CN206556144U - 一体化复合空气净化器 - Google Patents

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伍晓光
于中东
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Abstract

本实用新型属于室内空气净化技术领域,具体涉及一体化复合空气净化器,包括壳体、穿孔出风板、进气机构、净化机构,进气机构包括风机外壳、涡流风机,净化机构包括活性炭保持架、气流密封板、上活性炭固定板、放电收尘模块,放电收尘模块包括活性炭极板和放电极板。结合电晕放电与空气电离、颗粒物荷电与VOCs气体分子电离降解、荷电颗粒物沉积与VOCs氧化降解过程,将静电除尘技术、径流式活性炭除尘电极、活性炭吸附技术、臭氧催化氧化技术整合一个单独的工艺,利用臭氧持续降解吸附的VOCs,确保净化器内的活性炭对VOCs长期保持高效吸附性能,又避免了臭氧带来二次污染物,真正实现了对污染物由传统的收集转移到净化降解的转变。

Description

一体化复合空气净化器
技术领域
本实用新型属于室内空气净化技术领域,具体涉及一体化复合空气净化器。
背景技术
随着空气质量的恶化,雾霾天气现象出现增多,直接危害到人们的身体健康。在我国北方地区雾霾天气呈现出日渐加重的现象,如何保证人们能生活在一个空气质量较好的环境中,是目前亟待解决的重要问题。空气净化器作为净化空气的设备,越来越受到人们的青睐。
传统的空气净化器一般分为两类,一类是以过滤、吸附为主要处理技术的空气净化器,在颗粒物净化方面主要以HEPA滤网实现,颗粒物积累之后会导致滤网风阻过大需要定期更换;在气态污染物净化方面,常用活性炭吸附,其主要依赖于活性炭的吸附功能达到净化空气的目的,具备一定的净化效果;另一类是以静电除尘为主要处理技术的净化器,这种净化方式主要用于颗粒物净化方面,它是利用在强电场中空气分子被电离为正离子和电子,电子在奔向正极过程中遇到尘粒,使尘粒带负电吸附到正极被收集的空气净化机,采用静电除尘技术处理可以处理空气中的颗粒物。
如公开号为103861416A的中国专利,其公开了一种家用空气净化机,包括:底板,垂直于底板的四边,分别设有前盖、后盖、右侧板和左侧板,在前盖、后盖、右侧板和左侧板围成的上口上设有面盖;从后盖向前盖的方向依次设有抽风机、除臭氧过滤网和静电除尘装置,静电除尘装置包括集尘片支架、第一正极高压集尘片组、负极集尘片组和第二正极高压电离线,第一正极高压集尘片组和负极集尘片组分别设在集尘片支架两侧,第一正极高压集尘片组和负极集尘片组交错堆叠间隔排布,第二正极高压电离线设在第一正极高压集尘片组的外侧,第二正极高压电离线的通电电压大于第一正极高压集尘片组的通电电压。该净化是采用高压形成静电场从而将污染微粒吸附。
现有空气净化技术实际应用中也常见将静电除尘技术、活性炭吸附技术结合形成净化装置的实例,但是在现有的应用实例中静电除尘与活性炭吸附是作为前后两个不同的处理工艺而单独存在的,其各自有自己独立的工艺结构及技术参数,同时静电收尘电极的积尘清理(或清洗)与活性炭的解吸附(或再生)也是分别完成的。静电除尘技术一般存在臭氧二次污染的问题,虽然有部分净化器采用正高压放电来减少臭氧的产生,但仍难彻底消除臭氧对室内环境的影响,且收尘极板由于受空间限制,一般积尘面积较小,积尘会影响静电除尘效果,需要定期对收尘极板进行清洗。以活性炭为VOCs吸附剂的空气净化技术,气态污染物的去除主要依赖活性炭吸附性能,活性炭吸附一定量的VOCs后其吸附性能会降低,当活性炭吸附饱和之后其吸附的VOCs会自动解吸,向空气中逆向释放气态污染物,活性炭的吸附性能一般不存在较大的差异,由于净化器内活性炭的数量有限,因此需要在净化器的整个生命周期内进行多次的滤膜、滤网和活性炭更换,对整个设备的结构提出了较高的要求,且增加了净化器损坏的风险和长期使用成本。
实用新型内容
基于背景技术中提出的上述技术问题,本实用新型提供了将静电除尘技术、径流式活性炭收尘电极、活性炭吸附技术、臭氧催化氧化技术整合为单独的工艺结构的一体化复合空气净化器,并公开了相关的空气净化方法,大幅度减少了结构材料,降低工艺难度,净化性能优异。
为实现上述技术目的,本实用新型采用的技术方案如下:
