專利名稱：一種新型多功能兩維氣-固氣-液耦合流化床光催化空氣凈化系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型多功能兩維氣—固氣—液耦合流化床光催化空氣凈化系統(tǒng)，屬于空氣凈化領域的創(chuàng)新。
統(tǒng)計資料表明，目前人們有80-90％的時間是在室內度過的，嬰幼兒、老弱病殘者呆在室內的時間就更長。室內空氣質量的好壞直接關系到人們的身心健康，因而室內空氣污染也就成了世人關注的焦點之一。實際上，室內空氣污染已成為人類的健康殺手。統(tǒng)計資料表明，目前全球約有68％的疾病與室內空氣污染有關，發(fā)展中國家每年有200萬例超額死亡為室內空氣污染所致。我國每年由室內空氣污染引起的超額死亡人數就超過11萬，僅1995年我國因室內污染危害導致的經濟損失就高達107億美元，可見室內空氣污染已成為嚴重影響人類健康的全球性公害。提供優(yōu)良的室內空氣凈化裝置，建立潔凈的生活空間已成為人們的迫切需求。
室內空氣污染物主要有以下幾類(1)放射性污染，主要是來源于土壤、建筑和裝飾材料等的放射性物質氡及其衰變產物；(2)揮發(fā)性有機物(VOC)，如苯，甲苯，二甲苯，甲醛，烴類，氯仿等，其中很多為強致癌物質。它們主要來源于建筑裝飾材料、涂料、油漆、地毯、熱淋浴、卷煙的煙霧等；(3)其他有害氣體，如氮化物、硫化物、砷化物等，主要來自于建筑裝飾材料及化石燃料的燃燒；(4)可吸入顆粒物，如空氣中漂浮的微塵；(5)微生物，如細菌、病毒及霉菌等。
室內空氣凈化的方法主要包括(1)物理方法即采用過濾、吸附和電沉積等方法捕集空氣中的污染物，此類技術不能從根本上消除污染物，被捕集到的污染物在后處理過程中仍將對環(huán)境造成二次污染；(2)熱催化于一定溫度下進行催化氧化分解空氣中的有害物質。該方法雖然可以徹底凈化空氣中的揮發(fā)性有機物及部分有害氣體，但使用中產生的熱量會導致環(huán)境溫度升高，使其應用范圍受到限制，也容易引發(fā)一些不必要的事故；(3)光催化是在紫外光(UV)的作用下，于半導體光催化劑表面分解或者氧化空氣中的有害物質。研究表明光催化幾乎可以將空氣中所有的揮發(fā)性有機物(VOC)分解為無害的二氧化碳和水，并能有效地殺滅各種病菌，同時也可將有害氣體氮化物、硫化物及砷化物等氧化成氧化物(如NOx、SOx等)形式。
雖然關于光催化空氣凈化的研究很多，但是要實現規(guī)?；瘧蒙写嬖谡系K，主要是缺乏能除去空氣中所有污染物的高效光催化反應器。目前大多使用“膜”反應器來實施光催化空氣凈化(如美國專利4954465，5933702；實用新型專利99217659.X，實用新型專利申請91232342.6等)，即將半導體催化劑(如TiO2等)涂覆于反應器內壁及內構件表面，空氣在紫外光照射下流經反應器，在光催化劑表面(反應器內壁、內構件表面等)，將污染物分解成無害物質。這類反應器中空氣與催化劑的接觸面積小，且大部分空氣在流經反應器時根本接觸不到涂在反應器內壁的催化劑。由于光催化反應只在紫外光和光催化劑的共同作用下才會發(fā)生，故這類反應器的催化除污效率低。為了提高催化除污效率，人們采用了固定床光催化反應器以增加空氣與催化劑的接觸效率(如美國專利5045288，實用新型專利9720552.9等)，但是固定床光催化反應器也存在嚴重不足(1)由于光線不能透過催化床層，故只有固定床表面的催化劑起作用，造成催化劑利用率低；(2)氣體通過固定床的壓降與顆粒直徑平方成反比，與床層高度成正比，固定床光反應器的放大較為困難。
流化床反應器可實現氣-固(催化劑)的高效接觸，是較為理想的光催化反應器。光催化流化床反應器較多地用于污水處理(如申請?zhí)枮?0112091.3的發(fā)明專利，實用新型專利00219445.7等)，也被用于空氣凈化。Raupp在專利號為5045288的美國專利“氣-固光催化氧化環(huán)境污染物”(Gas-solid photocatalytic oxidation of environmental pollutants，US Patent 5045288，Sep.3，1991)中采用流化床光催化反應器凈化空氣，該專利涉及一三維流化床光催化反應器，UV光源置于反應器外。王良焱等在實用新型專利“光催化空氣處理器”(專利號99236007.2)”中也設計了一種光催化流化床空氣凈化器，該反應器為一立桶式三維床流化床，UV光源置于反應器內。
雖然流化床光催化反應器具有氣-固接觸效率好、紫外光利用率高等優(yōu)點，但是現有的流化床光催化空氣凈化技術也存在如下不足(1)容易引起二次粉塵污染由于催化劑顆粒在流化床內的相對運動，以及與器壁、燈鞘等的碰撞和摩擦，不可避免地產生微細顆粒，細小顆粒極易隨氣體夾帶揚析而進入室內，造成二次粉塵污染。微細粉塵(特別是粒徑小于1μm的粉塵)在空氣極難沉降，易隨呼吸進入人體，深入肺部，引發(fā)各種呼吸系統(tǒng)疾病，對人體健康危害極大。常規(guī)方法(如旋風分離)很難脫除流化床尾氣中的微細粉塵，因此簡單高效地脫除流化床光催化反應器出口尾氣中的微細粉塵、避免造成二次粉塵污染是流化床光催化反應器成功應用于室內空氣凈化的關鍵。(2)空氣凈化不徹底現有的流化床光催化反應器只能對空氣中的有機揮發(fā)物、細菌等有害物質進行凈化，不能有效去除空氣中的可吸入顆粒物、放射性污染物及酸性有害氣體(SOx，NOx，CO2等)。因此現有的流化床光催化空氣凈化技術尚不能實現室內空氣的徹底凈化。(3)放大不易現有技術一般采用三維流化床反應器，由于紫外光在流化床內穿透距離有限，對于半徑超過紫外光穿透距離的大直徑三維流化床，位于邊壁處的催化劑就無法接觸到紫外光，所以三維流化床光催化反應器也存在放大困難的問題。
本發(fā)明正是針對現有技術的上述不足，設計出了一種新型多功能兩維氣—固氣—液耦合流化床光催化空氣凈化系統(tǒng)，可有效除去空氣中的各種污染物，對空氣進行深度凈化，并同時具有結構簡單、易于放大、光催化效率高、安全可靠等特點。
本發(fā)明的目標是通過如下方案實現的本發(fā)明設計的空氣凈化系統(tǒng)主要由氣—固流化床光催化反應器和氣—液流化床反應吸收器兩部分耦合而成。
氣—固流化床反應器為一兩維流化床，由殼體、紫外燈、燈鞘、半導體光催化劑、軸流風扇(泵)、氣體過濾分布板、頂部折流擋板和濾網構成，是光催化分解空氣中氣體污染物(揮發(fā)性有機物和其他有害氣體)和殺滅細菌等微生物的反應器。兩維床的厚度小于或等于紫外光在流化床中最大穿透厚度的兩倍，可保證所有的催化劑都能接觸到紫外光，兩維床的寬度由處理的氣量確定，通過調節(jié)兩維床的寬度，可適應不同場合對處理氣量的需求，也可以很容易地實現放大。
