[发明专利]用于气体的消毒和净化的等离子体驱动的催化剂系统

说明书

相关申请的交叉参考：

根据35U.S.C.§119(e)，这是非临时性的专利申请，其要求2013年8月19日申请的、序列号为61/959,252的美国临时专利申请的权益，并且通过引用将其公开内容并入本文。

技术领域

本发明涉及用于消毒、清洁和净化空气的等离子体驱动的催化剂(PDC)技术的应用。更具体地，本发明提供了利用等离子体驱动的催化剂技术的空气净化装置和系统，其用于家庭和工业环境中的室内空气质量的改善。

背景技术

根据各种研究，城市居民在一天中大约80％的时间是花费在室内环境中，如家庭、办公室、电影院、餐馆、商店和其他半封闭空间。由于各种各样的室内空气污染源，如吸烟、油烟、墙纸胶、线圈、烧油取暖器、烟雾、PM2.5等等，在这些半封闭空间中的空气质量可能会很差。各种污染物的连续或间歇的排出可导致严重的人体健康损害，甚至死亡。通过通风保持适当的室内空气质量通常会引进室外空气来稀释室内的空气空间。但是，如果室外空气质量较差或缺乏室内通风的能力，则室内空气污染会持续。因而，需要空气净化系统净化室内空气以便改善空气质量。

等离子体是分子被离子化的气体，它包含许多组分，诸如不同能量的电子、正负离子和中性粒子。许多研究表明，等离子体对于去除氮氧化物、硫氧化物、气味和挥发性有机化合物是有效的。在各种类型的等离子体中，非热等离子体已被证明是分解挥发性有机化合物和其他空气污染物的相当有效的技术。非热等离子体具有一些独特的性质，如在环境温度和大气压下的快速响应，在短的停留时间内实现高的电子能量，和容易操作。此外，等离子体放电的方式类似于静电除尘器可用于灰尘和液滴收集。然而，研究人员一致认为，应用等离子体消除挥发性有机化合物具有三个主要的弱点，其包括与有害化合物(一氧化碳、氮氧化物、其他挥发性有机化合物等)排放物的不完全氧化、差的能量效率和低矿化度。不完全氧化导致形成有毒副产物，如一氧化碳(CO)、臭氧和气溶胶粒子，这甚至增大了总的气体毒性。因此，这些副产物的形成需要额外的后处理系统，这增加了整个空气净化系统的成本和复杂性。

EP1671659公开了一种消毒和净化装置，包括：壳体；设置在所述壳体上的定向空气导流板；可移动的空气导流板，其包括在所述壳体内并设置在与所述定向空气导流板对应的位置；等离子体反应器，其安装在所述可移动的空气导流板下面，并且所述等离子体反应器从顶部至底部顺序安装阴离子阳极板、阴离子阴极板、等离子体阳极板和等离子体阴极板，并且所述阴离子阳极板、阴离子阴极板、等离子体阳极板和等离子体阴极板是带网孔的不锈钢板，纳米催化剂的薄膜覆盖在所述带网孔的不锈钢板的表面上。然而，由于在阳极和阴极板上的催化剂覆层，使用这种方法来产生等离子体在以高强度提供等离子体方面不那么有效。

根据具有用于空气处理的等离子体和催化剂组合的传统空气净化装置，等离子体在腔室中产生，并且光催化剂层放置在该腔室的空气出口处，或该腔室的空气入口处。然而，这种配置在空气净化中不是有效的，因为光催化剂层产生了空气净化系统的高空气阻力，导致空气循环速度的衰减和通风机电负荷的增加。更甚者，需要额外的紫外光灯照射光催化剂层以便自由基的产生，这增加了空气净化系统的成本和复杂性。并且，简单应用的UV照射可能不够强，不足以产生足够的自由基来分解空气污染物，最终导致无效的空气净化。

因此，对于空气净化装置存在未满足的需求，所述空气净化装置能有效地去除空气污染物且具有低的空气阻力、系统复杂性和功耗。

发明内容

本发明提供了一种去除空气污染物并改善室内空气质量的等离子体驱动的催化剂消毒和净化装置。该装置包括预滤器、电通风机和其内具有催化剂的等离子体反应器。本发明中使用的等离子体技术是基于电介质阻挡放电(DBD)等离子体。其非热平衡放电可以在大气压条件下方便地进行操作。DBD形成在由绝缘电介质阻挡件间隔开的两个平行电极之间，阻挡放电的最重要的特性是非平衡等离子体条件，与其他替代等离子体技术(如电子束、低压放电和脉冲高压电晕放电)相比较，非平衡等离子体条件是较简单的。这种技术很容易从实验室条件按比例扩大到大的工业规模的装置。DBD等离子体处理采用高压交流电(AC)，其范围从4kV至30KV，频率范围从几百赫兹(Hz)到几百千赫(kHz)的。该足够高的电压被用于电离两个电极之间的间隙中的介质，该介质包含许多组分，如不同能量的电子、正负离子和中性粒子。这些电离的组分能将挥发性有机化合物和其他空气污染物深入降解成无害的产物，如CO₂和H₂O。