一体化复合空气净化器,包括呈方体结构的壳体,所述壳体的顶端安装有穿孔出风板,所述壳体的底端安装有进气机构,所述壳体内安装有净化机构,所述进气机构包括风机外壳和安装于风机外壳内的涡流风机,所述风机外壳与壳体连接,所述风机外壳的底端安装有粗滤网,所述风机外壳于粗滤网的上方安装有入风板,所述入风板的中间位置开设有通孔,所述涡流风机位于入风板的中间位置;
所述净化机构包括由下到上依次安装的下活性炭固定板、活性炭保持架、气流密封板、上活性炭固定板,所述活性炭保持架呈U形结构,所述活性炭保持架内安装有至少两组放电收尘模块,所述放电收尘模块包括两块活性炭极板和一块放电极板,所述放电极板位于两块活性炭极板之间,所述活性炭极板的前端、后端和底端均固定在活性炭保持架上,所述放电极板的前端、后端均固定在活性炭保持架上,所述活性炭保持架的底板于放电极板相对应的位置开设有第一进风孔,所述下活性炭固定板于第一进风孔相对应的位置开设有第二进风孔,所述气流密封板于每相邻两组放电收尘模块之间间隔的位置开设有第一出风孔,所述气流密封板的左右两端与壳体之间留设有气流通道,所述上活性炭固定板于第一出风孔相对应的位置、以及上活性炭固定板于气流通道相对应的位置均开设有第二出风孔,所述上活性炭固定板与穿孔出风板之间留有空隙。
采用上述技术方案的实用新型,由活性炭极板和放电极板组成的放电收尘模块可以形成电离空气的电晕电场,并使颗粒物荷电,因活性炭的吸附性能和导电性能,既可将活性炭极板作为静电除尘的径流式收尘极板,同时又可以作为VOCs吸附剂。通过涡流风机将室内的空气从第二进风孔和第一进风孔通入净化机构中,被污染空气将首先经过放电极板和径流式活性炭极板之间的区域,在这个区域内由于电晕放电导致空气电离,使VOCs部分电离降解、强氧化性自由基生成、VOCs氧化降解、颗粒物荷电,荷电之后的颗粒物随气流方向垂直进入径流式活性炭极板中,部分颗粒物将在与放电极板直接相对的端面上沉积,后续的颗粒物会进入通风孔道内通过活性炭极板收集荷电颗粒物、吸附臭氧和VOCs,臭氧与VOCs会在活性炭内部发生催化降解反应,利用静电除尘的副产物臭氧,持续降解吸附的VOCs,确保净化器内的活性炭对VOCs长期保持高效吸附性能,又消除了臭氧带来的二次污染物影响。整个净化体系中没有需要更换的耗材,减少了长期使用的维护成本,真正实现了对污染物由传统的收集转移技术到净化降解技术的转变。
作为本实用新型的一种优选方案,所述放电极板的前端、后端相对称的位置均固定有绝缘圆柱,所述绝缘圆柱为中空结构、且内壁设有内螺纹,所述活性炭保持架于绝缘圆柱对应的位置开设有安装孔,所述安装孔内穿设有平头螺钉,所述平头螺钉的外螺纹与内螺纹啮合,这样的设计,平头螺钉穿过活性炭保持架的安装孔与绝缘圆柱螺接,从而将放电极板安装在活性炭保持架上,这种安装结构安装方便,拆卸容易。
作为本实用新型的一种优选方案,所述放电极板的前端、后端均固定有上下两个绝缘圆柱,这样的结构设计,通过上下两个绝缘圆柱将放电极板的上下两端与活性炭保持架固定,使得放电极板与活性炭保持架的连接更加牢固。
作为本实用新型的一种优选方案,所述每组放电收尘模块中放电极板与活性炭极板之间的异极间距为20mm~60mm,这样的设计,能够达到更好的静电除尘效果和收尘效果,进而提高了空气的净化效果。
作为本实用新型的一种优选方案,所述放电极板为双面布满电晕芒刺的金属板结构,这样的结构设计,电晕场放电更加显著。
作为本实用新型的一种优选方案,所述放电极板上的芒刺密度为1000个/m2~3000个/m2,所述芒刺高度为异极间距的5%~50%,所述芒刺间距为异极间距的5%~500%,这样的设计,使得静电除尘的效果更佳,VOCs电离降解效率更高。
作为本实用新型的一种优选方案,所述活性炭极板是以活性炭为原料并负载具有催化性物质的收尘电极板,所述催化性物质为Mn、Co、Cu、Fe、Ni、Ag、Pd、Rh、Pt中的一种或多种,亦可是以上物质的氧化物或其他包含有上述组分的物质,这样的设计,利用活性炭的吸附功能,并在催化性物质的催化作用下,可以对臭氧进行快速吸附解离,有效地利用了有害副产物臭氧,避免臭氧二次污染。
作为本实用新型的一种优选方案,所述活性炭极板为蜂窝状活性炭极板、纤维状活性炭极板、海绵状活性炭极板和采用容器加装颗粒活性炭后形成的活性炭极板中的一种,这样的设计,增大了活性炭极板与气流的有效接触面积,即增大了吸附收尘面积,有效提高了收尘率,空气净化效果更好。
基于上述一体化复合空气净化器的空气净化方法,包括以下步骤:
