一种基于等离子体原位耦合纳米催化的空气消毒净化装置的制作方法

3.2ev，其对光的吸收波段为200-800nm。
[0011]
优选地，所述纳米光催化剂为表面负载有等离激元纳米粒子的半导体催化 剂。
[0012]
优选地，所述壳体内设有多个催化放电单元，所述催化放电单元之间通过 所述连接件连接，所述连接件由绝缘材质制成。
[0013]
本发明的空气消毒净化原理为：
[0014]
与常规的等离子体及催化技术相比，本发明装置通过气流分布控制、优化 催化剂与电极结合方式等手段，使等离子体、纳米(光)催化剂以及气体充分 作用，从而实现等离子体的光、电场与纳米(光)催化剂的表界面化学场高效 耦合。该发明借助等离子体的光、电场作用克服催化方法对高温的依赖以及选 择性差的缺点，同时利用纳米(光)催化剂的特殊表界面化学场解决等离子体 仅能有效去除单一有毒有害物种的问题。
[0015]
首先，与常规的等离子体消毒净化技术不同，本发明中纳米(光)催化剂 耦合于等离子体中可显著改变放电的模式，使等离子体更加均匀地弥散于放电 间隙内，这将使等离子体与流经空气充分接触，确保空气中的颗粒物充分荷电、 致病微生物有效灭活，以及有机污染物的高效活化。同时，等离子体的电流脉 冲因纳米(光)催化剂的耦合而显著变弱，这会削弱空气放电过程中对氮气分 子(n2)的活化，从而抑制氮氧化物以及臭氧的生成(反应式1-2)。
[0016][0017][0018]
其次，将纳米(光)催化剂原位耦合于等离子体中，一方面具有高催化活 性的纳米(光)催化剂可直接在等离子体活性物种作用下灭活致病微生物、去 除有机污染物，还可氧化附着于催化剂表面的颗粒物，同时促进臭氧表面分解； 另一方面纳米(光)催化剂在等离子体自发光的作用下能够产生电子/空穴对(反 应式3-4)，进而通过产生大量活性物种(反应式5-6)，有效驱动光催化反应， 提升对空气的消毒净化能力。上述特点是单纯等离子体技术不能实现的，也克 服了常规催化方法面临的高温、高能耗、低选择性难题。
[0019]
semiconductor+hv(uv)
→
h
+
+e-ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]
nanoparticle+hv(visible)
→
h
+
+e-ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021][0022]
o2+h
+
+2h
+
→
2oh
·
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0023]
最后，等离子体与纳米(光)催化剂的原位耦合很容易通过调变具体放电 形式以及纳米(光)催化剂来实现两者的高效协同(1+1>2)。该空气消毒净化 装置可对公共室内气体进行颗粒物(含致病生物气溶胶)的高效捕集，对病毒 与有机污染物进行高效灭活和高效氧化脱除，并能有效避免有毒有害副产物的 生成，兼具显著提升室内空气质量的功能。
[0024]
与现有技术比较，本发明所述的一种基于等离子体原位耦合纳米催化的空 气消毒净化装置的有益效果为：
[0025]
1、相较于常规基于等离子体技术的空气消毒净化装置，本发明提供的装置 将除尘、脱除有机污染物、杀菌消毒等功能集成一体，避免系统多级化，借助 等离子体与纳米(光)催化剂原位耦合形成的光、电和界面场间高效协同，可 实现空气中有机污染物、致病微生物，有毒副产物的一步去除。
[0026]
2、本发明装置的造价低廉、装配简单，既适用于小型空气净化，也易于扩 大应用，装置中的催化剂原位组装形式灵活，便于装置的模块化，装置整体具 有能量利用率高、杀菌效果明显、结构紧凑简单、整机体积小等优点。
[0027]
