空间环境下有机废气净化的装置及方法

本发明属于空间环境下有机废气净化技术领域，具体涉及一种空间环境下有机废气净化的装置及方法。

背景技术：

空间环境下增材制造技术因为具有材料利用率高、可以成型复杂零件，并可以明显降低空间设备备件等待时间等优点，因此，近年来在太空制造领域得到长足的发展。

增材制造技术是将三维模型通过一定的规则转换为二维实体，通过若干二维实体累加制造三维零件。目前，增材制造技术包括光固化成型(dlp)、激光选区融化(slm)、熔融沉积成型(fdm)等多种工艺，其中，fdm工艺通过电加热金属打印头，随后将工程塑料丝材通过步进电机压入金属打印头中，丝材吸收打印头热量后融化至熔融态，在内部压力的作用下由金属打印头的喷嘴中流出，流出的熔融态塑料在增材制造设备的带动下按照一定路径沉积在打印底板上，在打印底板上，熔融态的丝材通过自然散热或对流散热的方式散去自身热量后重新凝聚成固态，在一层的路径运动完成之后打印底板下降一层(或者打印头抬高一层)，在第一层的基础上继续进行第二层的打印，fdm增材制造设备既是通过反复进行上述动作生产零件。

上述增材制造打印方式，由于需要将工程塑料融化，在此过程中工程塑料中的高分子物质化学键被破坏，产生成分复杂的有机废气，航天员在空间站密闭环境下长期吸入这些有机废气，对航天员的健康产生严重危害。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种空间环境下有机废气净化的装置及方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种空间环境下有机废气净化的装置，包括：气体单向驱动装置(1)、管路(2)和吸附剂盒体(3)；

所述气体单向驱动装置(1)通过所述管路(2)，与所述吸附剂盒体(3)的进气口密封连通；

所述吸附剂盒体(3)包括吸附剂盒本体(3.1)以及与所述吸附剂盒本体(3.1)固定连接的吸附剂盒盖(3.2)；

其中，所述吸附剂盒本体(3.1)具有u型腔体；所述u型腔体具有连通的矩形腔(3.3)和半圆形腔(3.4)；所述矩形腔(3.3)通过分隔板(3.5)分隔为上矩形腔(3.3.1)和下矩形腔(3.3.2)；所述上矩形腔(3.3.1)的左侧为进气口(3.7)；所述上矩形腔(3.3.1)的气体流动方向为从左向右方向；所述上矩形腔(3.3.1)在靠近所述进气口(3.7)位置，通过高压电极支架(4)安装高压电极(5)；在所述高压电极(5)的右侧，串联安装多个光催化模块，具体结构为：在所述高压电极(5)的右侧，等间隔设置多个光源支架(6)，每个所述光源支架(6)的中心安装光源模块(7)；在相邻两个光源支架(6)之间，安装催化剂插片(8)；因此，每个催化剂插片(8)及其两侧的光源模块(7)形成一组光催化模块；

所述下矩形腔(3.3.2)的左侧为排气口(3.6)；所述下矩形腔(3.3.2)的气体流动方向为从右向左方向；所述下矩形腔(3.3.2)串联多个所述光催化模块；

在所述半圆形腔(3.4)安装分子筛盒体(9)；所述分子筛盒体(9)具有封闭的分子筛外壳体(9.1)以及与所述分子筛外壳体(9.1)固定的分子筛筛板(9.2)；所述分子筛外壳体(9.1)和所述分子筛筛板(9.2)围成的腔体内设置分子筛；所述分子筛筛板(9.2)的一端与所述上矩形腔(3.3.1)最右侧的光催化模块连通；所述分子筛筛板(9.2)的另一端与所述下矩形腔(3.3.2)最右侧的光催化模块连通。

