CN106152279A - 一种具有散射面的高效光生负离子净化模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有散射面的高效光生负离子净化模块，包括两侧开有进风口及出风口的壳体，壳体内设有光触媒模块、紫外灯组件及光散射组件，光触媒模块另一侧设有风机；紫外灯组件置于光散射组件与光触媒模块之间；光散射组件呈曲面且具有粗糙散射面，散射面的粗糙度为40‑0.03μm，散射面曲率为0‑1.0cm^‑1；光触媒模块包括支架及置于支架内的翅片，所述翅片在支架上呈阵列，相邻所述翅片间设有由翅片间隔形成的导流狭缝，翅片包括铝基材片状体及涂覆于铝基材片状体上的涂层，涂层内含有重量百分比为5‑95%二氧化钛。本发明特点是空间利用率高、对空气阻力小、紫外光照射及散射效果好、产生光生负离子的浓度可高达500万个/cm³，对甲醛分子的分解速度为10¹⁷‑10²³/h.m³。

Description

一种具有散射面的高效光生负离子净化模块

技术领域

本发明涉及一种净化模块，尤其涉及一种具有散射面的可高效产生光生负离子的净化模块。

背景技术

二氧化钛光触媒是一种无毒无害、具有重要应用价值的光催化剂。在紫外光的照射下，二氧化钛可产生光生电子和光生空穴，光生电子还原性强，与空气中的氧气分子结合，可形成光生负离子，此类负离子对人体健康和净化空气都有益处。光生空穴具有已知物质中排名第二的氧化性，能够通过光化学反应把空气中的挥发性有机化合物(VOCs)氧化为水和二氧化碳，因此二氧化钛光触媒技术被认为是净化空气中有机污染物最有效、最经济的方法之一。

但尽管二氧化钛光触媒材料的发现已有近50年历史，但其在空气净化方面的实用性发展并无重大突破。在近年出现的光触媒模块中，一般把二氧化钛涂在蜂窝陶瓷或过滤网中，该方法的容易导致以下缺点：（1）紫外光无法照射到位于蜂窝陶瓷或过滤网内部的光触媒；（2）过滤网风阻较大，影响空气的流通，需要用较大功率的风机和较高的能耗。

现有技术中并没有关于上述模块中光生负离子数据的报道。光生负离子是一个非常重要和直观的参数，能够直接反映光触媒模块产生光生电子和光生空穴的多少。而且光生负离子数目可用空气离子计数器很方便地探测记录，通过数据可快速简便地评价二氧化钛模块是否能有效地工作以及其光催化能力的高低。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种具有散射面的高效光生负离子净化模块。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种具有散射面的高效光生负离子净化模块，包括壳体，壳体两侧表面开设有进风口及出风口，所述壳体内设置有光触媒模块、设置于光触媒模块一侧的紫外灯组件及光散射组件，所述光触媒模块的另一侧设置有一风机；所述紫外灯组件置于光散射组件与所述光触媒模块之间；所述空气通过壳体的进风口进入依次经过风机、光触摸模块、紫外灯组件及光散射组件，通过壳体的出风口吹出；

所述光散射组件呈曲面设置，且所述光散射组件具有粗糙散射面，所述散射面的粗糙度为40-0.03μm，所述散射面的曲率为0-1.0cm^-1；所述散射面是针对紫外光为高能量光子、能与固体表面电子碰撞发生散射的性质而设计安装。

所述光触媒模块包括一支架及置于支架内的翅片，所述翅片在支架上呈阵列设置，相邻所述翅片之间设置有由翅片间隔形成的导流狭缝，所述翅片为片状，所述翅片包括一铝基材片状体及涂覆于铝基材片状体上的涂层，所述涂层内含有重量百分比为5-95%的二氧化钛。使用时，按照风机、光触媒模块、紫外灯组件的顺序安装上述部件，使得风机将环境空气驱动进入光触媒模块的翅片列阵时，空气通过相邻翅片间的导流狭缝，能够与翅片上的光触媒充分接触。

本发明中翅片主要采用铝制基材，如铝箔或铝片等。选用金属导体铝作为基底涂布半导体光触媒，能够在光触媒产生光生电子和光生空穴时，因铝的导电性而把光触媒表面的光生电荷及时分散开，避免局部的电荷积累而影响光生电子和光生空穴的持续产生。

