CN104722202B - 采用纳米TiO2催化氧化丙酮的空气净化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用纳米TiO2催化氧化丙酮的空气净化系统，包括光催化反应器、用于产生丙酮气体反应混合物的预处理系统和用于产生间歇平行光束的光照控制系统，光催化反应器内设有粉末状纳米TiO2，光催化反应器上开设有供间歇平行光束进入的石英窗，光催化反应器的出气口和进气口之间顺序连接有循环泵、丙酮气体检测仪和循环气阀，循环泵的进气口还与预处理系统连接，丙酮气体检测仪的出气口还连接有排气阀；丙酮气体检测仪检测丙酮气体浓度，超过设定的空气排放标准值，则打开循环气阀、关闭排气阀，否则关闭循环气阀、打开排气阀。本发明具有高效节能的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用纳米TiO2催化氧化丙酮的空气净化系统，属于空气净化设备技术领域。
背景技术
随着人们生活水平的提高，室内装修、家具建材及日用生活品引起的室内环境污染问题和车内装饰材料引起的车内空气污染问题日益突出。室内挥发性有机污染物由建筑材料、装饰材料、生活用品及人类日常活动产生，这些物质通常以微量和痕量水平出现，量微而极易被忽视，然而挥发性有机污染物具有毒性、刺激性和致癌性，在通风不充分的室内条件下，长期滞留积累，会破坏人类的皮肤和粘膜，严重的会造成“致癌、致畸、致突变”的后果，对人体健康产生严重危害。因此室内空气污染已经成为不可忽视的环境问题，引起了国内外的高度重视，成为研究的焦点。
对于挥发性有机污染物的处理主要有物理方法如吸附法、吸收法、冷凝法等，也存在生物膜法等，但是以往的处理方法往往存在一定的局限性，物理法只能将污染物在不同的物质中进行转移，无法达到去除污染物的目的，而生物法受到温度、酸碱度、底物浓度等一系列条件的影响，处理效果不甚理想。光催化降解已经成为现代社会广泛关注的热点，光催化氧化法具有无毒、安全、稳定性好、催化活性高、见效快、能耗低、可重复使用等诸多优点。研究发现纳米TiO2光催化剂具有无毒无害，对环境友好且便宜等特点，在水体和空气的净化处理中都有巨大潜力，因此被广泛使用于光催化氧化的催化剂。但是这种 材料也有一些缺点限制它的广泛应用，其中一个缺点便是反应物必须吸附在纳米TiO2光催化剂表面才能发生催化反应，以往的非粉末状纳米TiO2光催化剂催化剂虽能发生氧化降解作用，但是接触面积仍有限制，导致纯纳米TiO2光催化剂催化效率受限，处理效果无法达到最优状态。
目前，已有大量UV光源用于催化氧化过程，然而光源的能耗较大，无法达到节能、高效的目的。已有研究表明，光催化氧化纳米TiO2光催化剂表面会生成活性物质，而该种活性物质在没有光照的条件下仍能保持几秒的活性，即在黑暗条件下能利用富余的活性物质的能量进行降解去除过程，处理同样浓度的污染物，间歇控制照明周期所需的光能较持续照明所需的光能更小，达到高效节能的目的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种采用纳米TiO2催化氧化丙酮的空气净化系统，解决现有技术中TiO2利用率低、光源照射能耗大的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：采用纳米TiO2催化氧化丙酮的空气净化系统，包括光催化反应器、用于产生丙酮气体反应混合物的预处理系统和用于产生间歇平行光束的光照控制系统，所述光催化反应器内设有粉末状纳米TiO2，光催化反应器上开设有供间歇平行光束进入的石英窗，光催化反应器的出气口和进气口之间顺序连接有循环泵、丙酮气体检测仪和循环气阀，所述循环泵的进气口还与所述预处理系统连接，所述丙酮气体检测仪的出气口还连接有排气阀；丙酮气体检测仪检测丙酮气体浓度，超过设定的空气排放标准值，则打开循环气阀、关闭排气阀，否则关闭循环气阀、打开排气阀。
作为本发明的进一步改进，所述光照控制系统包括电脑控制系统、脉冲发生器、放大器、示波器、与石英窗对应设置的UV-LED、设于UV-LED和石英窗之间的石英冷凝器和由UV-LED照射导通的光电二极管；脉冲发生器的输出端、UV-LED的输出端分别与示波器的两个信号输入端连接，其中与UV-LED的输出端相连的信号输入端还与所述光电二极管的负极连接，光电二极管的正极接地，光电二极管的两端还并联有负载阻抗；UV-LED的输出端还通过电流控制电阻器与示波器连接，电流控制电阻器与示波器连接的电节点接地；所述脉冲发生器由电脑控制系统控制产生高频矩形信号传至放大器，放大器输出矩形脉冲电流至UV-LED。
