用於氣體的消毒和淨化的等離子體驅動的催化劑系統的製作方法

2023-11-04 16:58:02

用於氣體的消毒和淨化的等離子體驅動的催化劑系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種新穎的用於消毒和淨化空氣的等離子體驅動的催化劑裝置。由於等離子體和催化劑具有協同有利的影響，該裝置具有高的消毒和淨化效率和功效、低的副產物形成，和低的能量消耗。與催化劑結合的等離子體增加了新的活性物種的產生，提高了等離子體放電的氧化能力，並激活催化劑，其額外有助於消毒和淨化過程以及有毒副產物的消除。
【專利說明】用於氣體的消毒和淨化的等離子體驅動的催化劑系統
[0001] 相關申請的交叉參考：
[0002] 根據35U.S.C. § 119(e)，這是非臨時性的專利申請，其要求2013年8月19日申請 的、序列號為61/959, 252的美國臨時專利申請的權益，並且通過引用將其公開內容併入本 文。

【技術領域】
[0003] 本發明涉及用於消毒、清潔和淨化空氣的等離子體驅動的催化劑（roc)技術的應 用。更具體地，本發明提供了利用等離子體驅動的催化劑技術的空氣淨化裝置和系統，其用 於家庭和工業環境中的室內空氣品質的改善。

【背景技術】
[0004] 根據各種研究，城市居民在一天中大約80 %的時間是花費在室內環境中，如家庭、 辦公室、電影院、餐館、商店和其他半封閉空間。由於各種各樣的室內空氣汙染源，如吸菸、 油煙、牆紙膠、線圈、燒油取暖器、煙霧、PM2. 5等等，在這些半封閉空間中的空氣品質可能會 很差。各種汙染物的連續或間歇的排出可導致嚴重的人體健康損害，甚至死亡。通過通風 保持適當的室內空氣品質通常會引進室外空氣來稀釋室內的空氣空間。但是，如果室外空 氣質量較差或缺乏室內通風的能力，則室內空氣汙染會持續。因而，需要空氣淨化系統淨化 室內空氣以便改善空氣品質。
[0005] 等離子體是分子被離子化的氣體，它包含許多組分，諸如不同能量的電子、正負離 子和中性粒子。許多研究表明，等離子體對於去除氮氧化物、硫氧化物、氣味和揮發性有機 化合物是有效的。在各種類型的等離子體中，非熱等離子體已被證明是分解揮發性有機化 合物和其他空氣汙染物的相當有效的技術。非熱等離子體具有一些獨特的性質，如在環境 溫度和大氣壓下的快速響應，在短的停留時間內實現高的電子能量，和容易操作。此外，等 離子體放電的方式類似於靜電除塵器可用於灰塵和液滴收集。然而，研究人員一致認為， 應用等離子體消除揮發性有機化合物具有三個主要的弱點，其包括與有害化合物（一氧化 碳、氮氧化物、其他揮發性有機化合物等）排放物的不完全氧化、差的能量效率和低礦化 度。不完全氧化導致形成有毒副產物，如一氧化碳（CO)、臭氧和氣溶膠粒子，這甚至增大了 總的氣體毒性。因此，這些副產物的形成需要額外的後處理系統，這增加了整個空氣淨化系 統的成本和複雜性。
[0006] EP1671659公開了一種消毒和淨化裝置，包括：殼體；設置在所述殼體上的定向空 氣導流板；可移動的空氣導流板，其包括在所述殼體內並設置在與所述定向空氣導流板對 應的位置；等離子體反應器，其安裝在所述可移動的空氣導流板下面，並且所述等離子體反 應器從頂部至底部順序安裝陰離子陽極板、陰離子陰極板、等離子體陽極板和等離子體陰 極板，並且所述陰離子陽極板、陰離子陰極板、等離子體陽極板和等離子體陰極板是帶網孔 的不鏽鋼板，納米催化劑的薄膜覆蓋在所述帶網孔的不鏽鋼板的表面上。然而，由於在陽極 和陰極板上的催化劑覆層，使用這種方法來產生等離子體在以高強度提供等離子體方面不 那麼有效。
