CN101778804A - 使用臭氧与吸附剂和/或颗粒过滤器净化流体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种净化含污染物的流体(如空气或水)的系统和方法(60)，所述系统和方法包括用捕获设备如吸附剂和/或颗粒过滤器从所述流体(70)移除污染物。所述污染物可包括挥发性有机化合物(VOCs)和微生物。所述方法(60)还包括用臭氧发生设备(62)生成臭氧分子。使用臭氧分解设备将至少部分所述臭氧分子分解为氧气和氧自由基(68)。被捕获的污染物(VOCs和微生物)与所述氧自由基和臭氧分子反应而使所述污染物(72)变性，从而使其比所述流体中的原始污染物较不有害。有时，所述污染物可被还原为二氧化碳和水。

Description

使用臭氧与吸附剂和/或颗粒过滤器净化流体

发明背景

本发明涉及一种流体净化方法和系统。更具体而言，本发明涉及一种使用臭氧与吸附剂和/颗粒过滤器的组合从空气或水中移除污染物的净化方法和系统。

生成臭氧的空气净化系统已被用来净化封闭空间内的被污染空气。由于高浓度的臭氧是危险的，故这些空气净化系统可能需要臭氧缓解(ozone mitigating)部件如吸附剂来捕获下游臭氧及防止臭氧行进到居处空间。但随着时间的推移，吸附剂可能变饱和而不再有效地从空气流中移除臭氧。此时可能就需要更换吸附剂。

吸附剂也可用在净化系统内来捕获污染物如挥发性有机化合物(VOCs)，从而从流体流中移除该污染物。同样可使用颗粒过滤器来捕获大尺寸污染物如微生物。如上所述，吸附剂及颗粒过滤器的功能寿命可能有限，故净化系统可能需要频繁地更换吸附剂或颗粒过滤器。

需要具有改进的从空气流中移除污染物的能力的空气净化系统和方法。

发明概述

本公开涉及一种净化含污染物如挥发性有机化合物(VOCs)和微生物的流体流的系统和方法。所述污染物用捕获设备如使微生物定域(localize)的吸附剂和/或颗粒过滤器从流体流中移除。臭氧分子被引入流体流中并使用臭氧分解设备来将至少部分臭氧分子分解为氧气和氧自由基。被捕获的污染物与氧自由基和臭氧分子反应而使污染物变性。污染物被变性为较不有害的分子，在一些实施方案中，污染物被还原成二氧化碳和水。所述净化方法可在连续工艺中完成，在所述连续工艺中，污染物被捕获而从流体流中移除，而臭氧分子同时被引入到流体流中。在替代的实施方案中，所述净化方法可以两阶段工艺完成，所述两阶段工艺包括从流体中移除污染物的吸附阶段和用臭氧和氧自由基反复攻击吸附态污染物的再生阶段。

附图简述

图1为一种空气处理系统的示意图，其在空气处理系统的管道内含净化系统。

图2为图1的空气处理系统的示意图，其含图1的净化系统的替代或附加位置。

图3为净化系统的替代设计的示意图，其中所述系统位于管道旁路中。

图4为框图，示出了流体流的净化方法。

图5为一种净化系统的示意图，所述净化系统含臭氧发生设备、臭氧分解设备和吸附剂。

图6-9为图5的净化系统的替代实施方案的示意图。

图10和11为净化系统的其他实施方案的示意图，其分两阶段运行并含再生室。

发明详述

本文中描述了一种使用臭氧与吸附剂和/或颗粒过滤器的组合净化含污染物的流体流的系统和方法。所述流体可为空气或水。所述污染物可包括挥发性有机化合物(VOCs)和微生物。臭氧分子被引入流体流中以攻击污染物。部分臭氧分子被分解形成氧自由基，氧自由基对于攻击污染物特别有效。但氧自由基的寿命比臭氧分子短。使用吸附剂从流体中移除VOCs并使VOCs定域，以便氧自由基以及臭氧分子接触并攻击VOCs的概率增大。除吸附剂外或作为吸附剂的替代方案，可使用颗粒过滤器来移除和定域微生物，以便微生物可与臭氧分子和氧自由基反应。在一些实施方案中，可使用单个设备来从流体中捕获VOCs和微生物。

该净化系统和方法可被结合到建筑物的空气处理系统中。图1为空间12的加热、通风和空调(HVAC)系统10的示意图。空间12可为任何类型的建筑物(例如医院)的内部或建筑物的封闭部分。在其他实施方案中，空间12可为车辆或别的类型的运输设备如陆地车辆、飞行器、航天器或船内的封闭空间。系统10含空气净化系统50及管道18和20。空气净化系统50含臭氧发生设备14、空气处理单元(AHU)16、电源22、传感器24和流率控制器26。空气处理单元16可用来加热和/或冷却空间12。应认识，空气处理单元16在空气净化系统50中不是必需的。在一些实施方案中，系统50中可省去空气处理单元16；在其他实施方案中，空气处理单元16可位于空气净化系统50的下游或上游。在图1所示实施方案中，臭氧发生设备14为非热等离子体(NTP)设备。应认识，可用设计以产生臭氧的其他设备代替非热等离子体设备。NTP设备14与电源22相连，电源22向NTP设备14传递电能。

如图1中所示，外部空气27进入管道18并流经空气净化系统50(包括流经NTP设备14并随后流经AHU 16)。经调节的空气28然后通过供给管道18行进到空间12。返回管道20从空间12移除空气29，此处，空气29的第一部分29a再循环通过系统10而空气29的第二部分29b从系统10排出。再循环的空气29a流经NTP设备14并回归空间12。或者，可使用为AHU 16的一部分的鼓风机来使空气进入NTP设备14中并然后流经AHU 16。

