CN104474884A - 一种热光电联合式光催化空气净化器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热光电联合式光催化空气净化器，包括半球形外壳以及外壳内设置的依次连接的进气区、加热保温区、U型转接口、光学反应室及出气区，进气区设在净化器下侧，U型转接口的中部设置耐高温过滤组件，光学反应室中间设置有紫外灯管作为激发光源，在光学反应室的上下部分均设有电场区，光学反应室内部设有光催化组件，出气区设在净化器的上端部，半球形外壳的表面设置一组凸透镜元件，将室内的可见光采集导入到光腔中，在光聚集处安插与反应室相对应的紫外滤光片，使得过滤后的紫外光能作用于光学反应室的光催化剂。与现有技术相比，本发明采用光电热的联合式技术，利用多种辅助方法提升空气处理效率。

Description

一种热光电联合式光催化空气净化器

技术领域

本发明属于环保技术领域，尤其是涉及一种热光电联合式光催化空气净化器。

背景技术

近年来，PM_2.5一直是公众评价空气质量的重要指标，也是现行的空气质量标准中的首要污染物，尤其在冬季一度引发人们对雾霾天气的热议，空气质量问题备受关注。室外空气质量令人担忧的同时，室内空气的质量更加直接关系到人们健康的生活。有调查显示，人们有80％的时间是在室内度过的，室内空气污染程度是室外的2-5倍，有的甚至高达百倍。加之经济条件的改善，在家居、办公场所、宾馆等场所的装修程度进一步加大，室内环境的质量令人堪忧，室内环境污染已经成为影响人们健康的一大杀手。

通常而言，室内空气的污染物主要有总挥发性有机污染物(TVOCs)、CO、CO₂、NO_x、苯、甲醛、可吸入颗粒物、生物性污染、放射性污染以及多环芳烃类物质等。这些绝大多数对人体健康危害较大，室内TVOCs污染、氡污染以及多环芳烃具有直接的致癌、致畸、致突变作用。目前，基于光催化技术理论和实践的研究积累，室内空气净化领域的研究者们进行了广泛的研究，已经发明出一系列的空气净化器用于室内空气环境的清洁。最新一代的技术应用纳米光催化材料，其在合适波长的光照下受到激发，生成电子-空穴对，其中电子具有还原性，空穴具有强氧化性，可同时发挥空气中有机物的降解和杀菌双重作用，彻底消除空气中的污染物，最终使其无害化。但是，现有的纳米催化类空气净化器大多采用的模式是直接将空气通过光催化反应段进行降解有害气体组分并且杀灭细菌，所用的激发光源有紫外光也有可见光，也有直接利用室内光线为激发光源，但是在实际应用过程中仍然存在着诸多的问题。如在专利《一种管状光催化空气净化器》(申请号CN103170243)中，其将TiO₂光催化剂附着在管状结构内壁和轴向的肋片上，较粉体催化剂而言，在实际的光催化反应过程中比表面大幅度降低，附着牢固程度也

需要在时间尺度上考验；在专利《利用太阳能的窗式光催化空气净化器》(专利号CN200910045413.0)中，提到使用光学窗口直接利用太阳光来提供激发光源，在能源利用角度上非常合理，但是可见光的能量本身就不高，作为激发光源是否具备激发催化剂产生电子-空穴能力也存在不确定性；在专利《光催化空气净化器》(公开号CN101108258A)中，公开了由隔板分成若干格子空间的箱体状净化器，隔板轴向设置光催化空气净化组件(紫外灯管和平面网状规整光催化剂)，在对低浓度的挥发性有机污染物有较明显的净化作用，但是平面网状结构与灯管垂直布局会增加气体流动的阻力，不利于流通，此外降解产物为CO₂和H₂O等会聚集在催化剂表面，不利于后续反应。因此，开发出高效的光催化空气净化器净化室内空气十分必要，以期实现利用高能量的光源激发光催化剂产生电子-空穴对，尽可能延迟二者的复合，将催化剂的催化能力维持在较高的水平，更有利于空气中的可挥发性的有害污染物的氧化分解，得到洁净新鲜的室内空气。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种热光电联合式光催化空气净化器。利用“热”提高空气中颗粒物所含挥发性有机污染物的彻底解析，提高光催化反应过程中气态物质的动能，易于参与光化学反应；在外壳增加紫外滤光片的设计，利用室内可见光转化为较高能量的紫外光作为激发光源；也可以利用激发光源提供“光”，“电”旨在光催化反应区内提供一定强度的电场，使被激发成电子-空穴对在催化剂表面有朝着相反方向运动的趋势，延迟二者的复合，从而使得光催化剂能够维持在较高的催化活性。该发明具有有效反应面积大，紫外光源利用率高，空气净化效率高、净化彻底，出气部分增加碱性吸收模块，消除多余的二氧化碳和氮氧化物等酸性成分，必要时可给室内空气加湿。最终获得新鲜、清洁、适宜的室内环境空气。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种热光电联合式光催化空气净化器，包括半球形外壳以及外壳内设置的依次连接的进气区、加热保温区、U型转接口、光学反应室及出气区，

