本发明属于空气净化领域，具体涉及一种级联式环筒放电与催化联合空气净化系统。
背景技术：
空气污染问题日益尖锐，如何解决空气污染问题备受关注。近年来，PM2.5(环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物)被列为一级致癌物，中国每年工业烟(粉)尘排放超1278.1万吨(燃煤烟(粉)尘排放达100亿吨)，中国目前约有10亿人生活在总悬浮颗粒物超标的环境中。减少空气污染不仅可以挽救数百万生命，还可以减少巨大的经济损失，解决空气污染问题已经刻不容缓。
目前，空气净化技术主要有过滤技术、臭氧技术、紫外线技术、负离子技术、光媒触技术等。大量研究表明紫外线技术无法去除有机污染物、异味和细小颗粒物等；而过滤技术无法去除细小颗粒物，效率低，且需定期更换滤网，成本过大；静电除尘技术能耗高，且产生固体废物难于清理；臭氧技术产生的臭氧浓度过高，对人体健康构成威胁。总之，这些技术在去除污染物种类、成本、效率以及无二次污染等方面各有不足。
专利CN105170327A公开了一种电晕放电空气净化装置，使用高压电源驱动，在针板电极之间的区域内放电，并使用光催化处理副产物。但是，并没有在处理有毒气体的基础上，对其进行吸附。专利CN105920985A公开了一种介质阻挡放电等离子体处理废气的装置，使用高压电源驱动，放电电极为线-筒式。但是，其结构的限制，净化效率不高，且没有吸附、处理有毒气体中的有毒成分的作用。
技术实现要素：
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种利用介质阻挡放电反应器处理有毒害气体，同时利用化学催化剂催化吸附副产物，处理效率高、能耗低、处理范围广、无二次污染、成本低的级联式环筒放电与催化联合空气净化系统。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种级联式环筒放电与催化联合空气净化系统，包括净化器本体和风机，所述净化器本体上设有进气口和出气口，所述风机安装于净化器本体内，所述净化器本体包括多级放电与催化联用单元、第一气体检测单元、第二气体检测单元、PDM电源和数据采集与控制单元，所述第一气体检测单元的气体输入端与进气口相连，所述多级放电与催化联用单元的气体输入端与第一气体检测单元的气体输出端相连，所述多级放电与催化联用单元的气体输出端与第二气体检测单元的气体输入端相连，所述第二气体检测单元的气体输出端与出气口相连，所述PDM电源的输出端与多级放电与催化联用单元的输入端相连，第一气体检测单元的输出端、第二气体检测单元的输出端和数据采集与控制单元的输入端相连，所述数据采集与控制单元的输出端与进气口相连，所述PDM电源与数据采集与控制单元双向连接；所述多级放电与催化联用单元包括介质管、导电金属杆、若干对高压电极和低压电极以及若干个催化结构，所述高压电极置于介质管内，低压电极置于介质管外表面上，每对所述高压电极和低压电极沿介质管径向对齐，所有所述高压电极等间距轴向排布，且由导电金属杆穿过中心固定，所述导电金属杆固定于介质管的中心轴位置上，相邻两个所述高压电极之间安装有催化结构。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述净化器本体还包括供电电压采集单元和放电电流采集单元，所述供电电压采集单元的两端分别连接多级放电与催化联用单元的输入端和数据采集与控制单元的输入端，所述放电电流采集单元的两端分别连接多级放电与催化联用单元的输出端和数据采集与控制单元的输入端。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述高压电极包括电极骨架和金属环，所述电极骨架的侧表面上均贴合安装有金属环，所述导电金属杆通过介质管两端设置的通气骨架固定于介质管内，所述通风骨架上设有若干个通风孔，所述电极骨架上还固定设置若干个导电金属桥，所述导电金属桥一端连接导电金属杆，另一端连接金属环，所述低压电极为金属箔环，相邻两个所述金属箔环中间还设置有浮动电极环，所述浮动电极环与金属箔环平行设置。