优选地，所述光散射组件上还设置有加热模块。一般，散射面的温度越高，其对紫外光子的散射效果越好。所以在散射面背部加装电热元件，对散射面进行适度加热,使其温度在35-100^oC,这样可极大地提高散射面对紫外光子的散射效果，增加光生负离子的浓度。

随着金属铝散射面温度的升高，铝表面电子的温度也升高，其热运动加剧，电子所拥有的能量也越高，因此对入射紫外光子的散射作用也就越强。

虽然本发明中也可把散射面加热到200 ^oC或更高, 但从安全节能的角度考虑，35-100 ^oC的散射面温度更方便使用于各种应用场合。

优选地，所述光散射组件与接地线连接，且所述接地线上设置有用于控制光散射组件是否接地的开关。

优选地，由于金属铝的电子层结构简单，其中的电子容易与紫外光子碰撞，散射效果好，故所述光散射组件材质为铝，当然也可选用电子结构比较简单的石墨导体。

优选地，所述紫外灯组件由设置于光触媒模块一侧的上、中、下三组紫外灯管交替接地照射组成。采用多组紫外灯交替照射光触媒模块的方式，避免了同一面积的光触媒被过久照射，形成的光生电荷不能及时传导到其它区域而造成表面电荷积累过多，光催化性能下降的问题。在交替照射的模式中，一个紫外灯管开启一定时间后就关闭，被该紫外灯照射过的光触媒由激发状态向非激发状态转变，其表面电荷有机会传导开来，使光触媒恢复到最初的电子能带结构，这即是光生电子和空穴的弛豫过程。当该紫外灯重新开启时，被照射的光触媒又可产生重新被激发，产生较多的光生电子和光生空穴。针对一个翅片列阵，多个紫外灯管可如此循环往复，交替开启与关闭，使整个光触媒模块处于最佳光催化状态。在本发明中，紫外灯轮替照射方式产生的光生负离子浓度能稳定在100万个/cm³以上。

优选地，所述加热模块为电热丝、电热陶瓷片或电热膜。

优选地，所述紫外灯组件与所述导流狭缝轴线垂直，以有利于紫外光能照射进入翅片导流间隙纵深内部的光触媒上，实现照射面积的最大化。

本发明的有益效果：1、此模块的特点是空间利用率高、对空气阻力小、紫外光照射效果好、产生光生负离子能力强。

2、本发明中产生的光生负离子是光触媒中的光生电子与空气中氧分子结合生成。由于二氧化钛半导体光触媒的禁带宽度非常大(3.2 eV),光生电子的还原性极强，所产生的负离子具有生物活性，能够有效中和人体中的氧化剂，起到医疗保健的作用。

3、模块中的紫外灯开启后，光生负离子的浓度在数秒内可直接测出，一般为1000–3000 个/cm³。

4、本发明的紫外光子散射技术中，具有较高的粗糙度和不规则性的散射面，且能被加热到较高温度。因此散射面能产生很强的二次紫外辐射，极大地提高了紫外线对半导体光触媒的照射强度，由此产生的光生负离子的浓度最高可达500万个/cm³。

5、本发明同时利用翅片列阵产生的高浓度强氧化性光生空穴的能力，对甲醛等VOCs进行光催化降解处理。

6、本发明净化模块利用简洁直观的设计构思和模块化结构实现了重大的应用功能，且制造成本低廉、使用维护方便，这些因素也构成了本发明光触媒模块巨大的产业化优势和市场竞争力。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的光触媒模块与紫外灯管及散射面直接的关系示意图。

具体实施方式

本发明具体揭示了一种具有散射面的高效光生负离子净化模块,将涂有半导体光触媒的翅片组合于支架上形成列阵式结构，通过优化翅片的数目和间距，可以在有限体积的列阵中光触媒翅片的面积最大化，保证了紫外光能够充分照射到翅片上的光触媒；同时，翅片列阵对风机产生气流的阻力较小，基于此特点，翅片列阵可配备风量大、能耗低、噪音低的风机。

本发明中散射是固体表面的电子与入射紫外光子发生碰撞，从而产生二次紫外辐射的过程。所以散射面的表面粗糙度对散射效果起着关键作用。散射面的粗糙度和不规则性越高，则参与散射的有效面积和电子数目越多，对紫外线的散射效果越好。

