CN102614537B - 一种空气净化方法和使用这种方法的空气净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气净化方法和空气净化装置，空气净化方法是利用多孔导电金刚石膜阳极在电解液中产生的强氧化剂羟基自由基，将空气中溶解或分散于水的甲醛、苯、一氧化碳氧化生成二氧化碳和水，同时将病毒、细菌氧化灭活，达到净化空气的目的。空气净化装置包括壳体（1）、电化学反应容器（2）、引风机（3）和直流电源（4）。这种方法安全，高效，广谱，无二次污染排放，可以将空气中的甲醛、苯氧化生成二氧化碳和水，同时将病毒、细菌氧化灭活，经电解液过滤后的清新空气经气液分离排气***排出。它具有功耗低、成本低、零污染排放等优点。这种装置具有结构简单、体积小、功耗低、寿命长、维护方便、成本低、零污染排放等优点。

Description

一种空气净化方法和使用这种方法的空气净化装置

技术领域

本发明涉及空气净化方法和空气净化装置，具体涉及一种利用多孔导电金刚石膜对空气进行净化的方法和装置。

背景技术

随着社会的发展，室内空气污染已经成为危害人体健康的重要因素之一，室内空气污染物主要包括：家庭装修材料释放的甲醛、苯等有机气体分子、烟叶燃烧产生的一氧化碳及烟尘颗粒、空气中的细菌、病毒等。现有的空气净化方法主要有：物理吸附过滤法、化学试剂处理法、光催化法、负离子材料催化法。其中物理吸附过滤法主要采用活性炭等多孔材料作为吸附剂，由于价格较低，目前应用较广。但过滤材料的吸附能力存在一个限度，当吸附与脱附速率达到平衡时，吸附剂就会失效，需要对过滤材料及时地进行更换或再生，否则过滤材料很容易变成细菌滋生的温床，变成二次污染源。另外，经常更换滤芯，也增加了使用成本。化学试剂处理法容易引入二次污染物。光催化法一般需要使用紫外线激发，过量的紫外线照射会对人眼和皮肤造成伤害。负离子材料法催化法需要将材料涂覆在墙壁或家具表面，价格较贵，且施工质量对催化效果影响较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种安全、高效、广谱、无二次污染排放的空气净化方法和空气净化装置。

本发明的技术解决方案是：

一种空气净化方法，其特征是利用多孔导电金刚石膜阳极在电解液中产生的强氧化剂羟基自由基，将空气中溶解或分散于水的甲醛、苯、一氧化碳氧化生成二氧化碳和水，同时将病毒、细菌氧化灭活，达到净化空气的目的，具体步骤如下：

1、          将空气引入电解液中并曝气形成微小气泡分散在电解液中，空气中的部分甲醛、苯、病毒、细菌等有害物质溶解在电解液中，与电解液发生反应或被灭活，没有溶于电解液中的有害物质随微小气泡不断上升；

2、          在电解液中设置一下一上相平行分布的多孔导电金刚石膜阳极板和多孔金属阴极板并施加直流电压，多孔导电金刚石膜阳极板在电解液中电解水在多孔导电金刚石膜阳极板表面产生的强氧化剂羟基自由基，微小气泡在经过多孔导电金刚石膜阳极板表面时羟基自由基将微小气泡中的甲醛、苯、一氧化碳氧化生成二氧化碳和水，同时将病毒、细菌氧化灭活，实现空气过滤；

3、          经过电解液过滤后的空气经过多孔导电金刚石膜阳极板和多孔金属阴极板上的通孔继续上升，在电解液液面排出，完成空气净化；

电解液为Na₂SO₄ 、KOH和NaOH中的一种，电解液溶液浓度为0.05-0.15M；多孔导电金刚石膜阳极板和多孔金属阴极板之间施加的直流电压为1-3V。

使用上述方法对空气进行净化的空气净化装置，它包括壳体，壳体内设有电化学反应容器、引风机和直流电源，引风机的进风口上连接有与壳体外部相连通的引风管，引风机的出风口上连接有输气管、输气管的另一端连接有电磁阀，电磁阀的另一个口与安装在电化学反应容器内底部上方的具有多个曝气口的曝气管相连通，电化学反应容器内曝气管的上方一下一上水平设有多孔导电金刚石膜阳极板和多孔金属阴极板，电化学反应容器内填充有液面没过多孔金属阴极板的电解液，电化学反应容器的顶部设有与壳体外部相连通的排气管，壳体的外壁上设有控制面板，控制面板通过导线分别与引风机、直流电源和电磁阀相连，直流电源通过导线分别与导电金刚石膜阳极板、多孔金属阴极板和引风机相连。

