CN218688134U - 基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统 - Google Patents

Abstract

基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，通过加热将液态水分子转变为气态水分子，状态变更后体积膨胀1000多倍，实现纳米级别的水蒸汽，可以更均匀地扩散至环境中的污染颗粒物旁边进行吸附。为增加吸附速度，在蒸汽导出阶段增加金属弹簧和窄小的金属管，使蒸汽与之进行摩擦从而产生负离子。在负离子静电作用下，水分子与污染物结合得以加速，结合后的污染物在制冷装置作用下快速冷凝、沉降。此外，本实用新型还采用了二氧化钛作为有毒物质分解源，对空气中的污染物进行分解净化，最终实现净化空气的目的。通过整个装置对空气进行净化，最终实现对空气中的悬浮颗粒、一般有毒气体、细菌进行过滤、分解、灭杀。

Description

基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统

技术领域

本实用新型涉及空气过滤的技术领域，具体涉及一种基于纳米负离子技术的无滤网空气过滤系统。

背景技术

人们每时每刻都在呼吸，空气的质量时刻影响着人类的健康。随着城市化和工业化进程加快，城市中产生的粉尘、有害气体等污染物对空气质量造成了很大的影响。

空气污染指:由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气层和环境的现象。世界卫生组织的最新数据显示，10人中有9人呼吸的空气中含有高浓度的污染物；最新估计显示，每年有700万人因环境或室内空气污染而死亡。其中，使用污染燃料等造成的家庭空气污染引起了约380万人死亡。因此，空气污染已严重威胁到人类的生命健康，整治空气中污染物和有害物质刻不容缓。

常见的空气污染物根据性质和产生机理不同，一般分为物理污染物、化学污染物、生物污染物及放射性污染物。

(1)物理污染物：主要包括室内外烟雾所引起的污染及石棉污染等。来自室外的颗粒物也是空气的主要污染物，雾霾天气、吸烟、厨房烹饪和打印机等是造成室内颗粒物污染的主要原因。石棉是造成室内空气污染的另一个主要原因，其广泛存在于汽车和家庭常用的各种建筑材料中。

(2)化学污染物：包括有机气体和无机气体。芳香烃、烯烃、醇类、醛、酮、酯等数百种挥发性有机物和半挥发性有机物是造成空气化学污染的主要原因。大多数挥发性有机物有多种室内和室外来源。半挥发性有机物被认为是室内空气中的新型化学污染物，主要来源包括含有增塑剂(增强塑料其柔韧性和延展性的添加剂)和阻燃剂(降低材料可燃性的添加剂)的材料和产品。其他家居用品，如燃烧型加热器、炉灶、煤气炉等，也会在室内释放污染空气的无机气体，如一氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和臭氧等。

(3)生物污染物：主要由动物过敏原(尘螨和粪便和毛发中含有的某些蛋白质)、细菌、霉菌、真菌、孢子、内毒素、真菌毒素等各种具有高度可变性和复杂特征的生物组成，它们如果进入人体，很大程度上会使人生病。

空气中物理污染物的常见的净化方式有以下三种：

(1)滤网过滤：通过在滤网对空气中的气体不断循环，对空气中的粉尘、细菌进行过滤，吹出过滤后的气体。滤网主要以HEPA滤网为主。

(2)活性碳吸附过滤：活性炭主要采用自身疏松多孔结构对空气中的气体进行吸附作用，吸附后通过高温曝晒把附着在活性炭表面的水分子晒走，保持活性炭表面的小孔畅通，这样其能源源不断的吸附甲醛等有害气体，直至活性炭饱和。

(3)水雾吸附：通过雾化水对空气中的悬浮固体颗粒进行吸附沉降，达到对空气进行净化的效果。

随着空气质量的变差，家用的空气净化器、工业的PM2.5水雾降尘机也变得越来越普及。但空气净化器是通过空气滤网来对空气进行过滤净化，滤网长期不更换后容易滋生细菌，细菌会通过净化器逸散到空气中产生二次污染。而工业的PM2.5水雾降尘机则通过喷出水雾直接对空气中的悬浮颗粒进行吸附加速沉降，对于沉降后的悬浮污染物直接就覆盖在道路上的汽车、树木等上，影响美观，而且干燥之后，经过风吹会再次飘扬起来，使空气过滤净化没有得到根本解决；空气中仍然存在悬浮颗粒及有毒物质，从而导致二次污染过滤装置。

实用新型内容

实用新型目的：为净化空气中的悬浮颗粒及有毒物质，研制了一种可以快速净化空气而不产生二次污染的过滤装置，提出了一种基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，使其能够产生足够多的纳米级别的水蒸汽，在有蒸汽过程中产生足够多的负离子。

技术方案：

基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，该过滤系统包括：纳米负离子蒸汽产生装置、气液转换收集装置、有害气体分解装置和供电装置；

