CN105435627A - 光催化过滤器及其制造方法和再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光催化过滤器及其制造方法和再生方法，其中公开的设备、系统及技术包括光催化过滤器设备，并且可以被用于提供一种用于制造具有改善粘性的光催化过滤器的方法。此外，本发明的公开内容包括用于提供一种用于再生光催化过滤器的方法的技术。利用所公开的技术，即使光催化过滤器受到污染，受污染的光催化过滤器可以容易地再生，同时保持改善的粘性。

Description

光催化过滤器及其制造方法和再生方法

技术领域

本发明涉及光催化过滤器设备以及用于制造和再生光催化过滤器的技术。

背景技术

在本说明书中，术语“光催化反应”是指使用诸如氧化钛(TiO₂)或类似物的光催化材料的反应。已知的光催化反应包括水的光催化降解、银和铂的电沉积、有机材料的降解等。此外还有尝试将这种光催化反应用于新的有机合成反应、超纯水的生产等。

存在于空气中的有毒气体或具有刺激性气味的物质(诸如氨、醋酸以及乙醛)通过上述光催化反应被降解，并且在具有光源(例如紫外光源)和涂覆有光催化材料的过滤器的情况下，基于这种光催化反应的空气净化设备可以半永久性地使用。当光催化过滤器的光催化效率降低时，过滤器可以被再生以恢复其光催化效率，然后能够重新进行使用。因此，光催化过滤器可被称作是半永久性的。

具体地，在将紫外LED灯用作紫外光源时，其相比于普通水银灯或类似物的优势在于它具有环境友好性，因为它不需要有毒的气体，在能耗方面具有高的效率，且因为其尺寸小从而允许有各种各样的设计。

然而，不同于在空气通过时以物理的方式收集大灰尘颗粒的普通过滤器(诸如预滤器或HEPA过滤器)，光催化过滤器被构造成使得在空气通过过滤器的过程中被吸附于过滤器表面上的有毒气体被通过光催化反应产生的基团(诸如OH^-)降解。因此，在空气通过光催化过滤器的过程中被降解的空气中的有毒气体不会彻底被降解，只是其中一部分被降解。换言之，在空气多次通过光催化过滤器时，空气中被降解的有毒气体的数量逐渐增加。

因此，光催化过滤器的光催化效率与其空气清洗能力直接相关。换言之，使用光催化效率高的空气过滤器的空间中的有毒气体会比使用尺寸和结构相同、但光催化效率较低的空气过滤器的空间中的有毒气体更快地被降解。

然而，如果光催化过滤器中的光催化材料被污染，其光催化效率将降低，因此过滤器不能执行其功能。如果这样的话，光催化过滤器通常会被更换。已开展一些有关光催化过滤器是否能被清洗的研究，但是研究结果大部分表明，光催化过滤器的清洗是并不理想的，因为这种清洗工艺复杂，且光催化过滤器不易被清洗。

发明内容

各种实施例旨在解决上述问题并且提供一种可轻易再生的光催化过滤器、制造该过滤器的方法及其再生方法。

在一个实施例中，一种用于制造光催化过滤器的方法包括：使光催化材料分散；用经分散的光催化材料涂覆支撑体；干燥经涂覆的支撑体；以及烧结经干燥的支撑体。

光催化材料可以是TiO₂。

支撑体可以包括多孔陶瓷材料。

烧结可以在400-500℃的温度下进行1-3小时，优选2-3小时。

在另一实施例中，光催化过滤器包括多孔陶瓷支撑体；以及涂覆在支撑体上的经分散的TiO₂纳米颗粒。

其中，所述光催化过滤器包括：多个邻近的平行腔，形成了面向所述用于光催化激活的紫外线发光二极管方向上的空气流动通路。

经分散的TiO₂纳米颗粒可以在400～500℃的温度下进行1～3小时的烧结。

在又一实施例中，用于再生包括涂覆在支撑体上的经分散的TiO₂纳米颗粒的光催化过滤器的方法包括：用沸水处理受污染的光催化过滤器；或者对受污染的光催化过滤器进行微波处理；或者用沸水处理受污染的光催化过滤器，并对经处理的光催化过滤器进行微波处理。

