CN103446879A

CN103446879A - 基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置

Info

Publication number: CN103446879A
Application number: CN2013104004990A
Authority: CN
Inventors: 王洪梅; 于涛; 商倩倩; 王鑫; 谭欣
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-09-05
Also published as: CN103446879B

Abstract

本发明公开了基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置，包括过滤单元、光纤单元和催化单元，过滤单元为筒状过滤单元，径向横截面为环状，上、下两端分别与顶端盖和底端盖相连；催化单元为筒状催化单元，径向横截面为环状，高度与过滤单元高度一致，直径小于过滤单元直径，与过滤单元组成同心套筒型结构；顶端盖的中央设置有出气口；顶端盖设置有顶端安装孔；底端盖均匀设置有底端安装孔；光纤单元选用纤维状弥散光纤，一端与顶端安装孔相连，另一端与底端安装孔相连。本发明采用360度侧面进风，能够有效减少光催化反应的副产物带来的二次污染，在提高紫外光利用率的同时，提高空气净化效率，适用于飞机、地铁、工厂等封闭、易燃易爆环境。

Description

基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置

技术领域

本发明属于空气净化技术领域，更加具体地说，涉及利用光催化反应对空气中的有害物质高效净化的光催化空气净化装置。

背景技术

随着全球现代化进行和物质精神文明的不断提高，由工业化带来的环境污染以及生态破坏受到大家广泛重视。为此国内外专家研发了多种空气净化装置，用以改善提高周围的生活环境。目前，国内外使用的空气净化系统大多采用活性炭吸附技术、臭氧净化技术、负离子除尘技术、高压静电技术和光催化技术。近年来，光催化净化技术因为高效低耗、安全无毒、灭菌除臭等优势而得到广泛研究发展。

光催化空气净化技术基于半导体理论，其降解污染物的原理是：当其光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度时，会形成光生电子-空穴对，当其被移动到催化剂表面，那可以有效的氧化或还原吸附在催化剂表面的有害气体分子，并将其彻底矿化为无毒无害的水和二氧化碳等物质。经专利检索发现，光催化净化技术的专利有：中国专利号1486778A,名称为：光催化净化器；中国专利号1605808A，名称为：光催化空气净化器等。现有的光催化反应器大都采用紫外灯管作为直接光源，不可避免电、热与工作环境的直接接触，主要针对室内空气，无法适用于飞机、地铁、火车、工厂等封闭、易燃易爆环境，且无法解决光催化过程催化效率低、二次污染等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于弥散光纤的新型光催化空气净化装置，并且结合活性炭吸附技术能够有效减少光催化反应的副产物带来的二次污染的影响，在HEPA、活性碳纤维表面同时负载二氧化钛，提高紫外光利用率的同时，有效的提高空气净化效率，可适用于飞机、地铁、火车、工厂等封闭、易燃易爆环境。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置，包括过滤单元、光纤单元和催化单元，其中：

所述过滤单元为筒状过滤单元，其径向横截面为环状，并具有一定高度，其上、下两端分别与顶端盖和底端盖相连；

所述催化单元为筒状催化单元，其径向横截面为环状，其高度与过滤单元高度一致，其直径小于过滤单元直径，与过滤单元组成同心圆套筒型结构；其上、下两端分别与顶端盖和底端盖相连；

所述顶端盖的中央设置有出气口，通过管路和泵相连；所述顶端盖设置有顶端安装孔；所述底端盖均匀设置有底端安装孔；

所述光纤单元选用纤维状弥散光纤，其一端与设置在顶端盖上的顶端安装孔固定相连，另一端与设置在底端盖上的底端安装孔固定相连。

在上述技术方案中，所述过滤单元选用HEPA过滤单元，能够有效截留空气中的污染物颗粒；所述HEPA过滤单元为圆筒结构，其表面为褶皱型蜂窝状多孔结构；所述HEPA过滤单元的材质选择PP滤纸、玻璃纤维、由PP和PET组成的复合滤纸或者活性炭纤维，所述蜂窝状多孔结构中孔型选择为三角形、方形、多边形、圆形或瓦楞形。

在上述技术方案中，所述过滤单元选择HEPA过滤单元，其内壁表面（即筒状过滤单元的环状内表面）设置有二氧化钛光催化剂层，或者负载有二氧化钛光催化剂。

在上述技术方案中，在顶端盖上，优选所述出气口的直径与催化单元的内径相等。

在上述技术方案中，所述顶端安装孔以同心圆方式设置在顶端盖上，位于过滤单元的内壁和催化单元的外壁之间，沿着360度圆弧均匀分布，在顶端盖平面上，以顶端盖中心为圆心，在顶端盖径向上等间距设置若干圈顶端安装孔，例如3-6圈；所述底端安装孔以同心圆方式设置在底端盖上，位于过滤单元的内壁和催化单元的外壁之间，沿着360度圆弧均匀分布，在底端盖平面上，以底端盖中心为圆心，在底端盖径向上等间距设置若干圈底端安装孔，例如3-6圈；所述顶端安装孔和底端安装孔在竖直方向上的投影相一致。

