流体净化的方法及装置.pdf

一种用于流体净化的催化系统(10)，所述系统(10)包括：至少一个光子源(2)，以实质分解流体中的最少两种类型目标分子，形成短寿命中间体；及一个陶瓷核心(5)，其包括至少一种类型的微米小孔，以吸附短寿命中间体，用于多个短寿命中间体的链增长反应和终止反应。

1.  一种用于流体净化的催化系统，该系统包括：
至少一个光子源，以实质分解流体中的最少两种类型的目标分子，形成短寿命中间体；和
陶瓷核心，其包含至少一种类型的微米小孔，以吸附短寿命中间体，用于短寿命中间体的链增长反应和终止反应。

2.  根据权利要求1的系统，其中所述微米小孔包括纳米小孔。

3.  根据权利要求1的系统，其还包括至少一台带电离子发生器，用于在流体中产生带电离子，所述至少一台带电离子发生器被安装于所述陶瓷核心的上游位置。

4.  根据权利要求3的系统，其中所产生的带电离子占据陶瓷核心空间体积的一定空间，并能够在与此前已占据陶瓷核心微米小孔的带电离子进行交换时，同时改变陶瓷核心的空间容量。

5.  根据权利要求1的系统，其中所述陶瓷核心是一个荷电框架，且其所携带的电荷被陶瓷核心微米小孔中包含的至少一种类型的正离子、至少一种类型的负离子，或正离子和负离子的混合物所平衡。

6.  根据权利要求1的系统，其中微米小孔的空间容量基本同时被改变，以便在链增长反应期间容纳短寿命中间体，直至该反应终止。

7.  根据权利要求2的系统，其中所述陶瓷核心的纳米小孔可以排列成槽道形式，  所述槽道形式是根据一、二或三维槽道或其组合中的任何一种形成的。

8.  根据权利要求1的系统，其中所述陶瓷核心的制造材料包括任何选自以下的材料：氧化物，非氧化物，或由氧化物和非氧化物形成的强化微粒的组合物，或以上材料的混合物。

9.  根据权利要求1的系统，其中所有目标分子处于均相状态。

10.  根据权利要求1的系统，其中如果所述系统被用于空气净化器系统，则至少一个目标分子为选自以下的任何一种挥发性有机化合物：烷烃、烯烃、炔烃、卤素、醛、酮、羧酸、醚、酯、胺、酰胺、醇、环状化合物，及它们的混合物；且所述目标分子被至少一个光子源照射后，能被光分解为碳活性中间体。

11.  根据权利要求10的系统，其中所述碳活性中间体为选自碳正离子、碳负离子及自由基的任何一种。

12.  根据权利要求10或11的系统，其中如果所述系统被用于空气净化器系统，则所述至少一个目标分子为氧化剂，并且在被至少一个光子源照射时，所述目标分子能被改变成短寿命中间体，且其寿命与所述碳活性中间体的寿命相当。

13.  根据权利要求12的系统，其中所述氧化剂是选自以下物质的任何一种：氧分子、臭氧分子，及任何由电晕放电、低温等离子技术和UV照射方法产生的臭氧负离子，包括O₄、O₅、O₆、O₇；当所述目标分子被至少一个光子源照射时，其能被光分解为激发的单线态氧原子及氧分子。

14.  根据权利要求12的系统，其中所述氧化剂是来自周围环境的水分子，并在经过至少一个光子源照射后，所述目标分子能被光分解成羟基。

15.  根据权利要求1的系统，其中所述至少一个光子源发射电磁波，其波长在由可见光至伽马射线区域的范围，且其波长小于350nm。

16.  根据权利要求1的系统，其还包括一个双重功能装置，以产生作为部分目标分子的氧化剂，并发射从可见光至伽马射线区域范围内的、波长小于300nm的电磁波。

17.  根据权利要求3的系统，其还包括一个电子控制装置，用于智能控制：至少一个光子源的强度、所述目标分子的运动速度，以及根据所要处理的目标分子的量，智能控制至少一个带电离子发生器的容量。

