空气净化器创新设计.docx

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空气净化器创新设计

一概述

1.1空气净化器定义

国家《空气净化器》相关标准中把空气净化器定义为“从空气中分离和去除一种或多种污染物的设备。

对空气中的污染物有一定去除能力的装置。

主要是指房间使用的单体式空气净化器以及集中空调通风系统的模块式空气净化器。

空气净化器又称“空气清洁器”、空气清新机、净化器，是指能够吸附、分解或转化各种空气污染物（一般包括PM2.5、粉尘、花粉、异味、甲醛之类的装修污染、细菌、过敏原等），有效提高空气清洁度的产品，以清除室空气污染的家用和商用空气净化器为主。

空气净化器是用来净化室空气的家电产品，在居家、医疗、工业领域均有应用，居家领域又分为系统式的新风系统（又分有热交换和无热交换两个子分类）和单机两类，主要解决由于装修或者其他原因导致的室、地下空间、车空气污染问题。

由于相对封闭的空间中空气污染物的释放有持久性和不确定性的特点，因此使用空气净化器净化室空气是国际公认的改善室空气质量的方法之一。

1.2工作原理

常规型净化器的机器的微风扇（又称通风机）使室空气循环流动，污染的空气通过机的空气过滤器（两次过滤）后将各种污染物清除或吸附，然后经过装在出风口的负离子发生器（工作时负离子发生器中的高压产生直流负高压），将空气不断电离，产生大量负离子，被微风扇送出，形成负离子气流，达到清洁、净化空气的目的。

化器的工作原理来看，主要无非三种：

被动式、主动式、主被动混合式。

具体分类：

1被动吸附过滤式的净化原理（滤网净化类）

被动式空气净化器的主要原理是：

用风机将空气抽入机器，通过置的滤网过滤空气，主要能够起到过滤粉尘、异味、有毒气体和杀灭部分细菌的作用。

滤网又分：

集尘滤网、去甲醛滤网、除臭滤网、HEPA滤网等。

其中，成本比较高的就是HEPA滤网，它过滤颗粒物的效果非常明显，而且能起到分解有毒气体和杀菌作用，能抑制空气二次污染。

这类产品的风机以及滤网的质量决定了空气净化的效果，机器放置的位置以及室的布局也会影响净化效果。

②主动式的净化原理（无滤网型）

主动式的空气净化器的原理与被动式空气净化原理的根本区别就在于，主动式的空气净化器摆脱了风机与滤网的限制，不是被动的等待室空气被抽入净化器进行过滤净化，而是有效、主动的向空气中释放净化灭菌因子，通过空气会扩散的特点，到达室的各个角落对空气进行无死角净化。

目前市场上净化灭菌因子的技术主要有银离子技术、负离子技术、低温等离子技术、光触媒技术和净离子群离子技术等。

③双重净化类（主动净化+被动净化）

这种净化器其实就是将被动式净化的技术与主动净化类的技术进行结合。

1.3结构解析

市面上销售的空气净化器主要由微风扇、空气过滤器（滤网）、水箱、智能监测系统、负离子发生器、高压电路等组成。

虽然说不是每一款产品都具备以上的结构，但是能够代表绝大多数的产品结构类型。

二问题提出

（一）常见空气净化器及其缺点

空气净化器能够给人们提供洁净安全的空气,各种净化器净化原理不同,净化过程也存在差异,有多种不同的技术和介质。

市场上的空气净化器常用的净化技术主要包括吸附技术、高效过滤技术、静电集尘技术、负离子技术等,常用的材料主要有,活性炭、合成纤维、光触媒、HEAP高效材料等。

下面介绍几种常见的空气净化器。

2.1静电式空气净化器

静电式净化器是利用静电集尘技术,利用高压静电吸附的原理去除空气中的微粒污染物。

这类净化器利用了正电晕放电的原理,将带电颗粒收集在集尘装置上,达到净化空气的目的。

这种净化器除尘效率高,压力损失小,能捕集小于0.1微米的微粒,除菌效果很好。

缺点是静电装置需要高压电源,集尘量小不易清洗,容易产生臭氧,而对于去除室甲醛苯等有机物几乎没有效果。

2.2臭氧空气净化器

臭氧空气净化器主要是利用臭氧的氧化作用消毒。

臭氧具有极强的降解有机气味,分解生物污染物的作用,对有害物质、病菌等有很好的杀灭效果。

同时,臭氧在空气中还会分离出氧原子,提高空气的含氧量,改善空气质量。

通常臭氧消毒是作为多功能空气净化器的一部分。

但是如果室臭氧的浓度过高,会影响人体健康,因此使用臭氧发生器最好是人机分离。

2.3光触媒空气净化器

光触媒技术也被称为冷触媒技术,其工作原理是将纳米级催化剂（TioZ）镀在特定的载体上,制成过滤网,通过风机作用,在特定波长的紫外线照射下,使催化剂与有害气体发生强氧化反应,凝固病毒蛋白质,抑制病毒活性,从而净化空气。

