一種基於介質阻擋放電和PI納米膜過濾的室內空氣淨化器的製作方法與工藝

2023-10-20 20:48:27

本發明涉及室內空氣淨化領域，尤其涉及一種基於介質阻擋放電和PI納米膜過濾的室內空氣淨化器。

背景技術：
一般情況下，人一天中70％～90％的時間是在室內度過的，室內空氣品質與居住者的工作效率與身心健康狀況均直接相關，而室內空氣汙染物中最主要的為可吸入顆粒(PM2.5)及揮發性有機化合物(VOCs)。人體的生理結構決定了對PM2.5沒有任何過濾、阻攔能力,特別的是，粒徑小於1μm的顆粒(PM1.0)，會直接進入肺泡，其對人體健康影響更大。室內的建築裝飾材料、家具、裝修製作過程中使用的粘合劑、漆料以及日常生活中使用的洗滌劑、化妝品等化學合成品帶來的揮發性有機化合物(VOCs)，如甲醛、甲苯、氯化物、丙酮、苯酚等將對人的呼吸道、神經系統、肝臟、腎臟和消化系統將造成嚴重傷害。因而開發一種能夠同時淨化室內空氣中PM1.0和VOCs的技術已成為當務之急。目前國內外對室內空氣的淨化方法主要有靜電除塵法、溼式除塵法、吸附淨化法、生物過濾法、非平衡態等離子體法和納米光催化氧化法。但單獨使用以上技術普遍存在處理效果不佳、經濟性較低等問題。其中，靜電除塵法需要振動擊打集塵級，定期清灰，而且靜電場對VOCs不起作用，基本無脫除效果；溼式除塵法必須建立一套水循環系統，對於小型生活用裝置而言，成本高，維護困難；低溫等離子體法具有裝置簡單、壓降低、啟停方便、設備緊湊和可在常溫常壓下工作等優勢，但在等離子體自由基反應過程中，同時產生O3等有害副產物。例如公開號為CN102777986A的中國專利文獻公開了一種室內空氣淨化裝置，涉及空氣淨化技術領域，所解決的是提高室內空氣淨化效果的技術問題。該裝置包括箱體，及從下至上依次安裝在箱體內的風機、光觸媒模塊、離子發生器；所述箱體的下部設有進風口，其頂部設有出風口；所述風機的排風口向上，吸氣口正對箱體下部的進風口；所述光觸媒模塊有多個，從上至下布設，每個光觸媒模塊均設有多塊塗附有光觸媒塗層的玻璃基板，每個光觸媒模塊中均設有紫外線發生器；所述箱體內設有一位於兩個光觸媒模塊之間的空氣加熱艙，空氣加熱艙內設有遠紅外加熱器、溫度感應器；所述箱體下部的進風口上遮蓋有一透氣活性炭濾板。該方案綜合運用了活性炭吸附除塵和紅外線殺菌等技術，對於同時除塵和殺菌起到了一定的效果，但是該方案中依靠活性炭吸附的方法對於微小顆粒物的去除效果不佳，而且依靠活性炭吸附的去除效率太低。另外現有工業上用於除塵的空氣淨化裝置，通常設置了多層過濾膜，以達到較高的除塵的效果。但是這些空氣淨化裝置體積龐大，由於進風口和出風口之間壓力差很大，需要大功率的風機，不但耗電大，噪音也大，不適合室內使用。

技術實現要素：
為了克服現有技術存在的問題，本發明提供了基於介質阻擋放電和PI納米膜過濾的室內空氣淨化器，節能環保、運行成本低、無二次汙染、可適用於不同室內工況。本發明解決問題的技術方案為：一種基於介質阻擋放電和PI納米膜過濾的室內空氣淨化器，包括具有風道的箱體，箱體兩端分別是和風道連通的進口和出口，該進口處安裝有風機，所述風道內安裝有介質阻擋放電裝置；所述箱體的出口安裝有帶淨化氣出口的PI納米膜過濾罩。所述介質阻擋放電裝置通過介質阻擋放電產生低溫等離子體，將室內揮發性有機氣體最終降解為CO2、H2O和其他產物。PI納米膜為納米級過濾膜，可以去除空氣中的PM1.0。經過雙重淨化處理可以同時實現對空氣中有機汙染物和固體汙染物的去除。本發明中所述的PI納米膜也叫聚醯亞胺納米膜。作為優選，所述PI納米膜過濾罩包括固定框以及以摺疊方式安裝在該固定框上的PI納米膜。作為優選，PI納米膜的納米纖維平均直徑為50～800nm；PI納米膜的孔徑為0.1～5μm，厚度為0.5～100μm。發明人發現這種規格的PI納米膜對PM1.0可達到99％以上的去除效率。本發明所採用的PI納米膜的孔徑較小，雖然可以攔截微小顆粒，但是會增加一定量的氣體阻力，對過濾效率以及風機的功耗都有影響，由於其過濾效率較高，增加能耗較少，所以總體上獲得的效益要高於普通過濾材料。