CN101121114A - 连续流动式净化空气和水的纳米晶光催化反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续流动式净化空气和水的纳米晶光催化反应器。其技术关键在于：催化剂固定相(2)为多孔石英玻璃负载纳米TiO2光催化剂，多孔石英玻璃在200～800nm波长范围内的透光率大于90％，密度为0.5～0.9g/cm3，空隙率为65～75％。本发明以多孔石英玻璃为载体将TiO2掺杂体沉积在多孔石英玻璃内表面作为光催化剂，利用多孔石英玻璃透光性好和比表面积大的双重特性，增大了光催化的能力和效率，改变了同类设备传统上使用的板膜、管膜等结构，克服了传统结构等存在着光催化剂与反应物接触面积小、载体对光源能量损失率高等缺点，使纳米晶光催化反应器进入高效率和实用化阶段。

Description

连续流动式净化空气和水的纳米晶光催化反应器
技术领域
本发明涉及一种连续流动式净化空气和水的纳米晶光催化反应器及其室内空气净化器和饮用水净化处理装置的设计制造，属于纳米半导体膜材料光催化反应器技术领域。
背景技术
由于室内建筑装饰材料、家具、装修制作过程中使用的粘合剂、漆料以及日常生活中使用的洗涤剂、化妆品等化学合成品会向室内放出大量的挥发性有机化合物，包括甲醛、苯系物、氯化物、酮类、烃类等均不同程度地危害人体健康。因此，纳米半导体光催化反应器成为研究热点，它可用于家庭、医院、歌舞厅、会议室、文物存展等场所的空气净化。另一方面我国饮用水大多采用传统的氯及含氯化合物处理水，使水存在二次污染，并且进一步在出口加工过程中的蔬菜及海产品中也残留氯，使出口加工食品受到影响，更重要的是对人体健康不利，所以光催化反应器也可用于饮用水消毒处理。
光催化反应器是光催化反应发生并最终降解除去有害物的装置，其设计要求高效利用光源能量的同时还要使反应物与催化剂大面积接触，而且要方便使用。在流动相光催化反应器中，按照催化剂的存在方式，大致可以分为旋浆体反应器、流化床反应器和固定床反应器三类，其中固定床反应器种类较多，主要是催化剂载体材质和构造不同而不同：如材质上使用透光性较差的有金属丝网类、不同形状的陶瓷类等；使用透光性较好材质的有光纤【中国专利ZL01113708.8】、玻璃板、玻璃毛细管【中国专利申请ZL 200610029643.4】、玻璃丝、高分子材料等；又如载体构造不同的有传统的板框状【中国专利ZL 02144673.3】、颗粒状、蜂窝状、平板膜状和管膜状【中国专利ZL 01265866.9】等结构。以上所提到的各种光催化反应器均具有各自的优点和设计目的，但存在对光源能量利用率不高、催化剂与反应物接触面积小等缺点。
发明内容
本发明目的是提供一种光源能量利用率高、催化剂与反应物接触面积大的连续流动式净化空气和水的纳米晶光催化反应器，以克服现有技术的主要不足。
本发明采用如下技术方案来实现其发明目的：
连续流动式净化空气和水的纳米晶光催化反应器，它包含反应器筒体(1)、筒体(1)内的催化剂固定相(2)、玻璃套管(3)、紫外光源(4)、流动相进口(5)、流动相出口(6)和法兰(7)。所述的催化剂固定相(2)为多孔石英玻璃负载纳米TiO2光催化剂，多孔石英玻璃在200～800nm波长范围内的透光率大于90％，密度为0.5～0.9g/cm3，空隙率为65～75％。
所述的纳米TiO2光催化剂为金属离子掺杂(以金属氧化物形式)的纳米TiO2光催化剂，按质量百分数计金属离子掺杂量为TiO2量的1～4％，金属离子选自Cu2+、Ag+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Tb3+、Eu3+，其盐如Cu(Ac)2、AgNO3、FeCl3、CoCl2、Ni(NO3)2、Tb(NO3)3、Eu(NO3)3等。
所述的玻璃套管(3)为石英玻璃套管，多孔石英玻璃负载光催化剂固定相(2)被均匀安装布设在石英玻璃套管周围，保证了紫外光源(4)均匀有效地传输。
流动相进口(5)位于反应器底部，流动相出口(6)位于反应器上部侧面。这样设计是为了确保流动物质的均匀传递；如果流动相进口位于反应器下部侧面，物料容易形成湍流，形成不均匀流动，物料停留时间不均匀，对降解不利。
