一种高效率低能耗免二次污染的低温等离子体协同催化净化室内挥发性有机物的方法与装置与流程

本发明涉及室内空气净化技术领域，特别是涉及一种高效率低能耗免二次污染的低温等离子体协同催化净化室内挥发性有机物的方法与装置。

背景技术：

室内存在低浓度挥发性有机物(简称vocs)，是恶化室内空气质量的主要因素之一。挥发性有机物对人体和环境的危害极大，大多数挥发性有机物不仅对人的呼吸道、眼、鼻等产生刺激作用，还对神经系统、造血系统、肝和肾等器官造成不同程度的损害。室内空气挥发性有机物可借助室温吸附和其他可在室温条件下分解有机物的方法净化。室温吸附是目前对室内空气中低浓度挥发性有机物应用最为成熟的技术，但吸附法存在的问题是仅仅将气相中的有机物转移到固相吸附剂表面，没有彻底净化，且吸附剂吸附容量有限，为保证长期稳定运行，需要定期更换吸附剂或使吸附剂再生。另外，常用的活性炭吸附剂易吸潮，需要严格控制空气的相对湿度。有关室温条件下氧化挥发性有机物，已有不少报道。尽管室温催化氧化甲醛已进入应用阶段，但尚没有一种技术可以高效转化苯系物为二氧化碳和水。对于大多数挥发性有机物，普遍存在效率低和不能完全降解为无害物等问题。

低温等离子体协同催化技术是在低温等离子体系统内引入催化剂，利用低温等离子体与催化剂之间的协同作用，净化有机物。其协同作用在于低温等离子体中的活性粒子能在催化作用下将挥发性有机物转化为无害物。申请号为201110082007.9的中国专利公开了一种等离子体催化协同治理vocs的反应器，该专利采用介质阻挡放电方式，以石英玻璃管为筒体，外壁包裹金属导电物作为介质阻挡放电的外接电极，筒体中间设置不锈钢管为介质阻挡放电的内电极，在不锈钢管和玻璃管之间放电气隙之间填充吸附剂和催化剂，实现低浓度工业废气中vocs的高效净化。申请号为201410674694.7的中国专利公开了一种低温等离子体复合处理系统，该处理系统包括预处理器、负离子净化器、双介质等离子处理器、高能离子处理器和复合催化装置，所述处理器和催化装置内分别设有密闭的气室，气室之间依次连通，复合催化剂可以分解吸附催化分解残余的臭氧。以上均为连续放电直通式结构，可以利用低温等离子体中的高能活性粒子催化氧化有机物，但是这种连接方式处理低浓度挥发性有机物时存在低温等离子体连续运行能耗高，气体通过这些组件时气流阻力大，连续放电释放的臭氧量大，气流直接通过使部分未完全氧化的有机物和臭氧释放造成二次污染等问题。

为降低低温等离子体能耗，许多学者也在研究间歇放电式低温等离子体协同净化vocs。kimhyu-ha等人(kimh.h.,tsubotas.,date′m.,etal.catalystregenerationandactivityenhancementofau/tio2byatmosphericpressurenonthermalplasma.appliedcatalysisa:general,2007,329:93–98.)首先提出“吸附-低温等离子体催化再生技术”，采用具有良好吸附性和催化性能的吸附剂，首先对vocs进行吸附，然后利用低温等离子体再生催化剂。

wengzhengwang等人(wenzhengwang,hongleiwang,tianlezhu,etal.removalofgasphaselow-concentrationtolueneovermn,agandcemodifiedhzsm-5catalystsbyperiodicaloperationofadsorptionandnon-thermalplasmaregeneration.journalofhazardousmaterials,2015,292:70-78.)利用负载mn、ag的hzsm-5催化剂对甲苯进行间歇式吸附存储-等离子体原位再生吸附/催化剂，发现负载mn的催化剂具有良好的催化甲苯和臭氧分解的性能，且ag的加入可以提高催化剂的活性。xingfan等人(xingfan,tianlezhu,yifeisun,etal.therolesofvariousplasmaspeciesintheplasmaandplasma-catalyticremovaloflow-concentrationformaldehydeinair.journalofhazardousmaterials,2011,196:380–385；x.fan,t.l.zhu,m.y.wang,etal.removaloflow-concentrationbtxinairusingacombinedplasmacatalysissystem.chemosphere,200975:1301-1306.)研究了低温等离子体协同mnox/al2o3催化降解空气中低浓度甲醛和苯系物，发现mnox/al2o3催化剂的引入可以显著提高甲醛和苯的转化率，mnox还可以催化分解臭氧，反应系统出口处排放的臭氧浓度远低于国家标准。kimhyun-ha等人(hyun-hakim,yoshiyukiteramoto,atsushiogata.time-resolvedimagingofpositivepulsedcorona-inducedsurfacestreamersontio2andγ-al2o3-supportedagcatalysts.journalofphysicsd:appliedphysics,2016,49:415204)研究了等离子体结合tio2,4％ag/tio2,5％ag/γ-a12o3和5％ag/ms-13x催化剂脱除苯的过程，研究发现ag催化剂起到了储存和释放氧物种的作用，且5％ag/γ-al2o3具有最佳的活性。rolandu.等人(u.rolanda,f.holzera,a.etal.combinationofnon-thermalplasmaandheterogeneouscatalysisforoxidationofvolatileorganiccompoundspart3.electronparamagneticresonance(epr)studiesofplasma-treatedporousalumina.appliedcatalysisb:environmental,2005,58:227-234.)研究显示低温等离子体处理后γ-al2o3催化剂表面产生了具有强氧化性、长寿命(存在时间长达14天)的a-o-o*超氧基团，有助于苯系物的氧化降解。同时负载ag和mnox的ag-mnox/al2o3催化剂是一种良好的吸附/催化分解挥发性有机物和臭氧的双功能催化剂。

