CN101244375B - 磁强化光催化风轮与空气净化方法 - Google Patents

磁强化光催化风轮与空气净化方法 Download PDF

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Abstract

一种磁强化光催化风轮与空气净化方法，套装在轮轴外的轴套上至少设置有2个骨架盘，每个骨架盘上设置有相同数量、且至少4个径向均布的骨架，在相邻骨架盘上相对应的骨架之间设置有1个磁强化催化单元，磁强化催化单元的外围设置有非导磁固定网。使用磁强化光催化风轮净化空气的方法，包括从管道气流中过滤、吸附并净化空气污染物、对粘吸附在可导磁光催化泡沫金属上的污染物转移收集并进一步净化步骤。本发明具有结构简单、气阻小、运行成本低等优点，使用时水体中不需添加H2O2等电子受体，工作稳定，不产生二次污染。

Description

磁强化光催化风轮与空气净化方法
技术领域
本发明属于空气净化技术领域，具体涉及一种用于空气净化的磁强化光催化风轮及其空气净化方法。
背景技术
空气污染的危害性已为全社会所共识，纳米光催化以其一系列的优异特点，被认为是最有发展前景的空气污染物净化技术之一。但目前存在的主要问题是所制得的纳米光催化剂，在使用中光生电子-空穴极易自然复合，致使其光催化量子效率很低，影响了其工业化应用。对纳米光催化剂在使用中采取物理或化学方法有效分离光生电子-空穴、减少自然复合、提高其光催化量子效率，已成为非常必要的研究课题，并取得了可喜的进展。
《精细化工》2005年4期“几种电子受体对TiO2光催化降解活性的影响”和《四川有色金属》2004年4期“影响TiO2光催化活性的因素及提高其活性的措施”论述了目前较为成熟的提高光催化效率的几种化学方法。研究表明，光催化反应中电子受体O2.H2O2.O3等的引入，可以使光生电子-空穴连续有效分离，减少自然复合，提高光催化效率。
利用物理多场能(光、声、电、磁等)增强和加快化学反应，早在上世纪五十年代人们就作过大量研究，取得了不少成果。特别是近年来物理多场能与纳米光催化的协同用于环境污染的治理，成了新的研究热点，磁场与纳米光催化的协同作用研究是其热点之一。《工业催化》2005年2期“磁场助Y2O3/TiO2粉体的光催化性能研究”和《西安交通大学学报》2006年7期“磁场TiO2光催化耦合降解酸性3R的研究”就磁场提高光催化量子效率的物理机理作了探讨。
专利号为ZL03137060.8，发明名称为《光-磁协同催化技术及其在降解有机污染物上的应用》的中国发明专利，提出了一种光磁协同催化技术降解污染物的方法，其特征是在管式反应器中设置颗粒光催化剂，在管外施加电磁场，提高光催化量子效率。该方法原理是通过磁场作用于光催化反应过程产生的zeeman效应，增加三线态自由基的比率，减少自由基的复合，提高其量子效率。但这种应用单纯的物理方法对于光催化量子效率的提高仍是很有限的。
申请人的专利号为ZL 200510096209.3，发明名称为：《中央空调通风系统光声催化空气杀菌净化装置》的中国发明专利，其核心结构为：采用上半部处于气流通道中，下半部浸在含有H2O2的净化液中由电机驱动的光催化风轮。工作时，用转动的光催化风轮上设置的风轮光催化网-表面制备有纳米TiO2的不锈钢网，进行空气污染物的吸附、转移与催化净化。同时，用光催化风轮在净化液中转动时粘附在光催化网上的净化液中的H2O2作为光生电子受体，减少了光生电子-空穴的自然复合，提高了其光催化效率。