專利名稱：等離子體偶合光催化單元組件及其構(gòu)成的氣體凈化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)氣體中所含的細(xì)菌、病毒、臭氣及有害物質(zhì)等進(jìn)行光催化和等離子體分解、氧化、還原、降解的氣體凈化裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，由于住宅向高層封閉性發(fā)展，同時(shí)室外空氣的污染也日益嚴(yán)重，因此如何提高居住空間的空氣質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。例如，如何降低空氣中所含的細(xì)菌、病毒、煙草廢氣、建材裝潢、家具慢性釋放出的由甲醛、苯、香蕉水等VOC等所代表的有害成分及環(huán)境中的代謝臭氣等。
現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用活性碳等吸附劑進(jìn)行脫臭、或使臭氣成分與其它藥劑成分發(fā)生反應(yīng)變成無(wú)害物質(zhì)來(lái)達(dá)到降低臭氣的目的。但在實(shí)際使用中，由于吸附劑的吸附量有極限，所以長(zhǎng)時(shí)期使用時(shí)，需定時(shí)更換脫臭過(guò)濾器。此外，即使是在脫臭過(guò)濾器的壽命期間內(nèi)，其壽命末期也存在被吸附的成分再次放出而產(chǎn)生臭氣的問(wèn)題。另一種方法是，使臭氣成分與其它藥劑成分發(fā)生反應(yīng)從而使臭氣變成無(wú)害物質(zhì)、來(lái)消除臭氣。這種方法存在的問(wèn)題是需經(jīng)常不斷地更換反應(yīng)藥劑，不僅麻煩，而且控制藥劑成分的排放量存在困難。此外，要分解去除甲醛等有害成分時(shí)，必須進(jìn)行氧化還原電位高的催化劑反應(yīng)，其存在的問(wèn)題是，用臭氧進(jìn)行的氧化分解并不能達(dá)到完全分解，而是停止在中間分解生成物的階段，不能實(shí)現(xiàn)完全的無(wú)害化。
還有，也可以通過(guò)以紫外線照射氧化鈦等光催化劑來(lái)完全凈化有害氣體成分。但是作為紫外線光源的水銀燈的燈管內(nèi)含有水銀，燈管制品廢棄時(shí)會(huì)使環(huán)保負(fù)荷增大；而且其凈化速度較低。
中國(guó)專利申請(qǐng)02118409.7中公開了一種具有空氣凈化效果的放電電極及光催化劑反應(yīng)裝置，該裝置具有通過(guò)高電壓放電產(chǎn)生臭氧及紫外線的裝置、利用光催化劑作用對(duì)有害氣體等進(jìn)行凈化的光催化劑組件以及分解由放電裝置所產(chǎn)生臭氧的臭氧分解裝置。雖然該裝置對(duì)有機(jī)物有較好的降解作用，可用于脫臭、凈化有害氣體等，但是，由于該裝置中含有害物質(zhì)的氣體須直接穿過(guò)兩電極，因此必須將電極做成多孔結(jié)構(gòu)，這樣不僅其強(qiáng)度差，而且易被腐蝕，須經(jīng)常維修更換；同時(shí)使得電極的加工工藝復(fù)雜化，增加了制造成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制作簡(jiǎn)單、成本較低的用于氣體凈化的等離子體偶合光催化單元組件及其構(gòu)成的氣體凈化器。