上述间歇式吸附存储-等离子体原位再生系统皆采用直通式系统，即低温等离子体发生和吸附/催化双功能净化材料皆布设在主风道内。吸附/催化双功能净化材料首先将低浓度的挥发性有机物进行吸附富集存储起来，然后利用低温等离子体处理，在很短的放电时间内将吸附态的有机物完全净化。但这种净化方式依然存在气体通过组件时阻力大，且未消耗殆尽的臭氧和未完全氧化的有机物释放到空气中，造成二次污染等问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中，直通式低温等离子体协同催化净化挥发性有机物时存在能耗高、臭氧释放、气阻大等问题，提供了一种高效率低能耗免二次污染的低温等离子体协同催化净化室内挥发性有机物的方法与装置。

所述的高效率低能耗免二次污染的低温等离子体协同催化净化室内挥发性有机物的方法，包括如下步骤：

第一步，在建筑物启动通风净化的时段内，室内空气以正常风速通过主风道，利用设置在主风道的吸附/催化双功能净化材料组件高效吸附室内空气中的挥发性有机物。

所述的正常风速是指风速1m/s～3m/s。

第二步，在建筑物不启动通风净化的时段内，室内空气不进入通风主风道，利用设置在旁路的风机驱动气流循环通过吸附/催化双功能净化材料组件，并开启低温等离子体发生器，利用高压放电产生的含臭氧的低温等离子体，在低风速条件下随循环气流通过所述的吸附/催化双功能净化材料组件，协同催化氧化吸附态的有机物，将有机物完全氧化分解为无害或低害物质，并使吸附/催化双功能净化材料组件的吸附性得以再生。

所述的低风速是指风速为0.05～0.2m/s，循环时间为0.5～2h。

所述的低温等离子体发生器采用旁路设置方式，即不布置在主风道内，可以避免主风道气流阻力，且所述的低温等离子体发生器只在氧化再生时高压放电产生低温等离子体，因此可降低放电能耗。

第三步，有机物完全氧化后，关闭低温等离子体发生器，停止放电，旁路气体继续以低风速循环通过所述的吸附/催化双功能净化材料组件，实现对臭氧的彻底分解，避免了臭氧释放到室内空气造成二次污染。

所述的低风速是指风速为0.05～0.2m/s，循环时间为0.1～0.2h。

应用本发明提供的方法，室温下吸附和低温等离子体强化催化氧化交替进行，可满足含有低浓度挥发性有机物的室内空气的净化要求。

本发明还提供一种高效率低能耗免二次污染的低温等离子体协同催化净化室内挥发性有机物的装置，所述装置包括主风管和吸附/催化双功能净化材料组件，所述主风管的一端为进风口，另一端为出风口。室内空气从进风口进入主风管，经过主风管内的吸附/催化双功能净化材料组件，将室内空气中的低浓度挥发性有机物进行气相吸附分离，干净空气从主风管出风口排出，重新回到室内。所述的装置还包括一个旁路，所述的旁路包括低温等离子体发生器、截止阀和风机，通过旁路风管依次连接，所述旁路风管上的循环气流依次通过低温等离子体发生器、吸附/催化双功能净化材料组件、截止阀和风机，其中，低温等离子体发生器的出气口尽可能能靠近吸附/催化双功能净化材料组件。