作为本发明进一步改进的技术方案，单个所述催化结构包括两块筛板和催化剂，所述催化剂均匀分散于两块筛板之间，所述筛板上正中心设有供导电金属杆穿过的金属杆通孔，表面设有若干个通气筛孔。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述第一气体检测单元内设置第一甲醛传感器，所述第二气体检测单元内设置第二甲醛传感器。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述数据采集与控制单元包括MCU、开关按键、显示单元和MCU电源，所述MCU的面板上设置开关按键，所述显示单元、MCU电源均与MCU连接，所述MCU设有第一气体检测单元AD端、第二气体检测单元AD端、供电电压采集单元AD端、放电电流采集单元AD端、PDM电源控制单元AD端、风机控制单元AD端，所述第一气体检测单元AD端与第一气体检测单元的输出端相连，所述第二气体检测单元AD端与第二气体检测单元的输出端相连，所述供电电压采集单元AD端与供电电压采集单元的输出端相连，所述放电电流采集单元AD端与放电电流采集单元的输出端相连，所述PDM电源控制单元AD端与PDM电源相连，所述风机控制单元AD端与风机相连。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述介质管的材料采用聚四氟乙烯、高密度聚丙烯、陶瓷或者石英。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述催化剂呈颗粒状。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述数据采集与控制单元包括MCU、开关按键、显示单元和MCU电源，所述MCU的面板上设置开关按键，所述显示单元、MCU电源均与MCU连接，所述MCU设有第一甲醛传感器AD端、第二甲醛传感器AD端、供电电压采集单元AD端、放电电流采集单元AD端、PDM电源控制单元AD端、风机控制单元AD端，所述第一甲醛传感器AD端与第一甲醛传感器的输出端相连，所述第二甲醛传感器AD端与第二甲醛传感器的输出端相连，所述供电电压采集单元AD端与供电电压采集单元的输出端相连，所述放电电流采集单元AD端与放电电流采集单元的输出端相连，所述PDM电源控制单元AD端与PDM电源相连，所述风机控制单元AD端与风机相连。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述催化剂为Pd或Pt附着于Mn，Co，Ni和Ag的氧化物而成的组合物。
催化结构主要是将催化剂制成颗粒状，均匀分布于容器内，为保证副产物催化吸附充分。本发明利用贵金属附着于过渡金属氧化物催化剂分解和吸附NOX和O3，臭氧降解催化剂可以使用贵金属如Pd或Pt，或者过渡金属如Mn，Co，Ni和Ag的氧化物。分解O3的主要原理是将O3转化为O2。当臭氧气体流经MnO2时，臭氧分子通过将O原子插入氧空位而结合到MnO2表面。氧空位是2-电子，并将2-电子转移到臭氧的O原子上，从而在氧空位中形成氧物种(O2-)，并在空气中解吸氧基分子。然后，另一个臭氧分子与O2反应生成气相氧分子和桥联O2二聚体(过氧化物O22-)，这通过原位拉曼光谱观察到。最后，过氧化物(O22-)分解释放一个氧分子，因此氧空位被回收，它可以参与下一个循环以分解臭氧。分解NO2的主要原理是在过渡金属氧化物如MnOX催化剂上的O3分解通过从Mnn+到O3的电子转移而发生。这将导致O3分解成氧分子和原子氧O*。然后，不稳定的O22–Mn(n+2)+络合物通过将氧化的锰还原成Mn2+并解吸氧分子而分解。氧化锰催化剂在O3分解过程中形成活性原子氧O*。对于其他金属氧化物(例如FeO)或贵金属(例如Pd)也是类似的分解机制。另外，NO2可以被O*和O3氧化成NO3。且NO3极易消失，转化为固体N2O5。
由气体反应物与固体催化剂构成的反应体系称为气-固多相催化反应，其催化过程一般包括5个步骤：(I)臭氧和NOX分子向催化剂表面扩散；(II)臭氧和NOX分子在催化剂表面吸附；(III)臭氧和NOX分子的中间反应(表面反应)产生O*和O2以及N2O5；(IV)产生的气体从催化剂表面脱附；(V)产生的气体扩散离开催化剂表面。
主要的方程式如下：
4Mn4++O2-→4Mn4++2e+1/2O2→2Mn4++2Mn3++1/2O2
O3→O2+O*
NO+O*→NO2
NO2+O3*→NO+2O2
HNO2+OH*→NO2+H2O
NO2+O*→NO3
N2O5在47℃时可以完全分解。因此当催化剂饱和后，对其进行加热，将挥发出来的气体通入NaOH溶液中，之后催化剂可以重复使用。经过催化单元的降解吸附后，本装置可以向空气中排出洁净的气体。
本发明的有益效果为：
(1)本发明在放电电极间隔内填充催化剂，利用风机的机械强力同时吸收室内和室外的含颗粒物和有毒害物质的受污染空气，首先对吸收的气体进行过滤，再采用介质阻挡放电单元对小颗粒物质和挥发性有毒害成分进行处理；针对放电单元产生的产物O3和NOX，本发明采用贵金属附着于过渡金属氧化物上，对其进行催化吸附处理；同时，在出口处设有专门设计的排风风机向外界排出洁净的空气；整个系统利用机械强力送风的同时对送入室内的空气进行过滤、净化。