通常介質阻擋放電在去除氣體中汙染物的同時，會產生少量的O3，O3可以起到殺菌作用，通常在工業應用領域中少量O3直接排入空氣中，但是對於室內空氣淨化時O3應當去除，否則會影響人體健康。作為優選，所述風道中設有位於介質阻擋放電裝置和PI納米膜過濾罩之間的多孔催化板，所述多孔催化板上負載有MnO2。所述催化板為蜂窩陶瓷板，蜂窩陶瓷板上負載MnO2催化劑。蜂窩陶瓷板孔隙率高，可以增大MnO2與空氣的接觸面積。作為優選，所述PI納米膜過濾罩為六面體，PI納米膜過濾罩的一側面為封閉面，與該封閉面相對的側面與風道連通，剩餘四個側面均設有淨化氣出口。所述封閉面正對箱體的出口，而淨化氣出口設置在四個側面，各個淨化氣出口均設有PI納米膜，一方面是改變氣體流向，另一方面增大了過濾面積，降低了淨化氣出口壓力，降低氣流速度，增加固體顆粒物沉降速度，提高過濾效率。為了對上述方案進行進一步優化，在不增大淨化器的前提下實現過濾面積的最大化，。將PI納米膜疊置後，將PI納米膜的過濾面積增大數倍，進一步增加過濾效率，較少能耗。作為進一步優選，所述固定框包括疊置PI納米膜以增大過濾面積的摺疊架以及與摺疊架配合固定PI納米膜的壓框。作為優選，所述摺疊架包括相對設置的兩個固定板，以及設置在固定板之間的多個疊膜杆；所述疊膜杆包括平行的兩組，各組疊膜杆間隔布置，兩組疊膜杆之間相互錯位；所述壓框具有排梳狀的壓齒，壓齒的尺寸與同一組相鄰疊膜杆的間距相匹配，壓齒的間距與疊膜杆尺寸匹配。所述纏繞PI納米膜的疊膜杆直徑為3～5mm，長度為180～220mm。相鄰疊膜杆之間的配合使PI納米膜有更大的過濾面積，增強捕集顆粒物的效果。作為優選，所述介質阻擋放電裝置包括設置在風道裡的電極板，所述箱體外壁固定有高壓電極接線柱和接地電極接線柱；所述電極板由電極框及交叉布置的多個電極條組成；所述電極條由電極絲和罩於電極絲之外的介質管構成，相鄰電極絲分別通過高壓電極接線柱和接地電極接線柱連接高壓電源和接地線。優選地，所述高壓電極採用直徑為5～15mm，長度為690～2000mm的長直電極棒，高壓電極由上下兩個電極板固定，達到並聯的效果；所述接地電極由寬度為1～10mm，厚度0.8～2.5mm的金屬帶在放電管上纏繞而成。所述高壓電極、接地電極及電極板的材質為不鏽鋼、銅或鋁中的一種。優選地，所述電極絲採用直徑1～5mm的柱狀金屬絲，高壓電極絲和接地電極絲交替布置，電極絲之間間距選用5～30mm。優選地，所述高壓電極與接地電極之間負載電壓為5kV～40kV,頻率為50～5000Hz。優選地，所述PI納米膜過濾罩中的固定框由有機玻璃製成。有機玻璃的厚度為10～20mm。作為優選，所述箱體外壁設置有伸入風道的兩個氣管接頭，所述兩個氣管接頭分別位於電極板的上遊和下遊。本發明的有益效果在於：聯合介質阻擋放電和物理過濾及化學催化三種技術，利用低溫等離子體和化學催化的協同作用，提高定向氧化的能力，將室內揮發性有機氣體最終降解為CO2、H2O和其他產物，進一步增強其處理效果，同時降低能耗，減少二次汙染，利用物理過濾的篩濾等作用，將室內細小顆粒物脫除。其中，催化劑能改變放電類型並提高加速電子的分布、產生新的反應物質；同時催化劑在等離子體氛圍中活性組分增強，表面吸附過程改善、熱激發增強等。本發明的另一個優點在於，將電極設計成隔板式，用局部放電代替全程放電，充分利用局部放電產生的等離子體的活性，為活性粒子的反應提供了足夠的空間，避免了反應過程的重複放電造成的電能損失，相比全程放電降低了能耗，也減少了二次汙染；設計成窄間隙雙介質阻擋放電，電極間距減小，電離所需的電壓會相應降低，相比間距較大的電極布置形式，對主反應裝置的耐壓降低了要求，能耗也降低；同時氣體經過電極絲密布的放電區域時，氣體分布更均勻，大大提高了活性粒子的產生機率。此外，本發明將過濾膜設計成摺疊式，通過疊膜杆對PI納米膜進行來回纏繞，實現過濾面積的最大化。