CN202289842U - 等离子体放电催化空气净化装置 - Google Patents

等离子体放电催化空气净化装置 Download PDF

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翁嘉昌
孙岩
王荣
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宇星科技发展(深圳)有限公司
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Abstract

本实用新型适用于室内空气净化,提供了一种等离子体放电催化空气净化装置,包括外壳,所述外壳相对两端分别设置有进气口和出气口,所述从进气口至出气口之间依次设置有电离区、积尘区、光触媒催化区和动力区。本实用新型与现有技术相比,因为将非平衡等离子体净化技术与光催化氧化技术相结合,不用添加专用的滤网清除有机物,结构简单,TIO2为催化剂,可长期使用,减少维护成本,处理的空气质量良好。

Description

等离子体放电催化空气净化装置
技术领域
[0001] 本实用新型属于室内空气净化处理领域,尤其涉及一种等离子体放电催化空气净
化装置。
背景技术
[0002] 进入21世纪以来,随着全球经济的迅猛发展,以及全球人口的不断增长,由此带来的各种环境污染问题也日益严重。在诸多种类的环境污染问题中,又以空气污染问题首当其冲,据统计,全球性的空气污染问题已经威胁到了超过10亿城市人口的健康。空气污染问题大致可分为室外的大气污染问题以及室内的空气污染问题。大气污染主要由工业生产过程中的过度排放引起,而室内空气污染的来源众多,包括家居装修、室内吸烟、煤气燃气的使用、甚至一些电器和生活用品的使用,都会造成室内空气的污染。此外,造成室内空气污染的气体种类也有很多,其中主要包括可吸入颗粒物、灰尘烟尘、挥发性有机物、氮氧化物、臭氧等等。
[0003] 鉴于室内空气污染的来源广泛、种类繁多,近年来,人们已经逐渐把关注的视角由大气污染的治理转移到室内空气污染的控制上来。与此同时,越来越多的舒适住宅、越来越发达的网络把更多的人“捆绑”在室内,使人们待在室内的时间比例不断增加,可占到全天时间的80-92%,因此这就使得人们对室内空气的质量要求也是越来越高。然而,室内空气污染的现状是极为严重的-与大气污染相比,室内空气中的污染物不易扩散,这使得室内空气中污染物的浓度通常都是室外的5-10倍,据世界卫生组织调查统计,全球每年有近 280万人口直接或间接地因室内空气污染而死亡,其中主要的“凶手”就是可吸入颗粒物、灰尘烟尘以及以甲醛为代表的挥发性有机物。
[0004] 可吸入颗粒物以及灰尘烟尘通过呼吸道直接对人体造成伤害,其中直径在
0. 5-5 Pm之间的可吸入颗粒物、灰尘等对人体健康的危害最大,这些污染物可以直接进入肺细胞组织而沉积,并进入血液,随血液送往全身,而可吸入颗粒物、灰尘等粒子的表面又很容易附着上各种病毒病菌,它们随可吸入颗粒物、灰尘等粒子进入人体后又可以引起心肺以及呼吸道等方面的一系列疾病。据统计,在我国11个最大的城市中,每年丧生于空气中可吸入颗粒物以及灰尘烟尘的就有5万人,而感染慢性支气管炎的可达40万人。根据我国《室内空气质量标准》(GB/T18883-2002)规定,直径小于10 y m的可吸入颗粒物,其日平均浓度应小于0. 15mg/m3,美国及欧洲一些国家除了对直径小于10 ii m的可吸入颗粒物浓度做了明确要求,还对直径小于2. 5 的可吸入颗粒物浓度做出了规定,更好地保护了环境以及人类的健康。
