CN103994483B - 稀土催化低温等离子体厨房油烟净化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稀土催化低温等离子体厨房油烟净化方法及装置。少部分厨房油烟经干燥后进入等离子产生区，雾化放电产生的等离子体进入吸附催化协同等离子体净化区,大部分厨房油烟直接进入吸附催化协同等离子体净化区,与等离子体充分接触后净化，被净化的油烟从油烟出口排到室外。装置包括板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区、吸附催化协同等离子体净化区、壳体；所述的壳体设有上油烟进口、下油烟进口、油烟出口。本发明依靠稀土催化协同低温等离子体净化厨房油烟，油烟去除率高达99.5%，异味去除率达80%，经处理后污染物浓度均满足《饮食业油烟排放标准》要求。无论是放电极板还是吸附填料都不易受到污染、腐蚀，保证了装置性能的持久性。
Description
技术领域
本发明涉及一种由稀土催化的低温等离子体技术，以及降解厨房油烟中的各种有害气体、高效祛除异味和杀菌的油烟净化装置。
背景技术
随着我国经济的不断发展，第三产业蓬勃兴起，餐饮业也迅速发展，由此也引发了环境方面的问题。当前，烹饪过程中产生的大量油烟废气大多数通过抽油烟机和排风扇被直接排到室外，油雾、烟尘等物质粘附到油烟机和排风扇上，造成清洗异常困难。更重要的是，油烟中的多种有害物质未经处理排放到大气中，破坏了大气质量状况。目前饮食油烟污染已被列为我国城市的三大公害之一。油烟中既存在悬浮态的颗粒物（TSP），又存在气态有机物。污染物总数可达200多种，主要包括不饱和烃类、饱和烃类、脂肪酸、醛类、芳香族以及含硫、含氮化合物和杂环化合物等。研究表明：油烟中含有的多种有毒化学成分对机体具有肺脏毒性、免疫毒性、遗传毒性、致癌致突变性等，严重危害人体健康。
现有的油烟净化设备主要分为静电沉积设备、过滤设备、惯性分离设备，尽管它们各有所长，但也都存在自身的缺陷，比如：能耗高、污染物去除范围有限、易造成二次污染、维护困难等。缺少一种既能高效去除细小油滴，也能去除气态污染物，同时能克服油滴粘性，长期稳定运行，且能祛除异味，不会产生二次污染、易于维护的油烟净化设备。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供稀土催化低温等离子体厨房油烟净化方法及装置。该装置安装于油烟机排气管处，根据油烟机排气管的不同种类配套各种固定方式，比如将本发明壳体外壳攻螺纹或是磨成粗糙面或安装辅助固定零件。本发明可借助油烟机外排气流，使油烟进入该装置，同时使净化后的油烟排至室外。
稀土催化低温等离子体厨房油烟净化方法，少部分厨房油烟经干燥后进入等离子产生区，雾化放电产生的等离子体进入吸附催化协同等离子体净化区,大部分厨房油烟直接进入吸附催化协同等离子体净化区,与等离子体充分接触后净化，被净化的油烟从油烟出口排到室外。
所述的吸附催化协同等离子体净化区采用多孔球负载的稀土催化剂（LaCoO3)。
所述的等离子产生区采用板-孔-板式电晕雾化放电反应器。
稀土催化低温等离子体厨房油烟净化装置，包括板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区、吸附催化协同等离子体净化区、壳体；所述的壳体设有上油烟进口、下油烟进口、油烟出口，少部分厨房油烟由上油烟进口进入板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区，雾化放电产生的等离子体进入吸附催化协同等离子体净化区，大部分厨房油烟从下油烟进口直接进入吸附催化协同等离子体净化区，净化后的油烟通过油烟出口排出。
所述的板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区包括过滤网、干燥器、流量控制器、均流网、板-孔-板电晕雾化放电极，所述的过滤网、干燥器、流量控制器、均流网顺次相连，待进化的厨房油烟由均流网进入板-孔-板电晕雾化放电极之间，所述的板-孔-板电晕雾化放电极包括高压板电极、微孔、绝缘平板、接地板电极，高压板电极与接地板电极被绝缘平板隔开，所述的绝缘平板设有微孔，所述的板-孔-板电晕雾化放电极产生的等离子体由多孔板上的通气孔进入吸附催化协同等离子体净化区。
