CN1772349A

CN1772349A - 一种消除建筑物内有机污染气体的方法及装置

Info

Publication number: CN1772349A
Application number: CN 200510115867
Authority: CN
Inventors: 韩旭; 狄洪发
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2006-05-17

Abstract

本发明涉及一种消除建筑物内有机污染气体的方法及装置，本发明方法包括以下步骤：(1)在一密闭的装置中，使有机污染气流流经高湿材料层；(2)通过臭氧发生器向气流中注入臭氧；(3)用紫外光照射高湿材料层，使高湿材料层生成羟基自由基；(4)羟基自由基与流经高湿材料层的有机污染气体发生氧化反应，生成二氧化碳、水或矿物盐，从而消除空气中的有机污染气体。本发明采用臭氧，在高湿环境中生成羟基自由基，通过氧化来消除室内空气中的有机污染物，具有结构简单，使用方便，净化效率高，效果稳定，净化能力可调节，成本低廉等优点。本发明可以广泛用于各种需要消除空气中有机污染物的场合。

Description

一种消除建筑物内有机污染气体的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种空气净化方法及装置，特别是关于一种能消除建筑物内有机污染气体的方法及装置。

背景技术

建筑物内有机污染物主要来自室内装饰材料，其成分为甲醛、甲苯、二甲苯等挥发性芳香族化合物。目前消除这类污染化合物的方法包括：活性炭吸附、纳米光催化降解、臭氧氧化、紫外线照射、等离子体净化等，这些技术在近年来的发展特点如下：

1、吸附技术：普通活性炭的选择性明显，对分子量小的化合物，如氨、硫化氢和甲醛的吸附效果较差。

2、光催化技术：到目前为止，已有很多基于小规模反应器的光催化实验研究，其先后对甲醛、乙醛、甲醇、甲苯、二甲苯和一氧化碳等60余种有机气体进行过光催化反应研究，实验结果存在很大的差异。在实际应用中，各种光催化产品的净化效能也相差很大。造成差异的原因有：(1)使用的光催化剂种类不同，进行过光催化实验的催化剂有TiO₂、ZnO、ZnS、CdS等多种，普遍认为TiO₂和ZnO的实用性好，并且TiO₂最具有应用前景。TiO₂依晶型不同分为无定型、金红石型、锐钛型、板钛型4种，试验结果表明，以一定比例共存的锐钛型(76.7％)和金红石型(23.3％)TiO₂(P25)的催化活性较高。(2)光催化材料的制备过程不同，制备方法从原料上分有两种：一是直接使用TiO₂，进行分散、表面改性处理；二是使用TiO₂的前驱体，经物理、化学的一系列处理得到活性TiO₂。从过程中的相态变化上分，则有气相法、液相法、固相法。制备工艺不同，使得TiO₂的光催化性质存在较大差异。(3)光催化剂的载体不同，TiO₂可以通过不同的负载方法负载在玻璃制品、沸石、活性炭颗粒、活性炭纤维、硅胶、不锈钢、氟树脂、玻璃纤维。负载在沸石、活性炭、硅胶上制成的光催化材料，往往表现出更好地的净化效果，这是由于载体有较强的吸附性能，将有害气体进行物理吸附后，再进行光催化处理，提高了空气净化效率。(4)反应器的设计参数不同，牵涉到UV辐射光强、允许的气体进、出口流速、实验时环境温度与湿度等参数。可见光光催化剂的研制，尽管已取得部分进展，但是去除有机污染物的效率较低，与实际应用还有距离。以上原因造成使用光催化技术的空气净化器性能可靠性差。此外，光催化技术还存在材料制造成本较高的问题。

3、低温等离子体技术：等离子体是由电子、离子、原子、分子和自由基等粒子组成的集合体，具有宏观尺度的电中性，通常采用电晕放电或辉光放电产生低温等离子体。等离子体净化技术的原理是利用高能电子轰击途经的气体分子，产生自由羟基和臭氧等，这些强氧化物质可迅速氧化掉室内如VOCs、CO、NH₃等有害气体；同时，电离过程中会产生大量的新产物，可能会对人体健康造成新的威胁。所以，目前该技术还主要用于烟气脱硫和脱氮处理。

