高效大氣淨化器的製作方法

2023-07-11 03:06:02 2

本實用新型屬於空氣淨化技術領域，尤其是淨化大氣中顆粒物的技術領域。

背景技術：

大氣中細顆粒物因為它本身很輕，因此能長時間在大氣中懸浮停留，對人體健康和大氣環境影響很大。

已知的淨化技術方案有噴霧、灑水、過濾、吸附、靜電和離子等，以及這些技術的組合。

噴霧和灑水技術方案對較大的顆粒有效，對細顆粒物效率低，作用範圍小，而且在霧霾嚴重的北方冬天不適用，因為灑水、噴霧會結冰，長期在城市使用不但耗電耗水量大，還要用大功率的水泵或風機，而風機水泵能耗大，也會產生噪聲擾民。

過濾和吸附技術方案的空氣阻力大，隨著吸附在高效濾網上的顆粒物越多，阻力會增加，風量會越來越小, 能耗也增加, 因而效率降低，濾網對超細顆粒物（Ultrafine Particules,PM0.1、PM0.01）的淨化效率也低，這類技術多數是用於室內，難以應用在面積大的廣闊大氣中。

靜電和電離技術方案對粉塵淨化效率高，但是對高電阻率粉塵和極細顆粒物效率低，主要應用在工礦企業，目前工礦企業顆粒物的排放標準是幾十mg/m3 甚至是幾百mg/m3，是城市空氣品質要求（μg/m3）的幾百上千倍，而且不監測細顆粒物, 所以這些難以被靜電和離子技術淨化的細顆粒物或超細顆粒物從工礦企業「已達標」了的煙筒 「逍遙法外」漂到城市來了。現有的靜電和電離技術方案已經不能滿足城市中對 PM2.5 小於幾十μg/m3 的要求，但是要讓工廠排放減小几百倍甚至上千倍（1mg/m3=1000μg/m3），幾乎現有的工廠都要停產關閉或轉型升級，短期內會嚴重影響生產。而隨著人們生活水平提高，空氣品質標準要求會更嚴，今後的要求可能低於10μg/m3，還可能還要監測超細顆粒物（PM0.1、PM0.01），這些都是現有的淨化技術難以解決的難題。

除此之外，還有人工造風、人工增雨、製冷、制熱等促使空氣流動、擴散的方法，但能耗大、成本高以及運行費用高，實施難，效果不理想。自從人們認識霧霾危害以來，一直渴望得到解決技術方案，但始終未能獲得有效的技術方案，各國政府也只能忍耐和採取各種行政管理措施。

要淨化地面上空大氣中的細顆粒物，現有的淨化技術方案至少存在以下的一些不足。

1）使用風機或水泵噴霧、灑水、使空氣或水霧定向流動，能耗大、噪聲大。

2）過濾器阻力大，一次性使用並要定期更換，長期使用成本高，不適用室外廣闊空間的大氣中。

3）有淨化殼體、有進風口、有出風口和強迫空氣定向流動的裝置，因而淨化空間範圍受限。

4）對室外大空間範圍的細顆粒物和超細顆粒物的淨化效率低，淨化的空間範圍小。

總之，現有淨化技術方案最大的缺點是淨化空間範圍小、淨化效率低、能耗高，目前還沒有高效的淨化技術方案能克服現有大氣淨化技術的不足。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種沒有淨化殼體、沒有進風口也沒有出風口，沒有管道、沒有過濾材料，沒有風機或水泵，結構簡單，能高效淨化地面上空大氣中細顆粒物的高效大氣淨化器及淨化方法。

為了實現上述目的，本實用新型的技術方案是：一種高效大氣淨化器, 其特徵是，包含對地絕緣的導體和給導體傳送電荷的電源，電源的輸出端連接到導體，電源的接地端接地; 其淨化過程如下。

1）將對地絕緣的導體懸掛或支撐在大氣中。

2）電源傳送電荷給導體，導體與地之間形成電場區。

3）大氣中的顆粒物受到電場力的作用沉降到地。

所述導體是指表面或內部能夠傳導電荷的任何物體，包括金屬材料、靜電導體、靜電亞導體。導體存在正曲率的表面，形狀包括球、球體、環、圓環體、線、分裂線、絲、板。導體的結構利於生產加工，又易於電荷存儲與流入大氣中，由於電荷分布在外表面，所以成空心或網狀，或由絲網加工而成，即節省材料，又減輕重量。正曲率的導體表面有利於在電場的作用下電荷流入大氣。而根據靜電場知識可知，導體內部任一點的電場強度等於零，電荷分布在外表面，所以本實用新型中優選的導體為空心導體。

