TWM457859U

TWM457859U - 一種空氣淨化系統

Info

Publication number: TWM457859U
Application number: TW101214875U
Authority: TW
Inventors: Ting-Wei Kuo
Original assignee: Vitallife Nano Technology Co Ltd
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2013-07-21

Description

一種空氣淨化系統

本創作係關於一種空氣淨化系統，藉由光觸媒裝置及臭氧裝置產生氫氧自由基，來氧化及分解空氣中的污染物，來提升空氣淨化的效果。

臭氧是氧氣的同素異形體，能夠破壞細胞膜的脂蛋白、不飽和脂肪及細胞外膜，影響細胞滲透性，進而造成細胞裂解，當濃度達到一程度時，會破壞細胞內部蛋白酵素，可抑制微生物繁衍，甚至造成死亡；因此，臭氣係被廣泛的應用在空氣淨化作業中，藉由臭氧的殺菌能力，來達到空氣濾清。

「光觸媒」是一種能夠加速光化學反應的催化劑，也就是在光的照射下，能夠提供氧化還原能力的一種催化劑，所以也很常被應用在空氣淨化作業中；常用的光觸媒材料有磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)及二氧化鈦(TiO2)，其中，二氧化鈦的價格低廉，且取得容易，因此廣泛的被使用。

中央空調系統負責協調大樓中空氣的新陳代謝，如果空氣品質不良，細菌存在於大樓空氣中，容易造成人員感染呼吸道疾病，因此，開始有了實施室內空氣品質管理法，來改善室內空氣品質，維護國民健康，而製造商也分別提供許多不同的空氣淨化技術。

一般而言，常見的淨化技術包括臭氧、UV光源殺菌及具有二氧化鈦的光觸媒；其中，臭氧係可破壞細菌細胞膜外的脂蛋白來殺死微生物，並分解空氣中臭味及有毒化學物質，但實際上，單純臭氧的氧化能力並不如傳統認知的強，因為，直接以臭氧和汙染物反應速率很慢，以致幾乎沒有淨化效果；而單純UV光源來殺菌，根據原理，UV光源可以打斷化學物質的分子鍵，應進一步破壞化學結構而達到淨化目的，但實際測試上發現，打斷的分子鍵有可能聚合為更複雜的結構，造成總有機氣態物質(total volatile organic compounds,TVOC)測試值不降反升：另外，單獨使用二氧化鈦的光觸媒雖可降低TVOC濃度，但在空調設備實際運作的風速範圍內，其分解效率仍然不夠好。

因此，有鑑於上述習用技術仍有所不足，故，本案之創作人係極力設計，終於設計出本創作之一種空氣淨化系統。

本創作之主要目的，在於提供一種空氣淨化系統，係可以穩定地速率分解空氣中的污染物，並具有較佳的空氣淨化能力。

為了達成本創作之目的，本案創作人設計一種空氣淨化系統，係容許具有汙染物之一氣體通過，其中，該氣體係依序通過以下區域：一入口；一高級氧化作用區10，係與該入口21連接，並更包括：一臭氧產生區，具有可產生臭氧之一臭氧產生裝置，其中，該臭氧產生裝置係以紫外線打斷氧分子，以形成臭氧；及一光觸媒區，係連接該臭氧產生區，並具有一二氧化鈦元件及至少一UV光源元件；其中，該臭氧產生裝置的臭氧分子與該二氧化鈦元件的二氧化鈦分子，經過該UV光源元件的UV光源照射後，係產生氫氧自由基，以對該氣體進行高級氧化程序(advanced oxidation processes)；及一臭氧去除區，係連接該高級氧化作用區，包括一臭氧去除網，係設置在該光觸媒區之一側，並與一出口連接，其中，該臭氧去除網可降低臭氧的流通速度，使得未被分解的臭氧分子可被該UV光源元件打斷，並進行氧化還原；上述中，該臭氧去除網係具有活性碳，且其厚度至少3公分，而該UV光源元件所射出的紫外線波長的範圍在280 nm至100 nm之間。

