CN1208115C - 一种两维气－固气－液耦合流化床光催化空气净化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两维气—固气—液耦合流化床光催化空气净化系统。其特征是：该空气净化系统由气—固流化床光催化反应器和气—液流化床反应吸收器耦合而成。气—固流化床光催化反应器由反应器入口轴流风扇(泵)、内层镀反光物质的壳体、TiO₂等半导体光催化剂颗粒、杀菌紫外灯、灯鞘、塔底过滤分布板、塔顶折流板、塔顶滤布等几部分构成；气—液流化床吸收器由壳体、气体下行管、气体再分布板、溢液板、水溶液、清洗水排出口及顶部洁净空气出口等组成。本发明可有效除去空气中的各种污染物，对空气进行深度净化，并同时具有易于放大、结构简单、光催化效率高、安全可靠等特点，适用于对居室、公共场所(如医院，学校，电影院等)等场所进行空气深度净化。

Description

一种两维气—固气—液耦合流化床光催化空气净化系统

技术领域

本发明涉及一种两维气—固气—液耦合流化床光催化空气净化系统，属于空气净化领域的创新。

背景技术

统计资料表明，目前人们有80-90％的时间是在室内度过的，婴幼儿、老弱病残者呆在室内的时间就更长。室内空气质量的好坏直接关系到人们的身心健康，因而室内空气污染也就成了世人关注的焦点之一。实际上，室内空气污染已成为人类的健康杀手。统计资料表明，目前全球约有68％的疾病与室内空气污染有关，发展中国家每年有200万例超额死亡为室内空气污染所致。我国每年由室内空气污染引起的超额死亡人数就超过11万，仅1995年我国因室内污染危害导致的经济损失就高达107亿美元，可见室内空气污染已成为严重影响人类健康的全球性公害。提供优良的室内空气净化装置，建立洁净的生活空间已成为人们的迫切需求。

室内空气污染物主要有以下几类：(1)放射性污染，主要是来源于土壤、建筑和装饰材料等的放射性物质氡及其衰变产物；(2)挥发性有机物(VOC)，如苯，甲苯，二甲苯，甲醛，烃类，氯仿等，其中很多为强致癌物质。它们主要来源于建筑装饰材料、涂料、油漆、地毯、热淋浴、卷烟的烟雾等；(3)其他有害气体，如：氮化物、硫化物、砷化物等，主要来自于建筑装饰材料及化石燃料的燃烧；(4)可吸入颗粒物，如空气中漂浮的微尘；(5)微生物，如细菌、病毒及霉菌等。

室内空气净化的方法主要包括：(1)物理方法：即采用过滤、吸附和电沉积等方法捕集空气中的污染物，此类技术不能从根本上消除污染物，被捕集到的污染物在后处理过程中仍将对环境造成二次污染；(2)热催化：于一定温度下进行催化氧化分解空气中的有害物质。该方法虽然可以彻底净化空气中的挥发性有机物及部分有害气体，但使用中产生的热量会导致环境温度升高，使其应用范围受到限制，也容易引发一些不必要的事故；(3)光催化：是在紫外光(UV)的作用下，于半导体光催化剂表面分解或者氧化空气中的有害物质。研究表明光催化几乎可以将空气中所有的挥发性有机物(VOC)分解为无害的二氧化碳和水，并能有效地杀灭各种病菌，同时也可将有害气体氮化物、硫化物及砷化物等氧化成氧化物(如NO_x、SO_x等)形式。

虽然关于光催化空气净化的研究很多，但是要实现规模化应用尚存在障碍，主要是缺乏能除去空气中所有污染物的高效光催化反应器。目前大多使用“膜”反应器来实施光催化空气净化(如美国专利4954465，5933702；实用新型专利：99217659.X，实用新型专利申请91232342.6等)，即将半导体催化剂(如TiO₂等)涂覆于反应器内壁及内构件表面，空气在紫外光照射下流经反应器，在光催化剂表面(反应器内壁、内构件表面等)，将污染物分解成无害物质。这类反应器中空气与催化剂的接触面积小，且大部分空气在流经反应器时根本接触不到涂在反应器内壁的催化剂。由于光催化反应只在紫外光和光催化剂的共同作用下才会发生，故这类反应器的催化除污效率低。为了提高催化除污效率，人们采用了固定床光催化反应器以增加空气与催化剂的接触效率(如美国专利：5045288，实用新型专利：9720552.9等)，但是固定床光催化反应器也存在严重不足：(1)由于光线不能透过催化床层，故只有固定床表面的催化剂起作用，造成催化剂利用率低；(2)气体通过固定床的压降与颗粒直径平方成反比，与床层高度成正比，固定床光反应器的放大较为困难。

流化床反应器可实现气-固(催化剂)的高效接触，是较为理想的光催化反应器。光催化流化床反应器较多地用于污水处理(如申请号为00112091.3的发明专利，实用新型专利00219445.7等)，也被用于空气净化。Raupp在专利号为5045288的美国专利“气-固光催化氧化环境污染物”(Gas-solid photocatalytic oxidation of environmental pollutants，US Patent 5045288，Sep.3，1991)中采用流化床光催化反应器净化空气，该专利涉及一三维流化床光催化反应器，UV光源置于反应器外。王良焱等在实用新型专利“光催化空气处理器”(专利号99236007.2)”中也设计了一种光催化流化床空气净化器，该反应器为一立桶式三维床流化床，UV光源置于反应器内。