支撑体可以包括多孔陶瓷材料，并且可以在400－500℃的温度下烧结1-3小时。

附图说明

图1是光催化过滤器80和紫外线(UV)发光二极管衬底55的排列的透视图；

图2是光催化过滤器80的顶视图；

图3是表示两个具有不同高度(h)的光催化过滤器的乙醛清除速度的图；

图4是表示两个具有不同高度(h)的光催化过滤器的乙酸清除速度的图；

图5为示出通过浸没在沸水中而被再生的普通光催化过滤器和本发明的光催化过滤器的状态的照片；

图6和7为示出在添加有各种过滤器的情况下经煮沸的水的透明度的散点图；

图8为示出经沸水再生的过滤器的空气净化结果的曲线图；

图9为示出在过滤器受污染前后光催化过滤器的空气净化结果的曲线图；

图10为示出在过滤器受污染前后以及经沸水处理使过滤器再生之后，光催化过滤器的空气净化结果的曲线图；

图11为示出在过滤器受污染前后以及用沸水对过滤器进行处理并对经沸水处理过的过滤器进行微波处理使过滤器再生之后，光催化过滤器的空气净化结果的曲线图。

具体实施方式

本文献中公开的设备、系统及技术包括光催化过滤器设备，并且可以被用于提供一种用于制造具有改善粘性的光催化过滤器的方法。

此外，本文献的公开内容包括用于提供一种用于再生光催化过滤器的方法的技术。利用所公开的技术，即使光催化过滤器受到污染，受污染的光催化过滤器可以容易地再生，同时保持改善的粘性。

本文献中的设备、系统及技术通过下列描述及权利要求中的示例来公开。

在下文中，所公开的技术的实施方式将参考包括附图中示出的示例在内的实施例进行详细描述。

下列实施方式以举例的方式来提供以向本领域技术人员传递所要公开的技术。因此，本发明不限于此处公开的实施方式，可以以不同的形式实施。在附图中，出于便利及说明的目的，元件的宽度、长度、厚度等会被夸大。

光催化过滤器－设备

在下文中，提供一种光催化过滤器的示例。该光催化过滤器包括支撑体，以及涂覆在支撑体上的经分散的TiO₂纳米颗粒。

支撑体可以选自金属、活性炭和陶瓷。在一个实施方式中，多孔陶瓷蜂窝状支撑体可以被用作支撑体。在这种情况下，多孔陶瓷蜂窝状支撑体有助于TiO₂纳米颗粒在涂覆工艺过程中渗入陶瓷孔洞。另外，TiO₂纳米颗粒通过稍后将详细讨论的干燥工艺被锚固，因而加强TiO₂纳米颗粒对支撑体的粘附。

如果金属材料被用作支撑体，则TiO₂纳米颗粒不会像多孔陶瓷蜂窝状支撑体那样容易地粘附在光催化支撑体上。另外，尽管活性炭具有孔洞，但是活性炭会容易在烧结工艺过程中发生损坏。

正如稍后将详细讨论的那样，支撑体可以被涂覆经分散的TiO₂纳米颗粒，从而提供具有改善粘性的光催化过滤器。

图1是光催化过滤器80和紫外线(UV)发光二极管衬底55的排列的透视图，图2是光催化过滤器80的顶视图。

参考图1，用于杀菌的紫外线发光二极管被设置在紫外线发光二极管衬底55的中心部分上，且用于光催化激活的三个紫外线发光二极管57围绕紫外线发光二极管设置。特别地，用于光催化激活的紫外线发光二极管57将向着光催化过滤器80辐照紫外线光。

如图2所示，光催化过滤器80包括：催化剂部分81，其通过烧结覆盖在具有方格子图案的陶瓷多孔材料上的TiO₂(二氧化钛)得到；弹性缓冲器82，覆盖催化剂部分的侧面。