所述的绝缘平板中间穿有3个等间距的微孔，直径为0.5mm。
所述的绝缘平板由陶瓷制成。
所述的吸附催化协同等离子体净化区包括可拆卸集油盘、疏油阻挡板、多孔填料、催化剂涂层，大部分厨房油烟通过下油烟进口进入后被吸附在表面含有催化剂涂层的多孔填料中，由板-孔-板式电晕雾化放电等离子体产生区进入的等离子体与厨房油烟充分接触，通过粒子间的碰撞以及解离过程中所产生的自由基与污染分子碰撞使污染物分子的化学键断裂，降解有毒有害物质后，最终由油烟出口排出室外；所剩油污颗粒在重力作用下从疏油阻挡板流入可拆卸集油盘中。
所述多孔填料为氧化铝，所述的催化剂涂层采用稀土基钙钛矿复合氧化物（LaCoO3)。
所述的多孔填料采用多孔球形结构。
本发明具有的有益效益，依靠稀土催化协同低温等离子体净化厨房油烟，油烟去除率高达99.5%，异味去除率达80%，经处理后污染物浓度均满足《饮食业油烟排放标准》要求。无论是放电极板还是吸附填料都不易受到污染、腐蚀，保证了装置性能的持久性。本发明中,油烟颗粒通过静电凝并和动力凝并被雾化荷电液滴捕获并形成较大的颗粒,因而能被收集极板顺利捕集。放电极雾化电晕放电产生的低温等离子体,对去除有害气体有一定的功效,可在很大程度上去除油烟中的气味。在收集电极表面由于雾化液滴的作用使得沉积在收集电极表面的粒子的流动性增强,使其可以自动沿收集电极下流,这样就避免了长时间运行时由于油烟的粘性黏附在收集电极表面的油烟层过厚导致的反电晕,且可达到清洁极板的作用,解决了粘性油烟净化的极板清洗困难的难题。本发明通过雾化电晕放电产生等离子体净化油烟废气，在放电极雾化电晕放电，仅需少量水就可以保持极板的清洁，能够提高净化装置的使用寿命。
附图说明
图1是本发明稀土催化低温等离子体厨房油烟净化装置的结构示意图；
图2是本发明的油烟入口处的结构示意图；
图3是本发明的板-孔-板式电晕雾化放电反应器及极板间的电力线示意图；
图4是本发明的多孔板构造；
图中，过滤网1、干燥器2、流量控制器3、均流网4、高压板电极5、微孔6、绝缘平板7、接地板电极8、等离子体发生器9、壳体10、上油烟进口11、下油烟进口12、可拆卸集油盘13、疏油阻挡板14、多孔填料15、催化剂涂层16、油烟出口17、电力线18、多孔板19、通气孔20。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的说明。
稀土催化低温等离子体厨房油烟净化方法，少部分厨房油烟经干燥后进入等离子产生区，雾化放电产生的等离子体进入吸附催化协同等离子体净化区,大部分厨房油烟直接进入吸附催化协同等离子体净化区,与等离子体充分接触后净化，被净化的油烟从油烟出口排到室外。少部分厨房油烟产生的等离子体是协同催化的必备条件。
如图1、图2所示，本发明稀土催化低温等离子体厨房油烟净化装置包括板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区和吸附催化协同等离子体净化区，少量厨房油烟由上油烟进口11进入板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区，等离子体发生器9雾化放电产生的等离子体由多孔板19上的通气孔20进入吸附催化协同等离子体净化区，被净化的油烟由油烟出口17排到室外，微量油污颗粒从疏油阻挡板14流入可拆卸集油盘13中。
所述的板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区包括过滤网1、干燥器2、流量控制器3、均流网4、高压板电极5、微孔6、绝缘平板7、接地板电极8。厨房油烟通过本发明壳体10的上油烟进口11进入，过滤网1阻碍大颗粒物质进入产等离子体区，经干燥管2干燥后，由均流网4进入板-孔-板电晕雾化放电极之间，高压板电极5与接地板电极8被绝缘平板7隔开，微孔6附近的电场很强，产生强热效应，微孔6附近可实现局部击穿形成脉冲电晕放电。产生的等离子体从多孔板19上的通气孔20进入吸附催化协同等离子体净化区。