[0005] 挥发性有机物通过呼吸吸收或者通过皮肤接触对人体健康造成伤害,其中甲醛是最典型、对人体危害最大的挥发性有机物。在低浓度下,甲醛最初刺激眼粘膜,浓度稍高时刺激上呼吸道,引起咳嗽、胸闷、并使粘膜溃烂,进而在肺部引起炎症,高浓度吸入时,甲醛会使吸入者出现呼吸道严重的刺激和水肿、呼吸频率下降、眼刺激、头痛等等。人的嗅觉对甲醒的阈值为0. 06-0. 08mg/m3,而在我国,新装修居室内的甲醒浓度可达0. 2-0. 8mg/m3,新家具所释放的甲醛浓度更是高达2. 3mg/m3。针对甲醛的浓度,我国分别在《室内空气质量标准》(GB/T18883-2002)和《居室空气中甲醛的卫生标准》(GB/T16127-1995)中做出了明确的要求,而欧美很多国家也都做出了严格的规定,详见表1-1。
[0006] 表1-1世界各地的室内甲醛浓度的指导限值
[0007]
Figure CN202289842UD00041
[0008]
Figure CN202289842UD00042
[0009] 于是,为了对室内空气中的可吸入颗粒物、灰尘烟尘以及甲醛等挥发性有机物加以控制和去除,人们发明了空气净化器来净化空气,使各种污染物的浓度降低到一个对人体安全的范围以内。近些年来,随着人们对室内空气质量的要求逐渐升高,对空气净化器的各项性能指标的要求也在不断提高。而目前净化器市场上有各式各样的空气净化器,它们净化空气的原理和方式各有不同,所针对的污染物也不尽相同,这也使得它们净化空气的效果参差不齐。因此,研制出一种对各类室内空气污染物都有去除能力的空气净化器,对于空气净化器的发展乃至室内环境的保护都具有很重要的意义;而若能在此基础上进一步提高该空气净化器的各项性能指标,同时又能降低其制作成本,无疑又提高了该空气净化器的市场价值和竞争力。
[0010] 国内外去除可吸入颗粒物、灰尘等的研究现状
[0011] (I)吸附过滤技术
[0012] 人们在早期采用吸附、过滤的方法去除空气中的可吸入颗粒物、灰尘等,其中吸附过滤的材料主要以活性炭为主。这种方法可以获得较好的净化效率,但采用这种方法需要定期更换吸附、过滤的材料,给人们带来不便。
[0013] (2)静电除尘技术
[0014] 于是人们更多地采用了目前比较常见的一种方法——静电除尘,这种方法与前一种方法相比并不需要耗材,具有一定的优势。一般情况下,静电除尘的过程中包含两个极性相反的电极,其中一个电极一般是线状电极或针状电极,它们的共同特征是表面曲率很大、而曲率半径很小,我们称之为电晕极;另一个电极一般是板状电极,我们称之为收尘极。 在两个电极之间加上高压,使其中的电晕极发生电晕放电,形成一个电场,该电场足以使空气发生电离;在电晕极周围,含有可吸入颗粒物、灰尘等粒子的气流在电场的作用下发生电离,形成等离子体,等离子体中的高能电子和正离子撞击可吸入颗粒物、灰尘等粒子而使其带有电荷,称为荷电;荷电后的可吸入颗粒物、灰尘等粒子会在电场力的作用下,向收尘极运动,最终聚集、沉积在收尘极的极板上,称为收尘。静电除尘的方法通过荷电、收尘等一系列的过程,实现了对空气中可吸入颗粒物、灰尘等粒子的净化。
[0015] 有记录表明,早在17世纪,英国的科学家就发现用电可以吸引浮在气体中的微粒。此后在1824年,德国的一位数学家正式提出了用放电的方法除尘。到了 20世纪初,美国人科特雷尔将静电除尘的原理应用于工业,净化工业废气,获得了巨大的成功。到了六十年代,静电除尘已经应用于各个工业部门,静电除尘的方法迅速发展。进入本世纪以来,随着人们生活水平的提高以及人们对生活质量要求的提高,采用静电除尘方法的空气净化器已经走进了千家万户。
