CN100558412C - 使用了臭氧和光催化分解器的复合空气杀菌净化装置 - Google Patents
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Abstract
一种使用了臭氧和光催化分解器的复合空气杀菌净化装置，本发明的复合空气杀菌净化装置是结合了臭氧和光催化剂的空气杀菌净化装置，即，将从设于入口或出口的污染物感知传感器接收的电信号，送至可变输出稳定器(Dimming Balast)系统，使臭氧发生灯的输出强度在100～5%范围内变化，从而对臭氧发生量进行调节。当污染物的量多时，增多臭氧生成量，量小时则减少臭氧发生量，在污染物的量超过光催化分解器的分解能力的情况下，则利用臭氧除去污染物。根据本发明，通过在光催化分解器中选择使用弹簧形态的担体，可以产生在减少装置的压力损失的同时，还提供臭氧和紫外线的足够的接触面积，并容易填充担体的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种可以利用臭氧及光催化剂的氧化反应对空气中的悬浮细菌及污染物(VOC，Volatile Organic Compound)进行杀菌及分解处理的复合空气杀菌净化装置。具体来说，涉及根据污染物的量来使光催化剂分解器与臭氧发生器组合工作，并通过对臭氧灯的输出强度进行调节的光亮度(dimming)稳定器系统来调节臭氧的发生量的使用臭氧和光催化分解器的复合空气杀菌净化装置。
背景技术
最近的能源节约政策是沿着将室内空气与外部隔断的方向发展，由于从各种室内装饰排出的污染物使室内空气的质量进一步变差，由此会对人体产生引发呼吸器官疾病等严重的影响。
虽然已经介绍有用于解决此类室内污染问题的净化装置，但是，主要使用的方法大多是对空气中所含的粒子状污染物进行过滤处理或利用吸附剂将臭味除去的方法。但是，这些方法如果不对过滤器进行持续的更换，就无法期待会产生效果，反而会诱发细菌的繁殖、臭味，存在除去污染物的同时排出其他污染物等的问题，因此，现实情况要求开发出能够更彻底地除去污染物的空气净化装置。
室内空气的质量会随着人的活动程度及室内的条件而产生大幅度的变化。例如，在就餐时间和很多人聚集的情况下，臭味等污染物的量增多，而在就寝时间等人的活动量较少的情况下，污染物的浓度就较低。
这样，由于室内空气的质量并不是恒定的，因此，如果不根据污染度的高低来改变空气净化装置的容量及大小，则会有不能除去污染物或能量消耗过多等问题，因此，需要有一种可以根据室内空气污染度对空气净化器的分解效率进行调节的空气净化装置。
臭氧的3个氧原子中，第3个原子由于结合较弱，因而不稳定，很容易分离，成为发生器氧。发生器氧的氧化能力比氯高5.6倍，病毒杀除力比氯高25倍，能够以3000倍的速度瞬间杀菌。另外，由于臭氧没有二次污染的问题，因此被作为杀菌/氧化剂广泛地应用于各领域中。
但是，由于臭氧在一定浓度以上时会对人体产生不良影响，因此，在其使用中，必须非常慎重地进行浓度的调节。另一方面，由于对臭氧的浓度进行控制的传感器非常昂贵，因此很难将臭氧应用于在一般的空气净化装置中。
最近开发的光催化剂空气净化装置是通过利用附着在净化装置上的污染物传感器来对空气净化装置的鼓风机的转速进行调节的方式来调节空气净化能力的效率。但是，如果像这样，并没有增加光催化剂分解效率，只是增大穿过光催化剂分解器的空气的速度，那么，污染物与光催化剂接触的时间会进一步缩短，反而会使分解性能降低。
另外，仅使空气循环量增加的方法在臭味除去效率方面并没有变化，反而会产生使噪音增大的问题。像这样增大鼓风机的转速的方法对利用光催化反应的污染物的去除速度并没有影响，仅能够对除去粒子状态的物质有所帮助。