4、臭氧氧化技术：臭氧广泛地被用于室内空气消毒。因为臭氧的强氧化性，使得浓度超过一定限值后对人体存在生理威胁，我国在《室内空气中臭氧标准》和《室内空气质量标准》中都限定了臭氧浓度的上限(0.16mg/m³，小时均值)，这是使用臭氧进行室内空气净化中应该重视的一个问题。美国环保署认为臭氧在浓度低于人体安全值时，并不能快速、有效地消除甲醛等污染物。天津市卫生疾病控制中心的刘洪亮等进行了臭氧消除甲醛、苯的实验。采用模拟现场加人工喷洒受试物质的方法，使用甲醛、苯试剂在试验室内分别按0.4mg/m³进行喷洒，再经密闭0.5h自然挥发及平衡后，在开机0.5h、1h、2h以个体采样器分别使用酚试剂吸收液及活性炭管采样分析。该臭氧型空气净化器在温度12.4～14.8℃、湿度36.3％～48.2％的范围内，小片型开机0.5h、1h、2h对模拟现场内苯的有效净化率分别为9.24％、44.42％、55.99％；对甲醛的有效净化率分别只有3.19％、6.79％、10.41％；双片型开机0.5h、1h、2h对苯的有效净化率分别为58.81％、62.74％、72.00％；对甲醛的有效净化率分别只有6.57％、7.53％、11.20％。实验结果支持了美国环保署的意见。

综上所述，目前建筑物内的空气净化技术存在着诸如能效比不高、消除有机污染物有选择性、可能生成新的有害物质等不足和缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种反应效率高、稳定性好、无选择性、无新的有害物生成，能消除建筑物内有机污染气体的方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种消除建筑物内有机污染气体的方法，其包括以下步骤：(1)在一密闭的装置中，使有机污染气流流经高湿材料层；(2)通过臭氧发生器向气流中注入臭氧；(3)用紫外光照射高湿材料层，在高湿材料层生成羟基自由基；(4)羟基自由基与流经高湿材料层的有机污染气体发生氧化反应，生成二氧化碳、水或矿物盐，从而消除空气中的有机污染气体。

所述羟基自由基通过以下两种途径同时生成：(1)当臭氧被紫外光照射时，首先产生游离氧自由基，然后，游离氧自由基与水分子反应生成羟基自由基；(2)臭氧先在高湿材料表面产生过氧化氢，然后过氧化氢在紫外光的照射下分解生成羟基自由基。

在密闭的壳体内设置活性炭层，利用活性炭吸附净化后空气中残余的臭氧。

在密闭的壳体出口设置中效或高效过滤器，过滤空气中的颗粒和活性炭层脱离的炭粒子。

一种消除建筑物内有机污染气体的装置，其特征在于：它包括一密闭的壳体，所述壳体的一端设置一污浊空气进口，另一端设置一清洁空气出口，在所述污浊空气进口与清洁空气出口之间的壳体内依次设置有一臭氧发生器、至少两紫外灯和一高湿材料层，在所述污浊空气进口或清洁空气出口设置一作为空气动力的风机。

在所述高湿材料层与所述清洁空气出口之间设置一活性炭层。

在所述污浊空气进口处设置一粗效或中效过滤器，在所述清洁空气出口处设置一中效或高效过滤器。所述高湿材料层由是吸附了水分子或含有过氧化氢水溶液后的颗粒物或高分子聚合物或纤维织物材料组成。