由于光触媒翅片列阵发射出光生电子，光生电子能迅速与空气中的氧气分子结合形成空气负离子而离开翅片表面。氧化性很强的光生空穴则一般位于光触媒翅片表面，若无还原性气体通过，则不易被消耗掉。这些累积的空穴导致翅片列阵带有局部正电场，能使位于其附近的金属散射面感应也带上正电荷，因此本发明中测到散射表面有高达0.005-0.2V的对地正电位。这些正电荷若不及时消除，将会阻碍光生电子和空穴的持续产生。因此若要获得高浓度的光生负离子，通过对散射面进行接地，接地线将正电荷转移走，有利于光生负离子的持续产生。

另一方面，若要利用翅片列阵对空气中的甲醛等还原性VOCs进行氧化分解，则需断开散射面接地线，使其悬空，避免光生正电荷随接地线流失，以保证有足够的光生正电荷与VOCs进行反应。因此本发明中设置散射面接地线的开关，可视具体应用需要而接通或断开接地线，以发挥模块的负离子发生功能或VOCs 净化功能。

当光触媒模块用于甲醛等VOCs的分解时，光生电子被空气中的氧分子捕获而离开翅片表面，光生空穴有两种存在状态：一是存在于翅片表面，与吸附在表面的甲醛分子直接反应，将其氧化为水和二氧化碳；二是先与空气中的水分子反应，将其羟基负离子（OH^-）氧化为羟基自由基（OH·），羟基自由基存在于翅片附近的空气中，可氧化未被吸附的甲醛分子，这相当于把空穴的氧化能力从翅片固体表面扩展到了空气中。因此空穴的两种存在状态对分解甲醛都很重要，两种状态的共存对光触媒翅片的结构和排列有苛刻要求。本发明的翅片列阵结构通过优化翅片导流间隙的间距，能保证较大的通风量和较低的风阻，使空气中氧气能及时带走光生电子，空气中水分子能及时和空穴结合，形成羟基自由基，扩展光生空穴的对甲醛的氧化范围。本发明模块经测试， 其对甲醛分子的分解速度在10¹⁷- 10²³个/h.m³。

以下结合附图1、图2具体阐述下本发明的结构及应用。

实施例一：

采用长为30cm、宽为5.0cm、厚度为0.2mm的铝片作为涂布光触媒的翅片，涂覆厚度约为100µm的光触媒涂层，其中光触媒的重量百分比为85%。采用有机玻璃PMMA制作翅片支架，利用激光切割技术切出宽度为0.5mm的细缝，细缝的间距为0.5cm。分别在翅片支架上下部的PMMA板上切出位置相互对应的细缝，这样涂有光触媒的翅片可从上到下垂直插入细缝中而得到固定。通过以上步骤实现光触媒模块2的制备。

在高为30cm、宽为17cm、厚为 5.0cm翅片支架中，装有31张光触媒翅片，翅片间距为0.5cm,翅片光触媒与空气的总接触面积为9300cm²。在此翅片列阵正前方0.5cm处水平安装一个功率为7W的UV-B紫外灯管3，灯管直径约为2.0cm。使灯管与导流间隙保持垂直，观察到紫外光能完全照射到间距为0.5cm的导流间隙内部光触媒表面。所述紫外灯管3与光触媒模块之间的距离D2可以根据需要进行调整。

以上光触媒模块2、紫外灯管3均置于壳体1内，所述壳体1的两侧面分别开设有进风口11和出风口12。为加强空气流通，所述光触媒模块2的另一侧还设置有一风机5。

在室温为28^oC，相对湿度为65%的条件下，在净化模块出风口12正前方1.0m出放置一个AIC空气离子计数器(美国AlphaLab Inc.制造)，并测得该处由出风口12吹来的空气风速为1.0 m/s。本发明中当初始风速为1.5m/s的空气流经该翅片列阵后，其流速下降率仅为1.0–10%。

在开启紫外灯前，由AIC空气离子计数器测得的背景负离子浓度为100 –400个/cm³。开启紫外灯后，紫外光照射到光触媒上，激发光生电子，光生电子与空气中氧气分子结合产生光生负离子，测得负离子浓度增加到了1000–3000个/cm³。