作为本发明的进一步改进，所述预处理系统包括：混合室、水饱和装置、丙酮饱和装置和用于去除空气中CO2、水和颗粒物的空气净化器，空气净化器的出气口连接有三条气路：第一条气路通过水饱和装置、第一质量流量控制器与混合室连通；第二条气路通过第二质量流量控制器与混合室连通；第三条气路通过减压器、丙酮饱和装置、和第三质量流量控制器与混合室连通；混合室的出气口与所述循环泵的进气口连通。
作为本发明的进一步改进，所述排气阀的出气口还连接有TiO2回收过滤装置。
作为本发明的进一步改进，所述光催化反应器内设有支撑玻璃，所述粉末状纳米TiO2均布于支撑玻璃的上表面。
作为本发明的优选方案，所述纳米TiO2的堆积密度为1mg/cm2，光照面积为9.1cm2。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1、利用高频矩形脉冲进行间歇控制UV-LED照明周期，通过脉冲信号的形状可以计算、控制和调节工作周期，充分利用UV-LED光激活的活性物质的降解能力，具有节能高效的作用；
2、空气经预处理后进入反应系统，能有效防止杂质颗粒破坏装置，延长装置使用年限；
3、光催化反应器中，可通过控制循环泵的循环次数使反应气体达标排放，呈粉末状的纳米TiO2光催化剂在喷入气流的作用下悬浮分散在空中，能有效地增加催化剂与污染物的接触面积，增大催化反应效率，提高净化效果；
4、出流气体经TiO2回收过滤装置后排放，能有效去除空气中残留的TiO2纳米颗粒，不仅使空气更加洁净安全，而且能回收使用纳米TiO2光催化剂，避免资源浪费。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是UV-LED系统高效节能原理图。
图3是UV-LED光催化降解丙酮气体效率曲线图。
图4是消耗光能与丙酮浓度关系曲线图。
图中：1、脉冲发生器；2、放大器；3、供电机组；5、示波器；9、石英冷凝器；10、石英窗；11、光催化反应器；12、支撑玻璃；13、循环泵；14、空气净化器；15、水饱和装置；16、第二质量流量控制器；17、减压器；18、丙酮饱和装置；19、第一质量流量控制器；20、混合室；21、第三质量流量控制器；22、丙酮气体检测仪；23、排气阀；24、循环气阀；25、TiO2回收过滤装置；26、电脑控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明包括三大部分：光催化反应器和动力控制系统、光照控制系统和预处理系统。
光催化反应器11和动力控制系统包括：光催化反应器11，光催化反应器11内设有支撑玻璃12，粉末状纳米TiO2均布于支撑玻璃12的上表面，优选的纳米TiO2的堆积密度为1mg/cm2。光催化反应器11上开设有供间歇平行光束进入的石英窗10，光照面积为9.1cm2。光催化反应器11的出气口和进气口之间顺序连接有循环泵13、丙酮气体检测仪22和循环气阀24，丙酮气体检测仪22的出气口还连接有排气阀23，排气阀23通过TiO2回收过滤装置25连接排气管。工作时，丙酮气体检测仪22检测丙酮气体浓度，超过设定的空气排放标准值，则保持循环气阀24打开，同时保持排气阀23闭合；当达到排放标准时，则关闭循环气阀24、打开排气阀23。
光照控制系统是利用高频矩形脉冲进行间歇控制UV-LED照明周期，包括电脑控制系统26、脉冲发生器1、放大器2、示波器5、与石英窗10对应设置的UV-LED、设于UV-LED和石英窗10之间的石英冷凝器9和由UV-LED照射导通的光电二极管PD。脉冲发生器1的输出端、UV-LED的输出端分别与示波器5的两个信号输入端连接，其中与UV-LED的输出端相连的信号输入端还与光电二极管PD的负极连接，光电二极管PD的正极接地，光电二极管PD的两端还并联有负载阻抗RL。UV-LED的输出端还通过电流控制电阻器R与示波器5连接，电流控制电阻器R与示波器5连接的电节点接地。工作时，脉冲发生器 1由电脑控制系统26控制产生高频矩形信号传至放大器2，放大器2输出矩形脉冲电流至UV-LED，光电二极管PD与电导线的有效电容量Ceff为100pF，负载阻抗RL通过设定电阻值来控制光电二极管PD的松弛时间少于150ns，利用公式：τRC＝RL·Ceff(τRC为松弛时间，Ceff为有效电容量)，从而确保方形脉冲能达到与之相同松弛频率时的最大光强(4.45mW/cm2)。同时，UV-LED通过电流控制电阻器R控制接入示波器5的电流信号的幅值，通过示波器5观察流过UV-LED的电流波形、脉冲发生器1输出的脉冲信号波形。
