引入磁场的室内空气净化方法

1.一种引入磁场的低温等离子体室内空气净化方法，其特征在于，按以下方法实现：(1)利用引入磁场的电晕放电等离子体去除空气中的有害悬浮颗粒：1)预荷电集尘电极由交错排列的不锈钢集尘板构成，隔层的集尘板电气相连，其中接地集尘板(3)的一侧上固定有预荷电放电针(5)，每排3-4根，针距为20mm，每根针20mm长，另一侧固定有负离子放电针(4)，每排6根，针距为10mm，每根针20mm长，高压集尘板(2)与接地集尘板(3)间的间距为1.5cm-2.0cm；2)在预荷电集尘电极的两端施加高压直流电源，电压在-6kV到-6.5kV之间；3)在预荷电集尘电极的两端设置永磁体(1)，永磁体间距为4.5cm-6cm，永磁体的矫顽力为600-900kA/m，且需使产生的磁场方向与所施加的静电场方向一致；(2)利用引入磁场的脉冲放电等离子体去除空气中的有害气体：1)低温等离子体放电电极是针-板电极，固定有放电针的高压极(7)上共有6排放电针(8)，每排3-4根，针距为17mm，每根针20mm长，低温等离子体放电电极的高压极与接地极(6)之间的距离为2cm-3cm；2)低温等离子体放电电极两端施加高压窄脉冲电源，脉冲电压为幅值20kV-22kV，上升时间为10μs，脉冲频率为100Hz；3)在低温等离子体放电电极两端设置永磁体(1)，永磁体(1)产生35mT的磁感应强度，且磁场的方向与所施加的电场方向一致；以上(1)和(2)两部分是分别独立进行的。

技术领域\n本发明属于电气领域与环境保护领域的交叉领域，涉及一种空气净化方 法，特别涉及一种引入磁场的低温等离子体室内空气净化方法。\n技术背景\n目前，室内空气的净化方法主要有吸附、静电、负离子、光催化、低温 等离子体等。吸附法是利用某些有吸附能力的物质如活性炭、Al2O3、硅胶和 分子筛等吸附剂吸附空气中悬浮物和少部分有害物质，从而达到消除有害污 染物的目的。但该法对室内空气中的异臭异味、病原菌、病毒、微生物以及 装饰装修造成的空气污染根本无法消除，同时存在着对环境造成二次污染， 吸附材料难以再生重复利用，成本高的缺点。静电技术用于室内空气净化可 在有人的条件下进行持续动态的净化消毒，并具有高效的除尘作用(除尘效 率在90％以上)以及能同时除菌等特点。但是该方法不能有效除去室内空气 中的有害气体如VOCS。负离子能使细菌蛋白质表层的电性两级颠倒，促使 细菌死亡，达到消毒与灭菌的目的，但是该法不能使尘埃彻底清除出室内， 而且不能有效地降解有机污染物。光催化法能有效去除室内空气里的有机污 染物以及杀灭微生物，但是它不能解决室内空气中的悬浮物及危害很大的细 微颗粒物问题，同时催化剂微孔容易被灰尘和颗粒物等堵塞而致使催化剂失 活。低温等离子技术能有效去除室内的悬浮颗粒和有机污染物，但是存在着 净化效率不高的缺点。\n发明内容\n针对上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种引 入磁场的低温等离子体室内空气净化方法，能够提高净化效率、成本低、体 积小、智能化地去除空气中的有害悬浮颗粒和有害气体。\n为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：\n(1)利用引入磁场的电晕放电等离子体去除空气中的有害悬浮颗粒：\n1)预荷电集尘电极由交错排列的不锈钢集尘板构成，隔层的集尘板电气 相连，其中接地集尘板的一侧上固定有预荷电放电针，每排3-4根，针距为 20mm，每根针20mm长，另一侧固定有负离子放电针，每排6根，针距为 10mm，每根针20mm长，高压集尘板与接地集尘板间的间距为1.5cm-2.0cm；\n2)在预荷电集尘电极的两端施加高压直流电源，电压在-6kV到-6.5kV 之间；\n3)在预荷电集尘电极的两端设置永磁体，永磁体间距为4.5cm-6cm，永 磁体的矫顽力为600-900kA/m，且需使产生的磁场方向与所施加的静电场方 向一致。\n(2)利用引入磁场的脉冲放电等离子体去除空气中的有害气体：\n1)低温等离子体放电电极是针-板电极，固定有放电针的高压极上共 有6排放电针，每排3-4根，针距为17mm，每根针20mm长，低温等离子 体放电电极的高压极与接地极之间的距离为2cm-3cm；\n2)低温等离子体放电电极两端施加高压窄脉冲电源，脉冲电压为幅值 20kV-22kV，上升时间为10μs，脉冲频率为100Hz；\n3)在低温等离子体放电电极两端设置永磁体，永磁体产生35mT的磁感 应强度，且磁场的方向与所施加的电场方向一致。\n以上(1)和(2)两部分是分别独立进行的。