本發(fā)明的等離子體偶合光催化單元組件，包括電極、電極電源和光催化體，其特征在于所述電極為平板狀，兩個(gè)平板狀電極平行放置，在該兩電極平板的內(nèi)側(cè)分別設(shè)有剛性的電介質(zhì)阻擋層，所述光催化體是附載了光催化劑的平板狀多孔體，該平板狀多孔體放在兩個(gè)電介質(zhì)阻擋層的中間，兩側(cè)均有空隙，在兩電介質(zhì)阻擋層平板的周邊設(shè)置密封擋板，使平板狀多孔體與兩個(gè)電介質(zhì)阻擋層之間形成兩個(gè)空間，在其中一個(gè)空間的側(cè)壁上開設(shè)用作進(jìn)氣孔，并在另一個(gè)空間的對(duì)面?zhèn)缺谏祥_設(shè)出氣孔，兩個(gè)分別設(shè)有進(jìn)、出氣孔的空間之間由平板狀多孔體上的孔連通構(gòu)成氣流通道；或者用附載了光催化劑的平板狀多孔體代替其中一個(gè)電極，該多孔體與另一個(gè)平板狀電極平行放置，在平板狀電極的內(nèi)側(cè)設(shè)有剛性的電介質(zhì)阻擋層，該電介質(zhì)阻擋層與平板狀多孔體之間有空隙，在電介質(zhì)阻擋層與平板狀多孔體的周邊設(shè)置密封擋板，并在側(cè)壁上開設(shè)用作進(jìn)氣的孔，使多孔體與電介質(zhì)阻擋層之間形成設(shè)有進(jìn)氣口的空間，并和多孔體上的孔連通構(gòu)成氣流通道。
本發(fā)明的氣體凈化器，包括殼體及氣體凈化組件，其特征在于，所述的氣體凈化組件是上述的等離子體偶合光催化單元組件，每臺(tái)氣體凈化器中至少有一組；使用多組單元組件的，其氣流通道并聯(lián)和/或串聯(lián)。
本發(fā)明中，所述的電極是整體的平板形狀，可以是實(shí)體，也可以是有孔的。平板形狀電極與電介質(zhì)阻擋層之間采用通常的連接方式，如粘貼、夾持、涂鍍等。由于電介質(zhì)阻擋層是剛性的，這使得電極的剛性和放電均勻性都得到了有效的保證。因此只要采用通常的導(dǎo)電材料制作成薄片狀即可作為電極，這使得電極的加工容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)由于電極材料與有害氣體之間有電介質(zhì)阻擋層相隔，能夠避免電極材料被放電和腐蝕性氣體侵蝕，這將大大延長(zhǎng)電極的使用壽命。
所述的電介質(zhì)阻擋層采用介電系數(shù)較大的材料制作，通常為陶瓷材料，也可以采用石英玻璃、聚四氟乙烯等絕緣材料制作。該電介質(zhì)阻擋層亦可制作成薄片狀使其便于加工，其大小、形狀應(yīng)與電極的大小、形狀相適應(yīng)，其厚度(通常為0.5-5毫米)應(yīng)與電極的電壓相適應(yīng)，使之對(duì)電極起到完全的電阻擋作用，以免造成局部電擊穿。
所述的附載了光催化劑的平板狀多孔體，可以為金屬、陶瓷、玻璃等材料制作，以條材、絲材等編織成網(wǎng)格狀的薄片或在片材上打眼，也可以直接加工為多孔狀，其上的孔眼是為了讓氣流通過(guò)。光催化體可以為單層或多層疊加，其總厚度通常選擇在5-20毫米范圍內(nèi)，其孔徑可選擇在0.5-5毫米。所附載的光催化劑可以是具有光催化作用的氧化鈦TiO2(銳鈦礦型)，此外還有SrTiO3、ZnO、BaTiO3、V2O5、SnO2等金屬氧化物半導(dǎo)體，或Si、GaAs、CdS、ZnS等單質(zhì)半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體?？刹捎猛ǔ５耐扛?、噴涂、鍍膜等方式，在多孔體的所有表面(包括外表面和孔眼內(nèi)表面)形成光催化劑膜，這樣既使得工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，也使得光催化劑的比表面積增大，有利于提高光催化效果。
所述的光催化體與電介質(zhì)阻擋層之間的間隙，通常選擇間距在0.5-5毫米之間。該間隙與進(jìn)氣孔、出氣孔形成進(jìn)氣流通道和出氣流通道；同時(shí)該間隙也是等離子體放電的間隙。等離子體放電產(chǎn)生的紫外光，照射到光催化劑表面，產(chǎn)生光催化作用，通過(guò)光催化降解有機(jī)污染物，同時(shí)放電產(chǎn)生的臭氧、離子和自由基等也參與所有光催化劑表面有機(jī)污染物降解過(guò)程。