电晕放电与空气电离:在放电极板上加上高压,活性炭极板接地,在放电极板附近形成不均匀电晕电场,自然界中原本存在的少量带电粒子被电场加速,加速后的带电粒子具有非常高的能量,在运动过程中直接与气体分子发生碰撞,在碰撞的过程中,高能电子将能量转化给处于基态的气体分子,基态分子得到足够的能量会发生电离、分解,使气体分子被电离,形成自由电子和正离子,同时产生强氧化性物质,所述强氧化性物质包括臭氧;
颗粒物荷电与VOCs气体分子电离降解:放电极板附近充满带电的粒子,在电场作用下做有规则的运动过程中,遇到有中性的微粒时带负电的粒子便附着在中性微粒上,使微粒带电,即电场荷电,同时,带电的粒子在热运动过程中附着于微粒上使微粒带负电,即扩散荷电;自由电子或强氧化性物质与VOCs气体分子碰撞,使VOCs气体分子内部化学键断裂或均裂而解离为碎片基团或原子团;
荷电颗粒物沉积与VOCs氧化降解:荷电颗粒物相互碰撞凝集形成大粒子,在高压放电极板的斥力作用下于活性炭极板上沉积下来;臭氧随气流进入活性炭极板中,在催化性物质的作用下分解成氧自由基,VOCs碎片基团和原子团被吸附在活性炭极板上,并被氧自由基氧化降解,空气得到净化并通过气流通道、第一出风孔、第二出风孔由穿孔出风板排出。
作为本实用新型的一种优选方案,所述放电电极采取负高压放电形式,即在放电极板上加上负高压,既可以获得足够高的电晕放电电压,又可以降低静电除尘过程中正负极之间打火放电的几率,同时负高压放电在电晕电极附近被加速的粒子主要是电子,电子质量远小于带正电的气体分子,在电场范围内电子将被加速到更高的速度,气体分子的电离程度将更强,由此导致静电除尘和空气净化效果更为优秀。
该空气净化方法通过电晕放电过程使空气电离、颗粒物荷电、VOCs部分电离降解,通过活性炭极板收集荷电颗粒物、吸附VOCs,通过产生的强氧化性物质净化通过电晕电场和吸附在活性炭体系内的VOCs,从而从空气中去除污染物,并消除二次污染物影响。
附图说明
本实用新型可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明;
图1为本实用新型一体化复合空气净化器实施例的拆卸状态结构示意图;
图2为本实用新型一体化复合空气净化器实施例的爆炸结构示意图;
图3为本实用新型一体化复合空气净化器实施例的整体外部结构示意图;
图4为本实用新型一体化复合空气净化器实施例的空气净化过程示意图;
主要元件符号说明如下:
壳体1、穿孔出风板2、风机外壳3、涡流风机4、粗滤网5、入风板6、通孔7、下活性炭固定板8、活性炭保持架9、气流密封板10、上活性炭固定板11、活性炭极板121、放电极板122、第一进风孔131、第二进风孔132、第一出风孔141、第二出风孔142、绝缘圆柱15、安装孔16。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型,下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案进一步说明。
实施例一
如图1~图3所示,本实用新型的一体化复合空气净化器,包括呈方体结构的壳体1,壳体1的顶端安装有穿孔出风板2,壳体1的底端安装有进气机构,壳体1内安装有净化机构,进气机构包括风机外壳3和安装于风机外壳3内的涡流风机4,风机外壳3与壳体1连接,风机外壳3的底端安装有粗滤网5,风机外壳3于粗滤网5的上方安装有入风板6,入风板6的中间位置开设有通孔7,涡流风机4位于入风板6的中间位置;净化机构包括由下到上依次安装的下活性炭固定板8、活性炭保持架9、气流密封板10、上活性炭固定板11,活性炭保持架9呈U形结构,活性炭保持架9内安装有至少两组放电收尘模块,放电收尘模块包括两块活性炭极板121和一块放电极板122,放电极板122位于两块活性炭极板121之间,活性炭极板121的前端、后端和底端均固定在活性炭保持架9上,放电极板122的前端、后端均固定在活性炭保持架9上,活性炭保持架9的底板于放电极板122相对应的位置开设有第一进风孔131,下活性炭固定板8于第一进风孔131相对应的位置开设有第二进风孔132,气流密封板10于每相邻两组放电收尘模块之间间隔的位置开设有第一出风孔141,气流密封板10的左右两端与壳体1之间留设有气流通道,上活性炭固定板11于第一出风孔141相对应的位置、以及上活性炭固定板11于气流通道相对应的位置均开设有第二出风孔142,上活性炭固定板11与穿孔出风板2之间留有空隙。
