一种运动型摩擦电气体除尘装置、除尘系统和除尘方法与流程

本发明涉及空气净化领域，具体地，涉及一种应用摩擦电场的除尘装置、除尘系统和除尘方法。

背景技术：

目前，在各种工业过程产生大量粉尘物质，如在工厂车间、燃烧废气等；在生活中，大量的尾气、矿物石油燃烧等排放导致的雾霾等。这些颗粒物悬浮在空气中，对人类的健康、生活和生产造成了严重的影响。

目前，工业除尘方法主要有静电除尘、颗粒床过滤除尘、虑袋除尘等。但是各种除尘方法都有一系列的问题，如静电除尘会带来臭氧、氮化物的二次污染；滤袋除尘产生高的阻力等等。如何获得一种高效率、低成本、阻力小、无二次污染的空气除尘系统，已成为目前迫切的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种运动型摩擦电气体除尘装置，应用摩擦电场能够对气体中的微米、次微米、纳米等级别的颗粒物进行高效、快速过滤，解决空气中颗粒物的吸收和过滤的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种运动型摩擦电气体除尘装置，包括：在下部设置有进气口和出气口的密封外壳、设置在外壳内的吸尘介质、在外壳的内侧壁上设置有侧壁电极阵列、在外壳内设置有内部电极阵列，吸尘介质填充在内部电极阵列周围，其中，

所述吸尘介质中包括若干介质单元，所述介质单元的外表面为介质材料；

除尘装置运动时，使吸尘介质之间、吸尘介质与侧壁电极阵列、内部电 极阵列之间相互碰撞、摩擦形成静电场，气体通过所述静电场时被净化。

优选的，所述内部电极阵列的内部电极单元的形状为针状、条状、柱状结构的电极柱。

优选的，所述电极柱的长度延伸方向沿着上下方向设置，或者水平方向设置，或者多个所述电极柱呈纵横交替形成网状阵列。

优选的，所述内部电极阵列的内部电极单元为片状、弯折的条状或柱状结构，柱状截面的尺寸为0.5mm-10mm。

优选的，所述内部电极阵列的内部电极单元的两端均固定在上述外壳内壁上；

或者，所述内部电极阵列的内部电极单元仅一端固定在外壳内壁上。

优选的，所述内部电极阵列中内部电极单元的材料为硬质材料或者柔性材料。

优选的，所述内部电极阵列中内部电极单元为可变形结构。

优选的，所述内部电极阵列中内部电极单元之间互相不连通，所述内部电极阵列中内部电极单元之间的空隙大于2倍介质单元的最大粒径。

优选的，在所述除尘装置运动过程中，所述吸尘介质的填充高度为外壳内部空间高度的10％-90％。

优选的，所述内部电极阵列的内部电极单元超出所述吸尘介质的填充范围，未完全被所述吸尘介质淹没。

优选的，所述吸尘介质中还包括若干导电单元，所述导电单元的外表面为导电材料。

优选的，所述导电单元与所述介质单元的数量比例范围为0：1—1：1。

优选的，所述介质单元和/或导电单元为空心或者实心的球形、椭球形或者多面体，粒径范围为0.5mm-10mm。

优选的，所述介质单元表面的材料为绝缘体。

优选的，所述介质单元表面材料的电负性高于或者低于所述内部电极阵列内壁电极阵列材料的电负性。

优选的，所述内壁电极阵列设置在所述外壳的内侧壁上。

优选的，所述外壳内壁电极阵列设置在所述外壳内部的顶面和底面上。

优选的，所述内壁电极阵列的内壁电极单元为长条形、方形、圆形、三角形和/或多边形的片状电极。

优选的，所述内壁电极阵列的内壁电极单元之间互相绝缘，相邻内壁电极单元之间的间距为0.1mm-1cm。

优选的，所述进气口设置在所述外壳的底部或者外壳的侧壁下部。

优选的，所述进气口设置在所述外壳底部的左端，出气口设置在所述外壳底部的右端，所述进气口与出气口之间的绝对距离大于所述吸尘介质的填充高度。

优选的，在所述进气口和出气口处设置金属网，金属网孔的尺寸小于所述介质单元的粒径。

优选的，所述内部电极阵列的内部电极单元、侧壁电极阵列的侧壁电极单元和/或吸尘介质的表面分布有纳米、微米或次微米量级的微结构，所述微结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。。