\n本发明由于引入磁场，其除尘效率都远远高于没有磁场的情况，除尘效 率大概提高了4倍左右，在同样引入磁场的情况下，加平行磁场比加垂直磁 场的净化效率有明显的提高。\n本发明利用集尘电源产生负离子，减少了净化器体积，节约了成本。\n采用本发明的针板间距，在引入磁场后其净化效率最高。\n附图说明\n图1为预荷电集尘电极示意图\n图2为不同大小磁场对净化效率的影响\n图3为磁场方向对净化效率的影响\n图4为等离子体放电电极示意图\n图5为不同初速度的电子在恒定电磁场中的运动轨迹\n图6为磁场对二氧化硫去除效率的影响\n具体实施例\n附图为本发明的具体实施例；\n下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明：\n(1)利用引入磁场地电晕放电等离子体去除空气中的有害悬浮颗粒：\n参照图1所示，其中，1为永磁体，2为高压集尘板，3为接地集尘板， 4为负离子放电针，5为预荷电集尘放电针。预荷电集尘电极由交错排列的不 锈钢高压集尘板2和接地集尘板3构成，隔层的高压集尘板2和接地集尘板 3电气相连，其中一极的一侧上固定有预荷电放电针5，每排3-4根，针距为 20mm，每根针20mm长，另一侧固定有负离子放电针4，每排6根，针距为 10mm，每根针20mm长，高压集尘板2与接地集尘板3间的间距为1.5cm-2.0cm。 在预荷电集尘电极的两端施加高压直流电源，电压在-6kV到-6.5kV之间。在 预荷电集尘电极的两端设置的永磁体1间距为4.5cm-6cm，永磁体1的矫顽 力为600-900kA/m，且需使产生的磁场方向与所施加的静电场方向一致。\n预荷电集尘利用针状电极(放电针)形成不均匀电场，发生电晕放电产 生等离子体，其中包含的大量电子和正负离子在电场梯度的作用下，和空气 中的有害粒子发生非弹性碰撞，附着在上面，使之成为荷电粒子，在外加电 场力的作用下，被集尘板所吸附。其处理过程分三个阶段[4]：(1)e+M(污染 物分子)→M-；(2)M-+SP(有害粒子)→(SPM)-；(3)(SPM)-→SPM(沉积在集 尘板上)。\n粒子在荷电区荷电后，由于对流风扇作用进入集尘区。具有初速的荷电 粒子在电场力(fe＝qE，fe：电场力；q：粒子电量；E：电场强度。)作用 下被集尘板吸附，轨迹成抛物线状，部分粒子由于初速过大可能从集尘板间 逸出。如图1所示，当在集尘板3间加入方向与电场平行的磁场(平行磁场) 后，被荷电的粒子还受到洛伦兹力(fm＝qv×B，fm：洛伦兹力；q：粒子电 量；v：粒子初速；B：磁感应强度。)作用，使粒子有圆周运动的趋势，圆 周平面与纸面垂直，圆周运动半径r＝mvsinθ/qB(r：圆周运动半径；m：粒 子质量；v：粒子初速；θ：粒子初速方向与磁感应强度方向的夹角；q：粒 子电量；B：磁感应强度。)，fe和fm共同作用使粒子做螺旋运动，螺旋轴平 行于图1所示的磁感应强度B的方向，螺旋面垂直于纸面，从而延长了粒子 在集尘板3间停留的时间，有效地抑制了粒子从集尘板3间的逸出，净化效 率得以提高。\n在图1的负离子放电针4上加较高的负电压，电压在-6kV到-6.5kV之间， 使之在空气中放电，将空气离解为电子、负离子和正离子。因为电极上为负电 压，在空间产生的电场使电子和负离子逆着电极运动，向空间扩散，同时吸引 正离子，电子与空气中的气体分子特别是电负性较强的气体分子结合形成带负 电的粒子。这样通过负电极放电就产生了大量带负电的粒子，在外加风力的作 用下扩散到室内空间，发挥其净化空气的作用。本发明利用集尘电源产生负离 子，减少了净化器体积，节约了成本。\n参照图2所示，为不同大小磁场对净化效率的影响，横坐标为净化时间， 纵坐标CPM为所用空气粉尘仪上所显示的污染物相对质量浓度，与污染物浓 度成线性关系，用来表示污染物浓度。磁体间距越大，加在集尘区的磁场越 小。永磁体3间距为4.5cm和6cm时，净化效率比较高。\n参照图3所示，为磁场方向对净化效率的影响，图中纵坐标轴表示净化 时间tp，横坐标表示不同的电晕放电电压U。在放电电压分别为-4500V、 -5000V、-5500V和-6000V的情况下，测量了不加磁场、加平行磁场及加垂 直磁场时的净化时间，图中柱体的高度表示在净化过程中，数字粉尘仪所显 示的CPM值从2500下降到300时所用的时间。无论是在那个等级的电压下， 引入磁场情况下的除尘效率都远远高于没有磁场的情况，除尘效率大概提高 了4倍左右，在同样引入磁场的情况下，加平行磁场比加垂直磁场的净化效 率有明显的提高。\n(2)利用引入磁场的脉冲放电等离子体去除空气中的有害气体：\n参照图4所示，6为等离子体放电电极的接地极，7为等离子体放电电 极的高压极，8为等离子体放电针，低温等离子体电极是针-板电极，固定 有等离子体放电针8的一极上共有6排放电针，每排3-4根，针距为17mm， 每根针20mm长，针-板之间的距离为2cm-3cm。