[0016] 时至今日,静电除尘的方法仍在不断地发展,在不断改进、优化电极结构的同时, 还更多地引入现代电力电子等新技术,使整个方法更为完善、功能更为齐全、且更适用于室内空气环境的净化,为人们创造一个更为健康、舒适的室内空气环境。当然,这种静电式的除尘方法也有一定的局限性,首先这种方法需要比较高的电压,这就会使整个净化过程中的能耗加大;此外,由于这种方法采用了电晕放电的放电形式,因此在净化颗粒物、灰尘等污染物的同时,生成了臭氧等副产物,而臭氧是对人体健康有害的,尤其在室内净化空气的时候,臭氧更应当受到重视,所以这也是目前静电除尘的方法最需要解决的问题和进一步发展的关键。
[0017] 国内外降解挥发性有机物的研究现状
[0018] 针对室内空气中的另一种污染物一挥发性有机物以及其典型代表甲醛气体,目前存在着几种降解和去除的方法。
[0019] (I)物理吸附技术
[0020] 物理吸附技术是一种比较常见的净化挥发性有机物的方法,这种方法主要以活性炭作为吸附材料来吸附空气中的挥发性有机物,其中吸附材料也可以是分子筛、硅胶、沸石等等。这种物理吸附的方法,具有比较高的净化效率,也便于使用,但由于活性炭等吸附材料属于消耗品,故存在着明显的寿命问题,一旦吸附材料吸附污染物达到饱和的状态,其净化效率就会明显下降,甚至会自主地或是在气流的带动下释放出污染物,反而对环境造成污染。
[0021] 为进一步优化物理吸附净化空气的技术,蔡建、荣海琴等分别采用双氧水以及聚丙烯晴基对活性炭纤维的表面进行改性处理,获得了更好的净化甲醛的效果;此外,古政荣等发现,使用光催化与物理吸附协同作用,既可以使吸附材料获得更长的使用寿命,也可以使光催化的反应速率加快,进而获得了更高的降解甲醛的效率。
[0022] (2)化学生物吸收技术
[0023] 化学生物吸收法是另一种净化挥发性有机物的方法,该方法利用氧化剂、无机铵盐以及有机含氮化合物等化学试剂与挥发性有机物反应将其吸收,或者利用植物的呼吸作用将挥发性有机物吸收。
[0024] Gesser等使用丙三醇和聚乙烯亚胺的混合溶液,将其负载于玻璃纤维上与甲醛反应,获得了较好的降解甲醛的效果;Ar0SlaW等研究了各种含氮有机化合物作为甲醛吸收剂时降解甲醛的效果,其去除甲醛的效率约为70-80% ;Kondo等通过研究认为树木也可以吸收甲醛。
[0025] 总体来说,这种化学生物吸收的方法是有一定局限性的,这是由于挥发性有机物普遍溶解度不高,故真正可以在吸收剂中被吸收的污染物并不会有很多,导致其去除污染物的效率相对其他方法并不算高,况且该方法还存在二次污染的问题,即吸收剂并不能将污染物彻底分解,而若要避免这些问题,则需要一些特定的装置来控制反应条件,这又提高了实现该方法的成本,不易应用。
[0026] (3)光催化技术
[0027] 近年来,一种新兴的净化方法——光催化降解挥发性有机物尤其是降解甲醛的方法,凭借其独特的优势逐渐成为最热门的方法。
[0028] 在光催化去除挥发性有机物的过程中,需要由半导体材料充当催化剂,而这一类半导体材料的分子是具有“能带结构”的,即由电子填满低能价带而高能导带为空,价带和导带两者之间存在的能量之差称为“禁带宽度”。当光照过来的能量大于或等于禁带宽度时,会使价带上的电子受到激发,进而跃迁至导带,成为处于激发态的电子,与此同时,在价带上留下了相应的位置,称为“空穴”,这一过程中产生了电子-空穴对。而在这其中,空穴具有很强的得电子能力,它可以从催化剂表面的水分子中抢夺电子,生成氧化能力极强的羟基自由基,羟基自由基可以将几乎所有的挥发性有机物氧化,并将这些有机物彻底地分解为H20、C02等无机小分子,这样就降解了挥发性有机物。