预处理系统包括混合室20、水饱和装置15、丙酮饱和装置18和用于去除空气中CO2、水和颗粒物的空气净化器14，空气净化器14的出气口连接有三条气路：第一条气路通过水饱和装置15、第一质量流量控制器19与混合室20连通；第二条气路通过第二质量流量控制器16与混合室20连通；第三条气路通过减压器17、丙酮饱和装置18、和第三质量流量控制器21与混合室20连通。混合室20的出气口与所述循环泵13的进气口连通。工作时，空气净化器14输出的干燥空气流分为三路：第一路通过水饱和装置15，成为水饱和的空气流，第二路通过直接通过第二质量流量控制器16进入混合室20，第三路通过减压器17进入丙酮饱和装置18，从而产生丙酮饱和的空气流；三路气流可分别通过各自的质量流量控制器控制各气流的输出量，然后在混合室20内充分均匀混合，产生最佳相对湿度(19±2％)的丙酮气体反应混合物。
作为本发明的优选方案，放大器2可采用供电机组3单独供电，脉冲发生器1选用最小输出脉冲为500μs的脉冲发生器1，UV-LED可以选用10W的发光二极管，光波长为367nm，电流控制电阻器R＝1Ω，负载阻抗RL＝1.5kΩ。
如图2所示，是UV-LED系统高效节能原理图，图中：ton为照明时间，toff 为无照明时间，光催化氧化纳米TiO2光催化剂表面会生成活性物质，而该种活性物质在没有光照的条件下仍能保持几秒的活性，即在黑暗条件下能利用富余的活性物质的能量(图中阴影部分)进行降解去除过程，处理同样浓度的污染物。本发明就是采用间歇控制照明周期，相比持续照明所需的光能更小，达到高效节能的目的。
如图3所示，是UV-LED光催化降解丙酮气体效率曲线图，在丙酮去除率相同的情况下，常规UV-LED控制方式明显比本发明提供的间断UV-LED控制方式用时更长，本发明对空气中丙酮气体的净化效率明显提高。
如图4所示，是消耗光能与丙酮浓度关系曲线图，达到相同丙酮浓度时，本发明提供的间断UV-LED控制方式比常规UV-LED控制方式耗能更少。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.采用纳米TiO2催化氧化丙酮的空气净化系统，其特征在于，包括光催化反应器、用于产生丙酮气体反应混合物的预处理系统和用于产生间歇平行光束的光照控制系统，所述光催化反应器内设有粉末状纳米TiO2，光催化反应器上开设有供间歇平行光束进入的石英窗，光催化反应器的出气口和进气口之间顺序连接有循环泵、丙酮气体检测仪和循环气阀，所述循环泵的进气口还与所述预处理系统连接，所述丙酮气体检测仪的出气口还连接有排气阀；丙酮气体检测仪检测丙酮气体浓度，超过设定的空气排放标准值，则打开循环气阀、关闭排气阀，否则关闭循环气阀、打开排气阀。
2.根据权利要求1所述的采用纳米TiO2催化氧化丙酮的空气净化系统，其特征在于，所述光照控制系统包括电脑控制系统、脉冲发生器、放大器、示波器、与石英窗对应设置的UV-LED、设于UV-LED和石英窗之间的石英冷凝器和由UV-LED照射导通的光电二极管；
脉冲发生器的输出端、UV-LED的输出端分别与示波器的两个信号输入端连接，其中与UV-LED的输出端相连的信号输入端还与所述光电二极管的负极连接，光电二极管的正极接地，光电二极管的两端还并联有负载阻抗；UV-LED的输出端还通过电流控制电阻器与示波器连接，电流控制电阻器与示波器连接的电节点接地；
所述脉冲发生器由电脑控制系统控制产生高频矩形信号传至放大器，放大器输出矩形脉冲电流至UV-LED。
3.根据权利要求1所述的采用纳米TiO2催化氧化丙酮的空气净化系统，其特征在于，所述预处理系统包括：混合室、水饱和装置、丙酮饱和装置和用于去除空气中CO2、水和颗粒物的空气净化器，空气净化器的出气口连接有三条气路：第一条气路通过水饱和装置、第一质量流量控制器与混合室连通；第二条气路通过第二质量流量控制器与混合室连通；第三条气路通过减压器、丙酮饱和装置、和第三质量流量控制器与混合室连通；
混合室的出气口与所述循环泵的进气口连通。
4.根据权利要求1所述的采用纳米TiO2催化氧化丙酮的空气净化系统，其特征在于，所述排气阀的出气口还连接有TiO2回收过滤装置。
5.根据权利要求1所述的采用纳米TiO2催化氧化丙酮的空气净化系统，其特征在于，所述光催化反应器内设有支撑玻璃，所述粉末状纳米TiO2均布于支撑玻璃的上表面。
6.根据权利要求5所述的采用纳米TiO2催化氧化丙酮的空气净化系统，其特征在于，所述纳米TiO2的堆积密度为1mg/cm2，光照面积为9.1cm2。
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