氣—液流化床反應吸收器也為一兩維流化床，由水箱、多孔氣體再分布板、清洗水出口、溢液板及水等組成，用于對經氣—固流化床光催化反應器初步凈化的空氣進行深度、徹底凈化，除去空氣中的微細塵埃(包括可吸入顆粒物、放射性微塵等)、有害氣體(如CO2，NOx，SOx等)等。經氣—固流化床反應器初步凈化過的氣體，由氣—液流化床吸收器下部的氣體再分布板進入氣—液流化床吸收器，與其中的水溶液充分混合，有效地脫除尾氣中的微細塵埃；可在水中加入表面活性劑，增強水溶液對微塵的吸附效果；在吸收水中加入適量的堿，吸收空氣中的酸性氣體(如CO2、SOx及NOx等)，還可以根據需要在吸收水中加入適宜的香料以清新空氣。
根據方便美觀、節(jié)約占地面積的原則，氣—液流化床反應吸收器可以置于氣—固反應器的前面、后面或側面。


圖1是橫截面為扁矩形的兩維氣—固流化床光催化反應器的結構示意圖。
圖2是氣—液流化床吸收器的結構示意圖。
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
污染空氣(1)經軸流風扇(2)鼓入反應器入口，通過氣體過濾分布板(3)進入光催化反應器(5)，使催化劑(4)充分流態(tài)化，在紫外燈(7)的照射下催化分解空氣中的氣體污染物并對空氣進行殺毒滅菌，然后經過折流板(8)和濾網(9)使其中的顆粒物基本被截留，經初步凈化后的空氣通過反應器出口(10)排出，進入氣—液流化床反應吸收器進行深度凈化。
經光催化反應初步凈化的空氣由氣體下行管(11)進入氣—液流化床反應吸收器，通過氣體再分布板(15)分散進入水溶液，通過反應吸收除去其中的細顆粒物和害氣體后排入室內。其中，12為水溶液吸收區(qū)，13為溢液區(qū)，14為清洗水排出口，16為吸收水溶液，17為溢液板，18為頂部敞開口，供凈化氣體排出及吸收水加入。
本發(fā)明提供了一種新型多功能兩維氣—固氣—液流化床光催化空氣凈化系統(tǒng)，可克服現有技術的不足，高效地除去空氣中的污染物。該系統(tǒng)具有以下顯著特點1)采用兩維流化床反應器，使光催化反應器易于放大，適用于不同的場合；2)氣—液流化床反應吸收器可有效地除去空氣中的可吸入顆粒物、放射性微塵和由氣—固反應器產生的細小粉塵，徹底脫除空氣中微粉塵污染；3)氣—液流化床反應吸收器吸收脫除空氣中的CO2、NOx、SOx等酸性氣體，可對空氣實施深度凈化；綜上所述，本發(fā)明所設計流化床光催化空氣凈化系統(tǒng)不僅能夠與現有技術一樣有效地分解空氣中的揮發(fā)性有機污染物、殺滅空氣中的病菌，同時還避免了現有技術容易產生二次粉塵污染，并克服了現有技術不能有效脫除空氣中的可吸入顆粒物及酸性有害氣體的缺點。
本發(fā)明所設計流化床光催化空氣凈化系統(tǒng)能夠全面脫除空氣中包括揮發(fā)性有機物(VOC)、放射性污染、有害氣體(氮化物、硫化物、砷化物等)、可吸入顆粒物和微生物(細菌、病毒及霉菌等)等在內的所有污染物，對被污染空氣進行徹底凈化。該空氣凈化系統(tǒng)適用于對居室、公共場所(如醫(yī)院，學校，電影院等)等場所進行空氣凈化。
實施例一氣—固流化床光催化反應器殼體采用3-5mm的鋁板材質。為增加光的利用率，在該反應器的殼體內層鍍上反光物質，氣—液流化床吸收器采用普通的塑料材質。催化劑采用最常用的光催化劑TiO2，粒徑在20-50微米，光源采用高壓汞燈。
