低温等离子体增强的离心式静电场空气净化设备和方法与流程

本发明涉及空气净化装置，特别涉及一种基于低温等离子体增强的离心式静电场去除空气中细颗粒物、微生物以及气态污染物的空气净化设备和方法。

背景技术：

空气污染严重威胁着人体健康，其中细颗粒物通过呼吸进入肺后能导致炎症损伤、氧化损伤和遗传损伤，引起急性心血管效应。微生物(细菌、真菌、病毒、过敏原、毒素等)是颗粒物的重要组成部分，除了氧化应激和炎症损伤外，还能引发流感、肺结核等传染性疾病，哮喘、过敏性鼻炎等呼吸系统疾病，以及癌症和病态楼宇综合征等疾病。因此，研究发明高效去除颗粒物、灭活微生物、净化空气的设备和方法十分重要。

传统的气溶胶控制技术包括过滤、吸附、紫外、光催化氧化、臭氧化、电离子发射等，但这些技术各有不足。例如，过滤膜虽然可以去除颗粒物，但不能降解气态污染物，微生物有生长及二次释放的风险。低温等离子体和静电场除尘是两种日益被用于室内空气净化方法，但对两者结合净化空气的研究较少。低温等离子体反应体系保持室温，能产生大量活性物种氧化破坏细胞，产生大量电荷聚集导致细胞膜破裂，灭活微生物以及氧化降解VOCs(挥发性有机物)，并且可以使颗粒物荷电，通过后续处理去除颗粒物。静电场除尘压力损失小，耗能小，只需定期清洗，但颗粒物负载电荷较少、在电场中停留时间较短，传统平板静电场电场分散，颗粒物去除效率较低。因此，研发一种能够同时高效去除颗粒物、气态以及微生物的设备方法非常重要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种新型的基于低温等离子体增强的离心式静电场的空气净化设备和方法，同时高效去除空气中颗粒物、微生物以及气态污染物，低能耗低且二次污染少。

本发明的技术方案如下：

一种空气净化设备，包括低温等离子体发生器、离心式静电场产生装置、纳米纤维和抽气泵。其中，低温等离子体发生器的出气口与离心式静电场产生装置的进口气相连，离心式静电场产生装置的出气口与抽气泵连接，纳米纤维填充在离心式静电场产生装置的腔体内。

所述低温等离子体发生器优选为介质阻挡放电增强型的低温等离子体发生器。在本发明的一个实施例中，所述低温等离子体发生器包括石英玻璃管介质、不锈钢网外电极、钼丝内电极和电源，其中不锈钢网外电极设置在石英玻璃管介质外围，钼丝内电极位于石英玻璃管介质内，不锈钢网外电极和钼丝内电极分别连接电源。

所述离心式静电场产生装置是在一个腔体中产生离心式静电场，包括设置在腔体中的一线圈形电极和穿过该线圈形电极中心的一棒状电极，线圈形电极和棒状电极均为导电金属制成，与高压电源连接。在本发明的一个实施例中，所述离心式静电场产生装置包括石英玻璃管、线圈形电极、棒状电极和高压电源，棒状电极位于石英玻璃管的中轴线位置，线圈形电极环绕在棒状电极周围并紧贴于石英玻璃管内壁，棒状电极和线圈形电极分别连接高压电源。

所用纳米纤维是高通气的过滤材料，如静电纺丝，填充在离心式静电场中。

低温等离子体发生器的出气口与离心式静电场产生装置的进气口之间，离心式静电场产生装置的出气口和抽气泵之间均可通过硅胶管连接。在抽气泵的作用下，空气从低温等离子体发生器的进气口进入低温等离子体发生器，再进入离心式静电场发生装置，经过两级净化后得到洁净的空气。

本发明还提供了一种空气净化方法，首先将空气经过低温等离子体处理，然后进入填充有纳米纤维的离心式静电场，从离心式静电场出来的即为净化后的空气。

上述空气净化方法具体的操作是：将低温等离子体发生器、离心式静电场产生装置和抽气泵依次连接，其中离心式静电场产生装置内填充纳米纤维，通过抽气泵使空气进入低温等离子体发生器，利用低温等离子体灭活空气中的微生物以及氧化降解VOCs，并使颗粒物荷电；从低温等离子体发生器出来的空气进入离心式静电场中，去除荷电颗粒物，获得净化后空气。

上述方法中，低温等离子体发生器优选为介质阻挡放电增强型的低温等离子体发生器，可以根据实际需要设计不同形状和工作条件(如输出电压、频率等)。离心式静电场产生装置也可以根据实际需要调整参数，其中填充的纳米纤维选择高通气的过滤材料，如静电纺丝。

上述方法中，空气流量越小，离心式静电场电压越高，颗粒物去除效率越高。

本发明提供了一种基于低温等离子体增强的离心式静电场的空气净化设备和方法，是一种高效低耗的空气净化技术，可以循环长时间净化室内空气，同时实现空气中气态污染物、微生物以及颗粒物去除。该空气净化设备和方法资源消耗少、轻便便携、去除效率高，可以广泛应用于室内环境以及公共场所污染源的控制，保护人体健康，有很好的应用前景。

