CN103170240A - 封闭空间内空气质量监测及净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种封闭空间内空气质量监测及净化装置，包括由光触媒模块、置于光触媒模块上侧面上方的紫外光模块、置于光触媒模块侧面的风扇，其特征在于，光触媒模块置于相互平行的前板与后板之间；紫外光模块、风扇与一个监测与控制模块的控制输出端相连接，该监测与控制模块的输入端则与一个空气探测模块相连接，空气探测模块由安装在后板里面的气体传感器组成，气体传感器至少包括两个，分别用于探测甲醛、氧气的浓度；前板外面设有显示器与监测与控制模块的显示输出端相连接，所述监测与控制模块置于光触媒模块与后板之间。

Description

封闭空间内空气质量监测及净化装置

技术领域

本发明涉及一种可以监测封闭空间（如装修的居室或汽车）内空气质量（甲醛、氧气等），并根据监测值进行基于光触媒作用的空气治理的装置。

背景技术

以光触媒原理进行室内空气治理是一个非常重要的空气净化技术，目前已有较多的专利报道和产品，光触媒方式通常采用金属、塑料等材料，结构为薄板状、滤网状，光触媒通过颗粒、喷涂等方式形成具有大比表面积的光触媒结构，然后在紫外灯的作用下产生光触媒作用对空气进行治理，可以进行有机气体如甲醛、苯的降解。

黄嘉宏等人提出的一种光触媒空气净化设备，包括风扇及光触媒净化模块，风扇提供气流，光触媒净化模块包括多个光源、多个第一光触媒滤网、以及多个第二光触媒滤网，第一光触媒滤网平行设置于光源的周围，并与气流方向垂直，而多个第二光触媒滤网以垂直于第一光触媒滤网的方式设置于该光源的周围，并与该气流方向平行（中国专利文献“200710002295.6”）。

龚楚清等人则给出了一种3～10nm TiO₂纳米晶光触媒涂料的制备方法，该方法可以获得3-10nm二氧化钛纳米晶光触媒涂料，但并没有给出如何在薄板或其他结构上形成稳定纳米薄膜的方法（中国专利文献“200410013303.3”）。

平冈纯治等人发明了一种光触媒体净化装置，其光触媒由氧化钛组成，呈多孔，由反应溅射制备，氧化钛由成膜速度、溅射压力、基板温度、氧分压等参数确定（中国专利文献“02821432.3”）。

而林明耀则采用在各种膜片上面，单面，双面涂覆胶粘物固定氧化钛颗粒材料，形成光触媒杀菌膜片（中国专利文献“3141920.8”）。其构造简单，费用低，但涂胶会降低纳米薄膜质量的一致性，切胶的老化及对氧化钛表面的覆盖作用均会降低光触媒空气过滤的效果。

在目前的相关的光触媒结构制备方法中，均以颗粒状的方式通过一定的涂层沉积方法，形成表面涂层，如胶粘的方式。而氧化钛颗粒则通过机械方式形成，尺度在亚微米级，其比表面积还可以进一步提高。如果能够降低颗粒度，将可明显提高光触媒结构的比表面积，从而提高光触媒的转换效率。

现有的室内空气净化装置均是单独的空气净化装置，装置的工作与否与空气中的有毒有害气体的浓度并不相关，也就是说，即使空气中的甲醛超过已经设定的最高值，进入危险的状态，装置除正常工作外，并没有提醒使用者采取进一步的措施；另一方面，即使空气中有毒有害气体浓度非常低，净化装置的紫外灯与风扇仍在工作，这时会无谓地消耗能量，同时也会产生噪音。

在被检测及治理的空气中，两种气体浓度对人的健康至关重要，一种是典型的有害气体-甲醛，另一种是氧气。对甲醛来说，使其浓度越小越好，而氧气浓度越大越好，这将保证室内的无害与舒适。

发明内容

本发明的目的是提供一种居室或汽车内空气监控装置，特别是根据甲醛浓度的监测值自动启动净化控制部分是否工作，从而节约装置的电源消耗、减小装置的噪音；同时实现降低甲醛浓度，相对提高氧气浓度。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种封闭空间内空气质量监测及净化装置，包括由多块纳米氧化钛金属薄板组成光触媒模块、置于光触媒模块上侧面上方的紫外光模块、置于光触媒模块右侧面或左侧面的风扇，其特征在于，所述光触媒模块置于相互平行的前板与后板之间，光触媒模块的前面相对前板的里面，光触媒模块的后面相对后板的里面，所述紫外光模块、风扇与一个监测与控制模块的控制输出端相连接，该监测与控制模块的输入端则与一个空气探测模块相连接，该空气探测模块由安装在后板里面的气体传感器组成，气体传感器至少包括两个，分别用于探测甲醛、氧气的浓度；前板外面设有显示器与监测与控制模块的显示输出端相连接，所述监测与控制模块置于光触媒模块与后板之间。

上述方案中，所述光触媒模块由多层具有纳米TiO₂涂层的金属薄板相互平行叠落连接而成，金属薄板面与面之间留有缝隙，使得每层金属薄板表面都能被紫外光模块发出的紫外线照射到，同时使空气能够在每层金属薄板表面流动和交换。

所述金属薄板上纳米TiO₂涂层为几十纳米厚的氧化钛颗粒薄膜，通过溶胶-凝胶制备工艺沉积而成，其氧化钛颗粒粒径不超过30纳米。

所述监测与控制模块包括单片机、两路滤波放大及A/D转换电路，甲醛气体传感器、氧气传感器的监测信号分别通过一路滤波放大电路和A/D转换电路输入到单片机，单片机进行处理后，通过第一驱动电路输出显示驱动信号给显示器；同时单片机根据监测信号的变化，通过一个信号调理电路输出光控制信号至紫外光模块；并通过第二驱动电路输出风扇驱动信号，控制风扇电机启动与终止。单片机还可以通过第二驱动电路输出报警信号至报警装置，在被监测甲醛浓度超出安全范围时进行声光报警。

所述紫外光模块为一个管式紫外灯，长度与光触媒模块的边长相匹配，其发出的紫外线波长为358-400纳米。

本发明的优点是，结合室内气体监测与室内气体治理为一体，能够根据监测气体的情况，进行空气治理装置功耗元件的开启与关闭，使室内的甲醛、氧气等气体浓度始终保持在安全的领域。如果空气治理部分已超出了气体治理能力，则给出监测与控制警报，提醒使用者采取其他室内气体改善的措施。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图中：1、后板；2、监测与控制模块；3、紫外光模块；4、光触媒模块；5、前板；6、显示器；7、气体传感器；8、风扇。

图2为图1装置的电路原理框图；

图3为图1装置中的光触媒模块结构示意图；

图4为图3光触媒模块中的单片光触媒金属薄板板上氧化钛颗粒排列的显微照片；

图5为图1装置中监测与控制模块的电路原理框图。图中：10、11、传感器监测信号（分别为甲醛、氧气两个传感器）；12、紫外灯控制信号；13、显示器驱动信号；14、风扇及其它附件驱动信号。

具体实施方式

如图1所示，以室内（包括典型的装修居室）空气监测与控制需求为例，一种空气质量监测及净化装置，主要功能模块有四部分：一部分包括光触媒模块4，由多块纳米氧化钛金属薄板组成；一部分是紫外光模块3；一部分是监测与控制模块2；最后一部分为空气探测模块，由安装在后板1里面的气体传感器7组成，气体传感器7至少包括两个（分别用于探测甲醛、氧气）。

光触媒模块4置于相互平行的前板5与后板1之间，前板5外面安装有显示器6（LCD显示屏）连接监测与控制模块。光触媒模块的前面相对前板5的里面；光触媒模块的后面相对后板1的里面。监测与控制模块置于光触媒模块与后板之间。紫外光模块3置于光触媒模块上侧面的上方，保证紫外光能照射到光触媒模块每一块金属薄板的氧化钛颗粒面上。

除上述的基本模块外，该装置还带有风扇8置于光触媒模块4的右侧面（或左侧面），风扇配合紫外光模块的工作，当紫外光模块开始工作时，风扇工作，使空气能够进入到光触媒反应的表面上，以保证光触媒模块氧化钛金属薄板缝隙间的空气流动和交换。

如图2所示，图1装置的工作原理是这样的，空气探测模块用来监测室内空气中的甲醛、氧气的含量及变化情况，可以由甲醛气体传感器与氧气传感器监测，传感器均采用低功耗的电化学气体传感器，的浓度范围能够覆盖室内、车内气体变化的需求，可根据要求作调整。气体传感器为单电源供电，通过线缆与监测与控制模块连接，在监测与控制模块中通过滤波、放大电路后，通过A/D转化模块变成数字信号。

监测与控制模块由单片机、辅助电路等组成，具有显示、报警功能，它通过驱动显示器6可实时显示环境中气体浓度及变化。当甲醛气体浓度超过预定值，可发出控制信号驱动紫外光模块和风扇。

紫外光模块为一个管式紫外灯，原理为冷阴极紫外线发射器，长度与光触媒模块的边长匹配，可以发出波长覆盖358-400纳米的紫外线，管式紫外灯通过安装位置的设计，使发射出的光线能够照射到光触媒模块的每个金属板上。管式紫外灯由监测与控制模块提供的信号控制，实现开关和光强度的调节。当空气中的甲醛达到控制范围的下限时，关闭紫外灯，以降低功耗。

光触媒模块则是一个可以在紫外线作用下能够实现空气中的有机气体（甲醛及其他TVOC气体）进行分解，其分解能力与照射到纳米氧化钛金属薄板面的紫外线强度密切相关，有机毒气分解后，则甲醛及其它TVOC气体浓度发生变化，当降低到预定值后，可发出控制信号关闭紫外光模块和风扇。

如图3、图4所示，光触媒模块4包括多层具有纳米TiO2涂层的方形金属薄板，其相互平行叠落，四周由螺钉相互连接，金属薄板面与面之间留有缝隙，这种层状结构设计的作用在于：提高TiO2涂层与空气接触的面积，从而提高空气转化的效率。需要指出的是：金属薄板除了设计成上述方形块状叠落结构，还可以设计成其他形状的叠落结构，如圆柱状、园环状等各种结构。

本发明金属板上纳米TiO₂涂层，通过溶胶-凝胶法制备，制备过程中采用钛酸四丁酯4.26ml溶于20ml的丁醇中，然后螯合1.284ml乙酰丙酮搅2h后，逐滴加入0.9021ml的水，得到黄色溶液，搅拌24h。之后通过津镀方式在金属铝箔上沉积附着一层溶液，先90℃烘30min，后500℃烘2.5h，最后在金属薄板上沉积几十纳米厚的纳米氧化钛颗粒的薄膜，颗粒粒径在30纳米左右（图4）。

在金属薄膜堆栈上侧面上方安装紫外灯，其功率由单片机控制，紫外线入射金属薄板表面的氧化钛颗粒薄膜，该薄膜在紫外线照射作用下可对附着在其上的有机有害气体分子进行分解，从而达到降低毒气的目的，同时也可杀死空气中存在的细菌、病毒等。

如图5所示，监测与控制模块主要功能是把甲醛气体传感器、氧气传感器的监测信号10、11分别进行滤波放大，并通过A/D转换电路转换为数字信号输入到单片机，单片机进行处理后，通过第一驱动电路输出显示器驱动信号13给LCD显示器。同时单片机根据监测信号的变化，通过信号调理电路输出紫外灯控制信号12至紫外光模块；并通过第二驱动电路输出风扇及其它附件（如蜂鸣器）驱动信号14，控制风扇、蜂鸣器等元件的启动与终止。

本发明的其它附属元件可包括蜂鸣器、发光二极管等声光报警装置，他们可固定在本装置的合适位置上，蜂鸣器与发光二极管可在被监测甲醛浓度超出安全范围时进行声光报警。

本发明所采用的光触媒材料为溶胶凝胶法在金属薄板上形成具有20nm左右颗粒大小的薄层，与现有粘贴、喷涂、溅射等方法相比，薄膜与金属薄板结合力更好，能够进行500°C以上的温度处理，不仅有更大的比表面积、更良好和更加稳定的结构特性，而且表面具有更良好的光触媒作用能力，如表1所示。

在空气净化装置中常用的几种光触媒方法，溶胶凝胶法与溅射法可以达到20纳米甚至更小的颗粒度，这两种制备方法均可以制备比粘贴法、喷涂法更小颗粒度的表面，因此具有更大的比表面积。从光触媒催化效率来看，在同样比表面积条件下，这两种方法均比表面粘贴法、黏贴法的效果要高的多。由表1可见，它们的效率在80％及以上，是粘贴法的1-2倍。考虑到比表面积因素，效率实际上会更高。喷涂法所用的产品目前国内很多光触媒品牌受自身技术条件限制，采用的光触媒颗粒高达20～150纳米，大大减弱了光触媒的使用效果。

表1几种典型光触媒薄膜制备方法与性能

与溅射法相比，溶胶凝胶法由于表面呈多孔酥松状态，而溅射法制备的颗粒表面致密，两者制备的薄膜在同样的颗粒度下，溶胶凝胶法制备的比表面更大。而两者采用的在设备、成本、产量等方面，溶胶凝胶法均有明显优势。由表1及分析可看出本发明空气质量净化装置采用溶胶凝胶法制备的光触媒金属薄板具有更好的光催化效率，更低的成本，从而在体积、性能、成本上比其他相关净化设备具有明显优势。

Claims (6)

1.一种封闭空间内空气质量监测及净化装置，包括由多块纳米氧化钛金属薄板组成光触媒模块、置于光触媒模块上侧面上方的紫外光模块、置于光触媒模块右侧面或左侧面的风扇，其特征在于，所述光触媒模块置于相互平行的前板与后板之间，光触媒模块的前面相对前板的里面，光触媒模块的后面相对后板的里面，所述紫外光模块、风扇与一个监测与控制模块的控制输出端相连接，该监测与控制模块的输入端则与一个空气探测模块相连接，该空气探测模块由安装在后板里面的气体传感器组成，气体传感器至少包括两个，分别用于探测甲醛、氧气的浓度；前板外面设有显示器与监测与控制模块的显示输出端相连接，所述监测与控制模块置于光触媒模块与后板之间。

2.如权利要求1所述的封闭空间内空气质量监测及净化装置，其特征在于，所述光触媒模块由多层具有纳米TiO₂涂层的金属薄板相互平行叠落连接而成，金属薄板面与面之间留有缝隙，使得每层金属薄板表面都能被紫外光模块发出的紫外线照射到，同时使空气能够在每层金属薄板表面流动和交换。

3.如权利要求2所述的封闭空间内空气质量监测及净化装置，其特征在于，所述金属薄板上纳米TiO₂涂层为几十纳米厚的氧化钛颗粒薄膜，通过溶胶-凝胶制备工艺沉积而成，其氧化钛颗粒粒径不超过30纳米。

4.如权利要求1所述的封闭空间内空气质量监测及净化装置，其特征在于，所述监测与控制模块包括单片机、两路滤波放大及A/D转换电路，甲醛气体传感器、氧气传感器的监测信号分别通过一路滤波放大电路和A/D转换电路输入到单片机，单片机进行处理后，通过第一驱动电路输出显示驱动信号给显示器；同时单片机根据监测信号的变化，通过一个信号调理电路输出光控制信号至紫外光模块；并通过第二驱动电路输出风扇驱动信号，控制风扇电机启动与终止。

5.如权利要求4所述的封闭空间内空气质量监测及净化装置，其特征在于，单片机通过第二驱动电路输出报警信号至报警装置，在被监测甲醛浓度超出安全范围时进行声光报警。

6.如权利要求1所述的封闭空间内空气质量监测及净化装置，其特征在于，所述紫外光模块为一个管式紫外灯，长度与光触媒模块的边长相匹配，其发出的紫外线波长为358-400纳米。

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