所述的进气区设在净化器下侧，

所述的U型转接口的中部设置耐高温过滤组件，

所述的光学反应室中间设置有紫外灯管作为激发光源，发射波长为254nm的紫外光，在光学反应室的上下部分均设有电场区，光学反应室内部设有光催化组件，

所述的出气区设在净化器的上端部。

所述的进气区内置有风机，将室内的空气吸入壳体内部。

所述的加热保温区由加热管路及包裹在加热管路外的保温组件构成，空气经过该段加热保温区，加热温度在50-260℃，待所有的可挥发性污染物全部解析出来，通过过滤层进入光化学反应室，过滤层截留较小的颗粒物。这部分具有一定温度的气体也同样可以促进其中挥发性有机污染物的降解。

所述的半球形外壳的表面设置一组凸透镜元件，将室内的可见光采集导入到光腔中，在光聚集处安插与反应室相对应的紫外滤光片，能够直接利用晴朗天气室内的太阳光，过滤后的紫外光能作用于光学反应室中，直接激发内部的光催化剂的激发，以高能激发光源激发进而提高催化降解空气中的有机污染物。

所述的光学反应室设有两段，也可以根据需要增加或减少。两反应室中间的紫外灯管作为共用的激发光源，在光催化剂的作用下进行光催化反应。

施加在反应室上下区域的电场有利于光生电子-空穴对的持续分离，从而使得光催化剂表面的光生电子-空穴之间的复合大大的被抑制，催化性能一直维持在较高的水平。

所述的光催化组件为上下表面均涂布有光催化剂的波浪形石墨板，两端固定于光学反应室两端，不随自然的波动而改变位置。

所述的光催化剂为多壁碳纳米管负载TiO₂和/或NiO先制备得到溶胶-凝胶态的复合催化剂，然后将其涂布于波浪形的石墨催化剂板上，石墨板上下表面的光催化剂都能接受光源的激发，提高了表面光生电子-空穴对在降解挥发性有机污染物方面的作用。所述的出气区内置碱性吸收液，以去除多余的酸性气体，同时还能给室内环境加湿。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中，1-进气区；2-加热保温区；3-U型转接口；4-过滤组件；5-光化学反应室A段；6-紫外灯管；7-光化学反应室B段；8-电场区；9-出气区。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明的实施方式不仅限于此。

实施例

一种热光电联合式光催化空气净化器，其结构如图1所示，主要包括半球形外壳以及外壳内设置的进气区1(内含风机)，加热保温区2，U型转接口3；过滤组件4；光化学反应室A段5；紫外灯管6；光化学反应室B段7；电场区8；出气区9(内含吸收液)。所有的涉及电力驱动的器件都是通过电路板连接到外部，最后用交流电进行供电，外部设置开关控制。其中进气区1、加热保温区2、U型转接口3、两段光学反应室及出气区9依次连接，进气区1设在净化器下侧，U型转接口3的中部设置耐高温的过滤组件4，光学反应室中间设置有紫外灯管6作为激发光源，发射波长为254nm的紫外光，在光学反应室的上下部分均设有电场区8，光学反应室内部设有光催化组件，出气区9设在净化器的上端部。

下面对各主要组成部件做进一步的说明：进气区1内置有风机，将室内的空气吸入壳体内部。加热保温区2由加热管路及包裹在加热管路外的保温组件构成，空气经过该段加热保温区，加热温度在50-260℃，待所有的可挥发性污染物全部解析出来，通过过滤层进入光化学反应室，过滤层截留较小的颗粒物。这部分具有一定温度的气体也同样可以促进其中挥发性有机污染物的降解。

半球形外壳的表面设置一组凸透镜元件，将室内的可见光采集导入到光腔中，在光聚集处安插与反应室对相应的紫外滤光片，能够直接利用晴朗天气室内的太阳光，过滤后的紫外光能作用于光学反应室中，直接激发内部的光催化剂的激发，以高能激发光源激发进而提高催化降解空气中的有机污染物。

在本实施例中，光学反应室设有两段，也可以根据需要增加或减少。两反应室中间的紫外灯管6作为共用的激发光源(如反应室增加，则需相应地增加紫外灯管数量)，在光催化剂的作用下进行光催化反应。

利用电场区8施加在反应室上下区域的电场有利于光生电子-空穴对的持续分离，从而使得光催化剂表面的光生电子-空穴之间的复合大大的被抑制，催化性能一直维持在较高的水平。