优选的，所述的绝缘平板中间穿有3个等间距的小孔，直径为0.5mm。
优选的，所述的绝缘平板由陶瓷制成。
优选的，所述的多孔板19如图3所示，均匀分布大量通气孔20使产生的等离子体能够均匀、迅速的进入吸附催化协同等离子体净化区。
如图4所示，板-孔-板式电晕雾化放电反应器的绝缘板有3个微孔6，其板电极的电力线18分布如图4所示，微孔6附近电场强度增大，使微孔6处更容易放电，以形成等离子通道。本发明为增加放电区域，采用3孔形式，相当于6个针板电极反应器同时工作。
所述的吸附催化协同等离子体净化区包括可拆卸集油盘13、疏油阻挡板14、多孔填料15、催化剂涂层16。大部分厨房油烟通过本发明壳体10的下油烟进口12进入，被吸附在表面含有LaCoO3的催化剂涂层16的氧化铝多孔填料15中，由板-孔-板式电晕雾化放电产生等离子体与油烟充分接触，通过粒子间的碰撞以及解离过程中所产生的自由基与污染物分子碰撞使污染物分子的化学键断裂，达到降解有毒有害物质的目的，最终由油烟出口17排出室外。所剩微量油污颗粒在重力作用下从疏油阻挡板14流入可拆卸集油盘13中，可拆卸集油盘13定期清理。
优选的，所述多孔填料15为氧化铝,活性氧化铝多孔材料具备巨大表面积，吸附容量大，选择性好、有利于混合气体分离。并且具有足够的机械强度、热稳定性和化学稳定性，同时比较廉价。多孔球对油烟污染物有强烈的吸附作用，而等离子体有很强的分解能力，二者互补性好，Al2O3多孔球优先吸附污染物，使其不会随气流快速离开净化区，污染物与等离子体充分接触，并且具备足够的反应时间。等离子体及时清洁吸附于多孔球面的污染物，使多孔球表面长久保持清洁，无污染物堆积，拥有持久吸附能力。
优选的，所述多孔填料15采用多孔球形结构，稀土催化剂（LaCoO3)负载于多孔结构的氧化铝载体上有利于等离子体降解油烟，比表面积和孔体积较大的催化剂增加了反应物和等离子体放电产生的活性粒子在催化剂的表面吸附和富集的可能性，提高两者有效碰撞的几率以及表面反应的可能性，同时高的比表面积也有利于反应物和产物在催化剂上快速吸附和脱附。
优选的，所述催化剂涂层16采用稀土基钙钛矿复合氧化物（LaCoO3)，通过将稀土基钙钛矿复合氧化物（LaCoO3)负载于具有高比表面积的载体氧化铝上，可提高其比表面积，进而提升催化效果，同时掺入La抑制Al在钙钛矿晶格中的迁移。
稀土基钙钛矿复合氧化物(LaCoO3)作为催化剂涂层，具有很好的热稳定性和氧化活性，通过部分惨杂或替代钴离子或氧离子，使离子半径不同产生缺陷或空位，可提高催化活性。
优选的，板-孔-板式电晕雾化放电反应器采用雾化放电，本发明通过雾化电晕放电产生等离子体净化油烟废气，在放电极雾化电晕放电，仅需少量水就可以保持极板的清洁，能够提高净化装置的使用寿命。
优选的，所述催化协同等离子体技术，电晕放电产生的大量高活性物种引发了吸附材料表面的催化剂，降低了反应的活化能，促进污染物的完全氧化。将低温等离子体技术与催化过程结合，提高了过程的能效和目标产物的选择性。
由于等离子体及其产生的活性自由基存在时间短，等离子体产生与油烟净化部分分离在现有技术中基本不被采用，本发明的通过如下方法解决此应用性难题：
（1）凭借将填料移出等离子体产生区缩短电极距以增大电压以及板-孔-板式电晕雾化放电反应器的绝缘板采用的3孔形式，增加放电区域（相当于6个针板电极反应器同时工作），可大大提高等离子体的产生概率，以便持续产生活性物质源源不断地进入吸附催化协同等离子体净化区。
（2）借助油烟机自身的外排气流以及两区域间的密集空隙，使高压放电产生的等离子体能够快速进入吸附催化协同等离子体净化区。
（3）采用LaCoO3稀土催化协同等离子体技术，可以降低了反应的活化能，提高等离子体对污染物的氧化效果，单位净化能力的提升足以弥补其含量的减少。