採用的PI納米膜對極細顆粒物有高效篩濾、慣性碰撞與攔截等作用，經測試這種新型納米材料聚醯亞胺過濾膜對PM1.0可達到99％以上的去除效率。附圖說明圖1為本發明的一種基於介質阻擋放電和PI納米膜過濾的室內空氣淨化器結構示意圖。圖2為圖1拆解後的示意圖。圖3為單塊電極板的結構示意圖。圖4為圖3的A-A剖面圖。圖5為圖3的B-B剖面圖。圖6為電極條排列示意圖。圖7為固定框和PI納米膜的示意圖。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。PI納米膜的製備方法：取等摩爾量的均苯四甲酸二酐(PMDA)和對苯二胺(PPD)分別溶解於N，N二甲基甲醯胺(DMF)溶劑中，在氮氣保護下強力攪拌，同時將PMDA溶液緩慢滴加到PPD溶液中，在15℃下反應1h，然後將反應體系升溫至25℃反應3h，得到聚醯胺酸(PAA)溶液；將所得聚醯胺酸(PAA)溶液移至10ml針筒中，針頭採用16G～24G點膠針頭，之後將針筒加裝在注射泵上，針頭連接直流高壓電源，接收筒加裝鋁箔並接地，在常溫、常溼度條件下進行靜電紡絲；注射泵注射速度為1～2ml/h，電壓為10～15kV，接收距離為10～20cm，接收筒轉速為50r/min；之後將鋁箔上的薄膜置於室溫下乾燥24h，然後以5℃/min的升溫速率在馬弗爐中加熱至300～250℃並保持4h，使聚醯胺酸亞胺化形成聚醯亞胺(PI)納米膜。本發明的基於介質阻擋放電和PI納米膜過濾的室內空氣淨化器淨化空氣的過程如下：(1)室內待處理空氣經風機引風，進入箱體的風道；(2)待處理空氣首先經過介質阻擋放電裝置，高壓電極接線柱和接地電極接線柱之間高壓放電產生高能電子，這些高能電子與氣體分子(如N2、O2和H2O等)、原子發生非彈性碰撞後會產生活性粒子(如N2*，O·和·OH等)，活性粒子非常不穩定，活性粒子可以將空氣中的揮發性有機汙染物氧化。(3)然後待處理空氣經過位於箱體出口的蜂窩陶瓷板，蜂窩陶瓷板上負載的MnO2能夠脫除等離子體放電產生的O3，防止O3對室內空氣造成二次汙染。(4)經步驟(2)和(3)處理後的氣體進入PI納米膜過濾罩，PI納米膜對來流氣體起篩濾、慣性碰撞、攔截等作用，來流氣體中的細顆粒物被阻截，得到淨化空氣從四個側面的出口回歸室內空間。綜上內容，本發明所提供的介質阻擋放電和PI納米膜過濾的室內空氣淨化器，聯合介質阻擋放電和物理過濾及化學催化三種技術，相比單一處理技術，整體反應更高效，整體裝置運行成本降低，節省能源，二次汙染少，結構緊湊，佔地面積小。且由於採用隔板式電極形式，相比全程放電降低了能耗，也減少了二次汙染。另外布置在四個側面的摺疊式PI納米膜，能夠高效脫除空氣中的極細顆粒物(粒徑1μm以下)。裝置整體脫除效率高，經濟性好，二次汙染少，其中當降解VOCs效率達85％時，其單位能耗約為同水平現有技術的十分之一，產物為CO2、H2O等安全產物。實施例1如圖1所示，一種基於介質阻擋放電和PI納米膜過濾的室內空氣淨化器，包括一個箱體1，箱體1內為供氣體通過的風道，箱體1的兩端分別是跟風道連通的進口2和出口3。進口2處通過法蘭安裝有將室內空氣引入風道的風機4，箱體1內安裝有介質阻擋放電裝置5，出口3通過法蘭安裝有PI納米膜過濾罩6，箱體1的風道內靠近出口3處安裝有蜂窩陶瓷板，蜂窩陶瓷板上負載有MnO2。箱體1上設有測量口7，其作用是方便測量風速、壓力等參數。介質阻擋放電裝置5前後各設有一個有機玻璃氣管接頭8，在裝置工作過程中接上導氣管可以直接測量介質阻擋放電裝置5前後壓降。箱體1外壁固定有高壓電極接線柱9和接地電極接線柱10。參見圖2～圖5，介質阻擋放電裝置5包括多個平行設置在風道裡的電極板11，電極板11由電極框12及交叉布置的多個電極條13組成。電極條13由電極絲14和罩於電極絲之外的介質管15構成，電極框12和介質管15的材料均為石英玻璃。電極條13分為兩層，不同層的電極條相互垂直，同一層的電極條相互平形，同一層相鄰的電極絲分別通過高壓電極接線柱9和接地電極接線柱10連接高壓電源和接地線。