CN105983335A - 用于降解混合气体的光催化过滤器及其制造方法 - Google Patents

用于降解混合气体的光催化过滤器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于降解混合气体的光催化过滤器及其制造方法，尤其涉及一种其表面具有加强的吸收性能以便包含在竞争反应中较迟反应的气体的混合气体能够从光催化反应的初始阶段被降解的光催化过滤器及其制造方法。该方法包括如下步骤：将作为光催化剂的二氧化钛(TiO2)纳米粉末和一种或多种金属复合物分散在水中以制备光催化分散体；用该光催化分散体涂覆支撑体；干燥对经涂覆的支撑体；以及烧结经干燥的支撑体。该光催化过滤器包括支撑体、以及涂覆在支撑体上的光催化剂和一种或多种金属复合物。

Description

用于降解混合气体的光催化过滤器及其制造方法
技术领域
本发明涉及光催化过滤器及其制造方法，更具体地涉及一种其表面具有加强的吸收性能以便包含在竞争反应中较迟反应的气体的混合气体能够从光催化反应的初始阶段被降解的光催化过滤器，以及其制造方法。
背景技术
在本文中，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绿色环保性，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，空气中的有毒气体会在空气多次通过光催化过滤器时被降解。
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。
与此同时，已知当空气中含有多种不同的有毒气体时，这些有毒气体按照其吸附于光催化过滤器表面上的顺序被降解。因此，在这些有毒气体中，以较高速率吸附到光催化表面中的气体更快地被降解，以较低速率吸附到光催化表面中的气体要在以较高速率被吸附的气体发生一些降解之后在光催化表面上发生吸附和降解。
由韩国空气净化协会提供的除臭性能测试法是一种评价乙醛、氨和醋酸三种气体的混合物的去除率的方法。按照这种测试方法进行实验得到的结果表明，市场有售的TiO2光催化剂对这些气体中的乙醛表现出低的去除率。这是因为在竞争反应中乙醛比其它气体晚发生反应。换言之，普通的光催化过滤器被构造成先降解在竞争反应中先反应的有毒气体，再降解稍后反应的有毒气体。
从空气过滤器的角度来看，普通光催化过滤器的这种习性是并不理想的。对于利用光催化反应的空气过滤器而言，降解有毒气体的性能是重要的，且针对所有类型的有毒气体的降解性能都应当是优良的，所有类型的有毒气体都需要从光催化反应的初始阶段就被降解。
发明内容
各种实施例旨在解决上述问题并且提供一种即使在混合气体通过时也对各种气体均表现出高去除率的光催化过滤器，以及提供一种用于制造该光催化过滤器的方法，其中所述过滤器的光催化剂对于基底或衬底具有高的粘附力。
在一个实施例中，一种用于制造光催化过滤器的方法包括：将作为光催化剂的二氧化钛(TiO2)纳米粉末和一种或多种金属复合物分散在水中以制备光催化分散体(dispersion)；用该光催化分散体涂覆支撑体；对经涂覆的支撑体进行干燥处理；以及对经干燥的支撑体进行烧结处理。
在另一实施例中，光催化过滤器包括：支撑体；以及涂覆在支撑体上的光催化材料和金属复合物。
附图说明
图1示出了作为时间的函数，普通光催化过滤器和本发明的光催化过滤器对空气中有毒气体(氨、乙醛和醋酸)的去除率；
图2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3是光催化过滤器80的顶视图；
图4为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5为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。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述示例性实施例。然而，本发明可以具有不同的实现形式，不应被解释成局限于文中提出的实施例。相反地，提供这些实施例是为了使本说明书彻底完整，以及向本领域技术人员充分传达本发明的精神。