所述颗粒物包括硅胶、活性炭、分子筛、沸石和凹凸棒土中的一种，所述颗粒物的保湿为自身吸湿性或加入高吸湿性的无机盐。

所述无机盐为氯化锂或氯化钠。

所述高分子聚合物为聚丙烯酸酯类、聚乙烯醇类、醋酸乙烯共聚物类、聚氨酯类、聚环氧乙烷类、淀粉接校共聚物类吸水树脂，所述吸水树脂的保湿为自身保湿。

所述纤维织物为化纤、毛毡和活性炭纤维中的一种，所述纤维织物的保湿为自身吸湿或复合固态吸水物质。

所述固态吸水物质为氯化锂、硅胶、分子筛中的一种。

本发明由于采取以上技术方案，其与现有技术相比具有以下优点：1、本发明方法将臭氧、高湿材料层、紫外光照射三种技术结合在一起，使臭氧在紫外光的照射下在高湿材料层生成羟基自由基(·OH)，进而将流经高湿材料层的有机污染物氧化成二氧化碳、水或矿物盐，实现了本发明消除有机污染气体，特别是消除甲醛气体的目的。2、本发明使用的臭氧浓度很低，其并且不直接用于氧化有机污染物，而是作为生成羟基自由基的气源，这是与传统的使用臭氧的空气净化器截然不同的的。但是由于在本发明方法中臭氧是与高湿材料和紫外光照射配合，因此不但可以高效率地消除建筑物内的有机污染气体，而且不会给环境带来新的有毒有害产物，特别是低浓度的臭氧使本发明方法使用非常安全方便。3、本发明所使用的臭氧发生技术、紫外灯制造技术目前极为成熟，组件可以直接在市场上购买到，因此，操作过程及净化效率稳定，与光催化材料相比，本发明装置中的高湿材料层不需要进行纳米级加工，大大降低了净化的成本。4、本发明装置结构简单，可通过调整同一台空气净化装置的臭氧发生量，或紫外灯照射支数来实现增加或减少羟基自由基(·OH)的生成数量，因此可以很方便地调节装置的净化能力，实现对不同环境中污染物浓度变化的使用要求。

附图说明

图1是本发明空气净化装置的结构示意图

图2是本发明空气净化装置消除有机挥发物甲醛的比照实验结果曲线示意图

具体实施方式

下面结合附图和较佳实施例对本发明进行详细的说明。

实施例1：一种为实现消除建筑物内有机污染气体的方法而设计的装置

如图1所示，本发明的装置包括一密闭的壳体1，壳体1的一端设置一污浊空气进口2，另一端设置一清洁空气出口3。污浊空气进口2与清洁空气出口3之间的壳体1内，依次设置一粗效或中效过滤器4，一臭氧发生器5、至少一紫外灯6、一高湿材料层7、一活性炭层8、一中效或高效过滤器9。装置的空气动力是设置在污浊空气进口2或清洁空气出口3外侧的风机10。

上述装置中，臭氧发生器5、紫外灯6、高湿材料层7和风机10是必须的，活性炭层8是为了利用活性炭吸附空气中残余的臭氧，粗效过滤器4、中效过滤器9和是为了拦截空气中的杂质颗粒加强净化空气效果而设置的，这在一般空气净化中也常有使用。在壳体1底部还可以设置一出水口，平时封闭，放水时打开。

高湿材料7是以颗粒物、高分子聚合物或纤维织物为载体，在充分吸附了水分子或含有过氧化氢水溶液后形成的。颗粒物包括硅胶、活性炭、分子筛、沸石和凹凸棒土，颗粒物的保湿可以利用自身的吸湿性，也可以向其中加入高吸湿性的无机盐，如LiCl、CaCl₂等。高分子聚合物为吸水树脂(SAP)，吸水树脂可以是聚丙烯酸酯类、聚乙烯醇类、醋酸乙烯共聚物类、聚氨酯类、聚环氧乙烷类、淀粉接校共聚物类物质，吸水树脂的保湿为自身吸水保湿。由于吸水树脂具有强烈的吸水吸能，因此可以在净化过程中始终保持所吸收的水份。对于相对湿度大于60％的空气，吸水树脂可以直接从空气中吸收水分。纤维织物可以是化纤、毛毡和活性炭纤维等等，纤维织物的保湿也可以利用自身的吸湿性，或在纤维织物上复合固态吸水物质，如LiCl、硅胶、分子筛等。高湿材料层7可以在使用前加湿，也以在净化现场从空气中吸取水分，在干燥地区或冬季供暖地区，一般要在本发明装置的高湿材料层7前设置一加湿装置。

本实施例在加湿材料层7前面的壳体1上、下安装了两支12W的C波段紫外灯6和一发生量为30mg/h的臭氧发生器5。紫外灯6的波长可以选择A、B、C三波段的任一范围，A波段为320～400nm；B波段为275～320nm；C波段为200～275nm。在实际应用中，可以根据污染空气的流量(一般小于3m/s)，调整臭氧发生器5的发生量(一般低于100mg/h)、紫外灯6的支数(至少应有一支)、高湿材料7的厚度、活性炭层8的厚度等，湿度应不低于60％，以实现各种不同使用要求，生产者可以设计出不同的型号，供用户选择。