优选的，所述气体单向驱动装置(1)为循环泵。

优选的，所述吸附剂盒体(3)的表面安装航空插头(10)；

所述高压电极(5)和所述光源模块(7)通过线缆连接到所述航空插头(10)。

优选的，所述吸附剂盒本体(3.1)设计有密封槽，所述密封槽安装密封胶条，进而实现所述吸附剂盒本体(3.1)和所述吸附剂盒盖(3.2)在相交位置的密封连接。

优选的，所述吸附剂盒本体(3.1)在对应位置设计有第一卡槽，所述催化剂插片(8)插入所述第一卡槽，并通过所述吸附剂盒盖(3.2)压紧固定所述催化剂插片(8)。

优选的，所述催化剂插片(8)为硬质筛网样式；

所述催化剂插片(8)和所述光源支架(6)，均与所述吸附剂盒本体(3.1)间隙配合，并且，所述催化剂插片(8)和所述光源模块(7)任意可任意互换。

优选的，所述吸附剂盒本体(3.1)在对应位置设计有第二卡槽，所述光源支架(6)插入所述第二卡槽，并通过所述吸附剂盒盖(3.2)压紧固定所述光源支架(6)。

优选的，所述光源支架(6)的中心安装光源模块(7)，所述光源支架(6)的其他位置为通气通道。

优选的，所述进气口(3.7)为锥形结构，按气体流动方向，其截面积逐渐变大。

本发明还提供一种空间环境下有机废气净化的装置的方法，包括以下步骤：

步骤s1，将空间环境下有机废气净化的装置安装于产生有机废气的密闭容器内部；

步骤s2，通过供电线缆连接到航空插头，进而向高压电极(5)和光源模块(7)供电；

步骤s3，打开气体单向驱动装置(1)，驱动密闭容器内的有机废气以一定速率通过进气口(3.7)进入吸附剂盒体(3)内；

其中，进气口(3.7)采用锥形结构，降低进入吸附剂盒体(3)内的有机废气的气体流速，从而延长有机废气在吸附剂盒体(3)内的停留时间；

步骤s4，进入吸附剂盒体(3)内的有机废气，首先经过高压电极(5)，高压电极(5)产生不低于三万伏特的高压，在高压电极(5)的作用下，将有机废气中的大分子量成分，分解成低分子量的成分，得到分解后的有机废气；

步骤s5，然后，分解后的有机废气经过串联的多个光催化模块，光催化模块催化分解后的有机废气发生化学反应，生成无毒害的水和二氧化碳，得到一级净化后的气体；

步骤s6，一级净化后的气体通过分子筛筛板(9.2)的一端，进入到分子筛盒体(9)的内腔，分子筛盒体(9)内部的分子筛对一级净化后的气体进行物理吸附，吸附部分有害气体，得到二级净化后的气体；

步骤s7，二级净化后的气体从分子筛筛板(9.2)的另一端流出，并通过下矩形腔(3.3.2)内串联的多个光催化模块，对二级净化后的气体进行分解，得到三级净化后的气体；

步骤s8，三级净化后的气体从吸附剂盒本体(3.1)的排气口(3.6)排入到密闭容器；

如此实现吸附剂盒本体(3.1)对有机废气的循环处理，直到达到要求为止。

本发明提供的空间环境下有机废气净化的装置及方法具有以下优点：

本发明目的在于提供一种密闭环境有机废气光催化净化的装置，采用光催化降解和物理吸附相结合的方式，用于降解和吸附fdm增材制造过程中产生的有机废气，保证fdm增材制造过程的环境满足要求。另外，本装置还具有使用灵活方便、占用体积小、备件更换快捷方便以及气体净化效率高等优点。

附图说明

图1为本发明提供的空间环境下有机废气净化的装置的整体结构示意图；

图2是本发明提供的吸附剂盒体3的内部结构示意图；

图3是本发明提供的分子筛盒体的示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明目的在于提供一种密闭环境有机废气光催化净化的装置，采用光催化降解和物理吸附相结合的方式，用于降解和吸附fdm增材制造过程中产生的有机废气，保证fdm增材制造过程的环境满足要求。另外，本装置还具有使用灵活方便、占用体积小、备件更换快捷方便以及气体净化效率高等优点。

