协同利用流光放电和光催化作用净化空气污染物的方法.pdf

一种净化空气中多种污染物的方法，涉及协同利用过滤、流光放电、光催化、吸附和催化作用将空气中所含的颗粒物、细菌、病毒、有害有机和无机气态化合物从气流中分离出来，或转化为无害的物质，并防止流光放电和光催化反应过程产生的臭氧等有害气体从净化系统排出，进入室内空间。整个净化过程为借助风机动力使待处理空气依次通过粗滤网、流光放电—光催化反应段、吸附－催化反应段，最后输出洁净空气。本发明方法可广泛用于住宅、地下停车场、人防工程、地下通道、公共场所和建筑物内部，以及各类交通运输工具舱室空气的净化处理。可作为一净化系统单独设置，也可与空调系统匹配，成为空调系统的一个组成单元。

1、  一种协同利用流光放电、光催化、过滤、吸附和催化作用净化空气污染物的方法，其特征在于：该方法借助风机动力使待处理空气依次通过粗滤网、流光放电-光催化反应段、吸附-催化反应段后输出洁净空气，该方法的步骤是：
(1)待处理的空气在风机抽力的作用下，通过粗滤网分离去除空气中的较粗大的颗粒物；
(2)通过将高电压施加在接电极与放电极之间产生流光放电，将流光放电产生的等离子体作用于经步骤(1)处理后的气态污染物，使部分气态污染物转化为无害的产物或需进一步处理的中间产物；
(3)通过流光放电反应段的高电压场的作用，使经步骤(1)处理后未从气流中分离出来的颗粒物沉积到接地极和放电极上；
(4)通过流光放电发出的流光，在进行步骤(2)、(3)的同时，结合接地极上涂覆的光催化材料，对经步骤(1)处理后的气态污染物进行光催化净化，并灭菌消毒；
(5)通过兼具吸附和催化作用的材料去除粗滤和流光放电-光催化反应段未净化的污染物，以及流光放电-光催化反应段产生的臭氧，输出洁净空气。

2、  根据权利要求1所述的协同利用流光放电、光催化、过滤、吸附和催化作用净化空气污染物的方法，其特征在于：所述的步骤(2)中的高电压的供电方式包括：单相工频直流、三相工频直流、单相高频直流、三相高频直流、或在上述供电基础上叠加单极性脉冲或高频交流；供电机制可以是连续的，也可以是间歇的，所述的间歇供电的时间可以根据需要调节。

3、  根据权利要求1所述的协同利用流光放电、光催化、过滤、吸附和催化作用净化空气污染物的方法，其特征在于：所述的步骤(4)中的光催化的光源是流光放电发出的流光；所述的光催化剂以二氧化钛或掺杂贵金属或过渡金属的二氧化钛作为主活性成分；所述的催化剂涂覆在步骤(2)所述的接地极表面。

4、  根据权利要求1所述的协同利用流光放电、光催化、过滤、吸附和催化作用净化空气污染物的方法，其特征在于：在所述的步骤(2)、(3)、(4)的流光放电-光催化反应段设置可靠接地，并在其进出口断面设置阻火多孔板；在步骤(2)、(3)、(4)的流光放电-光催化反应段与步骤(1)的粗滤网之间，以及步骤(2)、(3)、(4)的流光放电-光催化反应段与步骤(5)的吸附-催化反应段之间，通过电绝缘件连接。

5、  根据权利要求1所述的协同利用流光放电、光催化、过滤、吸附和催化作用净化空气污染物的方法，其特征在于：所述的步骤(5)吸附-催化反应段的主体是兼具吸附和催化作用的材料，这类材料包括颗粒活性炭、炭纤维、分子筛或活性氧化铝，也可将这些材料作为载体，在其表面负载氧化锰、氧化铁、硫化钠、溴酸钾、高锰酸钾组分；这种兼具吸附和催化作用的材料或填充在床层之中、或制成多孔蜂窝状、或敷设在支撑结构材料上。

6、  根据权利要求1所述的协同利用流光放电、光催化、过滤、吸附和催化作用净化空气污染物的方法，其特征在于：所述的净化空气的方法的各步骤可通过以净化装置的形式单独实施，从而输出洁净的空气；也可以与空调系统的制冷、制热和湿度调节等单元组合在一起，以作为空调系统的一个构成单元的形式实施，从而输出所需温度、湿度的洁净空气。