利用二氧化钦在近紫外线区光活性好,光催化作用持久,化学性质稳定,硬度高,价格低,对人体无害。

但是,该技术本身实现的条件比较苛刻,在空气净化器中的实际应用与实验室效果相比有较大的差距。

2.4负离子空气净化器

负离子举气净化器不仅能够净化空气,而且可以提高空气质量,使用较广泛。

其工作原理是利用直流高压在电极间发生电量放电,产生负离子。

空气中的颗粒污染物与负离子结合,沉降或吸附在物体表面,净化空气,并能杀灭细菌。

负离子中

大部分为负氧离子,不仅可以吸附家居空气中的烟雾、灰尘,还可以中和空气中的正离子,提高空气质量,促进人体新代,提高免疫力,对人体健康非常有益。

但产生负氧离子的同时,也容易产生大量臭氧和负氮离子,浓度过高,就会造成二次污染。

2.5多功能空气净化器

多功能净化器利用了多种净化技术,该净化器以风扇作为动力源,使空气在室循环流动,污染的空气通过机的空气过滤系统—碳纤维过滤网、活性炭过滤网、HEPA过滤网、光触媒过滤网,臭氧及离子群等,使各种有害物被吸附清除,最后从出风口送出清洁干净的新鲜空气。

其中活性碳吸附力较强,表面积非常大,它对许多有害气体都是很有效的,但对甲醛等有机物的作用很小,且非常容易饱和,一旦饱和,净化过滤材料本身又会变成污染源。

多功能空气净化器可以在一定程度上过滤悬浮物、清除异味和有害体。

为强化杀菌消毒效果,增加了臭氧器。

另外,还有其他复合型的空气净化器,基本原理同上面的类型.实际使用时,其使用效果却各不相同。

本文中不再一一介绍。

（二）空气净化器现状及主要问题

在商场和超市可购的品牌室空气净化器中,多层滤网和活性炭吸附是应用最为广泛的技术,代表公司有飞利浦、霍尼韦尔、美的、远大和松下。

其中多层滤网中HEPA（Highefficiencyparticulateairfilter）承担了最主要的作用,HEPA对于0.1微米和0.3微米的有效率达到99.7%,对直径为0.3微米以上的微粒去除效率可达到99.99%以上,是烟雾、灰尘以及细菌等污染物最有效的过滤媒介。

活性炭滤网则是利用活性炭对苯、甲苯、二甲苯、甲酸、氧气、二氧化硫等高效的吸附性能,使通过滤网的空气得到净化。

在日常生活中,HEPA和活性炭组件结合，可以十分有效的去除粉尘、有害气体和细菌微生物,从而达到洁净空气的要求。

但是从长远考虑，高效滤网和活性炭的作用方式都是将污染物截留在材料上,理论上它们都有各自的吸附容量,达到饱和吸附后,易发生脱附。

因此,这两种技术的最大缺点就是净化效果会随着时间的延长而降低,而室空气净化器势必要一天24h持续运行,这就导致了用户需要频繁更换滤网,而替换下来的滤网若无法妥善处理又将导致二次污染。

三创新容

3.1空气净化器的研究发展方向

由于人们对空气的质量提出了更高的要求，空气净化愈来愈受到各方面的关注，传统的净化方法，如过滤、吸附等只是将污染物转移，不能从根本上消除污染。

因此，开展净化空气技术的研究具有战略意义。

空气净化器的研究发展主要有以下几个方面：

①降低净化器生成臭氧的浓度。

利用臭氧技术的空气净化器,产生的臭氧浓度过高,会对人体会造成严重伤害,产生二次污染,应该严格控制净化器出风口的臭氧浓度,使臭氧的产生率是否符合国家标准。

②提高空气净化效果。

净化效果与本身加工工艺及设计方案、滤料的性质、风机质量、是否产生其他污染气体、净化的时间和空间等有关,要想达到理想的净化效果,需要采用多重净化,既要净化室空气中的悬浮颗粒物,同时更要消除空气中的有害气体和细菌等,还可以处理难以分解的非气体性污染物,且不能产生二次污染。