另外，为了提高光催化空气净化装置的分解反应效率，在增多了光催化反应中使用的灯的数目或使用了高输出强度的灯的装置中，在空气净化装置的通常工作特性上，消耗了与污染物的浓度无关地提高输出强度的那一部分的电能，因此，有能量消耗变大、外形尺寸变大的缺点。
在通常情况下，如果使用低输出强度的紫外线灯，虽然消耗电能降低，但是由于光催化分解器的污染物分解能力也降低，因此，为了使空气净化能力提高，需要附带使用安装活性炭过滤器等那样的吸附系统等辅助手段。但是，为了与污染物的最高浓度匹配，所制作的一般空气净化装置的尺寸很大，为了防止电能的过多消耗，不得不周期性地停止运行装置。这样的开灯及关灯会引起紫外线灯的寿命缩短，当继续使装置工作时，就会使消耗电能变高。
当光照射到光催化剂上时，会生成带负电荷的电子和带正电荷的空穴。此电子与空穴由于具有非常强的还原能力和氧化能力，因此会从大气中的水和氧中生成活性强的氢氧自由基(OH)和过氧离子(O2-)。由于所生成的氢氧自由基和过氧离子那样的活性种具有很强的氧化、还原能力，因此可以发挥杀菌作用，将有机污染物分解成无害的水和二氧化碳。
光催化分解反应是如下的过程，即，在污染物穿过被紫外线照射的光催化剂涂覆担体之间时，在光催化剂表面生成的具有氧化能力的活性种使有害物质氧化，并使之分解成对人体无害的二氧化碳和水。如果利用这样的光催化反应，不仅可以将难分解有机物质分解处理成二氧化碳和水，还可以将细菌、霉等的细胞膜氧化、破裂，因而也可以获得杀菌效果。
已知在光催化剂表面生成的活性种具有比被认为是强氧化剂的臭氧还要强的氧化能力。但是，光催化反应与其他的化学反应的催化剂的情况不同，由于仅是在照射了紫外线的表面进行，因此活性种的生成量很少，在实际分解反应中所需的绝对量较少，因此，在除去高浓度污染物方面是有限制的。
为了提高光催化分解反应的活性，虽然有使涂覆在担体的表面上的光催化剂的表面积增大、使所照射的紫外线的强度增大的方法，但是，由于光催化反应仅在照射紫外线的表面上进行，因此，为了涂覆更多的光催化剂，可以采用在担体的表面进行较厚地涂覆或涂覆至微孔内部等这些效率低的方法。
基于这样的理由，与涂覆光催化剂的涂覆厚度相比，所涂覆的表面的形态更为重要。当使用最近开发的针状结晶形态的二氧化钛光催化剂时，据介绍具有比涂覆了薄膜形态的光催化剂更优良的分解效率。
光催化分解器中所使用的担体的形态与光催化反应活性有非常密切的关系。珠状(bead)形态由于空气不得不仅在位于珠粒之间的空隙中穿过，因此压力损失非常大，需要使用静压大的鼓风机，所以电能消耗和噪音都变大。另外，由于珠粒自身阻隔紫外线照射到位于后面的担体，因此紫外线不能顺利地照射到远离灯的地方，所以反而降低了反应活性。
考虑到压力损失，被设计成通过配置管或板而使得空气能够与灯平行流动的装置，虽然压力损失较小，但是由于反应表面积小，因此分解反应活性较低。填充担体时，空隙越小，穿过的空气的压力损失就越大，紫外线也不能照射到担体的内部，因此反而会使分解反应效率降低。所以，光催化剂涂覆担体必须具有在提高填充率的同时，还可以使紫外线顺利地照射的结构。这样，由于担体与压力损失和分解反应活性有密切的关联，因此，有必要开发出紫外线的照射率高、光催化反应表面积大的光催化剂涂覆担体。
发明内容
使紫外线灯的输出强度根据污染物的浓度可变地变化的方法，是应用了根据周围的亮度对室内的荧光灯的照度进行调节的光亮度(Dimming)功能。即，将使紫外线灯动作的稳定器作为光亮度(dimming)稳定器，按照可以用污染物感知传感器25的信号对灯的输出强度控制量进行控制的方式，构成系统(图5)，在低浓度污染下，维持较低的臭氧发生灯19a的输出强度，主要进行利用光催化分解反应的杀菌及分解反应，当存在高浓度的污染物时，提高臭氧灯19a的输出强度，使臭氧生成量增加，从而有效地除去室内的污染物。