當(dāng)使用附載了光催化劑的平板狀多孔體代替其中一個(gè)電極時(shí)，即多孔體上所附載的半導(dǎo)體光催化劑膜或多孔體本身具有導(dǎo)電的作用，使光催化體與平板狀電極之間構(gòu)成一對(duì)放電電極。此時(shí)光催化體既具有光催化作用、又兼有電極的作用，這樣省卻了另一電極，可節(jié)約成本、縮減體積。對(duì)于氣體受污染嚴(yán)重的狀況，還可使光催化體的上下兩側(cè)均設(shè)置帶有電介質(zhì)阻擋層的平板電極，形成雙電極結(jié)構(gòu)(即串連使用)，此時(shí)每一電極均與中間的光催化體構(gòu)成一對(duì)放電電極，使進(jìn)氣道及出氣道中同時(shí)產(chǎn)生等離子體放電的作用，從而進(jìn)一步提高氣體凈化處理效果。
在本發(fā)明的空氣凈化器中，通過(guò)多組單元組件的氣路并聯(lián)，能夠提高氣體凈化的處理能力；通過(guò)多組單元組件的串連，能夠提高氣體凈化處理效果。也可通過(guò)串連和并聯(lián)的混用，同時(shí)提高氣體凈化的處理能力和處理效果。串連時(shí)，各單元組件可順序安置，也可兩兩相對(duì)安置，此時(shí)可省外圍擋板，使兩個(gè)單元組件的出氣道共用，可進(jìn)一步節(jié)約成本。
在本發(fā)明的空氣凈化器中，還可通過(guò)在出氣道中或其出口處增用臭氧分解催化劑，把沒有與有害物質(zhì)反應(yīng)的臭氧進(jìn)行分解處理，以免向大氣中釋放對(duì)人體有害的臭氧；或者通過(guò)在進(jìn)氣道中或其進(jìn)口處增用過(guò)濾裝置將有害物質(zhì)預(yù)先濾除一部分，以減少有害物質(zhì)含量，并避免大固體顆粒直接進(jìn)入光催化體堵塞孔眼，使光催化體上的孔眼保持暢通，充分發(fā)揮其光催化效果；通過(guò)在進(jìn)/出氣道中或其進(jìn)/出口處使用風(fēng)機(jī)，確保裝置內(nèi)的氣體有一定的流速，從而獲得所需要的處理能力。
本發(fā)明的空氣凈化器中所用的高壓電源可根據(jù)設(shè)置環(huán)境的不同進(jìn)行選擇，例如輸出占空比為0.5-0.01的直流脈沖或交流短脈沖電源、或頻率為50Hz-100kHz的交流電源，如在交流電源上疊加相當(dāng)于峰值的50-90％的直流偏壓，可增加交流電源間歇工作的功能。
綜上所述，本發(fā)明所述的等離子體偶合光催化單元組件，利用等離子體放電產(chǎn)生的紫外光，照射到光催化劑表面，產(chǎn)生光催化作用，使光催化降解有機(jī)污染物；放電產(chǎn)生的臭氧、離子和自由基等也參與所有光催化劑表面有機(jī)污染物的降解過(guò)程，這大大加快了污染物分解過(guò)程，使凈化氣體污染物的效果更好。同時(shí)，由于不需要將電極做成特定的多孔電極，使電極加工方便；光催化體上所附載的光催化劑為膜狀，制作工藝簡(jiǎn)單。由于以上原因，使得總的制作成本明顯降低。本發(fā)明的等離子體偶合光催化單元組件，能夠根據(jù)不同使用場(chǎng)合的不同要求，選擇不同的氣路并聯(lián)和/或串聯(lián)的組合，組裝成氣體凈化器，使其凈化效果得到最大發(fā)揮。


圖1是本發(fā)明的單元組件的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的左視圖。