[0029] 从理论上来说,只要存在一种半导体材料,它所能吸收的光能大于或等于他自身的禁带宽度,由此受到激发,产生电子-空穴对,那么这种材料就可以作为光催化剂使用。 但考虑到成本、使用寿命以及抗光腐蚀能力等因素的限制,人们一般采用金属氧化物作为半导体光催化材料,如Ti02、ZrO2, Sb2O3等,在这些金属氧化物中,又以TiO2最为廉价、催化活性最高、最为稳定且无毒,因此TiO2已被广泛采用,成为最佳的光催化材料。这也能反映出光催化这种方法所具备的独特优势:成本低廉、无毒、无二次污染、便于应用推广。
[0030] 1972年,日本学者Fujishima和Honda发现了在电解水的过程中,使用单晶体TiO2 和Pt作为电极时,可以同时降解水中的一些有机物,为光催化TiO2降解挥发性有机物奠定了基础,从此以后,这种光催化降解挥发性有机物的技术便开始了迅速的发展。
[0031] 时至今日,光催化技术已经相当成熟,但却并非尽善尽美,最致命的缺陷是光催化降解挥发性有机物的效率不高,需要结合其他技术协同作用;此外,作为最常见的催化材料 TiO2,如何将其完好地负载到载体上,也是一个需要解决的问题。
[0032] (4)等离子体技术
[0033] 上世纪60年代,等离子体技术作为一门交叉学科被提出,而到了上世纪80年代, 这门学科开始应用于治理空气污染的领域,时至今日,等离子体技术也已经发展成为一种热门的净化空气的技术。
[0034] 在应用等离子体技术去除挥发性有机物的过程中,首先通过电晕放电、介质阻挡放电等放电过程得到等离子体,而等离子体可以通过两种方式分解甲醛等挥发性有机物: 其一是等离子体中各类活性物种(如羟基自由基等)直接将甲醛等挥发性有机物分子氧化,其二是先由放电产生的高能电子直接与甲醛等挥发性有机物分子的化学键碰撞,使其电离、解离和激发,进而再被活性物种氧化分解,从而实现了去除空气中挥发性有机物的目的。
[0035] 等离子体技术应用于空气净化领域时具备了一定的优势,例如成本低廉、能耗小、 适用范围广泛(几乎可以去除所有的挥发性有机物)、反应迅速且效率较高等等。然而,这种方法也有其自身缺陷,其中最难以克服的就是反应过程中生成臭氧的问题——在去除一种污染物的同时带来了另一种新的污染物;此外,对放电电极的选取、放电电压的控制等等也是需要解决的问题。
[0036] 近年来,随着科技的进步和经济水平的提高,人们对居住环境要求越来越高,室内空气由于建筑材料和装修材料的限制,室内容易生成有害降解有机化合物和微生物,这些污染会导致白血病、癌症等疾病。因此,如何去除有害物,创造一个清洁的人居环境是当前人们所关心的大事。
[0037] 市面上有多种型号的空气净化器,主要分为除尘式空气净化器、除菌式空气净化器和除挥发有机物(VOC)式空气净化器。销量最大的为除尘式空气净化器。最近出现的光触媒空气净化器在原理上具有降解VOC的功能,但实际效率不理想。
实用新型内容
[0038] 本实用新型的目的在于提供一种等离子体放电催化空气净化装置,用于除尘、降解V0C、灭菌消毒。
[0039] 本实用新型是这样实现的,一种等离子体放电催化空气净化装置,包括外壳,所述外壳的相对两端分别设置有进气口和出气口,所述从进气口至出气口之间依次设置有电离区、积尘区、光触媒催化区和动力区。
[0040] 进一步地,所述电离区包括接地的至少一第一导电板及接高压电的至少一第一电极丝,所述除尘区包括交替接高压和低压的至少二第二导电板,所述光触媒催化区包括接高压电的至少一第三导电板及接地的至少一第二电极丝。
[0041] 进一步地,所述第三导电板上涂抹有Ti02光催化剂。
[0042] 进一步地,所述相邻第一导电板之间的距离为20mm,相邻第一电极丝之间的距离为20mm,相邻第二导电板之间的间距为10mm,相邻第三导电板之间的间距为30mm,在同一
7相邻第三导电板的间距内,相邻第二电极丝的间距为20mm,在相邻的第三导电板的间距内, 在垂直于第三导电板的方向上相邻的第二电极丝40之间的间距为30mm。