连续流动式净化空气和水的纳米晶光催化反应器的制造方法，其关键在于多孔石英玻璃采取如下加工方法：将石英玻璃经高温加工成半园环柱体状多孔石英玻璃，待其冷却后用3～5％的氢氟酸溶液处理5分钟，用去离子水或蒸馏水洗涤至pH＝7，最后用无水乙醇洗涤、脱水并干燥。
将上述处理得到的多孔石英玻璃浸渍于钛酸丁酯乙醇溶液中涂敷30分钟，取出自然干燥，再于450℃～500℃下煅烧，自然冷却即得到载体内表面负载有纳米TiO2薄膜的光催化剂载体，或称为光催化剂固定相，得到的载体表面的纳米TiO2粒径大小为20-50nm。
为了提高催化剂的活性和快速捕促到反应物，在TiO2中掺杂了金属离子(以金属氧化物形式)，具体做法是：根据掺杂金属离子的不同，钛酸丁酯乙醇溶液中还加入了可溶性金属盐，按质量百分数计金属离子掺杂量为TiO2量的1～4％，金属离子选自Cu2+、Ag+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Tb3+、Eu3+，其盐如Cu(Ac)2、AgNO3、FeCl3、CoCl2、Ni(NO3)2、Tb(NO3)3、Eu(NO3)3等。
将上述光催化反应器串、并联组合可得到不同大小规格的光催化空气净化器。
将上述光催化反应器串、并联组合可得到不同大小规格的光催化水处理装置。
与背景技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明中的光反应器以多孔石英玻璃(负载纳米TiO2掺杂体)作为光反应发生的场所，新材质新结构设计，具有高透光(200～800nm波长)率、大接触面积(密度为0.5～0.9g/cm3，空隙率为65～75％，催化剂纳米TiO2比表面积108m2/g)；与传统的光催化反应器相比，提供了更大的光照面积和反应面积，获得了更高的光催化效率，光催化剂负载牢固、长效、不粉化、不流失。
2、本发明中的光催化反应器可对空气体系中的有机挥发物(特别是甲醛)降解能力强、速度快，并能够同时降解净化其他有机物；对有机挥发物几乎无选择性，能将有机物氧化、分解，最终降解为CO2和H2O。
3、本发明中的光催化反应器可用于饮用水净化和灭菌。
4、本发明中的连续流动式净化空气和水的纳米晶光催化反应器不会对环境造成二次污染。
5、本发明中的连续流动式净化空气和水的纳米晶光催化反应器可根据不同需求，任意串并联组合，应用灵活方便，体积小，运转操作简便，能耗低。
附图说明
图1是本发明的连续流动式净化空气和水的纳米晶光催化反应器结构示意图；
图2是本发明的光催化反应器用于空气净化器的示意图；
图3是本发明的光催化反应器用于饮用水处理装置的示意图；
图4是本发明的光催化反应器内载体上的TiO2膜材料的TEM图和电子衍射花样；
附图标记说明：
1-反应器筒体            5-流动相进口
2-催化剂固定相          6-流动相出口
3-玻璃套管              7-法兰
4-紫外灯管
具体实施方式
实施例1：光催化反应器的制造
1、反应器部件设计加工
按照反应器各部分组成要求，设计图纸并加工或购买各部件备用；
2、多孔石英玻璃载体的加工
采用氢气和氧气分别从气瓶经减压阀排出至喷头燃烧，经高温下拉薄、弯曲、捏合等吹制工艺方法，加工成一定尺寸的半园环柱体状多孔石英玻璃；待其冷却后用3～5％的氢氟酸溶液处理5分钟，再用去离子水或蒸馏水洗涤pH＝7，最后用无水乙醇洗涤、脱水、干燥后备用；
3、给载体上负载光催化剂
配制浓度为20％的钛酸丁酯乙醇溶液，加入一定量金属盐(Cu(Ac)2、AgNO3、FeCl3、CoCl2、Ni(NO3)2、Tb(NO3)3、Eu(NO3)3)，掺杂量为TiO2量的1～4％，搅拌2h得到稳定、均匀的透明液体；然后将载体在常温条件下浸渍涂敷30分钟，取出后在空气中自然干燥，再于500℃下煅烧10分钟并在炉内自然冷却至室温，即可得到载体内表面附着有纳米TiO2掺杂体薄膜的光催化剂，纳米TiO2粒径大小为20-50nm(图4)，TiO2比表面积108m2/g，以备装配反应器用；
4、安装反应器
如图1所示进行各部件装配，先向反应器内最底部装设不锈钢网状(40～60目)分布器，再装设同轴心石英玻璃套管3的同时逐级组合装填负载有催化剂的多孔石英玻璃，最后安装上部法兰和密封圈，至此反应器制造安装完成。紫外灯管在反应器使用时可随时放入或更换，方便灵活。
