一种基于介质阻挡放电和PI纳米膜过滤的室内空气净化器的制作方法与工艺

本发明涉及室内空气净化领域，尤其涉及一种基于介质阻挡放电和PI纳米膜过滤的室内空气净化器。

背景技术：
一般情况下，人一天中70％～90％的时间是在室内度过的，室内空气品质与居住者的工作效率与身心健康状况均直接相关，而室内空气污染物中最主要的为可吸入颗粒(PM2.5)及挥发性有机化合物(VOCs)。人体的生理结构决定了对PM2.5没有任何过滤、阻拦能力,特别的是，粒径小于1μm的颗粒(PM1.0)，会直接进入肺泡，其对人体健康影响更大。室内的建筑装饰材料、家具、装修制作过程中使用的粘合剂、漆料以及日常生活中使用的洗涤剂、化妆品等化学合成品带来的挥发性有机化合物(VOCs)，如甲醛、甲苯、氯化物、丙酮、苯酚等将对人的呼吸道、神经系统、肝脏、肾脏和消化系统将造成严重伤害。因而开发一种能够同时净化室内空气中PM1.0和VOCs的技术已成为当务之急。目前国内外对室内空气的净化方法主要有静电除尘法、湿式除尘法、吸附净化法、生物过滤法、非平衡态等离子体法和纳米光催化氧化法。但单独使用以上技术普遍存在处理效果不佳、经济性较低等问题。其中，静电除尘法需要振动击打集尘级，定期清灰，而且静电场对VOCs不起作用，基本无脱除效果；湿式除尘法必须建立一套水循环系统，对于小型生活用装置而言，成本高，维护困难；低温等离子体法具有装置简单、压降低、启停方便、设备紧凑和可在常温常压下工作等优势，但在等离子体自由基反应过程中，同时产生O3等有害副产物。例如公开号为CN102777986A的中国专利文献公开了一种室内空气净化装置，涉及空气净化技术领域，所解决的是提高室内空气净化效果的技术问题。该装置包括箱体，及从下至上依次安装在箱体内的风机、光触媒模块、离子发生器；所述箱体的下部设有进风口，其顶部设有出风口；所述风机的排风口向上，吸气口正对箱体下部的进风口；所述光触媒模块有多个，从上至下布设，每个光触媒模块均设有多块涂附有光触媒涂层的玻璃基板，每个光触媒模块中均设有紫外线发生器；所述箱体内设有一位于两个光触媒模块之间的空气加热舱，空气加热舱内设有远红外加热器、温度感应器；所述箱体下部的进风口上遮盖有一透气活性炭滤板。该方案综合运用了活性炭吸附除尘和红外线杀菌等技术，对于同时除尘和杀菌起到了一定的效果，但是该方案中依靠活性炭吸附的方法对于微小颗粒物的去除效果不佳，而且依靠活性炭吸附的去除效率太低。另外现有工业上用于除尘的空气净化装置，通常设置了多层过滤膜，以达到较高的除尘的效果。但是这些空气净化装置体积庞大，由于进风口和出风口之间压力差很大，需要大功率的风机，不但耗电大，噪音也大，不适合室内使用。

技术实现要素：
为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了基于介质阻挡放电和PI纳米膜过滤的室内空气净化器，节能环保、运行成本低、无二次污染、可适用于不同室内工况。本发明解决问题的技术方案为：一种基于介质阻挡放电和PI纳米膜过滤的室内空气净化器，包括具有风道的箱体，箱体两端分别是和风道连通的进口和出口，该进口处安装有风机，所述风道内安装有介质阻挡放电装置；所述箱体的出口安装有带净化气出口的PI纳米膜过滤罩。所述介质阻挡放电装置通过介质阻挡放电产生低温等离子体，将室内挥发性有机气体最终降解为CO2、H2O和其他产物。PI纳米膜为纳米级过滤膜，可以去除空气中的PM1.0。经过双重净化处理可以同时实现对空气中有机污染物和固体污染物的去除。本发明中所述的PI纳米膜也叫聚酰亚胺纳米膜。作为优选，所述PI纳米膜过滤罩包括固定框以及以折叠方式安装在该固定框上的PI纳米膜。作为优选，PI纳米膜的纳米纤维平均直径为50～800nm；PI纳米膜的孔径为0.1～5μm，厚度为0.5～100μm。发明人发现这种规格的PI纳米膜对PM1.0可达到99％以上的去除效率。本发明所采用的PI纳米膜的孔径较小，虽然可以拦截微小颗粒，但是会增加一定量的气体阻力，对过滤效率以及风机的功耗都有影响，由于其过滤效率较高，增加能耗较少，所以总体上获得的效益要高于普通过滤材料。