（4）采用Al2O3多孔球吸附材料可以增加反应物和等离子体放电产生的活性粒子在催化剂的表面吸附和富集的可能性，提高两者有效碰撞的几率以及表面反应的可能性，同时，适当延长油烟中污染物的停留时间，而等离子体能够持续产生，也保证了污染物的到有效去除。
所述的稀土催化低温等离子体厨房油烟净化装置包括板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区和吸附催化协同等离子体净化区。将油烟净化装置分为两个区域，等离子体产生与油烟净化部分分离，具备以下优势：（1）、可防止油烟大量粘附在电极表面，造成电极污染，同时避免了油层过厚导致反电晕，起到保护电极的作用；（2）、将填料移出等离子体产生区，可缩短电极间的距离，便于施加更高的脉冲电压，提高等离子体产生的概率，放电电压增大，催化剂与等离子体之间表现出较好的协同作用；（3）、使含有稀土催化剂涂层的多孔填料离开高压放电区域，可以避免多孔填料在高压条件下破损，同时吸附剂、催化剂的性能能够得到长久保持；（4）、截取部分油烟产生等离子体的供气，可减少油烟预处理量，降低过滤网、干燥器、流量控制器、均流网的使用负荷，使之便于维护；（5）、油烟排气管顶部的油烟相对于下面部分的油烟，更容易在预处理措施下保持干燥洁净，这有助于等离子系统的运行。
基于本发明中将等离子体产生与油烟净化部分分离设计得到的板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区和吸附催化协同等离子体净化区，足以克服等离子体本身的限制条件，以及其所具备的各项优势所在，本发明对于油烟的净化效率超过之前油烟净化设备。
为了同时保证油烟机正常运行的排气速度、油烟中污染物得到充分净化的足够停留时间。下面通过实例详细说明本发明的处理的条件。
实施例11）本发明采用板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区和吸附催化协同等离子体净化区为基础，采用雾化电晕放电方式产生等离子体。
2）调节电源脉冲电压为10KV，放电频率为50Hz。
3）吸附催化协同等离子体净化区中吸附材料Al2O3的填充率为70%。
4）吸附材料Al2O3的催化剂涂层——稀土基钙钛矿复合氧化物(LaCoO3)负载量为15%。
5）少量厨房油烟通过本发明壳体的上油烟进口进入，通过过滤网，经干燥管干燥后，由均流网进入高压板电极与接地板电极之间，在绝缘平板微孔附近形成脉冲电晕放电，产生等离子体。
6）绝缘平板上微孔直径为0.05mm。
7）等离子体从多孔板19上的通气孔20进入吸附催化协同等离子体净化区。
8）另外一大部分厨房油烟通过本发明壳体的下油烟进口进入，被吸附在表面含有催化剂涂层的多孔填料中，由板-孔-板式电晕雾化放电产等离子区进入的等离子体与油烟充分接触，协同降解有毒有害物质。
9）从油烟出口取样，测出油烟排放浓度，计算油烟净化效率，并分析各污染成分含量。
实施例2
其他条件不变，将实施例1中的步骤（2）中电源的脉冲电压10KV改为8KV。
实施例3
其他条件不变，将实施例1中的步骤（2）中电源的脉冲电压10KV改为12KV。
实施例4
其他条件不变，将实施例1中步骤（3）中吸附材料Al2O3的填充率为70%改为60%。
实施例5
其他条件不变，将实施例1中步骤（3）中吸附材料Al2O3的填充率为70%改为80%。
实施例6
其他条件不变，将实施例1中步骤（4）中的稀土基钙钛矿复合氧化物(LaCoO3)负载量为15%改为12%。
实施例7
其他条件不变，将实施例1中步骤（4）中的稀土基钙钛矿复合氧化物(LaCoO3)负载量为15%改为18%。
实施例8
其他条件不变，将实施例1中步骤（4）中的稀土基钙钛矿复合氧化物(LaCoO3)负载量为15%改为21%。
实施例9
其他条件不变，将实施例1中步骤（6）中的绝缘平板上微孔直径为0.05mm改为0.01mm。
实施例10
其他条件不变，将实施例1中步骤（6）中的绝缘平板上微孔直径为0.05mm改为1.0mm。