虽然流化床光催化反应器具有气-固接触效率好、紫外光利用率高等优点，但是现有的流化床光催化空气净化技术也存在如下不足：(1)容易引起二次粉尘污染：由于催化剂颗粒在流化床内的相对运动，以及与器壁、灯鞘等的碰撞和摩擦，不可避免地产生微细颗粒，细小颗粒极易随气体夹带扬析而进入室内，造成二次粉尘污染。微细粉尘(特别是粒径小于1μm的粉尘)在空气极难沉降，易随呼吸进入人体，深入肺部，引发各种呼吸系统疾病，对人体健康危害极大。常规方法(如旋风分离)很难脱除流化床尾气中的微细粉尘，因此简单高效地脱除流化床光催化反应器出口尾气中的微细粉尘、避免造成二次粉尘污染是流化床光催化反应器成功应用于室内空气净化的关键。(2)空气净化不彻底：现有的流化床光催化反应器只能对空气中的有机挥发物、细菌等有害物质进行净化，不能有效去除空气中的可吸入颗粒物、放射性污染物及酸性有害气体(SO_x，NO_x，CO₂等)。因此现有的流化床光催化空气净化技术尚不能实现室内空气的彻底净化。(3)放大不易：现有技术一般采用三维流化床反应器，由于紫外光在流化床内穿透距离有限，对于半径超过紫外光穿透距离的大直径三维流化床，位于边壁处的催化剂就无法接触到紫外光，所以三维流化床光催化反应器也存在放大困难的问题。

发明内容

本发明正是针对现有技术的上述不足，设计出了一种两维气—固气—液耦合流化床光催化空气净化系统，可有效除去空气中的各种污染物，对空气进行深度净化，并同时具有结构简单、易于放大、光催化效率高、安全可靠等特点。

本发明的目标是通过如下方案实现的：

本发明设计的空气净化系统主要由气—固流化床光催化反应器和气—液流化床反应吸收器两部分耦合而成。

气—固流化床反应器为一两维流化床，由壳体、紫外灯、灯鞘、半导体光催化剂、轴流风扇(泵)、气体过滤分布板、顶部折流挡板和滤网构成，是光催化分解空气中气体污染物(挥发性有机物和其他有害气体)和杀灭细菌等微生物的反应器。两维床的厚度小于或等于紫外光在流化床中最大穿透厚度的两倍，可保证所有的催化剂都能接触到紫外光，两维床的宽度由处理的气量确定，通过调节两维床的宽度，可适应不同场合对处理气量的需求，也可以很容易地实现放大。

气—液流化床反应吸收器也为一两维流化床，由水箱、多孔气体再分布板、清洗水出口、溢液板及水等组成，用于对经气—固流化床光催化反应器初步净化的空气进行深度、彻底净化，除去空气中的微细尘埃(包括可吸入颗粒物、放射性微尘等)、有害气体(如CO₂，NO_x，SO_x等)等。经气—固流化床反应器初步净化过的气体，由气—液流化床吸收器下部的气体再分布板进入气—液流化床反应吸收器，与其中的水溶液充分混合，有效地脱除尾气中的微细尘埃；可在水中加入表面活性剂，增强水溶液对微尘的吸附效果；在吸收水中加入适量的碱，吸收空气中的酸性气体(如CO₂、SO_x及NO_x等)，还可以根据需要在吸收水中加入适宜的香料以清新空气。在气—液流化床反应吸收器底部设置多孔气体分布板，在反应吸收器下部设置洗液出口，在反应吸收器上部设置溢液板；在气—液流化床反应吸收器中加入填充物，增强气液接触效果。

根据方便美观、节约占地面积的原则，气—液流化床反应吸收器可以置于气—固反应器的前面、后面或侧面。

本发明提供了一种两维气—固气—液流化床光催化空气净化系统，可克服现有技术的不足，高效地除去空气中的污染物。该系统具有以下显著特点：

1)采用两维流化床反应器，使光催化反应器易于放大，适用于不同的场合；

2)气—液流化床反应吸收器可有效地除去空气中的可吸入颗粒物、放射性微尘和由气—固反应器产生的细小粉尘，彻底脱除空气中微粉尘污染；

3)气—液流化床反应吸收器吸收脱除空气中的CO₂、NO_x、SO_x等酸性气体，可对空气实施深度净化；

综上所述，本发明所设计流化床光催化空气净化系统不仅能够与现有技术一样有效地分解空气中的挥发性有机污染物、杀灭空气中的病菌，同时还避免了现有技术容易产生二次粉尘污染，并克服了现有技术不能有效脱除空气中的可吸入颗粒物及酸性有害气体的缺点。