协同利用流光放电和光 催化作用净化空气污染物的方法
技术领域
本发明涉及一种对通风不畅的地上、半地下和地下建筑物内部，或密闭和半密闭舱室空气中的多种污染物进行净化的方法，属于公共卫生和环境保护领域，具体涉及一种基于协同利用过滤、流光放电、光催化、吸附和催化作用同时净化空气中的多种污染物(尘粒、细菌、病毒、香烟烟雾、油烟、二氧化硫、氮氧化物、硫化氢、氨气、甲醛和挥发性有机化合物等)，从而获得洁净空气的方法。
背景技术
住宅、地下停车场、人防工程、地下通道、人群密集的公共场所和建筑物内部，以及各类交通、运输工具的舱室的环境空气质量与人体健康、生命安全、体能发挥，以及武器装备、仪器仪表性能息息相关。然而，由于建筑材料或其它构筑材料的围隔作用，使得室内或舱室的空气有别于室外或舱外。美国环境保护署最近的一项研究显示，人们在室内接受某些污染物的程度超过室外100倍。香港环保部门的一项研究指出，约有1/3的办公楼室内空气质量不符合世界卫生组织及其它相关组织的标准。澳大利亚的研究者认为，室内空气的污染程度超过室外5到20倍。类似地，一些密闭或半密闭舱室的空气污染物也是多种多样，而且浓度远远超过安全范围。如在潜艇舱室检测出的有害气体多达400余种，这些有害气体分别有毒性、刺激性和腐蚀性等危害，特别是其累积协同作用会对艇员、武器装备甚至潜艇本身构成严重的灾难。通过检测，确定了在俄罗斯“和平”号空间站舱室的微量污染物有28类基本化学物质，分成脂族和芳香族碳氢化合物、醇类、醛类、酮类、酯类和卤代碳水化合物等。建筑物内部或舱室空气中污染物多种多样，成分复杂，既有气态污染物，包括甲醛、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯等有机化合物，二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、硫化氢、氨气之类无机化合物，以及颗粒物，包括细菌、烟雾和尘埃等。围绕这类室内或舱内空气环境中污染物的净化处理，目前研究较多的方法是过滤、吸附、光催化、等离子体、负氧离子、生物降解、臭氧消毒等，这些方法能在一定程度上起到净化空气污染物的作用，但都存在局限。比如，过滤只能去除较粗的颗粒物质。吸附虽然脱除大分子有机气体效率高，但不能高效脱除低分子有害有机化合物。另外，还存在吸附饱和后需要定期更换，且易被颗粒物堵塞，可能成为有害细菌繁衍的温床，引发更严重的二次污染等问题。光催化是近年来国内外的研究热点，借助光催化作用产生的羟基自由基等强氧化性物质，可有效分解部分有机物和杀灭细菌、病毒，但处理苯、甲苯、二甲苯之类建筑物内部或舱室环境常见有机物时，活性迅速下降。等离子体技术是借助高能电子，以及由此激发产生的氧化性自由基打开有害气体分子的化学键，实现污染物的净化，可以作用于多种污染物质。但是，在产生等离子体的同时，通常生成大量臭氧。尽管臭氧也具有很强的氧化分解有机污染物和灭菌消毒能力，但也往往导致臭氧严重超标。其它方法也都存在类似的不足。
发明内容
为了克服现有的对环境中污染物进行净化处理的方法各自存在局限性，或不能对多种空气污染物进行净化，或会产生二次污染的不足，本发明的目的是提出一种对建筑物内部或舱室内多种污染物共存体系进行空气净化方法。更具体地说，是在分析建筑物内部或舱室内主要空气污染物类型及其净化途径的基础上，提出协同利用过滤、流光放电、光催化、吸附和催化作用实现多种空气污染物的净化，而且不产生二次污染的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种协同利用流光放电、光催化、过滤、吸附和催化作用净化空气污染物的方法，该方法借助风机动力使待处理空气依次通过粗滤网、流光放电—光催化反应段、吸附—催化反应段后输出洁净空气，该方法的步骤是：
(1)待处理的空气在风机抽力的作用下，通过粗滤网分离去除空气中的较粗大的颗粒物；
(2)通过将高电压施加在接电极与放电极之间产生流光放电，将流光放电产生的等离子体作用于经步骤(1)处理后的气态污染物，使部分气态污染物转化为无害的产物或需进一步处理的中间产物；