臭氧在空气中也微量存在(0.005ppm)，在紫外线较多的海岸、高山、森林等的空气中存在较多(约0.02ppm)。如果我们去海岸、森林等地方，会感到十分清爽，正是由于臭氧的作用。
一般来说，为了在工业上利用臭氧，可以利用等离子、放射线、无声放电、紫外线等来制造。由于臭氧即使在低浓度下也可以轻易地杀灭大肠杆菌、葡萄球菌、沙门氏菌、O-157菌等，因此臭氧杀菌法从以前就被用于食品贮藏及冷冻室空气的净化及加工食品的制造工序、上下水的净化、游泳场、医院、养殖场等中的杀菌及除臭。
在利用紫外线法产生臭氧的方法中，利用放射184.9nm的紫外线的紫外线灯19a将空气中的氧气变换为臭氧。此时，所产生的臭氧的量会随着紫外线灯的184.9nm的紫外线的输出强度而改变。
本发明利用光亮度稳定器系统调节发生臭氧的紫外线灯19a来对所产生的臭氧的量进行调节。另外，采用如下的光亮度稳定器(dimming balast)(图5)，即，将测定污染物的量的传感器与臭氧发生量联系起来，在普通的情况下，利用光催化分解器进行杀菌净化，当污染物的量超过一定水平时，则可以提高臭氧发生灯的输出强度，使得臭氧生成量增加，这样就可以防止一般由于利用臭氧的空气净化器而产生的由未反应臭氧造成的损害的问题，并可以进行高浓度污染物的分解。
为了将浓度不恒定的室内空间的污染物有效地分解除去，分解效率必须可以根据室内的条件而改变，因此将氧化能力较强的臭氧与光催化剂分解装置一起使用。另外，为了使臭氧和污染物的混合及反应可以顺利地进行，在臭氧发生部填充涂覆了光催化剂的担体后使用。
本发明为了提高光催化分解器的效率，利用以酸使担体表面的一部分腐蚀的方法来使担体表面粗糙，从而增加了担体与光催化剂的附着力和光催化剂涂层的表面积。如果采用此种方法，则由于可以通过调节酸的浓度和处理时间来进行加工，因此即使担体的量较多，也可以进行均均的表面处理。
在担体的形态方面，将既可以减小空气的流动阻力又可以增大紫外线的照射量的多种形态的弹簧(spring)构造的担体在涂覆光催化剂后填充在紫外线灯周围，此方法有以下的优点，即，由于可以根据弹簧的粗细和直径及长度来调整担体的填充率，因此可以调节光催化分解器的空气流动阻力，填充也很容易。
本发明的光催化净化装置在污染的空气流入的入口侧12处，设有除去粒子状污染物的高效微粒空气过滤器(HEPA)、ULPA等板(Cartridge)形态的过滤器15，除去了微细灰尘的污染的空气经过臭氧发生部19，流入固定了光催化剂涂层担体21和紫外线灯17的一体型20或分离型光催化分解器10中，进而对污染物进行分解，对悬浮细菌进行杀菌处理。
图5中表示可以使所述光催化分解器10、20的紫外线灯17或臭氧发生部19的臭氧灯19a的输出强度改变的光亮度稳定器(Dimming Balast)系统。紫外线灯17、19a与光亮度稳定器连接，臭氧物质感知传感器的输出端子与控制光亮度稳定器的控制器连接。随着连接方法的不同，可以进行对光催化分解器10、20的特定紫外线灯或全部紫外线灯的输出强度的调节和仅对臭氧灯19a的输出强度的调节。
即，既可以对设于光催化分解器上的全部紫外线灯的输出强度同时进行调节，也可以对入口、出口、中央位置等特定部位的灯的输出强度进行调节。
对于紫外线灯17、19a的输出强度，如果将随着感知污染物质的传感器的污染物的浓度而在0～5V变化的电压输入光亮度稳定器、控制器，那么就可以利用光亮度稳定器以5～100％的期望输出强度使紫外线灯17、19a的输出强度发生改变。
附图说明
图1是利用了本发明的光催化分解器和臭氧发生器的复合空气杀菌净化装置的图。
图2是表示利用了本发明的光催化分解器和臭氧发生器的复合空气杀菌净化装置的剖面及空气的流动的图。