[0043] 进一步地,所述第一导电板、第二导电板及第三导电板为航空铝板或不锈钢板,所述第一电极丝及第二电极丝为不锈钢丝或钨丝。
[0044] 进一步地,所述动力区包括横流风扇或轴流风扇。
[0045] 进一步地,所述外壳上还设置有双高压包输出的高压电源。
[0046] 进一步地,所述高压电源的高压部分输出为直流6. 8±0. 1KV。
[0047] 进一步地,所述外壳上还设置有一设备门,所述设备门与外壳接触处设置有一与电源电连接的点动按钮。
[0048] 本实用新型与现有技术相比,因为将非平衡等离子体净化技术与光催化氧化技术相结合,不用添加专用的滤网清除有机物,结构简单,TIO2为催化剂,可长期使用,减少维护成本,处理的空气质量良好。
附图说明
[0049] 图I是本实用新型实施例提供的等离子体放电催化空气净化装置的主视示意图。
[0050] 图2是图I的等离子体放电催化空气净化装置的俯视示意图。
具体实施方式
[0051] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型,并不用于限定本实用新型。
[0052] 请参阅图I和图2,本实用新型实施例提供的等离子体放电催化空气净化装置包括外壳10、分别设置于所述外壳10的上、下端的进气口 11和出气口 12、从进气口 11至出气口 12之间依次设置的电离区I、除尘区II和光触媒催化区III及动力区IV。
[0053] 所述电离区I设有一个或多个高压电极模块。所述电离区I的电极模块包括多根第一电极丝20和多片第一导电板21。所述第一电极丝20呈直线排列,与净化装置的轴向垂直。所述第一导电板21平行间隔排列于所述第一电极丝20形成的直线的一侧。所述电极丝20所排列成的直线垂直于每一第一导电板21的平面。相邻第一导电板21之间设置有导通套管(图未不)。相邻第一导电板21之间的距离为20mm。相邻第一电极丝20之间的距离为20mm。在工作时,第一电极丝20接高压电,第一导电板21接地。
[0054] 所述除尘区II包括一个或多个高低压交替电极模块。所述除尘区II的电极模块包括多片第二导电板30。所述第二导电板30平行间隔排列。相邻第二导电板30之间的间隔小于相邻第一导电板21之间的间隔。相邻第二导电板30之间设置有导通套管(图未示)。具体地,相邻第二导电板30之间的间距为10mm。所有第二导电板30所接的电压高低交替,也就是说,一个第二导电板30接高压,与其相邻的第二导电板30接低压。
[0055] 所述光触媒催化区III包括一个或多个电极模块。所述光触媒催化区III的电极模块包括多根第二电极丝40和多片第三导电板41。所述第三导电板41间隔排列。所述第二电极丝40均匀分布于两相邻第三导电板41之间。相邻第三导电板41之间的间距为 30mm。所述第三导电板41上涂抹有TiO2光催化剂层。所述光触媒为粒径为270nm的锐钛型TI02。在同一相邻第三导电板41的间距内,相邻第二电极丝40的间距为20mm。在相邻的第三导电板41的间距内,在垂直于第三导电板41的方向上相邻的第二电极丝40之间的间距为30mm。在工作时,第二电极丝40接地,第三导电板41接高压电。
[0056] 所述动力区IV包括横流风扇或轴流风扇50。所述横流风扇或轴流风扇50的工作电压为220VAC,其内部结构为铝合金框架。
[0057] 所述电离区I、除尘区II、光触媒催化区III及动力区IV均模块化,可以使相应模块很方便从设备内抽出,进行清洗。
[0058] 所述第一导电板21、第二导电板30及第三导电板41为航空铝板或不锈钢板。所述的导电板厚度为Imm ;所述第一电极丝20及第二电极丝40为不锈钢丝或钨丝,其直径为 0. 12mm0