在上述技术方案中，所述纤维状弥散光纤沿竖直方向与顶端盖、底端盖相连，并且与筒状过滤单元平行。

在上述技术方案中，所述纤维状弥散光纤均匀分布在由过滤单元、顶端盖、底端盖和催化单元形成的套筒空间中。

在上述技术方案中，所述纤维状催化单元由弥散光纤组成，所述弥散光纤的一端和顶端安装孔、另一端和底端安装孔相连。

在上述技术方案中，所述催化单元选择活性炭纤维布，其表面（筒状催化单元的内外环状表面）设置有二氧化钛光催化剂层，或者负载有二氧化钛光催化剂。

在上述技术方案中，所述二氧化钛光催化剂选用二氧化钛的片状纳米晶、纳米管、纳米线、石墨烯和二氧化钛复合材料或者铂金掺杂改型的二氧化钛，将所述二氧化钛光催化剂通过下述方法在活性炭纤维表面进行负载，例如浸渍提拉、磁控溅射、溶胶—凝胶。通过负载后，活性炭纤维结构上具备较大的二氧化钛负载面积，能够提高光催化去除空气中污染物的效率，同时因为活性炭本身具有较强的吸附作用，能够有效避免光催化反应产生的二次污染对环境的影响。

上述进行二氧化钛光催化剂的制备和负载时，参考现有技术中有关不同类型二氧化钛的制备方法及其负载方法，例如

（1）片状纳米晶：

Synthesis and Characterization of TiO₂ Nano-crystalline with Differ ent Morphologies byLow-temper atur e Hydrothermal Method；ZHANG Xia,ZHAO Yan，ZHANG Cai-Bei，MENG Hao；Acta Phys.-Chim.Sin.,2007,23(6):856-860

（2）石墨烯和二氧化钛复合材料：

Preparation and photoactivity of graphene/TiO₂ hybrid photocatalysts under visible lightirraditon;

LIU Hui,DONG Xiao-nan,SUN Chao-chao;Journal of Shaannxi University of Science&Technolog:1000-5811(2013)01-0023-06

（3）铂金掺杂改型的二氧化钛：

Photocatalytic Activity of TiO₂ Thin Film Doped by Pt with Different Distribution;WANG,Jun-Gang LI,Xin-Jun,ZHENG,Shao-Jian HE,Ming-Xing XU;ACTA CHIMICA SINICANo.7,592～596

（4）纳米管：

Research Advances in TiO₂ Nanotubes;Kong Xiangrong,Peng Peng,Sun Guixiang,ZhengWenjun;ACTA CHIMICA SINICA No.8,1439～1444

（5）纳米线：

Recent Process in Metal-doped Titanium Oxide Nanowires;DU Jun,SHI Jiaguang,HUANGJingjing,ZHANG Wenlong,LIU Fei;材料导报2012年2月

（6）浸渍提拉：

浸渍提拉法制备TiO₂薄膜及其光催化性能的研究；南昌希，权伍荣，张敬爱，赵成男；太阳能学报Vol．21．No．4

（7）磁控溅射：

AFM Analysis on Ti02 Low-E Thin Films Deposited by Magnetron Sputtering;ZHENGZi-yao，WANG Zhu，LI Chun-ling，ZHAO Qing-nan;SEMICoNDUCTORoPTOELECTRoNICS V01.26No.5

（8）溶胶—凝胶：

Sol-gel preparation and photocatalytic activities of TiO₂ nanoparticles;QIAN Dong,YANZao-xue,SHI Mao;The Chinese Journal of Nonferrous Metals,NO.1004 0609(2005)05 081706

与现有技术相比，本发明的技术方案中将弥散光纤-活性炭纤维光催化单元在圆筒形反应器内部竖直均匀排布，同时选用现有技术中的弥散光纤，以实现全方位均匀发光，其结构为石英纤芯、弥散层和透明硅橡胶包覆层，能够为整个光催化净化装置提供光源，即采用光纤导光，能够有效避免由紫外灯源直接连接电源导致的热、电带来的安全隐患，同时能够避免装置中电源的直接引入，进而在很大程度上能够适用于飞机、地铁、火车、工厂等封闭、易燃易爆环境。本发明技术方案在高效过滤空气颗粒污染物的同时，能够除菌消毒，并且有效的防止二次污染；将活性炭（ACF）的吸附性能（以及对各种波长光具有较强吸收能力）和TiO₂的光催化性能有机结合，能够有效解决目前ACF饱和失效、二次污染及TiO₂催化速率慢、矿化效率低等问题，为VOCs污染物的经济有效控制提供了一种切实可行的方法，提供高效利用光能、持续高效稳定运转的多功能空气净化系统。