相应的，本发明还提供一种气体除尘系统，包括多个上述任一项所述的除尘装置，所述气体依次通过多个所述除尘装置，或者，所述气体分为多个支路同时通过多个所述除尘装置。

还提供一种气体除尘方法，采用上述任一项所述的除尘装置，外力作用下晃动所述除尘装置时，吸尘介质中的介质单元和内部电极阵列或侧壁电极阵列互相碰撞形成静电场，气体通过所述除尘装置被净化。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提供的运动型摩擦电气体除尘装置整体晃动时，吸尘介质中的介质单元与侧壁电极阵列4和内部电极阵列6的表面之间相互碰撞、摩擦形成静电场，气体通过所述静电场时在静电吸附作用和吸尘介质的物理过滤作用下实现对气体中颗粒物的有效过滤。本发明的除尘装置能够对通过电场的气体中的微米、次微米、纳米等级别的颗粒物进行高效、快速过滤。

将多个除尘装置进行串并联，可以形成除尘系统，提高除尘效率。可以用于工业粉尘气固分离装置及其系统，可以单独使用，也可以与其他除尘器串联使用，实现工业过程粉尘的达标排放。也可以用于空气净化，减轻雾霾对人体的伤害。

本发明提供的除尘装置具有结构简单、易于控制、采用的材料无污染廉价易得、成本低、适用范围广等特点。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的运动型摩擦电气体除尘装置的纵截面的结构示意图；

图2为本发明的运动型摩擦电气体除尘装置的水平截面的结构示意图；

图3为在与图1和2中的截面均垂直的截面的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是指示图中的方向；“内”指朝向相应结构内部，“外”指朝向相应结构外部。

为了清楚的展示本发明的运动型摩擦电气体除尘装置，参见图1-3，图1为本发明提供的运动型摩擦电气体除尘装置的纵截面的结构示意图，图2为水平截面的结构示意图，图3为在与图1和2中的截面均垂直的截面的结构示意图，除尘装置包括在下部设置有进气口1和出气口7的密封外壳3、设置在外壳3内的吸尘介质5、在外壳3的内侧壁上设置有侧壁电极阵列4、在外壳3内设置有内部电极阵列6，其中，吸尘介质5填充在内部电极阵列6周围。若干吸尘介质5中包括若干个介质单元，介质单元的表面为介质材料，侧壁电极阵列4和内部电极阵列6的表面为导体材料。

当除尘装置整体在外力作用下上下、左右来回做周期性晃动运动时，具有高摩擦电性能的介质单元，因惯性作用将与侧壁电极阵列4、内部电极阵列6相互碰撞、摩擦，产生大量静电荷，在介质单元之间、介质单元与侧壁电极阵列、内部电极阵列6之间的空间中产生高强度的静电场。以介质单元表面的材料具有高电负性为例，使介质单元表面产生大量的负电荷，侧壁电极阵列4、内部电极阵列6上留下大量正电荷。因此，在介质单元和侧壁电极阵列4、介质单元与内部电极阵列6之间形成很高的电场。

气体中的粉尘颗粒在形成过程中通常带有一定的电荷，因而总的颗粒都表现出一定的带电性。当这些带电颗粒随着气体从进气口1进入除尘装置的外壳3以后，由于在介质单元和侧壁电极阵列4之间、介质单元与内部电极阵列6之间形成很高的电场，因此，在电场作用下，气体中带正电颗粒将被侧壁电极阵列4、内部电极阵列6吸附；带负电的颗粒被介质单元吸附。经过净化的气体从出气口7流出除尘装置。

