纳米海绵在空气净化领域中的应用及与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的方法和设备

摘要

本发明提供一种纳米海绵在空气净化领域中的应用及与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的方法和设备。本发明独创性地将纳米海绵应用在空气净化领域中，将含有微小颗粒物的空气引入到安装有负离子发生器和纳米海绵的设备中，具体的，将纳米海绵和负离子发生器安装在设备的进风口处，利用设备中引风组件的强制引风作用，使空气中所含的微小颗粒物自进风口进入，并由出风口排出，在纳米海绵与空气负离子联合作用下，将空气中所含的微小颗粒物去除。本发明将设备进风口设为朝向人体的一侧。本发明能有效分解微小颗粒物，尤其对PM？2.5和PM？10净化效果显著，所获得空气具有洁净、无菌、清新的特点，其空气净化率和除菌率均超过98.2%以上，达到健康环保的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及空气中微小颗粒物净化处理技术领域，具体地说是纳米海绵在空气净化领域中的应用及与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的方法和设备。

背景技术

随着城市的发展与工业化脚步的不断加快，城市空气污染已日益威胁城区居民的生活，空气中微小颗粒物严重影响人们的身体健康。微小颗粒物的尺寸越小，进入呼吸道的部位越深。

尺寸在10微米的颗粒物通常沉积在上呼吸道，尺寸在10微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面，尺寸在2.5微米至10微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，对人体健康危害相对较小。一般认为尺寸小于2.5微米的颗粒物(PM2.5)被人体吸入后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病，对人体身体健康产生危害。PM2.5表示每立方米空气中这种颗粒的含量，这个值越高，代表空气污染越严重。世界卫生组织在2005年版《空气质量准则》中指出：当PM2.5年均浓度达到每立方米35微克时，人的死亡风险比每立方米10微克的情形约增加15％。

另据有关科学数据显示，由于人们有70％的时间是呆在室内的，其中城市居民在室内的活动时间在90％以上，所呼吸的空气主要来自室内，与室内污染物接触的机会和时间多于室外，特别是PM2.5颗粒，主要原因在于PM2.5尺寸非常小，普通门窗无法有效阻挡。国环境保护署经过历时5年的调查发现，许多民用和商用建筑内的空气污染程度极高，是室外空气污染的数倍至数十倍，有的甚至超过100倍。

面对如此严峻的空气污染现状，呼吁人们治理室内外空气污染的声音越来越高，采用空气负离子净化空气的方法应运而生。近几年来，家用空气负离子空气净化器种类繁多，然而实际应用时发现，现有的负离子空气净化器主要存在如下问题：

1、现有负离子空气净化器进风口和出风口大都离得比较近，这便造成了说空气的扰动，洁净空气还没被使用就被进风口吸入进行再次净化，不仅造成了能源浪费，而且洁净空气得不到有效的利用；

2、现有负离子空气净化器功效甚微，其主要原因是他们忽略了空气负离子在空气中存活的时间很短暂，所产生的空气负离子在距离放电针尖端1米之外就检测不到了；另一方面，高浓度的空气负离子存活在负离子空气净化器大约10公分左右；再一方面，生产厂家单方面追求制造高浓度空气负离子的同时释放出大量臭氧，导致新污染产生，对人体健康造成威胁；

3、现有负离子空气净化器成本高，价格昂贵，且净化处理能力有限，特别是针对PM2.5效果不明显，限制了其推广使用。

发明内容

本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种结构设计合理、工作稳定可靠、成本低廉、使用方便的纳米海绵与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的技术，采用本发明的技术方案后，能有效净化处理微小颗粒物，尤其是对PM2.5和PM10净化效果显著，便于给用户营造一个清新的工作、学习和生活环境，达到健康环保的目的。

本发明的纳米海绵在空气净化领域中的应用及与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的方法和设备，其创新点归纳如下：

1、本发明设计有纳米海绵，并将其与空气负离子技术联合应用，理论依据在于以下几个方面：

其一，将纳米海绵覆盖在进风口处，作为初效净化层，纳米海绵依靠海绵内的纳米级毛细管开孔结构，在强制引风作用下经进风口进入设备内部，能初步过滤一部分微小颗粒物，自动吸附一部分微小颗粒物，其余微小颗粒物则通过纳米海绵；

其二，纳米海绵的开孔率可达99％，并完全以柔韧的纤维丝相连，具有风阻小，比重轻，吸音降噪效果好、热稳定性好、卫生性好等优点，能满足使用者日常生活和夜间使用的需要；

其三，纳米海绵能吸附负离子发生器在制造空气负离子过程中所产生的臭氧，这样就能使释放出来的臭氧浓度不会对人体健康造成威胁，同时吸附在纳米海绵的臭氧还能化学分解吸附在海绵内的微小颗粒物，增加了空气净化能力；；

其四，由于纳米海绵的吸附作用，使纳米海绵带正电荷(微小颗粒物具有说正电特性)，游离在空气中的空气负离子依靠静电吸附作用向纳米海绵扩散，纳米海绵表面富集了大量空气负离子，并在界面处进行分解反应，这样就使分解反应由无序变为有序，增加了反应分子间相互碰撞的几率，空气净化能力增强；

其五，纳米海绵又叫密胺海绵，它的主要材质是密胺树脂，是以三聚氰胺为原料，然后与甲醛进行反应以后，再进行缩合而成的一种聚合物材料，含有弱极性键N-H和C-N，在电晕放电产生空气负离子的同时，空气负离子会聚集在聚合物的表面，还会撞击聚合物的表面，在撞击聚合物表面的同时，一方面将自生能量传递给聚合物分子，另一方面，因空气负离子的能量略高于聚合物中的化学键能，因此空气负离子完全有足够的能量引起聚合物内的各种化学键发生断裂或重新组合，这样，空气负离子就与聚合物表面发生化学作用，使聚合物表面产生高活性的自由基和正离子，进而改善聚合物的表面性质，具体的：

放电针尖端利用直流高压产生高压电晕，高速电离出大量的电子，而电子并无法长久存在于空气中，立刻会被空气中的氧分子捕捉，形成空气负离子，微小颗粒物则被高压电场吸引：空气负离子一方面对通过纳米海绵的微小颗粒物进行化学分解，另一方面与纳米海绵表面作用，在纳米海绵表面产生高活性的自由基和正离子，由于微小颗粒物本身带正电荷，吸附在纳米海绵内的微小颗粒物之间、以及吸附在纳米海绵内的微小颗粒物与纳米海绵表面所产生的正离子之间因静电斥力作用，使微小颗粒物发生物理解体，增加了微小颗粒物与空气负离子的接触面积，加快了空气负离子对微小颗粒物的化学分解作用，进一步增加了空气净化能力；在电离过程中，空气负离子迅速向正极移动，带动了附近空气流通，形成一种所谓“离子风”，在放电针周围形成一个负电压，使未被电离的空气不断涌入，离子化的空气不断向外扩散；

其六，纳米海绵廉价易得，目前广泛应用于餐具清洁去污、建筑材料、交通工具、航空航天、电子信息、家用电器等领域，这样就有助于成本控制。

2、本发明改变了人们传统的偏见，人们普遍认为，出风口处比进风口处的空气质量好，而采用本发明的技术方案，进风口处比出风口处空气质量好，理论依据在于以下几个方面：

其一，进风口在强制引风作用下不断涌入未被电离的空气，带入大量氧分子，负离子发生器在进风口处，电晕放电电离出的电子无法长久存在于空气中，容易被氧分子捕捉，产生大量空气负离子，由于空气负离子在空气中存活的时间很短暂，且所产生的空气负离子不断碰撞污染气体而消耗，这样就使得在出风口处空气负离子浓度比较低，出风口质量反而不好；

其二，放电针尖端靠近进风口处，由于放电针尖端利用直流高压产生高压电晕，高速电离出大量的电子和正离子，而电子并无法长久存在于空气中，立刻会被空气中的氧分子捕捉，形成空气负离子，而在电离过程中，空气负离子迅速向正极移动，带动了附近空气流通，形成一种所谓“离子风”，在放电针周围形成一个负电压，使未被电离的空气不断涌入，离子化的空气不断向外扩散，这样在未被电离的空气中随之带入氧分子，有益于氧气分子捕捉电子生成更多的空气负离子；

其三，由于空气负离子在空气中存活的时间很短暂，高浓度的空气负离子存活在空气负离子空气净化器大约10公分左右，由于放电针尖端靠近进风口一侧，这样放电针尖端距离人鼻腔入口大约9-11公分的位置，这个位置空气负离子浓度高，空气净化效果显著；

其四，将进风口进风面积设计为大于出风口出风面积，这样在进风口处，污染空气就能得到稀释效果，也是导致进气口空气质量高的其中一个因素。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、本发明提供一种纳米海绵在空气净化领域中的应用，具体的，将纳米海绵应用在空气净化领域中。