本发明的技术效果是：这种方法安全，高效，广谱，无二次污染排放，可以将空气中的甲醛、苯氧化生成二氧化碳和水，同时将病毒、细菌氧化灭活，经电解液过滤后的清新空气经气液分离排气***排出。这种装置具有结构简单、体积小、功耗低、寿命长、维护方便、成本低、零污染排放等优点。

附图说明  

图1为本发明实施例剖视结构示意图；

图2为本发明实施例多孔导电金刚石膜阳极板剖视结构示意图。

具体实施方式

一种空气净化方法：经过净化后的清洁空气中的水蒸汽还需要利用水蒸气冷凝挡板进行回收。

多孔导电金刚石膜阳极板是以硅片为基体，先采用湿法刻蚀形成通孔阵列，再采用化学气相沉积法掺杂硼或氮元素在硅基体上双面沉积高电导率金刚石膜，使硅片表面全部被金刚石膜覆盖，且留有通孔。

在浸于电解液中的多孔导电金刚石膜阳极板上施加正电压使水电解，在多孔导电金刚石膜阳极板表面会产生羟基自由基（·OH），羟基自由基是公知的强氧化活性基团，氧化能力仅次于氟(羟基自由基产生机理见参考文献[1]),可将电解液中溶解的甲醛、苯、一氧化碳直接氧化成二氧化碳和水，同时将细菌氧化灭活。

多孔导电金刚石膜阳极板的加工方法是选用厚度为0.3mm、直径为50mm的导电硅片作为基体，采用湿法刻蚀，在硅片上刻蚀大量直径在2mm左右，孔间距在4mm左右的通孔阵列，刻蚀好的硅片采用化学气相沉积法沉积金刚石膜，选择硼酸三甲酯（B(OCH₃)₃）或氮气为掺杂源，甲烷、氢气为前驱气体，在沉积腔压强1.2～1.6×10⁴Pa、基体温度700～900^oC、输入功率6kW条件下，先在硅片的一个表面生长导电金刚石膜；然后重复上述工艺，在硅片的另一个面生长导电金刚石膜。

由于化学气相沉积过程中，存在等离子体基团的扩散现象，因此在硅片被刻蚀的通孔部分，也会生长导电金刚石膜。通过控制生长时间，可以控制金刚石膜生长的厚度，使导电金刚石膜将整个硅片表面覆盖，并且留有大量的通孔。导电金刚石膜的电阻率＜10Ω·cm。

通过上述方法制备的多孔导电金刚石膜具有以下优点：1.可以提供气体流经的通道；2.可以提高电极的表面积，增加电极与电解液的接触面积，提高羟基自由基的产率；3.可以降低金刚石膜与硅片之间的应力，提高金刚石膜与硅片之间的结合力，延长金刚石膜电极的使用寿命。

多孔导电金刚石膜阳极的封装方法:将内径48mm外径52mm左右的两个铜环与多孔导电金刚石膜同心放置，且将金刚石膜夹在中间，沿两铜环外沿用焊锡焊接，在铜环上焊接电极引线，最后用环氧树脂将铜环密封。

多孔导电金刚石膜阳极板与多孔金属阴极板为形状一致的盘状体，将二者上下对置，多孔导电金刚石膜阳极板在下，多孔金属阴极板在上，间距10mm左右，用环氧树脂封装在一起。

多孔金属阴极板为多孔不锈钢板，选用1mm厚的不锈钢板，经机械钻孔，制备孔径2mm左右，孔间距4mm左右的通孔阵列。

参考文献：耿榕，赵国华，刘梅川，雷燕竹，掺硼金刚石膜电极表面产生羟基自由基的原位ESR研究，物理化学学报Acta Phys. Chim. Sin., 2010, 26(6)：1493-1498

使用上述方法对空气进行净化的空气净化装置，如图1、图2所示，它包括壳体1，壳体1内设有电化学反应容器2、引风机3和直流电源4，引风机3的进风口上连接有与壳体1外部相连通的引风管31，引风机3的出风口上连接有输气管5、输气管5的另一端连接有电磁阀6，电磁阀6的另一个口与安装在电化学反应容器2内底部上方的具有多个曝气口的曝气管7相连通，电化学反应容器2内曝气管7的上方一下一上水平设有多孔导电金刚石膜阳极板8和多孔金属阴极板9，电化学反应容器2内填充有液面没过多孔金属阴极板9的电解液10，电化学反应容器2的顶部设有与壳体1外部相连通的排气管21，壳体1的外壁上设有控制面板11，控制面板11通过导线分别与引风机3、直流电源4和电磁阀6相连，直流电源4通过导线分别与导电金刚石膜阳极板8、多孔金属阴极板9和引风机3相连。