本文献中公开的技术可被用于提供一种光催化过滤器，其中通过将金属引入过滤器中的二氧化钛光催化剂使其对于乙醛、氨和醋酸气体混合物具有改善的吸收性。一种用于制造对于乙醛、氨和醋酸气体混合物具有改善的吸收性的光催化过滤器的示例性方法包括如下步骤：通过将二氧化钛纳米粉末和一种或多种金属复合物分散在水中来提供光催化分散体液体，用该光催化分散体液体涂覆光催化支撑体，干燥经涂覆的光催化支撑体，以及烧结经干燥的光催化支撑体。
基于所公开技术的光催化过滤器包括光催化支撑体和形成在光催化支撑体上的光催化材料。暴露在紫外光下，光催化材料受到光学激发，从而引起与(例如通过物理吸附)粘附在涂覆于光催化支撑体上的光催化材料上的一种或多种目标污染物的催化反应，因此从气体介质中去除这些污染物。目标污染物可以是微生物或其它生物材料，或者一种或多种化学物质。可以包括紫外光源(诸如紫外LED)来将紫外光引导至光催化支撑体上所形成的光催化材料上。这种光催化过滤器可以被用作空气过滤器或用于其它过滤器应用场合。光催化材料可以包括例如二氧化钛纳米粉末和一种或多种金属复合物。
根据本发明实施例的光催化过滤器包括添加到普通光催化TiO2材料上的钨(W)和铁(Fe)金属复合物，且因此对混合气体表现出高去除率。换言之，根据本发明，TiO2光催化剂表面的酸性可以通过向TiO2光催化剂添加金属复合物得到调节，因此，TiO2光催化剂吸收气体复合物的能力可以得到提高，从而提高TiO2光催化剂对有毒气体的去除能力。
用于制造光催化过滤器的方法
根据本发明的用于制造光催化过滤器的方法如下。该方法可以包括以下步骤：将光催化TiO2纳米粉末、钨(W)复合物和铁(Fe)复合物分散于水中以制备光催化分散体；用光催化分散体涂覆多孔陶瓷蜂窝状支撑体；对经涂覆的支撑体进行干燥；以及对经干燥的支撑体进行烧结。
市场有售的Evonik P25粉末可用作TiO2纳米粉末。
本发明采用的W复合物可以是H2WO4、WO3、WCl6、CaWO4或类似物，本发明采用的Fe复合物可以是FeCl2、FeCl3、Fe2O3、Fe(NO3)3或类似物。在本发明的示例性实施例中，W复合物采用H2WO4，Fe复合物采用Fe2O3。
在这些W复合物中选用H2WO4(氧化钨水合物)的原因是为了在光催化纳米粉末中引入WO3。换言之，H2WO4被用作用于引入WO3的前驱物。
用于在光催化纳米粉末中引入Fe的复合物包括FeCl3、Fe2O3、Fe(NO3)3等。在这些复合物中，FeCl3和Fe(NO3)3在与H2WO4混合的过程中引发问题，或者不会表现出光催化活性上的提高。然而，这些实验结果表明，Fe2O3能显现出与H2WO4的协同效应。因此，优选以Fe2O3作为Fe复合物。
以TiO2的总摩尔数为基准，H2WO4可按照0.0032-0.064摩尔％的量来使用，Fe2O3可按照0.005-0.05摩尔％的量来使用。优选地，以TiO2的总摩尔数为基准，H2WO4可按照0.016-0.048摩尔％的量来使用，Fe2O3可按照0.005-0.025摩尔％的量来使用。
金属材料、活性炭、陶瓷材料或类似物均可被用作光催化纳米粉末的支撑体。在本发明的示例性实施例中，多孔陶瓷蜂窝状材料被用作支撑体以提高光催化复合物的粘附力。当多孔陶瓷蜂窝材料被用作支撑体时，光催化纳米粉末的分散体在涂覆步骤中渗入陶瓷材料的孔洞中，这些光催化纳米颗粒在干燥步骤之后被锚固在孔洞中，从而提高光催化纳米颗粒与陶瓷材料的粘附力。如果金属材料被用作支撑体，则相比于将光催化纳米颗粒粘附到陶瓷材料上，将光催化纳米颗粒粘附到金属材料上会更难些。此外，尽管活性炭具有孔洞，但是在某些情况下，它在烧结过程中会裂开，因此将其用作支撑体是并不理想的。
在制备光催化分散体的工艺中，利用基于硅酮的分散剂来使EvonikP25TiO2粉末、W复合物和Fe复合物分散。以P25TiO2粉末、W复合物和Fe复合物的总重量为基准，基于硅酮的分散剂按照0.1-10wt％的量来使用。更确切地说，0.1-10wt％的基于硅酮的分散剂被溶解在水中，然后利用磨机将P25TiO2粉末、W复合物和Fe复合物添加到溶液中并分散，从而获得固体含量占分散体重量的20-40wt％的TiO2分散体。在此，可以使用一种或多种分散剂。