2、本发明提供一种纳米海绵与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的方法，包括如下步骤：

将含有微小颗粒物的空气引入到安装有负离子发生器和纳米海绵的设备中，具体的，将纳米海绵和负离子发生器安装在设备的进风口处，利用设备中引风组件的强制引风作用，使空气中所含的微小颗粒物自进风口进入，并由出风口排出，在纳米海绵与空气负离子联合作用下，将空气中所含的微小颗粒物去除。

进一步的，将设备进风口设为朝向人体的一侧。

3、本发明还提供一种纳米海绵与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的设备，包括封闭式外壳，在外壳上开设进风口和出风口，在外壳内安装有：用于将微小颗粒物送入外壳内部的引风轮、以及用于产生空气负离子的负离子发生器，引风轮吹出方向朝向出风口侧；

在上述进风口处或出风口处至少一处覆盖纳米海绵；

所述负离子发生器包括发生器本体和放电针，放电针设于进风口处，且放电针尖端靠近进风口一侧。

所述放电针尖端与纳米海绵之间的距离不超过10公分。

所述进风口进风面积大于出风口出风面积。

进一步的，所述外壳内还安装有控制电路板，控制电路板分别与外部供电电源、负离子发生器和电机电性相连。

进一步的，所述出风口距离放电针尖端不超过1米。

进一步的，所述进风口与出风口不在同一个平面上或者距离大于10公分。

在本发明的另一技术方案中，将上述负离子发生器替换为等离子发生器。

本发明的一种纳米海绵在空气净化领域中的应用及与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的方法和设备与现有技术相比，所产生的有益效果是：

1、将进风口与出风口设计为不在同一个平面上或者距离大于10公分，这样就能避免进风口和出风口之间距离较近所造成的空气扰动，使洁净空气得到有效利用；

2、本发明独创性的将纳米海绵在空气净化领域中，丰富了纳米海绵的应用范畴，在本发明以前，纳米海绵主要应用在建筑材料、交通工具、家用电器等领域，主要作用为消音、降噪，或者是应用在餐具的清洁去污；

3、将纳米海绵设在进风口处，原因在于其风阻低，吸音降噪效果好，能满足使用者日常生活和夜间使用的需要，其能初步过滤一部分微小颗粒物，其还能依靠纳米级毛细管开孔结构，自动吸附一部分微小颗粒物(其余微小颗粒物则通过纳米海绵)，又能吸附制造空气负离子过程中所产生的臭氧，使释放出来的臭氧浓度不会对人体健康造成威胁，同时这部分臭氧还能分解吸附在海绵内的微小颗粒物；相反，如果将纳米海绵设计在出风口处，由于纳米海绵吸附微小颗粒物和臭氧的过程是依靠范德华力，属于物理吸附，物理吸附结合力较小，吸附和解吸速度也都较快，而出风口处风速相对于进风口风速较大，这样所吸附的微小颗粒物就容易从解吸下来，起不到辅助净化空气的效果；

4、本发明将纳米海绵与空气负离子技术联合应用净化空气，纳米海绵所吸附的微小颗粒物带正电荷，游离的空气负离子向纳米海绵扩散，并在界面处进行化学分解反应，增加了反应分子间相互碰撞的几率，空气净化能力增强，并且，由于吸附的微小颗粒带正电荷，颗粒之间因静电斥力而使颗粒结构发生物理解体，同时，空气负离子与纳米海绵表面相互作用，在纳米海绵表面所产生的的正离子，也促使颗粒结构解体，颗粒之间相互分散，增加了微小颗粒物与空气负离子的接触面积，进一步增强空气净化能力；

5、本发明考虑到空气负离的动力学(包括空气负离子存活时间及活性位置分布)特性，得出进风口处比出风口处空气质量好，改变了人们传统的偏见，同时由于空气负离子在不同环境下寿命不等，在洁净空气中，寿命有几分钟，在污染空气中，最多几秒，将负离子发生器安装在空气质量好的进风口处，这样就能使空气负离子在进风口处存活较长的时间，进一步增强空气净化功能；

6、本发明的负离子发生器输出功率可以根据实际需要而定，以适应不同场合的空气净化需要，当作为家用空气净化设备使用时，负离子发生器输出功率选择小于3W，当作为工厂设备使用时，负离子发生器输出功率根据厂房实际面积、净化需求而定；