[0007] 根據具有用於空氣處理的等離子體和催化劑組合的傳統空氣淨化裝置，等離子體 在腔室中產生，並且光催化劑層放置在該腔室的空氣出口處，或該腔室的空氣入口處。然 而，這種配置在空氣淨化中不是有效的，因為光催化劑層產生了空氣淨化系統的高空氣阻 力，導致空氣循環速度的衰減和通風機電負荷的增加。更甚者，需要額外的紫外光燈照射光 催化劑層以便自由基的產生，這增加了空氣淨化系統的成本和複雜性。並且，簡單應用的UV 照射可能不夠強，不足以產生足夠的自由基來分解空氣汙染物，最終導致無效的空氣淨化。
[0008] 因此，對於空氣淨化裝置存在未滿足的需求，所述空氣淨化裝置能有效地去除空 氣汙染物且具有低的空氣阻力、系統複雜性和功耗。


【發明內容】

[0009] 本發明提供了一種去除空氣汙染物並改善室內空氣品質的等離子體驅動的催化 劑消毒和淨化裝置。該裝置包括預濾器、電通風機和其內具有催化劑的等離子體反應器。本 發明中使用的等離子體技術是基於電介質阻擋放電（DBD)等離子體。其非熱平衡放電可以 在大氣壓條件下方便地進行操作。DBD形成在由絕緣電介質阻擋件間隔開的兩個平行電極 之間，阻擋放電的最重要的特性是非平衡等離子體條件，與其他替代等離子體技術（如電 子束、低壓放電和脈衝高壓電暈放電）相比較，非平衡等離子體條件是較簡單的。這種技術 很容易從實驗室條件按比例擴大到大的工業規模的裝置。DBD等離子體處理採用高壓交流 電（AC)，其範圍從4kV至30KV，頻率範圍從幾百赫茲（Hz)到幾百千赫（kHz)的。該足夠高 的電壓被用於電離兩個電極之間的間隙中的介質，該介質包含許多組分，如不同能量的電 子、正負離子和中性粒子。這些電離的組分能將揮發性有機化合物和其他空氣汙染物深入 降解成無害的產物，如CO 2和H2O。
[0010] 然而在消毒和淨化過程中，DBD等離子體產生臭氧和其他有毒副產物。因而，將催 化劑整合在等離子體反應器中以去除這些有毒的副產物。在本發明中使用的催化劑是二氧 化鈦（TiO2)基的催化劑。該二氧化鈦基的塗層具有孔徑為2-20納米的多個介孔結構，因 此總有效表面積大大增加。二氧化鈦催化劑可以摻雜其它元素，如鈦、鋅、銅、錳、鑭、鑰、鎢、 釩、硒、鋇、鈰、錫、鐵、鎂、金、鉬、鈷、鎳或鈀，或其氧化物，或其合金，以提高其光催化性能。 該二氧化鈦基的催化劑可以在等離子體反應器內被激活，而無需額外的紫外光照射。所產 生的臭氧和來自DBD等離子體的其它副產物可以被二氧化鈦基的催化劑消除。催化劑的位 置可以位於電極的表面上，電極之間或等離子體反應器的後端。
[0011] 因此，目前要求保護的發明的第一個方面是提供一種用於淨化空氣的等離子體反 應器。
[0012] 根據目前要求保護的發明的一個實施方式，用於淨化空氣的等離子體反應器包 括：至少兩個間隔開的等離子體電極，用於通過交流電壓在至少兩個間隔開的等離子體電 極之間的等離子體區域內產生等離子體；至少一個絕緣電介質層；至少一個光催化劑層； 和用於容許空氣通過等離子體的至少一個空氣入口和至少一個空氣出口；其中，絕緣電介 質層形成在間隔開的等離子體電極中的至少一個上；其中光催化劑層沉積在絕緣電介質層 上；和其中光催化劑層面對等離子體。
[0013] 根據目前要求保護的發明的另一個實施方式，光催化劑層位於所述至少兩個間隔 開的等離子體電極之間的等離子體區域內。
[0014] 根據目前要求保護的發明的另一個實施方式，光催化劑層位於等離子體反應器的 空氣入口，或者等離子體反應器的空氣出口。光催化劑層的至少一個表面暴露於等離子體 區域並與等離子體接觸。
[0015] 目前要求保護的發明的第二方面是提供一種空氣淨化裝置。