实施例2：光催化空气净化器的制造及其降解甲醛
反应器尺寸大小可为：高933mm、外径64mm、内径61mm、光径R＝17.8mm，紫外灯管的功率为39W和发光光谱的中心波长为258.7nm，多孔石英玻璃载体的光径R＝17.8mm，高度30-50mm。
吹制得到的多孔石英玻璃负载纳米TiO2光催化剂，多孔石英玻璃在200～800nm波长范围内的透光率大于90％，密度为0.85g/cm3，空隙率为68％。纳米TiO2光催化剂金属离子掺杂量为TiO2量的2％(质量百分数)，金属盐选自Cu(Ac)2。煅烧温度及时间为500℃下10分钟。
如图2所示，将两个光催化反应器串联组合可得到光催化空气净化器。应用光催化空气净化器对空气中的甲醛进行催化降解，在气体流量15L/min，甲醛浓度1.0ppm时，降解率高达95％，使空气中的甲醛在连续流动状态下降解至国标值(0.08mg/m3)以下。
实施例3：光催化水处理装置的制造及其饮用水灭菌
反应器尺寸大小可为：高933mm、外径64mm、内径61mm、光径R＝17.8mm，紫外灯管的功率为39W和发光光谱的中心波长为258.7nm，多孔石英玻璃载体的光径R＝17.8mm，高度30-50mm。
吹制得到的多孔石英玻璃负载纳米TiO2光催化剂，多孔石英玻璃在200～800nm波长范围内的透光率大于90％，密度为0.70g/cm3，空隙率为72％。纳米TiO2光催化剂金属离子掺杂量为TiO2量的3％(质量百分数)，金属盐选自AgNO3。煅烧温度及时间为450℃下30分钟。
如图3所示，将10个光催化反应器串、并联组合可得到光催化水处理装置。应用光催化水处理装置能够对饮用水中的大肠杆菌进行催化降解，在饮用水流量1M3/h，大肠杆菌浓度30cfu/L连续流动状态下的灭菌率达到100％。
实施例4：光催化水处理装置降解染料水中的甲基橙
应用实施例3的光催化水处理装置对染料水中的甲基橙进行催化降解，在流量0.2M3/h，浓度5ppm连续流动状态下的消色率达到90％。

Claims (8)

1.连续流动式净化空气和水的纳米晶光催化反应器，它包含反应器筒体(1)、筒体(1)内的催化剂固定相(2)、玻璃套管(3)、紫外光源(4)、流动相进口(5)、流动相出口(6)和法兰(7)，其特征在于：催化剂固定相(2)为多孔石英玻璃负载纳米TiO2光催化剂，多孔石英玻璃在200～800nm波长范围内的透光率大于90％，密度为0.5～0.9g/cm3，空隙率为65～75％。
2.根据权利要求1所述的光催化反应器，其特征在于：纳米TiO2光催化剂为金属离子掺杂的纳米TiO2光催化剂，按质量百分数计金属离子掺杂量为TiO2量的1～4％，金属离子选自Cu2+、Ag+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Tb3+、Eu3+。
3.根据权利要求1所述的光催化反应器，其特征在于：流动相进口(5)位于反应器底部，流动相出口(6)位于反应器上部侧面。
4.权利要求1所述的光催化反应器的制造方法，其特征在于多孔石英玻璃的加工方法如下：将石英玻璃经高温加工成半园环柱体状多孔石英玻璃，待其冷却后用3～5％的氢氟酸溶液处理5分钟，用去离子水或蒸馏水洗涤至pH＝7，最后用无水乙醇洗涤、脱水并干燥。
5.权利要求4所述的光催化反应器的制造方法，其特征在于：将得到的多孔石英玻璃浸渍于钛酸丁酯乙醇溶液中涂敷30分钟，取出自然干燥，再于450℃～500℃下煅烧，自然冷却即得到载体内表面负载有纳米TiO2薄膜的催化剂固定相。
6.根据权利要求5所述的光催化反应器的制造方法，其特征在于：根据掺杂金属离子的不同，钛酸丁酯乙醇溶液中还加入了可溶性金属盐，按质量百分数计金属离子掺杂量为TiO2量的1～4％，金属离子选自Cu2+、Ag+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Tb3+、Eu3+。
7.权利要求1所述的光催化反应器串、并联组合可得到不同大小规格的光催化空气净化器。
8.权利要求1所述的光催化反应器串、并联组合可得到不同大小规格的光催化水处理装置。
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