所述纳米负离子蒸汽产生装置位于系统进风口的上方并与所述进风口相通，所述系统进风口下方设有风道一，所述风道一出口连通气液转换收集装置的发热腔进口，所述发热腔出口连通风道二进口，所述风道二连通系统出风口；

所述风道一和所述风道二的底部均设有污水沉积板；

所述有害气体分解装置设于风道二与系统出风口之间；

所述供电装置用于给所述纳米负离子蒸汽产生装置、所述气液转换收集装置、所述有害气体分解装置提供工作电源。

所述风道一和风道二内设有若干个上下交错倾斜排布的挡风板，这些挡风板排布形成折形流道。

所述污水沉积板呈“V”形结构；

优选地，所述有害气体分解装置内设有TiO2光催化剂；

进一步地，所述纳米负离子蒸汽产生装置包括蒸汽开关、和与蒸汽开关分别连接的发热腔和水泵，水泵连接水箱。

进一步地，所述气液转换收集装置为密闭空间，密闭空间内设有：半导体制冷片冷凝器和与半导体制冷片冷凝器分别连接的污水收集过滤器和抽气扇；

所述半导体制冷片冷凝器通过污水收集过滤器连接水箱。

进一步地，所述气液转换收集装置的半导体制冷片冷凝器连接纳米负离子蒸汽产生装置的发热腔，用于对发热腔进行输出纳米负离子蒸汽。

进一步地，所述发热腔的腔体出气通道采用铜质管道结构，发热腔的内表面为呈矩阵排列的多边形凸体结构。

进一步地，所述发热腔至半导体制冷片冷凝器的管道还连接密闭空间。

进一步地，所述供电装置包括220V交流电源和12V直流电源；

所述220V交流电源连接纳米负离子蒸汽产生装置的蒸汽开关；12V直流电源分别连接气液转换收集装置的半导体制冷片冷凝器和出风口处的抽气扇。

所述气液转换收集装置中设有TiO2属于n型半导体，TiO₂表面的羟基能够将TiO₂表面吸附的污染物氧化成二氧化碳、水和小分子；即

所述气液转换收集装置的半导体制冷片冷凝器通过对水蒸汽降温，将水蒸汽由汽态转为液态，进行水蒸汽与固体悬浮物的团聚和沉降；

所述发热腔生产纳米水蒸汽后，迅速将水蒸汽送入气液转换收集装置，当水蒸汽快速冲出管口时，水分子与管道之间产生摩擦生成负离子，金属电子迁移活跃性强，对周围环境产生一个电场，在电场的作用下，悬浮颗粒产生极化，负离子之间由于库仑力的作用会互相排斥，排斥过程中使其与空气中的粉尘互相碰撞并吸附团聚在一起。

具体为，所述半导体制冷片冷凝器被抽气扇抽出的干净空气输送至密闭空间，半导体制冷片冷凝器通过污水收集过滤器连接水箱，密闭空间对输出纳米负离子蒸汽进行抽气负压令污染气体与纳米蒸汽融合。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：

本实用新型主要针对空气中的物理污染物的过滤净化进行研究，并重点研究针对小颗粒固体污染物的，不会带来二次污染，并具有一定消毒净化功能的空气过滤技术。本实用新型通过加热将液态水分子转变为气态水分子(附带高温灭菌属性)，状态变更后体积膨胀1000多倍，实现纳米级别的水蒸汽，可以更均匀地扩散至环境中的污染颗粒物旁边进行吸附。为增加吸附速度，在蒸汽导出阶段增加金属弹簧和窄小的金属管，使蒸汽与之进行摩擦从而产生负离子。在负离子静电作用下，水分子与污染物结合得以加速，结合后的污染物在制冷装置作用下快速冷凝、沉降。此外，本实用新型还采用了二氧化钛作为有毒物质分解源，对空气中的污染物进行分解净化，最终实现净化空气的目的。通过整个装置对空气进行净化，最终实现对空气中的悬浮颗粒、一般有毒气体、细菌进行过滤、分解、灭杀。

附图说明

图1为本实用新型的工作流程图；

图2为本实用新型的发热腔的控制原理图；

图3为本实用新型的系统结构示意图；

图4为本实用新型的半导体制冷片冷凝器的工作原理图；

附图标记：

1.纳米负离子蒸汽产生装置，2.气液转换收集装置，3.供电装置，4.蒸汽开关，5.发热腔，6.水泵，7.水箱，8.半导体制冷片冷凝器，9.污水收集过滤器，10.抽气扇，11.密闭空间，12.积水沉积板，13.进风口，14.出风口，15.风道一，16.风道二，17.绝缘体，18.金属导体，19.热端，20.冷端。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型做进一步详细说明，是对本实用新型的解释而不是限定。

结合附图1、附图3，基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，该过滤系统包括：纳米负离子蒸汽产生装置1、气液转换收集装置2、有害气体分解装置和供电装置3；