图3是表示两个具有不同高度(h)的光催化过滤器的乙醛清除速度的图，图4是表示两个具有不同高度(h)的光催化过滤器的乙酸清除速度的图。

实验的结果表明，在光催化过滤器具有图2所示的形状的情况下，光催化剂的表面面积，其由于光催化过滤器的腔(chamber)之间的框架的厚度(t)而增加，基本上不会影响光催化过滤器的除臭效率，但是光催化过滤器的高度影响内部空气流动通路的内壁面积，因此直接影响空气的接触面积。

因此，可以看到，当光催化过滤器的高度为5-10mm时，光催化过滤器的除臭效率为最高。另外，当高度减少到2mm以下时，光催化过滤器难以使用，因为其微弱的强度，而且当高度为15mm以上时，仅空气阻力增加，紫外线光不能到达光催化过滤器的背后部分或它的密度变得很稀薄，且因此仅增加了成本而不能增加除臭效率。

而且，可以看到，当每个腔83的宽度(g)为2mm时，空气阻力不会增加，且由过滤器本身的形状堵住了辐照到它的紫外线光造成的光催化过滤器的内壁的阴影面积比率不高，表示2mm的腔宽度是最适合于最大化光催化过滤器的内壁的紫外线光辐照面积比率的。同时，当腔宽度减小到1mm以下时，空气阻力增加，到达内壁的紫外线光量减少，表明除臭效率低。另外，腔宽度为4mm以上时，由于腔的密度低导致内壁的整体面积减少，表明除臭效率低。

关于与上述的每个腔的宽度(g)相关的腔密度，当腔的密度低于30腔/英寸²或更少时，腔宽度增加到4mm以上，内壁面积减少，表明除臭效率低。当腔的密度是260腔/英寸²以上时，腔宽度减少到1mm以下，空气阻力增加，且达到内壁的紫外线光亮减少，表明除臭效率低。当腔密度为大约100腔/英寸²时，空气阻力没有增加，且由过滤器本身的形状堵住了辐照到它的紫外线光造成的过滤器的内壁的阴影面积比率不高，表明除臭效率最高。

关于腔的框架厚度(t)的实验结果表明，当框架厚度为0.3mm以下时，TiO₂层变得太薄，且因此光催化效率减少，强度不够。当框架厚度为1.2mm以上时，材料消耗增加但是没有增加光催化效率。另外，当框架厚度为0.6mm时光催化效率最高。

光催化过滤器－制造工艺

下面将讨论光催化过滤器的制造方法的示例。

可以通过使二氧化钛(TiO₂)纳米颗粒分散、用经分散的TiO₂纳米颗粒涂覆支撑体、干燥经涂覆的支撑体、以及烧结经干燥的支撑体来提供光催化过滤器。

作为一个示例，利用可从EvonikDegussa购买的P25TiO₂纳米粉末来执行分散工艺。例如，P25TiO₂纳米粉末可以被添加到水中，其中所述水中可以溶解有浓度为0.1～10％的硅分散剂。在利用磨机使P25TiO₂纳米粉末分散之后，可以获得浓度为20～40％的固体TiO₂纳米溶液。可以使用包括一种或多种组分的分散剂。

在涂覆工艺过程中，如果选用多孔陶瓷蜂窝状支撑体，则用制备的TiO₂分散体液体浸涂该多孔陶瓷蜂窝状支撑体。在浸涂时，可以进行1～5分钟的悬挂以便TiO₂分散体液体被多孔陶瓷蜂窝状支撑体的孔洞充分吸收。

干燥工艺可以在将经涂覆的支撑体维持于预定温度的条件下执行预定时间。在一个实施方式中，如果选用多孔陶瓷蜂窝状支撑体，则经涂覆的多孔陶瓷蜂窝状支撑体可以在150～200℃的温度下在干燥单元中保持3～5分钟。