3、本发明通过纳米(光)催化剂与等离子体的原位耦合，确保等离子体、 催化剂以及空气的充分接触，即实现了放电产生的短寿命活性物种在催化剂表 面的充分利用，又利于利用等离子体自发光驱动表面光催化反应，从而极大地 提升了装置对空气的消毒净化能力；并且等离子体活性物种通过直接作用于催 化剂表面，抑制了难降解有机物与颗粒物对催化剂表面活性位的占据，保持表 面催化活性位点始终处于开放状态，在确保放电稳定的同时，增强了整个装置 的工作稳定性。
[0028]
4、本发明可通过对纳米(光)催化剂的表面性质调变，增强其对副产物臭 氧和氮氧化物的分解能力，降低有毒副产物的生成；同时，臭氧分解产生的活 性氧物种还可促进有机污染物的降解与致病微生物的灭活。
[0029]
5、本发明使用的催化剂为纳米(光)催化剂，其对光的吸收波段可控制在 200-800nm，这确保了纳米(光)催化剂对等离子体自发光(紫外光与可见光) 的高效利用，显著增强了装置的空气光催化消毒净化能力。该空气消毒净化装 置将纳米(光)催化剂原位耦合于放电区，催化剂的存在可有效改变放电模式， 在相同的输入功率下，耦合体系能够获得更高的能量效率，从而产生更多的放 电活性物种，提高空气中颗粒物荷电、有机物降解以及致病微生物的灭活效率。
附图说明
[0030]
图1是本发明实施例中空气消毒净化装置的整体结构示意图；
[0031]
图2为本发明实施例中纳米催化剂的典型耦合方式示意图；
[0032]
图3是本发明实施例中催化放电单元的结构示意图；
[0033]
图4是本发明对比例1中催化放电单元的结构示意图；
[0034]
图5是本发明对比例2中催化放电单元的结构示意图；
[0035]
图6是本发明对比例3中催化放电单元的结构示意图。
[0036]
图中，1、壳体；2、第一电极组件；3、第二电极组件；4、连接件；5、电 源；6、导线；7、纳米催化剂；8、等离子体区；9、光催化剂网；10、紫外灯； 41、pvc绝缘套管；42、导电金属螺杆。
具体实施方式
[0037]
实施例：
[0038]
如图1-3所示，一种基于等离子体原位耦合纳米催化的空气消毒净化装置， 包括壳体1、电源5、连接件4以及至少一个催化放电单元，连接件4和催化放 电单元设于壳体1内，连接件4与壳体1连接，催化放电单元与连接件4连接， 并通过连接件4固定于壳体1内。催化放电单元包括相对设置的第一电极组件2 和第二电极组件3，第一电极组件2和第二电极组件3通过导线6分别与电源5 相连，以第一电极组件2和第二电极组件3作为正负极，使得正负电极之间产 生等离子场，即形成等离子体区8。第一电极组件2和第二电极组件3之间设有 纳米催化剂7，纳米催化剂7设于等离子场内，壳体1上设有用于净化气体的进 气口
和出气口，壳体1内的待净化气体会流经等离子场，并与其中的纳米催化 剂7接触反应，达到消毒净化目的。
[0039]
第一电极组件2包括板电极或针电极或网电极，第二电极组件3包括板电 极或针电极或网电极。具体的，第一电极组件2和第二电极组件3可以为针电 极阵列、电极板或电极网，其中针电极阵列的针间距为毫米级，针长度为毫米 级，第一电极组件2与第二电极组件3之间的间距为毫米级，网电极的网孔数 为20-40目。本实施例中催化放电单元中的电极结构为针阵列对板电极，即第一 电极组件2为针电极阵列，第二电极组件3为电极板。纳米催化剂7设于板电 极或针电极或网电极表面和电极间隙内，其填充于正负电极之间或涂覆于板或 针或网电极表面，也可以填充式结合涂层式耦合在放电电极之间，对室内空气 进行循环处理。
[0040]
电源5为交流、直流或脉冲电源5，电源5的输出电压为2-10kv。本实施 例中采用高压正直流或负直流为催化放电单元供电，第一电极组件2和第二电 极组件3中的一个处于高压状态，另一个接地，电极间产生等离子体，即形成 等离子体区8。