另外，本創作的空氣淨化系統，還包括一鋁質金屬網，係設置於該高級氧化作用區內並與該入口連接，可過濾該氣體中顆粒較大的污染物；一電漿離子產生裝置，係設置於該臭氧產生區，其中，該電漿離子產生裝置會釋放電荷，當該氣體通過該電漿離子產生裝置時，會因為該電荷的能量而形成氫正離子與氧負離子，並產生電漿離子波，以消除該氣體中的污染物；一風扇，係設置在該臭氧去除網與該出口之間；其中，UV光源元件所射出的紫外線波長的範圍在280 nm至100 nm之間。

為了能夠更清楚地描述本創作所提出之一種空氣淨化系統，以下將配合圖式，詳盡說明本創作之較佳實施例。

首先，先介紹本創作之第一實施例，請參考第一圖及第二圖，分別係本創作第一實施例之空氣淨化系統之方塊圖，及本創作第一實施例之空氣淨化系統置於機殼內的示意圖；一種空氣淨化系統，係容許具有汙染物之一氣體通過，其中，該氣體係依序通過以下區域：一入口21；一高級氧化作用區10，係與該入口21連接，並更包括：一臭氧產生區11，具有可產生臭氧之一臭氧產生裝置111，其中，該臭氧產生裝置111係以紫外線打斷氧分子，以形成臭氧；及一光觸媒區12，係連接該臭氧產生區11，並具有一二氧化鈦元件121及至少一UV光源元件122；其中，該臭氧產生裝置11的臭氧分子與該二氧化鈦元件121的二氧化鈦分子，經過該UV光源元件122的UV光源照射後，係產生氫氧自由基，以對該氣體進行高級氧化程序(advanced oxidation processes)；及一臭氧去除區13，係連接該高級氧化作用區10，包括一臭氧去除網131，係設置在該光觸媒區12之一側，並與一出口22連接，其中，該臭氧去除網131可降低臭氧的流通速度，使得未被分解的臭氧分子可被該 UV光源元件122打斷，並進行氧化還原；上述中，該臭氧去除網131係具有活性碳，且其厚度至少3公分，而該UV光源元件122所射出的紫外線波長的範圍在280 nm至100 nm之間。

接續上述，本創作空氣淨化系統更包括一鋁質金屬網112，係設置於該高級氧化作用區10內並與該入口21連接，可過濾該氣體中顆粒較大的污染物，用以過濾大型髒物；一電漿離子產生裝置113，係設置於該臭氧產生區11，其中，該電漿離子產生裝置113會釋放電荷，當該氣體通過該電漿離子產生裝置113時，會因為該電荷的能量而形成氫正離子與氧負離子，並產生電漿離子波，以消除該氣體中的污染物；及一風扇14，係設置在該臭氧去除網131與該出口22之間；其中，該風扇14的風速係在0.6m/s至3m/s之間；本創作設置風扇的目的係在於控制氣體通過的速度，然而，這僅為本創作之一實施例，並非限制本創作的專利範圍；氣體在大部份的空調系統所連接的管路中皆已具有一定的流動速度，因此，氣體的流動並非一定要靠風扇，只要氣體通過的速度範圍在0.6m/s至3m/s之間，本創作即可有效進行氧化還原。

在本創作中，該臭氧產生裝置111所產生的臭氧，到了光觸媒區12後，UV光源元件122所射出的紫外線係提供能量，讓觸媒和臭氧反應，產生遠高於傳統光觸媒技術之大量的氫氧自由基(Hydroxyl Radical)，該氫氧自由基分解有機化合物的效能是一般臭氧的109~1010倍，具有更強的氧化破壞能力，因此，在本創作中，產生臭氧的主要目的是在於產生氫氧自由基，以進行高級氧化程序(Advanced Oxidation Processes，AOPs)，利用自由基的強氧化力來破壞目標污染物或中間產物，使得污染物被降解甚至完全礦化成二氧化碳及水，來達到空氣淨化目的。