(2)相比传统技术，本发明具有处理效率高、能耗低、处理范围广、无二次污染、成本低等优点。
(3)本发明可以高效快速处理受污染的空气，比如雾霾等，改善大气质量，控制工厂废气等带来的空气污染，减少呼吸道等疾病的发病率。
附图说明
图1是本发明的框架图；
图2是本发明实施例1的框架图；
图3是本发明中的多级放电与催化联用单元的机构示意图；
图4是本发明中的高压电极的剖面结构示意图；
图5是本发明实施例2的数据采集与控制单元的结构示意图；
图6是本发明中的催化结构的结构示意图；
附图标记说明：1、进气口；2、出气口；3、多级放电与催化联用单元；4、风机；5、PDM电源；61、第一气体检测单元；611、第一甲醛传感器；62、第二气体检测单元；621、第二甲醛传感器；7、数据采集与控制单元；8、介质管；9、导电金属杆；10、高压电极；11、低压电极；12、催化结构；13、供电电压采集单元；14、放电电流采集单元；15、电极骨架；16、金属环；17、金属箔环；18、浮动电极环；19、筛板；20、催化剂；21、金属杆通孔；22、通气筛孔；23、导电金属桥；24、通气骨架。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，一种级联式环筒放电与催化联合空气净化系统，包括净化器本体和风机4，所述净化器本体上设有进气口1和出气口2，所述风机4安装于净化器本体内，所述净化器本体包括多级放电与催化联用单元3、第一气体检测单元61、第二气体检测单元62、PDM电源5和数据采集与控制单元7，所述第一气体检测单元61的气体输入端与进气口1相连，所述多级放电与催化联用单元3的气体输入端与第一气体检测单元61的气体输出端相连，所述多级放电与催化联用单元3的气体输出端与第二气体检测单元62的气体输入端相连，所述第二气体检测单元62的气体输出端与出气口2相连，所述PDM电源5的输出端与多级放电与催化联用单元3的输入端相连，第一气体检测单元61的输出端、第二气体检测单元62的输出端和数据采集与控制单元7的输入端相连，所述数据采集与控制单元7的输出端与进气口1相连，所述PDM电源5与数据采集与控制单元7双向连接；所述多级放电与催化联用单元3包括介质管8、导电金属杆9、若干对高压电极10和低压电极11以及若干个催化结构12，所述高压电极10置于介质管8内，低压电极11置于介质管8外表面上，每对所述高压电极10和低压电极11沿介质管8径向对齐，所有所述高压电极10等间距轴向排布，且由导电金属杆9穿过中心固定，所述导电金属杆9固定于介质管8的中心轴位置上，相邻两个所述高压电极10之间安装有催化结构12。
如图2所示，所述净化器本体还包括供电电压采集单元13和放电电流采集单元14，所述供电电压采集单元13的两端分别连接多级放电与催化联用单元3的输入端和数据采集与控制单元7的输入端，所述放电电流采集单元14的两端分别连接多级放电与催化联用单元3的输出端和数据采集与控制单元7的输入端。
如图3、4所示，所述高压电极10包括电极骨架15和金属环16，所述电极骨架15的侧表面上均贴合安装有金属环16，所述导电金属杆9通过介质管8两端设置的通气骨架24固定于介质管8内，所述通风骨架上设有若干个通风孔，所述电极骨架15上还固定设置若干个导电金属桥23，所述导电金属桥23一端连接导电金属杆9，另一端连接金属环16，所述低压电极11为金属箔环17，相邻两个所述金属箔环17中间还设置有浮动电极环18，所述浮动电极环18与金属箔环17平行设置。
如图6所示，单个所述催化结构12包括两块筛板19和催化剂20，所述催化剂20均匀分散于两块筛板19之间，所述筛板19上正中心设有供导电金属杆9穿过的金属杆通孔21，表面设有若干个通气筛孔22。
所述数据采集与控制单元7包括MCU、开关按键、显示单元和MCU电源，所述MCU的面板上设置开关按键，所述显示单元、MCU电源均与MCU连接，所述MCU设有第一气体检测单元AD端、第二气体检测单元AD端、供电电压采集单元AD端、放电电流采集单元AD端、PDM电源控制单元AD端、风机控制单元AD端，所述第一气体检测单元AD端与第一气体检测单元61的输出端相连，所述第二气体检测单元AD端与第二气体检测单元62的输出端相连，所述供电电压采集单元AD端与供电电压采集单元13的输出端相连，所述放电电流采集单元AD端与放电电流采集单元14的输出端相连，所述PDM电源控制单元AD端与PDM电源5相连，所述风机控制单元AD端与风机4相连。
所述介质管8的材料采用聚四氟乙烯、高密度聚丙烯、陶瓷或者石英。
所述催化剂20呈颗粒状。
所述催化剂20为Pd或Pt附着于Mn，Co，Ni和Ag的氧化物而成的组合物。
实施例2