本发明方法实施时，首先启动装置的臭氧发生器5，打开紫外灯6的开关，然后启动风机10。从污浊空气进口2进入的空气经过粗效过滤器4的过滤，与臭氧发生器5产生的微量臭氧混合。一部分臭氧与空气中的有机污染物发生氧化反应而被消耗，剩余的臭氧遇到高湿材料7后，溶解在高湿材料表面的水分子或含有过氧化氢成分的水溶液中。此时，在紫外灯6的照射下，将由下列两个途径生成羟基自由基：(1)当臭氧被紫外光照射时，首先产生游离氧自由基(·O)，然后，游离氧自由基(·O)与水分子反应产生羟基自由基(·OH)；(2)先在高湿材料表面产生过氧化氢(H₂O₂)，然后过氧化氢(H₂O₂)在紫外光的照射下分解生成羟基自由基(·OH)。然后，羟基自由基(·OH)与流经高湿材料6表面的空气中的有机污染气体分子发生氧化反应，生成二氧化碳(CO₂)、水或矿物盐，从而达到消除建筑物内有机污染气体的目的。通过高湿材料7后的净化空气进一步通过活性炭层8，利用活性炭吸附空气中残余的臭氧，最后经过中效或高效过滤器9，过滤空气中的颗粒和活性炭层脱离的炭粒子，使空气得到进一步的净化后，从清洁空气出口3排出。建筑物内含有的有机污染气体经过反复循环通过本发明的装置后，有机污染物质逐步被消除掉，从而达到净化建筑物内空气的目的。

实施例2：利用本发明空气净化装置消除有机挥发物甲醛的比照实验

利用本发明装置做消除有机挥发物甲醛的实验，与甲醛的自然降解实验和直接利用一臭氧发生器发生的臭氧对甲醛进行氧化消除的实验，进行比照实验。

实验在一个密闭测试舱内进行。测试舱内部净空尺寸为2.5m×2.5m×2.5m，铝合金框架，全透明玻璃墙，地面采用铝板，设置双层密闭门。实验的环境温度为30℃，环境湿度为60％。比照实验过程如下：

(1)通过甲醛自然降解进行的实验

实验准备：打开测试舱双层密闭门，将装有甲醛溶液(体积浓度为36％)的玻璃皿放入测试舱内，打开测试舱中的风扇，敞开玻璃皿的口盖，关闭双层密闭门。10min后，关闭测试舱风扇，进入测试舱，取出装有甲醛溶液的玻璃皿。关闭双层密闭门。再次打开测试舱风扇。

采样检测：风扇再次开动10分钟后，通过测试舱侧壁上的采样管进行抽气采样。使用一台PPM400型甲醛测试仪检测所采样品中的甲醛浓度，并作为测试舱空气中甲醛的初始浓度。之后每隔30分钟采样、检测一次，记录各次样品中甲醛浓度的变化(如图2中曲线a所示)。整个过程一共采样、测试7次，共180分钟。

(2)用臭氧发生器发生的臭氧对甲醛进行氧化消除的实验

实验准备：同实验(1)。

采样检测：风扇再次开动10分钟后，通过测试舱侧壁上的采样管进行抽气采样。使用一台PPM400型甲醛测试仪检测所采样品中的甲醛浓度，并作为测试舱空气中甲醛的初始浓度。然后启动发生量为200mg/h、出气口与测试舱进气口接通的臭氧发生器，使其工作180分钟。在此期间通过采样管每隔30分钟进行一次采样测试。检测样品的甲醛浓度变化(如图2中曲线b所示)。

(3)用本发明装置对甲醛(HCHO)进行氧化消除的实验

实验准备：先将本发明装置放入测试舱小室，臭氧发生量调至30mg/h，然后各步骤同实验(1)。

采样检测：风扇再次开动10分钟后，通过测试舱侧壁上的采样管进行抽气采样。使用一台PPM400型甲醛测试仪检测所采样品中的甲醛浓度，并作为测试舱空气中甲醛的初始浓度。然后启动本发明装置，使其工作180分钟。在此期间通过采样管每隔30分钟进行一次采样测试。检测样品的甲醛浓度变化(如图2中c曲线所示)。

如图2所示，可以看出上述实验条件下，在3个小时内，甲醛在密闭测试舱中通过自然降解，浓度下降了0.19mg/m³；使用发生量为200mg/h的臭氧发生器发生的臭氧进行氧化处理，甲醛浓度下降了1.17mg/m³；采用本发明装置进行高级氧化处理，甲醛浓度下降了4.21mg/m³。而本发明装置中的臭氧发生器，其臭氧发生量仅为30mg/h。这表明，在同等条件下，本发明装置对甲醛的消除能力远远高于采用臭氧发生器发生的臭氧对甲醛的消除能力。