18.  一种流体净化的方法，该方法包括：
实质分解流体中的最少两种类型的目标分子，以生成短寿命中间体；和
吸附短寿命中间体，用于短寿命中间体的链增长反应和终止反应。

19.  根据权利要求18的方法，其中所述至少二种类型的目标分子被至少一个光子源实质地分解。

20.  根据权利要求18的方法，其中所述短寿命中间体被包括至少一种类型的微米小孔的陶瓷核心接收。

流体净化的方法及装置
技术领域
本发明涉及通过增加流体的流速及净化效率来净化流体的方法和装置。本发明尤其涉及可永久地去除目标分子(target molecules)及可连续自我再生的具有过滤器核心的空气净化系统。
发明背景
传统的空气净化涉及HEPA滤器、离子机(ionizer)，或静电除尘器去除空气里的微粒状物质及空中传播的细菌。为减少气相污染物，也使用吸附材料，包括活性碳及分子筛。但吸附仅在使用初期有效，但此效果会最终因吸附材料的吸附饱和而逐渐下降。使用吸附材料并不是环保的方法，因为其需要频繁地更换吸附材料，且其吸附原理仅仅只是把气相污染物转移为颗粒污染物而已。
也可使用臭氧发生器用于氧化气体污染物。臭氧发生器产生的臭氧，如果其浓度比较低时，是不能有效净化空气的，但是，高浓度的臭氧却对人体造成伤害。一般对流层的臭氧气体的寿命约为22天。要缩减臭氧的寿命，可结合臭氧或氧化剂于吸附材料里，在这种情况下，吸附材料作为一个局限的媒介用于使所述反应发生。
CN1625675A公开氧化剂及沸石的应用。污染物首先通过氧化发生器，然后进入分子定居的分子筛。此净化过程的效率低，因为即使分子筛或沸石里的微米/纳米小孔带有反应的活性位点，局限于小孔例如分子筛和沸石的微米/纳米小孔中的污染物的氧化作用仍然太慢。这是因为当反应物进入所述小孔时，它们的能量正是处于最低水平阶段。换句话说，反应剂正处于极稳定状态下，很难启动和开始任何反应。此外，沸石和分子筛子里的小孔容量大小于整个反应过程中是恒定的。因此在反应中产生的较小尺寸的有害中间体不会被局限于小孔里，而是会释放到外界环境中。
US5,835,840公开一种利用在氧化钛表面上的光催化氧化的空气净化方法。一种催化剂如二氧化钛被固定于基质或风管(duct)表面，以便当空气从其中流过时，使紫外光照射于催化剂上。但是，于催化剂表面进行的污染物的光催化氧化作用的过程太慢，并不适合应用于高气流的装置里。因而对于高气流时并不可行。高气流可以采用带有紫外光照射系统的长风管，并控制空气的流速。该系统的设计受到限制，因为紫外光照射系统必须直接射照着催化剂的表面。使用用于紫外光照射系统的长风管，增加了系统的体积，也妨碍进行小型化的设计。系统亦无法处理高浓度的气体污染物。
发明简述
在第一个优选的方面，本发明提供一个流体净化的催化系统，该系统包括：
至少一个光子源，以实质分解流体中的最少两种类型的目标分子，形成短寿命中间体(short lived intermediates)；和
陶瓷核心，其包含至少一种类型的微米小孔，以吸附短寿命中间体，用于短寿命中间体的链增长反应(propagation reaction)和终止反应(termination reactions)。
所述的微米小孔可以包括纳米小孔。
所述的系统也可包括至少一台带电离子发生器，用于在流体中产生带电离子，所述至少一台带电离子发生器被安装于所述陶瓷核心的上游位置。
所产生的带电离子可以占据陶瓷核心空间体积的一定空间，并能够在与此前已占据陶瓷核心微米小孔的带电离子进行交换时，同时改变陶瓷核心的空间容量。
所述陶瓷核心可以是一个带电荷的框架，且其所携带的电荷被陶瓷核心微米小孔中包含的至少一种类型的正离子、至少一种类型的负离子，或正离子和负离子的混合物平衡。