如图1所示，一种级联式环筒放电与催化联合空气净化系统，包括净化器本体和风机4，所述净化器本体上设有进气口1和出气口2，所述风机4安装于净化器本体内，所述净化器本体包括多级放电与催化联用单元3、第一气体检测单元61、第二气体检测单元62、PDM电源5和数据采集与控制单元7，所述第一气体检测单元61的气体输入端与进气口1相连，所述多级放电与催化联用单元3的气体输入端与第一气体检测单元61的气体输出端相连，所述多级放电与催化联用单元3的气体输出端与第二气体检测单元62的气体输入端相连，所述第二气体检测单元62的气体输出端与出气口2相连，所述PDM电源5的输出端与多级放电与催化联用单元3的输入端相连，第一气体检测单元61的输出端、第二气体检测单元62的输出端和数据采集与控制单元7的输入端相连，所述数据采集与控制单元7的输出端与进气口1相连，所述PDM电源5与数据采集与控制单元7双向连接；所述多级放电与催化联用单元3包括介质管8、导电金属杆9、若干对高压电极10和低压电极11以及若干个催化结构12，所述高压电极10置于介质管8内，低压电极11置于介质管8外表面上，每对所述高压电极10和低压电极11沿介质管8径向对齐，所有所述高压电极10等间距轴向排布，且由导电金属杆9穿过中心固定，所述导电金属杆9固定于介质管8的中心轴位置上，相邻两个所述高压电极10之间安装有催化结构12。
所述净化器本体还包括供电电压采集单元13和放电电流采集单元14，所述供电电压采集单元13的两端分别连接多级放电与催化联用单元3的输入端和数据采集与控制单元7的输入端，所述放电电流采集单元14的两端分别连接多级放电与催化联用单元3的输出端和数据采集与控制单元7的输入端。
所述第一气体检测单元61内设置第一甲醛传感器611，所述第二气体检测单元62内设置第二甲醛传感器621。
所述高压电极10包括电极骨架15和金属环16，所述电极骨架15的侧表面上均贴合安装有金属环16，所述导电金属杆9通过介质管8两端设置的通气骨架24固定于介质管8内，所述通风骨架上设有若干个通风孔，所述电极骨架15上还固定设置若干个导电金属桥23，所述导电金属桥23一端连接导电金属杆9，另一端连接金属环16，所述低压电极11为金属箔环17，相邻两个所述金属箔环17中间还设置有浮动电极环18，所述浮动电极与金属箔环17平行设置。
单个所述催化结构12包括两块筛板19和催化剂20，所述催化剂20均匀分散于两块筛板19之间，所述筛板19上正中心设有供导电金属杆9穿过的金属杆通孔21，表面设有若干个通气筛孔22。
所述介质管8的材料采用聚四氟乙烯、高密度聚丙烯、陶瓷或者石英。
所述催化剂20呈颗粒状。
如图5所示，所述数据采集与控制单元7包括MCU、开关按键、显示单元和MCU电源，所述MCU的面板上设置开关按键，所述显示单元、MCU电源均与MCU连接，所述MCU设有第一甲醛传感器AD端、第二甲醛传感器AD端、供电电压采集单元AD端、放电电流采集单元AD端、PDM电源控制单元AD端、风机控制单元AD端，所述第一甲醛传感器AD端与第一甲醛传感器611的输出端相连，所述第二甲醛传感器AD端与第二甲醛传感器621的输出端相连，所述供电电压采集单元AD端与供电电压采集单元的输出端相连，所述放电电流采集单元AD端与放电电流采集单元14的输出端相连，所述PDM电源控制单元AD端与PDM电源5相连，所述风机控制单元AD端与风机4相连。
所述催化剂20为Pd或Pt附着于Mn，Co，Ni和Ag的氧化物而成的组合物。
需要说明的是，为了评估系统净化空气的效率，采用能效比(Eer)这个物理量来进行评估，其单位是g.kWh-1，其公式如下：
Δm是气体废气通过反应器后的质量变化，V是放电通道内的气体体积，t是放电通道内气体流过的时间，Et是高压电源消耗的总能量，c0是气体的初始浓度，c1是相应气体反应后的浓度。此外有V＝Q.t，Et＝Pin.t(Q表示气体流量，Pin表示高压电源的功率)所以，我们得到一个新的公式，如下：
在本发明提供的系统中，净化空气的效率的最佳控制参数可由上述两个公式评估。其中c0可由第一气体检测单元得到，c1可由第二气体检测单元得到。
得到放电参数、气体浓度和气体流量等物理参数后，本发明与牛顿爬山算法相结合，设计了最佳放电效果评估方法。根据臭氧产生能效比(Eer)的变化规律，得到在最佳放电效果时对应的放电参数。根据牛顿爬山算法找出最佳Eer对应的放电条件，确定相应的参数范围。
牛顿爬山法又称扰动观察法，本发明中是通过不断调节放电反应系统的放电条件和气体流速来比较调整前后废气清除能效比的变化情况，再根据变化情况通过数据采集与控制单元来调整放电条件和气体流速，使系统工作在最佳能效比附近。
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为本发明的保护范围。