放电极板122的前端、后端相对称的位置均固定有绝缘圆柱15,绝缘圆柱15为中空结构、且内壁设有内螺纹,活性炭保持架9于绝缘圆柱15对应的位置开设有安装孔16,安装孔16内穿设有平头螺钉,平头螺钉的外螺纹与内螺纹啮合。
在本实施例中,放电极板122的前端、后端均固定有上下两个绝缘圆柱15。放电极板122与活性炭极板121之间的异极间距为20mm。放电极板122为双面布满电晕芒刺的金属板结构。放电极板122上的芒刺密度为3000个/m2,芒刺高度为异极间距的5%,芒刺间距为异极间距的5%。活性炭极板121是以活性炭为原料并负载具有催化性物质的收尘电极板,催化性物质为Mn、Co、Cu、Fe、Ni、Ag、Pd、Rh、Pt。活性炭极板121为海绵状活性炭极板。
实施例二
如图1~图3所示,本实用新型的一体化复合空气净化器,包括呈方体结构的壳体1,壳体1的顶端安装有穿孔出风板2,壳体1的底端安装有进气机构,壳体1内安装有净化机构,进气机构包括风机外壳3和安装于风机外壳3内的涡流风机4,风机外壳3与壳体1连接,风机外壳3的底端安装有粗滤网5,风机外壳3于粗滤网5的上方安装有入风板6,入风板6的中间位置开设有通孔7,涡流风机4位于入风板6的中间位置;净化机构包括由下到上依次安装的下活性炭固定板8、活性炭保持架9、气流密封板10、上活性炭固定板11,活性炭保持架9呈U形结构,活性炭保持架9内安装有至少两组放电收尘模块,放电收尘模块包括两块活性炭极板121和一块放电极板122,放电极板122位于两块活性炭极板121之间,活性炭极板121的前端、后端和底端均固定在活性炭保持架9上,放电极板122的前端、后端均固定在活性炭保持架9上,活性炭保持架9的底板于放电极板122相对应的位置开设有第一进风孔131,下活性炭固定板8于第一进风孔131相对应的位置开设有第二进风孔132,气流密封板10于每相邻两组放电收尘模块之间间隔的位置开设有第一出风孔141,气流密封板10的左右两端与壳体1之间留设有气流通道,上活性炭固定板11于第一出风孔141相对应的位置、以及上活性炭固定板11于气流通道相对应的位置均开设有第二出风孔142,上活性炭固定板11与穿孔出风板2之间留有空隙。
放电极板122的前端、后端相对称的位置均固定有绝缘圆柱15,绝缘圆柱15为中空结构、且内壁设有内螺纹,活性炭保持架9于绝缘圆柱15对应的位置开设有安装孔16,安装孔16内穿设有平头螺钉,平头螺钉的外螺纹与内螺纹啮合。
在本实施例中,放电极板122的前端、后端均固定有上下两个绝缘圆柱15。放电极板122与活性炭极板121之间的异极间距为60mm。放电极板122为双面布满电晕芒刺的金属板结构。放电极板122上的芒刺密度为1000个/m2,芒刺高度为异极间距的50%,芒刺间距为异极间距的500%。活性炭极板121是以活性炭为原料并负载具有催化性物质的收尘电极板,催化性物质为Cu和Co。活性炭极板121为蜂窝状活性炭极板。
实施例三
如图1~图3所示,本实用新型的一体化复合空气净化器,包括呈方体结构的壳体1,壳体1的顶端安装有穿孔出风板2,壳体1的底端安装有进气机构,壳体1内安装有净化机构,进气机构包括风机外壳3和安装于风机外壳3内的涡流风机4,风机外壳3与壳体1连接,风机外壳3的底端安装有粗滤网5,风机外壳3于粗滤网5的上方安装有入风板6,入风板6的中间位置开设有通孔7,涡流风机4位于入风板6的中间位置;净化机构包括由下到上依次安装的下活性炭固定板8、活性炭保持架9、气流密封板10、上活性炭固定板11,活性炭保持架9呈U形结构,活性炭保持架9内安装有至少两组放电收尘模块,放电收尘模块包括两块活性炭极板121和一块放电极板122,放电极板122位于两块活性炭极板121之间,活性炭极板121的前端、后端和底端均固定在活性炭保持架9上,放电极板122的前端、后端均固定在活性炭保持架9上,活性炭保持架9的底板于放电极板122相对应的位置开设有第一进风孔131,下活性炭固定板8于第一进风孔131相对应的位置开设有第二进风孔132,气流密封板10于每相邻两组放电收尘模块之间间隔的位置开设有第一出风孔141,气流密封板10的左右两端与壳体1之间留设有气流通道,上活性炭固定板11于第一出风孔141相对应的位置、以及上活性炭固定板11于气流通道相对应的位置均开设有第二出风孔142,上活性炭固定板11与穿孔出风板2之间留有空隙。
放电极板122的前端、后端相对称的位置均固定有绝缘圆柱15,绝缘圆柱15为中空结构、且内壁设有内螺纹,活性炭保持架9于绝缘圆柱15对应的位置开设有安装孔16,安装孔16内穿设有平头螺钉,平头螺钉的外螺纹与内螺纹啮合。
