CN108097039A - 一种光催化空气净化器及其光催化净化部件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环保技术领域，涉及一种光催化空气净化器及其光催化净化部件，具体为一种可对空气中的臭气和挥发性有机物进行净化的装置并用于家居生活环境的空气净化以及工农业有机废气、臭气的治理，包括若干重叠布置的负载膜，各负载膜透明且负载有光催化剂，相邻负载膜间隔并形成空气净化通道。透明负载膜的能够使紫外光的覆盖面积更多，提高空气净化效果，多层的设计使空气不穿过负载膜，而是从负载膜表面之间穿过，从而在增加空气与光催化剂接触表面积的同时降低了风阻，提高了空气流速和净化效果。能够在室温条件下快速、高效、持续地分解空气中的挥发性有机物，消除异味，使空气清新。本发明可用于家居生活环境的空气净化以及工农业有机废气、臭气的治理。该发明对于光催化技术应用的发展具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于环保技术领域，涉及一种空气净化装置，具体为一种可对空气中的臭气和挥发性有机物进行净化的装置并用于家居生活环境的空气净化以及工农业有机废气、臭气的治理。
背景技术
人们在利用自然资源提高生活水平的同时，也造成了环境污染，其中空气污染最为典型。空气中的异味分子和挥发性有机物(VOCs)不仅直接影响人们的感受，而且长期吸入会引发人和动物身体机能的功能异常或疾病，目前需要寻求一种行之有效的方法和装置来净化环境中的VOCs和异味，保护自然环境和人类健康。
空气净化方式中：一类是通过新鲜空气置换实现空气污染物的稀释，比如开窗通风、排风扇通风或者安装新风系统。这类净化的效果取决于新鲜空气的洁净度，不能从本质上消除污染物，会导致公共环境空气质量的恶化；另一类则是通过空气净化装置主动将释放到空气中的污染物收集去除，成为了空气净化技术研究的主流。
目前常用空气净化方式多种多样，其中，要有喷淋吸收法、冷凝法、吸附法、生物法、热氧化法、等离子体法、光催化法等。光催化法是利用氧化物半导催化剂在光激发的作用下将吸附到催化剂表面的污染物分子氧化分解成二氧化碳和水的技术。该技术能在温和条件下广泛地矿化分解有机污染物，非常适合空气中的VOCs和臭气的净化处理。目前市场上光催化类型的空气净化器层出不穷，但是净化效果不好，主要原因是由于光催化空气净化器的性能与很多因素相关，比如催化剂的负载方式、光源的选择以及照射方式、催化剂失活机制等等。必须结合催化剂的性质以及光催化反应的特点，才能设计出综合性较强的净化模块，彻底解决空气污染的问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有光催化结构小孔式过滤方式，风阻过大、净化效率慢的特点，设计了本装置，能够增加空气流动速度，同时提高光催化净化的效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明公开一种光催化净化部件，包括若干重叠布置的负载膜，各负载膜透明且负载有光催化剂，相邻负载膜间隔并形成空气流通通道。以上结构中首先由于透明负载膜的设计，能够使紫外光的覆盖面积更多，提高污染物有效反应面积，此外，由于多层的设计，使空气不穿过负载膜，而是从负载膜表面之间穿过，从而在增加空气与光催化剂接触表面的同时降低了风阻，提高空气流通速率和净化效果。
进一步，负载膜平整，在负载膜的法线上设置紫外光源，所述负载膜呈多孔的网状。由于网状结构负载催化剂后能够使紫外光能够不规则反射、漫射、散射，避免紫外光大批量反射的情况，提高紫外光利用率。
进一步，所述负载膜由玻璃纤维编织呈的多孔网状，光催化剂负载在玻璃纤维上且不覆盖负载膜上的孔。该设计使得在负载膜上能够形成透光通道，提高紫外光在负载膜上的穿过性，进而增加负载膜的层数。
进一步，紫外光源包括紫外光源一和紫外光源二，紫外光源一和紫外光源二分别固定在上盖板和下盖板上，相邻负载膜通过膜隔条隔开；上盖板、下盖板、负载膜和膜隔条固定连为整体。