為了提高效率，本實用新型中的導體對地絕緣，植物或由導電材料做成的仿生植物都必須對地絕緣，所謂對地絕緣就是與導體接觸的其它物體，包括支撐或懸掛導體的物體，應使用電阻率非常高的材料。本實用新型的導體對地絕緣，使得從電源提供給導體的電荷絕大部分都流入大氣中用於淨化大氣，漏掉的電荷非常少，所以有高的淨化效率。

本實用新型中的電源是傳送電荷給導體的裝置，包括靜電發生器、高壓直流電源，電源的輸出電流限制在安全範圍內，電源有限流保護裝置，電源的上部有防雨的傘形結構，電源有控制端，可人工控制或自動控制電源的輸出電流，包括空氣品質檢測系統和網絡控制，空氣汙染嚴重時，提高電源傳送電荷的速率，空氣汙染小時，降低電源傳送電荷的速率，當達到空氣品質優時，電源處於待機狀態，以節省電能。電源的技術是公知的現有技術，靜電發生器已得到廣泛的應用，其技術成熟可靠，在此不再贅述。

本實用新型中的地是電位為零的物體或與地等電位的物體，包括地球、地面、山、海以及與地球表面相連接的物體包括建築物、植物。

本實用新型方案的工作原理是：當電源連續給導體傳送電荷時，由於導體絕緣，導體上的電只能傳送給大氣，使大氣中的顆粒物也帶電, 大氣中的顆粒物受到電場力比重力大得多時，則顆粒物在電場力作用下快速沉降到地，而且帶電了的顆粒物由於靜電力的作用會吸引其周圍的顆粒物凝並成較大的顆粒物，也有利於快速沉降到地，由此實現大氣中細顆粒物的淨化作用。帶電導體離地的高度越高，電場作用空間範圍越大，而且還不會發生擊穿放電，更安全。

為簡化和理論分析，在此僅考慮電場力的作用。對於帶電 q ，質量為m的顆粒物，在電場 E 的作用下。

由靜電學電場理論可得：F=qE。

根據牛頓第二定律：F=ma。

根據位移 S 公式：。

聯解得到： 。

由此可見，顆粒物沉降的距離 S 與其帶電量 q、電場強度 E 和電場力作用時間 t 的平方成的乘積成正比，與顆粒物的質量 m 成反比。顆粒物帶電量 q 越多，所受到的電場 E 越強，電場力作用時間 t 越長，顆粒物質量 m 越小，則顆粒物沉降的距離 S 越遠，所以本實用新型對質量小的細顆粒物和超細顆粒物的淨化效率高。

本實用新型中，只要顆粒物沒有降到地，導體就一直對顆粒物帶電，從而荷電時間長，將不易帶電的細顆粒及高電阻率的顆粒也帶上電荷 q，從上述聯解得到的公式中可知，電荷量q越大時，在其它相同條件下顆粒物下降的距離S更大。長期以來靜電除塵技術對細顆粒特別是超細顆粒物以及對高電阻率的顆粒物淨化效率低，使得這一技術基本上是用在工業除塵，工業排放的標準都是幾十甚至幾百mg/m3，比城市大氣汙染控制要求的幾十甚至幾百μg/m3大千倍，在本實用新型的技術方案中，只要顆粒物沒有降到地，或只要顆粒物漂浮在大氣中，電場就一直對顆粒物施加電場力 F，迫使大氣中任何顆粒物沉降在地面，在霧霾還沒有形成時高效大氣淨化器就將它控制了，從而防止了霧霾的形成，克服現有靜電技術難以除去細顆粒特別是超細顆粒物以及對高電阻率的顆粒物淨化效率低的偏見。

從上述理論分析可知，顆粒物沉降的距離 S 與作用時間 t 的平方成正比，如果作用時間t長，能起到預料不到的顯著淨化效果。一般靜電除塵器中由於氣流速度快，顆粒物在靜電場中荷電時間t和所受電場力F的作用時間都很短，高電阻率和細顆粒物荷電量少，所以一般靜電除塵器對高電阻率和細顆粒物的除塵效率低。假如靜電除塵器電場力作用時間為 1 秒，而本實用新型中電場力的作用時間為 1 個小時，則 t2=36002=12960000（s）>1 千萬（倍），也就是在其它條件相同時，本實用新型中顆粒物在電場力作用下沉降的距離比現有靜電除塵技術的顆粒物沉降的距離要大一千萬倍！或者在消耗同樣能量的情況下，本實用新型可淨化更多的顆粒物，或者用比現有靜電除塵技術弱得多的電場強度，而取得比現有靜電除塵技術更高淨化效率，即節省能耗，又提高效率。本實用新型的高效大氣淨化器所消耗的電能幾乎都轉化為顆粒物所受電場作用力所作的功，所以能耗小效率高。顆粒物質量 m 越小，在同條件下，顆粒物沉降的距離S越遠, 或者說顆粒物越細小，在同樣條件下，更快速沉降到地，所以本實用新型對大氣中各種大小的顆粒物，包括細顆粒物和超細顆粒物的淨化效率都會產生預料不到的淨化效果。