纳米负离子蒸汽产生装置1位于系统进风口13的上方并与进风口13相通，系统进风口13下方设有风道一15，风道一15出口连通气液转换收集装置2的发热腔5进口，发热腔5出口连通风道二16进口，风道二16连通系统出风口14；

风道一15和风道二16的底部均设有污水沉积板12；

所述有害气体分解装置设于风道二16与系统出风口14之间；

供电装置3用于给纳米负离子蒸汽产生装置1、气液转换收集装置2、有害气体分解装置提供工作电源。

优选地，风道一15和风道二16内设有若干个上下交错倾斜排布的挡风板，这些挡风板排布形成折形流道。

优选地，污水沉积板12呈“V”形结构；

优选地，有害气体分解装置内设有TiO2光催化剂；

进一步地，纳米负离子蒸汽产生装置1包括蒸汽开关4、和与蒸汽开关4分别连接的发热腔5和水泵6，水泵6连接水箱7。

进一步地，气液转换收集装置2为密闭空间11，密闭空间11内设有：半导体制冷片冷凝器8和与半导体制冷片冷凝器8分别连接的污水收集过滤器9和抽气扇10；

半导体制冷片冷凝器8通过污水收集过滤器9连接水箱7。

进一步地，气液转换收集装置2的半导体制冷片冷凝器8连接纳米负离子蒸汽产生装置1的发热腔5，用于对发热腔5进行输出纳米负离子蒸汽。

进一步地，发热腔5的腔体出气通道采用铜质管道结构，发热腔5的内表面为呈矩阵排列的多边形凸体结构。

进一步地，发热腔5至半导体制冷片冷凝器8的管道还连接密闭空间11。

具体的，纳米负离子蒸汽产生装置1中设有超声雾化换能器，该超声雾化换能器为高频谐振的陶瓷雾化片，产生的超声波将水雾化由液相变成气相进行捕捉颗粒物成固相，通过蒸汽出口进入光电催化段；所述光电催化段包括紫外光发生器、光电催化正极和负极，负极位于光电催化正极和紫外光发生器之间；负离子释放段包括纳米负离子粉，受到紫外线的光电效应，对超声雾化的水分子起催离作用产生负氧离子；其是将光电催化技术、蒸汽相变技术、微孔过滤技术和负离子活化技术的多物理手段相结合，具有过滤脱尘、分解除尘、杀毒灭菌、空气加湿和负氧离子释放等功能。

水由气态转换为液态过程中需要释放大量热能，如果空气中温度过高，在这个转换过程就会相对缓慢，沉降过滤空气中的污染物就变得困难；本实用新型气液转换收集装置2，对蒸汽、空气污染物的混合气体进行冷冻降温，提供了一个气态转换为液态的所需的可持续吸热环境，大大加快了水与污染物的团聚，从而达到加快污染物沉降的速度；本实用新型中的半导体制冷片冷凝器8，采用了电子制冷片的技术对产生的蒸汽混合空间进行冷凝，回流收集混合液体。

更为具体的，系统外围材料采用PC塑料材质，纳米负离子蒸汽产生装置1放置在半导体制冷片冷凝器8的上方，蒸汽从顶部进风口13下喷进入半导体制冷片冷凝器8。蒸汽出口旁放置抽气扇10，进气气流与蒸汽呈90度夹角，收集与污染物空气反应后的沉降物质。负离子蒸汽生成室在水泵6、热力和电力的共同作用下，产生纳米级的水蒸汽和负离子，水蒸汽接触空气悬浮颗粒反应脱稳并互相结合随后跟随管道进入半导体制冷片冷凝器8进行沉降。沉降后的污水沉积在系统下方的漏斗形积水沉积板12，净化后的空气跟随管道到达出风口14。

基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统的空气过滤方法：

步骤1，将待净化空气通过系统进风口13引入系统，并在纳米蒸汽纳米负离子蒸汽产生装置1产生的纳米水蒸汽+负离子吸附团聚作用下在风道一15中发生一次沉降；

步骤2，一次沉降后的空气进一步进入气液转换收集装置2，部分空气由气态转换为液态，进而其中的悬浮混合物发生二次沉降；

步骤3，二次沉降后的空气通过风道二16进入有害气体分解装置，进行对未被负离子蒸汽分解或沉降的部分进行二次分解，最后从系统出风口14出来。

步骤1中纳米水蒸汽的制备，通过蒸汽开关4控制整个纳米负离子蒸汽产生装置1；开启后发热腔5预热，达到130度后蒸汽开关4断开，发热腔5停止发热，达到80度时蒸汽开关4闭合，水泵6开始工作，水泵6向发热腔5内注水；当发热腔5温度下降到120度时，蒸汽开关4恢复闭合，发热腔5恢复加热；如此循环，发热腔5的温度一直维持在120～130度，产生水蒸汽；发热腔5的高温将水分子气化，在高温高压的环境下，水蒸气颗粒达到纳米级别。