本发明提供一种空间环境下有机废气净化的装置，参考图1，包括：气体单向驱动装置1、管路2和吸附剂盒体3。

(一)连接管路

气体单向驱动装置1通过管路2，与吸附剂盒体3的进气口密封连通；其中，气体单向驱动装置1可以采用循环泵。管路2包括各种本身不释放废气且具有密封性的软管、硬管。另外，管路2带有法兰接头，使用螺钉连接循环泵与吸附剂盒体3上的法兰，法兰之间采用橡胶密封圈密封。

因此，循环泵通过密封管路与吸附剂盒体3连接在一起，管路的接头通过法兰连接与循环泵和吸附剂盒体3连接。从而保证循环泵、管路与吸附剂盒体之间通气时的密封性，提高循环泵向吸附剂盒体输气的效率。

(二)吸附剂盒体3

下面对吸附剂盒体3的设计特点详细介绍：

(1)吸附剂盒体3的密封设计

吸附剂盒体3包括吸附剂盒本体3.1以及与吸附剂盒本体3.1固定连接的吸附剂盒盖3.2；在具体实现上，吸附剂盒本体3.1以及吸附剂盒盖3.2通过螺钉连接，吸附剂盒本体3.1设计有密封槽，密封槽安装密封胶条，进而实现吸附剂盒本体3.1和吸附剂盒盖3.2在相交位置的密封连接。

(2)吸附剂盒体3的高压电极和光催化模块

参考图2，吸附剂盒本体3.1具有u型腔体；u型腔体具有连通的矩形腔3.3和半圆形腔3.4；矩形腔3.3通过分隔板3.5分隔为上矩形腔3.3.1和下矩形腔3.3.2；上矩形腔3.3.1的左侧为进气口3.7；上矩形腔3.3.1的气体流动方向为从左向右方向；上矩形腔3.3.1在靠近进气口3.7位置，通过高压电极支架4安装高压电极5；其中，高压电极支架4由聚四氟乙烯或工程塑料等具有一定强度且自身具有绝缘性的材料制成。

在高压电极5的右侧，串联安装多个光催化模块，具体结构为：在高压电极5的右侧，等间隔设置多个光源支架6，每个光源支架6的中心安装光源模块7；光源支架6的其他位置为通气通道。

在相邻两个光源支架6之间，安装催化剂插片8；因此，每个催化剂插片8及其两侧的光源模块7形成一组光催化模块；

下矩形腔3.3.2的左侧为排气口3.6；下矩形腔3.3.2的气体流动方向为从右向左方向；下矩形腔3.3.2串联多个光催化模块。

(3)分子筛盒体

在半圆形腔3.4安装分子筛盒体9；参考图3，分子筛盒体9具有封闭的分子筛外壳体9.1以及与分子筛外壳体9.1固定的分子筛筛板9.2；分子筛外壳体9.1和分子筛筛板9.2围成的腔体内设置分子筛；分子筛筛板9.2设计有致密的通气孔，分子筛筛板9.2的一端与上矩形腔3.3.1最右侧的光催化模块连通；分子筛筛板9.2的另一端与下矩形腔3.3.2最右侧的光催化模块连通。

分子筛盒体内安装的分子筛，可以用于对有机废气进行物理吸附的分子筛，也可以为干燥功能的分子筛，从而用于吸附光催化模块对有机废气处理时产生的水，保证光催化模块的使用功效。具体根据实际使用环境灵活调节。

因此，本申请提供的吸附剂盒体，其气体流动通道为：首先经过高压电极5；然后，通过上矩形腔3.3.1多个串联的光催化模块；再经过分子筛盒体9内的分子筛；再经过下矩形腔3.3.2多个串联的光催化模块。采用多级气体净化单元，并且，气体在吸附剂盒体内流动通道为u型，在尽量小的体积内，有效延长气体通过路径长度，从而提高气体净化效率。