烧结工艺可以通过将经干燥的支撑体在预定温度保持预定时间来执行。在一个实施方式中，如果选用多孔陶瓷蜂窝状支撑体，则烧结工艺可以在400～500℃之间执行2～3小时。根据实验，如果烧结温度低于300℃，则涂覆的TiO₂光催化剂容易与支撑体分离。如果烧结温度高于500℃，则涂覆的TiO₂光催化剂的晶体结构改变，从而导致光催化剂的活性退化。因此，为了提供具有改善的粘性和光催化活性的光催化过滤器，烧结工艺可以在400～500℃之间进行。

可再生的光催化过滤器

图5示出了一项实验的结果，该实验用于检验TiO₂光催化过滤器中光催化材料与支撑体的粘附力。在该实验中，分别将经烧结和未经烧结的光催化过滤器浸渍在蒸馏水中，然后进行声波处理。

如图5中所示，不同于经烧结的光催化过滤器的情形，粘附于未经烧结的光催化过滤器上的TiO₂在声波处理下被洗脱到水中。

图6示出了在下列情形中在不同波长下测得的蒸馏水的透明度：只对蒸馏水进行声波处理；在蒸馏水中添加未涂覆TiO₂光催化材料的多孔陶瓷材料，然后对蒸馏水进行声波处理；在蒸馏水中添加涂覆有TiO₂光催化材料且经烧结的多孔陶瓷材料，然后对蒸馏水进行声波处理；以及在蒸馏水中添加涂覆有TiO₂光催化材料但未经烧结的多孔陶瓷材料，然后对蒸馏水进行声波处理。利用紫外线-Vis光谱技术(探测器：AnalytikJena)测量透明度。

如图6中所示，包含涂覆有TiO₂光催化材料且经烧结的多孔陶瓷材料的水的透明度与蒸馏水的透明度大致相似，这说明光催化材料对该多孔陶瓷材料具有良好的粘附性，因此几乎不会被洗脱。

这种结果表明，根据本发明的方法制造的光催化过滤器即使在受到声波处理的时候也保持将光催化材料粘附于其表面上。

图7示出了在下列各个情形中，作为声波处理时间的函数测得的水的透明度：只对蒸馏水进行声波处理；在蒸馏水中添加未涂覆TiO₂光催化材料的多孔陶瓷材料，然后对蒸馏水进行声波处理；以及在蒸馏水中添加涂覆有TiO₂光催化材料且经烧结的多孔陶瓷材料，然后对蒸馏水进行声波处理。

如图7中所示，在涂覆有TiO₂光催化材料且经烧结的多孔陶瓷材料被添加到蒸馏水中且经声波处理的情形中，蒸馏水的透明度表现出随着声波处理时间增大而减小的趋势，但是透明度上的这种减小不能在视觉上与单纯的蒸馏水区分开。

图8示出图7的样品中透明度存在最大差异的两种样品的乙醛去除活性的测量结果(参见图7中的箭头)，所述测量是在将这两种样品自然干燥以用作光催化过滤器之后进行的。如图8中所示，如图7中所示表现出不同透明度的这两个样品之间在光催化活性上存在微小差异或不存在差异。

图9至图11中示出了涂覆TiO₂纳米颗粒的光催化剂的再生特性。图9中(标为过滤器1和过滤器2)的两个照片显示了两组实验，其中利用紫外LED光源对受污染的涂覆TiO₂纳米颗粒的过滤器和新鲜未受污染的涂覆TiO₂纳米颗粒的过滤器照射3小时以便去除乙醛。在过滤器1和过滤器2的附图中，受污染的涂覆TiO₂纳米颗粒的过滤器受到包括甲醛、醋酸、NH₃、甲苯、CH₃-S-SCH₃和商业化的空气清新剂(芳香剂)在内的化学物质的污染。

如图9中所示，未受污染的过滤器正常降解乙醛(参见图9中标为新鲜TiO₂的曲线)。然而，当利用在上述乙醛去除实验中使用过后受污染的光催化过滤器进行实验时，可以看到乙醛的数量没有减小(参见图9中标为受污染的TiO₂的曲线)，这表明该过滤器的光催化活性很差。