本发明所设计流化床光催化空气净化系统能够全面脱除空气中包括挥发性有机物(VOC)、放射性污染、有害气体(氮化物、硫化物、砷化物等)、可吸入颗粒物和微生物(细菌、病毒及霉菌等)等在内的所有污染物，对被污染空气进行彻底净化。该空气净化系统适用于对居室、公共场所(如医院，学校，电影院等)等场所进行空气净化。

附图说明

图1是横截面为扁矩形的两维气—固流化床光催化反应器的结构示意图。

图2是气—液流化床反应吸收器的结构示意图。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

污染空气1经轴流风扇2鼓入反应器入口，通过气体过滤分布板3进入光催化反应器5，使催化剂4充分流态化，在紫外灯7的照射下催化分解空气中的气体污染物并对空气进行杀毒灭菌，然后经过折流板8和滤网9使其中的颗粒物基本被截留，经初步净化后的空气通过反应器出口10排出，进入气—液流化床反应吸收器进行深度净化。

经光催化反应初步净化的空气由气体下行管11进入气—液流化床反应吸收器，通过气体再分布板15分散进入水溶液，通过反应吸收除去其中的细颗粒物和害气体后排入室内。其中，12为水溶液吸收区，13为溢液区，14为清洗水排出口，16为吸收水溶液，17为溢液板，18为顶部敞开口，供净化气体排出及吸收水加入。

具体实施方式

实施例1

气—固流化床光催化反应器壳体采用3-5mm的铝板材质。为增加光的利用率，在该反应器的壳体内层镀上反光物质，气—液流化床吸收器采用普通的塑料材质。催化剂采用最常用的光催化剂TiO₂，粒径在20-50微米，光源采用高压汞灯。

待处理空气经轴流风扇、过滤布及气体分布板送入气—固流化床反应器。空气流经壳体时，使得催化剂颗粒悬浮充分流态化，空气、催化剂表面及紫外光充分接触，高效地将空气中的有机物(VOC)分解为二氧化碳和水、将硫化物(H₂S等)、氮化物(NH₃等)催化氧化为氧化物，同时杀灭细菌、病毒等。经初步净化的空气通过反应器顶部的折流板和滤布，滤掉其中的较大颗粒催化剂后再进入气—液流化床吸收净化器，洗掉其中的细小粉尘，包括放射性微尘。在吸收水中加入适量的0.1N的NaOH吸收空气中的酸性气体(如CO₂，SO_x，NO_x等)，达到完全脱除有害物质的目的。同时还可以根据需要在吸收水中加入适宜的香料以清新空气。经彻底净化的空气由气—液流化床吸收净化器的顶部空气出口排入室内。

实施例2

当催化剂在可见光范围具有净化空气的催化活性时，采用太阳光作为光源。气—固流化床光催化反应器壳体采用3-5mm的透明有机玻璃或玻璃材质，并移去反应器内的紫外灯；气—液流化床吸收器采用普通的塑料材质。将该气—固流化床光催化反应器挂于室外便于受光的墙壁上。

Claims (10)

1.一种两维气—固气—液耦合流化床光催化空气净化系统，污染空气经轴流风扇鼓入气—固流化床反应器，通过气体过滤分布板进入光催化反应器，使催化剂颗粒充分流态化，在紫外灯的照射下催化分解空气中的有害物质并对空气进行杀毒灭菌，然后经过折流板和滤网除去悬浮于气体中的大粒径颗粒物；经气—固流化床反应器初步净化的空气通过反应器出口排出，进入气—液流化床反应吸收器，除去气体中的微细颗粒物及其它有害气体后排入室内。

2.按权利要求1所述的空气净化系统，其特征在于：将气—固流化床反应器与气—液流化床反应吸收器耦合起来，全面清除空气中的各种有害物质。

3.按权利要求1所述的空气净化系统，其特征在于：所述的气—固流化床反应器采用二维流化床反应器，使光催化反应器易于放大，适用于不同的场合。

4.按权利要求1所述的空气净化系统，其特征在于：在所述的气—固流化床反应器的顶部设置折流板及滤网。

5.按权利要求1所述的空气净化系统，其特征在于：所述的气—液流化床反应吸收器采用水溶液反应吸收的原理，进一步对经气—固流化床反应器初步净化的空气进行深度净化。

6.按权利要求5所述的空气净化系统，其特征在于：在所述的气—液流化床反应吸收器底部设置多孔气体分布板，在反应吸收器下部设置洗液出口，在反应吸收器上部设置溢液板；在气—液流化床反应吸收器中加入填充物，增强气液接触效果。

7.按权利要求5所述的空气净化系统，其特征在于：所述的气—液流化床反应吸收器采用水溶液吸收系统消除微小尘埃物，避免造成粉尘二次污染。

8.按权利要求5所述的空气净化系统，其特征在于：在所述的气—液流化床反应吸收器的溶液中加入表面活性剂，增强其对微细粉尘的脱除效果。

9.按权利要求5所述的空气净化系统，其特征在于：在所述的气—液流化床反应吸收器中加入适量的碱形成水溶液，脱除空气中的CO₂、NO_x、SO_x酸性有害气体，达到完全脱除有害物质的目的。

10.按权利要求5所述的空气净化系统，其特征在于：在所述的气—液流化床反应吸收器中加入香料于水溶液中以清新空气。

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