具体的，水在气态的以水分子的形态存在，是目前我们可以认知的最小水分子颗粒。在水吸收足够能量的时候，水就可以由液态转化为汽态，达到纳米级别的存在。但是气态的水分子，在接触空气的一瞬间，其热量会被空气带走，并转化为液态，在持续不断的气化和液化的状态，空间中会产生大量纳米级的水蒸汽颗粒，并达到平衡。根据这一实验原理，本实用新型设计了一个能迅速升温将液态水汽化的装置，实现液态水-汽态水的转换，也就是图1中的发热腔5，具体发热腔5的控制原理图如图2所示：

供电装置3包括220V交流电源和12V直流电源；

220V交流电源连接纳米负离子蒸汽产生装置1的蒸汽开关4；12V直流电源分别连接气液转换收集装置2的半导体制冷片冷凝器8和出风口14处的抽气扇10。

具体的，发热腔5与水泵6均为220V交流电供电，通过蒸汽开关4控制整个装置。但蒸汽开关4按键按下后发热腔5开始预热，当机械式蒸汽开关4(常闭)达到130度的工作温度后蒸汽开关4断开，发热腔5停止发热，同时机械式蒸汽开关4(常开)的温度也达到80度，蒸汽开关4闭合，水泵6开始工作注水进入发热腔5内部。当发热腔5温度下降到120度时，发热腔5的蒸汽开关4恢复闭合，发热腔5恢复加热。如此循环，发热腔5一直维持在120～130度之间的温度。

1标准大气压下的1升水蒸发成水蒸汽后体积膨胀为原来的1700倍，由此水蒸汽颗粒为纳米级别。

具体的，水通过加热由液态转换为汽态过程，由于状态变化，在标准状况下(0℃，1标准大气压)，1摩尔理想气体的体积为22.4升。在恒压的条件下，温度和体积有以下关系：

V1/T1＝V2/T2，其中：V：气体体积(升)；T:绝对温度(K开尔文)；

100℃的条件下：1摩尔水蒸汽的体积：22.4×373.15/273.15＝30.6升；

1升水为1000克，水的摩尔质量＝18克/摩尔；

1升水有1000/18＝55.56摩尔；

1升水的水蒸汽体积为：55.56×30.6＝1700升；

即：1标准大气压下：1升水变成水蒸汽后体积为1700升，也就是体积膨胀为原来的1700倍。在增大了体积情况下，空气中就快速充盈了水分子，让悬浮颗粒能更快地通过水分子进行吸附，增加自身的重力，达到加快团聚沉降的效果。在发热腔5温度达到100～140℃时，水通过液体推送装置到达发热腔5，发热腔5产生高温将水分子气化，在高温高压的环境下，水蒸气颗粒达到纳米级别。当水蒸汽颗粒变为纳米级别的时候，水蒸汽的颗粒更小，能用更少的水就可以清洁更大的区域，同时清洁度也更细，极大提高过滤净化的效能。同时高温蒸汽能够产生高温灭菌的效果，经过纳米水蒸汽净化后的气体不会因为空气中经过蒸汽后产生二次污染。

进一步地，气液转换收集装置的半导体制冷片冷凝器中设有TiO₂光催化剂，TiO₂属于n型半导体，TiO₂表面的羟基能够将TiO₂表面吸附的污染物氧化成二氧化碳、水和小分子；即

具体的，本实用新型添加TiO₂光催化剂，它可以在光的催化作用下产生对空气中的污染物进行分解净化作用，主要能够有效降解空气中的甲醛、苯、氮氧化合物、氨气、二甲苯一类的有害气体。

主要由于TiO₂是一种n型半导体，它由高能价带和低能导带，价带上带有大量电子，导带上有空穴，在倒带和价带中间是一个3.2eV的禁带，只有当光照能量大于或等于禁带宽度时，价带上的电子才能被激发，跃迁到倒带上，价带上就产生空穴，一种高活跃性的电子-空穴对。

空穴的得电子能力很强，可以夺取颗粒表面的电子，将吸附在TiO₂表面的分子物质被氧化。有些空穴也会因为得到电子从而被还原。

在价带上，TiO₂表面的水分子与氢氧根离子还原反应生成羟基。羟基具有较强的氧化性。接着电子和TiO₂表面的分子氧发生还原反应，产生超氧离子，然后超氧离子在生成氢氧根离子。具体反应式为：