进一步，上盖板和下盖板均为金属盖板，上盖板和下盖板的中部内凹形成聚光槽，紫外光源一和紫外光源二分别固定在上盖板和下盖板的聚光槽内；紫外光源采用LED灯条或灯管，且紫外光源沿空气过滤通道分布。将金属盖板与隔条和负载膜制作为一个整体，能够有效的保护负载膜，并且方便于生产和统一更换。
进一步，各负载膜的厚度为10-100微米，相邻负载膜空气通道的厚间距为1-2毫米；紫外光的波长小于420纳米；负载膜的层数为10-50层。该负载膜的设计能够有效实现成本与净化效果的优化，并且增加空气净化效果。
进一步，负载膜的制备方法：
步骤一：将10g纳米二氧化钛纳米光催化剂超生分散到体积比为1：2的乙醇水溶液形成稳定的溶液；
步骤二：将准备好的玻璃纤维浸泡提拉晾干后，放入马弗炉中退火3小时提高催化剂材料的结晶度，获得光催化剂负载膜；
退火的升温速率为5℃/min，退火温度取值范围为450-600℃。
进一步，负载膜的制备方法：
步骤一：取钛酸四丁酯溶液在搅拌中逐滴加入到15ml浓度为37％盐酸溶液中，持续搅拌5min，逐滴加入15ml去离子水，继续搅拌5min，得二氧化钛均匀胶体溶液，钛酸四丁酯的用量取值范围为0.1-1ml；
步骤二:将准备好的玻璃纤维浸泡提拉晾干后，放入马弗炉中退火3小时提高催化剂材料的结晶度，获得光催化剂负载膜；
退火的升温速率为5℃/min，退火温度取值范围为450-600℃。
本发明还公开了一种光催化空气净化器，包括壳体、光催化剂的成分至少包括过滤网、外壳、风机和上述的光催化净化部件；外壳内具有管状的气流通道，滤网为与气流通道入口处，风机设于气流通道出口处，光催化净化部件设于气流通道内。
进一步,所述外壳由左外壳和右外壳拼接成气流净化通道；所述过滤网包括HEPA滤层和活性炭层，HEPA滤层呈瓦楞状并作为支撑，活性炭层附着在HEPA滤层上。采用过滤网能够过滤空气中的颗粒物，避免颗粒物堵塞光催化净化部件的光催化剂活性层。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供了一种适合光催化反应特征的空气净化装置，
能够在室温条件下快速、高效、持续地分解空气中的挥发性有机物，消除异味，使空气清新。本发明可用于家居生活环境的空气净化以及工农业有机废气、臭气的治理。该发明对于光催化技术应用的发展具有重要意义；
2、本发明采用简单的结构设计，对现有技术光催化技术的步骤进行有效的优化，首先由于透明负载膜的设计，能够使紫外光的覆盖面积更多，提高净化效果，此外，由于多层的设计，使空气不穿过负载膜，而是直接从负载膜表面之间穿过，从而增加空气与光催化剂接触表面的同时降低了风阻，提高空气流通速率和净化效果。
附图说明
图1为空气净化器的结构示意图；
图2为空气净化器的过滤网结构示意图；
图3为二氧化钛纳米光催化剂负载膜表面结构；
图4含氨空气净化浓度对比测试图；
图5含甲醛空气净化浓度对比测试图；
图6含甲苯空气测试浓度检测图。
附图标记：1-过滤网，11-HEPA滤层，12-活性炭层，2-光催化滤芯，21-金属盖板，22-紫外光源一，23-负载膜，24-膜隔条，25-紫外光源二，3-风机，4-左外壳，5-右外壳。
具体实施方式
实施例1
如附图所示，本发明的本一种光催化净化部件，包括若干重叠布置的负载膜23，各负载膜23透明且负载有光催化剂，相邻负载膜23间隔并形成空气过滤通道。透明负载膜23的设计使紫外光的覆盖面积更多，提高过滤效果，多层负载膜23的设计，直接从负载膜23表面之间穿过降低风阻，提高气流速率和过滤效果。
负载膜23平整，在负载膜23的法线上设置紫外光源，所述负载膜23呈多孔的网状。网状结构负载催化剂后使紫外光能够不规则反射、漫射、散射，避免紫外光大批量反射的情况，提高紫外光利用率。
负载膜23由玻璃纤维编织呈的多孔网状，光催化剂负载在玻璃纤维上且不覆盖负载膜23上的孔。在负载膜23上能够形成透光通道，提高紫外光在负载膜23上的穿过性，进而增加负载膜23的层数。
紫外光源包括紫外光源一22和紫外光源二25，紫外光源一22和紫外光源二25分别固定在上盖板和下盖板上，相邻负载膜23通过膜隔条24隔开；上盖板、下盖板、负载膜23和膜隔条24固定连为整体。