7、将本发明的纳米海绵与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的方法和设备置于客厅、车内、工厂厂房等新风设备，或者安装在公铁路沿线，工矿、社区、景点、城镇街道、学校等地方，再或者将负离子发生器和纳米海绵安装在现有抽油烟机及空调等家用设备的进风口处，能迅速吸附及分解微小颗粒物，尤其是对PM2.5和PM10净化效果显著，10分钟后，其PM2.5和PM10净化率均超过98.2％以上，具有祛除异味、除臭、防霉、杀菌、净化等功能，给人们创造了一个健康、舒适、环保、绿色的环境。

综上，本发明的纳米海绵在空气净化领域中的应用及与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的方法和设备，其设备结构简单，加工制作和使用方便，能有效分解微小颗粒物，尤其是对PM2.5和PM10净化效果显著，所获得空气具有洁净、无菌、清新的特点，其空气净化率和除菌率均超过98.2％以上，便于给用户营造一个清新的工作、学习和生活环境，而且负离子具有保健功效，便于广泛推广使用。

附图说明

附图1是本发明实施例一的结构示意图；

附图2是图1的A-A向剖视图；

附图3是本发明实施例二的结构示意图。

图中，1、纳米海绵，2、进风口，3、放电针，3-1、正离子放电针，3-2、负离子放电针，4、负离子发生器，5、控制电路板，6、外壳，7、电机，8、引风轮，9、出风口，10、放电板，11、金属放电环，12、等离子发生器，其中，虚线代表电气连接线。

具体实施方式

下面结合附图1-3，对本发明的一种纳米海绵在空气净化领域中的应用及与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的方法和设备作以下详细说明。

实施例一

(1)一种纳米海绵与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的方法

本发明的一种纳米海绵与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的方法，包括如下步骤：

将含有微小颗粒物的空气引入到安装有负离子发生器和纳米海绵的设备中，具体的，将纳米海绵和负离子发生器安装在设备的进风口处，利用设备中引风组件的强制引风作用，使空气中所含的微小颗粒物自进风口进入，并由出风口排出，在纳米海绵与空气负离子联合作用下，将空气中所含的微小颗粒物去除。

将设备进风口设为朝向人体的一侧。

本发明中所指的设备可以为空气净化处理设备、或者是将负离子发生器和纳米海绵安装在现有空调、油烟机或新风系统的进风口处组合所形成的设备。(2)一种纳米海绵与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的设备

如附图1、2所示，本发明的一种纳米海绵与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的设备，包括封闭式外壳6，在外壳6上开设进风口2和出风口9，进风口2位于外壳6顶壁，出风口9位于外壳6侧壁，进风口2进风面积大于出风口9出风面积，并在进风口2处覆盖一层纳米海绵1。外壳6内安装有：用于将微小颗粒物送入外壳6内部的引风轮8、用于产生空气负离子的负离子发生器4、以及控制电路板5，引风轮8采用离心风轮，引风轮8吹出方向朝向出风口9侧，引风轮8与电机7相连，由电机7提供引风轮8旋转动力，负离子发生器4包括发生器本体和放电针3，放电针3设于进风口2处，且放电针3尖端靠近进风口2一侧，放电针3尖端与纳米海绵1之间的距离不超过10公分，出风口9距离放电针3尖端不超过1米，控制电路板5分别通过电气连接线与外部供电电源、负离子发生器4和电机7电性相连。

本实施例中，控制电路板5也可以通过风速调节器与电机7电性相连，这样就能方便引风轮8风速的可控调节。

本实施例的一种纳米海绵与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的设备，可以将其应用于室内外及车内的空气净化领域。

(3)空气中微小颗粒物净化机理试验

为了研究纳米海绵与空气负离子联合作用下的空气净化机理，分析了纳米海绵、负离子发生器及相应安装位置对微小颗粒物的清除作用。本发明所述微小颗粒物主要涉及粉尘、灰尘、PM2.5及PM10，尤其以PM2.5和PM10的含量严重影响人们的居住环境。本发明的方法和设备对PM2.5及PM10为等比例处理，也即空气中PM2.5占PM10的50％左右，相应的PM2.5的浓度即为PM10浓度的50％左右。其中，负离子发生器安装在进风口处代表放电针尖端靠近进风口处，负离子发生器安装在出风口处代表放电针尖端靠近出风口处，实验结果汇总于表1至表3。