所述微米小孔的空间容量基本同时被改变，以便在链增长反应期间容纳短寿命中间体，直至该反应终止。
所述陶瓷核心的纳米小孔可以排列成槽道形式，所述槽道形式是根据一、二或三维槽道或其组合中的任何一种形成的。
所述陶瓷核心的制造材料可包括任何选自以下的材料：氧化物，非氧化物，或由氧化物和非氧化物形成的强化微粒的组合物，或以上材料的混合物。
所有目标分子可以为均相状态。
如果所述系统被用于空气净化器系统，则所述至少一个目标分子为选自以下的任何一种挥发性有机化合物：烷烃、烯烃、炔烃、卤素、醛、酮、羧酸、醚、酯、胺、酰胺、醇、环状化合物，及它们的混合物；且所述目标分子被至少一个光子源照射后，能被光分解为碳活性中间体(carbon reactive intermediates)。
所述碳活性中间体可以为选自碳正离子、碳负离子及自由基的任何一种。
如果所述系统被用于空气净化器系统，则所述至少一个目标分子可以是氧化剂，并且在当被至少一个光子源照射时，所述目标分子能被改变成短寿命中间体，且寿命与所述碳活性中间体的寿命相当。
所述氧化剂可以是选自以下物质的任何一种：氧分子、臭氧分子，及任何由电晕放电、低温等离子技术和UV照射方法产生的臭氧负离子，包括O₄、O₅、O₆、O₇；且当所述目标分子被至少一个光子源照射时，其能被光分解为激发的单线态氧原子和氧分子。
所述氧化剂可以是来自周围环境的水分子，并在经过至少一个光子源照射后，所述目标分子能被光分解成羟基。
所述至少一个光子源可以发射电磁波，其波长在由可见光至伽马射线区域的范围内，且其波长小于350nm。
所述系统还包括一个双重功能装置，以产生作为部分目标分子的氧化剂，并发射从可见光至伽马射线区域范围内的、波长小于300nm的电磁波。
所述系统还包括一个电子控制装置，用于智能控制以下方面：至少一个光子源的强度、所述目标分子的运动速度，以及根据所要处理的目标分子的量，智能控制至少一个带电离子发生器的容量。
在第二个方面，本发明提供一种流体净化的方法，该方法包括：
实质分解流体中的最少两种类型的目标分子，以生成短寿命中间体；和
接受短寿命中间体；和
进行短寿命中间体的链增长反应和终止反应。
所述至少二种类型的目标分子可以被至少一个光子源实质地分解。
所述短寿命中间体可以被包括至少一种类型的微米小孔的陶瓷核心接收。
本发明旨在使反应剂进入多孔材料中时，通过使其变成激发态和不稳定状态，从而增加反应速率。
本发明亦可以通过使多孔材料中的小孔阻止体积较大约中间体经过，以防止有害的短寿命中间体泄漏于环境中。由于大多数的短寿命中间体是非常活跃的，当它们与周围空气中的其它分子接触时，亦很快产生反应而衰竭。把这些短寿命中间产物困于一个有限的体积空间，可以确保所述反应以链增长方式进行，直至最简单的不活跃的化学分子种类形成。
有别于传统的光催化系统，本发明并不需要光子源直接地照射于催化核心的表面。因此，本发明能够提高对系统设计的自由度。
由于链增长反应是在陶瓷核心的纳米或微米小孔里进行，而不是在催化剂的表面进行，因此其化学反应速度更快。效率的增加使得系统的体积减小，这样能使本发明用于小型而紧凑的空气净化系统的设计。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的实施例。
图1是根据本发明的第一个实施方案的示意图；
图2是根据本发明的第二个实施方案的示意图；
图3是根据本发明的第三个实施方案的示意图；
图4是根据本发明的第四个实施方案的示意图；
图5是本发明的运作原理图；
图6是根据本发明的一个优选实施方案的陶瓷核心纳米及微米小孔的空间容量交替变化的示意图；