通过实例证实厨房油烟中的污染物质在本发明稀土催化低温等离子体厨房油烟净化装置中最佳条件：电源脉冲电压为12KV，放电频率为50Hz，吸附催化协同等离子体净化区中吸附材料Al2O3的填充率为70%，稀土基钙钛矿复合氧化物(LaCoO3)负载量为15%，板-孔-板式电晕雾化放电反应器的绝缘板上微孔直径为0.05mm，在该条件下的油烟去除率高达99.5%，异味去除率达80%。
Claims (10)
1.一种稀土催化低温等离子体厨房油烟净化方法，其特征在于，少部分厨房油烟经干燥后进入等离子产生区，雾化放电产生的等离子体进入吸附催化协同等离子体净化区,大部分厨房油烟直接进入吸附催化协同等离子体净化区,与等离子体充分接触后净化，被净化的油烟从油烟出口排到室外。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的吸附催化协同等离子体净化区采用多孔球负载的稀土催化剂。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的等离子产生区采用板-孔-板式电晕雾化放电反应器。
4.一种稀土催化低温等离子体厨房油烟净化装置，其特征在于，它包括板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区、吸附催化协同等离子体净化区、壳体（10）；所述的壳体（10）设有上油烟进口（11）、下油烟进口（12）、油烟出口（17），少部分厨房油烟由上油烟进口（11）进入板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区，雾化放电产生的等离子体进入吸附催化协同等离子体净化区，大部分厨房油烟从下油烟进口（12）直接进入吸附催化协同等离子体净化区，净化后的油烟通过油烟出口（17）排出。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的板-孔-板电晕雾化放电等离子体产生区包括过滤网（1）、干燥器（2）、流量控制器（3）、均流网（4）、板-孔-板电晕雾化放电极，所述的过滤网（1）、干燥器（2）、流量控制器（3）、均流网（4）顺次相连，待净化的厨房油烟由均流网（4）进入板-孔-板电晕雾化放电极之间，所述的板-孔-板电晕雾化放电极包括高压板电极（5）、微孔（6）、绝缘平板（7）、接地板电极（8），高压板电极（5）与接地板电极（8）被绝缘平板（7）隔开，所述的绝缘平板（7）设有微孔（6），所述的板-孔-板电晕雾化放电极产生的等离子体由多孔板（19）上的通气孔（20）进入吸附催化协同等离子体净化区。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的绝缘平板（7）中间穿有3个等间距的微孔（6），直径为0.5mm。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的绝缘平板（7）由陶瓷制成。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的吸附催化协同等离子体净化区包括可拆卸集油盘（13）、疏油阻挡板（14）、多孔填料（15）、催化剂涂层（16），大部分厨房油烟通过下油烟进口（12）进入后被吸附在表面含有催化剂涂层（16）的多孔填料（15）中，由板-孔-板式电晕雾化放电等离子体产生区进入的等离子体与厨房油烟充分接触，通过粒子间的碰撞以及解离过程中所产生的自由基与污染分子碰撞使污染物分子的化学键断裂，降解有毒有害物质后，最终由油烟出口（17）排出室外；所剩油污颗粒在重力作用下从疏油阻挡板（14）流入可拆卸集油盘（13）中。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述多孔填料（15）为氧化铝，所述的催化剂涂层（16）采用稀土基钙钛矿复合氧化物。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述的多孔填料（15）采用多孔球形结构。
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