[0016] 根據目前要求保護的發明的實施方式，空氣淨化裝置包括：本發明的等離子體反 應器；殼體；電通風機；過濾器；和定向空氣導流板。
[0017] 目前要求保護的發明的第三方面是提供一種空氣淨化系統。
[0018] 根據目前要求保護的發明的一個實施方式中，空氣淨化系統包括多個本發明的等 離子體反應器。多個等離子體反應器呈蜂窩形狀並堆疊在一起。
[0019] 該等離子體驅動的催化劑空氣淨化裝置能在環境條件（即室溫、大氣壓和相對溼 度）下操作。可去除的氣態汙染物包括但不限於氮氧化物、二氧化硫、硫化氫、甲醛、氨、揮 發性有機化合物（VOC)、有機臭氣以及空氣傳播的細菌和病毒。DBD等離子體和二氧化鈦基 的催化劑的組合不僅可以對空氣的消毒和淨化具有協同作用，而且有毒副產物的排放低。 因此，本發明中的新的等離子體技術，其將等離子體與催化劑結合起來，可以最大限度地減 少或者甚至消除現有等離子體技術的那些缺點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 在下文中參照附圖更詳細地描述本發明的【具體實施方式】，其中：
[0021] 圖1是表示根據目前要求保護的發明的一實施方式的等離子體驅動的催化劑消 毒和淨化裝置的示意圖；
[0022] 圖2是表示根據目前要求保護的發明的一實施方式的PDC裝置中的等離子體反應 器的示意圖，其中催化劑塗覆在電極上；
[0023] 圖3是表示根據目前要求保護的發明的一實施方式的PDC裝置中的等離子體反應 器的示意圖，其中催化劑位於兩個電極之間；
[0024] 圖4是表示根據目前要求保護的發明的一實施方式的PDC裝置中的等離子體反應 器的示意圖，其中催化劑位於等離子體反應器的後端；
[0025] 圖5是一張照片，表示根據目前要求保護的發明的一實施方式的用於空氣汙染物 去除試驗的實驗設置；和
[0026] 圖6是示意圖，表示根據目前要求保護的發明的一實施方式的具有蜂窩配置的空 氣淨化系統的俯視圖。

【具體實施方式】
[0027] 在下面的描述中，多個空氣淨化裝置和系統作為優選的例子被闡明。對於本領域 技術人員顯而易見的是，可以在不背離本發明的範圍和精神的情況下作出修改，包括添加 和/或替換。具體細節可能被省略以免混淆本發明；然而，書面記載本公開內容以使本領域 的技術人員能夠實踐本文中的教導而不需要過度的實驗。
[0028] 本發明中的等離子體驅動的催化劑消毒和淨化裝置可以去除空氣汙染物並有效 地和高效地改善室內空氣品質。該裝置包括預濾器、電通風機和其內具有催化劑的等離子 體反應器。等離子體反應器是基於電介質阻擋放電（DBD)等離子體，其包括兩個平行的間 隔開的電極，和一個或兩個電介質阻擋件。電極由導電材料構成，其可以呈杆、管、筒、箔、薄 膜、板或網的形式。在兩個電極之間的距離範圍從幾毫米至一百毫米。電極被電介質阻擋件 分開，並且這些阻擋件附接到電極或插入在兩個電極之間。頻率範圍從幾百赫茲（Hz)至幾 百千赫（kHz)的從4kV至30KV的高壓交流電（AC)被施加在電極上以在反應器內產生DBD 等離子體。
[0029] 等離子體和催化劑的組合用於空氣處理具有許多優點，如更高的能量效率、低功 耗、高礦化速率和沒有副產物形成。該等離子體驅動的催化空氣清潔技術能通過在低溫下 將全部範圍的有毒成分分解成CO 2和H2O來實現深度淨化。改變等離子體特性可最終導致 增強新活性物種的產生和提高等離子體放電的氧化能力。等離子體放電也會影響催化劑 的性質，如化學成分的變化、表面積的增加或催化結構的變化。等離子體區域中的催化劑被 等離子體激活，激活機制包括臭氧、紫外線、局部加熱、功函數的改變、晶格氧的激活、吸附/ 解吸、電子-空穴對的產生和氣相自由基與被吸附汙染物的直接相互作用。除了幫助降解 等離子體反應器中的氣體汙染物之外，激活的催化劑也可以降解從等離子體產生的有毒副 產物。因此，與僅使用等離子體或其它空氣淨化技術相比，該等離子體驅動的催化劑技術有 高得多的空氣淨化效率和更低的有毒副產物排放。