附图说明

图1.空气净化设备结构示意图，其中：1-电源、2-接地线、3-钼丝内电极、4-石英玻璃管介质、5-不锈钢网外电极、6-进气口A、7-出气口A、8-线圈形电极、9-棒状电极、10-石英玻璃管、11-高压电源、12-进气口B、13-出气口B、14-纳米纤维、15-抽气泵。

图2.实施例1不同测试条件下空气中颗粒物(0.3-20μm)粒径谱分布图和浓度箱线图，其中：(a)和(b)的气流量为5L/min，(c)和(d)的气流量为15L/min；(a)和(c)为颗粒物粒径谱分布图，(b)和(d)为颗粒物浓度箱线图。

图3.实施例1中总气流量为5L/min时，空气中颗粒物(0.3-20μm)去除效率比较图。

图4.实施例1中不同气流量的测试条件下空气中颗粒物(0.3-20μm)去除效率比较图。

图5.实施例1中总气流量为29.5L/min时，空气中可培养细菌的灭活效率比较图。

图2至图5中，电压值“10kV”、“15kV”和“17kV”表示离心式静电场的电压，“等”表示开启低温等离子体。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步阐述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1

图1所示空气净化设备中，介质阻挡低温等离子体发生器包括电源1、接地线2、钼丝内电极3、石英玻璃管介质4、不锈钢网外电极5、进气口A6、出气口A7；离心式静电场产生装置包括石英玻璃管10、线圈形电极8、棒状电极9、高压电源11、进气口B 12、出气口B 13，线圈形电极8紧嵌于石英玻璃管10内；纳米纤维14填充在石英玻璃管10内；介质阻挡低温等离子体发生器、离心式静电场产生装置和抽气泵15三者由硅胶管顺序相连。

所述介质阻挡低温等离子体可以根据实际需要设计不同形状和工作条件。所述离心式静电场产生装置的电极为导电金属，其中线圈形电极8直径1mm，线圈之间间距1.5cm，棒状电极9直径5mm，石英玻璃管10长度为30cm，内径4cm，可以根据实际需要调整参数。线圈形电极8、棒状电极9均通过细金属丝作为引出电极连接高压电源11。

所用纳米纤维14是高通气的静电纺丝，可以进一步提升颗粒物去除效率。

上述空气净化设备的操作流程如下：

a)打开抽气泵，设置合适的流量(5～15L/min)；

b)打开离心式静电场产生装置的高压电源，给离心式静电场两极加上高压(10～20kV)；

c)打开低温等离子体发生器的电源，输入电压调至50V，调节频率使输入电流最大；

d)持续净化空气，结束时先将低温等离子体输入电压和离心式静电场高压电源电压都调至0，再关闭所有电源。

在离心式静电场之后同时连接抽气泵、光学粒子计数器(Optical Particle Counter(OPC)，流量1.2L/min)以及BioStage采样器(流量28.3L/min)，通过对低温等离子体和离心式静电场处理前后环境空气中颗粒物(0.3-20μm)、可培养细菌、可培养真菌浓度的变化，得到此净化设备在设定条件下的灭活去除效率，具体操作步骤如下：

a)同时连接抽气泵和OPC，设置总气流量为5L/min或15L/min，其他条件参数依次为无处理、离心式静电场电压为10kV、离心式静电场电压为10kV且开启低温等离子体、离心式静电场电压为15kV、离心式静电场电压为15kV且开启低温等离子体，每个条件测试时间为5min；

b)同时连接抽气泵、OPC和BioStage(内置细菌或真菌培养基)，设置总气流量为29.5L/min，其他条件参数依次为无处理、离心式静电场电压为15kV、离心式静电场电压为15kV且开启低温等离子体，每个条件测试时间为10min，细菌培养基48h后数板，真菌培养基72h后数板。

此空气净化设备在不同条件下的去除效率如图2至图4所示：

图2为不同测试条件下颗粒物(0.3-20μm)粒径谱分布和浓度箱线图，从图2的(a)、(c)中可以看出，打开净化设备后，通过设备的空气中不同粒径段颗粒物浓度都有所下降，且电压越高，去除效果越好，低温等离子体对离心式静电场去除效率有增强的作用；从图2的(b)、(d)中可以看出，流量越小，净化设备的效率越高；

图3显示了总气流量为5L/min时空气中颗粒物(0.3-20μm)的去除效率，从图3中可以看出，电压越高，去除效率越高，且低温等离子体对低电压静电场去除效率的增强效果更大，离心式静电场电压为17kV且开启低温等离子体时，颗粒物(0.3-20μm)去除效率最高，为97.1％；

图4显示了不同测试条件下空气中颗粒物(0.3-20μm)的去除效率，从图4中可以看出，低流量(5L/min或15L/min)下，离心式静电场电压为15kV且开启低温等离子体时，颗粒物(0.3-20μm)去除效率可以达到90％；

图5显示了总气流量为29.5L/min时空气中可培养细菌的灭活效率，从图5中可以看出，离心式静电场电压为15kV且开启低温等离子体时，可培养细菌的灭活效率可以达到95％以上。