上盖板和下盖板均为金属盖板21，上盖板和下盖板的中部内凹形成聚光槽，紫外光源一22和紫外光源二25分别固定在上盖板和下盖板的聚光槽内；紫外光源采用LED灯条或灯管，且紫外光源沿空气过滤通道分布。将金属盖板21与隔条和负载膜23制作为一个整体，能够有效的保护负载膜23，并且方便于生产和统一更换。
各负载膜23的厚度为10-100微米，相邻负载膜23空气通道的厚间距为1-2毫米；紫外光的波长小于420纳米；负载膜23的层数为10-50层。该负载膜23的设计能够有效实现成本与净化效果的优化，并且增加净化效果。
实施例2
在实施例1的结构基础上，附着二氧化钛催化剂的负载膜23的制备方法：
步骤一：将10g纳米二氧化钛纳米光催化剂超生分散到体积比为1：2的乙醇水溶液形成稳定的溶液；
步骤二：将准备好的玻璃纤维浸泡提拉晾干后，放入马弗炉中退火3小时提高催化剂材料的结晶度，获得光催化剂负载膜23；
退火的升温速率为5℃/min，退火温度取值范围为450-600℃。
实施例3
在实施例1的结构基础上，附着二氧化钛纳米光催化剂的负载膜23的制备方法：
步骤一：取钛酸四丁酯溶液在搅拌中逐滴加入到15ml浓度为37％盐酸溶液中，持续搅拌5min，逐滴加入15ml去离子水，继续搅拌5min，得二氧化钛均匀胶体溶液，钛酸四丁酯的用量取值范围为0.1-1ml；
步骤二:将准备好的玻璃纤维浸泡提拉晾干后，放入马弗炉中退火3小时提高催化剂材料的结晶度，获得光催化剂负载膜23；
退火的升温速率为5℃/min，退火温度取值范围为450-600℃。
制作出的负载膜23如图3所示。
实施例4
本发明还公开了一种光催化空气净化器，包括壳体、光催化剂的成分至少包括过滤网1、外壳、风机3和实施例1的光催化净化部件2；外壳内具有管状的过滤通道，滤网为与过滤通道入口处，风机3设于过滤通道出口处，光催化净化部件2设于气流通道内。
外壳由左外壳4和右外壳5拼接成空气净化通道；所述过滤网1包括HEPA滤层11和活性炭层12，HEPA滤层11呈瓦楞状并作为支撑，活性炭层12附着在HEPA滤层11上。
光催化净化部件2包括若干重叠布置的负载膜23，各负载膜23透明且负载有光催化剂，相邻负载膜23间隔并形成空气净化通道。负载膜23平整，在负载膜23的法线上设置紫外光源，所述负载膜23呈多孔的网状。如权利要求2所述的光催化净化部件2，其特征在于，所述负载膜23由玻璃纤维编织呈的多孔网状，光催化剂负载在玻璃纤维上且不覆盖负载膜23上的孔。紫外光源包括紫外光源一22和紫外光源二25，紫外光源一22和紫外光源二25分别固定在上盖板和下盖板上，相邻负载膜23通过膜隔条24隔开；上盖板、下盖板、负载膜23和膜隔条24固定连为整体。上盖板和下盖板均为金属盖板21，上盖板和下盖板的中部内凹形成聚光槽，紫外光源一22和紫外光源二25分别固定在上盖板和下盖板的聚光槽内；紫外光源采用LED灯条或灯管，且紫外光源沿空气过滤通道分布。各负载膜23的厚度为10-100微米，相邻负载膜23空气通道的厚间距为1-2毫米；紫外光的波长小于420纳米；负载膜23的层数为10-50层。
实施例5
对实施例4中的结构进行测试，结果如图4-6，测试条件及方法如下：
含氨空气净化测试：在3立米不锈钢密闭舱注射浓度为27％的氨水，直到舱内空气中的氨浓度达到200mg/m3左右，每隔10分钟用氨浓度检测管测量舱内的氨气浓度。获得2小时内舱内氨浓度的自然衰减速率如图4圆点所示。再次向舱内注射浓度为27％的氨水，直到舱内空气中的氨浓度达到200mg/m3左右，启动舱内的本发明空气净化装置，每隔10分钟用氨浓度检测管测量舱内的氨气浓度。得到2小时内舱内氨浓度的自然衰减速率如图4方点所示。获得本发明空气净化装置2小时静态净化臭气氨的效率为83％。
