CN104023755B - 光催化净化介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及处理介质、特别地涉及净化水或者空气或者表面。感光层(120)设置于衬底(110)的能量传送表面(111)上。因此，直接实现从所述衬底(110)向感光层(120)的光能传送而没有通过介质的中间通道。衬底(110)优选地是波导，光能经由倏逝波从该波导向感光层(120)中传送。另外，在衬底(110)与感光层(120)之间的光学耦合可以在空间上变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于处理介质的装置和方法、具体地用于净化流体介质、比如水或者空气或者表面。
背景技术
US2010/0209294A1公开一种用于催化净化介质、比如水或者空气的装置。这一装置包括容器，引导待处理的介质经过该容器，使得它包围光催化材料。光催化材料由经由波导向介质中发光的光源例如LED活化。
发明内容
本发明的一个目的是提供允许介质的高效光催化处理、特别地用于净化水或者空气的手段。
这一目的由根据权利要求1的一种装置和根据权利要求2的一种方法实现。在从属权利要求中公开优选实施例。
根据它的第一方面本发明涉及一种用于处理介质、特别地用于净化流体介质、比如水或者空气或者固体介质、比如表面的装置。该装置包括以下部件：
a)具有表面的(牢固或者实心)衬底，在装置操作期间经过该表面传送(光)能量。为了引用，所述表面将在下文中称为“能量传送表面”。
b)感光层，(直接或者间接)设置于前述能量传送表面上并且可以在装置操作期间由介质接触。在本文中，术语“感光”应当是指可以在光的影响之下与介质中的物质在化学上反应的材料，其中所述反应可以特别地包括支持/引起其它成分的反应。
根据第二方面，本发明涉及一种用于处理介质、特别地用于净化水或者空气的方法，所述方法包括以下步骤：
a)吸收从衬底传输的光能，该吸收在设置于所述衬底上的能量传送表面上的感光层中发生，
b)通过让介质与感光层接触在介质中引起(化学)反应。
该装置和该方法基于相同发明构思、即在能量传送表面上布置感光层。因此，为这些实现之一所提供的说明和评论对于其它实现也有效。
该装置和该方法的中心方面是感光层以来自所述衬底的光到达感光层而不具有先前通过介质的通道这样的方式光学地耦合到衬底。以这一方式，可以避免光在介质内的损耗从而产生更能量高效的操作。
在下文中，将描述本发明的涉及该装置和该方法二者的各种优选实施例。
根据第一优选实施例，感光层包括光催化材料(或者完全由光催化材料构成)。作为催化剂，这一材料不会在操作期间被消耗、而是仅调解介质的成分的反应，其中光催化材料通常由从衬底接收的光活化。适当光催化材料的典型示例是TiO2。可以例如在US2010/0209294A1中发现更多示例。
光能从能量传送表面到感光层的耦合或者传送优选地通过倏逝波来发生。倏逝波例如在光线在衬底内全内反射时生成。这一方式的优点是向感光层的能量传送可以被高度地控制并且仅在能量传送表面的紧接附近发生、因此避免了光能进入介质中的损耗。
衬底可以优选地包括波导、即如下元件，在该元件中，(适当定向的)光束通过在波导的边界的反复全内反射来传播。借助波导，可以以最小的损耗传送光并且向期望位置分布光。而且，在波导中发生的全内反射造成倏逝波，如以上描述的那样，能量可以通过这些倏逝波耦合到感光层中。因此可以实现光的分布和输出耦合而能量损耗最小。
衬底向感光层中传送的能量例如可以是先前已经向衬底中耦合的环境(太阳)光。根据一个优选实施例，然而提供技术光源用于可控地生成向衬底中耦合的光。光源可以例如包括LED或者激光二极管，该光源允许生成具有可以被调节至感光层的要求的光谱。这也造成提高的能量效率。
有用于从前述光源向衬底中耦合光的不同可能性。LED可以例如紧接装配于衬底的表面上。在一个优选实施例中，在光源与衬底之间提供反射元件从而允许在方便位置设置光源而确保它的光到达衬底。反射元件可以例如包括平面或者非平面(例如圆锥形)镜表面或者形式为复合抛物面聚光器(CPC，参见W.T.Welford、R.Winston的“High Collection Nonimaging Optics”，Academic Press Inc(1990))的镜表面。为了最优效率，如果衬底包括波导，则应当设计反射元件使得来自光源的光在适当角度之下进入衬底以在波导内实现全内反射。
根据本发明的一个优选实现，以上提到的光源设置于衬底的空腔中。衬底(尽可能多地)包围光源进一步最小化光能损耗。
感光层可以紧接沉积于衬底上。根据一个优选实施例，中间(实心)层沉积于衬底与感光层之间，其中全内反射在操作期间发生于这一中间层与衬底之间的界面。中间层通常以比衬底更低的折射率为特征、即它充当“包层”。因此可以如以上说明的那样设计衬底为波导。在这样的波导与感光层之间提供中间层具有的优点在于波导性质和光输出耦合性质可以被分离地调整并且特别地独立于感光层的光学性质。更具体而言，在衬底与中间层之间的界面的全内反射期间生成的倏逝波很大程度上局限于中间层并且可以向与中间层接触的层中渗透。仅倏逝波的延伸到在中间层以外、即向相邻层中延伸的部分可以用于能量传送。因此可以通过调节中间(包)层的折射率和厚度从衬底(波导)部分地去耦合光催化材料。这样的去耦合允许跨越大面积、也向从光源远离的区域中分布照射。与此相反，如果感光层直接在波导上面，则代之以发生穿过层的光的直接吸收(与在这一层中的吸收系数和路径长度成比例)，这归因于从波导泄露出的倏逝波的部分吸收。折射的波的这一直接吸收将相对强从而使照射限于光源的紧邻附近。经由中间(包)层去耦合的又一优点在于它支持使用(例如由范围从少于完整层到厚层的粒子构成的光催化层)的散射光催化涂层。在波导上直接涂敷光催化剂时，应当总是使用非散射膜，因为在该情况下，散射直接瓦解波导功能。
应当注意，取代将前述中间层视为它自己的新组成，它也可以在形式上视为发光层的或者感光层的一部分。另外，如果感光层具有适当光学性质(例如比衬底更低的折射率、非散射结构)，则它本身可以充当衬底上的“包层”。
设计和光学特性可以跨衬底的能量传送表面均匀。在本发明的一个优选实施例中，然而该设计使得在衬底与感光层之间的光学耦合跨能量传送表面在空间上变化。以这一方式，可以根据当前应用的需要在空间上调整向感光层中耦合光的强度。可以例如通过减少在衬底中的高光强度(例如接近光源)的位置的光学耦合来实现向感光层均匀供应光能。
衬底、感光层和/或中间层可以具有跨能量传送表面的平面在空间上变化的厚度。通过这样的厚度变化，可以按照希望调整光学特性。可以例如通过适当变化中间层的厚度来实现在衬底与感光层之间的前述可变光学耦合。
根据本发明的另一示例，衬底适于本身生成它向感光层中传送的光。在这一情况下，无需外部光源和用于从这样的源向衬底中传送光的装置。
衬底可以具体包括(或者是)有机发光二极管(OLED)。这实现前述设计的一个实施例。OLED具有的优点在于可以生产具有灵活形状和大表面面积的它们。因而，无需光分布层，因为直接在其向感光层中传送的位置生成光。
本发明还涉及将描述的装置用于介质的感光处理、特别用于光催化处理的用途。这一处理可以优选地包括净化水、空气和/或表面、例如：
-用于饮水净化设备、UV水消毒灯、游泳池、温室、水族馆、水产养殖、使用水的工业处理中，
-用于空调、烟橱、灯具中，
-许多人在公共空间中所使用的门把手或其他表面上。
EP2030636A2公开了一种由光催化剂涂覆的波导。
US5778664A公开了一种涂覆有TiO2的石英管。
附图说明
将从下文描述的实施例清楚并且参照这些实施例阐明本发明的这些和其它方面。
在附图中：
图1示意地示出根据本发明的装置的侧视图；
图2图示在衬底与感光层之间的界面的光情形；
图3示出在光源与发光层之间的CDC；
图4示出在衬底旁边的LED裸片；
图5示出LED在衬底的空腔中的布置；
图6是示出对于中间层的折射率范围为从2.25到1.40而衬底的折射率为1.45时的吸收率比对内部角度的图。
相似标号在各图中指代相同或者相似部件。
具体实施方式
光催化氧化(PCO)是一种用于引起光反应的方法并且也可以用作一种用于(部分)清洁水、空气或者表面的方法。PCO基于入射光活化光催化剂的表面。在光吸收时生成活性表面状态。这些活性状态随后能够与在表面上吸收或者在表面撞击的物种反应。以这一方式，可以有效分解有机化合物。可以用若干方式应用光催化剂。示例是作为单块材料或者或者涂覆到支撑表面上作为薄膜或者作为粒子涂层，该薄膜或者粒子涂层与待净化的介质(水、空气和其它溶剂)发生接触。典型光催化剂是与水或者空气接触的TiO2。为了激发TiO2，通常需要波长短于400nm的辐射，但是其具体修改也可以与可见光使用(参阅J.Tao、T.Luttrell、M.Batzill的“A twodimensional phase of TiO2with a reduced bandgap”，NATURECHEMISTRY，第三卷，2011年4月，公布于www.nature.com/naturechemistry)。可以使用的通过用蓝光照射而活化的材料例如包括TiONx。
在US2010/0209294A1中，借助直射光源实现激发光催化剂。然而使用直射光源具有若干缺点。第一，光在许多情况下已经必须通过待清洁的介质。如果这例如是浊水，则仅仅光通量的有限部分到达活性表面。第二，由于未控制光在活性表面的入射角，所以除非使用活性材料的很厚层，则光的大部分通过活性材料而未被吸收。
有鉴于此，提出一种由用于向活性表面传送能量的(例如平面或者管状)波导构成的空气/水/表面净化/消毒设备。向波导表面上的包层涂覆光催化剂。
图1示意地示出根据前述原理设计的装置100的侧视图。作为中心部件，装置100包括这里由在x和y方向上延伸的平面波导实现的衬底110。这一波导110的上表面构成在其上设置感光层120、这里为光催化剂如TiO2的能量传送表面。在所示实施例中，光催化剂120未直接、但是经由中间层130间接设置于波导110上。
描述的部件布置于壳或者支持件140中。壳140包括例如铝的支撑板141，该支撑板也充当用于耗散也在它上设置的(优选UV或者蓝色)LED150生成的热的冷却元件。通过在LED150上方的铝(或者高反射非UV或者蓝色吸收材料或者材料堆)楔150而获得耦合入波导110中的光。波导110由铝板141通过四个支撑点144支撑。这样，波导可以与LED的高度对准。点可以是任何材料，因为它们仅占用表面的小部分，但是优选地，它们通过至少在与波导的界面处具有比波导的折射率更低的折射率来从波导在光学上去耦合。波导材料可以是石英玻璃或者在传送的光的波长不会或者很难吸收的另一材料。
利用描述的方式，光催化剂120的照射最高效，因为可以操作波导110使得光L在全内反射中行进。这意味着在单次通过活性层120时未被吸收的光不会离开波导110、但是可能在后续通过中被吸收。这也意味着可以使用非常薄的活性光催化材料层。另外，在活性材料不连续覆盖表面111(例如在图案化的膜的情况下或者通过涂敷粒子涂层)时，这不会导致由于光离开设备而未通过光催化层而致的光损耗。源于介质的损耗不存在，因为光未经过通常可能模糊的(待净化的)介质行进。
描述的方法的附加优点是可以用若干方式调节可用于PCO的光分布、即局部功率密度。最简单直接、但是极为受限的是通过适当设定波导厚度(即在z方向上的延伸)和光催化剂120的厚度来调节。一种更通用的调节方法是通过使用折射率比波导110的折射率更低的中间或者包层130。这样的中间层130将波导110中的全内反射与向TiO2层120中的折射去耦合。通过恰当调节这一中间层130的厚度和折射率，可以调节光的可以向光催化剂120中耦合的部分(与倏逝波的重叠有关)。用于中间层130的厚度的典型值范围在约50纳米与约5微米之间。光活性层120的厚度并不关键并且范围可以从数十纳米到许多微米。还可以通过局部变化在中间层上面的光催化层的厚度或者通过变化光催化层中的图案密度来进一步调节可用于PCO的局部功率密度。
描述的设计受益于使用低展度光源、比如LED和激光二极管，因为这些将实现从光源到波导的高耦合效率并且也允许将所发射的波长确切调节到光催化剂的激发能量。
图2包括通过利用全内反射(TIR)来实现光分布的基本方式的图示。通过利用具有比波导衬底110的折射率n0更小的低折射率n1的中间层130(或者“包层”)来获得光束L的全内反射。由于倏逝波(由平行箭头所所示)与光催化剂120的有限重叠，光催化剂仅吸收光的小部分。在光在上波导表面反射时，倏逝波穿透包层130并且小部分在光催化剂120中被吸收。这一部分随着在波导与包层之间的折射率差异增加并且随着包层厚度增加而减少。
有如何可以从光源150向波导110中耦合光的若干方式。所有这些方式是适合的。这里给出少数示例。在图3中，LED150放置于从波导110离开小段距离处，并且形式为复合抛物面聚光器(CPC)的镜152放置于两侧以向波导中反射来自更大角度的光。
图4示出另一实施例，其中LED裸片150直接放置于波导110的一例(有小气隙或者接触)。
如图5中所示，也可以通过将LED150放置于波导110的孔或者空腔112中来向波导110中耦合光，其中(例如圆锥形)反射器152位于孔或者空腔112上面。这样，可以使用很薄的波导(约1mm的厚度)。
使用激光二极管，厚度为数十微米的波导是可能的，因为斑尺寸小并且可以容易控制输入耦合角度。
可以用许多方式变化描述的方式。波导可以例如具有不同形状并且在其之间具有不同距离的槽(未示出)以调整波导中的期望光分布。此外，波导的厚度可以非均匀。
图6描绘两幅图，这些图描绘对于中间包层130的不同折射率n1(范围从1.25到1.4而波导具有折射率1.45)的情形，作为内部角度θ的函数的在光催化剂中的吸收率A＝log(I0/I)。假设包层130的厚度为200nm而光催化剂(TiO2)的厚度为100nm。竖直虚线指示临界角度(在超过该临界角度的角度时光传播通过波导发生)。
描述的装置和过程可以例如应用于空调、厨房烟橱、实验室烟橱、存储室中的灯具(例如用于化学药品、溶剂、燃料等)、洗手间中的灯具、室内体操场中的灯具中、医院中的灯具的空气净化和用于移动饮水净化设备、静止饮水净化设备、游泳池(减少例如军团杆菌感染风险)、温室、水族馆、水产养殖、运用水的工业处理等中的水净化。另外，它可以应用于例如公共空间中的门把手上的表面净化或者用于例如灯具的表面清洁(尤其在维护成本高时)。
本发明也可以应用于与水持久接触的UV水消毒灯中。在灯具的UV出光窗上的生物膜形成将严重减少出光窗的UV透射。本发明可以用来防止出光窗上的生物膜形成。本发明也可以应用于其中生物膜形成妨碍功能的其它系统中。
概括而言，本发明涉及一种包括用于照射活性表面的波导的空气/水/表面净化/消毒设备。催化剂被涂覆到波导表面上。关键方面是光输出耦合可以实现的方式、即通过调节倏逝波的强度。这意味着经由(光催化活性)表面逃逸的光的(总)强度取决于在光在其中传播的波导与光催化氧化在其中发生的光活性层之间的某种去耦合层(中间层)的折射率和厚度。本发明的主要优点是：
-光损耗大量减少，因为光通过全内反射俘获在波导内并且仅能在活性材料中被吸收并且难以向介质中传输(与常规直射光源相比)。
-光传送机制允许使用很薄光催化剂膜而未引入传输损耗。
-光无需通过待净化的介质(这经常导致光强度损耗)。
-可以通过使用低折射率中间层(倏逝波耦合)在大表面积内控制光分布。
-使用低展度光源、比如LED和激光二极管，这实现从光源到波导的高耦合效率并且也允许将所发射的波长精确调节到光催化剂的激发能量从而同样提高能量效率。
-使用光源、比如LED，这些光源也允许使用光算法、即使用优化的脉冲方案。这样的方案还可以与例如检测污染水平的传感器交互。
尽管已经在附图和前文描述中具体图示和描述本发明，但是这样的图示和描述将视为说明性的或者示例性的而非限制；本发明不限于公开的实施例。本领域技术人员可以在实现要求包含的本发明时从附图、公开内容和所附权利要求的研读中理解和实现所公开的实施例的其它变化。在权利要求中，字眼“包括”未排除其它单元或者步骤，并且不定冠词“一个”未排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施这仅有的事实未指示不能有利使用这些措施的组合。权利要求中的任何标号不应解释为限制范围。
Claims (26)
1.一种用于处理介质的装置(100)，包括：
a)波导，其作为具有衬底表面(111)的衬底(110)，在所述装置(100)操作期间经过所述衬底表面(111)传送能量；
b)光催化层(120)，设置于所述衬底表面(111)上并且能够与所述介质接触，
其特征在于，中间层(130)设置于所述衬底(110)与所述光催化层(120)之间，其中在操作期间在所述中间层与所述衬底之间的界面发生全内反射。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于通过倏逝波从所述衬底(110)向所述光催化层(120)传送光能。
3.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于提供光源(150)以用于生成向所述衬底(110)中耦合的光。
4.根据权利要求3所述的装置(100)，其特征在于所述光源(150)包括LED和/或激光二极管。