[0030] 圖1是表示根據目前要求保護的發明的一實施方式的等離子體驅動的催化劑消 毒和淨化裝置的示意圖。該裝置101包括具有空氣入口 103和空氣出口 104的殼體102、電 通風機105、定向空氣導流板106、預濾器107和等離子體反應器108。殼體102包圍電通風 機105、定向空氣導流板106、預濾器107和等離子體反應器108。電通風機105產生氣流。 定向空氣導流板106定位氣流的方向。預濾器107去除空氣微粒。等離子體反應器108產 生用於消毒和淨化空氣的等離子體。
[0031] 圖2是表示根據目前要求保護的發明的一實施方式的PDC裝置中的等離子體反應 器的示意圖，其中催化劑塗覆在電極上。等離子體反應器包括一對間隔開的等離子體電極 201a和201b、兩個絕緣電介質層202a和202b、兩個光催化劑層203a和203b、交流電源204、 用於進氣的空氣入口和用於出氣的氣體出口。間隔開的等離子體電極20Ia和20Ib放置成 彼此平行並具有一距離。絕緣電介質層202a位於間隔開的等離子體電極201a上並且面對 間隔開的等離子體電極201b。類似地，絕緣電介質層202b位於間隔開的等離子體電極201b 上並且面對間隔開的等離子體電極201a。光催化劑層203a塗覆在絕緣電介質層202a上， 光催化劑層203b塗覆在絕緣電介質層202b上。這樣，光催化劑層203a面對間隔開的等離 子體電極201b，同時光催化劑層203b面對間隔開的等離子體電極201a。當AC電源204將 高壓交流電提供給間隔開的等離子體電極201a和201b時，在位於間隔開的等離子體電極 201a和201b之間的等離子體區域內產生等離子體205。光催化劑層203a和203b都與等 離子體205接觸。當來自空氣入口的被汙染的空氣通過等離子體反應器中的等離子體205 時，被汙染的空氣被淨化和消毒，淨化的空氣被從空氣出口釋放出來。
[0032] 由於光催化劑層直接塗覆在絕緣電介質層上，所以光催化劑層能夠被等離子體反 應器中的等離子體有效地激活，而無需額外的紫外光照射來產生自由基，其能將諸如VOC 的空氣汙染物分解成無害產物，例如水和二氧化碳，從而進一步提高了空氣汙染物的去除 效率。由於光催化劑與等離子體接觸，所以自由基的生成效率在這種反應性的等離子體環 境下進一步提高。另外，從等離子體產生的臭氧或其他有害副產物也被自由基消除了。
[0033] 由於光催化劑層被塗覆在絕緣層上，因此幾乎沒有空氣阻力從光催化劑層產生， 最終維持高氣流條件並降低空氣淨化裝置的電通風機的負荷。
[0034] 圖3是表示根據目前要求保護的發明的一實施方式的PDC裝置中的等離子體反應 器的示意圖，其中催化劑位於兩個電極之間。在本實施方式中，光催化劑層303位於一對等 離子體間隔開的電極301a和301b之間的等離子體區域中，並放置成與該對等離子體間隔 開的電極301a和301b基本上平行。光催化劑層303浸入由該對等離子體間隔開的電極所 產生的等離子體305並與等離子305接觸，以使得在沒有額外的紫外光照射的情況下，光催 化劑層303有效地被等離子305激活，從而產生自由基以分解空氣汙染物並消除臭氧和從 等離子體305釋放的其他有害副產物。另外，當光催化劑層303放置成與氣流平行時，幾乎 沒有空氣阻力從光催化劑層303產生。相似地，絕緣電介質層302a和302b分別塗覆在該 對等離子體間隔開的電極301a和301b上。連接到電極的交流電源304將交流電壓提供給 電極。