通常介质阻挡放电在去除气体中污染物的同时，会产生少量的O3，O3可以起到杀菌作用，通常在工业应用领域中少量O3直接排入空气中，但是对于室内空气净化时O3应当去除，否则会影响人体健康。作为优选，所述风道中设有位于介质阻挡放电装置和PI纳米膜过滤罩之间的多孔催化板，所述多孔催化板上负载有MnO2。所述催化板为蜂窝陶瓷板，蜂窝陶瓷板上负载MnO2催化剂。蜂窝陶瓷板孔隙率高，可以增大MnO2与空气的接触面积。作为优选，所述PI纳米膜过滤罩为六面体，PI纳米膜过滤罩的一侧面为封闭面，与该封闭面相对的侧面与风道连通，剩余四个侧面均设有净化气出口。所述封闭面正对箱体的出口，而净化气出口设置在四个侧面，各个净化气出口均设有PI纳米膜，一方面是改变气体流向，另一方面增大了过滤面积，降低了净化气出口压力，降低气流速度，增加固体颗粒物沉降速度，提高过滤效率。为了对上述方案进行进一步优化，在不增大净化器的前提下实现过滤面积的最大化，。将PI纳米膜叠置后，将PI纳米膜的过滤面积增大数倍，进一步增加过滤效率，较少能耗。作为进一步优选，所述固定框包括叠置PI纳米膜以增大过滤面积的折叠架以及与折叠架配合固定PI纳米膜的压框。作为优选，所述折叠架包括相对设置的两个固定板，以及设置在固定板之间的多个叠膜杆；所述叠膜杆包括平行的两组，各组叠膜杆间隔布置，两组叠膜杆之间相互错位；所述压框具有排梳状的压齿，压齿的尺寸与同一组相邻叠膜杆的间距相匹配，压齿的间距与叠膜杆尺寸匹配。所述缠绕PI纳米膜的叠膜杆直径为3～5mm，长度为180～220mm。相邻叠膜杆之间的配合使PI纳米膜有更大的过滤面积，增强捕集颗粒物的效果。作为优选，所述介质阻挡放电装置包括设置在风道里的电极板，所述箱体外壁固定有高压电极接线柱和接地电极接线柱；所述电极板由电极框及交叉布置的多个电极条组成；所述电极条由电极丝和罩于电极丝之外的介质管构成，相邻电极丝分别通过高压电极接线柱和接地电极接线柱连接高压电源和接地线。优选地，所述高压电极采用直径为5～15mm，长度为690～2000mm的长直电极棒，高压电极由上下两个电极板固定，达到并联的效果；所述接地电极由宽度为1～10mm，厚度0.8～2.5mm的金属带在放电管上缠绕而成。所述高压电极、接地电极及电极板的材质为不锈钢、铜或铝中的一种。优选地，所述电极丝采用直径1～5mm的柱状金属丝，高压电极丝和接地电极丝交替布置，电极丝之间间距选用5～30mm。优选地，所述高压电极与接地电极之间负载电压为5kV～40kV,频率为50～5000Hz。优选地，所述PI纳米膜过滤罩中的固定框由有机玻璃制成。有机玻璃的厚度为10～20mm。作为优选，所述箱体外壁设置有伸入风道的两个气管接头，所述两个气管接头分别位于电极板的上游和下游。本发明的有益效果在于：联合介质阻挡放电和物理过滤及化学催化三种技术，利用低温等离子体和化学催化的协同作用，提高定向氧化的能力，将室内挥发性有机气体最终降解为CO2、H2O和其他产物，进一步增强其处理效果，同时降低能耗，减少二次污染，利用物理过滤的筛滤等作用，将室内细小颗粒物脱除。其中，催化剂能改变放电类型并提高加速电子的分布、产生新的反应物质；同时催化剂在等离子体氛围中活性组分增强，表面吸附过程改善、热激发增强等。本发明的另一个优点在于，将电极设计成隔板式，用局部放电代替全程放电，充分利用局部放电产生的等离子体的活性，为活性粒子的反应提供了足够的空间，避免了反应过程的重复放电造成的电能损失，相比全程放电降低了能耗，也减少了二次污染；设计成窄间隙双介质阻挡放电，电极间距减小，电离所需的电压会相应降低，相比间距较大的电极布置形式，对主反应装置的耐压降低了要求，能耗也降低；同时气体经过电极丝密布的放电区域时，气体分布更均匀，大大提高了活性粒子的产生几率。此外，本发明将过滤膜设计成折叠式，通过叠膜杆对PI纳米膜进行来回缠绕，实现过滤面积的最大化。采用的PI纳米膜对极细颗粒物有高效筛滤、惯性碰撞与拦截等作用，经测试这种新型纳米材料聚酰亚胺过滤膜对PM1.0可达到99％以上的去除效率。