(3)通过流光放电反应段的高电压场的作用，使经步骤(1)处理后未从气流中分离出来的颗粒物沉积到接地极和放电极上；
(4)通过流光放电发出的流光，在进行步骤(2)、(3)的同时结合接地极上涂覆的光催化材料，对经步骤(1)处理后的气态污染物进行光催化净化，并灭菌消毒；
(5)通过兼具吸附和催化作用的材料去除粗滤和流光放电—光催化反应段未净化的污染物，以及流光放电—光催化反应段产生的臭氧，输出洁净空气。
本发明的有益效果是：
1、本发明方法借助风机动力使待处理空气依次通过粗滤网、流光放电—光催化反应段、吸附—催化反应段，借助过滤、流光放电、光催化、吸附和催化作用的协调利用，使得在一个紧凑的净化系统内能实现颗粒物(包括细菌、病毒、烟雾等)和多种气态污染物的高效分离或净化；
2、流光放电产生的活性粒子或直接分解污染物，或与污染物质一起吸附富集在吸附/催化材料表面，强化了催化分解作用，提高了净化效率；
3、利用流光放电产生的流光作光催化作用所需光源，不需设置专门的光催化反应光源；
4、吸附/催化材料不仅对污染物分解净化有效，而且能有效地富集、分解臭氧等有害副产物，确保不产生二次污染；
5、由于过滤、流光放电、光催化和催化作用，使得吸附材料的吸附有效作用时间比缺乏上述作用时长得多。
附图说明
图1是本发明协同利用流光放电、光催化、过滤、吸附和催化作用净化空气污染物的方法的系统流程示意图
图2是实施本方法所采用的净化装置的示意图
图中，1.粗滤网  2.流光放电—光催化反应段  3.吸附—催化反应段  4.多孔阻火板  5.放电板  6.接地板
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
请参见图1所示的本发明协同利用流光放电、光催化、过滤、吸附和催化作用净化空气污染物地方法的流程图，该方法借助风机动力使待处理空气依次通过粗滤网、流光放电—光催化反应段、吸附—催化反应段后输出洁净空气。实施本发明方法的净化装置如图2所示，该净化装置的主体部件包括粗滤网1、流光放电-光催化反应段2和吸附-催化反应段3，用风机驱动气流通过整个净化系统，风机可设置在系统的前部、中部或尾部。在流光放电-光催化反应段前后设置了多孔阻火板4。流光放电-光催化反应段包括放电板5，接地板6，在接地板表面涂覆了光催化材料。
本发明结合图1和图2实施协同利用流光放电、光催化、过滤、吸附和催化作用净化空气污染物的步骤为：
(1)待处理的空气在风机抽力作用下通过粗滤网1，粗滤网的作用是过滤去除空气中夹杂的粗大异物、颗粒物或纤维，粗滤网材料为纤维或致密丝网。
(2)在流光放电—光催化反应段的接地极与放电极之间施加高电压，高电压供电方式包括：单相工频直流、三相工频直流、单相高频直流、三相高频直流、以及在上述供电基础上叠加单极性脉冲或高频交流。其中，直流电压为4kV-90kV，单极性脉冲电压为8kV--40kV，高频交流峰-峰电压为4kV-30kV。可采用连续供电，也可采用间歇供电，而且间歇供电的时间长度可以根据需要进行调节。
(3)在流光放电-光催化反应段2，利用流光放电产生的高能电子、臭氧和OH、O、HO₂等活性粒子与空气污染物发生作用，一方面可促使经步骤(1)处理后的颗粒物荷电并定向迁移、沉积在与自身所带电荷相反的电极上；另一方面，经步骤(1)处理后的部分气态污染物被氧化，生成二氧化碳和水，或其它中间产物。在这个过程中，空气中的细菌和病毒也被灭杀。
(4)在流光放电-光催化反应段2，利用流光放电产生的流光照射接地极上涂覆的光催化材料，对经步骤(1)处理后的气态污染物进行光催化净化，在光催化材料表面也发生污染物的分解，以及灭菌消毒作用。光催化材料以二氧化钛及掺杂贵金属或过渡金属的二氧化钛作为主活性成分，催化材料涂覆在流光放电电场的接地极表面。
(5)吸附-催化反应段3的吸附起着富集以气体状态存在的空气污染物，以及流光放电产生的臭氧和OH、O、HO₂之类活性基因污染物，防止其穿过净化系统而逸入室内或舱内空间的作用；催化则起着催化分解污染物的作用。针对的污染物包括流光放电反应段未作用的污染物、有害中间产物和臭氧等。其中，臭氧也起着氧化分解有机污染物的作用，即富集的有机化合物与臭氧和OH、O、HO₂之类活性基因反应，分解为CO₂、H₂O和O₂。