在本实施例中,放电极板122的前端、后端均固定有上下两个绝缘圆柱15。放电极板122与活性炭极板121之间的异极间距为40mm。放电极板122为双面布满电晕芒刺的金属板结构。放电极板122上的芒刺密度为2000个/m2,芒刺高度为异极间距的30%,芒刺间距为异极间距的300%。活性炭极板121是以活性炭为原料并负载具有催化性物质的收尘电极板,催化性物质为MnO2。活性炭极板121为蜂窝状活性炭极板。
需要说明的是,上述实施例中的放电极板122与活性炭保持架9的安装结构可以根据具体情况考虑其它的安装方式,只要能够使放电极板122能够稳固安装在活性炭保持架11上,又能方便放电极板122与活性炭保持架9的拆卸即可;绝缘圆柱15的数量也可以根据具体情况具体考虑,比如可以设置为上中下三个。实施例一、实施二、实施例三中的区别在于放电极板122与活性炭极板121之间的异极间距尺寸、芒刺密度、芒刺高度、芒刺间距、催化性物质和活性炭极板121的结构,这些区别可以视实际情况而定,比如活性炭极板121可以选择纤维状活性炭极板或者采用容器加装颗粒活性炭后形成的活性炭极板。
另外,放电收尘模块不限于一组,在上述实施例中均为两组,可以根据具体情况,例如空气的污染程度具体考虑放电收尘模块的数量,为达到更好的净化效果,或者适用于面积更大的净化场所,可以在增加风扇风量之后适当增加放电收尘模块数量。
如图4所示,本实用新型还公开了利用上述一体化复合空气净化器进行空气净化的方法,包括以下过程:
电晕放电与空气电离:在放电极板122上加上高压,活性炭极板121接地,在放电极板122附近形成不均匀电晕电场,自然界中原本存在的少量带电粒子被电场加速,加速后的带电粒子具有非常高的能量,在运动过程中直接与气体分子发生碰撞,在碰撞的过程中,高能电子将能量转化给处于基态的气体分子,基态分子得到足够的能量会发生电离、分解,使气体分子被电离,形成自由电子和正离子,同时产生强氧化性物质,所述强氧化性物质包括臭氧;
颗粒物荷电与VOCs气体分子电离降解:放电极板122附近充满带电的粒子,在电场作用下做有规则的运动过程中,遇到有中性的微粒时带负电的粒子便附着在中性微粒上,使微粒带电,即电场荷电,同时,带电的粒子在热运动过程中附着于微粒上使微粒带负电,即扩散荷电;自由电子或强氧化性物质与VOCs气体分子碰撞,使VOCs气体分子内部化学键断裂或均裂而解离为碎片基团或原子团;
荷电颗粒物沉积与VOCs氧化降解:荷电颗粒物相互碰撞凝集形成大粒子,在负高压放电极板122的斥力作用下于活性炭极板121上沉积下来;臭氧随气流进入活性炭极板中,在催化性物质的作用下分解成氧自由基,VOCs碎片基团和原子团被吸附在活性炭极板121上,并被氧自由基氧化降解,空气得到净化并通过气流通道、第一出风孔141、第二出风孔142由穿孔出风板2排出。
本实用新型的静电除尘优选密集负高压放电,在放电极板122上加上负高压,活性炭极板121接地,这样就在电晕极附近形成不均匀电场,空气中的少数自由电子被电场加速,和气体分子激烈碰撞,形成碰撞电离,出现不完全放电——电晕放电。这样在电晕极附近充满带负电的粒子,在电场作用下作有规则的运动过程中,遇有中性的微粒时附着在上面,使微粒带负电,该过程即为电场荷电,电场荷电主要对于1μm以上微粒起作用。离子不仅在电场作用下运动,而且还有热运动,离子在热运动过程中附着于微粒而使微粒带电,即扩散荷电。对于粒径1μm以下,特别是0.2μm以下的微粒,扩散荷电起主要作用。但微细粒子之间由于荷电之后相互碰撞机会增多,使这些微细粒子能轻易的凝集到最大50μm程度的大粒子。根据静电理论,在静电场中微粒的最大荷电量为:
式中E1——电离极空间电场强度,V/cm;n——电荷的数目;e——单位荷电量,1.6×10-19C;dp——微粒直径,cm;K——系数,k=3ε/(ε+2);ε——微粒的介电常数,平均可取2~3。
在电场范围内的荷电微粒受到负极板的斥力,即静电力的作用而在接地极板上沉积下来。所受静电力为:
Fe=QE2=neE2
式中Fe——静电力;Q——微粒所带电量,C;E2——微粒所处位置的电场强度,V/m。
在小粒子雷诺数(Rep<1)球形微粒在气流中受到的阻力为:
FD=3πμdpu
当该阻力和静电力平衡时,再考虑滑动修正,可得到微粒在电场中的运动速度ue,亦称之为分离速度或驱进速度:
可以看出,对于既定的微粒群,在其他条件不变时,u和n/dp成正比。对于1μm以下的微粒,由于n/dp稳定,所以ue也趋向稳定,不再减小;而若注意到随着粒径的减小,Cunningham修正因素C将变大,则分离速度还要加大一些。而整个空间内的电场强度,直接决定微粒的荷电量及其在电场范围内所受到的电场力,越强的静电场,可以使微粒的驱进速度越大,反言之即意味着同等风速的条件下,越强的静电场,对通过整个体系的空气颗粒物净化效率越高。
本实用新型采用有良好通风结构的活性炭作为径流式收尘极板,利用活性炭极大的接触表面,获得远大于常规板式收尘电极的容尘面积。进入活性炭通道的荷电微粒,由于活性炭本身是性能良好的导体,带电微粒的电荷q周围有导体存在时,在q的电场作用下将在导体表面上产生感应电荷,从q发出的电力线一部分终止于这些感应点。在电荷和导体之间存在一种类似库仑力的静电作用力,也称之为镜像力。较轻的带电微粒在接近导体或介电常数较高的大物体时,将受到镜像力作用而被吸引吸附在导体或高介电常数物体的表面上。因此,在活性炭通风通道内的带电微粒就会被吸附到活性炭接触表面。吸附之后,由于预驰效果,镜像力产生的吸附会变弱。如果带电微粒绝缘性良好,则吸附时间会越长;如果带电微粒和吸附壁面都具有导电性,会因电荷释放失去库仑力;如果带电微粒和吸附壁面间具有充分接触而产生接触带电,同时又有大的范德华力作用,会使吸附更加牢固。活性炭接触表面本身极度凹凸不平的状态,因此带电微粒一旦吸附之后,由于范德华力作用将难以自然脱附。在活性炭通风通道内,外部电场不存在时,带电微粒内空间电荷密度越大,其所产生的附着力越大。
所以,静电除尘器更适合捕集微细粒子,尤其适用于室内空气环境中对可吸入颗粒物PM10和PM2.5的去除。
本实用新型采用负高压放电,在放电极板122附近,空气中存在的少量带电粒子获得足够的能量后被加速到很高的速度,高速的电子与气体分子在发生碰撞时,将分子外轨道上的电子撞击出来,而形成自由电子和正离子。这些电子在后续过程中又被加速和碰撞,由于多次重复的连锁过程而产生大量的电子和正离子,使气体被电离,这一过程称为雪崩效应。在这整个过程中,空气中的O2、H2O等被电离,产生大量具有很强化学活性的粒子,如·OH、HO2·、O·、O3、O2·。
e+O2→2O·
O·+O2+M→O3+M
4e+2H2O+O2→4HO·
而空气中的污染物包括甲醛、甲苯、二甲苯等也会部分被高能电子电离降解。电晕放电中电子的平均能量分布在0~20eV范围,因此当电晕放电产生的电子与VOCs气体分子直接碰撞时,可使其内部化学键断裂或均裂而解离为自由基。以甲苯为例,甲基上的C-H键的键能很低(3.5eV),很容易发生离解反应;甲基与苯环之间的C-C的键能为3.8eV,也易发生离解反应;苯环上的C-H键能较高,4.6eV,反应较难进行;苯环上的C-C键能约为5.4eV,理论上来说可以打断,但由于苯环的结构较稳定(碳原子间以大二键结合,相临碳原子间存在着复杂的共轭关系),直接靠电子的作用不易使其开环,而主要是靠形成的自由基之间再进行反应,以达到开环,直至最后降解。主要包括与O·、OH·反应,OH·与甲苯分子之间的反应先是使苯环的双键打开,插入氧原子,再进一步氧化降解。电子直接碰撞可能发生的反应如下:
C6H5·CH3+e→C6H5·CH2·+H·
C6H5·CH3+e→C6H5·+CH3·
C6H5·CH3+e→C6H4·CH3·+H·
C6H5·CH3+e→C3H4·CH3+H·
C6H5·CH3+e→C3H4·+C4H3·
电子与有机物的碰撞是有机物形成自由基的重要途径之一,可能涉及的自由基反应如下:
C6H5·CH3+O·→C6H5·CH2O+H·
C6H5·CH3+O3→C6H5·CHO2+H2O
C6H5·CH3+OH·→C6H5·H2C·+H2O
C6H5·CH3+OH·→C6H5·CH3·OH
C6H5·+H·→C4H6
CH3·+H·→CH4
C6H5·H2C·+HO2·→C6H5·CHO+H2O
C6H5·CHO+O·→C6H5·COOH
通过以上各种方式获得的C6H5·X可进一步在强氧化性的自由基O·、OH·、HO2·的作用下氧化:
该反应的区域一般不会脱离电晕范围以外。而O3在上述所产生的活性物质中性能相对稳定,其在空气中的停留时间一般可达20min~50min,所以O3可以在电晕范围内产生之后继续随气流进入活性炭微孔结构内部。因此,在静电除尘阶段产生适量的O3,使其能完全氧化活性炭所吸附的VOCs,是保证活性炭能持久工作的必要条件。电子能量在2~8.4eV时,会加速O3分解反应;当电子能量大于8.4eV时,有利于臭氧生成反应,在放电区间内应尽可能控制这部分电子的含量,实现对臭氧产率的控制,在氧化降解VOCs的同时消除臭氧影响。
本实用新型采用大量活性炭作为收尘电极和VOCs吸附剂,可采用蜂窝状活性炭或海绵状活性炭或纤维状活性炭重新烧结后的类似结构,该结构的特点是具有较大的通风面积,活性炭内部结构大孔道多,风阻小,其吸附收尘面不仅仅是与放电极板122相对的端面,还包括孔道的壁面,活性炭具有极大的比表面积,使用活性炭做吸附剂,能有效吸附室内空气中绝大多数VOCs。活性炭对甲醛等气态污染物的吸附符合Freundlich等温吸附模型,即
qe=KfCe 1/n
式中:qe为吸附平衡容量;Ce为平衡浓度;Kf和1/n为Freundlich方程常数,表征吸附剂对吸附质的吸附性能。
该模型表面活性炭对VOCs的吸附不仅发生在活性炭吸附表面,还发生在吸附内部,平衡吸附容量主要与吸附平衡浓度有关。因此当活性炭对VOCs吸附达到平衡浓度时,不会对空气中的VOCs继续进行吸收,而是处于吸附与解吸相平衡的状态。但室内的VOCs挥发是持续性的,一般家庭装修或添置新家具后室内甲醛、甲苯、二甲苯等挥发性有机物在经过最初一段时间快速挥发之后,残留的成分可持续挥发3~5年,同时室外空气污染物也会在开窗通风时进入室内环境。但随着工作时间的持续,活性炭始终会达到吸附平衡,导致需要更换活性炭,这也是一直以来活性炭类型的空气净化器为人诟病的核心所在。在静电除尘过程中,负高压放电导致空气电离的副产物臭氧是具有强氧化性的物质,同时也是空气污染物的一种。活性炭本由于其巨大的表面积,且由于制备工艺导致活性炭表面存在有自由基、含氧官能团,而且其电子性能优良,因此其本身具有催化性能。当含臭氧的气体经过活性炭时,臭氧会被活性炭催化而分解。活性炭对VOCs和臭氧的强烈吸附会导致二者的富集,同时也在整个体系中增大了臭氧与VOCs的接触概率。因此,以活性炭为反应媒介,可以催化臭氧迅速分解。在臭氧分解过程中产生的氧自由基将对附近的VOCs进行氧化降解,在臭氧持续的氧化作用下VOCs最终得以去除,使活性炭恢复对VOCs的吸附能力。
HCOH+O·→HCOOH
HCOOH+O·→HOCOOH→H2O+CO2
通过调节臭氧产率,使活性炭对VOCs的吸附始终处于平衡吸附容量以下,避免吸附后的VOCs解吸重新回到空气中,从而极大的延长了净化体系中活性炭的使用寿命。彻底解决了活性炭吸附净化空气需要定期更换的弊病。
在实施方式中,需要说明的是,电晕电场范围内产生的强氧化性物质包括·OH、HO2·、O·、O3、O2·等,一般其分解速率较快,在产生的范围内即与其他可还原物质发生反应,但O3具备一定稳定性,可以随被净化空气进入后续净化单元。因此,设置独立的、可控的臭氧发生装置以获得对VOCs更为有效的去除也是实施方式之一。
另外,对被净化的空气增加湿度,使·OH产率增加,或对被净化的空气补充额外的O2,增加电晕范围内强氧化性物质的产生,达到更佳的VOCs净化效果,以上方法都是本实用新型料想到的。
为了进一步说明本实用新型的一体化复合空气净化器的净化效果,做了两个空气净化实验:
实验一:
采用实施例二提供的空气净化器,其中的活性炭极板采用4块400*800*50的150目纤维状活性炭极板,采用两组高度为15mm的圆切线芒刺,芒刺列间距为15mm,芒刺行间距为35mm,活性炭极板间距为90mm。在放电极板上加21.5KV负高压电源,在高度为3m的30m2试验舱内测得颗粒物的CADR值在869m3/h,总烃的CADR值在627m3/h,进入静音模式后O3浓度可以持续控制在76μg/m3以下。
实验二:
采用实施例三提供的空气净化器,其中的活性炭极板采用4块400*800*50的150目蜂窝状活性炭极板,采用两组高度为15mm的圆切线芒刺,芒刺列间距为15mm,芒刺行间距为35mm,活性炭极板间距为90mm。在放电极板上加32.3KV负高压电源,在高度为3m的30m2试验舱内测得颗粒物的CADR值在965m3/h,总烃的CADR值在776m3/h,进入静音模式后O3浓度可以持续控制在103μg/m3以下。