表1.纳米海绵、负离子发生器及相应安装位置对车内PM2.5的影响

表2.纳米海绵、负离子发生器及相应安装位置对密闭试验舱PM2.5的影响

表3.纳米海绵、负离子发生器及相应安装位置对开放式房间PM2.5的影响

由表1至3分析可知：

1)只加负离子发生器时，负离子发生器安装在进风口处后出风口处时，10分中后检测，PM2.5浓度大幅降低(表1降低至原来的24-36％，表2降低至原来的12-17％，表3降低至原来的37-40％)，说明负离子发生器能够单独起到清除PM2.5、净化空气的效果，同时，在10分钟后检测，进风口和出风口处PM2.5浓度相差不大；

2)只加纳米海绵时，纳米海绵安装在进风口处后出风口处时，10分中后检测，PM2.5浓度略有降低，(表1降低至原来的84-86％，表2降低至原来的83-85％，表3降低至原来的91-93％)说明纳米海绵能吸附极少部分的PM2.5颗粒，而无法单独起到清除PM2.5、净化空气的效果，同时，在10分钟后检测，进风口和出风口处PM2.5浓度相差不大；

3)将负离子发生器安装在出风口处，纳米海绵安装在进风口或出风口处时，10分钟后检测，PM2.5浓度相对1)显著降低，尤以纳米海绵安装在进风口处PM2.5净化效果显著，同时，在10分钟后检测，进风口处PM2.5净化效果优于出风口处，即进风口处PM2.5空气质量优于出风口处；

a、纳米海绵安装在进风口处时，10分钟后检测PM2.5浓度，表1进风口降低至原来的21.96％，出风口降低至原来的35.84％，表2进风口降低至原来的16.02％，出风口降低至原来的20.99％，表3进风口降低至原来的14.48％，出风口降低至原来的21.43％；

b、纳米海绵安装在出风口处时，10分钟后检测PM2.5浓度，表1进风口降低至原来的20.23％，出风口降低至原来的29.48％，表2进风口降低至原来的14.92％，出风口降低至原来的16.02％，表3进风口降低至原来的11.90％，出风口降低至原来的15.48％；

4)将负离子发生器安装在进风口处，纳米海绵安装在进风口或出风口处时，10分钟后检测，PM2.5浓度相对1)显著降低，尤以纳米海绵安装在进风口处PM2.5净化效果显著，同时，在10分钟后检测，进风口处PM2.5净化效果优于出风口处，即进风口处PM2.5空气质量优于出风口处；

a、纳米海绵安装在进风口处时，10分钟后检测PM2.5浓度，表1进风口降低至原来的1.73％，出风口降低至原来的10.40％，表2进风口降低至原来的1.10％，出风口降低至原来的2.76％，表3进风口降低至原来的0.60％，出风口降低至原来的7.1％；

b、纳米海绵安装在出风口处时，10分钟后检测PM2.5浓度，表1进风口降低至原来的4.62％，出风口降低至原来的14.45％，表2进风口降低至原来的1.66％，出风口降低至原来的6.63％，表3进风口降低至原来的1.79％，出风口降低至原来的10.12％。

实施例二

如附图3所示，本发明的一种纳米海绵与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的设备，包括封闭式外壳6，在外壳6上开设进风口2和出风口9，进风口2位于外壳6顶壁，出风口9位于外壳6底壁，进风口2进风面积大于出风口9出风面积，进风口2与出风口9之间距离大于10公分，并在进风口2和出风口9处均覆盖一层纳米海绵1。外壳6内安装有：用于将微小颗粒物送入外壳6内部的引风轮8、用于产生正、负离子的等离子发生器12、以及控制电路板5，引风轮8采用轴流风轮，引风轮8吹出方向朝向出风口9侧，引风轮8与电机7相连，由电机7提供引风轮8旋转动力，等离子发生器12包括发生器本体和放电针3，放电针3为正离子放电针3-1和负离子放电针3-2，放电针3与发生器本体相连，且放电针3尖端靠近进风口16一侧，放电针3前方设置放电板10，放电板10与外壳6底壁之间之间固接，放电板10上设有与放电针3数量相等的金属放电环11，放电针3与金属放电环11之间预留一定空间形成放电区，放电针3尖端与纳米海绵1之间的距离不超过10公分，出风口9距离放电针3尖端不超过1米，控制电路板5分别通过电气连接线与外部供电电源、等离子发生器12和电机7电性相连。

实施例三

实施例三同实施例一，所不同的是，将上述在进风口2处覆盖一层纳米海绵1替换为在进风口2处覆盖两层纳米海绵1，或者替换为在出风口9处覆盖三层纳米海绵1。

本发明的一种纳米海绵在空气净化领域中的应用及与空气负离子联合净化处理微小颗粒物的方法和设备，其装置加工制作简单方便，按说明书附图所示加工制作即可。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。