图3是光催化剂担体以较薄的过滤器形态被填充在金属网或打孔板上、且该光催化剂担体在光催化分解器主体上与紫外线灯交错重复设置、并且还设置有微细灰尘过滤器和鼓风机的分离型光催化分解器的概略图。
图4是光催化剂涂覆担体被直接填充在紫外线灯或石英管和主体之间的一体型光催化分解器的概略图。
图5是通过调节光催化分解器的紫外线灯或臭氧发生灯的输出强度来对臭氧发生量进行调节的光亮度(Dimming)稳定器系统的构成图。
其中，10：分解型光催化分解器；11：被污染了的空气；11a：被杀菌净化了的空气；12：空气吸入口；13：排出口；14：鼓风机；15：粉尘除去过滤器；16：分离型光催化分解器主体；16a：灯固定部；17：紫外线灯；18：一体型光催化分解器主体；19：臭氧发生部；19a：臭氧灯；20：一体型光催化分解器；21：光催化剂涂覆担体；22石英或玻璃管；22a：石英管固定部；23：光催化剂担体；23a：网或打孔板；25：污染物(VOC)感知传感器
具体实施方式
图1是表示使用了臭氧及光催化分解器的复合空气杀菌净化装置的构造的图。在所述复合杀菌净化装置中，粉尘除去过滤器15位于净化装置主体16的入口部12，用于除去微小灰尘，鼓风机14使除去了灰尘的污染空气流入填充了臭氧发生灯19a和有光催化剂涂层的担体或没有光催化剂涂层的担体的臭氧反应器19中，根据污染物的量使臭氧灯19a的输出强度改变，通过调节臭氧的生成量来调节分解效率。然后，由填充了紫外线灯17和光催化剂担体21的光催化剂分解器20利用光催化分解反应将残余污染物等除去。
图2是表示利用了臭氧发生部19及光催化分解器20的复合空气杀菌净化装置的侧视图，通过以箭头表示空气的流向而对图1的净化装置进行了补充说明。
图3是表示分离型光催化分解器10的构造的图，显示了如下的内部构造，即，在光催化分解器主体16的内部固定16a有多个紫外线灯17，在灯17之间固定有填充了光催化剂的网或打孔板23a、过滤器形态的光催化过滤器23。
图4是表示一体型光催化分解器20的构造的图，在主体18中固定22a有插入了紫外线灯17的石英管或玻璃管22，在主体18和石英管22之间填充了光催化剂涂层担体21。填充了光催化剂涂层担体21的一体型光催化分解器20是具有耐腐蚀性的圆形或四角形构造，在入口侧12和出口侧13处设有使光催化剂涂层担体不会脱离到外部的网或打孔板23a。
在通常的情况下，使空气流入及排出空气净化装置的鼓风机14可以设置在入口侧12或出口侧13。不过，本发明考虑到方便性和鼓风机的特性，采用了如下的构造，即，设置于压力损失最大的微细灰尘除去过滤器之后(图1)或者设于光催化分解器之后(10)，使得在灰尘除去过滤器和光催化分解器中压力损失较大的一侧进行吸入、排出。通过采用此种构造，就可以在压力损失较大一侧以较高压力排出时，减小产生的噪音。
本发明的光催化分解器的空气的流动方向，以灯的两端为基准，可以是平行的方向20或完全成直角的方向10。
在一体型光催化分解器20中填充光催化剂涂层担体21的方法，可以是填充在插入了灯17的石英或玻璃管22和主体18之间，或者是按照与灯17的外表面直接接触的方式填充。在前者的情况下，虽然有在更换灯17时，不必清空填充物或转移填充物的优点，但是有必须使用高价的石英管22的缺点，在后者的情况下，虽然有节省费用的效果，但是在更换紫外线灯时，有需要全部清空担体等脱除·附着过程复杂的缺点。
在以同样的方法填充臭氧发生部19的情况下，为了在插入了臭氧发生灯19a的石英管和臭氧发生器主体19b之间实现与污染物的混合或顺利的反应，可以直接填充涂覆了光催化剂或未涂覆光催化剂的担体21。