附图说明

图1是本发明的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置结构俯视图，其中1为顶端盖，2为过滤单元，3为催化单元，4为顶端安装孔，5为出气口。

图2是本发明的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置结构图，即从中间剖开后向下俯视，其中2为过滤单元，3为催化单元，6为底端安装孔，7为底端盖。

图3是本发明的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置结构侧视图，其中1为顶端盖，2为过滤单元，7为底端盖。

图4是本发明的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装内部结构示意图，其中2为过滤单元，3为催化单元，4为顶端安装孔，6为底端安装孔，8为光纤单元。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

如附图1-4所示基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置，其中1为顶端盖，2为过滤单元，3为催化单元，4为顶端安装孔，5为出气口，6为底端安装孔，7为底端盖，8为光线单元。

过滤单元为筒状过滤单元，选用HEPA过滤单元，能够有效截留空气中的污染物颗粒；其径向横截面为环状，并具有一定高度，其上、下两端分别与顶端盖和底端盖相连。

催化单元为筒状催化单元，其径向横截面为环状，其高度与过滤单元高度一致，其直径小于过滤单元直径，与过滤单元组成同心套筒型结构；其上、下两端分别与顶端盖和底端盖相连；所述催化单元选择活性炭纤维布。

顶端盖的中央设置有出气口，通过管路和泵相连，所述出气口的直径与催化单元的内径相等。

顶端安装孔以同心圆方式设置在顶端盖上，位于过滤单元的内壁和催化单元的外壁之间，沿着360度圆弧均匀分布，在顶端盖平面上，以顶端盖中心为圆心，在顶端盖径向上等间距设置顶端安装孔；底端安装孔以同心圆方式设置在底端盖上，位于过滤单元的内壁和催化单元的外壁之间，沿着360度圆弧均匀分布，在底端盖平面上，以底端盖中心为圆心，在底端盖径向上等间距设置底端安装孔；顶端安装孔和底端安装孔在竖直方向上的投影相一致。

光纤单元选用纤维状催化单元，由弥散光纤组成，所述弥散光纤的一端和顶端安装孔、另一端和底端安装孔相连，沿竖直方向与顶端盖、底端盖相连，并且与筒状过滤单元平行，并均匀分布在由过滤单元、顶端盖、底端盖和催化单元形成的套筒空间中。

在HEPA过滤单元内壁表面（即筒状过滤单元的环状内表面）设置有二氧化钛光催化剂层，或者负载有二氧化钛光催化剂。

催化单元选择活性炭纤维布，其表面（筒状催化单元的内外环状表面）设置有二氧化钛光催化剂层，或者负载有二氧化钛光催化剂。

使用的HEPA购自中山市洁鼎过滤制品有限公司，活性炭纤维布购自江苏科净碳纤维有限公司，弥散光纤购自南京春辉科技有限公司。

筒状过滤单元HEPA中，圆筒外直径（过滤单元的外径）60cm，筒壁厚5cm，高度100cm，光纤排布20根，催化单元外径为30cm，出气口直径为20cm（催化单元内径），根据现有技术中制备方法，将活性炭纤维布在溶胶—凝胶复合材料中浸渍提拉的次数为3次，后在氩气气氛下以2.5℃/min升温至250℃保温1h，再以5℃/min升至450℃保温2h，后得到催化单元；在过滤单元的内壁上直接刷涂上述溶胶—凝胶复合材料，后在氩气气氛下以2.5℃/min升温至250℃保温1h，再以5℃/min升至450℃保温2h，后得到过滤单元。

石墨烯和二氧化钛复合材料的溶胶—凝胶法：将天然鳞片石墨与硝酸钠按质量比1:1，在100ml浓硫酸中混合均匀，保持溶液温度不超过10℃，反应30min；缓慢加入一定量高锰酸钾（10倍于石墨），不断搅拌，溶液温度升至20℃-40℃，反应30min；分次加入150ml蒸馏水，控制溶液不沸腾，反应30min；加20ml，30%的H₂O₂，搅拌均匀后，趁热离心分离，用（1:10）HCl洗涤一次后，用蒸馏水洗涤数次，至滤液pH接近中性，冻干成粉即为氧化石墨。按C理论质量分数分别为1.5%、2%、3%、4%和5%，将氧化石墨于无水乙醇中充分分散，超声剥离1h，加入3倍质量的硼氢化钠，振荡16-17h，用无水乙醇洗涤数次，加入10ml钛酸四丁酯，以冰醋酸为封端剂，不断搅拌数天，得到凝胶态产物，充分干燥，在氩气气氛下以2.5℃/min升温至250℃保温1h，再以5℃/min升至450℃保温2h。即可得TiO₂-Gn（二氧化钛—石墨烯）复合光催化剂。