本发明的优点在于：

1.室内挥发性有机物转化效率高。

本发明通过利用位于主风管中的吸附/催化双功能净化材料组件在建筑物启动通风净化的时段内以正常风速(风速1m/s～3m/s)长时间高效吸附分离室内空气中的挥发性有机物；在建筑物不启动通风净化的时段内，借助低温等离子体在低风速(0.05～0.2m/s)条件下短时间内循环通过吸附/催化双功能净化材料组件，使吸附态有机物完全氧化为无害或低害物质。

2.能耗低。

本发明将低温等离子体发生器采用旁路设置方式，即不布置在主风管内，避免了对主风管中气流产生阻力，降低了主风管中风机能耗；同时旁路中低温等离子体发生器放电时间短，节约电能；旁路风管中循环气体的风速小，低风速可降低旁路中风机能耗。

3.避免了二次污染。

在低风速条件下低温等离子体循环通过吸附/催化双功能净化材料组件，将有机物完全氧化为无害或低害物质；停止放电后，含有未消耗完全的臭氧的气体在低风速下继续循环通过吸附/催化双功能净化材料组件，使臭氧完全分解为氧气，避免了二次污染物释放到室内空气中。

附图说明

图1为本发明一种高效率低能耗免二次污染的低温等离子体协同催化净化室内挥发性有机物的装置吸附vocs过程的示意图。

图2为本发明一种高效率低能耗免二次污染的低温等离子体协同催化净化室内挥发性有机物的装置在低温等离子体氧化降解vocs和分解臭氧过程的示意图。

图中：

1.主风管；2.吸附/催化双功能净化材料组件；3.低温等离子体发生器；4.风机；5.截止阀；6.旁路风管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明首先提供了一种高效率低能耗免二次污染释放的低温等离子体协同催化净化室内挥发性有机物的装置，如图1所示，所述装置包括主风管1和吸附/催化双功能净化材料组件2，所述主风管的一端为进风口，室内空气从进风口进入主风管1，经过主风管1内的吸附/催化双功能净化材料组件2，将室内空气中的低浓度挥发性有机物进行吸附，干净空气从主风管1的出风口处排出，重新回到室内。为了对所述的吸附/催化双功能净化材料组件2吸附性能的再生，本发明所述的装置上包括旁路，如图2所示，所述的旁路包括低温等离子体发生器3、风机4和截止阀5，三者之间通过旁路风管6连接。所述旁路风管6上的循环气流依次通过低温等离子体发生器3、吸附/催化双功能净化材料组件2、截止阀5和风机4。其中，低温等离子体发生器3的出气口尽可能能靠近吸附/催化双功能净化材料组件2。

其中，所述吸附/催化双功能净化材料是1％ag-5％mn/γ-al2o3、1％ag-3％mn/zsm-5或3％ce-5％mn/zsm-5材料。为降低气阻，制备成蜂窝状。此吸附/催化双功能净化材料具有高效吸附和低温等离子体存在条件下催化氧化vocs的作用，以及催化分解臭氧的作用。

所述低温等离子体发生器3的电极配置为线-筒式、线-板式或针-孔板式，通常组装成一个整体，构成电晕放电净化模块，其中，线状或针状放电极接电源的高压端，板、筒体或孔板为接地极。

上述电晕放电净化模块供电的电源为正极性直流电源和负极性电源中的任意一种，电压范围为0kv至10kv。

本发明还提供一种高效率低能耗免二次污染的低温等离子体协同催化净化室内挥发性有机物的方法，其包括步骤如下：

在建筑物启动通风净化时段内，低温等离子体发生器3、风机4、截止阀5处于关闭状态，如图1所示，在正常风速(1m/s～3m/s)下，室内空气进入主风管1通过吸附/催化双功能净化材料组件2，实现高效、长时间吸附分离室内空气中的挥发性有机物，净化后的干净空气经主风管1的出风口直接排放到室内。在建筑物不启动通风净化时段内，主风管中风机处于关闭状态，室内空气不进入主风管1中，开启低温等离子体发生器3、风机4、截止阀5，如图2所示，在风机4驱动下气流在低风速(0.05～0.2m/s)下依次通过截止阀5、风机4、低温等离子体发生器3和已吸附挥发性有机物的吸附/催化双功能净化材料组件2，循环0.5～2h后，关闭低温等离子体发生器3，使旁路气体继续在低风速(0.05～0.2m/s)下循环0.1～0.2h，旁路气体中未消耗殆尽的臭氧由吸附/催化双功能净化材料组件2完全催化分解为氧气后经主风管1的出风口排放到室内空气中。