非热等离子体(NTP)设备14用来产生短寿命和长寿命活性物类的等离子体，所述等离子体可与挥发性有机化合物(VOCs)及其他污染物反应而从空气中移除污染物。所述等离子体也产生臭氧，臭氧很适合攻击VOCs及其他污染物。如图1中所示，设备14布置在空气处理单元16上游并用来净化空气流，所述空气流包括外部空气27和再循环空气29a。

传感器24可布置在HVAC系统10内的各种位置处并可用来测定空气中各种组分的浓度。例如，传感器24可位于图1的空间12内以测定和监控空间12内的污染物水平。也可在NTP设备14上游布置测定VOC水平的传感器以监控进入系统10的空气27中的VOC水平和/或再循环空气29a中的VOC水平。此外，传感器可位于NTP设备14下游供给管道18内以监控NTP设备14从空气中移除污染物的有效性。传感器24也可包括系统10内各种位置处测定空气中微生物浓度的传感器。

除监控VOCs和微生物的传感器外，传感器24也可包括监控臭氧水平的传感器。例如，如果在NTP设备14的使用过程中空间12有人居处，则在空间12中安放臭氧传感器来监控和确保空气流28中的臭氧水平处于或低于人可接受的水平将是重要的。在这种情况下，靠近供给管道18的出口安装臭氧传感器可能是适宜的。来自传感器24的输入因此可包括来自图1的HVAC系统10内任何可能位置处多个传感器的数据。

空气净化系统50净化空气的能力部分取决于控制电源22供给NTP设备14的能量以及控制流经NTP设备14的空气流的流率(如图1中流率控制器26所代表)。提高电源22对NTP设备14的供给将使NTP设备14产生更多臭氧。更多的臭氧将提高系统50从空气中移除污染物的有效性。如果需要较少臭氧，则电源22将减少供给NTP设备14的电能。

流率控制器26构造成控制离开NTP设备14的空气流中臭氧的浓度。在恒定的功率设置下，减小流经NTP设备14的空气的流率将导致离开等离子体60的空气流中臭氧浓度的增高。增高的臭氧浓度将导致更高的空气流净化水平。电源22和/或流率控制器26根据来自传感器24的数据加以调节。如上面所说明的，来自传感器24的数据可包括但不限于系统10内各点处的臭氧浓度和/或VOC浓度。

图2为图1的空气处理系统10的示意图，示出了臭氧发生设备的替代或附加位置。如图2中所示，系统10含NTP设备30、32、34和36，其各自可含与电源22相似的电源(未示出)。或者，电源22也可用来向超过一个NTP设备递送电能。

如图2中所示，NTP设备30布置在AHU 16下游。在此情况下，NTP设备30或许可用作NTP设备14的替代。不是如NTP设备14的情况下那样接收外部空气27，NTP设备30接收来自AHU 16的经调节的空气流。因此，有时，进入NTP设备30的空气流可能比外部空气27具有较低湿度。有时，若进入NTP设备的空气湿度较低时NTP设备可更高效地运行。

NTP设备32布置在空间12内并因而可作为独立单元运行。在此情况下，NTP设备32可有其自己的鼓风机。在系统10的一些实施方案中，NTP设备32可与NTP设备14组合使用。NTP设备14可用来从外部空气27和再循环空气29a中移除污染物，所述外部空气27和再循环空气29a然后作为洁净空气28通过管道18被传递至空间12。NTP设备32可用来从空间12所含空气中移除污染物。NTP设备14和32的组合将促进系统10内所含空气的更快净化。

NTP设备34示意在返回管道20内废气29b已被移除到外部而再循环空气29a正返回供给管道18的位置处。与NTP设备32类似，NTP设备34可用来从来自空间12的空气中移除污染物。在其中已知外部空气27基本洁净而无需净化的情况下，可使用NTP设备34代替NTP设备14。在该情况下可使用较低的流率，因为仅再循环空气29a流经设备34。如上所述，部分地由于离开等离子体设备的空气流中臭氧的较高浓度，故流经等离子体设备的空气的较低流率有时将使等离子体设备具有较高效率。

最后，NTP设备36在图2中示意为在管道18的入口近旁。NTP设备36可单独使用，或当已知外部空气27含高水平的污染物时可与图2中的其他NTP设备中的一个组合使用。在此情况下，来自空间12的再循环空气29a不流经NPT设备36。

图2示意了系统10内可使用单个NTP设备或多个NTP设备。应认识，多个NTP设备可提高循环通过空间12的空气的净化水平；但在一些情况下，在系统10内运行超过一个NTP设备的成本效率可能不划算。如图2中所示，NTP设备可位于系统10的管道系统内或作为空间12内的独立单元。图1和2中的管道系统中所示的NTP设备可作为半永久固定件安装在管道系统内部，或其可为易于根据需要而添加、四处移动或从管道拆下的便携式单元。

图3示意了系统10的替代实施方案，在其中，NTP设备38用在管道旁路构造中。如图3中所示，可使用分流器40来引导流经管道42的部分空气进入管道旁路43。通过旁路43的空气然后流经NTP设备38。如图3中所示，NTP设备38含鼓风机44。

图3中所示实施方案可用在不必净化全部流经管道42的空气的情况中。此外，应认识，分流器40可改型为使更多或更少的空气流经旁路管道43。图3还示意，臭氧发生设备可以许多不同的方式构造在HVAC系统内。

在优选的实施方案中，空气净化系统50含臭氧发生设备14、臭氧分解设备和捕获设备(即吸附剂和/或颗粒过滤器)的组合以定域污染物。虽然臭氧自身可用来净化空气流，但如果臭氧分解和捕获设备是净化系统和方法的一部分，则净化效果将提高。图1-3示意了在HVAC系统中使用净化系统来净化被污染的空气流。应认识，本文中所述的净化方法和系统也可用来净化水。下面结合图5-11描述净化系统的示例性实施方案。