图7是根据本发明的一个优选实施方案，显示陶瓷核心纳米及微米小孔交替变化的空间体积中链增长反应的示意图；
图8是显示以下情形去除污染物效果的比较曲线图：(i)未经处理，(ii)没有光子源，(iii)陶瓷核心具有单一小孔槽道，和(iv)根据本发明的一个优选实施方案，陶瓷核心具有三维小孔槽道；和
图9是根据本发明的一个优选实施方案的陶瓷核心平面外观图。
附图详解
图1提供了一个旨在提高流体净化的催化系统10。所述系统10通常包括：至少一个光子源2和一个陶瓷核心5。光子源2把流体中的至少两种类型的目标分子实质地分解成多个短寿命中间体。陶瓷核心/滤器5包含至少一种类型的微米小孔，以吸附短寿命中间体114，并使短寿命中间体114进行链增长反应及终止反应。终止反应产生比原来的目标分子及短寿命中间体更简单的非活性分子，流体因而得已净化。
转向讨论图9，陶瓷核心5的制造材料可以包含氧化物，非氧化物，或由氧化物和非氧化物形成的强化微粒的组合物，或以上材料的混合物。陶瓷核心5的小孔也可以包含活性位点，以加快链增长反应的速度。使用氧化物材料，有利与短寿命中间体的亲水性官能团形成氢键(H-bonding)，使它们牢固地吸附于小孔里。使用非氧化物材料，有助于吸引含疏水性功能的的短寿命中间体。
光子源2发出电磁波，其波长在由可见光至由伽马射线的区域范围内，因而具有少于350nm的波长。氧化剂产生器4产生如臭氧、或羟基的氧化剂。气流1被迫流经光子源2和氧化剂产生器4。经过光子源2照射后，产生的氧化剂变成短寿命中间体，跟目标碳活性中间体113和氧化剂的短寿命中间体114于气流1里混在一起，并被迫通过陶瓷核心5；陶瓷核心作为短寿命中间体被吸附用于进行进一步的链增长反应及终止反应的地方。
如果光子源2发射更短的波长，及光子源的强度更高时，可以更有效地产生短寿命中间体。光子源2和陶瓷核心5的距离是这样设计的：短寿命中间体必须在空气里衰竭之前被吸附于陶瓷核心5的小孔里。在系统10的光子源2与陶瓷核心5的距离(D)、光子源的强度(I)和波长(λ)及系统常数(C)之间的关系可以由以下方程式计算出来：
D＝C/(Ixλ)
图2显示了另一个更高效率的实施方案，其提供用于产生带电离子的带电离子发生器3。所述的离子发生器3产生带电的离子，如带正电荷的阳离子111和带负电荷的阴离子112。所述带电离子发生器3被安置于光子源2和氧化剂产生器4的上游位置。气流1被迫流经或接近带电离子发生器3，然后再流经或接近氧化剂产生器4和光子源2。短寿命中间体、目标碳活性中间体113和氧化剂短寿命中间体114会在气流1中的目标分子经过光子源2并且被照射时产生。气流1混合在一起，并被迫通过陶瓷核心5，在那里，短寿命中间体会吸附，成为进一步进行链增长反应及终止反应的地方。
陶瓷核心5里小孔的容量可以在链增长反应的整个过程中连续地被改变。带电离子发生器3提供比气流1中第一离子化能量相当或还要高的足够能量，以电离所述气体，并产生带电离子。利用离子计(ioncounter)可以量度带电离子的数量。带电离子发生器3所产生的正离子及负离子会被吸进陶瓷核心5的纳米/微米小孔内。由于带电离子占据一定的体积，当与原来纳米/微米小孔中的荷电正离子及负离子交换位置的同时，陶瓷核心5纳米/微米小孔里的体积容量已被改变。
陶瓷核心5的纳米/微米小孔的空间容量能够被改变，以用于配置及存放链增长反应期间形成的多个短寿命中间体。短寿命中间体会被困于小孔里直至他们被分解至最细小的非活性物质，因而防止短寿命中间体泄漏于外界环境里或使催化剂中毒。中间体的链增长反应在被限制空间的小孔中进行，所述空间的容量可在链增长反应的过程中被改变。在链增长反应结束时，会形成非活性分子，其最后亦会离开陶瓷核心5，并腾空出小孔用于以后即将发生的链增长反应。由于小孔的空间容量变可以在链增长反应的同时连续被改变，非活性的简单分子如水分子及二氧化碳最终亦会被产生。然后，这些简单的非活性分子从小孔里因反应动力学或热力学而被排放出至周围的环境中。