電極框12上設有插接電極條的插口16，連接高壓電源的電極絲為高壓電極絲，接地的電極絲為接地電極絲，導線17將各個高壓電極絲串接起來連接到高壓電源，導線18將各個接地電極絲串接起來連接到接地線。高壓電極絲和接地電極絲從各自介質管的一端引出，而且方向相反。例如高壓電極絲從左側引出，則接地電極絲從右側引出，這樣設置的好處在於從同一側引出的是同一類電極絲，用一根導線將該同一類的電極絲連接起來通過高壓接線柱或者接地接線柱連接到箱體外。參考圖1、圖2和圖7，PI納米膜過濾罩6整體外形為六面體結構，PI納米膜過濾罩6的一側面為封閉面19，與該封閉面19相對的側面有開口且與風道連通，剩餘四個側面均設有淨化氣出口20，各個淨化氣出口20處設有PI納米膜21以及將PI納米膜21繞置呈摺疊狀的固定框22。固定框22包括疊置PI納米膜21的摺疊架，以及與摺疊架配合的壓框23。摺疊架包括相對設置的兩個固定板24，兩個固定板24之間設有多個疊膜杆25。疊膜杆25包括平行布置的兩組，分別為第一組疊膜杆25a和第二組疊膜杆25b。第一組疊膜杆25a之間以及第二組疊膜杆25b之間均有一定間隔。第一組疊膜杆25a和第二組疊膜杆25b相互錯位。壓框23具有排梳狀的壓齒26，壓齒26的寬度與同一組相鄰疊膜杆25的間距相匹配，壓齒26的間距與疊膜杆25的直徑匹配。實施例2對於實際應用系統，本發明的基於介質阻擋放電和PI納米膜過濾的室內空氣淨化器可以聯合多個輔助系統實現智能提醒和遠程控制，具體包括空氣品質檢測系統、遠程控制系統、提醒系統。空氣品質檢測系統，其主要功能是用來檢測室內空氣顆粒物的濃度，從而告知用戶有無必要啟動空氣淨化器；遠程控制系統，其主要功能在於用戶可以通過手機控制室內空氣淨化器的啟動，從而讓用戶一回到家中就可以享受到清新的空氣；提醒系統，其主要功能在於提醒用戶清洗過濾膜。應用例1為了說明本發明的基於介質阻擋放電和PI納米膜過濾的室內空氣淨化器對於室內揮發性有機汙染氣體的處理效果，使用本發明裝置對含有甲苯10ppm的廢氣進行了處理。其中電極絲直徑為1mm，相鄰電極絲的間距為4mm，廢氣流量為10L/min，選用頻率為50Hz的電壓來處理，催化劑採用MnO2。當電壓大小為10kV時，處理效率是85.4％；當電壓大小為12kV時，處理效率為89.1％；當電壓為14kV時，處理效率為93.7％；當電壓為16kV時，處理效率為95.5％，此時處理後的甲苯濃度為0.58ppm。應用例2為了說明本發明的裝置對於室內細顆粒物能達到良好的處理效果，使用本發明裝置進行如下實驗：實驗共分為5個小組，每組實驗重複4次，實驗結果處理取平均值。其中3組實驗為：在密閉室內環境中點燃一支紅塔山牌香菸，(根據我國關於空氣淨化器的國家標準GB/T18801-2002中對空氣淨化器效果檢測標準)且其他環境變量一定的情況下，更換濾膜的種類測得。另兩組為沒有安裝PI納米膜在有煙和無煙條件下的空白對照。當室內點過一支香菸後，室內顆粒物濃度(特別是10級以下粒徑)極度飆升，當打開本發明的基於介質阻擋放電和PI納米膜過濾的室內空氣淨化器後，顆粒物數量與質量分數大幅度下降，特別是對1級顆粒物(粒徑0.0090664～0.017202μm)去除效果高達100％。根據各組數據計算分析可得，基於介質阻擋放電和PI納米膜過濾的室內空氣淨化器對PM1.0的去除率高達99.8％，對PM2.5的去除率高達99.9％。已達到HEPA(HighefficiencyparticulateairFilter)高效空氣淨化器的標準(對於0.1μm和0.3μm的有效率達到99.7％)。在工業實際應用過程中，本發明的裝置可以單獨使用，也可以聯合多個輔助系統實現自動化控制，例如除塵系統、主反應系統、檢測系統、自動控制系統、報警系統和旁路系統等。如上所述，結合附圖和實施例所給出的方案內容，可以衍生出類似的技術方案。但凡是為脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍。