CN103495195A

CN103495195A - 一种光催化空气净化装置与方法

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Publication number: CN103495195A
Application number: CN201310430217.1A
Authority: CN
Inventors: 汪开英; 俞泽臣; 程闻奇; 陈思雨; 费铮豪; 孙朱行; 王海强; 吴忠标
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: CN103495195B

Abstract

本发明公开了一种光催化空气净化装置，包括带有进气口和出气口的螺旋通道，该螺旋通道内布置有若干催化单元；所述的催化单元包括具有孔隙结构催化剂载体、以及附着在该催化剂载体上的g-C₃N₄光催化剂，催化剂载体的四周与所述螺旋通道内壁密封连接；所述的螺旋通道侧壁为透光材质，该螺旋通道内设有照射所述g-C₃N₄光催化剂的可见光光源。本发明还提供了一种光催化空气净化方法。本发明采用螺旋通道结构，对气流进行引导，大幅提高装置内部的空间利用率，增加了气体通过催化剂的路程、时间和接触面积，增加光催化效率，同时缩小了装置的整体体积，适于各种场合的使用。

Description

一种光催化空气净化装置与方法

技术领域

本发明涉及一种空气净化装置，尤其涉及一种利用光催化技术对畜禽舍空气进行除臭的空气净化装置及方法，属于空气净化领域。

背景技术

随着畜禽养殖密度的不断增大，畜禽舍环境卫生问题日趋突出，臭气污染逐渐成为影响畜禽舍内部环境质量的一个重要因素。畜禽舍环境内的臭气主要源于畜禽排泄产生的粪尿，粪尿中含大量的氮和磷，在无氧条件下，将分解成对人畜健康危害很大的NH₃、H₂S、CH₄等有害气体。畜禽若长时间生活在这种环境中，将会刺激其上呼吸道黏膜，极易感染或激发呼吸道疾病，如气喘病、传染性胸膜肺炎等。污浊的空气还将引起畜禽的应激综合征，具体表现为食欲下降、泌乳减少、狂燥不安或昏昏欲睡、咬尾嚼耳等。目前运用于畜禽舍的除臭技术主要包括：吸收与吸附法、化学与生物除臭剂法、洗涤法等，这些技术普遍存在成本高、能耗高、设备复杂以及污染环境等问题。例如，公开号为CN201150667A的专利文献公开了一种畜禽舍空气净化器，它包括壁挂式机壳及其设置在壁挂式机壳上的电源开关按钮，壁挂式机壳的前面出气口中设有可摆动的气门，壁挂式机壳内底部装有臭氧发生器，壁挂式机壳内后面装有风扇，风扇的安装位置对准壁挂式机壳出气口的中间，臭氧发生器的臭氧输出口在风扇的下面。它利用臭氧对畜禽舍内的空气进行杀菌、消毒、除臭。但是，该净化器的制作和使用成本均较高，且对环境会造成污染。而在欧美使用的一些高成本和高能量消耗的空气净化技术与装备等对我国目前85%以上的开放半开放畜禽舍不适用，也不符合低碳的畜牧业发展需要。

光催化氧化技术作为一种高级氧化技术，几乎可以催化氧化所有的有机物生成CO₂,H₂O等简单无机物。光催化氧化剂的突出表现恰恰符合对于环境污染、恶臭处理方面需求。光催化氧化剂中，目前研究较为成熟的是金属氧化半导体材料TiO₂，但是其催化反应所需光的波长必须小于385nm，对光的要求较高（自然光光谱中波长小于385nm的部分仅占5%）。近几年发现并合成的一种碳氮化合物半导体材料-g-C₃N₄，它同样具有和TiO₂相接近的催化性质。但其相较于TiO₂制备更简单，对于光的波长要求范围更广，能够在可见光的条件下激活，是很有前景的新型光催化剂。

光催化具有低能耗、易操作、无二次污染等优点。目前光催化技术在养殖场的研究与应用鲜有报道。因此，根据畜禽舍结构、畜禽舍饲养管理和舍内空气污染等特点，研发适用于畜禽舍的光催化除臭技术与设备，可为畜禽舍空气净化开创新的途径。

发明内容

本发明提供了一种光催化空气净化装置，该装置利用光催化原理对污染空气进行净化，提高了畜禽舍内外的空气质量，保障了畜禽舍内的畜禽和工作人员及周边居民的福利；同时，注重整个装置的除臭效率，使其具有良好的经济适用性。

一种光催化空气净化装置，包括带有进气口和出气口的螺旋通道，该螺旋通道内布置有若干催化单元；所述的催化单元包括具有孔隙结构催化剂载体、以及附着在该催化剂载体上的g-C₃N₄光催化剂，催化剂载体的四周与所述螺旋通道内壁密封连接；所述的螺旋通道侧壁为透光材质，该螺旋通道内设有照射所述g-C₃N₄光催化剂的可见光光源。

为提高净化效率，作为优选，所述的催化剂载体为蜂窝状活性炭片。活性炭（椰壳活性炭）的吸附原理包含物理吸附、化学吸附、离子吸附。物理吸附表现在活性炭的孔隙发达性，当空气中杂质直径大于活性炭的孔隙时，就会被挡住；化学吸附，是由于活性炭孔隙中含有的物质能与空气的物质发生化学反应实现色度、臭味的过滤，离子吸附也跟化学吸附有相近的原理。实验表明，蜂窝状活性炭片对有机废气有较好的吸附效果。本装置采用蜂窝状椰壳活性炭作为光催化剂的载体，在对气流阻力影响较小的前提下，尽可能提高催化剂载体的比表面积；同时实现活性炭的吸附作用和g-C₃N₄光催化作用的有机耦合，提高了有机物的降解效果。

本发明的催化单元一般均匀设置在螺旋通道内，设置的数量可根据实际需要处理的空气中污染物质的含量进行确定。

本发明采用蜂窝孔状椰壳活性炭作为载体，使用浸涂法负载g-C₃N₄，得到了复合吸附催化剂。选择使用活性炭同时作为支撑体和吸附剂的设计方案时，活性炭的吸附作用较好地提高了g-C₃N₄的光催化作用时间，使光催化作用更彻底。同时，g-C₃N₄可使活性炭吸附的大分子有机物充分降解，延长了活性炭的使用寿命。

本发明的螺旋通道可通过各种方式实现，例如，一种优选的方式包括：同轴设置的圆柱形内壳和圆柱形外壳、以及设置在圆柱形内壳和圆柱形外壳之间的螺旋板；所述的圆柱形内壳、圆柱形外壳和螺旋板之间形成所述的螺旋通道。另外，为方便本发明的光催化空气净化装置的生产制作，可以采用模块化设计，将螺旋板和内壳和/或做成模块产品，实际使用时，根据具体使用场合不同，调整模块安装个数，从而实现螺旋通道的总长的调整。圆柱形内壳和圆柱形外壳、以及设置在圆柱形内壳和圆柱形外壳之间的螺旋板均可采用有机玻璃材质，在保证强度的前提下，充分利用自然光源。

为进一步保证净化后的空气尽快排出，保证后续净化过程中空气的顺利流动，所述的圆柱形外壳位于螺旋通道的出气口的端部同轴固定有安装环，安装环内固定有抽气风机。

为保证室内待净化空气顺利的进入到本发明的光催化空气净化装置中，作为优选，所述的圆柱形外壳位于螺旋通道的进气口的端部同轴固定有扩口设置的导流板。扩口设置的导流板起到烟囱效应，利于有害气体进入装置内反应。

作为优选的方案，所述的导流板端口部位设有对进入螺旋通道的空气进行过滤的滤网。所述的过滤网用于过滤待净化空气中粒径较大的粉尘、污染物和昆虫，防止其进入装置损坏其内部结，增加本发明所述光催化空气净化装置的使用寿命。

由g-C₃N₄对紫外-可见光的吸收图谱可知，g-C₃N₄在波长约为390-410nm处具有最强的吸收峰，作为优选，所述的可见光光源为波长为400nm-405nm的LED灯，每个催化剂载体两边交错放置至少两个LED灯。另外，波长为400nm-405nm的LED灯的较为便宜，有利于降低整个空气净化装置的制作成本，且400nm-405nm波长对人体和畜禽无害，适于多种场合使用。

为进一步降低能耗，作为优选，所述的每个催化剂载体两边交错放置的LED灯中至少有一部分为光控开关控制。当白天自然光强度满足要求时，光控开关关闭一部分的LED灯，达到节能的效果。当自然光的强度不满足要求时，光控开关又会开启关闭的LED等，满足不同自然光度的场合。

当本发明的光催化空气净化方法使用在畜禽舍时，为降低光线对禽畜休息的影响，作为优选，还包括设置在所述螺旋通道背光测的遮光板。同时，遮光板将照射其上的光线反射回螺旋通道内，再次对反射光线进行利用，进一步降低了能耗，提高了净化效率。