[0035] 優選地，光催化劑層的厚度範圍為10微米到500微米。絕緣電介質層的厚度範圍 為1毫米至5毫米。
[0036] 圖4是表示根據目前要求保護的發明的一實施方式的等離子體反應器的示意圖， 其中催化劑位於等離子體反應器的後端。在本實施方式中，光催化劑層403位於等離子體 反應器的後端，並覆蓋等離子體反應器的空氣出口。光催化劑層403的表面暴露於一對等 離子體間隔開的電極401a和401b之間的等離子體區域，並與等離子體405接觸以使得在 沒有額外的紫外光照射的情況下，光催化劑層403有效地被等離子體405激活，從而產生自 由基以分解空氣汙染物並消除臭氧和從等離子體405釋放的其他有害副產物。這種配置可 以提供更好的空氣汙染物去除效率。相似地，絕緣電介質層402a和402b分別塗覆在該對 等離子體間隔開的電極401a和401b上。連接到電極的交流電源404將交流電壓提供給電 極。
[0037] 優選地，二氧化鈦基的塗層被整合在反應器中。該催化劑具有孔徑為2-20納米的 多個介孔結構，其總有效表面積被增加。二氧化鈦催化劑可以摻雜其它元素，如鈦、鋅、銅、 錳、鑭、鑰、鎢、釩、硒、鋇、鈰、錫、鐵、鎂、金、鉬、鈷、鎳或鈀，或其氧化物以提高其光催化性 能。該催化劑可塗覆在電介質阻擋件或其它基底上，如透氣性的基底、金屬、玻璃、陶瓷、塑 料和織物。該催化劑的位置可以是在電極的表面上、電極之間或在等離子體反應器的後端 或前端。
[0038] 優選地，溶膠-凝膠法用於將催化劑塗覆在電介質層上。帶有其他化學品的光催 化劑的前體被充分混合以形成預光催化劑溶液。然後通過浸塗而在電介質層上形成塗層。 在這之後，在爐中對塗層進行退火處理以形成光催化劑層。
[0039] 利用本發明的管狀等離子體反應器進行實驗以研究空氣汙染物去除效率。如圖5 所示，等離子體反應器包括內徑為14毫米的電介質管，該電介質管充當電介質絕緣層。二 氧化鈦塗覆在電介質管的內表面上。導線盤繞在電介質管的外表面上作為接地電極，而另 一根導線位於電介質管的中心作為高壓電極。兩個電極都與交流電源相連以向電極提供交 流電流。等離子體反應器置於封閉的盒子中，其中有電通風機以產生氣流。然後將VOC溶 液注入到封閉的盒子中，並通過VOC監測器監測封閉的盒子中的VOC的濃度。當初始VOC 濃度達到最大值時，接通等離子體反應器以產生等離子體，從而淨化封閉的盒子中的空氣。 30分鐘後，測量最終的VOC濃度以計算空氣汙染物去除效率。用三種不同的交流電壓重複 進行測試。通過沒有二氧化鈦塗層的等離子體發生器進行對照實驗，該等離子體發生器作 為僅僅使用等離子體技術的傳統空氣淨化器。
[0040] 表1示出了通過本發明的等離子體反應器進行的測試結果。
[0041] 表 1
[0042]

【權利要求】
1. 一種用於淨化空氣的等離子體反應器，包括： 至少兩個間隔開的等離子體電極，用於通過交流電壓在所述至少兩個間隔開的等離子 體電極之間的等離子體區域內產生等離子體； 至少一個絕緣電介質層； 至少一個光催化劑層；和 用於容許空氣通過所述等離子體的至少一個空氣入口和至少一個空氣出口； 其中，所述絕緣電介質層形成在間隔開的等離子體電極中的至少一個上； 其中所述光催化劑層沉積在所述絕緣電介質層上；和 其中所述光催化劑層面對所述等離子體。
2. 如權利要求1所述的等離子體反應器，其中所述光催化劑層與所述等離子體接觸。
