CN1520935A - 非热放电和光催化协同净化污染空气装置 - Google Patents

Abstract

本发明以正高压和/或负高压给放电反应器提供电能，放电电极结构为针阵列对平板或网的结构，同时在放电区适当的位置安设光催化剂，使非热放电和光催化作用结合，协同处理流经放电区的污染空气。在非热放电和强电场作用下高效捕集污染空气中微细悬浮颗粒物；在非热放电和催化的协同作用下高效降低污染空气中的有害化学成分；同时有效杀灭致病细菌，最终实现快速高效净化污染空气的目的。

Description

非热放电和光催化协同净化污染空气装置

本发明涉及非热放电等离子体和化学催化领域，特别涉及电晕放电产生和非热放电同光催化协同作用净化污染空气。

一般来说，如图1所示一个室内空气净化系统包括一个驱动室内空气循环的动力装置风机1，一个净化装置2，若干进出风口3和4，和同处理装置连接的通风管道5，以及相应的电控系统。其中室内空气净化系统的核心单元是净化装置。

以下参考附图详细说明目前室内空气净化处理的工作情况。

目前空气净化方法主要有过滤、静电收尘、化学催化、臭氧或负离子等。其主要存在的技术问题：如图2所示，过滤器8有较大的风阻，影响处理风量，因化学反应和固液颗粒物污染需要定期更换滤芯；如图3所示，静电场主要对颗粒物收集有效，但对微细颗粒物收集效果不佳；负离子与空气中的悬浮颗粒物结合，极易生成具有极性污染的粒子——“重离子”；臭氧虽具有消毒、灭菌作用，但对人体有害(臭氧卫生标准：1h平均最高允许浓度0.1mg/m³)；如图4所示，化学触媒也属于过滤技术，易被油污烟尘污染而失去除臭功能。

针对现有技术不足，近年来国际国内正从以下两方面努力发展新一代空气净化技术。第一是开发等离子体空气净化技术，如脉冲电晕放电或介质阻挡放电(如图5和6所示)，而不仅仅通过臭氧或负离子发生来进行空气净化。第二是二氧化钛(TiO₂)光催化分解恶臭分子和细菌使其无害化。显然，强烈的自由基反应或光催化促进对有害化学气体去除起到以往技术难以达到的效果。这些努力又分为以下三个关键的研究方向。

其一是单纯采用等离子体净化空气技术。目前遇到的主要问题是，等离子体化学反应难以控制，处理中和处理后可能产生有害物质，对反应机理需要深入研究；运行中伴随臭氧合成，如减弱放电强度净化效果随之下降；同时因放电电极受烟尘污染不能维持长期正常放电；另外等离子体发生装置复杂昂贵，影响该技术的产品化和推广应用。

其二是采用光催化技术。TiO₂只吸收小于400nm的光能，这部分光仅占地面接收太阳光的5％。为加快污染物的净化，国际上正活跃着结合紫外光源辐照的光催化技术，已召开了多届光催化水处理和空气净化国际学术会议。大量文献提供的结果显示，光催化处理需要的时间至少以小时计算，甚至需要更长的处理时间。此方法仍处于研究开发阶段，主要研究集中在催化剂微观特性和固化技术的改进以及净化效果提高上。

如图7所示，第三个方向是将等离子体技术和催化技术相结合净化室内空气。这种新技术已用于韩国LG等离子体空调器中，但据了解，目前利用该技术形成的产品还未达到快速高效净化室内空气的目的，同时产品的价位非常高，不利于广泛应用。同时，这一研究方向还未普遍被重视，技术本身可以有许多发展分支，均未得到系统的研究。

上述分析了各种室内空气净化装置的技术情况，除LG等离子体空调器利用了先进的新技术并具有较好的净化功能外，其它各种应用均存在较多的弊端。

本发明的目的是将一种新的放电方式应用于空气净化装置中，使非热微放电的发生具有简单、高效、稳定和可靠的特点；并同光催化结合实现等离子体引发的自由基反应和光催化作用引发的化学反应同时一体作用于污染空气，达到快速高效净化空气。

在本发明设计的净化装置中，以针阵列对金属平板或网的电极结构作为放电反应器主体，用高压正直流和/或负直流给放电反应器供电，产生强烈的非热放电，同时在反应器内安设光催化剂或化学催化剂，共同作用处理流经反应器放电区的污染气体。在这一放电装置中，针阵列放电电极代替一般的线电极或多针电极，不同于一般静电除尘电场的电极结构和脉冲电晕放电的电极结构；用高压正直流和/或负直流供电代替目前正发展的脉冲高压供电或其他各种波形的高压供电；催化剂安设于直接受非热放电产生的快速电子轰击和放电产生的紫外光辐射之处；处理气体在放电区的停留时间相对更短；稳定的高压电场，强烈的一级或多级正负非热放电，以及光催化的综合作用处理流经的污染气体。