图10示出经沸水处理之后受污染的涂覆TiO₂纳米颗粒的过滤器的再生，图11示出经沸水和微波暴露两重处理之后受污染的涂覆TiO₂纳米颗粒的过滤器的再生。受污染的涂覆TiO₂纳米颗粒的过滤器的再生特性与新鲜未受污染的涂覆TiO₂纳米颗粒的过滤器进行比较。

如图10中所示，当用沸水处理受污染的过滤器时，过滤器的功能明显得到恢复。如图11中所示，当先用沸水、然后用微波对受污染的过滤器进行处理时，过滤器被再生成表现出与其原始状态大致相似的性能。

如上所述，本发明提供一种包括牢固粘附于支撑体上的光催化材料的光催化过滤器。因此，光催化材料在再生过程中不会与光催化过滤器脱离，因此能够重复进行再生，这表明这种光催化过滤器可以半永久性地使用。

此外，根据本发明，该光催化过滤器可以无需使用麻烦的清洗工艺而以简单的方式得到再生。

尽管只是描述了一些实施例、实施方式和示例，但是基于本文献中描述和示出的内容可以实现其它实施例和实施方式、以及各种提高和改变。

Claims (19)

1.一种制造光催化过滤器的方法，包括如下步骤：

使光催化材料分散；

用经分散的光催化材料涂覆支撑体；

干燥经涂覆的支撑体；以及

烧结经干燥的支撑体。

2.如权利要求1所述的方法，其中，光催化材料包括TiO₂。

3.如权利要求1所述的方法，其中，支撑体包括多孔陶瓷。

4.如权利要求1所述的方法，其中，烧结在400-500℃的温度下进行1-3小时。

5.一种光催化过滤器，包括：

多孔陶瓷支撑体；以及

涂覆在多孔陶瓷支撑体上的经分散的TiO₂纳米颗粒。

6.如权利要求5所述的光催化过滤器，其中，涂覆在多孔陶瓷支撑体上的TiO₂纳米颗粒是在400－500℃的温度下烧结1-3小时的TiO₂纳米颗粒。

7.如权利要求5所述的光催化过滤器,其中，所述光催化过滤器包括：

多个邻近的平行腔，形成了面向所述用于光催化激活的紫外线发光二极管方向上的空气流动通路。

8.如权利要求7所述的光催化过滤器,其中，所述光催化过滤器的高度为2-15mm。

9.如权利要求8所述的光催化过滤器,其中，所述光催化过滤器的高度为5-10mm。

10.如权利要求7所述的光催化过滤器,其中，所述腔之间的框架的厚度为0.3-1.2mm。

11.如权利要求10所述的光催化过滤器,其中，所述腔之间的框架的厚度为0.5-0.7mm。

12.如权利要求7所述的光催化过滤器,其中，每个腔的宽度为1-4mm。

13.如权利要求12所述的光催化过滤器,其中，每个腔的宽度为1.8-2.2mm。

14.如权利要求7所述的光催化过滤器,其中，所述腔的密度为30-260腔/英寸²。

15.如权利要求14所述的光催化过滤器,其中，所述腔的密度为80-120腔/英寸²。

16.一种用于再生光催化过滤器的方法，包括如下步骤：

用沸水处理受污染的光催化过滤器，

其中，该光催化过滤器包括涂覆有经分散的TiO₂纳米颗粒的支撑体。

17.一种用于再生光催化过滤器的方法，包括如下步骤：

对受污染的光催化过滤器进行微波处理，

其中，该光催化过滤器包括涂覆有经分散的TiO₂纳米颗粒的支撑体。

18.一种用于再生光催化过滤器的方法，包括如下步骤：

用沸水处理受污染的光催化过滤器，并对经沸水处理的光催化过滤器进行微波处理，

其中，该光催化过滤器包括涂覆有经分散的TiO₂纳米颗粒的支撑体。

19.如权利要求16、17或18所述的方法，其中，支撑体包括多孔陶瓷，并且涂覆在支撑体上的TiO₂纳米颗粒是在400－500℃的温度下烧结1-3小时的TiO₂纳米颗粒。