OH⁺+h⁺→·OH

H₂O+h⁺→·OH+H⁺

H₂O₂+e^-→·OH+OH^-

TiO₂表面的羟基具有较强的氧化性，反应过程中超氧离子也具有强氧化性。这些强氧化性物质能够将TiO₂表面吸附的污染物氧化成二氧化碳、水和小分子。

即

因此，TiO₂此可以降解空气中的污染物，比如甲醛、苯、二甲苯、按器等物质，并通过纳米蒸汽过滤小分子，不产生再次污染。

进一步地，气液转换收集装置2的半导体制冷片冷凝器通过对水蒸汽降温，将水蒸汽由汽态转为液态，进行水蒸汽与固体悬浮物的团聚和沉降；

进一步地，发热腔5生产纳米水蒸汽后，迅速将水蒸汽送入气液转换收集装置2，当水蒸汽快速冲出管口时，水分子与管道之间产生摩擦生成负离子，金属电子迁移活跃性强，对周围环境产生一个电场，在电场的作用下，悬浮颗粒产生极化，负离子之间由于库仑力的作用会互相排斥，排斥过程中使其与空气中的粉尘互相碰撞并吸附团聚在一起。

具体的，负离子的产生：根据摩擦生电原理，当水蒸汽快速冲出窄细的管口的时候，水分子与管道之间产生摩擦生成负离子，由于金属电子迁移活跃性特别强，考虑使用金属作为蒸汽管道材料，产生的负离子数量也相对更多；同时由于不同管道的材质对负离子生成数量有较大影响，考虑用各种不同的管道进行对比测试，择优选择最适合负离子产生的材质作为蒸汽管道的制作材料。

由于空气中的悬浮颗粒在刚开始时并不具备任何电荷，但是由于蒸汽产生系统中同时产生了负离子，让空气中充满负离子水蒸汽，它作为一种带电离子，会对周围环境产生一个电场，在电场的作用下，使得悬浮颗粒产生极化现象。负离子之间会由于库仑力的作用下会互相排斥，排斥过程中使得其与空气中的粉尘互相碰撞并吸附团聚在一起。当互相碰撞在一起后，粉尘吸附的数量越来越多，产生的重力也越来越大，就开始产生沉降的效果。

由于负离子具有粒径小、活跃性高的特性，利用气体的弥漫性可迅速的扩散至房间内的各个角落，主动与空气中的污染物相结合，比如甲醛、甲苯、TVOC等装修污染物等发生反应，将其分解为无毒的二氧化碳和水，在一定程度上能缓解装修污染残留。空气中的负离子(负氧离子)与细菌、霉菌、病毒等接触，会破坏它们的分子蛋白结构，使其产生结构性改变(蛋白质两极性颠倒)或能量转移，从而使细菌病毒等微生物死亡。但是，适量浓度的负离子不但对人体无害，还有益于人体健康。“负离子杀菌”是在研究负离子促进吸附沉降过程中获得的额外收获。

半导体制冷片冷凝器8内设有两个半导体冷凝片；装置通电自动开启冷凝片，制冷的同时，冷凝片的周边还设有散热风扇，散热风扇为冷凝片散热使冷凝片获得持续降温，散热风扇设于冷凝片的上方和下方(图中未显示)；用于送风的抽气扇10开始工作，一台往污水收集过滤器内送风，另一台往密闭空间送风。

进一步地，半导体制冷片冷凝器8被抽气扇10抽出的干净空气输送至密闭空间11，半导体制冷片冷凝器8通过污水收集过滤器9连接水箱，密闭空间11对输出纳米负离子蒸汽进行抽气负压令污染气体与纳米蒸汽融合。

具体的，半导体制冷片冷凝器8通过对水蒸汽降温，快速将水蒸汽由汽态转为液态，实现加速水蒸汽与固体悬浮物的团聚达到沉降。通过冷凝水过滤环节，对空气中的悬浮物进行自然沉淀过滤。

半导体制冷片冷凝器8主要通过12V电源供电，内部含有两个半导体冷凝片，两个冷凝片散热风扇和两个风扇。装置通电自动开启，冷凝片一边开始制冷，冷凝片另一边的散热风扇负责为冷凝片散热使得冷凝片能够获得持续降温的能力，另外的两台风扇开始工作，一台往净化器内部抽气，另一台往外吹气。

实施例

在实验过程中采用汉王霾表M1来监测污染物经过纳米水蒸汽负离子净化段前后污染物的浓度，对原型系统进行测试。

器材：实验材料主要为玻璃实验腔，PM2.5悬浮物产生体，测量仪器为汉王霾表；装置使用无滤网空气过滤器。

有害气体分解装置是在市面购买所得的二氧化钛粉体，通过溶液勾兑分散后喷涂在塑料板材上，气体经过的时候被接触分解。

实验过程中，主要利用纳米水蒸汽+负离子吸附团聚达到在团聚后重力增大作用下加快PM2.5及有害物质的沉降。PM2.5本质在自身轻质量以及空气气流相互作用下，在空气中达到长时间悬浮状态。本系统的原理是利用水蒸汽负离子与悬浮物产生结合，再通过冷凝装置加速蒸汽由气态转换为液态，从而加速混合物等团聚，快速增加悬浮混合物的质量，从而达到沉降效果，进而对污染物去除。纳米负离子净化系统具有沉降斜板，在一定的倾斜角度下，能够有效过滤冷凝后的液体，从而提高液体的可以循环效率，减少多次补充水的麻烦。