参照图3，在另一实施方案中，用于产生正离子111和负离子112的带电离子发生器3被放置于光子源2和氧化剂产生器4的上游位置。最初，气流1被迫流经带电离子发生器3。接着气流1被迫经过氧化剂产生器4，由氧化剂产生器4产生的氧化剂115再经光子源2照射后，产生了氧化剂的短寿命中间体114及目标碳活性中间体113。然后，气流1被迫经过陶瓷核心5，在那里，短寿命中间体被吸附，以便进行进一步的链增长反应及终止反应。
参照图4，在另一个实施方案中，提供一个有双重功能的装置6。该双重功能装置6同时执行光子源和生成氧化剂的装置的功能。用作产生正离子111和负离子112的带电离子发生器3被放置于双重功能装置6的上游位置。最初，气流1被迫流经或接近带电离子发生器3。然后气流1被迫经过双重功能装置6，在那里产生氧化剂115。所产生的氧化剂115再被双重功能装置6的光子源照射。同时产生了氧化剂的短寿命中间体114及目标碳活性中间体113。然后，气流1被迫经过陶瓷核心5，在那里，短寿命中间体被吸附，以便进行进一步的链增长反应及终止反应。
图5显示了本发明的一个运作原理图(从左到右)。最初经过光子源2的照射后，氧化剂115和气体污染物分子116被分解成目标碳活性中间体113及氧化剂的短寿命中间体114。在这个阶段当中，一些稳定的非目标分子117也有可能被形成。然后，目标碳活性中间体113及氧化剂的短寿命中间体114被迫进入陶瓷核心5里。稳定的非目标分子117却不会被陶瓷核心5吸附，他们会被排出到周围的环境中。在陶瓷核心5的小孔中，目标碳活性中间体113及氧化剂的短寿命中间体114会根据可利用的小孔的空间容量较而自我重新排列，并同时进行链增长反应。体积较小的短寿命中间体17，18亦会被形成。在链增长反应的最后，只产生最简单的非活性种类19，从而被排放到周围的环境20中。
图6显示陶瓷核心5的纳米/微米小孔的空间容量被新吸附的占有一定空间的正离子111改变的图。图2和3的带电离子发生器3产生了正离子111，所述正离子进入陶瓷核心5里。优选地，陶瓷核心5为带有负电苛的框架23，其电荷被占据一定具体空间的正离子22所平衡。当陶瓷核心5中的正离子111与原来的正离子22交换时，至少会改变小孔里的一些空间容量24。或者，陶瓷核心5为荷电框架23，其所携带的电荷被纳米/微米小孔中包含的至少一种类型的正离子、或至少一种类型的负离子，或正离子和负离子的混合物所平衡。所述的荷电框架23可以吸引并容纳中性和相反电荷的离子、中间体或片段。荷电框架23优于不带电荷的框架，因为不带电荷的框架对中性中间体或片段并没有特别的亲和力。从有害的意义上来说，不带电荷的框架可能甚至对抗带电离子、中间体或碎片。
图7由上至下，图像化的显示了在陶瓷核心5中的改变了其空间容量的纳米/微米小孔中进行的链增长反应。跟据图2至图6的说明，目标碳活性中间体113、氧化剂的短寿命中间体114及先前占领一定具体空间的正离子22被安置在陶瓷核心5的小孔中。在链增长反应期间，形成了更小体积的短寿命中间体17。正要进入的而具有具体空间体积的正离子111，在荷电框架23中跟原来的正离子22交换位置，空间容量的改变能更好地容纳体积较小的短寿命中间体17。当稳定的非活性物质形成后(其为最简单结构的分子19)，他们会被反应动力及热力排放至周围的环境中。