CADR值是美国家电制造商协会按照严格的测试标准进行测试的空气净化器输出洁净空气的比率,CADR值越高,则表示净化器的净化效能越高。市面上的普通空气净化器的颗粒物的CADR值一般在500μg/m3左右,总烃的CADR值一般在300μg/m3左右。由上述两个实验来看,在30m2试验舱内使用本实用新型的空气净化器,无论是颗粒物的CADR值还是总烃的CADR值都在一个非常高的范围值内,颗粒物的CADR值高达965m3/h,总烃的CADR值高达776m3/h,并且臭氧的处理也得到了非常好的效果,进入静音模式后O3浓度可以持续控制在76μg/m3以下。由此表明,本实用新型的空气净化器在颗粒物的去除、VOCs的降解吸收、臭氧的催化降解方面都取得了显著效果。
以上对本实用新型提供的一体化复合空气净化器及空气净化方法进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型原理的前提下,还可以对本实用新型进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一体化复合空气净化器,包括呈方体结构的壳体(1),所述壳体(1)的顶端安装有穿孔出风板(2),所述壳体(1)的底端安装有进气机构,所述壳体(1)内安装有净化机构,其特征在于,所述进气机构包括风机外壳(3)和安装于风机外壳(3)内的涡流风机(4),所述风机外壳(3)与壳体(1)连接,所述风机外壳(3)的底端安装有粗滤网(5),所述风机外壳(3)于粗滤网(5)的上方安装有入风板(6),所述入风板(6)的中间位置开设有通孔(7),所述涡流风机(4)位于入风板(6)的中间位置;
所述净化机构包括由下到上依次安装的下活性炭固定板(8)、活性炭保持架(9)、气流密封板(10)、上活性炭固定板(11),所述活性炭保持架(9)呈U形结构,所述活性炭保持架(9)内安装有至少两组放电收尘模块,所述放电收尘模块包括两块活性炭极板(121)和一块放电极板(122),所述放电极板(122)位于两块活性炭极板(121)之间,所述活性炭极板(121)的前端、后端和底端均固定在活性炭保持架(9)上,所述放电极板(122)的前端、后端均固定在活性炭保持架(9)上,所述活性炭保持架(9)的底板于放电极板(122)相对应的位置开设有第一进风孔(131),所述下活性炭固定板(8)于第一进风孔(131)相对应的位置开设有第二进风孔(132),所述气流密封板(10)于每相邻两组放电收尘模块之间间隔的位置开设有第一出风孔(141),所述气流密封板(10)的左右两端与壳体(1)之间留设有气流通道,所述上活性炭固定板(11)于第一出风孔(141)相对应的位置、以及与气流通道相对应的位置均开设有第二出风孔(142),所述上活性炭固定板(11)与穿孔出风板(2)之间留有空隙。
2.根据权利要求1所述的一体化复合空气净化器,其特征在于,所述放电极板(122)的前端、后端相对称的位置均固定有绝缘圆柱(15),所述绝缘圆柱(15)为中空结构、且内壁设有内螺纹,所述活性炭保持架(9)于绝缘圆柱(15)对应的位置开设有安装孔(16),所述安装孔(16)内穿设有平头螺钉,所述平头螺钉的外螺纹与内螺纹啮合。
3.根据权利要求2所述的一体化复合空气净化器,其特征在于,所述放电极板(122)前端、后端的绝缘圆柱(15)均为上下两个。
4.根据权利要求3所述的一体化复合空气净化器,其特征在于,所述每组放电收尘模块中放电极板(122)与活性炭极板(121)之间的异极间距为20mm~60mm。
5.根据权利要求4所述的一体化复合空气净化器,其特征在于,所述放电极板(122)为双面布满电晕芒刺的金属板结构。
6.根据权利要求5所述的一体化复合空气净化器,其特征在于,所述放电极板(122)上的芒刺密度为1000个/m2~3000个/m2,所述芒刺高度为异极间距的5%~50%,所述芒刺间距为异极间距的5%~500%。
7.根据权利要求1或6所述的一体化复合空气净化器,其特征在于,所述活性炭极板(121)是以活性炭为原料并负载具有催化性物质的收尘电极板,所述催化性物质为Mn、Co、Cu、Fe、Ni、Ag、Pd、Rh、Pt中的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的一体化复合空气净化器,其特征在于,所述活性炭极板(121)为蜂窝状活性炭极板、纤维状活性炭极板、海绵状活性炭极板和采用容器加装颗粒活性炭后形成的活性炭极板中的一种。
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