采用相同方法测试空气中正离子浓度，发现正离子浓度在开启紫外灯前后始终维持90–350个/cm³的背景浓度，并不随着紫外灯的开启而变化。

本发明在开启紫外灯时可在数秒内产生光生负离子，光生负离子的浓度可直接用空气离子计数器在1.0m远处测定记录。光生负离子是光触媒模块是否有效工作的直接证据，目前国际上还无类似的技术和报道。

实施例二：

在实施例一的基础上，采用铝纯度大于95%，表面粗糙度为40-0.03µm的铝箔或铝片作为光散射组件4。所述光散射组件4的散射面的曲率为0 -1.0cm^-1。对应于30cm×17cm×5cm的翅片列阵，散射面的轴心和紫外灯管的轴心在同一水平面上，两者平行且间距D1为0–15cm。该散射面对紫外光子的散射是面向各个方向的，为了将被散射的紫外线集聚到光触媒翅片上，散射面本身具有一定的尺寸和曲率，其和紫外灯管的相对位置也需优化，一般情况下两者是相互平行的，且保持着一定的间距。

具体制作时，使用符合以上要求的铝片作为紫外线散射面，先用一定型号的静电植砂砂带将铝表面打磨到一定粗糙度和不规则度，通过优化打磨的压力、打磨方向和时间，得到具有所需粗糙度和不规则度的散射面。

将上述铝片散射面按一定的曲率半径压制成曲率为0 -1.0cm^-1的曲面，制作一个长度为25cm、宽度为6.0cm、厚度为0.3mm、曲率为0.01cm^-1、粗糙度为20µm的散射面，将其安装在功率为7W的紫外灯管的后面，散射面和灯管的中轴线在同一水面，且两者相距3.0 cm。紫外灯管的直径约为2.0cm。

并在散射面上焊接接地线，同时安装开关，实现散射面接地与悬空状态的切换。为了对散射面进行加热，在散射面背面安装电热陶瓷片。

在室温为28^oC，相对湿度为65%的条件下，在模块出风口正前方1.0m出放置AIC空气离子计数器，同时测得该处由出风口吹来的空气风速为1.0 m/s。在此条件下测试模块中散射面在不同加热温度时处于悬空或接地状态下产生的光生负离子的浓度，得到如下表1中结果，当对散射面进行接地，及时移走表面电荷，模块产生的光生负离子浓度稳定在200万个/cm³以上；当对所述对散射面进行加热时，产生负离子浓度高达500万个/cm³。

表1：不同温度的散射面处于悬空或接地状态时产生的光生负离子

的浓度。

实施例三：

在一个体积为 1m×1m×1m的透明密闭容器中，放入实施例一和二中使用过的光触媒模块，其中翅片支架高为30cm、宽为17cm、厚为 5.0cm，支架中装有31张光触媒翅片，翅片上光触媒涂层中二氧化钛的重量百分比为20%，相邻翅片间距为0.5cm,翅片光触媒与空气的总接触面积为9300 cm²。在此翅片列阵正前方0.5cm处水平安装2个功率为7W的UV-B紫外灯管，每个灯管后面都装有长度为25cm、宽度为6.0cm、厚度为0.3mm、曲率为0.01 cm^-1、粗糙度为20µm的散射面，散射面和和相应灯管的中轴线在同一水面，且两者相距3.0cm，散射面处于悬空状态。

用针管向一直径为10cm的表面皿内注入微量甲醛水溶液，将表面皿放入上述体积为1m³的透明容器内，同时放入的还有一个实时甲醛浓度监测仪、温度计和湿度计，然后关紧容器盖子，贴上密封条，保持容器的密闭状态。

启动容器内光触媒模块的风机，使表面皿内的甲醛溶液挥发为甲醛气体并在密闭容器内循环流通。在1h之后，甲醛溶液完全蒸发且容器内甲醛气体浓度稳定在0.30mg/m³,此时开启光触媒模块中2个功率为7W的紫外灯，每隔1h观察并记录甲醛的浓度变化，整个过程中容器内的温度恒定在28^oC，相对湿度恒定在62%。用二氧化钛重量百分比为40%、60%、80%的光触媒涂层翅片代替上述百分比为20%的翅片，其它条件维持不变，重复上述测试过程，得到表2的结果。