电化学反应容器2内电解液10液面上方水平设有相交错设置以增加水蒸汽的冷凝行程的多块水蒸汽冷凝挡板22。多孔导电金刚石膜阳极板8和多孔金属阴极板9分别通绝缘封装材料12安装在电化学反应容器2内。壳体1的侧壁上设有可以观察电化学反应容器2内的反应情况的透明观察窗23。透明观察窗23由透明塑料或玻璃制成，电化学反应容器2的底部设有与壳体1外相通、具有阀门的排液口24，壳体1的底部设有若干个支腿13。引风机3为直流增压风机。

多孔导电金刚石膜阳极板8的基体为多孔导电硅片81，多孔导电硅片81表面通过化学气相沉积法沉积导电金刚石膜层82构成多孔导电金刚石膜83，多孔导电金刚石膜83的周边安装有铜环84，铜环84上焊接有电极引线85。

使用方法：通过排气管，向电化学反应容器中注入浓度为0.1M的Na₂SO₄溶液。操作控制面板11，启动引风机3，引风机3正常工作后，电磁阀6延时3秒打开，同时直流电源4开始向多孔导电金刚石膜阳极板8和多孔金属阴极板9供电，直流电源4输出电压可通过控制面板11调节，将加载在多孔金刚石膜阳极板8与多孔金属阴极板9之间的电压设置为1-3V，因金刚石膜在中性电解液中的电势窗口可达4V，可以有效的抑制电解水析氢析氧副反应。因此在此电压下不会产生氢气。

室内空气经引风管31、引风机3、输气管5、电磁阀6到达电化学反应容器2内的曝气管7，空气通过曝气孔与电解液10混合，空气中携带的甲醛、苯会溶解于水中，一氧化碳、细菌、烟尘颗粒会分散于水中。多孔导电金刚石膜阳极板8表面产生的羟基自由基，可将电解液10中的苯、甲醛、一氧化碳直接氧化成水和二氧化碳，同时将细菌氧化灭活。没有溶解于水的气体会在水中形成小气泡，在电解液10中不断上浮。穿过多孔导电金刚石膜阳极板8与多孔金属阴极板9上的通孔，从电解液10中逸出。经过电解液10过滤后的清洁空气流经水蒸气冷凝挡板22，回收部分水蒸气，最后由排气管21排出。

装置停止工作时，操作控制面板11上的停止按钮，首先电磁阀6关闭，然后直流电源4停止供电，引风机3停止运转。

在控制面板11启动装置后，可将装置设定为自动间歇运行模式，或设定为人工定时运行模式。

装置维护只需定期向电化学反应容器2中补充自来水，当电解液出现浑浊现象时，更换电解液即可。

多孔导电金刚石膜阳极板8具有以下优点：

1.可以提供气体流经的通道；

2.可以提高电极的表面积，增加电极与电解液的接触面积，提高羟基自由基的产率；

3.可以降低金刚石膜与硅片之间的应力，提高金刚石膜与硅片之间的结合力，延长金刚石膜电极的使用寿命。

电解液选择中性Na₂SO₄溶液，用于提供导电离子，优选溶液浓度0.1M。

多孔金属阴极选用1mm厚的不锈钢板，经机械钻孔，制备孔径2mm左右，孔间距4mm左右的通孔阵列。

电化学反应容器2可为圆柱型或圆锥型，材料选用透明塑料或玻璃制成。

本发明空气净化装置总功耗8～10W。

Claims (8)

1.空气净化方法，利用多孔导电金刚石膜阳极在电解液中产生的强氧化剂羟基自由基，将空气中溶解或分散于水的甲醛、苯、一氧化碳氧化生成二氧化碳和水，同时将病毒、细菌氧化灭活，达到净化空气的目的，具体步骤如下：

（1）、将空气引入电解液中并曝气形成微小气泡分散在电解液中，空气中的部分有害物质甲醛、苯、病毒、细菌溶解在电解液中，与电解液发生反应或被灭活，没有溶于电解液中的有害物质随微小气泡不断上升；