进行纳米水蒸汽颗粒度测试。Winner311XP喷雾激光粒度分析仪是专门针对小型喷雾设备雾滴粒度测试设计开发的台式喷雾激光粒度仪。能够对分散在空气中的雾滴、液滴进行不接触测量。为测试蒸汽产生装置每毫升能产生多少粒水分子(粒/ml)及检查蒸汽水分子是否已达到纳米级别，进行实验操作与数据采集。

实验步骤：1、仪器输入电压为220V，测试范围0.1-100um。

2、测试环境温度为(25℃±3℃)，湿度为(50％RH±10％)。

3、测试流程：(1)按仪器的操作指导开启仪器。(2)被测样品开机1分钟后，蒸汽输出稳定后将样品的出蒸汽口以45度，距离仪器测试区域150mm的地方。(3)点击仪器软件的开始采集按钮，开始数据采集，电脑开始显示采集到的能谱图，在数据采集的条数为160条时结束采集。(4)数据整理，与中位数相差10％的数据删除，把剩余数据用仪器的软件求平均值。

(5)记录最终数据，进行分析。得到表1的测试结果。

表1 纳米水蒸汽颗粒度测试结果

综合“数据平均粒径”和“密度”两项数据，水蒸汽发生器可以产生纳米级别的水蒸汽分子；此外，通过“纳米数据”一项中，更清晰地展现出水蒸汽发生器产生水分子的尺寸低于0.11um的百分比为10.57％，约1588204粒/ml水分子达到纳米级别，是真正可以产生纳米水蒸汽的发生装置。

负离子测试：进行负离子检测：1.负离子检测计AIC2000，可测范围：1000个离子—2亿个离子/CM³；2.原型系统

测试过程使用测试仪器进行数据采集，过程如下：

1.将负离子检测计的接地端接地

2.开检测设备并对设备的负离子数调零(去除环境中的干扰)

3.将水蒸汽向负离子检测设备检测口附近喷出

4.检测设备将进行抽风循环测定数值

基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统净化效能测试：

首先进行基于纳米负离子技术的无滤网空气过滤系统与其他常用过滤装置效果进行对比，验证该过滤系统的效能。选择常用的三类种过滤技术，分别为活性炭物理吸附，HEPA(高效空气微粒滤网)及光触媒技术。活性炭是一种多孔性的含碳物质，它具有高度发达的孔隙结构，多孔结构为其提供了大量的表面积，能够与空气充分接触，从而赋予它特有的吸附能力。此外，所有分子之间都具有相互的引力，活性炭的孔壁上大量分子可以产生强大的引力，从而将有害杂质吸引到孔隙中。HEPA(高效空气微粒滤网)进行物理过滤，HEPA通常由化学纤维或玻璃纤维材质组成，常见的HEPA滤网由多层折叠的纤维膜构成。对直径为0.3微米以上的微粒滤除效率高，是烟雾；尘埃微粒以及细菌等污染物最有效的过滤媒介。光触媒技术：光触媒物质在光照射条件下，分解有机物为二氧化碳和水，同时破坏细菌的细胞膜，固化病毒的蛋白质，改变细菌、病毒的生存环境从而杀死细菌、病毒。

实验装置首先进行各空气净化手段效果对比。主要观察各净化手段对PM2.5及PM10的沉降去除效果。

实验步骤：1、实验环境恒定温度，湿度。

2、在实验装置内部放入颗粒(香烟)，至内部污染物浓度稳定。

3、分别用表1中四种不同净化方式对实验舱内空气进行净化。

4、待净化处理30min后，记录各净化方式后实验舱内空气污染物浓度。

5、整理数据，进行分析。

实验编号	净化手段
		1	活性炭吸附
2	HEPA过滤网
		3	光触媒技术
4	本系统

表2 实验分组

在系统的测试实验中，首先观察不同净化手段下的沉降效率。测试无过滤手段时测得初始污染PM2.5浓度、PM10浓度，记为b₁，b₂，随后，运用各净化手段作用30min后，再次测量净化段后PM2.5及PM10浓度值，分别记为c₁，c₂。分别根据4组不同净化手段按照上述方法进行实验。

根据式(1)对数据进行处理，所搭建实验环境对PM2.5及PM10的沉降去除效果如表3和表4所示。

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表3 不同净化方式下PM2.5的沉降效果

表4 不同净化方式下PM10的沉降效果

从表3-4中可看出，经过30min的净化，测量两种不同颗粒污染物的沉降程度，可以看出，不论是PM2.5，还是PM10均为纳米蒸汽负离子沉降效率最高，达到了83％左右。沉降后可见本系统实验后的污染物沉淀。由此可以说明该系统能够很好的净化空气中的有害物质，对保护健康、提高空气质量具有重要作用。