图8显示以下情形去除污染物效能的比较曲线图：(i)未处理，(ii)没有光子源2，(iii)陶瓷核心5具有单一小孔槽道，和(iv)陶瓷核心5具有三维小孔槽道。所述的比较是在一个可以控制的环境下进行，其中不同的化学物质，包括二甲苯、甲苯、二氯乙烷、丙酮，和己烷和乙烯二醚(ethylene diether)的混合物被用作气体污染物源，即作为总挥发性有机化合物(TVOC)的来源。利用陶瓷核心5中排列纳米/微米小孔的槽道结构，可确保非活性分子自由地由一小孔转移致另一小孔，并可被排放到周围的环境中以腾空小孔，用于下一个链增长反应。优选使用含更高维槽道的纳米/微米小孔的陶瓷核心5。当链增长反应进行期间，即使其中一维的小孔槽道被堵塞，也确保非活性分子可利用其它维的小孔槽道里转移。
曲线35显示了在本发明的任何实施方案中未进行空气处理的情况下，TVOC的水平保持不变。如果使用未有光子源的系统10作为空气净化器，总挥发性有机化合物(TVOC)的水平只可以被减低至某一水平，如曲线37所示。如果使用了单一维度的槽道小孔代替较高维的槽道小孔的陶瓷核心，可能需要较长的时间才能将污染物的水平降至最低，如曲线38所示。但是，如果使用了带有三维特性小孔的陶瓷核心，TVOC的水平可以以相对短的时间减至最低水平，如曲线36所示。
所述的催化系统10可以被合并于一个用于净化流体的装置。所述装置的壳体包括用于流体的传送的至少一个入口和一个出口，至少一个光子辐照装置、一个陶瓷核心，和使流体循环的装置。所述光子辐照装置、陶瓷核心，和循环装置被安置于壳体内。所述光子辐照装置被安置于陶瓷核心的上游位置。所述使流体循环的装置使流体从上游流至下游。在装置的操作期间，至少二种类型的目标分子被分解成多个短寿命中间体。然后，短寿命中间体被陶瓷核心包含的至少一种类型的纳米/微米小孔所接受。短寿命中间体的链增长反应及终止反应于陶瓷核心中进行。
所述催化系统10可以被任一处理空气的装置使用，例如空调、吸尘器、通风系统、增湿器、抽湿机、加热器、静电除尘器，或微粒过滤器。所述催化系统10还可以与电子控制装置整合，以智能控制光子源的强度、目标分子的流动速度，以及根据所要处理的目标分子的量，智能控制带电离子发生器的容量。
空气净化系统
如果催化系统10被用于空气净化系统，所述目标分子如下处于均相状态：
(a)至少一个目标分子为挥发性有机化合物，其包括选自以下功能分子之一：烷烃、烯烃、炔烃、卤素、醛、酮、羧酸、醚、酯、胺、酰胺、醇、环状化合物，或它们的混合物。所述目标分子被光子源照射后，能被光分解为碳活性中间体。所述碳活性中间体包括任一种类的碳正离子、碳负离子，及其自由基。
(b)至少一个目标分子为氧化剂。氧化剂在被至少一个光子源照射后，能被光分解为短寿命中间体，且其寿命与碳活性中间体的寿命处于一个相同的数量级。氧化剂的短寿命中间体与碳活性中间体之间的反应变得更有动力。
所述氧化剂可以包括氧分子、臭氧分子，及任何由电晕放电、低温等离子技术和UV照射方法产生的臭氧负离子，包括O₄、O₅、O₆、O₇；当所述目标分子被光子源照射时，其能被光分解为激发的单线态氧原子及氧分子。所述激发的单线态氧原子为短寿命中间体，因而其比原始的三原子臭氧及氧分子更为活泼。
所述氧化剂可以是来自周围环境中的水分子，其经光子源照射后，所述的目标分子被光分解为羟基。所述羟基应于相对湿度水平维持在至少20％的情况下才可以产生。
在没有偏离本发明所广泛描述的范围或精神下，本发明还可以被进行许多变动及修改，这些变动及修改对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，本发明的实施方案应被视从多方面举例说明，而并不是受其限制。