(4)航空插头10

吸附剂盒体3的表面安装航空插头10；

高压电极5和光源模块7通过线缆连接到航空插头10。因此，高压电极5、光源模块7的供能线缆由航空插头10从吸附剂盒中接出。具有使用方便的优点。

(5)插接结构

本申请中，吸附剂盒本体3.1在对应位置设计有第一卡槽，催化剂插片8插入第一卡槽，并通过吸附剂盒盖3.2压紧固定催化剂插片8。催化剂插片8为硬质筛网样式。其中，催化剂插片8和光源支架6，均与吸附剂盒本体3.1间隙配合，例如，采用g7/h6配合公差，可以快速拆装，适用于空间任务中维修作业的特点。

另外，催化剂插片8和光源模块7任意可任意互换，以适配不同的净化任务。

吸附剂盒本体3.1在对应位置设计有第二卡槽，光源支架6插入第二卡槽，并通过吸附剂盒盖3.2压紧固定光源支架6。

本申请中，光源支架6、催化剂插片8和分子筛盒体9均通过吸附剂盒上的卡槽插拔。催化剂插片8，可以根据净化任务的不同而自由更换。

(6)进气口3.7的结构设计

进气口3.7为锥形结构，按气体流动方向，其截面积逐渐变大。采用锥形结构的进气口，可以在有机废气进入吸附剂盒后降低气体流速，使得有机废气在催化剂插片表面停留的时间尽可能延长。

另外，本申请中，吸附剂盒内部通道设计为小入口接大通道形式，即：进气口3.7的截面积较小，而吸附剂盒内部的气体流通通道较大。因此，有机废气进入吸附剂盒后可以降低气体流速，使得有机废气在催化剂插片表面停留的时间尽可能延长，有机废气在光能和催化剂插片表面的催化剂共同作用下进行分解。

此外，催化剂插片表面的催化剂在有机废气的降解反应中仅起到催化作用，理论上不会消耗，所以催化剂插片的使用寿命可以很长，但由于废气中可以含有大颗粒不可降解物质，因此，可能会附着在催化剂表面，阻碍有机废气的分解过程，故在上述结构中设计了催化剂插片的更换功能。

本发明还提供一种空间环境下有机废气净化的装置的方法，包括以下步骤：

步骤s1，将空间环境下有机废气净化的装置安装于产生有机废气的密闭容器内部；

步骤s2，通过供电线缆连接到航空插头，进而向高压电极5和光源模块7供电；

步骤s3，打开气体单向驱动装置1，驱动密闭容器内的有机废气以一定速率通过进气口3.7进入吸附剂盒体3内；

其中，进气口3.7采用锥形结构，降低进入吸附剂盒体3内的有机废气的气体流速，从而延长有机废气在吸附剂盒体3内的停留时间；

步骤s4，进入吸附剂盒体3内的有机废气，首先经过高压电极5，高压电极5产生不低于三万伏特的高压，在高压电极5的作用下，将有机废气中的大分子量成分，分解成低分子量的成分，得到分解后的有机废气；

步骤s5，然后，分解后的有机废气经过串联的多个光催化模块，光催化模块催化分解后的有机废气发生化学反应，生成无毒害的水和二氧化碳，得到一级净化后的气体；

步骤s6，一级净化后的气体通过分子筛筛板9.2的一端，进入到分子筛盒体9的内腔，分子筛盒体9内部的分子筛对一级净化后的气体进行物理吸附，吸附部分有害气体，得到二级净化后的气体；

步骤s7，二级净化后的气体从分子筛筛板9.2的另一端流出，并通过下矩形腔3.3.2内串联的多个光催化模块，对二级净化后的气体进行分解，得到三级净化后的气体；

步骤s8，三级净化后的气体从吸附剂盒本体3.1的排气口3.6排入到密闭容器；

如此实现吸附剂盒本体3.1对有机废气的循环处理，直到达到要求为止。

其中，催化剂插片到达使用寿命后，打开吸附剂盒盖更换新的催化剂插片。

本发明共采用三个主要功能模块，分别为：高压电极、光催化模块和分子筛吸附剂。

(1)高压电极

高压电极由控制模块和高性能压电陶瓷放电头组成。控制模块输入端加载交变的电压vin时，通过逆压电效应，使压电变压器产生横向振动把输入的电能转变为机械能，在输出端通过正压电效应把机械能变换为电能输出。当输入端的交变电压频率同压电变压器的自身谐振频率相匹配时，则在压电变压器的输出端输出较高电压对挥发性气体放电破坏气体分子的结构。