采用的光催化组件为上下表面均涂布有光催化剂的波浪形石墨板，两端固定于光学反应室两端，不随自然的波动而改变位置。其中的光催化剂为多壁碳纳米管负载二氧化钛和/或NiO多壁碳纳米管，先制备得到溶胶-凝胶态的复合催化剂，然后将其涂布于波浪形的石墨催化剂板上，石墨板上下表面的光催化剂都能接受光源的激发，提高了表面光生-电子空对在降解挥发性有机污染物方面的作用。

出气区9内置碱性吸收液，以去除多余的酸性气体，同时还能给室内环境加湿。

在室内空气污浊和光线不佳的情况下，开启本净化器，加热保温区2中的管路开始被加热，紫外灯管6开始正常工作，发射波长为254nm的紫外光，进气区1中的风机将室内的空气吸入壳体内部。在十分钟的时间内，加热保温区2中的温度为50-260℃，此时空气中颗粒物上富集的可挥发性有机物被充分解析出来，经过滤组件4的截留阻挡，气体进入光化学反应室A段5中，被内部的光催化剂组件(含有碳纳米管负载的纳米TiO₂和NiO中的一种或者两种在模具上复合而成)上的光催化剂催化降解，在光化学反应室B段7中的光化学反应室中进一步的降解，杀灭空气中的细菌和未完全分解的挥发性有机物。在光化学反应室A段5，光化学反应室B段7中发生的光化学反应还受到电场区8施加的电场作用，光催化剂表面的光生电子-空穴之间的复合大大的被抑制，催化性能一直维持在较高的水平。光化学反应室B段从7中流出的气体中挥发性有机物全部被去除，被矿化成CO₂和水以及一些其他的无机酸性小分子物质，它们经过出气区9中含有的碱性吸收液，酸性的气体被截留，最终排到室内，产生洁净的空气，同时还具有一定的湿度。

在天气晴朗或室内光照条件较佳的条件下，可选择不用打开紫外灯，直接开启电场区8的电场和加热保温区2的加热保温程序，进气区1中风机开始工作，将室内空气导入到加热保温区2中，气体中所含有的颗粒物以及其中所吸附的挥发性有机物都能在加热保温区2中完全解吸出来，通过过滤组件4的截留，空气中的挥发性有机物进入到光化学反应室A段5，光化学反应室B段7中，此时可见光可进入到反应器中，光线经过棱镜投射后再经过紫外滤光片的过滤作用，筛选紫外区波长段(200-400nm)的光，然后在反应器中催化剂表面聚集，激发光催化剂产生电子-空穴对，与此同时在电场区8所供给的电场当中维持相对的分离，高效发挥氧化有机物的能力。经过光化学反应室A段5，光化学反应室B段7中的光催化反应，最终的气体中几乎不含有有机物，经过出气区中的碱性吸收液，酸性的产物全部被吸收，清洁的空气进入到室内，反复循环进行室内空气的净化。本发明充分的利用室内的可见光，高效的激发纳米光催化剂，同时在电场作用下可以持续的发挥电子-空穴对的作用，加热保温段使空气中颗粒物中所含的挥发性有机物“无处藏身”，全部被降解成无害组分。

Claims (9)

1.一种热光电联合式光催化空气净化器，其特征在于，该净化器包括半球形外壳以及外壳内设置的依次连接的进气区、加热保温区、U型转接口、光学反应室及出气区，

所述的进气区设在净化器下侧，

所述的U型转接口的中部设置耐高温过滤组件，

所述的光学反应室中间设置有紫外灯管作为激发光源，在光学反应室的上下部分均设有电场区，光学反应室内部设有光催化组件，

所述的出气区设在净化器的上端部。

2.根据权利要求1所述的一种热光电联合式光催化空气净化器，其特征在于，所述的进气区内置有风机。

3.根据权利要求1所述的一种热光电联合式光催化空气净化器，其特征在于，所述的加热保温区由加热管路及包裹在加热管路外的保温组件构成。

4.根据权利要求1所述的一种热光电联合式光催化空气净化器，其特征在于，所述的半球形外壳的表面设置一组凸透镜元件，将室内的可见光采集导入到光腔中，在光聚集处安插与反应室相对应的紫外滤光片，使得过滤后的紫外光能作用于光学反应室的光催化剂。

5.根据权利要求1所述的一种热光电联合式光催化空气净化器，其特征在于，所述的光学反应室设有两段。

6.根据权利要求1所述的一种热光电联合式光催化空气净化器，其特征在于，所述的光学反应室还可以根据需要增加或减少。

7.根据权利要求1所述的一种热光电联合式光催化空气净化器，其特征在于，所述的光催化组件为上下表面均涂布有光催化剂的波浪形石墨板，两端固定于光学反应室两端，不随自然的波动而改变位置。

8.根据权利要求7所述的一种热光电联合式光催化空气净化器，其特征在于，所述的光催化剂为多壁碳纳米管负载TiO₂和/或NiO。

9.根据权利要求1所述的一种热光电联合式光催化空气净化器，其特征在于，所述的出气区内置碱性吸收液。