另外，当含粉尘或颗粒物的气流通过除尘装置时，还存在物理吸附过程，气体中的粉尘颗粒与吸尘介质、侧壁电极阵列4、内部电极阵列6相互碰撞、散射，形成物理吸附。物理吸附机理包括惯性碰撞、拦截、布朗扩散、重力沉降等。

因此，带有粉尘的气体通过除尘装置时，可以通过静电吸附和物理吸附过程被除尘装置净化。

吸尘介质可以为仅包括若干介质单元，也可以既包括若干介质单元也包括若干导电单元，介质单元与导电单元的数量比例可以为1：0—1：1之间。吸尘介质中既包括介质单元又包括导电单元可以使正、负电场分布更加均匀，提高过滤效率。介质单元的外表面为介质材料；导电单元的外表面为导电材料，可以为金属材料，优选为低成本抗氧化抗腐蚀的金属如不锈钢、铝等金属材料。

在其他实施例中，吸尘介质中还可以加入其他颗粒物或填充物。介质单元之间互相碰撞，或者介质单元与导电单元、电极互相碰撞，在表面形成电荷。

介质单元的表面与侧壁电极阵列4、内部电极阵列6或导电单元接触产生表面电荷，因此，只需要满足介质单元的表面材料与侧壁电极阵列4、内部电极阵列6或导电单元的材料具有不同电负性的条件即可。介质单元表面的材料可以为绝缘体，介质单元表面材料的电负性高于或者低于侧壁电极阵列4、内部电极阵列6或导电单元的表面材料电负性均可以。高电负性的材料可以为高分子(聚合物)如ptfe、pvdf等，低电负性的材料如石英、玻璃、硅酸盐材料等。

介质单元和导电单元的形状可以为球形、椭球形或者多面体，可以为空心或者实心颗粒。介质单元(或导电单元)可以整体为均一材料，也可以为表面层包覆内核的核壳结构，例如为绝缘材料的表面层包覆陶瓷材料内核的核壳结构球作为介质单元。

介质单元和导电单元的粒径范围为0.5mm—10mm。介质单元和导电单元的直径可以一致也可以不一致，可以由不同直径相互混合。

内部电极阵列6中内部电极单元之间互相不连通，内部电极单元的形状 可以为针状、条状、柱状等结构的电极柱，其长度延伸方向沿着上下方向设置，优选电极柱垂直于外壳3的底面，参见图1中所示。

内部电极阵列6中内部电极单元可以为如图1纵向电极柱阵列，也可为水平设置的横向电极柱阵列；还可以为纵横交替形成网状阵列。

内部电极阵列6中内部电极单元无论采用哪种结构的电极单元，内部电极单元之间的空隙大于2倍介质单元的最大粒径。

内部电极阵列6中内部电极单元的除了可以为图1中的电极柱的结构外，在本发明的其他实施例中，也可以为其他结构的内部电极，只要在除尘装置左右晃动等运动时，吸尘介质中的介质单元可以与内部电极阵列6中内部电极单元互相碰撞即可。内部电极阵列6中内部电极单元可以为片状、弯折的条状或柱状等结构。内部电极阵列6中内部电极单元可以为铁、铜、钢、合金等具有一定强度的金属柱状或金属片，也可以为外层包裹其它金属的多层结构；内部电极单元为柱状结构时，柱状截面的尺寸为0.5mm-10mm，例如内部电极单元采用圆柱状，直径范围为0.5mm-10mm，柱状内部电极单元之间间距为最大介质单元粒径的2倍以上。

内部电极阵列6中内部电极单元的材料可以选择硬质材料或者柔性材料，其结构可以设计为壳变形结构，例如蛇形弯折等可变形结构。内部电极单元可以为两端均固定在外壳内壁上，也可以仅一端固定在外壳内壁上，当采用弹性材料时，可以在外壳3内部摆动。