在低温等离子体放电电极 两端施加高压窄脉冲电源，脉冲电压为幅值20kV-22kV，上升时间为10μs， 脉冲频率为100Hz。在低温等离子体放电电极两端设置永磁体1，永磁体1 产生35mT左右的磁感应强度，且磁场的方向与所施加的电场方向一致。\n在上升沿陡峭的高压脉冲作用下将会形成脉冲电晕放电，在放电电极周 围一定空间产生低温等离子体。一方面，在产生低温等离子体的过程中，高 频放电产生的瞬时高能量，足以打开某些有害气体分子的化学键，使其分解 成单质原子或无害分子。另一方面，低温等离子体中会产生大量强氧化性的 N、O、OH等自由基团，其产生的化学反应如下：\ne+N2→e+N+N           (1)\ne+N2→2e+N++N        (2)\ne+O2→e+O(3P)+O(1P)   (3)\ne+O2→e+O(3P)+O(1D)   (4)\ne+O2→2e+O+O+         (5)\ne+H2O→2e+OH+H+       (6)\ne+H2O→e+H+OH         (7)\nO(1D)+H2O→2OH        (8)\nO++N2→O+N2+          (9)\nO++O2→O+O2+          (10)\n这些自由基团和有害气体发生化学反应从而消除有害气体。\n本发明将磁场引入到低温等离子体净化有害气体中，其影响主要有两方 面：首先，在靠近放电针的空间区域，由于电场强度很大，电子在很短的路 程上就能获得较大的能量。当电子能量达到激发阈值时，开始发生非弹性碰 撞。\n参照图5所示，图中，纵坐标表示电子在垂直方向上的运动路程，横坐 标表示电子在水平方向上的运动路程，其中 $\Omega =\frac{\mathrm{eB}}{m},\eta =\frac{e}{m},$ 图中的 $r=\frac{\mathrm{\eta E}}{{\Omega }^2},$ m为电子质量，e为电子电量，B为磁感应强度，E为电场强度， v0为电子初速度。电子在电磁场中做螺旋运动，在轴向上的路程增加，滞 留时间变长。因此，此时空间的亚稳态碰撞、激发态碰撞、电离碰撞频率都 比无磁场快许多，因而在单位时间内能将会产生更多的去除有害气体的自由 基团，使得脱硫脱硝效率极大得提高。\n另外，有害气体进入低温等离子体时将会被荷电成为带电粒子，在电场 力和磁场力的共同作用下，电荷粒子的运动轨迹也为复杂的旋流轨迹，其的 回旋半径r为\n$r=\frac{m{v}_{\perp }}{\mathrm{qB}}---\left(1\right)$\n式中    v⊥-带电粒子在垂直于磁场方向上的速度；\n        m-带电粒子的质量；\n        q-带电粒子电量；\n        B-磁场大小。\n有害气体分子的这种旋流运动使得它们在等离子体内部停留的时间变 长，从而延长了和自由基团接触的时间，使得有害气体能被充分净化。因此 只要引入适当磁场，就能使去除效率得到提高。\n参照图6所示，为磁场对二氧化硫去除效率的影响，横坐标为去除时间， 纵坐标为去除效率。在放电电极间加入了恒定磁场，磁场的方向与放电针方 向平行，磁感应强度B大小为35mT。实验时脉冲电压的峰值为20kV，频率 为100Hz，放电电极的放电针的数目为4排，在改变放电电极的针板间距的 时候保持磁场强度不变。从图6可以看出，当针板间距为3cm时，引入磁场 后的去除效率最高。\n具体方法是：(1)预荷电集尘电极由交错排列的不锈钢集尘板构成，隔 层的高压集尘板2和接地集尘板3电气相连，其中一极的一侧上固定有预荷 电放电针5，每排3-4根，针距为20mm，每根针20mm长，另一侧固定有 负离子放电针4，每排6根，针距为10mm，每根针20mm长，高压集尘板2 和接地集尘板3间的间距为1.5cm-2.0cm；在预荷电集尘电极的两端施加高 压直流电源，电压在-6kV到-6.5kV之间；在预荷电集尘电极的两端设置永磁 体1，永磁体1间距为4.5cm-6cm，永磁体1的矫顽力为600-900kA/m，且需 使产生的磁场方向与所施加的静电场方向一致。\n(2)低温等离子体放电电极是针-板电极，固定有等离子体放电针8的 一极上共有6排放电针，每排3-4根，针距为17mm，每根针20mm长，针 —板之间的距离为2cm-3cm；在低温等离子体放电电极两端施加高压窄脉冲 电源，脉冲电压为幅值20kV-22kV，上升时间为10μs，脉冲频率为100Hz； 在低温等离子体放电电极两端设置永磁体1，永磁体1产生35mT左右的磁 感应强度，且磁场的方向与所施加的电场方向一致。