实施例1

在某办公室内的空气净化器的尺寸为320mm×250mm的矩形风管外，旁路连接低温等离子体发生器3、风机4和截止阀5，用内径为50mm的圆形有机玻璃管或不锈钢管连接。低温等离子体发生器3设计成串齿线-筒状，且采用8个圆筒并联。串齿线为放电极，圆筒为接地极，之间施加8kv负极性直流高压电源。串齿线放电极是内径为3mm的等间距串接了若干个放电齿轮的不锈钢棒，每个齿轮均布4个放电尖端，放电齿轮间距为10mm；接地极为筒状不锈钢管，内径为22mm，厚度为1mm，钢管长度为300mm。将1％ag～5％mn/γ-al2o3吸附/催化双功能净化材料制备成300mm×200mm×50mm的蜂窝状矩形组件2安装在空气净化器内，正常吸附时风量为500m³/h，处理空气中苯浓度为1.3mg/m³，吸附15h后关闭空气净化器。旁路中开启低温等离子体发生器3、风机4和截止阀5，循环气体经过所述的吸附/催化双功能净化材料组件2，低温等离子体发生器3产生的低温等离子体对吸附/催化双功能净化材料组件2上吸附的有机物进行氧化降解，实现吸附/催化双功能净化材料组件2吸附性能的再生，循环风量为25m³/h，低温等离子体发生器3放电时间2h后关闭。含臭氧的循环气体继续循环0.2h，实现臭氧的完全分解。检测结果表明，正常吸附15h后空气净化器出风口处未检出苯；低温等离子体气流循环处理2h后旁路循环气流中仅检测到co2，未检测到co和有机物，臭氧浓度为1.8mg/m³；停止放电后旁路气流继续循环0.2h后，出风口处未检出臭氧。

b施例2

在办公室内的空气净化器的尺寸为250mm×250mm的矩形风管外旁路连接低温等离子体发生器3、风机4和截止阀5，用内径为50mm的圆形有机玻璃管或不锈钢管连接。低温等离子体发生器3设计成针-孔板式，以在金属板上附着多根针状导体作为放电极，带孔的不锈钢板作为接地极，在有机玻璃管中打孔接出导电端子用来连接高压电源的正负极，之间施加6kv正极性直流高压电源。针尖半径为0.5mm，针针间距为5mm，针板间距为5mm。将3％ce～5％mn/zsm-5吸附/催化双功能净化材料制备成230mm×200mm×50mm的蜂窝状矩形组件2安装在空气净化器内，正常吸附时风量为490m³/h，处理空气中甲醛浓度为1.0mg/m³，吸附15h后关闭空气净化器。旁路中开启低温等离子体发生器3、风机4和截止阀5，循环气体经过所述的吸附/催化双功能净化材料组件2，低温等离子体发生器3产生的低温等离子体对吸附/催化双功能净化材料组件2上吸附的有机物进行氧化降解，实现吸附/催化双功能净化材料组件2吸附性能的再生，循环风量为33m³/h，低温等离子体发生器3放电时间1.5h后关闭。含臭氧的循环气体继续循环0.15h，实现臭氧的彻底分解。检测结果表明，正常吸附时空气净化器出风口处未检出甲醛；低温等离子体气流循环处理1.5h后旁路循环气流中仅检测到co2，未检测到co和有机物，臭氧浓度为8.5mg/m³；停止放电后旁路气流继续循环0.15h后，出风口处未检出臭氧。

实施例3

在某学生教室内的空气净化器的尺寸为320mm×200mm的矩形风管外旁路连接低温等离子体发生器3、风机4和截止阀5，用内径为50mm的圆形有机玻璃管或不锈钢管连接。低温等离子体发生器3设计成线-板式，以有机玻璃矩形管为反应器外壳，以多根直径为0.5mm的镍铬合金线为放电极，以不锈钢板为接地极，在有机玻璃管中打孔接出导电端子用来连接高压电源的正负极，之间施加8kv负极性直流高压电源。将1％ag～3％mn/zsm-5吸附/催化双功能净化材料制备成290mm×170mm×50mm的蜂窝状矩形组件2安装在空气净化器内，正常吸附时风量为180m³/h，处理空气中甲苯浓度为1.5mg/m³，吸附15h后关闭空气净化器。旁路中开启低温等离子体发生器3、风机4和截止阀5，循环气体经过所述的吸附/催化双功能净化材料组件2，低温等离子体发生器3产生的低温等离子体对吸附/催化双功能净化材料组件2上吸附的有机物进行氧化降解，实现吸附/催化双功能净化材料组件2吸附性能的再生，循环风量为9m³/h，低温等离子体发生器3放电时间1h后关闭。含臭氧的循环气体继续循环0.1h，实现臭氧的彻底分解。检测结果表明，正常吸附时空气净化器出风口处未检出甲苯；低温等离子体气流循环处理1h后旁路循环气流中仅检测到co2，未检测到co和有机物，臭氧浓度为4.3mg/m³；停止放电后旁路气流继续循环0.1h后，出风口处未检出臭氧。