上述结构的光催化风轮与净化液中H2O2的结合使用，使净化装置中的光催化净化效能得到了一定的提高，但仍存在一定的不足。其一，普通不锈钢光催化网的比表面积较小，负载的光催化剂量少，对空气污染物的捕集、吸附、净化能力较差。其二，用H2O2作为电子受体，是一种纯化学方法，使用中随着净化液中H2O2量的变化，效果的稳定性较差，且成本较高。同时，进入气流中的H2O2会对下游气流通道中的金属件造成腐蚀损坏，即产生二次污染，不利于长期使用。因此在应用上进一步开发、解决上述方法或装置中单纯的物理或化学方法提高光催化效率的不足，将提高光催化效率的物理与化学方法高效协同，低成本、更有效、更安全的提高光催化效率，有着重要的技术意义。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题在于克服上述装置与方法的缺点，提供一种设计合理、结构简单、气阻小、运行成本低、光催化净化效率高的磁强化光催化风轮。
本发明要解决的另一个技术问题在于提供一种使用磁强化光催化风轮净化空气的方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：套装在轮轴外的轴套上至少设置有2个骨架盘，每个骨架盘上设置有相同数量、且至少4个径向均布的骨架，在相邻骨架盘上相对应的骨架之间设置有1个磁强化催化单元，磁强化催化单元的外围设置有非导磁固定网。
本发明的磁强化催化单元为：在相邻骨架盘的相对应骨架上两块极性相异永久磁体之间、非导磁固定网内设置有可导磁光催化泡沫金属。
本发明的相邻两个磁强化催化单元的相邻永久磁体相邻端面的极性相异。
本发明的可导磁光催化泡沫金属为：表面制备有纳米光催化剂的泡沫镍或表面制备有纳米光催化剂的可导磁泡沫不锈钢。
本发明的纳米光催化剂为纳米TiO2光催化剂。
本发明的永久磁体为稀土永磁体。
使用上述的磁强化光催化风轮净化空气的方法包括以下步骤：
1.从管道气流中过滤、吸附并净化空气污染物
将磁强化光催化风轮的轮轴用联接件与驱动机构相联，磁强化光催化风轮的下部浸于水体中，上部处在待净化的气流通道中，超声辐射源设置于水体中并向水体中的磁强化光催化风轮辐射超声波，处在气流通道中的磁强化光催化风轮上的可导磁光催化泡沫金属，对气流中的空气污染物进行过滤、粘吸附，同时可导磁光催化泡沫金属上的光催化剂在紫外光的激发和磁场强化作用下，对粘吸附其上的污染物进行净化。
2.对粘吸附在可导磁光催化泡沫金属上的污染物转移收集并进一步净化
转入水体中的磁强化光催化风轮的磁强化催化单元受到水体中超声波的辐射，粘吸附在磁强化催化单元可导磁光催化泡沫金属表面的污染物及其表面梯度磁场所富集的氧气被超声波解吸并溶于水中，旋转的磁强化光催化风轮连续将从气流中过滤、吸附收集的污染物转移解吸到水体中，转移到水体中的污染物在磁强化光催化、超声波、磁场和解吸于水体中的氧气的共同作用下进一步净化。
本发明的特点如下：
1.本发明将磁场作用于纳米光催化剂及其光催化反应过程，同时产生两种效应，即从两个方面提高了纳米光催化剂的光催化效率：
(1)物理效应-磁场作用于光催化反应过程产生的zeeman效应，增加了三线态自由基的比率，减少自由基的复合，提高了光催化效率。
(2)化学效应-将表面制备有纳米光催化剂的可导磁泡沫金属置于磁场中，由于可导磁泡沫金属是具有无序多孔和大比表面积的三维可导磁光催化泡沫金属，在其表面形成的高梯度磁场所产生的富氧效应，使气流中的O2更容易、更充分地与光催化剂接触，O2作为良好的电子受体，接受光生电子形成O- 2、OH等活性自由基，降低了光生空穴-电子对的直接复合，提高了光催化效率。同时，O2作为氧化剂直接参与光降解有机物过程，从而增加了光催化降解效率。