本发明还提供了一种净化空气的方法，该方法能够高效去除空气中的有害污染物，且去除成本较低。

一种光催化空气净化方法，将待净化空气通入上面任一所述技术方案所述的螺旋通道内，通过光催化剂对待净化空气进行净化处理。所述的螺旋通道的螺距为5～25cm；所述的螺旋通道的投影直径为30～50cm。

本发明的光催化空气净化装置可用于多种场合，例如可用于产生空气污染物的厂房、畜禽舍等。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

（1）本发明采用螺旋通道结构，对气流进行引导，大幅提高装置内部的空间利用率，增加了气体通过催化剂的路程、时间和接触面积，增加光催化效率，同时缩小了装置的整体体积，适于各种场合的使用。

（2）本发明的装置采用烟囱效应和小功率机械通风系统相结合，通过在装置上下端产生空气压力差，使气流能够通过装置内部的气流导轨顺利的经过催化剂反应片，充分分解污染、恶臭气体。

（3）本发明的装置有自动光控系统，能够根据自然光照的强度改变内置LED光照的强度，当外界光照足够强时，降低LED光照，充分利用自然光对光催化剂进行激活。当光照强度不足时，启用内部LED光照系统，对光催化剂进行激活。进一步减低了能耗，减少了设备投资。

（4）光催化净化装置中最重要的部分为光与催化剂、载体的配合。通过实验对各方案进行比较，最终选择在螺旋通道中分段设立催化剂单元的内部结构。在催化剂单元（活性炭负载g-C₃N₄隔板）间错位安置LED灯，使催化剂最大限度接收光源，提高光的利用率。

（5）本发明的净化装置可采用模块化组装模式，一层螺旋结构为主体构成一个模块。可方便拆卸组装，返厂添加催化剂。且可根据实际环境的污染、恶臭气体的浓度选择模块数量，调节装置的最佳催化效果。

附图说明

图1为本发明的用于畜禽舍的光催化空气净化装置的结构示意图。

图2为图1所示的用于畜禽舍的光催化空气净化装置右视图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种光催化空气净化装置，包括带有进气口1和出气口2的螺旋通道3，该螺旋通道内布置有若干催化单元4；催化单元包括具有孔隙结构催化剂载体、以及附着在该催化剂载体上的g-C₃N₄光催化剂，催化剂载体的四周与螺旋通道3内壁密封连接；螺旋通道3侧壁为透光材质，该螺旋通道3内设有照射所述g-C₃N₄光催化剂的可见光光源5。

螺旋通道3可采用多种加工方式得到。本实施方式中，螺旋通道3由以下结构包围而成：即包括同轴设置的底部密封的圆柱形内壳6和圆柱形外壳7、以及设置在圆柱形内壳6和圆柱形外壳7之间的螺旋板8；圆柱形内壳6、圆柱形外壳7和螺旋板8之间形成上述的螺旋通道3。作为一种具体的实施方案，其中的圆柱形内壳6的外直径为7cm，圆柱形内壳7的内直径为40cm，圆柱形内壳6和圆柱形内壳7的高度为40cm，螺旋板8的投影直径为40cm，螺距为10cm。螺旋板8与圆柱形内壳6和/或圆柱形外壳7之间可采用模块化设计，实际设计时，可根据实际需要增减模块个数。螺旋板8与圆柱形内壳6和圆柱形外壳7均可采用有机玻璃材质

圆柱形内壳6内用于布置线路和控制电路等，圆柱形内壳6侧壁上设有若干通孔，用于线路穿过，使得本发明的净化装置结构更加紧凑。

圆柱形外壳7位于螺旋通道的出气口2的端部同轴固定有安装环10，安装环内10固定有抽气风机11。抽气风机11的实际大小可根据实际需要确定。安装环内10可采用有机玻璃材质。例如本实施例可采用直径为12cm的风扇。为防止外界杂质进入螺旋通道内，可根据需要，在风机顶部设置滤网，进一步提高整个装置的使用寿命。

圆柱形外壳7位于螺旋通道的进气口1的端部同轴固定有扩口设置的导流板9，该实施例中导流板9上直径为41cm，下直径为50cm，高度为10cm；实际设计过程，可根据实际需要调整。导流板9可采用有机玻璃材质。导流板9端口部位设有对进入螺旋通道3的空气进行过滤的滤网，图中未示出。