（2）、在电解液中设置一下一上相平行分布的多孔导电金刚石膜阳极板和多孔金属阴极板并施加直流电压，多孔导电金刚石膜阳极板在电解液中电解水在多孔导电金刚石膜阳极板表面产生的强氧化剂羟基自由基，微小气泡在经过多孔导电金刚石膜阳极板表面时羟基自由基将微小气泡中的甲醛、苯、一氧化碳氧化生成二氧化碳和水，同时将病毒、细菌氧化灭活，实现空气过滤；

（3）、经过电解液过滤后的清新空气经过多孔导电金刚石膜阳极板和多孔不锈钢阴极板上的通孔继续上升，在电解液液面排出，完成空气净化；

电解液为Na₂SO₄ 、KOH和NaOH中的一种,电解液溶液浓度为0.05-0.15M；多孔导电金刚石膜阳极板和多孔金属阴极板之间施加的直流电压为1-3V；

多孔导电金刚石膜阳极板是以硅片为基体，先采用湿法刻蚀形成通孔阵列，再采用化学气相沉积法掺杂硼或氮元素在硅基体上双面沉积高电导率金刚石膜，使硅片表面全部被金刚石膜覆盖，且留有通孔；

其特征是：多孔导电金刚石膜阳极板的加工方法是选用厚度为0.3mm、直径为50mm的导电硅片作为基体，采用湿法刻蚀，在硅片上刻蚀大量直径2mm，孔间距4mm的通孔阵列，刻蚀好的硅片采用化学气相沉积法沉积金刚石膜，选择硼酸三甲酯或氮气为掺杂源，甲烷、氢气为前驱气体，在沉积腔压强1.2～1.6×10⁴Pa、基体温度700～900^oC、输入功率6kW条件下，先在硅片的一个表面生长导电金刚石膜；然后重复上述工艺，在硅片的另一个面生长导电金刚石膜。

2.如权利要求1所述的空气净化方法，其特征在于经过净化后的清洁空气中的水蒸汽还需要利用水蒸气冷凝挡板进行回收。

3.如权利要求1所述的空气净化方法，其特征在于所述多孔导电金刚石膜阳极板与多孔金属阴极板为形状一致的盘状体，将二者上下对置，多孔导电金刚石膜阳极板在下，多孔金属阴极板在上，间距10mm，用环氧树脂封装在一起。

4.如权利要求1所述的空气净化方法，其特征在于所述多孔金属阴极为多孔不锈钢板，选用1mm厚的不锈钢板，经机械钻孔，制备孔径2mm，孔间距4mm的通孔阵列。

5.使用权利要求1所述空气净化方法对空气进行净化的空气净化装置，它包括壳体（1），其特征在于：壳体（1）内设有电化学反应容器（2）、引风机（3）和直流电源（4），引风机（3）的进风口上连接有与壳体（1）外部相连通的引风管（31），引风机（3）的出风口上连接有输气管（5）、输气管（5）的另一端连接有电磁阀（6），电磁阀（6）的另一个口与安装在电化学反应容器（2）内底部上方的具有多个曝气口的曝气管（7）相连通，电化学反应容器（2）内曝气管（7）的上方一下一上水平设有多孔导电金刚石膜阳极板（8）和多孔金属阴极板（9），电化学反应容器（2）内填充有液面没过多孔金属阴极板（9）的电解液（10），电化学反应容器（2）的顶部设有与壳体（1）外部相连通的排气管（21），壳体（1）的外壁上设有控制面板（11），控制面板（11）通过导线分别与引风机（3）、直流电源（4）和电磁阀（6）相连，直流电源（4）通过导线分别与导电金刚石膜阳极板（8）、多孔金属阴极板（9）和引风机（3）相连。

6.如权利要求5所述的空气净化装置，其特征在于所述电化学反应容器（2）内电解液（10）液面上方水平设有相交错设置以增加水蒸汽的冷凝行程的多块水蒸汽冷凝挡板（22）。

7.如权利要求5所述的空气净化装置，其特征在于所述壳体（1）的侧壁上设有可以观察电化学反应容器（2）内的反应情况的透明观察窗（23），电化学反应容器（2）的底部设有与壳体（1）外相通、具有阀门的排液口（24），壳体（1）的底部设有若干个支腿（13）。

8.如权利要求5所述的空气净化装置，其特征在于所述多孔导电金刚石膜阳极板（8）的基体为多孔导电硅片（81），多孔导电硅片（81）表面通过化学气相沉积法沉积导电金刚石膜层（82）构成多孔导电金刚石膜（83），多孔导电金刚石膜（83）的周边安装有铜环（84），铜环（84）上焊接有电极引线（85）。