[0059] 所述外壳10上还设置有双高压包输出的高压电源。所述高压电源在220伏的交流电压下,通过高压变压器输出为直流6. 8±0. 1KV。
[0060] 所述外壳10上还设置有一设备门,该设备门与外壳10接触处设置有一与电源电连接的点动按钮。当设备门被打开时,点动按钮动作,切断电路;当门被关好时,点动按钮动作,将电路联通,从而确保在维护时的安全。
[0061] 所述等离子体放电催化空气净化装置的工作过程如下:
[0062]启动所述横流风扇或轴流风扇50,空气进入I区域,I区域的第一电极丝20上有
6. 8KVDC的高压,第一电极丝20和接地的第一导电板21间存在电场,电场将通过此区域的空气进行电离,产生大量正、负离子,正、负离子分别让空气中的尘埃、颗粒物等带上正、负电荷;带正、负电荷的粒子进入积尘区II,该区域中通有高压电的第二导电板30和接地的第二导电板30间存在电场,带电粒子在电场的作用下,分别结合到正、负导电板上;空气进入光触媒区III,该区域的第三导电板41带高压电,产生等离子体和紫外光,对二氧化钛半导体光催化剂进行催化,通过TIO2的作用可以将空气中的甲醛等有机物去除;进入区域IV 的空气为洁净空气。
[0063] 通过电离区I将空气电离极化,然后通过低压吸附区吸附去除尘埃等颗粒,通过光触媒催化区去除V0C,从而达到净化的目的。
[0064] 本实用新型与现有技术相比,因为将非平衡等离子体净化技术与光催化氧化技术相结合,不用添加专用的滤网清除有机物,结构简单,TIO2为催化剂,可长期使用,减少维护成本,处理的空气质量良好。
[0065] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1. 一种等离子体放电催化空气净化装置,包括外壳,其特征在于:所述外壳的相对两端分别设置有进气口和出气口,所述从进气口至出气口之间依次设置有电离区、积尘区、光触媒催化区和动力区。
2.根据权利要求I所述的等离子体放电催化空气净化装置,其特征在于:所述电离区包括接地的至少一第一导电板及接高压电的至少一第一电极丝,所述除尘区包括交替接高压和低压的至少二第二导电板,所述光触媒催化区包括接高压电的至少一第三导电板及接地的至少一第二电极丝。
3.根据权利要求2所述的等离子体放电催化空气净化装置,其特征在于:所述第三导电板上涂抹有Ti02光催化剂层。
4.根据权利要求2所述的等离子体放电催化空气净化装置,其特征在于:所述相邻第一导电板之间的距离为20mm,相邻第一电极丝之间的距离为20mm,相邻第二导电板之间的间距为10mm,相邻第三导电板之间的间距为30mm,在同一相邻第三导电板的间距内,相邻第二电极丝的间距为20mm,在相邻的第三导电板的间距内,在垂直于第三导电板的方向上相邻的第二电极丝40之间的间距为30mm。
5.根据权利要求2所述的等离子体放电催化空气净化装置,其特征在于:所述第一导电板、第二导电板及第三导电板为航空铝板或不锈钢板,所述第一电极丝及第二电极丝为不锈钢丝或钨丝。
6.根据权利要求I至5任一项所述的等离子体放电催化空气净化装置,其特征在于: 所述动力区设有横流风扇或轴流风扇。
7.根据权利要求I所述的等离子体放电催化空气净化装置,其特征在于:所述外壳上还设置有双高压包输出的高压电源。
8.根据权利要求7所述的等离子体放电催化空气净化装置,其特征在于:所述高压电源的高压部分输出为直流6. 8±0. 1KV。
9.根据权利要求I所述的等离子体放电催化空气净化装置,其特征在于:所述外壳上还设置有一设备门,所述设备门与外壳接触处设置有一与电源电连接的点动按钮。
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