在沒有淨化殼體的限制時，點電荷導體產生的電場可以發散到無窮遠，其淨化器的作用範圍也是無窮遠，但是從靜電學理論可知，電場強度會隨距離的平方成反比，也就是隨著距離的增加，場強會迅速減小，淨化效果也明顯降低，但是多個高效大氣淨化器組合形成線時，從靜電學理論可知，線的電場與距離成反比，而不是距離的平方成反比，即使在較遠的距離，淨化效果也比單個高效大氣淨化器好，而多個高效大氣淨化器形成面時，從靜電學理論可知，其產生的電場與距離無關，也就是說其淨化效果與距離無關，即使在離開導體很遠距離，高效大氣淨化器組合形成的超級大氣淨化器效果依然顯著，所以多個高效大氣淨化器組合構成線，平面和立體結構，組合成超級大氣淨化器，組建成防霾護欄、防霾長城和防霾淨化區，會產生預料不到的淨化效果，只要有顆粒物漂浮在大氣中，高效大氣淨化器就一直對顆粒物施加電場力 F，迫使大氣中任何顆粒物沉降在地面，從而防止了霧霾的形成。

本實用新型的高效大氣淨化器的技術與現有淨化技術相比的有益效果是。

1）沒有淨化殼體的限制，也沒有進風口和出風口，淨化的空間範圍更大。

2）不用過濾材料，不用定期更換和維護，長期使用沒有耗材的成本，也不用維護。

3）不用風機和水泵，不產生噪聲與振動，適用於人口密度大的城市居住區。

4）不產生汙染，不產生噪聲與振動，不放電不產生電磁幹擾。

5）消耗的電力少，能效比高，消耗的電能幾乎都轉化為顆粒物所受電場作用力所作的功。

6）安全，高效大氣淨化器的電源有保護和控制系統，而且導體離地高，不會發生放電。

7）結構簡單工作可靠，因為沒有機械運轉，沒有機械磨損，維護成本低，運行費用低。

8）對質量小的細顆粒物和超細顆粒物淨化效率高。

9）不但能除霧霾，還能防止霧霾的形成，在霧霾還沒有形成時高效大氣淨化器就控制它的形成。

總之，只要細顆粒物還漂浮在大氣中，沒有到達地之前，導體就一直對顆粒物荷電，顆粒物就一直會受到電場力的作用直到其沉降到地，由於電場力對顆粒物的作用時間長，可以用比靜電除塵器較弱的電場和較小的電流獲得更高的效率，對一些難以帶電的高電阻率顆粒物以及細顆粒物，包括空氣中的霧、沙塵暴，帶電導體就會長時間連續對這些顆粒物帶電。在顆粒物帶電時間長的條件下顆粒物帶電荷就多，因而受到的電場力作用也大，在電場力作用大、作用時間又長的情況下，顆粒物移動的距離就越遠，就能快速沉降到地，已經帶電的顆粒物在下降時，又會吸引其周圍其它顆粒物凝並成較大的顆粒物，甚至引發降雨，更有利於顆粒物快速沉降，從而進一步提高淨化效率，高效大氣淨化器所消耗的電能幾乎都轉化為顆粒物所受電場作用力所作的功，所以本實用新型能耗小，效率高，本實用新型組合形成的構成線，平面和立體淨化區結構，組合成超級大氣淨化器，組建成防霾護欄、防霾長城和防霾淨化區，不但能除霧霾，還能防止霧霾的形成，在霧霾還沒有形成時高效大氣淨化器就將它控制了，從而防止霧霾的形成。