在前述净化装置中，针阵列对金属平板或网的放电电极结构为强烈稳定的非热放电产生提供条件，同时有利于更多的高压电能注入放电反应器，易于扩大放电装置并增加其净化处理容量。正直流和/或负直流高压供电，降低整机制作成本，提高电能转化成放电能量的转化率。

由于直流高压供能使放电区电场较为稳定，同时强烈的非热放电使微细颗粒物超饱和荷电，两者共同作用达到高效捕集微细颗粒物。这样同时起到保护后级安设的光催化剂免受污染，提高其使用效应和寿命。根据实际工况应用一级或多级正负非热放电，达到各种工况下复杂污染体系的高效净化。另外通过非热放电和光催化的有机结合增强协同净化作用，提高净化速率和效果。

以下通过净化实验来进一步说明本发明的优点。

图9为应用本发明图8B所示的两级放电反应器55和56净化室内空气的结构示意图。在120m³封闭室内空间中，放置一空气净化器，净化器内风机54驱动室内空气经过净化器循环流动，通过电控系统57控制处理风量、放电强度和净化处理时间。在试验过程中用声级计测量噪声等级，取样室内空气中悬浮颗粒物浓度，甲醛浓度，细菌和微生物浓度等。通过实验测试来确定本发明的综合性能和净化效果。

根据相关国家标准，用ND6型脉冲精密声级计在距净化器0.5m处测量噪声，采用的测量标准是A声级(对人最敏感)。背景噪声约50db左右，多次测量结果得到放电噪声在45到50db之间。

甲醛是室内空气污染中具有代表性的污染物，在前述封闭空间中充满一定浓度的甲醛气体来模拟被污染的空间，然后用净化器在该室内运行来测试净化效果，实验结果如表一所示。

表一  甲醛去除实验结果

试样编号	采样状态	甲醛浓度(mg/m3)
			1	初始状态	0.96
2	C类放电20min后	0.85
			3	C类放电40min后	0.54
4	再次初始状态	1.62
			5	A类放电20min后	1.08
6	A类放电40min后	0.06

从表一看出去除甲醛的效果C类放电劣于A类放电，净化效果同放电方式和参数有关，应用过程中需要视具体工况确定优化的净化工艺，本发明的应用举例装置已经达到快速高效去除甲醛气体的目标。

不完全燃烧纸张来发生烟雾，使前述封闭空间充满严重的悬浮颗粒物。采用智能总悬浮颗粒物采样仪采集悬浮颗粒物样。通过采样仪的空气流量为100L/min，采样时间是10min，实验分三组进行，结果见表二、三和四。结果显示，本举例装置能在短时间内将严重悬浮颗粒物污染的室内达到净化标准，当然具体的颗粒物捕集效率同放电方式和参数相关。

表二A类放电捕集颗粒物结果

试样编号	采样状态	颗粒物(mg/m3)
			1	初始状态	3.11
2	工作10min后	0.88
			3	工作20min后	0.20
4	工作30min后	0.00

表三B类放电捕集颗粒物结果

试样编号	采样状态	颗粒物(mg/m3)
			1	初始状态	2.11
2	工作10min后	0.71
			3	工作20min后	0.30
4	工作30min后	0.10

表四C类放电捕集颗粒物结果

试样编号	采样状态	颗粒物(mg/m3)
			1	初始状态	3.22
2	工作10min后	1.01
			3	工作20min后	0.33
4	工作30min后	0.05

采用空气自然沉降法，对净化器使用前、后两个时段进行采样、计数、分析。仪器与器材：普通营养琼脂，沙氏培养基及复星全自动微生物鉴定仪。

在净化器开启前、启动后10min分别取三点距地面1m处直接将空气中的含菌微粒收集于琼脂培养基平皿上，采样时间为5分钟；采样后，在37℃温箱中培养48h，然后进行菌落记数和细菌分类。结果得到：在10分钟处理时间内，杀灭50％的致病细菌，包括微生物、细菌、和真菌。