催化剂载体为蜂窝状活性炭片，也可根据实际需要选用其他结构的催化剂载体。催化剂载体为市购产品。每片催化剂载体大小为：长16cm，宽8cm，厚度2cm，本实施方式中总计使用活性炭片数为：17片。本发明采用的催化剂g-C₃N₄为自行制备，制备方法如下：将50g化学纯三聚氰胺粉末（或尿素）装入一端封闭的石英管中，在氮气保护氛围（加热前先以1L／min的流量通入氮气15min以排除管内空气，加热时氮气流量保持0．5I／min）中进行热处理。实验重复4次，每次的热处理温度分别为400℃、500℃、600℃、700℃，每次热处理时间为3h，热处理完成后，氮气保护下自然降温后，得到黄色产品。采用现有常规浸渍方式将制备得到的催化剂负载与催化剂载体上，烘干即可使用。催化剂单元垂直于空气流向设置，四周分别与圆柱形外壳、圆柱形内壳和螺旋板相互固定。为更清楚的显示本发明的具体结构，图1和图2中，仅示出一个催化剂单元的蜂窝状结构，其余省略。

光源采用波长为400nm-405nm的LED灯，每个催化剂载体两边交错放置一个LED灯。其功率为1W/个，总共使用灯珠个数为：34个（每片活性炭载体配置两个LED灯珠）；其供电方式为：使用8个300mA的恒流源作为LED灯珠的电源，其中4个恒流源采用光控开关，当自然光强烈时可自动关闭相关LED灯。

以使用在猪舍为例，进一步介绍本实施方式的使用方式：

按猪舍面积，平均每15-20m²使用一个本实施例中的光催化装置，根据猪的排泄习性，将装置安装于猪舍的排泄区上方，猪舍内根据猪的不同生长期可安装在约0.5～1.2m高度，以避免猪只触碰、损坏装置。

实际运行过程中，在烟囱效应和抽气风机的共同作用下，猪栏产生的臭气进入到本实施例中的光催化空气净化装置中，臭气经过螺旋通道时，在被活性炭片吸附的同时，在催化剂作用下快速降解成无害的小分子化合物水和二氧化碳，最后排出室外，图1中箭头示出本发明装置内空气流向。

本实施例的光催化空气净化装置也可使用在其他畜禽舍中，例如可使用在牛舍、鸡舍中，在牛舍安装高度为1.5～2.0m，平养肉鸡舍安装高度为0.3～0.5m，蛋鸡舍可安装在粪池的上方，注意避免受清粪的影响。

以上详细描述了本发明的具体实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种变型，这些变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种光催化空气净化装置，其特征在于，包括带有进气口（1）和出气口（2）的螺旋通道（3），该螺旋通道内布置有若干催化单元（4）；所述催化单元（4）包括具有孔隙结构催化剂载体、以及附着在该催化剂载体上的g-C₃N₄光催化剂，所述催化剂载体的四周与所述螺旋通道（3）内壁密封连接；所述螺旋通道（3）侧壁为透光材质，该螺旋通道内设有照射所述g-C₃N₄光催化剂的可见光光源（5）。

2.根据权利要求1所述的光催化空气净化装置，其特征在于，所述催化剂载体为蜂窝状活性炭片。

3.根据权利要求1所述的光催化空气净化装置，其特征在于，包括：同轴设置的圆柱形内壳（6）和圆柱形外壳（7）、以及设置在圆柱形内壳（6）和圆柱形外壳（7）之间的螺旋板（8）；所述的圆柱形内壳（6）、圆柱形外壳（7）和螺旋板（8）之间形成所述的螺旋通道（3）。

4.根据权利要求3所述的光催化空气净化装置，其特征在于，所述的圆柱形外壳（7）位于螺旋通道（3）的出气口（2）的端部同轴固定有安装环（10），安装环（10）内固定有抽气风机（11）。

5.根据权利要求3所述的光催化空气净化装置，其特征在于，所述的圆柱形外壳（7）位于螺旋通道（3）的进气口（1）的端部同轴固定有扩口设置的导流板（9）。

6.根据权利要求5所述的光催化空气净化装置，其特征在于，所述的导流板（9）端口部位设有对进入螺旋通道（3）的空气进行过滤的滤网。

7.根据权利要求1所述的光催化空气净化装置，其特征在于，所述的可见光光源（5）为波长为400nm-405nm的LED灯，每个催化剂载体两边交错放置至少两个LED灯。

8.根据权利要求7所述的光催化空气净化装置，其特征在于，所述的每个催化剂载体两边交错放置的LED灯中至少有一部分为光控开关控制。

9.一种光催化空气净化方法，其特征在于，将待净化空气通入权利要求1所述的螺旋通道内，在活性碳和光催化剂的耦合作用下对待净化空气进行净化处理。

10.根据权利要求1所述的光催化空气净化方法，其特征在于，所述的螺旋通道的螺距为5～25cm；所述的螺旋通道的投影直径为30～50cm。