5.根据权利要求3所述的装置(100)，其特征在于在所述光源(150)与所述衬底(110)之间提供反射元件(151，152，153)。
6.根据权利要求3所述的装置(100)，其特征在于所述光源(150)设置于所述衬底(110)的空腔(112)中。
7.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于在所述衬底(110)与所述光催化层(120)之间的光学耦合空间上跨所述衬底表面(111)变化。
8.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于所述衬底(110)、所述光催化层(120)和/或所述中间层(130)具有空间上变化的厚度。
9.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于所述衬底(110)生成向所述光催化层(120)中发射的光。
10.根据权利要求1所述的装置(100)，其特征在于所述衬底(110)包括OLED。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其中处理介质是用于净化流体介质或者表面。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述流体介质是水或空气。
13.一种用于处理介质的方法，包括以下步骤：
a)经由中间层(130)从作为衬底(110)的波导向设置于所述衬底(110)的衬底表面(111)上的光催化层(120)中传送光能；
b)通过让所述介质与所述光催化层(120)接触，在所述介质中引起反应。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于通过倏逝波从所述衬底(110)向所述光催化层(120)传送光能。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于提供光源(150)以用于生成向所述衬底(110)中耦合的光。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述光源(150)包括LED和/或激光二极管。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于在所述光源(150)与所述衬底(110)之间提供反射元件(151，152，153)。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述光源(150)设置于所述衬底(110)的空腔(112)中。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于在所述衬底(110)与所述光催化层(120)之间的光学耦合空间上跨所述衬底表面(111)变化。
20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述衬底(110)、所述光催化层(120)和/或所述中间层(130)具有空间上变化的厚度。
21.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述衬底(110)生成向所述光催化层(120)中发射的光。
22.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述衬底(110)包括OLED。
23.根据权利要求13-22中任一项所述的方法，其中处理介质是用于净化流体介质或者表面。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述流体介质是水或空气。
25.一种将根据权利要求1-12任一项所述的装置(100)用于介质的感光处理的用途、例如：
-用于饮水净化设备、UV水消毒灯、游泳池、温室、水族馆、水产养殖、使用水的工业处理中，
-用于空调、烟橱、灯具中，
-用于公共空间中的门把手上。
26.根据权利要求25所述的用途，其中所述介质的感光处理是用于净化水、空气和/或表面。
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