以下结合附图所示实施例进一步描述本发明设计的空气净化装置。

图1是室内空气净化系统整体示意图；

图2是机械过滤装置示意图；

图3是静电过滤装置示意图；

图4是化学触媒装置示意图；

图5是脉冲电晕放电装置示意图；

图6是介质阻挡放电装置示意图；

图7是脉冲电晕放电和光催化相结合的处理装置示意图；

图8A至8C是本发明各种非热放电和光催化结合的净化装置的结构示意图；

图9是应用本发明的两级放电反应器净化室内空气的装置示意图；

以下参考附图中所示的本发明的优选实施例对本发明进行详细的说明。

附图8A至8C显示出本发明高效净化污染空气处理装置的示意图。

如图中所示，以直流高压电源HV₁到HV_n为针阵列38和47对金属平板39或金属网48构成放电电极反应器供电，输出电压值为几kV到几十kV，放电反应器可以为多级结构，每一级反应器用一高压电源供电或同时给多个反应器供电。在图8B中，放电区分多个通道，每一通道中针电极到平板的距离为cm量级，通道高度和长度为cm量级以上。通道数、放电反应器级数、高压电源极性视处理气体的流量、污染程度、以及应用场合而定。光催化剂可以附着在板状电极41和/或网状电极49上，但必须在第一级放电反应器的出风口处或后一级反应器之中；同时也可在放电反应器后增设催化装置43，这样通过前级放电反应器高效捕集微细颗粒物避免催化剂被污染而失效。处理气体在放电区的停留时间相对更短，一般在ms量级以避免放电产生的臭氧量过量；稳定的高压电场，强烈的一级或多级正负非热放电，光催化的综合协同作用处理流经的污染气体。

现在说明在室内空气净化中应用本发明的图9所示装置为优先实施例的工作及其特征。

图9为应用本发明中图8B所示放电反应器用于室内空气净化的总体结构示意图和净化试验室的示意图。以静音风机驱动使试验室内空气通过放电反应器，经反应器处理由出风口排出，这样室内空气被净化处理装置循环处理。

从试验结果得到，非热放电单位放电区注入的放电能量同一般电晕放电的注入能量有数量级区别，包括脉冲电晕放电在内，本新型电晕放电具有更高的放电能量密度。表一、二、三和四显示的结果以及其他结果得到本空气净化装置具有高效的净化效率，包括快速高效捕集悬浮颗粒物、有效降低有害气体成分、快速杀灭各种致病细菌。同时，臭氧在处理空间中的浓度始终稳定在50ppb以下，放电噪声A级在50db以下，这些参数均满足民用和工业用各种场合，适合实际应用的需要。另外，非热放电装置制作简单而价廉，放电强烈而稳定，处理流程简单，风阻小似静电除尘装置，同处理量净化装置体积相对较小，这些特点不但使本净化装置易于工业化大量生产，而且在实际应用中具有良好的可靠性。

由该实施例所示，为在净化处理工艺中应用非热放电技术，特别是强烈、稳定、可靠的非热放电发生，在本发明中更易实现。同时可见，高效净化污染空气的实质原因是稳定的高压电场、均匀强烈的非热放电、光催化、以及这些因素的协同作用。相对于其它各种类型的空气净化装置，本发明电源简单，无需高压脉冲电源；反应器风阻小，易于增大处理风量且节省能量；体积小且捕集悬浮颗粒物效率高，同时延长催化剂使用寿命和提高其使用效应，不产生重离子；同时因臭氧产生微量，可持续工作，真正达到全面净化空气的目的。

对本领域的普通技术人员来说，在不偏离本发明的精神实质和内容范围的前题下，可对本发明作出种种修改。因此在权利要求书和其等效范围内，本发明还包括对其的各种修改方案。

Claims (7)

1·一种非热放电和光催化协同净化空气的装置，其中通过正和/或负直流高压电源提供高压电能注入针阵列对板或网电极的一级或多级放电反应器内，在所述反应器内产生电晕放电，同时光催化剂受放电产生的快速电子轰击和紫外光辐射，处理流经该净化装置的污染气体，其特征在于：

通过稳定的高压电场、强烈的电晕放电、以及光催化三者作用于污染空气，因协同作用快速高效地捕集污染空气中的悬浮颗粒物、降低有害气体成分、和杀灭致病细菌，达到净化空气的目的。

2·根据权利要求1所述的净化装置，其特征在于，高压电源输出正和/或负直流高压，其电压值在几KV到几十KV，放电反应器为针阵列对板或网的电极结构，针阵列电极中针尖间距为mm到cm量级，针阵列到板或网电极距离为cm量级，板或网电极面积视应用场合而定。

3·根据权利要求1所述的净化装置，其特征在于，放电产生的快速电子直接轰击光催化剂，放电产生的紫外光直接辐射光催化剂，光催化剂可以附着在板状或网状电极上，也可以安设在放电反应器的通道空间中，但是光催化剂必须安设在第一级放电反应器后部或包括第二级反应器在内的后级反应器之中。

4·根据权利要求1所述的净化装置，其特征在于，在稳定的高压电场、强烈的电晕放电、以及光催化三者协同作用下，同时一体快速高效捕集悬浮颗粒物、降低有害气体成分、以及杀灭致病细菌。

5·根据权利要求1所述的净化装置，其特征在于，在考虑室内空间大小、污染程度和污染物种等工况条件下，设计放电方式、放电反应器级数和放电强度、处理风量和通风方式，在达到权利要求4所述特征的同时，保持装置运行噪声在50db以下，保持室内空气中臭氧浓度在50ppb左右。

6·根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述放电反应器的电极结构可采用一级或多级结构，每级反应器可以是单通道或多通道并行的结构。

7·根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述净化装置的部分或全部装置可以用于其他污染处理。

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