变量对该过滤系统影响：通过改变纳米负离子过滤系统的输入变量，如水蒸汽密度、有无冷凝技术、紫外线等对系统中纳米负离子与空气中污染物结合并沉降的影响。

(1)净化效果随时间变化情况

为验证所提系统净化效果随时间变化情况，进行以下实验：在玻璃腔内通过风机充入一定含污染物的气体，分别选择活性炭吸附和基于纳米负离子技术的无滤网空气过滤系统进行30min的净化测试，每隔5min记录一下实验环境内PM2.5浓度，比较两种手段随时间变化过程中沉降效率的变化。

从此可以得出，起始阶段两者的净化效率差异不大，随着时间的推移，由于活性炭已经吸附了一部分的污染物，导致与实验环境内气体接触面积减小，因此净化效率有所减弱。而纳米蒸汽负离子不断产生新的纳米级蒸汽负离子，与空气污染物进行分子级别的吸附沉降，净化效率高于活性炭方式。

(2)净化效果随不同因素变化情况

水蒸汽密度，纳米水离子结合污染物的凝结速度对净化效果的影响，设计以下实验：

1、通过调整水泵输入的克数来控制水蒸汽的密度，设置20g，25g和30g三个密度值，分别测量20min内PM2.5与PM10的沉降效率变化情况。

随着水蒸汽密度的增加，沉降的效率同样得到提高，而且可看出，水蒸汽密度越大，对大颗粒物的净化效果越好，从PM10比PM2.5沉降效率可以看出，同样作用时间下，PM10的沉降效率大于PM2.5的沉降效率。

2、考虑到加快水离子凝聚沉降的速度，可在沉降收集装置周边放置能够加快水蒸汽凝结的冷凝装置，对比与不放置冷凝装置情况下污染物的沉降速度。

加入冷凝装置可以加快前期纳米水分子凝结，随着时间推移，最终的沉降效率也稍高于不放置冷凝装置的情况，说明冷凝装置有效地提高了污染物的沉降效率。

实验研究表明：

1.提出了一种基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统及过滤方法，能够有效提高空气污染物的沉降速度，并且避免二次污染。

2.通过搭建系统原型，设置各种变量参数，进行对照实验，表明了纳米负离子蒸汽对于空气污染物吸附、沉降的有效性，在环保和空气净化方面具有重要意义。

3.运用控制变量法，研究了水蒸汽密度、冷凝装置等对污染物沉降效率的影响。通过实验可以看出，水蒸汽密度、冷凝装置都对系统净化空气污染物具有促进作用。

本系统能够产生纳米蒸汽和负离子，其中蒸汽与负离子结合而成的水离子对空气中的大多数污染物均有良好的吸附作用，经过水蒸汽的冷凝沉降之后，可将污染物带离空气，达到净化空气质量的目的。通过对实验环境的各种参数进行设计，设置对照实验，验证了该系统对于固态空气污染物吸附，并将其进行回收沉降的有效性。同时运用控制变量法，研究了三种不同条件下对空气污染物沉降速率的影响，提出了一些加快污染物沉降的方法与措施，为今后系统部署试用提供依据。

本实用新型的控制部分采用空气质量传感器MICS-7514，通过电子电路直接跟系统结合起来。利用单片机CC2540读取空气质量传感器的数值和控制空气净化系统上的各个部件，通过空气质量传感器实时监测空气质量来控制净化系统的开关，当空气质量变差的时候，净化系统才开始工作，当空气质量恢复到常态时，净化系统自动停止净化进入休眠。这样能够有效的减少净化系统的功耗，达到节能的目的。

另外，还可以通过蓝牙模块连接手机APP，将实时的空气质量数据与净化器的工作情况通过手机APP展现给使用者，使用者也可以通过手机APP远程操作净化器，动动手指头就能实现房间内的空气净化；同时APP也能实现产品的智能化。APP也能通过空气质量传感器MICS-7514收集用户所在地区的环境空气质量给用户做为参考。

(1)实现空气中的物理污染物PM2.5的沉降过滤：

物理污染物PM2.5以微小固体颗粒的形态悬浮在空中，通过产生水蒸汽对空气中的悬浮物体进行吸附沉降，对沉降出来的固体悬浮物进行过滤清理，将是环保、绿色可循环的过滤方式。