③提高控制技术。

未来发展净化器应该能根据室空气污染程度来调节净化的效率和程度。

同时增加空气质量自动检测、空气净化度指示、超低静音、自动模式等功能。

④提高使用寿命。

未来净化器研究进展要达到终身免拆洗,无需更换任何耗材,高效杀菌除尘率,达到99%,无需风机,更加节能。

3.2创新方向

在众多净化方法中，多相光催化法是近年来日益受到关注的新技术。

半导体光催化氧化反应的特点/优点可以归结为以下几个方面：

⑴可在紫外线辐照下或日光辐照下发生；

⑵反应发生速度快、所需时间短（几分钟或几小时）；

⑶反应产物为CO2、H2O及无机盐等，不会造成二次污染；

⑷芳香环部分比烃链更容易被氧化降解；

⑸光催化氧化无选择性；

⑹反应所需的温度低，室温即可。

基于以上的特点，半导体光催化技术受到了人们的普遍关注并被认为是最有希望的环境污染控制技术。

在日本二氧化钛光催化剂环境净化技术已被作为高效环保技术，并取得了一定的成果，某些产品已实现了商业化。

对于我国更应该开发出适合我国国情的空气净化产品。

光催化氧化虽然具有上述优点,但当污染物浓度较低时,光催化降解速率较慢,而且会生成许多有害的中间产物,影响净化效果.室空气中挥发性有机污染物的一个显著特点是种类繁多、浓度低,因此光催化氧化技术并不适于直接应用于室空气净化器中.

活性炭吸附法净化有害气体的效率虽然很高,但是由于存在吸附饱和的间题,再生过程又比较麻烦,故其在室空气净化器的应用受到了影响.通过上述分析可以看出,单纯利用光催化氧化技术或活性炭吸附法都无法有效改进现有室空气净化器产品的性能,但是如果通过一定的复合方式将二者结合在一起则能收到取长补短、优势互补的效果.这是由于活性炭对低浓度有机气体具有极强的吸附能力,因而通过复合,可以显著改善TiO2对室空气中低浓度污染物的净化效果,同时由于TiO2能够不断地将活性炭吸附的各种有机污染物分解为CO2和H2O,因此也就相当于对活性炭进行连续解吸,活性炭的再生问题也就迎刃而解.

3.3光催化氧化原理

光催化氧化技术是建立在N型半导体能带理论基础上的,其实质是在光电转换中进行氧化还原反应.当N型半导体吸收一个能量大于或等于禁带能量的光子后,进入激发状态,此时价带上的受激发电子越过禁带而进人导带,同时在价带上形成光致空穴.价带上的空穴具有强氧化性,能够将H2O氧化,而导带电子具有强还原性,能够将O2:

还原.常见的可以用作光催化剂的N型半导体种类很多,如TiO2、ZnO、CdS、Fe2O3、WO3等.其中TiO2的综合性能最好,其化学稳定性高,耐光腐蚀,难溶,且有较深的价带能级,可使一些吸热的化学反应在被光辐射的TiO2:

表面得到实现和加速,另外TiO2无毒,成本低,所以被广泛用作光催化氧化反应的催化剂.TiO2的禁带宽度为3.2eV（锐钦型）,在波长小于400nm的光照射下,由于光子的能量大于禁带的宽度,其价带上的电子被激发,跃过禁带进人导带,同时在价带上形成相应的空穴.光致空穴h+具有很强的捕获电子的能力,而导带上的光致电子

e-又具有很强的活性,在TiO2表面形成了氧化还原体系.光致空穴h+和光致电子e-与空气中的水分和氧气发生氧化还原反应而产生的·OH基团的氧化能力非常强,有机物可以被其氧化、分解,最终分解为CO2和H2O.其反应式如下:

四、创新设计

4.1一般空气净化器结构组成与功能

①微电扇：

电扇作为空气净化器最中心也是必不可少的配件，首要效果是操控空气进行循环活动。

将带有污染物的空气吸入后经过过滤后再将清洗的空气吹出。

②空气过滤器（滤网）：

　当前市面上大多数空气净化器都首要经过滤网的过滤来完结净化空气的意图，而滤网又分为：

集尘滤网、去甲醛滤网、除臭滤网、HEPA滤网、活性炭滤网等。

每一种滤网首要对于的污染源都不一样，过滤到的办法也不一样。

其间相对本钱略高的即是HEPA滤网，市面上大多数空气净化器都选用的净化技能，它能起到分化有毒气体和杀菌效果，特别是按捺二次污染。

③水箱：

　跟着空气净化器越来越遭到消费者的重视，空气净化器的功用也不仅仅局限于空气的净化罢了，经过增加水箱布局设计，空气净化器在完结根本任务的一同还能够对空气起到加湿的效果。

④智能监控体系：

　智能监控体系简略理解为空气质量的监督员，经过置的监测设备能够实时对空气的质量做出优秀中差的判别，消费者能够依据空气质量状况挑选运用空气净化器。

别的智能监控体系还能对滤网到的寿数，水箱的水位等进行监控，便利用户知道空气净化器的作业状况。

　⑤负离子发生器与高压电路：

　高压电路与负离子发生器，首要是将负离子流随清洗的空气一同送出。

负离子具有冷静、催眠、镇痛、增胃口、降血压等功用。

雷雨往后，大家感到心情舒畅，即是空气的负离子增多的原因。

空气负离子能复原来自大气的污染物质、氮氧化物、卷烟等发生的活性氧（氧自由基）、削减过多活性氧对人体的损害。

4.2活性炭--纳米TiO2复合光催化净化体结构

所谓活性炭--纳米TiO2复合光催化净化体,也即利用吸附剂活性炭与光催化剂纳米Ti02复合的方法,首先在支承体表面上粘结活性炭形成吸附层,然后再将纳米TiO2负载在活性炭粉末颗粒上形成最外层的光催化层,从而最终形成纳米TiO2涂附在活性炭表面的薄壳型结构。

由于通过光催化氧化反应,有机物可被分解为CO2和H2O,因而,支承体材料应具有较强的耐水性.另外,由于净化器直接安装于室,为了避免噪声过大,所配风机的压头不可能太高,故要求空气经过净化材料时阻力不要太大.基于上述原因,采用一种新型的波纹纸板制作支承体,这种波纹纸板采用特种高分子材料与木浆纤维分子空间交联,并用高耐水材料胶结而成.支承体由一块块波纹纸板互相粘合而成,每相邻两块纸板的波纹错开一定角度,以增大被净化空气与净化体的接触面积,同时使空气在其中有良好的流动性。

这种净化体独特的结构及复合方式使其具有以下特点:

①合理的支承体儿何形状,使其有较大的净化比表面积和较低的空气过流阻力损失;

②由于光催化剂TIO2处于最外层,使得紫外光在没有遮挡的情况下直接作用在TiO2光催化剂上,实现了较高的光利用率;

③借助活性炭的吸附作用,对空气中极低浓度的污染物进行快速的吸附净化和表面富集,加快了光催化降解反应的速率,抑制了中间产物的释放,提高了污染物完全氧化的速率;

④TiO2的光催化作用促使被活性炭吸附的污染物向TiO2表面迁移,从而实现了活性炭的原位再生。

目前正在通过实验对复合净化体的结构及性能作进一步的研究。

4.3新型室空气净化器的设计方案

为了全面、高效地去除室空气中的各种污染物,针对现有净化器产品的缺陷,本文提出了新的室空气净化器的设计方案,基本原理见图1.新型室空气净化器由纤维过滤层和活性炭--纳米TiO2复合光催化净化层组成.其中,纤维过滤层与一般空气过滤器的功能相似,主要用于去除室空气中的固体颗粒污染物及附着于其上的微生物,活性炭--纳米TiO2复合光催化净化层用于去除挥发性有机物.这种新型室空气净化器具有以下特点：

1净化效果好.

由于采用活性炭--纳米TiO2复合光催化技术净化挥发性有机污染物,因而净化

效果得以显著改善;

2连续工作时间长.

由于光催化净化层具有原位再生能力,因此无需更换,用户只需在一个月左右清

洗一次纤维过滤网即可,使用起来非常方便;

3噪声小.

由于光催化净化体的空气流通阻力很小,因此,配用风机的压头很小,噪声较原

有产品几乎不会增加.

市场上结构类似的产品结构图：