吸附-催化反应段3用到的兼具吸附和催化作用的材料包括颗粒活性炭、炭纤维、分子筛或活性氧化铝等，也可在其表面负载氧化锰、氧化铁、硫化钠、溴酸钾、高锰酸钾等。
为防止静电和流光放电引起火灾，流光放电-光催化反应段与过滤段之间，以及流光放电-光催化反应段与吸附-催化反应段之间，应通过电绝缘件连接，而且流光放电-光催化的反应段需可靠接地，在其进、出口侧还需设置多孔阻火板4。
由于过滤、流光放电、光催化和催化作用，使得吸附有效作用时间比缺乏上述作用时长得多。
总的来说，本发明涉及的室内或舱室多种空气污染物净化方法集过滤作用，流光放电产生的非热等离子体的捕尘、灭菌消毒和分解气态污染物的作用，基于流光放电产生的流光的光催化作用，吸附富集气态污染物作用，以及催化分解污染物作用于一体。通过合理地组织流过净化系统的气流，使各种作用产生协同效应，从而实现全面净化多种污染物，并防止臭氧等二次污染物进入建筑物内部或舱室空间的目的。
用本发明净化装置通过不同的参数设置和各种不同的材料按本发明方法进行试验，其试验结果举例如下：
实施例1
在流光放电-光催化反应段的两电极间施加单相工频直流高压，电压为20kV，接地极涂覆二氧化钛。以浸渍了氧化锰的颗粒活性炭作吸附/催化材料。将含有10.5ppm甲醛、15.1ppm甲苯的空气通入净化系统，连续运行240小时后，测得流光放电-光催化反应段出口的甲苯和臭氧浓度分别为3.6ppm和4.4ppm，甲醛未检出；吸附/催化反应段出口三者均未检出。
实施例2
反应器仅包含流光放电-光催化反应段，其中设置了正电晕放电极和接地极。施加单相工频直流叠加高频交流高压，工频直流电压为70kV，高频交流峰-峰电压为20kV，在接地极涂覆掺杂铂的二氧化钛。使含有18.5ppm甲醛、15.2ppm苯乙烯的空气通过反应器，气体在反应器的停留时间为1秒，检测得到出口甲醛、苯乙烯和臭氧的浓度分别为1.5ppm、2.2ppm和3.8ppm。
实施例3
将基于本方法制作的一简易净化器放置在体积为3m³的试验箱中。流光放电—光催化反应段施以三相高频直流电压，电压值为10kV。以浸渍了高锰酸钾的炭纤维作吸附/催化材料。试验箱内初始苯、二甲苯浓度分别为15.5ppm和18.7ppm，开启净化系统1小时后，试验箱内苯、二甲苯浓度分别为2.8ppm和3.2ppm，臭氧未检出。开启净化系统3小时后，试验箱内苯、二甲苯和臭氧浓度均未检出。
实施例4
流光放电-光催化反应段施以单相高频直流电压，电压值30kV，接地极涂覆掺杂三氧化二铁的二氧化钛。以浸渍了氧化锰的分子筛为吸附/催化材料。将含有11.1ppm二氧化硫、8.2ppm一氧化氮和27.9mg/m³可吸入颗粒物(PM₁₀)的空气通入净化系统，连续运行48小时后，测得流光放电—光催化反应段出口的二氧化硫、一氧化氮和臭氧浓度分别为8.5ppm、3ppm和3.9ppm，可吸入颗粒物未检出。吸附/催化反应段出口的二氧化硫、一氧化氮、可吸入颗粒物(PM₁₀)和臭氧均未检出。
实施例5
流光放电-光催化反应段施以三相工频直流，电压为40kV，接地极涂覆二氧化钛。以浸渍了溴酸钾和氧化铁的活性炭颗粒作为吸附/催化材料。将含菌落总数为8700cfu/m³、总挥发性有机物(TVOC)浓度为21ppm的空气通入净化系统，工作24小时后，测得流光放电-光催化反应段出口菌落总数、总挥发性有机物浓度和臭氧浓度分别为1200cfu/m³、7ppm和2.2ppm，而且细菌均已灭活。吸附/催化反应段出口三者未均检出。
本发明方法的各步骤可以以净化装置的形式单独实施，从而输出洁净的空气；也可以与空调系统的制冷、制热和湿度调节等单元组合在一起，以空调系统的一个构成单元的形式实施，从而输出所需温度、湿度的洁净空气。
本发明方法可广泛用于住宅、地下停车场、人防工程、地下通道、公共场所和建筑物内部，以及各类交通运输工具舱室空气的净化处理。