雖然上述技術能夠有效達到空氣淨化的目的，然而，僅結合上述技術，並無法使此技術能實際應用室內空間，因臭氧產生裝置111所產生的臭氧可能無法被完全利用，導致會由出口22排入室內空間，造成臭氧快速累積。根據環保署的室內空氣品質建議值，室內容許之臭氧濃度根據場所不同僅為0.03~0.05 ppm，因此本創作在光觸媒區12後設置了臭氧去除網131，將未反應完之臭氧中和，使高級氧化程序於室內應用成為可能。

請參考第三A圖至第三D圖，係本創作風速及效能實驗圖表，本創作的配置須符合特定之相關運轉參數，始能將效能發揮至最佳狀態；根據光觸媒高級氧化程序的單位空氣分解效果為通過風速越低，反應效能越高，性能越好，如第三A圖所示；不過，真實應用於室內空間之清淨效果並非只看單次分解效率而定，而是必須視室內總分解量，而室內總分解量則與單位空氣分解效能與循環風量有關係，如第三B圖所示，會有一個風速範圍為總分解量較佳的狀態；相同地，臭氧產生量亦有相類似的情況，如第三C圖所示，風速越快，單位空氣產生的臭氧量越高，若加乘上循環風量，則亦有類似於總分解量的狀況；臭氧去除網131的效能是風速越快，效能越差，因此就整體系統而言，隨著風速的提升，將會有一臭氧洩漏的破出點(Break Throuth Point)，一旦開始洩露，則室內環境將會開始累積臭氧濃度，如第三D圖所示，因此，臭氧去除網131必須讓臭氧洩露的破出點的風速在最佳總分解性能風速範圍之上。

綜合上述理由，本創作較佳的實施範圍，該風扇14的風速應在0.6 m/sec~3 m/sec的範圍之間，而臭氧去除網131的厚度則為3 cm以上為最佳。

在本創作中，臭氧去除網131可使用活性碳作為去除裝置的基底，然而，除單純使用活性碳外，另外可於活性碳表面進行特殊處理改質，以提升臭氧去除之效果，例如活性碳表面之鹼處理、氧化錳系觸媒的改質或其他臭氧還原觸媒的改質。

為了驗證本創作的功效，本案創作人進行以下試驗：

【實驗方法】

本創作人共進行五項實驗，以乙醛氣體做為汙染氣體，並將10ppm的乙醛氣體注入一封閉箱體內，再分別以紫外線燈管照射、注入臭氧、光觸媒、電漿棒、活性碳及本創作空氣淨化系統等方式，來去除該封閉箱體內的乙醛，且用PID(photoionization detector)測試儀偵測讀值，其中，第一實驗係以紫外線燈管照射，第二實驗係注入臭氧，第三實驗係使用光觸媒技術，第四實驗使用電漿棒，第五實驗是使用純活性碳，而第六實驗則是以本創作空氣淨化系統。

【第一實驗】

請參考第四圖，係單獨使用波長為254nm的紫外線燈管來分解乙醛之測試結果圖表，其中，第一實驗係藉由波長254nm的紫外線照射封閉箱體內的乙醛氣體，綜軸為TVOC讀值，橫軸為時間，時間單位為小時；在習知技術中，認為紫外線照射能使微生物細胞核的遺傳物質DNA形成鹼基的二聚體結構，進而破壞其雙股螺旋結構，使其無法繁衍生長；然而，第一實驗的圖表卻顯示TVOC的讀值在經過紫外線照射後是上升的，這原因是，雖然紫外線具有斷鍵的能量，但汙染物被打斷後，又會再聚合成更大的分子，如此，會造成讀值上升；由此可知，單獨使用紫外線燈管照射污染物並無法降低空氣中的污染物。

【第二實驗】

請參考第五圖，係單獨用臭氧來分解乙醛之測試結果圖表，其中，第二實驗係注入20ppm的臭氧到該封閉箱體內，綜軸為TVOC讀值，橫軸為時間，時間單位為小時；由第二實驗的圖表可知，臭氧其實並無法降低空氣中的污染物。