表2 不同二氧化钛重量比所对应的甲醛分解结果。

表2中光触媒对甲醛的平均分解速度的计算过程为：

常温常压下1摩尔甲醛分子的个数为6.02×10²³个，甲醛的摩尔质量为30g, 使用二氧化钛重量百分比为20%的光触媒模块，甲醛的浓度在3h内从0.30mg/m³降到了0.25mg/m³。即在1m³的体积内、3h的时间内，甲醛的质量总共减少了0.05mg。这0.05mg甲醛的摩尔数为1.7×10^-6摩尔，相应的分子数为1.0×10¹⁸个,这些分子数除以3h（或10800s）即得到3.3×10¹⁷个/h.m³（或9.2×10¹³个/s.m³）的平均分解速度。采用上述方法分别得到二氧化钛重量百分比为40%、60%和80%时的甲醛平均分解速度。

本实施个案仅为说明本发明光触媒模块分解甲醛的功能，表2所列甲醛的平均分解速度并不代表模块功能的上限，若增加模块中紫外灯的功率、风机的功率、增加散射面的温度等参数，相应甲醛的分解速度会有高达几个数量级的增加。

另，需要强调指出的是本发明中的散射应用是基于散射材料中电子与入射紫外光子的相互碰撞而产生的光电作用，散射面电子受到紫外光子的激发发生跃迁，进而辐射出二次紫外光线，通过调整散射面弧度和形状，将这些紫外辐射聚集到翅片阵列上。本发明所述紫外散射技术，主要是对波长短、能量高的紫外光有显著作用，而对一般的可见光效果则不明显，这也是本文所述的散射技术与常见的反射技术的区别。更为重要的是，本发明还披露了具有良好散射效果的两种特定金属导体材料铝和石墨，并从其电子结构说明了它们具有散射效果的原理。而一般反射面则对材料无特殊要求，无论是导体（如铜镜面、银镜面）还是非导体（玻璃镜面等），只要其表面抛光度比较高，都能有好的反射效果。在本发明散射技术中，反而是散射面粗糙度越高，对紫外线散射效果越好。这不仅从一个方面为散射与反射的不同提供了更多证据，也从应用方面极大地降低了模块的成本，实践中只需用砂带将散射面刮擦得粗糙些， 而无需用昂贵的抛光技术来制作反射性强的镜面。

本发明尚有多种具体的实施方式。凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种具有散射面的高效光生负离子净化模块，包括壳体，壳体两侧表面开设有进风口及出风口，其特征在于：所述壳体内设置有光触媒模块、设置于光触媒模块一侧的紫外灯组件及光散射组件，所述光触媒模块的另一侧设置有一风机；所述紫外灯组件置于光散射组件与所述光触媒模块之间；所述空气通过壳体的进风口进入依次经过风机、光触媒模块、紫外灯组件及光散射组件，通过壳体的出风口吹出；

所述光散射组件呈曲面设置，且所述光散射组件具有粗糙散射面，所述散射面的粗糙度为40-0.03μm，所述散射面的曲率为0-1.0cm^-1；

所述光触媒模块包括一支架及置于支架内的翅片，所述翅片在支架上呈阵列设置，相邻所述翅片之间设置有由翅片间隔形成的导流狭缝，所述翅片为片状，所述翅片包括一铝基材片状体及涂覆于铝基材片状体上的涂层，所述涂层内含有重量百分比为5-95%的二氧化钛。

2.如权利要求1所述的一种具有散射面的高效光生负离子净化模块，其特征在于：所述光散射组件上还设置有加热模块。

3.如权利要求2所述的一种具有散射面的高效光生负离子净化模块，其特征在于：所述光散射组件与接地线连接，且所述接地线上设置有用于控制光散射组件是否接地的开关。

4.如权利要求1所述的一种具有散射面的高效光生负离子净化模块，其特征在于：所述光散射组件材质为铝或石墨。

5.如权利要求1所述的一种具有散射面的高效光生负离子净化模块，其特征在于：所述紫外灯组件由设置于光触媒模块一侧的上、中、下三组紫外灯管交替接地组成。

6.如权利要求2所述的一种具有散射面的高效光生负离子净化模块，其特征在于：所述加热模块为电热丝、电热陶瓷片或电热膜。

7.如权利要求1所述的一种具有散射面的高效光生负离子净化模块，其特征在于：所述紫外灯组件与所述导流狭缝轴线垂直。