下面參考附圖和實施例對本實用新型進一步進行說明。

附圖說明

圖 1 是本實用新型的高效大氣淨化器結構示意圖。

圖 2 是本實用新型的高效大氣淨化器的一個實驗結果。

圖 3 是本實用新型的高效大氣淨化器應用於道路的實施例示意圖。

圖 4A 是本實用新型高效大氣淨化器（樹）的示意圖。

圖 4B 是本實用新型高效大氣淨化器（花籃）的示意圖。

圖 4 是本實用新型高效大氣淨化器應用於居民區立體淨化器實施例的示意圖。

圖 5A 是多個氣球組成氣球結構的高效大氣淨化器的示意圖。

圖 5B 是單個氣球組成氣球結構的高效大氣淨化器的示意圖。

圖 5 是本實用新型高效大氣淨化器應用於城市立體淨化器實施例的示意圖。

圖 6 是本實用新型的高效大氣淨化器（氣球）應用於高空的實施例示意圖。

圖中：1-導體， 2-電源， 3-地，4-支柱，5- 空氣品質檢測傳感器，6-底座,7-供電引線，8-防雨傘形結構, 9-拉線。

具體實施方式

實施例一。

圖 1 中，導體1直接接在電源 2 輸出端，不用高壓線連接，從而減小了電荷的洩漏，提高效率。

為檢驗本實用新型的淨化效果，將高效大氣淨化器放置在道路邊附近，為了增加球形傳送電荷的效率，在球上有數根針 1-1，也可將尖針換成其它尖端、彎針、金屬絲、導電纖維或鋁箔。將 PM2.5 檢測儀放在離球 3 米的下方位置連續測試，測試結果如圖 2 所示。通電前檢測 PM2.5 值為 330μg/m3 （嚴重汙染），通電 5 分鐘就降到小於 75μg/m3 空氣良的水平，再加電 10 分鐘，降到了 25.2μg/m3 空氣優的水平。10 分鐘時間就能將嚴重汙染的空氣變成優的空氣。

在上述實施本方案的過程中發現，在測試開始後細顆粒物濃度下降速度非常快，當快要從良到優的過程中顆粒物濃度就又升高了，後來發現是由於空氣流動時將淨化後的空氣吹走了，將其它的汙染空氣吹過來了，而高效大氣淨化器對這新流過來的汙染空氣也就幾分鐘時間就再淨化到優的水平了，空氣的流動和對流擴大了本實用新型的淨化範圍。一個空氣對流、擴散的簡單例子就是北京春季楊柳飛絮能飄到十幾層甚至幾十層樓高。這說明本實用新型在無淨化殼體、無進風口，無出風口時，不用風機，僅僅依靠空氣對流、擴散和電場力就能將淨化的區域範圍更寬更廣，而再加上電場力作用和人員及車輛等的運動又促進了空氣的流動，從而取得預料不到的大範圍淨化效果和淨化效率。

本實施例中，球形導體 1 下部或電源 2 上部有防雨傘形結構 8，是為了減小下雨時因雨水降低導體 1 對地 3 的絕緣電阻而產生漏電，如果下雨後空氣變優，安裝在支柱 4 中的空氣品質檢測傳感器 5 輸出信號給電源降低電源 2 的輸出電流。底座 6 用於固定高效大氣淨化器，供電引線 7 接到市政 AC220V 電或 AC380V 供電網絡或者其它能源供電。

將高效大氣淨化器安裝在在人員與車輛活動的區域，例如安裝在隔離帶的中間區域，如圖 3，這一區域也是城市中汽車排放與揚塵汙染物最嚴重之區域，其汙染物的密度比高空中要大，也是周圍人員受害最多的區域，在街道、道路、高速公路邊，人員與汽車的流動也能增加空氣的流動，特別是高速公路上汽車快速的運動能擴大本實用新型的淨化範圍。

將多個高效大氣淨化器間隔安裝, 在地面形成地面淨化的隔離帶，不但能淨化霧霾，還能淨化高速公路上汽車排放和路面上揚塵。同樣將多個高效大氣淨化器間隔安裝應用於機場跑道，能大範圍淨化跑道，對於飛機起降中識別跑道非常有效。將多個高效大氣淨化器間隔安裝而應用於居民區、廣場、娛樂場所、學校，或將高效大氣淨化器的導體做成樹或花籃，樹或花籃對地絕緣，因而形成高效大氣淨化器的「霧霾淨化圍牆或霧霾淨化防護網」，更能發揮本實用新型的淨化效果。