待處理空氣經軸流風扇、過濾布及氣體分布板送入氣—固流化床反應器。空氣流經殼體時，使得催化劑顆粒懸浮充分流態(tài)化，空氣、催化劑表面及紫外光充分接觸，高效地將空氣中的有機物(VOC)分解為二氧化碳和水、將硫化物(H2S等)、氮化物(NH3等)催化氧化為氧化物，同時殺滅細菌、病毒等。經初步凈化的空氣通過反應器頂部的折流板和濾布，濾掉其中的較大顆粒催化劑后再進入氣—液流化床吸收凈化器，洗掉其中的細小粉塵，包括放射性微塵。在吸收水中加入適量的0.1N的NaOH吸收空氣中的酸性氣體(如CO2，SOx，NOx等)，達到完全脫除有害物質的目的。同時還可以根據需要在吸收水中加入適宜的香料以清新空氣。經徹底凈化的空氣由氣—液流化床吸收凈化器的頂部空氣出口排入室內。
實施例二當催化劑在可見光范圍具有凈化空氣的催化活性時，采用太陽光作為光源。氣—固流化床光催化反應器殼體采用3-5mm的透明有機玻璃或玻璃材質，并移去反應器內的紫外燈；氣—液流化床吸收器采用普通的塑料材質。將該氣—固流化床光催化反應器掛于室外便于受光的墻壁上。
權利要求
1.一種新型多功能兩維氣—固氣—液耦合流化床光催化空氣凈化系統(tǒng)。污染空氣經軸流風扇鼓入氣—固流化床反應器，通過氣體過濾分布板進入光催化反應器，使催化劑顆粒充分流態(tài)化，在紫外燈的照射下催化分解空氣中的有害物質并對空氣進行殺毒滅菌，然后經過折流板和濾網除去懸浮于氣體中的大粒徑顆粒物；經氣—固流化床反應器初步進化的空氣通過反應器出口排出，進入氣—液流化床反應吸收器，除去氣體中的微細顆粒物及其他有害氣體后排入室內。
2.按權利要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其特征在于將氣—固光催化反應器與氣—液流化床反應器耦合起來，全面清除空氣中的各種有害物質。
3.按權利要求1所述的氣—固流化床反應器，其特征在于采用二維流化床反應器，使光催化反應器易于放大，可用于不同的場合。
4.按權利要求1所述的氣—固流化床反應器，其特征在于在反應器的頂部設置折流擋板及濾網。
5.按權利要求1所述的氣—液流化床反應器，其特征在于采用水溶液反應吸收的原理，進一步對經氣—固流化床反應器初步凈化的空氣進行深度凈化。
6.按權利要求5所述的氣—液流化床反應器，其特征在于在反應器底部設置多孔氣體分布板，在反應器下部設置洗液出口，在反應器上部設置溢液板；在氣—液流化床反應器中加入填充物(如填充隔板等)，增強氣液接觸效果。
7.按權利要求5所述的氣—液流化床反應器，其特征在于采用水溶液吸收系統(tǒng)消除微小塵埃物，避免造成粉塵二次污染。
8.按權利要求5所述的氣—液流化床反應器，其特征在于在溶液中加入表面活性劑，增強其對微細粉塵的脫除效果。
9.按權利要求5所述的氣—液流化床反應器，其特征在于加入適量的堿形成水溶液，脫除空氣中的CO2、NOx、SOx等酸性有害氣體，達到完全脫除有害物質的目的。
10.按權利要求5所述的氣—液流化床反應器，其特征在于可加入香料于水溶液中以清新空氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型多功能兩維氣－固氣－液耦合流化床光催化空氣凈化系統(tǒng)。其特征是該空氣凈化系統(tǒng)由氣－固流化床光催化反應器和氣－液流化床反應吸收器耦合而成。氣－固流化床光催化反應器由反應器入口軸流風扇(泵)、內層鍍反光物質的殼體、TiO
文檔編號A61L9/20GK1478586SQ0212951
公開日2004年3月3日 申請日期2002年8月29日 優(yōu)先權日2002年8月29日
發(fā)明者朱慶山, 雷澤, 李洪鐘, 李鳳霞 申請人:中國科學院過程工程研究所