附图说明图1为本发明的一种基于介质阻挡放电和PI纳米膜过滤的室内空气净化器结构示意图。图2为图1拆解后的示意图。图3为单块电极板的结构示意图。图4为图3的A-A剖面图。图5为图3的B-B剖面图。图6为电极条排列示意图。图7为固定框和PI纳米膜的示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。PI纳米膜的制备方法：取等摩尔量的均苯四甲酸二酐(PMDA)和对苯二胺(PPD)分别溶解于N，N二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，在氮气保护下强力搅拌，同时将PMDA溶液缓慢滴加到PPD溶液中，在15℃下反应1h，然后将反应体系升温至25℃反应3h，得到聚酰胺酸(PAA)溶液；将所得聚酰胺酸(PAA)溶液移至10ml针筒中，针头采用16G～24G点胶针头，之后将针筒加装在注射泵上，针头连接直流高压电源，接收筒加装铝箔并接地，在常温、常湿度条件下进行静电纺丝；注射泵注射速度为1～2ml/h，电压为10～15kV，接收距离为10～20cm，接收筒转速为50r/min；之后将铝箔上的薄膜置于室温下干燥24h，然后以5℃/min的升温速率在马弗炉中加热至300～250℃并保持4h，使聚酰胺酸亚胺化形成聚酰亚胺(PI)纳米膜。本发明的基于介质阻挡放电和PI纳米膜过滤的室内空气净化器净化空气的过程如下：(1)室内待处理空气经风机引风，进入箱体的风道；(2)待处理空气首先经过介质阻挡放电装置，高压电极接线柱和接地电极接线柱之间高压放电产生高能电子，这些高能电子与气体分子(如N2、O2和H2O等)、原子发生非弹性碰撞后会产生活性粒子(如N2*，O·和·OH等)，活性粒子非常不稳定，活性粒子可以将空气中的挥发性有机污染物氧化。(3)然后待处理空气经过位于箱体出口的蜂窝陶瓷板，蜂窝陶瓷板上负载的MnO2能够脱除等离子体放电产生的O3，防止O3对室内空气造成二次污染。(4)经步骤(2)和(3)处理后的气体进入PI纳米膜过滤罩，PI纳米膜对来流气体起筛滤、惯性碰撞、拦截等作用，来流气体中的细颗粒物被阻截，得到净化空气从四个侧面的出口回归室内空间。综上内容，本发明所提供的介质阻挡放电和PI纳米膜过滤的室内空气净化器，联合介质阻挡放电和物理过滤及化学催化三种技术，相比单一处理技术，整体反应更高效，整体装置运行成本降低，节省能源，二次污染少，结构紧凑，占地面积小。且由于采用隔板式电极形式，相比全程放电降低了能耗，也减少了二次污染。另外布置在四个侧面的折叠式PI纳米膜，能够高效脱除空气中的极细颗粒物(粒径1μm以下)。装置整体脱除效率高，经济性好，二次污染少，其中当降解VOCs效率达85％时，其单位能耗约为同水平现有技术的十分之一，产物为CO2、H2O等安全产物。实施例1如图1所示，一种基于介质阻挡放电和PI纳米膜过滤的室内空气净化器，包括一个箱体1，箱体1内为供气体通过的风道，箱体1的两端分别是跟风道连通的进口2和出口3。进口2处通过法兰安装有将室内空气引入风道的风机4，箱体1内安装有介质阻挡放电装置5，出口3通过法兰安装有PI纳米膜过滤罩6，箱体1的风道内靠近出口3处安装有蜂窝陶瓷板，蜂窝陶瓷板上负载有MnO2。箱体1上设有测量口7，其作用是方便测量风速、压力等参数。介质阻挡放电装置5前后各设有一个有机玻璃气管接头8，在装置工作过程中接上导气管可以直接测量介质阻挡放电装置5前后压降。箱体1外壁固定有高压电极接线柱9和接地电极接线柱10。参见图2～图5，介质阻挡放电装置5包括多个平行设置在风道里的电极板11，电极板11由电极框12及交叉布置的多个电极条13组成。电极条13由电极丝14和罩于电极丝之外的介质管15构成，电极框12和介质管15的材料均为石英玻璃。电极条13分为两层，不同层的电极条相互垂直，同一层的电极条相互平形，同一层相邻的电极丝分别通过高压电极接线柱9和接地电极接线柱10连接高压电源和接地线。