性炭中的VOCs脱附，而又不会引起活性炭的烧蚀。而反应过程中，活性炭中的水分子以及其他有机物等迅速被加热，一部分有机物受热分解成CO2气体和水蒸气，产生的蒸汽气压从原料内部向外部压出，在这种作用下，活性炭12的孔隙结构得到进一步发展，形成显著的多孔结构；一部分有机物被碳化，并和原有碳在高温下发生水煤气反应，进一步扩展了活性炭12的孔隙，从而增强其吸附能力。
复合式微波等离子体发生层无害化去除VOCs的原理：网状金属材料及颗粒状非金属材料在微波作用下电磁、电离现象产生了等离子体电火花，一方面使温度迅速升高，为VOCs的分解提供了所需要的能量，另一方面，产生的等离子体可以对VOCs的分解起到催化作用，极大降低了该反应的能垒，使VOCs的分解效率大大提升。而两种不同放电结构的叠加，也充分利用了两种结构的优势：即颗粒状非金属材料放电密集而不剧烈，网状金属材料放电剧烈而不密集，可以使VOCs分解得更加彻底。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本发明领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，包括装置主体(1)，所述装置主体(1)为上端开口的桶状结构，其特征在于：所述装置主体(1)为石英装置主体，还包括复合式等离子体发生层和饱和活性炭再生层，所述装置主体(1)内部依次设有复合式等离子体发生层和饱和活性炭再生层，所述复合式等离子体发生层包括至少一层的网状微波等离子体发生层(4)、颗粒状微波等离子体发生层(6)和承载结构(8)，所述网状微波等离子体发生层(4)与承载结构(8)连接，所述承载结构(8)上放置颗粒状微波等离子体发生层(6)，所述承载结构(8)为包裹石英棉的金属网(9)，所述承载结构(8)可拆卸的放置在饱和活性炭再生层上，所述饱和活性炭再生层包括桶状结构的石英棉层(7)，所述石英棉层(7)内部布设金属网(9)，所述石英棉层(7)及金属网(9)内用于放置活性炭(10)。
2.根据权利要求1所述的一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，其特征在于：所述网状微波等离子体发生层(4)为半球型或立方体结构，所述网状微波等离子体发生层(4)可将下方的颗粒状微波等离子体发生层(6)覆盖。
3.根据权利要求2所述的一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，其特征在于：所述网状微波等离子体发生层(4)为网状金属微波等离子体发生层。
4.根据权利要求3所述的一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，其特征在于：所述网状金属微波等离子体发生层和承载结构(8)的金属丝的方孔边长均为5mm-25mm，所述网状金属微波等离子体发生层的金属丝直径为0.5mm-1.5mm。
5.根据权利要求4所述的一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，其特征在于：所述网状金属微波等离子体发生层在不破坏整体结构的情况下网状结构的肋形成多个0.5mm-1.5mm的断口。
6.根据权利要求5所述的一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，其特征在于：所述承载结构(8)与网状金属微波等离子体发生层的底端通过若干个连接柱(5)连接。
7.根据权利要求5所述的一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，其特征在于：所述承载结构(8)的侧边围设有围挡(13)，所述围挡(13)为聚四氟乙烯或石英围挡。
8.根据权利要求7所述的一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，其特征在于：所述颗粒状微波等离子体发生层(6)为非金属微波等离子体产生颗粒，所述非金属微波等离子体产生颗粒的粒径为1mm-6mm。
9.根据权利要求8所述的一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，其特征在于：所述石英棉层(7)铺设在装置主体(1)底部和侧壁，所述石英棉层(7)的厚度为1mm-3mm。
10.根据权利要求9所述的一种利用家用微波炉实现VOCs无害化处理及活性炭再生的空气净化装置，其特征在于：所述石英棉层(7)底部上铺设导热层(12)。
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