在外壳3的内壁上设置侧壁电极阵列4，多个侧壁电极单元之间互相绝缘，可以均匀分散设置在外壳3的侧壁上，如图1至图3中所示。侧壁电极单元也可以设置在外壳3内部的顶面和底面上。侧壁电极单元可以为长条形、方形、圆形、三角形和/或多边形等片状电极。相邻侧壁电极单元之间的间距可以为0.1mm-1cm，可以在装置中形成较为均匀和稳定的电场。侧壁电极单元的厚度可以在500nm-5mm之间。

常用的导电材料均可以用于制作侧壁电极单元，优选采用金属或者合金材料，包括铝、铜、金和银中的一者或者多者的任意比例合金。

本发明的吸尘装置中，进气口1和出气口7需要设置在外壳的下部，可以在外壳的底部或者侧壁下部，优选设置在外壳的底部，见图1所示，进气口1和出气口7处可以设置金属网，将吸尘介质限定在外壳内部，防止吸尘介质被气体带出外壳，金属网孔的尺寸小于外壳内介质单元的尺寸，并能够承载一定重量。

气体沿着图1中箭头所示方向在除尘装置这流动，从进气口1进入外壳3，大部分气体经过吸尘介质5后沿着水平方向流动，然后再次经过吸尘介质5从出气口7流出外壳。

为了使气体尽可能多的经过吸尘介质和强电场，外壳3中吸尘介质5的填充不应该太满，可以在吸尘介质5与外壳顶部之间留有一定的空隙，吸尘介质5的填充高度可以为外壳内部空间高度的10％-90％。

这里所述的填充高度，是指除尘装置未受力静止不动时，吸尘介质占据空间的高度。

类似的，为了使气体尽可能多的经过吸尘介质和强电场，进气口1和出气口7的距离应该尽可能远，因此，可以将进气口1设置在外壳3底部的左端，出气口7设置在外壳3底部的右端。进气口1与出气口7之间的绝对距离优选大于吸尘介质5的填充高度。

为了增加吸尘介质5与内部电极阵列6之间的碰撞摩擦，内部电极阵列6的内部电极单元超出吸尘介质5的填充范围，未完全被吸尘介质5淹没，如图1和2中所示。

外壳3不需要转动，因此，外壳3的结构不做具体限定，除了进气口和出气口外，整体为密封结构即可。优选为长方体壳状结构，也可以为其他任意的壳状结构。外壳3的内壁材料不做特别的限定，只要有足够的强度即可， 优选为绝缘体材料，如聚四氟、尼龙、陶瓷等，可以使帖附在其上的侧壁电极单元之间互相绝缘。

本发明的除尘装置中不限定介质单元表面和侧壁电极单元必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，材料的硬度并不影响二者之间的接触摩擦效果。

内部电极阵列6的内部电极单元、侧壁电极阵列4的侧壁电极单元、吸尘介质的表面可以进行表面纳米图形化处理，来增加表面积，从而提高除尘装置的物理吸附和静电吸附的效率。可以在内部电极阵列的内部电极单元、侧壁电极阵列的侧壁电极单元和/或吸尘介质的表面分布有纳米、微米或次微米量级的微结构，所述微结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状等结构。

相应的，本发明还提供一种气体除尘系统，可以包括多个上述的除尘装置，将多个除尘装置串联或者并联，气体依次通过多个所述除尘装置(多个除尘装置串联)，或者，所述气体分为多个支路同时通过多个所述除尘装置(多个除尘装置并联)。

相应的，本发明还提供一种气体除尘方法，采用本发明的除尘装置，外力作用下晃动时，吸尘介质中的介质单元和内部电极阵列、侧壁电极阵列或导电单元互相碰撞形成静电场，气体通过所述除尘装置被净化。

本发明提供的除尘装置能够对气体中的微米、次微米、纳米等级别的颗粒物进行高效、快速过滤。可以用于工业粉尘气固分离装置及其系统，可以单独使用，也可以与其他除尘器串联使用，实现工业过程粉尘的达标排放。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征， 在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。