在光催化剂涂层担体21为板状过滤器形态23的光催化分解器10中，紫外线灯17被设置成与空气流动方向成直角、并与光催化过滤器23平行交错，且将光催化剂涂层担体21填充设置在金属网或开孔的板21a之中，以使紫外线良好地照射到光催化剂涂层担体21上。
除去粒子状物质的过滤器类，根据要除去的粒子的尺寸而必然所产生的压力损失已被确定，因此，空气净化装置的整体的压力损失可以被看作是由填充于光催化分解器10、20中的光催化剂涂层担体21的形状来决定的。
作为光催化剂涂层担体21，虽然更多考虑陶瓷、玻璃等的珠状形态，但是，由于填充时空隙率低，因而压力损失大。与此相反，金属材质的弹簧形态由于可以对其尺寸、形状、粗细进行多种改变，因此当作为光催化剂涂层担体使用时，可以对压力损失和光的照射量进行调节。另外，利用以酸等使表面腐蚀的方法，可以使担体21的表面像陶瓷的情况那样具有凹凸，从而可望增加外表面积，因此，可以制作出光催化分解反应活性优良的空气杀菌净化装置。
根据本发明，可以根据污染物的浓度对臭氧灯19a或紫外线灯17的输出强度进行调节，对于低浓度的污染物主要进行利用光催化分解器的杀菌及分解反应，当污染物的浓度高时，则可以根据利用臭氧和光催化分解反应处理的污染物的量，使净化装置的分解效率发生变化。
另外，通过在充填于臭氧反应器19及光催化分解器10、20中的光催化剂涂层担体21中使用尺寸和形状容易调节的金属材质的弹簧或细金属丝形态，可以产生使光照射和光催化反应表面积增大、压力损失减小、并使鼓风机的输出功率和噪音减小的效果。
另外，通过以酸等使所使用的担体21的表面人为地腐蚀，可以产生增大光催化剂的表面积、提高附着力的效果。
Claims (6)
1.一种使用了臭氧及光催化分解器的复合空气杀菌净化装置，其特征是，包括：
除去粒子状的污染物的粉尘除去过滤器(15)、
使被污染的空气在光催化杀菌净化装置中循环的鼓风机(14)、
根据污染物的量使臭氧的发生量产生变化的臭氧发生部(19)、
由对悬浮细菌及污染物进行杀菌及分解处理的紫外线灯(17)和涂覆了以氧化钛为主成分的光催化剂的担体(21)构成的光催化分解器、
将污染物的量转换为电信号的传感器部(25)、
根据由传感器接收的电信号或使用者的调整对一部分或全部紫外线灯的输出强度进行5～100％可变的调整的可变输出稳定器系统，
其中所述涂覆了以氧化钛为主成分的光催化剂的担体(21)的材料是铁、不锈钢、铝、镍、铜、银、镍-铬合金中的一种。
2.根据权利要求1所述的使用了臭氧及光催化分解器的复合空气杀菌净化装置，其特征是，所述的臭氧发生部(19)是以短波长杀菌灯放射除254.7nm以外还有184.9nm的波长的紫外线的紫外线灯(19a)。
3.根据权利要求1所述的使用了臭氧及光催化分解器的复合空气杀菌净化装置，其特征是，所述臭氧发生部(19)是利用无声放电生成臭氧的臭氧发生器。
4.根据权利要求1所述的使用了臭氧及光催化分解器的复合空气杀菌净化装置，其特征是，光催化分解器是将紫外线灯(17)和填充了涂覆了以氧化钛为主成分的光催化剂的担体(21)的板状过滤器(23)逐层交错重复设置的光催化分解器(10)。
5.根据权利要求1所述的使用了臭氧及光催化分解器的复合空气杀菌净化装置，其特征是，所述光催化分解器是在插入了紫外线灯(17)的石英管(22)的周围直接填充了涂覆了以氧化钛为主成分的光催化剂的担体(21)的光催化分解器(20)。
6.根据权利要求1所述的使用了臭氧及光催化分解器的复合空气杀菌净化装置，其特征是，涂覆了以氧化钛为主成分的光催化剂的担体(21)是粗细为0.1～3mm、直径1～15mm、高3～25mm、螺距0.1～5mm的弹簧形态担体。
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