3. 如權利要求1所述的等離子體反應器，還包括： 連接到至少兩個電極的用於提供所述交流電壓的交流電源，其中所述交流電源提供的 頻率範圍為0. 1至40千赫，提供的交流電壓範圍為4至30千伏。
4. 如權利要求1所述的等離子體反應器，其中間隔開的等離子體電極中的至少一個包 括金屬或導電的非金屬，並且呈杆、管、筒、箔、薄膜、板或網的形式。
5. 如權利要求1所述的等離子體反應器，其中所述至少兩個間隔開的等離子體電極彼 此平行地放置，並且間距為1毫米至100毫米。
6. 如權利要求1所述的等離子體反應器，其中所述絕緣電介質層包括陶瓷、石英或玻 3? 〇
7. 如權利要求1所述的等離子體反應器，其中所述光催化劑層包括二氧化鈦，其進一 步包括鈦、鋅、銅、猛、鑭、鑰、鶴、銀、硒、鋇、鋪、錫、鐵、鎂、金、鉬、鈷、鎳、鈕、其氧化物或其合 金中的一種或多種。
8. -種空氣淨化裝置，包括如權利要求1所述的等離子體反應器。
9. 如權利要求8所述的空氣淨化裝置，還包括： 殼體； 電通風機； 過濾器；和 定向空氣導流板。
10. -種空氣淨化系統，包括如權利要求1所述的多個等離子體反應器。
11. 如權利要求10所述的空氣淨化系統，其中多個等離子體反應器呈蜂窩形狀並堆疊 在一起。
12. -種用於淨化空氣的等離子體反應器，包括： 至少兩個間隔開的等離子體電極，用於通過交流電壓在所述至少兩個間隔開的等離子 體電極之間的等離子體區域內產生等離子體； 至少一個絕緣電介質層； 至少一個光催化劑層；和 用於容許空氣通過所述等離子體的至少一個空氣入口和至少一個空氣出口； 其中所述絕緣電介質層形成在間隔開的等離子體電極中的至少一個上； 其中所述光催化劑層位於所述至少兩個間隔開的等離子體電極之間的所述等離子體 區域內。
13. 如權利要求12所述的等離子體反應器，其中所述光催化劑層塗覆在透氣性的基 底、玻璃、陶瓷、塑料或織物上。
14. 如權利要求12所述的等離子體反應器，其中所述光催化劑層包括二氧化鈦，其進 一步包括鈦、鋅、銅、猛、鑭、鑰、鶴、銀、硒、鋇、鋪、錫、鐵、鎂、金、鉬、鈷、鎳、鈕、其氧化物或其 合金中的一種或多種。
15. 如權利要求12所述的等離子體反應器，還包括： 連接到至少兩個電極的用於提供所述交流電壓的交流電源，其中所述交流電源提供的 頻率範圍為0. 1至40千赫，提供的交流電壓範圍為4至30千伏。
16. -種空氣淨化裝置，包括如權利要求12所述的等離子體反應器。
17. 如權利要求16所述的空氣淨化裝置，還包括： 殼體； 電通風機； 過濾器；和 定向空氣導流板。
18. -種空氣淨化系統，包括多個如權利要求12所述的等離子體反應器。
19. 如權利要求18所述的空氣淨化系統，其中所述多個等離子體反應器呈蜂窩形狀並 堆疊在一起。
20. -種用於淨化空氣的等離子體反應器，包括： 至少兩個間隔開的等離子體電極，用於通過交流電壓在所述至少兩個間隔開的等離子 體電極之間的等離子體區域內產生等離子體； 至少一個絕緣電介質層； 至少一個光催化劑層；和 用於容許空氣通過所述等離子體的至少一個空氣入口和至少一個空氣出口； 其中所述絕緣電介質層形成在間隔開的等離子體電極中的至少一個上； 其中所述光催化劑層位於所述空氣入口或所述空氣出口；和 其中所述光催化劑層的至少一個表面暴露於所述等離子體區域並與所述等離子體接 觸。
【文檔編號】B01D46/00GK104415659SQ201410404300
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】李基凡, 李偉文, 何詠基 申請人:納米及先進材料研發院有限公司