圖3是本發(fā)明單元組件的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明單元組件的另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意5是由本發(fā)明的氣體凈化器的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是由本發(fā)明的氣體凈化器另一種的實(shí)施例(單元組件的氣路并聯(lián)/串聯(lián)混合使用)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1、圖2，兩塊平行放置的電介質(zhì)阻擋層2為陶瓷平板，其厚度為1毫米，在該陶瓷板2的外側(cè)(放電間隙的背面)鍍上一層厚度為0.02-0.1毫米的銅膜作為電極1，平板狀光催化多孔體3是直徑0.5毫米左右的銅絲編制的網(wǎng)片，網(wǎng)孔約為2毫米，12片疊加而成，總厚度約為6毫米，以鍍膜方式附載在網(wǎng)片上的光催化劑膜為氧化鈦TiO2(銳鈦礦型)，在電介質(zhì)阻擋層2與光催化多孔體3之間分別有5毫米間隙。工程塑料制作的密封件6將兩平板狀光催化多孔體連接成一整體，并構(gòu)成密封內(nèi)空間。其側(cè)壁上的進(jìn)氣口4、出氣口5和多孔光催化體3上的孔構(gòu)成了通暢的氣流通道，氣流流動(dòng)方向如箭頭所示。圖中還示意表達(dá)了兩電極與電源N的連接情況。該電源可采用放電頻率為50kHz、電壓為8kV、脈沖占空比為0.2的交流放電裝置。
圖3是本發(fā)明單元組件的另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該實(shí)施例中用附載了光催化劑的平板狀多孔體7代替一個(gè)電極平板，該平板狀多孔體與依附有電極的電介質(zhì)阻擋層8平行放置，密封件9將電介質(zhì)阻擋層8和平板狀多孔體7連成一整體，圖中也示意表達(dá)了兩電極與電源N的連接。其箭頭表達(dá)氣流流動(dòng)方向。
圖4是圖3實(shí)施例的改進(jìn)，即在平板狀多孔體的下方設(shè)置同等大小的底版9，并有密封件將其與電介質(zhì)阻擋層、多孔體連成一整體。底板10與多孔體之間的空隙作為氣流的出氣道，11是設(shè)置在該出氣道上的臭氧分解催化劑-活性炭材料。圖中的箭頭表示氣流流動(dòng)方向。
在圖5的氣體凈化器實(shí)施例中，共使用了4組等離子體偶合光催化單元組件，單元組件的基本形式如上述圖3所示。12是上兩組共用的的出氣道，16是下兩組共用的的出氣道。電極13也是共用件，在該電極13的上下兩側(cè)均設(shè)有電介質(zhì)阻擋層，分別用于上下兩個(gè)密封腔中。從氣流流動(dòng)方向上看，上、下兩組內(nèi)的兩個(gè)單元組件的氣流通道為并聯(lián)，上、下兩組的氣流通道也為并聯(lián)。為了提高凈化效果，本凈化器中還設(shè)置了風(fēng)扇14，在進(jìn)氣口的氣流路上還設(shè)置了濾網(wǎng)15，由尼龍或金屬網(wǎng)構(gòu)成，用以粗濾氣體中的有害物質(zhì)，以減少有害物質(zhì)含量并避免大固體顆粒進(jìn)入光催化多孔體，使孔眼保持暢通。在出氣口的氣流路上設(shè)置了臭氧分解催化劑16，如活性炭，對(duì)沒有與有害物質(zhì)反應(yīng)的臭氧進(jìn)行分解處理，以免向大氣中釋放對(duì)人體有害的臭氧。圖中示意表達(dá)了7個(gè)電極與電源N的連接。圖中的箭頭表示氣流流動(dòng)方向。
圖6是由單元組件的氣路并聯(lián)加串聯(lián)混合使用組成的氣體凈化器的結(jié)構(gòu)示意圖。該實(shí)施方案中，使用相同的上、下兩組。在每一組中有兩層平板狀光催化多孔體，該兩層多孔體分別和上、中或中、下的兩個(gè)平板狀電極及其電介質(zhì)阻擋層構(gòu)成氣流通道。如上組中，18和20即為兩層平板狀光催化多孔體，多孔體18和上電極19構(gòu)成一對(duì)放電電極，多孔體20和中電極21構(gòu)成一對(duì)放電電極。穿過(guò)多孔體18的被污染氣體進(jìn)入吸附層22，然后再穿過(guò)多孔體20進(jìn)入排氣道，從出氣孔再一次穿過(guò)吸附層才排出到外部環(huán)境中。本實(shí)施例使有害氣體連續(xù)兩次穿過(guò)光催化多孔體，通過(guò)光催化降解有機(jī)污染物，能夠進(jìn)一步提高氣體凈化處理效果，適用于氣體受污染嚴(yán)重的狀況。圖中的箭頭表示氣流流動(dòng)方向，另外也示意表達(dá)了7個(gè)電極與電源N的連接。