(2)光催化模块

模块中使用的光源由12颗单波长紫外led灯珠提供，总功率为10±1w，波长为370±5nm。光催化剂采用了金属有机骨架化合物复合型光催化剂。通过光生载流子产生的多种活性氧物种(ross)对挥发性气体分子进行分解与矿化，达到净化目的。同时，因为金属有机骨架化合物特有的孔道结构的存在，能够对多种可挥发性气体分子进行有效吸附，最终达到吸附-降解平衡，进一步提高净化效率。

(3)分子筛吸附剂

使用经过改性的t型分子筛,通过对分子筛表面进行改性能够使其与光催化剂的结合更加牢固，进一步提高了其比表面积，能够提升其对挥发性气体污染物分子的吸附能力。

验证例：

选取几种代表性的挥发性有机物进行研究(乙醇、丙酮、辛烷、异戊二烯、苯)，分别对应实验柜中出现的不同污染气体种类(醇、酮、烷烃、烯烃、苯系物)进行净化方案的研究。为了能够直观的了解本发明净化装置的去除效率。采用流动相的测试方法，能够对净化方案的处理能力更加准确的评估。对气体浓度进行提升以满足配气条件，具体换算公式与数值见公式1、2及表1。

※其中mg/d为提供的释放量数据，flowrate表示本项目实验中使用的气体流速为1l/min

※其中，m表示气体分子量，ppm表示测定的体积浓度值，t表示温度，ba表示压力。

表1：目标气体相关数据

实验中采用了配气罐、空气发生器、混气设备、16l反应腔及气相色谱搭建流动相测试平台，通过混气设备中的流量及流速控制达到上述实验用气体浓度及流速的要求。针对上述各目标气体分别进行了约700分钟的净化实验，并与空腔状态下的气体浓度进行参照对比。

通过实验结果显示，多模块联合对目标气体均有明显的净化效果，其效率统计可见下表：

表2：目标气体净化效率

由此可见，本发明提供的空间环境下有机废气净化的装置，具有以下优点：

(1)使用吸附+高压电极+光催化的净化方案组合，能够有效的去除目标挥发性有机物，单次循环的净化效率均可稳定在90％以上，能够满足应用需求。

(2)通过吸附+高压电极+光催化的净化方案组合，能够使所有目标气体的净化效率提高，不同净化模块的功效根据目标气体种类的不同有一定区别，通过上述数据，能够对下一步的设备制造及净化策略的制定提供数据支撑。

(3)本发明装置能够在更高的浓度区间单次循环下高效去除目标气体，满足实验柜vocs净化应用需求。

本发明提供的空间环境下有机废气净化的装置及方法，通过循环泵驱动密闭空间中的有机废气以一定速率进入吸附剂盒，吸附剂盒与吸附剂盖之间装有橡胶密封条，从而防止了废气的外泄。吸附剂盒中安装有高压电极，高压电极安装于吸附剂盒的进口处，其作用是产生不低于三万伏特的高压，在高压电极的作用下一些大分子量的有机废气进一步发生分解成一些低分子量的有机气体。吸附剂盒中设计有若干插槽，可以根据需要安装不同的催化剂模块，各个模块的正反两面均安装有光源，当有机废气通过催化剂模块时，催化剂模块在光能的作用下可以催化有机废气发生化学反应生成无毒害的水和二氧化碳，搭配不同的催化剂模块，配合吸附剂盒中的分子筛，可以净化多种种类的有机废气，从而提高有机废气的净化效率，保证fdm增材制造过程的环境满足要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。