在涂覆步骤中，用上述制备的光催化分散体浸涂多孔陶瓷支撑体。在浸涂过程中，使涂覆光催化分散体的支撑体站立1-5分钟，以便光催化分散体能够被充分吸收到陶瓷材料的孔洞中。
在干燥步骤中，在150-200℃下的干燥器中，将涂覆有光催化剂的陶瓷支撑体保持3-5分钟以便将水分去除。
在烧结步骤中，经干燥步骤获得的涂覆有光催化剂的陶瓷蜂窝支撑体在400-500℃下的电炉中烧结2-3小时。实验结果表明，当烧结温度低于300℃时，涂覆的光催化剂会脱离支撑体，当烧结温度在400℃－500℃之间时，光催化剂对支撑体具有高的粘附力。从实验结果可以看到，光催化剂的粘附力在很大程度上受到烧结温度的影响。
混合气体去除实验
分别利用只涂覆TiO2的普通光催化过滤器和根据本发明的光催化过滤器，在1m3的空腔内进行混合气体去除实验。混合气体中各种气体的浓度为10ppm。普通光催化过滤器和本发明的光催化过滤器在支撑体上分别装载有2.5g的光催化剂，并且利用相同的紫外光源来进行紫外光照射。
根据本发明的光催化过滤器中各组分之间的摩尔比如下：TiO2/H2WO4/Fe2O3＝1.0/0.032/0.01；TiO2/H2WO4/Fe2O3＝1.0/0.032/0.015；以及TiO2/H2WO4/Fe2O3＝1.0/0.032/0.02。
测试只涂覆TiO2的普通光催化过滤器和根据本发明的光催化过滤器的去除混合气体的能力。实验结果在下面的表格1和2中示出。如表格中所示，在利用只涂覆TiO2的普通光催化过滤器进行的混合气体的去除实验中，实验开始后30分钟乙醛仍未被除去，并且是在其它气体已被除去一些之后才开始被去除。然而，在利用本发明的光催化过滤器进行的除臭实验中，乙醛从实验的初始阶段就被去除，并且本发明的光催化过滤器对氨的去除率也高于利用普通光催化过滤器显示的结果，这意味着本发明的光催化过滤器在去除所有气体的能力方面有所改善。
表格1：反应开始后30分钟时的去除率
表格2：反应开始后120分钟时的去除率
总去除量(％)＝{(CH3CHO去除率)×2+NH3去除率+CH3COOH去除率}/4。
[摩尔比]
TiO2/H2WO4/Fe2O3＝100/10/2重量比(TiO2/H2WO4/Fe2O3＝1.0/0.032/0.010摩尔比)；
TiO2/H2WO4/Fe2O3＝100/10/3重量比(TiO2/H2WO4/Fe2O3＝1.0/0.032/0.015摩尔比)；
TiO2/H2WO4/Fe2O3＝100/10/4重量比(TiO2/H2WO4/Fe2O3＝1.0/0.032/0.020摩尔比)。
此外，从上述实验结果中可以看到，对包括三种不同气体(乙醛、氨和醋酸)的混合气体中的各种气体均表现出高去除率且表现出光催化剂与支撑体的高粘附力的光催化过滤器优选为具有TiO2/H2WO4/Fe2O3＝1.0/0.032/0.015的摩尔比且通过在400℃－500℃之间的温度下烧结而制造的光催化过滤器。
图1和下面的表格3示出了普通P25光催化过滤器与具有TiO2/H2WO4/Fe2O3＝1.0/0.032/0.015的摩尔比的本发明的光催化过滤器之间除臭性能的比较结果。
表格3
如上表3和图1中所示，具有TiO2/H2WO4/Fe2O3＝1.0/0.032/0.015的摩尔比的本发明的光催化过滤器具有明显优于普通P25光催化过滤器的除臭性能。
如上所述，本发明的光催化过滤器对包括三种不同气体(乙醛、氨和醋酸)的混合气体中的各种气体均表现出高的去除率。除了这些气体及其组合之外，即使是其他气体，如果这些气体也被很好地吸收到光催化过滤器表面上，则本发明的光催化过滤器也对那些其它气体及其组合物有效。
如上所述，根据本发明的光催化过滤器对混合气体中各种气体均表现出高的去除率。
此外，根据用于制造根据本发明的光催化过滤器的方法，光催化剂对支撑体具有高的粘附力。
图2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3是光催化过滤器80的顶视图。