进气口匀速通入O₃含量为0.150ppm-0.200ppm的混合气（臭氧与空气的混合气体），出口流速控制为2m/s，在反应器内弥散光线照射下反应30min、60min、90min、120min和300min，检测反应后O₃浓度，计算O₃降解率。从测试结果来看，当紫外光照30min时，O₃降解率为25.26%；而增长反应时间达到60min，O₃降解率快速增高至66.12%；并且继续延长催化时间，降解后的O₃浓度基本上不再出现较大下降，基本可以保持稳定。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置，其特征在于，包括过滤单元、光纤单元和催化单元，其中：

所述过滤单元为筒状过滤单元，其径向横截面为环状，其上、下两端分别与顶端盖和底端盖相连；

所述催化单元为筒状催化单元，其径向横截面为环状，其高度与过滤单元高度一致，其直径小于过滤单元直径，与过滤单元组成同心圆套筒型结构；其上、下两端分别与顶端盖和底端盖相连；所述催化单元表面（即筒状催化单元的内外环状表面）设置有二氧化钛光催化剂层，或者负载有二氧化钛光催化剂；

所述顶端安装孔以同心圆方式设置在顶端盖上，位于过滤单元的内壁和催化单元的外壁之间，沿着360度圆弧均匀分布，在顶端盖平面上，以顶端盖中心为圆心，在顶端盖径向上等间距设置若干圈顶端安装孔；所述底端安装孔以同心圆方式设置在底端盖上，位于过滤单元的内壁和催化单元的外壁之间，沿着360度圆弧均匀分布，在底端盖平面上，以底端盖中心为圆心，在底端盖径向上等间距设置若干圈底端安装孔；所述顶端安装孔和底端安装孔在竖直方向上的投影相一致；

2.根据权利要求1所述的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置，其特征在于，所述纤维状催化单元由弥散光纤组成，所述弥散光纤的一端和顶端安装孔、另一端和底端安装孔相连，所述纤维状弥散光纤沿竖直方向与顶端盖、底端盖相连，并且与筒状过滤单元平行；且均匀分布在由过滤单元、顶端盖、底端盖和催化单元形成的套筒空间中。

3.根据权利要求1所述的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置，其特征在于，在顶端盖平面上，以顶端盖中心为圆心，在顶端盖径向上等间距设置3-6圈顶端安装孔。

4.根据权利要求1所述的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置，其特征在于，在底端盖平面上，以底端盖中心为圆心，在底端盖径向上等间距设置3-6圈底端安装孔。

5.根据权利要求1所述的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置，其特征在于，所述催化单元选择活性炭纤维布。

6.根据权利要求1所述的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置，其特征在于，所述过滤单元选择HEPA过滤单元，能够有效截留空气中的污染物颗粒，其内壁表面（即筒状过滤单元的环状内表面）设置有二氧化钛光催化剂层，或者负载有二氧化钛光催化剂。

7.根据权利要求6所述的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置，其特征在于，所述HEPA过滤单元为圆筒结构，其表面为褶皱型蜂窝状多孔结构；所述HEPA过滤单元的材质选择PP滤纸、玻璃纤维、由PP和PET组成的复合滤纸或者活性炭纤维，所述蜂窝状多孔结构中孔型选择为三角形、方形、多边形、圆形或瓦楞形。

8.根据权利要求1所述的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置，其特征在于，所述二氧化钛光催化剂选用二氧化钛的片状纳米晶、纳米管、纳米线、石墨烯和二氧化钛复合材料或者铂金掺杂改型的二氧化钛，将所述二氧化钛光催化剂通过下述方法在活性炭纤维表面进行负载，例如浸渍提拉、磁控溅射、溶胶—凝胶。

9.根据权利要求6所述的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置，其特征在于，所述二氧化钛光催化剂选用二氧化钛的片状纳米晶、纳米管、纳米线、石墨烯和二氧化钛复合材料或者铂金掺杂改型的二氧化钛，将所述二氧化钛光催化剂通过下述方法在活性炭纤维表面进行负载，例如浸渍提拉、磁控溅射、溶胶—凝胶。

10.如权利要求1-9之一所述的基于弥散光纤的套筒型光催化空气净化装置在封闭、易燃易爆环境中的应用。