實施例二。

本實用新型組合成立體淨化器在高層建築物、遊樂場、廣場、塔、煙囪中實施作用範圍更大，特別是城市公共煙囪都是在房頂，炒菜也是顆粒物的主要來源之一，一個單元幾十戶甚至更多，炒菜時通過公共煙囪排放到幾十米至上百米高空。採用本實用新型的實施方案如圖 4 所示的居民區，圖 4 中固定在地的高效大氣淨化器的導體 1 是如圖 4A 所示的與地絕緣的樹或仿生植物，或者圖 4B 所示的花籃，仿生植物或花籃要用導電的材料做成。圖 4 中在房頂上兩個高效大氣淨化器之間可用分裂導線連接，中間可以懸掛導體 1，導體 1 的形狀包括球形、直導線或分裂線，或氣球，氣球表面要能導電，例如用鋁箔做的氣球。多個高效大氣淨化器在不同高度構成立體超級淨化器。

實施例三。

本實用新型的高效大氣淨化器還可將城市上空幾十米到幾百米的高空構成城市立體淨化，如圖 5 所示，本實用新型實施時可以使用低成本的氣球或飛艇，霧霾往往出現在沒有風或風力小的天氣，為本實用新型實施提供了好的天氣條件，本實用新型即可採用由單個氣球或飛艇構成導體 1，如圖 5B 所示。也可採用多個氣球構成一個大氣球的導體 1，如圖 5A 所示。也可以將多個串接後與大氣球捆綁一起構成更長更高的導體 1，如圖 6 所示。氣球充以密度比空氣小的氣體，如安全的氦氣，氣球或飛艇漂浮在大氣中，氣球通過導線如碳纖維導線與電源 2 輸出端相接。城市中大部分建築的高度都低於 500 米，所以能除去 500 米以下的霧霾就解決了霧霾對城市居民健康的危害。

氣球雖然成本低，但是會漏氣，如果不用氣球，也可以建成塔，例如北京氣象塔的高度達325米，上海東方明珠塔高 468 米，而現在很多建築高度都能達到幾百米。如果將高效淨化器固定在 500 米的塔上，由於空氣的對流和流動以及電場發散的作用，不僅能淨化 500 米以下的細顆粒物，還能淨化 500 米以上一定的高度的細顆粒物。

實施例四。

從前面的實施例可見，本實用新型的高效大氣淨化器組合成地面保護區或立體保護區屏障，對城市中汽車及飲食等產生的主要顆粒物和城市上空的顆粒物淨化都能實施。但城市外的顆粒物往往是從上百公裡甚至更遠的距離隨高空氣流輸送到城市來，為防止這些外來的霧霾，將前述的幾個高效大氣淨化器在城市郊區組合成高中低空的高效立體淨化器或「防霾長城」，以北京市為例，北京市外來顆粒物輸送的主要方向是東南或西南，所以在東南和西南郊區組成高效大氣淨化器防霾圍欄或防霾長城，當霧霾來侵時，高效大氣淨化器將霧霾擊落在地，城外霧霾就難以從郊區跑到市區裡來。如果將本實用新型實施到市內各道路或建築物上組合成防霾保護淨化區，將整個城市打造成超級高效大氣淨化器，再將高效大氣淨化器在城市周圍組建防霾圍欄或者防霾長城，任何時間空氣品質達標了，因為只要顆粒物從地上漂起來或從城外來侵，就受到電場力的作用將它時時刻刻擊落在地，防止霧霾的形成，無論是霧霾還是節假日放鞭炮，無論是城市內產生的 PM2.5 還是外來的 PM2.5、無論是大霧或沙塵暴, 實施本實用新型的高效大氣淨化器，只要細顆粒物離開地面，都將它擊落在地，不讓霧霾形成，也不讓外面的霧霾進城來，幾百米甚至更高的高空中也就不會有霧霾了，從被動的等天氣「吹」霧霾變成了主動的控制霧霾。

實施例五。

本實用新型的高效大氣淨化器和組合的高效大氣淨化器，實施於工業生產區能取得更好的效益。因為工廠企業的煙囪大部分都低於 500 米，從前面實施例可以看出，當在工業生產區和施工工地實施本實用新型後，這些顆粒物還沒有升空時，高效大氣淨化器就將它擊落在地，不讓它入侵其周邊區域，這樣即不影響工業生產，又不影響城市居民的身體健康與生活。將高效大氣淨化器應用在工業生產區、建設工地、車間,將生產過程中產生的 PM2.5 在源頭就降下來，即改善了工人的生產環境，提高了工人的身體健康水平，又不影響城市人民的生活與健康，那些高煙囪都可以拆除掉。高效大氣淨化器的實施將城外產生 PM2.5 的源頭擋在了「防霾長城」之外，又將城市內汽車排放與生活排放的 PM2.5「擊落在地」，所以本實用新型的實施具有非常高的社會與經濟效益。

上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但並非對本實用新型僅限於上述實施，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不付出創造性勞動做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護範圍以內。