本发明正是将磁场作用于同一光催化剂载体、同一光催化反应过程中所产生的上述物理效应与化学效应高效协同，显著提高了光催化效率。
2.本发明采用的表面制备有纳米光催化剂的可导磁泡沫金属以其本身的三维结构特点和巨大的表面积，使空气中的污染物更易与光催化剂接触或被吸附，从而使空气污染物得到快速、充分的净化。
3.使用本发明对空气进行净化时，本发明与浸没于水中的超声辐射源结合使用，超声波作用于转到水体中的可导磁光催化泡沫金属表面，使其表面粘吸附的空气污染物和氧气快速解吸于水体中，使水体中的富氧度明显提高，在富氧的水环境中超声波的“超声空化效应”和磁强化光催化净化的作用下，污染物能更迅速、更彻底的得到净化。
4.本发明在运转中由于磁强化光催化风轮与水作相对运动，即水体不断地切割磁力线，使水体磁化。由于磁化水具有一定的杀菌和净化污染物的功能，且磁化水的溶氧能力明显强于普通水，从而进一步强化了对转移到水体中的污染物的净化能力。
5.本发明具有结构简单、气阻小、运行成本低等优点，使用时水体中不需添加H2O2等电子受体，工作稳定，不产生二次污染。
附图说明
图1本发明一个实施例的主视图。
图2是图1的A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1、2中，本实施例的磁强化光催化风轮由轮轴1、轴套2、骨架3、永久磁体4、可导磁光催化泡沫金属5、非导磁固定网6联接构成。
本实施例采用6个径向均布的骨架3连为一体构成骨架盘，骨架盘为导磁的不锈钢骨架盘，也可为非导磁材料骨架盘，在轴套2上均布安装有4个骨架盘，轮轴1套装在轴套2内，使用时轮轴1用联接件与驱动机构相联，带动轮轴1转动。左端骨架3的内侧面粘附有永久磁体4，永久磁体4的形状为长方体，永久磁体4的外端面为S极、内端面为N极。右端骨架3的内侧面粘附有永久磁体4，永磁体的外端面为N极、内端面为S极。中间左侧一个骨架3的左右侧面上各粘附有永久磁体4，左侧永久磁体4的左端面为S极、右端面为N极，右侧永久磁体4的左端面为S极、右端面为N极。中间右侧一个骨架3的左右侧面上各粘附有永久磁体4，左侧永久磁体4的左端面为S极、右端面为N极，右侧永久磁体4的左端面为S极、右端面为N极。上述的永久磁体4为钕铁硼稀土永磁体，也可采用钐钴稀土永磁体或其它稀土永磁体，永久磁体4的磁感应强度不小于2500高斯，永久磁体4的具体磁感应强度应按照相邻骨架盘间的距离大小进行设计。左端骨架3上的永久磁体4与中间左侧骨架3上左侧的永久磁体4之间安装有可导磁光催化泡沫金属5，右端骨架3上的永久磁体4与中间右侧骨架3上右侧的永久磁体4之间安装有可导磁光催化泡沫金属5，中间左侧骨架3上右侧的永久磁体4与中间右侧骨架3上左侧的永久磁体4之间安装有可导磁光催化泡沫金属5，本实施例的可导磁光催化泡沫金属5为表面制备有纳米TiO2光催化剂的泡沫镍，可导磁光催化泡沫金属5与两侧极性相反的永久磁体4构成一个磁强化催化单元，在相邻骨架盘上相对应的两个骨架3上用螺纹紧固联接件安装有非导磁固定网6，非导磁固定网6用于将可导磁光催化泡沫金属5固定在两侧的永久磁体4之间。具有三维结构特点的大比表面积可导磁光催化泡沫金属5安装在永久磁体4之间，使磁场作用于光催化反应过程，同时产生下述两种效应：
1.物理效应-磁场作用于光催化反应过程产生的zeeman效应，增加了三线态自由基的比率，减少自由基的复合，提高了光催化效率。