(2)实现纳米级水蒸汽，实现对极微小固体悬浮物的吸附：

在研究过程中，发现足够细微颗粒的水蒸汽才能实现对更小颗粒固态悬浮物的吸附；本实用新型能够使其产生纳米级别的水蒸汽。

(3)产生负离子，加快固体悬浮物的吸附团聚：

当水蒸汽吸附固体颗粒后，需要加快水蒸汽和悬浮颗粒的运动，才能促进悬浮颗粒的相互碰撞并吸附团聚，并因为重力而沉降。本实用新型能够让水蒸汽都带上微弱的电荷，由于同性电离子之间的库仑力的作用，将会互相排斥促进悬浮颗粒加速运动，实现加大相互间的吸附团聚作用的效果。因为正离子本身具有强氧化性，在接触人体时，会快速抢夺人体的细胞电子从而让人产生微弱触电感，让人产生不适。然而本实用新型通过实验得出：负离子不仅仅安全，还能与空气中的污染物相结合，比如甲醛、甲苯、TVOC等装修污染物等发生反应，将其分解为无毒的二氧化碳和水，在一定程度上能缓解装修污染残留。因而本实用新型通过实验得出结论：产生负离子水蒸汽。

(4)加速冷却，实现悬浮固体的快速沉降：

当水蒸汽和悬浮颗粒吸附团聚后，必须尽快实现冷凝、沉降、收集和过滤，达成净化后，空气循环利用，本实用新型的技术能够快速冷凝沉降过滤。

对蒸汽发生的腔体的热量迁移到水中，以及腔体大小进行了优化设计，最终实现纳米蒸汽和负离子的产生。

(5)本实用新型通过增大发热腔接触面积，加快了热传导；接触面积增加了80％左右，气化能力提高了45％以上。相同导热系数的材料中，散热速率与散热面积成正相关。因此在发热产生蒸汽的腔体中加入特殊的凸体结构设计增加热的传导性能，腔体中出汽口也通过管道缩小气体出汽的孔径，从而增大腔体中间的气压，让水转换成蒸汽后有足够的碰撞空间，腔内温度也会提升，使得蒸汽的温度升高，分子运动加剧产生纳米蒸汽与负离子。

(6)本实用新型对蒸汽管道材质的测试选择：进行腔体设计优化后，反复对蒸汽大小和负离子数量进行测定。通过负离子检测计AIC2000发现空气中蒸汽大小可以达到纳米级，但是空气中的水离子以正离子为主，硅胶管中带有负电荷。本实用新型开始尝试不同的材料进行对比测试，使用了包括微晶玻璃管、陶瓷管、铜管、钢管在内的十几种材质进行测试；最终发现由于金属的电子迁移活跃性特别强，所以使用金属产生的负离子，量也相对更多。最终测试过程中，铜管的综合效益相对其他的材料更优，最终选择了铜管作为本实用新型的负离子产生的关键部件。

上述说明示出并描述了本实用新型的优选实施例，但如前所述，应当理解实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离实用新型的精神和范围，则都应在实用新型所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，其特征在于：该过滤系统包括：纳米负离子蒸汽产生装置、气液转换收集装置、有害气体分解装置和供电装置；

所述纳米负离子蒸汽产生装置位于系统进风口的上方并与所述进风口相通，所述系统进风口下方设有风道一，所述风道一出口连通气液转换收集装置的发热腔进口，所述发热腔出口连通风道二进口，所述风道二连通系统出风口；

所述风道一和所述风道二的底部均设有污水沉积板；

所述有害气体分解装置设于风道二与系统出风口之间；

所述供电装置用于给所述纳米负离子蒸汽产生装置、所述气液转换收集装置、所述有害气体分解装置提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，其特征在于：

所述纳米负离子蒸汽产生装置包括蒸汽开关、和与蒸汽开关分别连接的发热腔和水泵，水泵连接水箱。

3.根据权利要求1所述的基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，其特征在于：所述气液转换收集装置为密闭空间，密闭空间内设有：半导体制冷片冷凝器和与半导体制冷片冷凝器分别连接的污水收集过滤器和抽气扇；

所述半导体制冷片冷凝器通过污水收集过滤器连接水箱。

4.根据权利要求2或3所述的基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，其特征在于：所述气液转换收集装置的半导体制冷片冷凝器连接纳米负离子蒸汽产生装置的发热腔，用于对发热腔进行输出纳米负离子蒸汽。

5.根据权利要求2所述的基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，其特征在于：所述发热腔的腔体出气通道采用铜质管道结构，发热腔的内表面为呈矩阵排列的多边形凸体结构。

6.根据权利要求3所述的基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，其特征在于：

所述发热腔至半导体制冷片冷凝器的管道还连接密闭空间。

7.根据权利要求1所述的基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，其特征在于：所述供电装置包括220V交流电源和12V直流电源；

所述220V交流电源连接纳米负离子蒸汽产生装置的蒸汽开关；12V直流电源分别连接气液转换收集装置的半导体制冷片冷凝器和出风口处的抽气扇。

8.根据权利要求1所述的基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，其特征在于：所述气液转换收集装置中设有TiO2属于n型半导体。

9.根据权利要求1所述的基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，其特征在于：所述风道一和风道二内设有若干个上下交错倾斜排布的挡风板，这些挡风板排布形成折形流道。

10.根据权利要求1所述的基于纳米负离子的无滤网空气过滤系统，其特征在于：所述污水沉积板呈“V”形结构。

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