由实施例的比较结果证明，对于消除建筑物内空气中的有机污染物，采用本发明装置的消除效率高，稳定性好，成本低，使本发明具有良好的经济前景。

Claims

1、一种消除建筑物内有机污染气体的方法，其包括以下步骤：

(1)在一密闭的装置中，使有机污染气流流经高湿材料层；

(2)通过臭氧发生器向气流中注入臭氧；

(3)用紫外光照射高湿材料层，使高湿材料层生成羟基自由基；

(4)羟基自由基与流经高湿材料层的有机污染气体发生氧化反应，生成二氧化碳、水或矿物盐，从而消除空气中的有机污染气体。

2、如权利要求1所述的一种消除建筑物内有机污染气体的方法，其特征在于：所述羟基自由基通过以下两种途径同时生成：

(1)当臭氧被紫外光照射时，首先产生游离氧自由基，然后，游离氧自由基与水分子反应生成羟基自由基；

(2)臭氧先在高湿材料表面产生过氧化氢，然后过氧化氢在紫外光的照射下分解生成羟基自由基。

3、如权利要求1或2所述的一种消除建筑物内有机污染气体的方法，其特征在于：在密闭的壳体内设置活性炭层，利用活性炭吸附净化后空气中残余的臭氧。

4、如权利要求1或2所述的一种消除建筑物内有机污染气体的方法，其特征在于：在密闭的壳体出口设置中效或高效过滤器，过滤空气中的颗粒和活性炭层脱离的炭粒子。

5、如权利要求3所述的一种消除建筑物内有机污染气体的方法，其特征在于：在密闭的壳体出口设置中效或高效过滤器，过滤空气中的颗粒和活性炭层脱离的炭粒子。

6、一种消除建筑物内有机污染气体的装置，其特征在于：它包括一密闭的壳体，所述壳体的一端设置一污浊空气进口，另一端设置一清洁空气出口，在所述污浊空气进口与清洁空气出口之间的壳体内依次设置有一臭氧发生器、至少一紫外灯和一高湿材料层，在所述污浊空气进口或清洁空气出口设置一作为空气动力的风机。

7、如权利要求6所述的一种消除建筑物内有机污染气体的装置，其特征在于：在所述高湿材料层与所述清洁空气出口之间设置一活性炭层。

8、如权利要求6所述的一种消除建筑物内有机污染气体的装置，其特征在于：在所述污浊空气进口处设置一粗效或中效过滤器，在所述清洁空气出口处设置一中效或高效过滤器。

9、如权利要求7所述的一种消除建筑物内有机污染气体的装置，其特征在于：在所述污浊空气进口处设置一粗效或中效过滤器，在所述清洁空气出口处设置一中效或高效过滤器。

10、如权利要求6或7或8或9所述的一种消除建筑物内有机污染气体的装置，其特征在于：所述高湿材料层由是吸附了水分子或含有过氧化氢水溶液后的颗粒物或高分子聚合物或纤维织物材料组成。

11、如权利要求10所述的一种消除建筑物内有机污染气体的装置，其特征在于：所述颗粒物包括硅胶、活性炭、分子筛、沸石和凹凸棒土中的一种，所述颗粒物的保湿为自身吸湿性或加入高吸湿性的无机盐。

12、如权利要求11所述的一种消除建筑物内有机污染气体的装置，其特征在于：所述无机盐为氯化锂或氯化钠。

13、如权利要求10所述的一种消除建筑物内有机污染气体的装置，其特征在于：所述高分子聚合物为聚丙烯酸酯类、聚乙烯醇类、醋酸乙烯共聚物类、聚氨酯类、聚环氧乙烷类、淀粉接校共聚物类吸水树脂，所述吸水树脂的保湿为自身保湿。

14、如权利要求10所述的一种消除建筑物内有机污染气体的装置，其特征在于：所述纤维织物为化纤、毛毡和活性炭纤维中的一种，所述纤维织物的保湿为自身吸湿或复合固态吸水物质。

15、如权利要求14所述的一种消除建筑物内有机污染气体的装置，其特征在于：所述固态吸水物质为氯化锂、硅胶、分子筛中的一种。