2.化学效应-将表面制备有纳米光催化剂的可导磁泡沫金属置于磁场中，由于可导磁泡沫金属是具有无序多孔和大比表面积的三维可导磁光催化泡沫金属5，在其表面形成的高梯度磁场所产生的富氧效应，使气流中的O2更容易、更充分的与光催化剂接触，O2作为良好的电子受体，接受光生电子形成O- 2、OH等活性自由基，降低了光生空穴-电子对的直接复合，提高了光催化效率。同时，O2作为氧化剂直接参与光降解有机物过程，从而增加了光催化降解效率。在同一光催化反应过程中所产生的物理效应与化学效应高效协同，显著提高了光催化效率。使用磁强化光催化风轮对空气进行净化时，磁强化光催化风轮与浸没于水中的超声换能器结合使用，超声波作用于转到水体中的可导磁光催化泡沫金属5表面，使其表面粘吸附的空气污染物和表面富集的氧气快速解吸于水体中，使水体中的富氧度明显提高，在富氧的水环境中超声波的“超声空化效应”和磁强化光催化净化的作用下，收集的污染物得到更迅速、更彻底的得到净化。
四个骨架盘上的其它骨架3上所安装的磁强化催化单元的结构与上述的磁强化催化单元的结构完全相同。本实施例四个骨架盘上的骨架3上共安装有18个磁强化催化单元。
使用上述的磁强化光催化风轮净化空气的方法包括以下步骤：
1.从管道气流中过滤、吸附并净化空气污染物
将磁强化光催化风轮的轮轴1用联接件与调速电动机相联，调速电动机为驱动机构的一个实施例，也可采用普通电动机或汽油发动机或柴油发动机作为驱动机构，磁强化光催化风轮的下部浸于水体中，上部处在待净化的气流通道中，超声换能器设置于水体中并向水体中的磁强化光催化风轮辐射超声波，超声换能器为超声辐射源的一个实施例，处在气流通道中的磁强化光催化风轮上的可导磁光催化泡沫金属5，对气流中的空气污染物进行过滤、粘吸附，同时可导磁光催化泡沫金属5上的光催化剂在紫外光的激发和磁场强化作用下，对粘吸附其上的污染物进行净化。
2.对粘吸附在可导磁光催化泡沫金属5上的污染物转移收集并进一步净化
转入水体中的磁强化光催化风轮的磁强化催化单元受到水体中超声波的辐射，粘吸附在磁强化催化单元可导磁光催化泡沫金属5表面的污染物及其表面梯度磁场所富集的氧气被超声波解吸并溶于水中，旋转的磁强化光催化风轮连续将从气流中过滤、吸附收集的污染物转移解吸到水体中，转移到水体中的污染物在磁强化光催化、超声波、磁场和解吸于水体中的氧气的共同作用下进一步净化。
实施例2
本实施例的轴套2上安装有2个骨架盘，每个骨架盘由径向均布的4个骨架3连为一体构成，2个骨架盘上共安装有4个磁强化催化单元，磁强化催化单元的结构与实施例1的磁强化催化单元相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
使用上述的磁强化光催化风轮净化空气的方法步骤与实施例1相同。
实施例3
本实施例的轴套2上均布安装有5个骨架盘，每个骨架盘由径向均布的8个骨架3连为一体构成，5个骨架盘上共安装有32个磁强化催化单元，磁强化催化单元的结构与实施例1的磁强化催化单元相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
使用上述的磁强化光催化风轮净化空气的方法步骤与实施例1相同。
实施例4
在以上实施例1～3中，安装在相邻两块永久磁体4之间的可导磁光催化泡沫金属5为表面制备有纳米TiO2光催化剂的可导磁泡沫不锈钢，相邻两块永久磁体4与表面制备有纳米TiO2光催化剂的可导磁泡沫不锈钢构成磁强化催化单元。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。