电极框12上设有插接电极条的插口16，连接高压电源的电极丝为高压电极丝，接地的电极丝为接地电极丝，导线17将各个高压电极丝串接起来连接到高压电源，导线18将各个接地电极丝串接起来连接到接地线。高压电极丝和接地电极丝从各自介质管的一端引出，而且方向相反。例如高压电极丝从左侧引出，则接地电极丝从右侧引出，这样设置的好处在于从同一侧引出的是同一类电极丝，用一根导线将该同一类的电极丝连接起来通过高压接线柱或者接地接线柱连接到箱体外。参考图1、图2和图7，PI纳米膜过滤罩6整体外形为六面体结构，PI纳米膜过滤罩6的一侧面为封闭面19，与该封闭面19相对的侧面有开口且与风道连通，剩余四个侧面均设有净化气出口20，各个净化气出口20处设有PI纳米膜21以及将PI纳米膜21绕置呈折叠状的固定框22。固定框22包括叠置PI纳米膜21的折叠架，以及与折叠架配合的压框23。折叠架包括相对设置的两个固定板24，两个固定板24之间设有多个叠膜杆25。叠膜杆25包括平行布置的两组，分别为第一组叠膜杆25a和第二组叠膜杆25b。第一组叠膜杆25a之间以及第二组叠膜杆25b之间均有一定间隔。第一组叠膜杆25a和第二组叠膜杆25b相互错位。压框23具有排梳状的压齿26，压齿26的宽度与同一组相邻叠膜杆25的间距相匹配，压齿26的间距与叠膜杆25的直径匹配。实施例2对于实际应用系统，本发明的基于介质阻挡放电和PI纳米膜过滤的室内空气净化器可以联合多个辅助系统实现智能提醒和远程控制，具体包括空气质量检测系统、远程控制系统、提醒系统。空气质量检测系统，其主要功能是用来检测室内空气颗粒物的浓度，从而告知用户有无必要启动空气净化器；远程控制系统，其主要功能在于用户可以通过手机控制室内空气净化器的启动，从而让用户一回到家中就可以享受到清新的空气；提醒系统，其主要功能在于提醒用户清洗过滤膜。应用例1为了说明本发明的基于介质阻挡放电和PI纳米膜过滤的室内空气净化器对于室内挥发性有机污染气体的处理效果，使用本发明装置对含有甲苯10ppm的废气进行了处理。其中电极丝直径为1mm，相邻电极丝的间距为4mm，废气流量为10L/min，选用频率为50Hz的电压来处理，催化剂采用MnO2。当电压大小为10kV时，处理效率是85.4％；当电压大小为12kV时，处理效率为89.1％；当电压为14kV时，处理效率为93.7％；当电压为16kV时，处理效率为95.5％，此时处理后的甲苯浓度为0.58ppm。应用例2为了说明本发明的装置对于室内细颗粒物能达到良好的处理效果，使用本发明装置进行如下实验：实验共分为5个小组，每组实验重复4次，实验结果处理取平均值。其中3组实验为：在密闭室内环境中点燃一支红塔山牌香烟，(根据我国关于空气净化器的国家标准GB/T18801-2002中对空气净化器效果检测标准)且其他环境变量一定的情况下，更换滤膜的种类测得。另两组为没有安装PI纳米膜在有烟和无烟条件下的空白对照。当室内点过一支香烟后，室内颗粒物浓度(特别是10级以下粒径)极度飙升，当打开本发明的基于介质阻挡放电和PI纳米膜过滤的室内空气净化器后，颗粒物数量与质量分数大幅度下降，特别是对1级颗粒物(粒径0.0090664～0.017202μm)去除效果高达100％。根据各组数据计算分析可得，基于介质阻挡放电和PI纳米膜过滤的室内空气净化器对PM1.0的去除率高达99.8％，对PM2.5的去除率高达99.9％。已达到HEPA(HighefficiencyparticulateairFilter)高效空气净化器的标准(对于0.1μm和0.3μm的有效率达到99.7％)。在工业实际应用过程中，本发明的装置可以单独使用，也可以联合多个辅助系统实现自动化控制，例如除尘系统、主反应系统、检测系统、自动控制系统、报警系统和旁路系统等。如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是为脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。