含甲醛空气净化测试：在3立米不锈钢密闭舱注射浓度为40％的甲醛溶液，直到舱内空气中的甲醛浓度达到4PPM左右，每隔30分钟用甲醛浓度检测管测量舱内的甲醛浓度。获得3小时内舱内氨浓度的自然衰减速率如图5圆点所示。再次向舱内注射浓度为40％的甲醛溶液，直到舱内空气中的甲醛浓度达到4PPM左右，启动舱内的本发明空气净化装置，每隔30分钟用甲醛浓度检测管测量舱内的甲醛浓度。得到3小时内舱内氨浓度的自然衰减速率如图5方点所示。获得本发明空气净化装置3小时静态净化臭气氨的效率为81％。
含甲苯空气净化测试：将甲苯饱和蒸汽与空气混合获得7.5PPM左右浓度的含甲苯稳定空气流通过本发明的空气净化装置。气流速度保持在106立米每小时。净化器出口空气的甲苯浓度利用时间飞行质谱检测，如图6所示。启动净化装置的光源之前，净化器出口甲苯浓度测量为7.5PPM左右；启动净化装置后，出口空气的甲苯浓度迅速降低到零。持续测量了约1500分钟，验证了净化装置持续高效净化甲苯的性能。
上述实施例仅仅是为了清楚的说明所做的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种光催化净化部件，其特征在于,包括若干重叠布置的负载膜(23)，各负载膜(23)透明且负载有光催化剂，相邻负载膜(23)间隔并形成空气流通通道。
2.如权利要求1所述的光催化净化部件，其特征在于，负载膜(23)平整，在负载膜(23)的法线上设置紫外光源，所述负载膜(23)呈多孔的网状。
3.如权利要求2所述的光催化净化部件，其特征在于，所述负载膜(23)由玻璃纤维编织呈的多孔网状，光催化剂负载在玻璃纤维上且不覆盖负载膜(23)上的孔。
4.如权利要求2所述的光催化净化部件，其特征在于，紫外光源包括紫外光源一(22)和紫外光源二(25)，紫外光源一(22)和紫外光源二(25)分别固定在上盖板和下盖板上，相邻负载膜(23)通过膜隔条(24)隔开；上盖板、下盖板、负载膜(23)和膜隔条(24)固定连为整体。
5.如权利要求4所述的光催化净化部件，其特征在于，上盖板和下盖板均为金属盖板(21)，上盖板和下盖板的中部内凹形成聚光槽，紫外光源一(22)和紫外光源二(25)分别固定在上盖板和下盖板的聚光槽内；紫外光源采用LED灯条或灯管，且紫外光源沿空气过滤通道分布。
6.如权利要求1所述的光催化净化部件，其特征在于，各负载膜(23)的厚度为10-100微米，相邻负载膜(23)空气通道的厚间距为1-2毫米；紫外光的波长小于420纳米；负载膜(23)的层数为10-50层。
7.如权利要求1-6之一所述的光催化净化部件，其特征在于，负载膜(23)的制备方法：
步骤一：将10g纳米二氧化钛纳米光催化剂超生分散到体积比为1：2的乙醇水溶液形成稳定的溶液；
步骤二：将准备好的玻璃纤维浸泡提拉晾干后，放入马弗炉中退火3小时提高催化剂材料的结晶度，获得光催化剂负载膜(23)；
退火的升温速率为5℃/min，退火温度取值范围为450-600℃。
8.如权利要求1-6之一所述的光催化净化部件，其特征在于，负载膜(23)的制备方法：
步骤一：取钛酸四丁酯溶液在搅拌中逐滴加入到15ml浓度为37％盐酸溶液中，持续搅拌5min，逐滴加入15ml去离子水，继续搅拌5min，得二氧化钛均匀胶体溶液，钛酸四丁酯的用量取值范围为0.1-1ml；
步骤二:将准备好的玻璃纤维浸泡提拉晾干后，放入马弗炉中退火3小时提高催化剂材料的结晶度，获得光催化剂负载膜(23)；
退火的升温速率为5℃/min，退火温度取值范围为450-600℃。
9.一种光催化空气净化器，其特征在于，包括壳体、光催化剂的成分至少包括过滤网(1)、外壳、风机(3)和权利要求1-6之一的光催化净化部件(2)；外壳内具有管状的过滤通道，滤网为与过滤通道入口处，风机(3)设于过滤通道出口处，光催化净化部件(2)设于空气流动通道内。
10.如权利要求9所述的光催化空气净化器，其特征在于,所述外壳由左外壳(4)和右外壳(5)拼接成过滤通道；所述过滤网(1)包括HEPA滤层(11)和活性炭层(12)，HEPA滤层(11)呈瓦楞状并作为支撑，活性炭层(12)附着在HEPA滤层(11)上。
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