[0041]
纳米催化剂7为纳米光催化剂，纳米光催化剂的禁带宽度为1.5-3.2ev，其 对光的吸收波段为200-800nm。这确保了纳米(光)催化剂对等离子体自发光(紫 外光与可见光)的高效利用，显著增强了装置的空气光催化消毒净化能力。
[0042]
纳米光催化剂为表面负载有等离激元纳米粒子的半导体催化剂，等离激元 纳米粒子主要指产生等离激元振荡的金、银、铜纳米粒子，半导体催化剂可以 为氧化钛、氧化锌等。通过对置于放电区的纳米(光)催化剂的表面性质调变， 增强其对副产物臭氧和氮氧化物的分解能力，有效地降低有毒副产物的生成； 同时，臭氧的高效分解所产生的活性氧物种还可促进有机污染物的降解与致病 微生物的灭活。
[0043]
壳体1内设有多个催化放电单元，多个催化放电单元平行设置，且并联形 成多个并行放电通道。催化放电单元之间通过连接件4连接，连接件4由绝缘 材质制成，防止第一电极组件2和第二电极组件3之间直接连通，导致无法形 成等离子场。需说明的是，连接件4只需保证其与电极相连的部分绝缘即可， 如图1所示，连接件4具体可以为导电金属螺杆42，其上与第一电极组件2连 接的部分套设有pvc绝缘套管41，同样能避免正负电极直接连通。
[0044]
采用本实施例中所述的空气净化装置，分别进行灭菌和空气净化试验，具 体试验过程如下：
[0045]
试验例a：在10m3封闭实验舱中，放置图3空气净化装置，使用微生物气 溶胶发生器向实验舱内进行白色葡萄球菌喷雾染菌，搅动均匀后开启空气净化 装置，风机驱动室内空气进入催化放电反应区使之消毒净化，循环净化60min 后取样，采样流量为28.3l/min，进行3次重复试验，计算测得被图3空气净化 装置处理过的样品中白色葡萄球菌3次杀灭率均≥99.90％，符合《消毒技术规 范》(2002年版)2.1.3中模拟现场试验测试要求，为消毒合格。
[0046]
试验例b：在30m3封闭实验室内放置图3空气净化装置，并向实验舱内喷 射噬菌体微生物气溶胶，以0.3ml/min的速度连续喷射15s后关闭气溶胶发生器， 开启空气净化装置对室内空气噬菌体进行消杀，循环净化60min后取样，采样 流量为2.7l/min，连续采样6min，进行3次重复试验，采样后分别进行效价测 定，被图3空气净化装置处理过的样品中
97.44％。
[0065]
试验例c：被图6空气净化装置处理过的样品中3次甲苯浓度均≤0.58 mg/m3。
[0066]
试验例d：图6空气净化装置产生的副产物臭氧＜0.1mg/m3，二氧化氮浓度 ＜0.02mg/m3。
[0067]
上述实施例和各对比例中的试验结果汇总如下表所示：
[0068]
表1、实施例和各对比例中空气净化装置的净化效果对比表
[0069][0070]
由表中可看出，本发明设计的一种基于等离子体原位耦合纳米催化的空气 消毒净化装置无论是细菌噬菌体消杀效果、甲苯去除效果还是副产物降低效果 均表现最佳，并且优于单纯放电加单纯光催化效果，即存在1+1＞2的协同催化 效应。在室内空气净化过程中，该空气净化装置可以对空气进行有效除尘、消 毒杀菌，满足人们健康呼吸的需求。相比其他多级净化体系，本空气净化装置 最大的优势在于将除尘、消毒杀菌等多功能集合一体，同时还能抑制副产物发 生，具有装置体积小、成本低、后期维护简便等优势。
[0071]
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发 明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员 对本发明的技术
方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定 的保护范围内。