参考图2，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3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)、W和Fe得到；弹性缓冲器82，覆盖催化剂部分的侧面。
图4为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5为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3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，内壁面积减小，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。
尽管前面已经描述了各种实施例，但是本领域技术人员能够理解所描述的这些实施例仅仅是示例性实施例。因此，在此描述的公开内容不应局限于所描述的实施例。

Claims (24)

1.一种制造光催化过滤器的方法，包括如下步骤：
通过将二氧化钛纳米粉末和金属复合物分散在水中来提供光催化分散体；
用光催化分散体涂覆支撑体；
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，金属复合物包括钨复合物，该钨复合物包括H2WO4、WO3、WCl6或CaWO4。
3.如权利要求1所述的方法，其中，金属复合物包括铁复合物，该铁复合物包括FeCl2、FeCl3、Fe2O3或Fe(NO3)3。
4.如权利要求2所述的方法，其中，金属复合物包括铁复合物，该铁复合物包括FeCl2、FeCl3、Fe2O3或Fe(NO3)3。
5.如权利要求1所述的方法，其中，金属复合物包括作为钨复合物的H2WO4和作为铁复合物的Fe2O3。
6.如权利要求2或5所述的方法，其中，钨复合物按照每摩尔二氧化钛中使用0.0032-0.064摩尔的摩尔比来取用。
7.如权利要求3、4或5所述的方法，其中，铁复合物按照每摩尔二氧化钛中使用0.005-0.05摩尔的摩尔比来取用。
8.如权利要求1所述的方法，其中，支撑体包括多孔陶瓷。
9.如权利要求1所述的方法，其中，涂覆支撑体包括浸涂支撑体。
10.如权利要求1所述的方法，其中，经干燥的支撑体的烧结在400℃－500℃的温度下持续2-3小时。
11.一种光催化过滤器，包括：
支撑体；以及
涂覆在支撑体上的光催化材料及金属复合物。
12.如权利要求11所述的过滤器，其中，金属复合物包括作为钨复合物的H2WO4和作为铁复合物的Fe2O3。
13.如权利要求11所述的过滤器，其中，光催化材料包括二氧化钛，金属复合物包括摩尔比为每摩尔二氧化钛中使用0.0032-0.064摩尔的钨复合物。
14.如权利要求11所述的过滤器，其中，光催化材料包括二氧化钛，金属复合物包括摩尔比为每摩尔二氧化钛中使用0.005-0.05摩尔的铁复合物。
15.如权利要求11所述的过滤器，其中，支撑体包括多孔陶瓷。
16.如权利要求11所述的过滤器,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。
17.如权利要求16所述的过滤器,其中，所述光催化过滤器的高度为2-15mm。
18.如权利要求17所述的过滤器,其中，所述光催化过滤器的高度为5-10mm。
19.如权利要求16所述的过滤器,其中，所述腔之间的框架的厚度为0.3-1.2mm。
20.如权利要求19所述的过滤器,其中，所述腔之间的框架的厚度为0.5-0.7mm。
21.如权利要求16所述的过滤器,其中，每个腔的宽度为1-4mm。
22.如权利要求21所述的过滤器,其中，每个腔的宽度为1.8-2.2mm。
23.如权利要求16所述的过滤器,其中，所述腔的密度为30-260腔/英寸2。
24.如权利要求23所述的过滤器,其中，所述腔的密度为80-120腔/英寸2。
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