图4为框图，示意了用步骤62-72净化流体流的方法60。净化方法60中的初始步骤为生成臭氧(步骤62)。在上面所述及图1-3中所示的示例性实施方案中，臭氧用非热等离子体设备生成。应认识，臭氧可用任何已知的臭氧发生设备生成，这将在下面结合图5讨论。

在步骤64中，可将生成的臭氧引入流体(空气或水)中。如上面结合图1所述，流体将流经臭氧发生设备。这样，生成的臭氧将与流体内所含污染物混合，所述污染物可包括VOCs和微生物。普通的VOCs可包括但不限于丙醛、丁烯、甲苯和甲醛。在其中臭氧在气相中、污染物也在气相中的此点处，臭氧很适合攻击污染物而使污染物变性(步骤66)成为比原始污染物较不有害的某物。(在其中臭氧用等离子体设备生成的那些实施方案中，应认识，由等离子体产生的其他物类也很适合攻击污染物。本公开集中在使用臭氧来净化上，但应认识，由等离子体形成的其他物类对于从流体流中移除污染物可能也有效。)

应认识，净化系统可仅包括步骤62-66而仍可有效地从空气或水流中移除污染物。本公开集中在通过步骤68-72的引入而提高净化系统的有效性上。

臭氧将存活相当长的一段时间(高达数小时)，因此可能迁移到臭氧发生设备的下游。如上所述，在步骤66中，部分臭氧分子将攻击污染物(VOCs和/或微生物)而使污染物变性。可使用臭氧分解设备来瓦解或分解部分臭氧分子。臭氧分子将分解成氧气和氧自由基(步骤68)。活性特别高的氧自由基可然后与流体中剩余的VOCs和/或微生物反应。

步骤68可用任何已知的臭氧分解设备进行。例如可使用紫外光(UVC)源来产生能量使臭氧分子瓦解或分解的光子。可类似地使用发光二极管(LED)、热丝或太阳辐射来光解分解臭氧。也可使用催化剂来分解臭氧，这将在下面结合图7和8进一步描述。

虽然氧自由基特别适合攻击VOCs和微生物而使其变性，但氧自由基的寿命比臭氧短。因此，当臭氧被分解时，优选氧自由基和污染物彼此较紧邻。可使用捕获设备来捕获空气或水流中剩余的污染物(步骤70)，所述捕获设备可包括吸附剂和/或颗粒过滤器。捕获设备捕获或定域污染物以便均随空气或水流流动的氧自由基和剩余的臭氧分子接触被捕获污染物的概率增大。

在一个实施方案中，可在步骤70中使用吸附剂来捕获和定域VOCs。在净化系统中使用吸附剂来从流体流中移除VOCs是众所周知的。但这些类型的系统的缺点在于，一旦吸附剂不再可有效降低流体流中VOCs的浓度(即达到平衡以致吸附剂的出口处VOCs的浓度与吸附剂入口处VOCs的浓度相等)时可能得频繁更换吸附剂。图4的方法60通过步骤72克服了这些吸附剂限制，步骤72将在下面描述，做法是提供从流体中移除VOCs的附加措施。

在步骤70中，用对VOCs具有高亲合力的吸附剂吸附VOCs。所述吸附剂也可对臭氧及其他分子具有亲合力。方法60中可使用的吸附剂包括但不限于二氧化钛、活性碳、氧化锰、矾土、硅石、或任何其他金属氧化物及其混合物。

如图4中所示，步骤68和70可同时进行。在一些实施方案中，臭氧分解设备布置在吸附剂上游。在其他实施方案中，步骤68和70可在相同设备内进行，这将在下面描述。由于产生的氧自由基的寿命较短，故优选步骤68和70在系统内紧邻进行。由于臭氧的寿命比其他活性分子长，故臭氧发生设备相对于其他部件的放置可能不是那么关键性的。臭氧发生设备可与臭氧分解设备和吸附剂紧邻，或臭氧发生设备可位于更上游。

在另一实施方案中，可在步骤70中使用颗粒过滤器以捕获和定域大尺寸污染物如微生物。颗粒过滤器可用作吸附剂的替代或可除吸附剂外还使用颗粒过滤器。随着空气或水流流经颗粒过滤器，所述流中的微生物将被颗粒过滤器捕获。

最后，在方法60的步骤72中，当氧自由基以及臭氧分子攻击被捕获的污染物时，被捕获的污染物(VOCs和/或微生物)将变性。应认识，当污染物在气相中时，氧自由基可攻击污染物(正如一些污染物将已被臭氧分子所攻击)。但通过将污染物定域于捕获设备上，则短寿命的氧自由基接触被捕获污染物的概率将增大。此外，步骤72将延长捕获设备的使用寿命，这将在下面进一步描述。

在其中捕获设备为吸附剂的那些实施方案中，通过选择对VOCs具有高亲合力的吸附剂，VOCs可在吸附剂表面上形成较强的键(即化学吸附)。通过吸附剂的其他分子(例如臭氧)可形成较弱的键(物理吸附)。由于吸附过程是高度动态的，故吸附在表面上的VOC分子将连续地脱附并然后再次吸附在吸附剂上的不同位置处。因此，VOC分子可在吸附态下进行一系列化学反应。取决于吸附剂的大小，有时，吸附态的VOCs和其他分子可最终形成二氧化碳和水分子。应认识，在其他情况下，所产生的分子不一定就是良性或无害的。重要的是所产生的分子比原始VOCs较不有害。通过使用特定的吸附剂，方法60可用来靶向特定的污染物。与之类似，当使用颗粒过滤器作为捕获设备时，作为臭氧和/或氧自由基攻击的结果，微生物将在步骤72中变性为较不有害的微生物。有时，微生物可能被反复攻击。通过使臭氧和氧自由基与污染物反应，污染物将被变性而使其较不有害。

在图4中所示的实施方案中，方法60为连续工艺，在其中，臭氧生成(步骤62)、臭氧分解(步骤68)及污染物的捕获(步骤70)随空气或水流流经净化系统连续地进行。在一个替代的方法中，可使用间歇工艺，在其中，随着空气或水流流经净化系统，污染物首先被捕获和定域。臭氧在单独的阶段中生成并分解形成臭氧分子与氧自由基的混合物，所述混合物可然后反复攻击密闭空间内被捕获的污染物。通过反复攻击污染物，VOCs可最终被还原为二氧化碳和水。后面结合图10和11对此间歇工艺有更详细的描述。

如果净化系统使用了吸附剂而未使用臭氧，则吸附剂仍将如上所述那样吸附VOCs。VOC分子仍将在吸附在吸附剂上的状态和从吸附剂上脱附的状态之间循环。但在该情况下，由于不存在臭氧分子和氧自由基来攻击VOCs，故吸附剂将达到饱和点，在饱和点，吸附剂将不再能降低流经吸附剂的流体流中VOCs的浓度。将存在平衡以致VOCs的出口浓度等于VOCs的入口浓度，且吸附剂将不再具有降低流体中污染物水平的功能。颗粒过滤器的寿命也有限，因为流体流经颗粒过滤器的流量将因微生物(及其他污染物)在颗粒过滤器上积聚而随时间降低。相比之下，方法60使用吸附剂和/或颗粒过滤器将污染物定域于捕获设备上(步骤70)，并然后提供通过使污染物与臭氧分子和氧自由基反应而从捕获设备移除污染物的措施(步骤72)。该系统是自再生的，以便在臭氧和氧自由基的帮助下捕获设备能继续从流体流中移除污染物而不变饱和。

图5-9示意了采用图4的方法60的净化系统的示例性实施方案。图5为净化系统80的示意图，净化系统80含臭氧发生器82、UVC灯84和吸附剂86。净化系统80与图1的净化系统50相似。系统80可含与如图1中所示系统50的电源22、传感器24及流率控制器26相似的部件；为清楚起见，图5的系统80中省去了这些部件。也应认识，传感器24和流率控制器26在净化系统中不是必需的。虽然图5中未示出，但系统80可含颗粒过滤器替代吸附剂86或可除吸附剂86外还使用颗粒过滤器，以截留流体流中的微生物。这将在下面更详细地描述。

臭氧发生器82可包括任何能生成臭氧的设备。如上面结合图1-3所示及所述，可使用非热等离子体设备来生成臭氧。可用于臭氧发生器82的其他设备包括但不限于紫外(UVC)灯和能产生足够强的电场的设备如电晕放电设备及其他类型的等离子体设备。如图5中所示，可能被污染的空气或水流被引导通过臭氧发生器82，所生成的臭氧被引入空气或水流中。在其中流经系统80的流体流为水的那些情况下，臭氧发生器82可为电化学臭氧发生器。

UVC灯84在系统80中构造以分解空气或水流内所含的臭氧分子。UVC灯84产生能量足以分解臭氧分子的光子。当光子与臭氧分子接触时，臭氧分子将分解成氧气和氧自由基。

吸附剂86构造成随空气或水流流经吸附剂时吸附或定域VOCs和其他分子。与如果VOCs继续随流经系统80的空气或水流行进相比，一旦VOCs被吸附到吸附剂86上，则将有更高的使VOCs变性的概率。例如，仍在气相中的氧自由基可与被吸附的VOCs反应。在一些实施方案中，吸附剂86也可对臭氧分子具有亲合力以便臭氧分子可被吸附剂86吸附。由于其彼此紧邻，故被吸附的臭氧分子可然后与被吸附的VOCs反应。

在优选的实施方案中，吸附剂86对各种VOCs具有选择性。由于UVC灯84仅分解部分臭氧分子，故流经吸附剂86的空气或水流可能含臭氧分子。因此，选择也对臭氧具有亲合力的吸附剂材料可能将是有利的。

吸附剂86可包括任何已知的吸附剂材料并可呈各种形式如粉或粒料。在一些实施方案中，吸附剂86可由超过一种吸附剂材料组成。例如，吸附剂86可包括混合在一起的两种类型的粒料。第一类型的粒料可对VOCs具有高亲合力，而第二类型的粒料可对臭氧具有高亲合力。

在优选的实施方案中，吸附剂86的位置与UVC灯84紧邻。由于氧自由基的寿命有限，故优选光解过程在污染物处于吸附态的地方附近发生。此外，UVC灯84可布置在系统80内以致灯84照射吸附剂86的地方。这样，灯84将分解气相中的臭氧分子以及吸附相中的臭氧分子。所产生的氧自由基然后很好地与被吸附的VOCs反应。

在图5中所示的示例性实施方案中，系统80含四个UVC灯84。应认识，可根据以下因素如但不限于所需的净化速率、空气或水流的污染水平及臭氧发生器的能力使用更多或更少的灯。在一些实施方案中，UVC灯84可任选地在灯周围包括罩或反射器以便灯84产生的光子仅向下游(向着吸附剂86)行进而不能向上游行进。

图6为与图5的系统80相似的第二个净化系统实施方案。净化系统180含一些与图5中所示相同的部件，包括臭氧发生器82和吸附剂86。但作为图5的UVC灯84的替代，图6的系统180含热丝88以分解臭氧。来自热丝88的热能被用来将臭氧分子瓦解为氧气和氧自由基。

如图6中所示，丝88位于吸附剂86上游。在图6所示的实施方案中，系统180含四根丝88；但应认识，系统180中可含更多或更少的丝。由于氧自由基的寿命短，故优选丝88的位置与吸附剂86紧邻。

在一些实施方案中，丝88可位于吸附剂86内。例如可采用蜂窝结构并可将吸附剂粉沉积到蜂窝上而形成吸附剂86。丝88可贯穿蜂窝的孔。随着臭氧分子流经吸附剂86，一些臭氧分子可被吸附。无论臭氧分子是被吸附还是保留在气相中，来自丝88的热能均将分解臭氧分子。所产生的氧自由基然后能攻击被吸附的VOCs。

图7为净化系统的另一实施方案。净化系统280含臭氧发生器82和吸附剂86。系统280含催化剂90代替UVC灯或热丝来分解臭氧。

在图7所示的实施方案中，吸附剂86和催化剂90被混合在一起。来自发生器82的臭氧被引入空气或水流中，其然后流经吸附剂86和催化剂90。在该实施方案中，催化剂90为室温催化剂。当臭氧分子与催化剂90接触时，臭氧分子被分解为氧气和氧自由基。室温臭氧催化剂的实例包括但不限于氧化锰、钯和其他氧化物，所述其他氧化物包括其结构中含氧空穴的氧化物或具有多个氧化态的氧化物，例如二氧化钛光催化剂。由于吸附剂86与催化剂90混合在一起，故现在氧自由基将与被吸附的VOCs紧密接触而能与VOCs反应并使其变性。

在其他实施方案中，催化剂90和吸附剂86可为系统280内独立的组分而不是被混合在一起。在此情况下，催化剂90可位于吸附剂86的上游不远处。一旦臭氧分子被分解，氧自由基将随空气或水流行进到吸附剂86处，在这里，氧自由基将能攻击被吸附的VOCs。

图8示意了含微波磁控管的另一净化系统实施方案。与图7的系统280相似，净化系统380含臭氧发生器82、吸附剂86和催化剂。但在该实施方案中，系统380含具有微波腔的微波磁控管94且催化剂92为热催化剂。在图5-7中示意并在上面描述的实施方案中，被污染的流体可为空气或水。在图8所示的实施方案以及图9的系统480中，流经净化系统380的流体限于空气。

吸附剂86和催化剂92含在微波腔内并接收磁控管94产生的微波辐射。热催化剂92吸收来自磁控管94的微波并然后分解与催化剂92接触的臭氧分子。用于分解臭氧的热催化剂的实例包括但不限于活性碳和碳化硼。为避免被吸附剂86吸附的VOCs的热脱附，在一些实施方案中选择不显著吸收微波辐射的材料作为吸附剂86。(应认识，在某些温度和压力条件下，所有材料均可吸收至少最小量的微波。)这种类型的吸附剂的实例包括但不限于二氧化钛、二氧化硅和氧化铝。吸附剂86可采用的可吸收微波能的其他材料包括但不限于碳化硅、二硅化钼、氮化钛、二硼化锆、某些氧化物(例如氧化锆)、各种硅酸盐、铝硅酸盐、粘土和碳(包括活性碳)。在其他实施方案中，吸附剂86和催化剂92可为相同的材料。例如，氧化锰可既用作吸附剂又用作分解臭氧的热催化剂。

在一个替代的实施方案中，热催化剂92可自不吸收来自磁控管94的微波的材料形成。在此情况下，系统380中可含附加的材料(即吸收剂)来吸收来自磁控管94的微波并从而提高热催化剂92的温度。所述吸收剂应与热催化剂92混合以便其与催化剂92直接物理接触并因此能为催化剂92提供加热。

图9为也含微波磁控管的净化系统的替代实施方案的示意图。与上述所述的净化系统不同，该净化系统的部件(臭氧UV灯102、杀菌灯104和吸附剂106)散布在一起并含在微波磁控管94的微波腔内。

灯102和104构造为由微波而不是灯内布置的电极来激励。当微波磁控管94产生微波辐射时，臭氧UV灯102生成臭氧而杀菌灯104分解部分所生成的臭氧分子。与上面所述的吸附剂相似，吸附剂106构造为选择性地吸附流经微波腔的流体流中的VOCs。如上所述，吸附剂106也可吸附其他分子如臭氧分子和氧自由基。

应认识，系统480可仅含一种类型的UV灯而不是独立的臭氧发生灯和杀菌(分解)灯。如果仅使用一种类型的灯，则这些UV灯应同时产生和离解臭氧。

应认识，也可使用本文中未明确示出和描述的其他构造的净化系统来实施图4的方法60。这些其他构造应类似地涉及向流体流中引入臭氧的方法和分解臭氧以形成氧自由基的方法。吸附剂被用来定域污染物以便臭氧和氧自由基能与吸附态的VOCs反应而使之变性。与如果臭氧和氧自由基仅攻击气相中的VOCs相比，这将提高系统的净化效果。

上面描述并在图5-9中示意的吸附剂构造以捕获或定域流经吸附剂的流体内所含的VOCs。除挥发性有机化合物(VOCs)外，流体内可能还含多种类型的污染物。例如，所述污染物也可包括比VOCs大的微生物。如上面结合图4的方法60所述，可使用颗粒过滤器以便当流体流经颗粒过滤器时捕获这些微生物。在图5-8的实施方案中可使用颗粒过滤器代替吸附剂的使用。在其他实施方案中可除吸附剂外还使用颗粒过滤器。

例如，在图5和6的净化系统80和180中可分别用颗粒过滤器代替吸附剂86，所述颗粒过滤器可为例如HEPA过滤器或自活性碳形成。所述颗粒过滤器用作可允许空气和其他较小分子通过而截留较大分子如微生物的筛而不是吸附VOCs。与吸附剂86相似，颗粒过滤器将定域微生物以便当臭氧和氧自由基流经系统80时臭氧分子和氧自由基攻击该微生物。如结合吸附剂所述，微生物在臭氧和氧自由基作用下的变性同样将延长颗粒过滤器的使用寿命。

在一个替代的实施方案中，净化系统80和180中除吸附剂86外还可使用颗粒过滤器。以图5的系统80为例，如果除吸附剂86外还使用颗粒过滤器，则颗粒过滤器可位于臭氧发生器82与UVC灯84之间。在其中使用紫外光来分解臭氧分子的那些实施方案中，将颗粒过滤器布置在臭氧分解设备(即图5中的UVC灯84)的上游可能将是有利的，因为颗粒过滤器可阻断UVC灯84所产生的光子。但在一些实施方案中可使用UV透明材料来形成颗粒过滤器，在这种情况下，颗粒过滤器相对于臭氧分解设备的布置位置将无关紧要。在其中臭氧分解设备不产生紫外光(例如图6的热丝)的那些实施方案中，颗粒过滤器基本可位于臭氧发生设备下游的任何地方。有时可能优选颗粒过滤器的位置与臭氧分解设备紧邻，以便氧自由基与被捕获的微生物邻近。

就本公开的目的而言，捕获设备可指能用各种方法从流体中移除污染物的各种设备。如本文中所述，捕获设备可为吸附剂和/或颗粒过滤器。有时，所述移除可通过分子(如VOCs)的物理吸附或化学吸附实现，而在其他时候，所述移除基于颗粒的尺寸通过过滤截留颗粒进行。在一些实施方案中，捕获设备可既能吸附VOCs又能截留较大的微生物。例如，碳纤维可用作吸附剂和颗粒过滤器。或者，可用作过滤器的纤维也可被涂布以导致吸附VOCs的材料。

如上面关于吸附剂类似地描述的(参见图7和8)，颗粒过滤器内可含催化剂以分解臭氧。构成颗粒过滤器的纤维可为将分解臭氧的催化材料，或所述纤维可被涂布以将分解臭氧的材料。所述催化剂可为室温催化剂或热催化剂。

在一些实施方案中，本文中所述的净化系统也可含臭氧缓解设备。如上所述，臭氧分子可存活相当长的一段时间。由于臭氧在最低浓度水平之上是危险的，故移除离开图5-9的净化系统的空气流中剩余的任何臭氧分子可能很重要。例如可使用由活性碳形成的过滤器或氧化锰催化剂来捕获任何剩余的臭氧分子，特别是在空气被释放进居处空间之前。参看图5的净化系统80，臭氧过滤器可位于吸附剂86下游。

图10和11示意了使用臭氧发生器、臭氧分解设备和捕获设备净化被污染的空气流的替代实施方案。在上面所述的实施方案中，流体的净化为连续工艺。净化工艺的步骤(生成臭氧、分解臭氧和捕获污染物)在流体继续流经净化系统的同时进行。如下所述，在一个替代的实施方案中可采用在再生室中进行的两阶段工艺进行空气净化。在第一阶段中，捕获设备(即吸附剂或颗粒过滤器)在空气流经再生室时捕获空气中的污染物。在第二阶段中，空气被阻止进入或离开再生室，臭氧和氧自由基反复攻击被捕获的污染物。

图10为空气净化系统50的示意图，该系统可含在HVAC系统内(与图1的系统10相似)。净化系统500含臭氧发生器510、臭氧分解设备512、吸附剂514、风扇516和气闸518和520，所有这些均含在再生室522内。在第一阶段中，再生室522处于开放位置以便空气流流经系统500(经由入口524和出口526)。在此第一阶段(可称为吸附阶段)过程中，臭氧发生器510和臭氧分解设备512被关闭。随着空气流流经吸附剂514，空气流中的污染物(特别是VOCs)被吸附剂514吸附而因此从空气流中移除。系统500继续在此第一阶段运行预定的一段时间或直至吸附剂514达到平衡，这将在下面更详细地描述。

图11示意了所述净化工艺的第二阶段，该阶段被称为再生阶段。如图11中所示，再生室522处于关闭位置。气闸518和520移至垂直位置以便气闸518和520阻止任何空气进入或离开再生室522。用风扇516使再生室522内所含空气绕室522循环。在再生阶段过程中，臭氧发生器510和臭氧分解设备512被开启。臭氧分子和氧自由基因此被引入绕再生室522循环的空气中。

再生室522内的空气中剩余的任何污染物或被吸附剂514吸附或被臭氧分子和氧自由基攻击。随着臭氧分子和氧自由基通过吸附剂514，吸附态的VOCs将被攻击而变性。由于臭氧和氧自由基继续在再生室522内产生，故被吸附的VOCs被臭氧和氧自由基反复攻击。最后，VOCs可被还原为二氧化碳和水。结果，VOCs从吸附剂514移除而再生吸附剂514。在此处，由于吸附剂514能捕获其他VOCs，故吸附阶段可反复进行。

如上面所提到的，净化系统500可为建筑物中HVAC系统的一部分。系统500可构造为使系统500周期性地从图10的吸附阶段向图11的再生阶段转换。例如，如果建筑物在白天有人居处而在傍晚和夜间无人居处，则系统500可设计为在白天使用吸附阶段以净化空气流而向建筑物传送洁净空气。然后当建筑物无人居处时使用再生阶段以再生吸附剂而使吸附剂可用于进一步的污染物移除。

系统500也可构造为使其在当吸附剂514变饱和以致吸附剂514出口处的VOCs浓度等于吸附剂514入口处的VOCs浓度时从吸附阶段向再生阶段转换。系统500可暂时在再生阶段运行以再生吸附剂514。系统500的实施方案的优势在于，由于吸附剂514可在再生阶段后再次使用，故可减少吸附剂514的量而仍具有与大尺寸吸附剂可比的能力。

在一些实施方案中，系统500可任选地在再生室522内含加热器以在再生阶段过程中提高室522内的温度。较高的温度将促进吸附在吸附剂514上的VOCs的脱附。在此情况下，被脱附的VOCs将返回气相，此处，VOCs可在气相中被再生室522内的臭氧分子和氧自由基攻击。应认识，在一些实施方案中，臭氧发生器510和臭氧分解设备512可提高室522内的温度。例如，如果臭氧分解设备512含至少一个UVC灯，则该UVC灯将为室522提供热。

在一些实施方案中，系统500可含臭氧缓解设备，其应位于吸附剂514下游。臭氧缓解设备在臭氧发生器510关闭后可用在再生阶段的尾部。由于臭氧分子可存活高达数小时，故可使用臭氧缓解设备来从室522中移除任何剩余的臭氧分子。如果吸附阶段将反复进行且流经系统500的空气将行进到居处空间，则这可能很重要。作为臭氧缓解设备的一个替代方案，系统500可在臭氧发生器510关闭而臭氧分解设备512开启的情况下在再生阶段运行一段时间。在此情况下，室522中剩余的臭氧分子可被分解为氧气和氧自由基和/或与其他分子反应。

应认识，图10和11的系统500可以连续工艺运行，在此情况下，系统500将与图5-9中所示的实施方案相似。系统500的运行中再生室522应处于开放位置(图10)。因此空气可流进和流出室522，而臭氧发生器510和臭氧分解设备512如上所述与吸附剂514组合地运行。

如上面结合图5-8所述，可类似地除吸附剂514外还在系统500中使用颗粒过滤器或使用颗粒过滤器作为吸附剂514的替代。颗粒过滤器将截留吸附阶段过程中流经室522的空气流中的微生物。在再生阶段，颗粒过滤器上的微生物可被绕再生室522循环的臭氧分子和氧自由基反复攻击。

在一些实施方案中，系统500中可省去臭氧分解设备512(或在系统500的运行过程中可关闭设备512)。在此情况下，再生阶段过程中对被捕获污染物的攻击基本仅由来自臭氧发生器510的臭氧分子(与臭氧分子和氧自由基二者相对)进行。臭氧分子仍可有效地使污染物变性而将其从捕获设备移除。吸附阶段可然后仍如上所述反复进行。但由于氧自由基对于攻击污染物特别有效，故应认识，当臭氧发生器与臭氧分解设备组合使用时，系统500可更有效。

本文中所述的净化系统可用在其中有必要净化污染空气或水流或净化污染空气或水流将有益的多种应用中。所述净化系统可用来净化建筑物中的空气和/或水。例如，如结合图1-3所述，所述净化系统可用在HVAC系统的管道中以净化流经所述管道系统的空气流。所述系统也可用来净化任何类型的运输设备包括航天器、飞行器、陆地车辆、巡航线及其他类型的船舶中的空气和/或水。

虽然结合优选实施方案对本发明进行了描述，但本领域技术人员应认识，可从形式和细节上加以改变而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (52)

1.一种净化含污染物的流体的方法，所述方法包括：

a)从所述流体捕获所述污染物以定域所述污染物；

b)用臭氧发生设备生成臭氧分子；

c)将部分所述臭氧分子分解为氧气和氧自由基；和

d)使所述被捕获的污染物与所述氧自由基和臭氧分子反应以使所述污染物变性。

2.权利要求1的方法，其中捕获所述污染物用颗粒过滤器进行。

3.权利要求1的方法，其中捕获所述污染物用吸附剂进行。

4.权利要求3的方法，所述方法还包括：

在分解所述臭氧分子之前用所述吸附剂吸附所述流体中的所述臭氧分子。

5.权利要求4的方法，其中UVC灯照射所述吸附剂，所述被吸附的臭氧分子分解为氧气和氧自由基。

6.权利要求1的方法，其中所述流体包括水和空气中的至少一者。

7.权利要求1的方法，其中分解部分所述臭氧分子通过UVC灯、发光二极管(LED)、太阳辐射、热丝、吸附剂、催化剂和微波磁控管中的至少一者进行。

8.权利要求1的方法，其中所述臭氧发生设备包括UVC灯、电晕放电设备、等离子体设备和电化学臭氧发生器中的至少一者。

9.权利要求1的方法，所述方法还包括：

在步骤b)之前创立密闭的再生室以防止流体进入或离开所述再生室；和

使所述流体在所述再生室中循环。

10.权利要求9的方法，其中随着所述流体继续在所述再生室中循环，步骤b)到d)反复进行，从而导致被捕获污染物的反复被攻击。

11.权利要求10的方法，其中所述被捕获污染物的反复被攻击继续足以将所述污染物还原为二氧化碳和水的一段时间。

12.权利要求9的方法，其中步骤b)中的所述臭氧发生设备被关闭而步骤c)和d)继续直至所述再生室中的臭氧浓度低于预定水平。

13.权利要求1的方法，所述方法还包括：

用臭氧缓解设备从所述流体移除未反应的臭氧分子。

14.一种净化含污染物的流体的系统，所述系统包含：

捕获设备，所述设备构造成随所述流体流经所述捕获设备而从所述流体移除所述污染物；

臭氧发生设备，所述设备构造成生成臭氧分子；和

臭氧分解设备，所述设备构造成将部分所述臭氧分子分解为氧气和氧自由基，其中所述臭氧分子和氧自由基与被捕获的污染物反应而使所述污染物变性。

15.权利要求14的系统，其中所述污染物包括微生物和挥发性有机化合物(VOCs)中的至少一者。

16.权利要求14的系统，其中所述捕获设备为颗粒过滤器。

17.权利要求14的系统，其中所述捕获设备为吸附剂。

18.权利要求17的系统，其中所述吸附剂构造为吸附臭氧，所述臭氧分解设备分解吸附态的臭氧。

19.权利要求18的系统，其中所述臭氧分解设备为UVC灯，所述UVC灯布置在照射所述吸附剂的位置处。

20.权利要求17的系统，其中所述臭氧分解设备为热丝，所述热丝的位置与所述吸附剂紧邻。

21.权利要求17的系统，其中所述吸附剂位于所述臭氧分解设备下游。

22.权利要求17的系统，其中所述流体中的污染物包括微生物且所述系统还包含构造成从所述流体中移除所述微生物的颗粒过滤器。

23.权利要求22的系统，其中所述颗粒过滤器位于所述臭氧发生设备下游及所述臭氧分解设备上游。

24.权利要求22的系统，其中所述颗粒过滤器位于所述臭氧分解设备下游。

25.权利要求14的系统，其中在所述污染物被所述捕获设备捕获前部分所述臭氧分子将攻击部分所述污染物。

26.权利要求14的系统，其中所述臭氧分解设备包括UVC灯、发光二极管(LED)、太阳辐射、热丝、吸附剂、催化剂和微波磁控管中的至少一者。

27.权利要求26的系统，其中所述催化剂为热催化剂且所述系统还包含构造成吸收微波并提高所述热催化剂的温度的吸收剂。

28.权利要求14的系统，其中所述臭氧发生设备包括等离子体设备、电晕放电设备、UVC灯和电化学臭氧发生器中的至少一者。

29.权利要求14的系统，所述系统还包含磁控管以生成微波能，其中所述微波能用于激励UVC灯和加热构造成分解臭氧的催化剂中的至少一者。

30.权利要求14的系统，所述系统还包含：

具有开放位置和关闭位置的再生室，其中所述室构造为在所述开放位置可让所述流体流经所述室，在所述关闭位置限制部分所述流体而使之再循环通过所述再生室并防止另外的流体进入或离开所述再生室。

31.权利要求30的系统，其中当所述再生室处于开放位置时所述臭氧发生设备和所述臭氧分解设备被关闭。

32.权利要求30的系统，其中当所述再生室处于关闭位置时所述臭氧发生设备和所述臭氧分解设备被开启，且所述捕获设备上的污染物被所述再生室中的臭氧分子和氧自由基反复攻击。

33.权利要求32的系统，其中所述污染物被反复攻击足以将所述污染物还原为二氧化碳和水的时间。

34.权利要求30的系统，其中所述再生室包括风扇和鼓风机中的至少一者以使所述流体循环。

35.权利要求14的系统，其中所述流体包括水和空气中的至少一者。

36.一种净化流体的方法，所述方法包括：

用臭氧发生设备生成臭氧；

使含挥发性有机化合物(VOCs)的流体流流经所述臭氧发生设备以便臭氧分子被引入所述流体流中并与所述VOCs混合；

将至少部分所述臭氧分子分解为氧气和氧自由基；

用吸附剂吸附所述VOCs；和

使所述氧自由基和臭氧分子与被吸附的VOCs反应而使所述VOCs变性。

37.权利要求36的方法，其中所述流体流含微生物且所述方法还包括：

用颗粒过滤器捕获所述微生物。

38.权利要求37的方法，其中在分解所述臭氧分子之前用颗粒过滤器捕获所述微生物。

39.权利要求36的方法，其中在吸附所述VOCs之前部分所述臭氧分子攻击部分所述VOCs。

40.权利要求36的方法，其中所述臭氧发生设备包括UVC灯、电晕放电设备、等离子体设备和电化学臭氧发生器中的至少一者。

41.权利要求36的方法，其中分解臭氧分子通过杀菌UVC灯、发光二极管(LED)、太阳辐射、热丝、吸附剂、催化剂和磁控管中的至少一者进行。

42.权利要求36的方法，所述方法还包括：

用吸附剂吸附臭氧分子；和

分解吸附在所述吸附剂上的臭氧分子。

43.权利要求42的方法，其中所述吸附剂包括构造成分解所述臭氧分子的催化剂。

44.权利要求43的方法，其中所述催化剂为热催化剂且分解所述吸附在所述吸附剂上的臭氧分子包括提高所述热催化剂的温度。

45.权利要求44的方法，其中提高所述热催化剂的温度通过与所述热催化剂混合并构造成吸收微波的吸收剂进行。

46.权利要求36的方法，其中使所述氧自由基和臭氧分子与所述被吸附的VOCs反应包括使氧自由基和臭氧分子反复攻击所述被吸附的VOCs足以将所述VOCs还原为二氧化碳和水的时间。

47.一种净化含污染物的空气流的方法，所述方法包括：

a)使所述空气流流经捕获设备以从所述空气流移除所述污染物并定域所述污染物；

b)创立密闭的再生室以防止其他空气进入或离开所述再生室；

c)使空气在所述再生室中循环；

d)向在所述再生室中循环的空气中引入臭氧分子；和

e)让所述臭氧分子反复攻击所述被定域的污染物。

48.权利要求47的方法，其中所述捕获设备包括吸附剂和颗粒过滤器中的至少一者。

49.权利要求47的方法，所述方法还包括：

将所述再生室中的所述臭氧分子分解为氧气和氧自由基，其中所述氧自由基反复攻击所述被定域的污染物。

50.权利要求49的方法，其中分解所述臭氧分子通过UVC灯、发光二极管(LED)、太阳辐射、热丝、吸附剂、催化剂和微波磁控管中的至少一者进行。

51.权利要求47的方法，其中所述被定域的污染物的反复被攻击导致所述污染物从所述捕获设备移除，且步骤a)到e)被重复进行。

52.权利要求47的方法，其中所述污染物包括微生物和挥发性有机化合物(VOCs)中的至少一者。

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