使用上述的磁强化光催化风轮净化空气的方法步骤与实施例1相同。
本发明的工作原理如下：
被污染的空气通过磁强化光催化风轮时，设置在相邻相对骨架3上磁性相异的永久磁体4之间的可导磁光催化泡沫金属5，以其无序多孔和大比表面积的光催化三维结构可导磁光催化泡沫金属5的特点，使穿流而行的空气污染物充分的与光催化剂接触或被吸附，同时置于磁场中的可导磁光催化泡沫金属5表面形成的高梯度磁场，在光催化剂表面产生的富氧效应和磁场作用于光催化反应过程产生的zeeman效应高效协同，使其光催化剂的光催化净化效率效率显著提高，保证了光催化对气态污染物进行快速、高效的降解净化。转入水体中的磁强化光催化风轮的磁强化催化单元受到水体中超声波的辐射，粘吸附在磁强化催化单元可导磁光催化泡沫金属5表面的污染物及表面富集的氧气被超声波快速解吸并溶于水中，旋转的磁强化光催化风轮连续将从气流中过滤、吸附收集的污染物转移解吸到水体中，转移到水体中的污染物在磁强化光催化、超声波、磁场和解吸于水体中的氧气的协同作用下进一步净化，避免了二次污染。
本发明磁强化光催化风轮的磁强化催化单元也可以与其它空气净化装置串联，固定安装在其下游的空气通道中，构成磁强化光催化空气净化装置，对空气进行净化。

Claims (6)

1.一种磁强化光催化风轮，其特征在于：套装在轮轴(1)外的轴套(2)上至少设置有2个骨架盘，每个骨架盘上设置有相同数量、且至少4个径向均布的骨架(3)，在相邻骨架盘上相对应的骨架(3)之间设置有1个磁强化催化单元，磁强化催化单元的外围设置有非导磁固定网(6)；上述的磁强化催化单元为：在相邻骨架盘的相对应骨架(3)上两块极性相异永久磁体(4)之间、非导磁固定网(6)内设置有可导磁光催化泡沫金属(5)。
2.按照权利要求1所述的磁强化光催化风轮，其特征在于：所说的相邻两个磁强化催化单元的相邻永久磁体(4)相邻端面的极性相异。
3.按照权利要求1所述的磁强化光催化风轮，其特征在于可导磁光催化泡沫金属(5)为：表面制备有纳米光催化剂的泡沫镍或表面制备有纳米光催化剂的可导磁泡沫不锈钢。
4.按照权利要求3所述的磁强化光催化风轮，其特征在于：所说的纳米光催化剂为纳米TiO2光催化剂。
5.按照权利要求1或2所述的磁强化光催化风轮，其特征在于：所说的永久磁体(4)为稀土永磁体。
6.一种使用权利要求1所述的磁强化光催化风轮净化空气的方法，其特征在于包括下述步骤：
A.从管道气流中过滤、吸附并净化空气污染物
将磁强化光催化风轮的轮轴(1)用联接件与驱动机构相联，磁强化光催化风轮的下部浸于水体中，上部处在待净化的气流通道中，超声辐射源设置于水体中并向水体中的磁强化光催化风轮辐射超声波，处在气流通道中的磁强化光催化风轮上的可导磁光催化泡沫金属(5)，对气流中的空气污染物进行过滤、粘吸附，同时可导磁光催化泡沫金属(5)上的光催化剂在紫外光的激发和磁场强化作用下，对粘吸附其上的污染物进行净化；
B.对粘吸附在可导磁光催化泡沫金属(5)上的污染物转移收集并进一步净化
转入水体中的磁强化光催化风轮的磁强化催化单元受到水体中超声波的辐射，粘吸附在磁强化催化单元可导磁光催化泡沫金属(5)表面的污染物及其表面梯度磁场所富集的氧气被超声波解吸并溶于水中，旋转的磁强化光催化风轮连续将从气流中过滤、吸附收集的污染物转移解吸到水体中，转移到水体中的污染物在磁强化光催化、超声波、磁场和解吸于水体中的氧气的共同作用下进一步净化。
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