【第三實驗】

請參考第六圖，係單獨用光觸媒技術來分解乙醛之測試結果圖表，其中可發現相較於第一實驗與第二實驗，光觸媒確實可分解空氣中的化學物質，然而在分解效率上仍然較低，造成實際使用時無法彰顯其效果。

【第四實驗】

請參考第七圖，係單獨用電漿棒來分解乙醛之測試結果圖表，其中，第三實驗係將每cc至少可產生1236000離子化氣體的電漿棒置於該封閉箱體內，綜軸為TVOC讀值，橫軸為時間，時間單位為小時；由第四實驗的圖表可知，曲線與第二實驗極為類似，推測電漿應僅為介電質放電產生臭氧的作用，並無特殊利用電漿產生額外分解效果，因此，電漿棒並無法有效降低空氣中的污染物。

【第五實驗】

請參考第八圖，係使用活性碳來分解乙醛之測試結果圖表，其中，綜軸為TVOC讀值，橫軸為時間，時間單位為小時；由第五實驗的圖表可知，在TVOC濃度較高時的吸附能力很強，但當濃度降到6ppm以下之後，吸附能力就變差，而室內空氣品質的建議值是3ppm，因此，單獨使用活性碳，是不夠將空氣中的污染物降低至法規標準的。

【第六實驗】

請參考第九圖，係單獨用本創作之空氣淨化系統來分解乙醛之測試結果圖表，其中，綜軸為TVOC讀值，橫軸為時間，時間單位為小時；由第六實驗的圖表可知，TVOC的讀值在實驗開始時就快速下降，不到三十分鐘，TVOC的讀值就幾乎降到最低，相較於前五個實驗，使用本創作之空氣淨化系統可有效地分解乙醛，因此，本創作之空氣淨化系統可有效降低空氣中的污染物。

從上述實驗可知，一般市面上以電漿棒與臭氧來進行空氣淨化的效果並不好，還有可能因臭氧濃度過高造成額外健康問題；紫外線燈管就具有斷鍵的能力，但由於斷鍵後的分子又再度結合成更大的分子，因此，紫外線燈管的分解空氣中化學物質仍有疑慮；單獨使用光觸媒雖可分解空氣中的化學物質，然而在效率上仍然不夠好；活性碳可確實吸附空氣中的污染物，但物理吸附的效果仍有限，到了6ppm後吸附能力就大打折扣，因此，只適用於工廠等污染物濃度較高的環境；而本案的空氣淨化系統，雖然其在高濃度時無法如活性碳吸附快速，但反應速度穩定，且能達到室內空氣品質的法規標準，因此比其它技術，本創作之空氣淨化系統具有較佳的空氣淨化能力。

上述之詳細說明係針對本創作可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本創作之專利範圍，凡未脫離本創作技術精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

10‧‧‧高級氧化作用區

11‧‧‧臭氧產生區

111‧‧‧臭氧產生裝置

112‧‧‧鋁質金屬網

113‧‧‧電漿離子產生裝置

12‧‧‧光觸媒區

121‧‧‧二氧化鈦元件

122‧‧‧UV光源元件

13‧‧‧臭氧去除區

131‧‧‧臭氧去除網

14‧‧‧風扇

21‧‧‧入口

22‧‧‧出口

第一圖係本創作第一實施例之空氣淨化系統之方塊圖；第二圖係本創作第一實施例之空氣淨化系統置於機殼內的示意圖第三A圖及第三D圖係本創作風速及效能實驗圖表；第四圖係單獨使用波長為254nm的紫外線燈管來分解乙醛之測試結果圖表；第五圖係單獨用臭氧來分解乙醛之測試結果圖表；第六圖係單獨用光觸媒技術來分解乙醛之測試結果圖表；第七圖係單獨用電漿棒來分解乙醛之測試結果圖表；第八圖係單獨用活性碳來分解乙醛之測試結果圖表；及第九圖係使用本創作之空氣淨化系統來分解乙醛之測試結果圖表。