權(quán)利要求
1.一種等離子體偶合光催化單元組件，包括電極、電極電源和光催化體，其特征在于所述電極為平板狀，兩個(gè)平板狀電極平行放置，在兩電極平板的內(nèi)側(cè)分別設(shè)有剛性的電介質(zhì)阻擋層，所述光催化體是附載了光催化劑的平板狀多孔體，該平板狀多孔體放在兩個(gè)電介質(zhì)阻擋層的中間，兩側(cè)均有空隙，在兩電介質(zhì)阻擋層平板的周邊設(shè)置密封擋板，使平板狀多孔體與兩個(gè)電介質(zhì)阻擋層之間形成兩個(gè)空間，在其中一個(gè)空間的側(cè)壁上開設(shè)進(jìn)氣孔，并在另一個(gè)空間的對(duì)面?zhèn)缺谏祥_設(shè)出氣孔，兩個(gè)分別設(shè)有進(jìn)、出氣孔的空間之間由平板狀多孔體上的孔連通構(gòu)成氣流通道。
2.如權(quán)利要求1所述的等離子體偶合光催化單元組件，其特征在于，所述電極之一用附載了光催化劑的平板狀多孔體代替其中一個(gè)電極，該多孔體與另一個(gè)平板狀電極平行放置，在平板狀電極的內(nèi)側(cè)設(shè)有剛性的電介質(zhì)阻擋層，該電介質(zhì)阻擋層與平板狀多孔體之間有空隙，在電介質(zhì)阻擋層與平板狀多孔體的周邊設(shè)置密封擋板，并在側(cè)壁上開設(shè)用作進(jìn)氣的孔，使多孔體與電介質(zhì)阻擋層之間形成設(shè)有進(jìn)氣口的空間，并和多孔體上的孔連通構(gòu)成氣流通道。
3.使用權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的等離子體偶合光催化單元組件制作的氣體凈化器，包括殼體及氣體凈化組件，其特征在于，所述的氣體凈化組件是上述的等離子體偶合光催化單元組件，每臺(tái)氣體凈化器中至少有一組。
4.如權(quán)利要求3的氣體凈化器，其特征在于，使用多組等離子體偶合光催化單元組件的，其氣流通道并聯(lián)和/或串聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣體凈化裝置。所述的等離子體偶合光催化單元組件，其電極為無(wú)孔平板狀，內(nèi)側(cè)有剛性電介質(zhì)阻擋層；光催化體多孔體，它放在兩電介質(zhì)阻擋層中間，在兩電介質(zhì)阻擋層周邊設(shè)置密封擋板構(gòu)成兩個(gè)空間，其中一個(gè)空間側(cè)壁上有進(jìn)氣孔，另一空間側(cè)壁上開設(shè)出氣孔；其中電極之一可用附載了光催化劑的多孔體代替。電極依附于剛性的電介質(zhì)阻擋層，使其剛性和放電均勻性得到保證。電極與有害氣體之間有電介質(zhì)阻擋層相隔，避免電極被放電和腐蝕性氣體侵蝕。每臺(tái)氣體凈化器中至少有一組單元組件；使用多組單元組件的，其氣流通道并聯(lián)和/或串聯(lián)。使用中可根據(jù)不同使用場(chǎng)合的不同要求，選擇不同的氣路并聯(lián)和/或串聯(lián)的組合，使其凈化效果得到最大發(fā)揮。
文檔編號(hào)F24F3/16GK1614321SQ20031010623
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2003年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月6日
發(fā)明者黃衛(wèi)東, 夏維東, 王大志 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)