CN108211784A - 一种高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置 - Google Patents
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Abstract
一种高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，包括箱体，其特征在于，在箱体中设置光管紫外光源，在光管紫外光源外沿其轴向，用光线和气流高通透的轻质高分子填料为载体的纳米催化剂密实填充，有害气体沿光管光源的一端进入，经阻留吸附由光管紫外光源照射负载型纳米催化剂诱发不可逆的氧化‑消毒有害气体污染，本发明适用于人口密集的医院、候车站、影院、会议室等，以及禽舍、屠宰、污泥车间、皮革加工等有异味的作业场所及隧道空间的使用。若外包装选择透明材质，又可用于净化场所的照明。
Description
技术领域
本发明属于实验设备技术领域，涉及光催化处理有害气体实验设备，特别涉及一种高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置。
背景技术
恶臭等有害气体存在于畜禽、屠宰、食品初加工、污水厂污泥车间、城市下水道、喷涂、油漆化工、药研、农药、日化用品、家具、电子材料、添加剂、皮革化学品等应用，以及车站、会堂、剧院的有限空间。成分有氨(NH3)、硫化氢(H2S)和统称为TVOC的甲醛、苯、吲哚(C8H5-NHCH3)、三甲胺((CH3)3N)、甲硫醇(CH3SH)类等。或具有强烈的刺激性恶臭味道，也有些还具有较大的毒性，极易与空气中的水分、尘粒等结合在一起，随呼吸系统进入人体，对人体各系统有不同程度的损害。长期反复受这类物质刺激，会引起嗅觉疲劳甚至导致嗅觉失灵，工作效率、判断力和记忆力下降。
目前常用的处理技术主要有吸收法、吸附法、催化燃烧技术、生物技术、光催化氧化技术、等离子体技术和膜基吸收技术等。考虑到空气净化技术实施操作的去除效率、设备的运行成本和维护的复杂性，其中光催化氧化技术作为一种新型绿色环保技术具有适用范围广无次生污染、反应速率快、运行费用低等优点。应用于空气净化具有反应条件温和、反应彻底、几乎对空气中所有污染物都具有治理能力的优点，受到人们越来越多的重视。
光催化氧化的技术方法是：
(1)紫外光照射到半导体粉催化剂表面时，产生的大量活性电子(e-)和空穴(h+)，表现出很高的活性。在一定条件下，光强越强，催化剂能够激发更多的电子(e-)，从而生成更多的光生电子和光致空穴的氧化-还原效用；另外，在纳米级催化剂的表面，空气中的O2和H2O分子被催化生成更强的活性自由基组分(·OH、·O2 -)，从而，协同氧化降解存在的有害气体组分。
(2)使恶臭气体分子断键，同时激发产生羟基自由基、活性氧等活性基团以及臭氧等强氧化性物质。这些活性基团和强氧化剂可不加选择地与几乎所有的恶臭物质发生氧化反应，使恶臭物质矿化为H2O、CO2等无机小分子物质。
(3)锐钛型纳米级TiO2光催化剂所需光生电子和光致空穴的激发能处于UV-A(387.5nm)波段,甚至，可以使用太阳能做激发光源。
(4)不可逆的氧化细菌蛋白，能迅速、有效消灭细菌、病毒等微生物。
从光催化高级氧化的机理看出，在一定的光强照射下，光生电子和光致空穴发生的氧化作用与其催化表面积相关。就是说一方面取决于催化剂自身的纳米粒径分散，另外就是能与有害气体接触实施的使用分散度。由于纳米Ti02的颗粒很小，在应用中因回收困难等问题，导致催化剂的流失浪费，不利于产品的工业化。
据气体污染的特点，光催化净化装置多是将催化剂附着在网状、布状、微球状载体表面。并要求负载具有很好的通透性，对光催化反应惰性，比表面积大，对被处理污染物有很强的吸附作用，易于分离等。已有报道，是将Ti02附着在陶瓷，玻璃纤维，硅胶，分子筛，活性炭等微粒载体上，通过增大实际的分散度提高催化剂的工作比表面积，同时，又解决了催化剂的回收和降解作用的实用化和工业化。载体的吸附作用，为光催化反应提供了高浓度有害气体的接触环境，促进了反应速率。意大利米兰大学兽医系Guarino等；中国的徐鑫等采用光催化技术研制了相关空气净化设备的尝试。但依旧存在光程的照射损失(光强与传输距离成指数衰减)；载体气阻及遮光损失；载体质量及制作形状等降低光催化活性等不利因素。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，从催化剂的载体结构、光催化反应的行程方式以及装置使用环境的拓展几方面做出改进，更加符合实际需求。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，包括箱体8，其特征在于，在箱体8中设置光管紫外光源2，在光管紫外光源2外沿其轴向密实填充负载型纳米催化剂4，有害气体从箱体8的底部入口6进入，由光管紫外光源2照射负载型纳米催化剂4诱发不可逆氧化-消毒气体污染物质。
所述光管紫外光源2为与半导体催化剂4禁带能对应的UVA、UVC波段。
所述负载型纳米催化剂4包括载体4-2和半导体催化剂4-1，半导体催化剂4-1负载于载体4-2表面上。光管紫外光源2零距离地均匀照射高通透的载体4-2叶片面上附着的半导体催化剂4-1，使负载型纳米催化剂4在光管紫外光源2的四围具有对光和气流良好的通透阻留效果。
所述载体4-2为厘米尺寸的高分子聚合物，是一种多面镂空的球形结构或类似球形结构的形变填料。结构中，在球的中部沿整个周长有一道加固环，在环的上下各有八到十二片球瓣，上下球瓣互相交错，沿中心轴呈放射形布置。具有表面积大，传质效率高、且重量轻、强度大、安装方便、自由空间大，耐高温，耐腐蚀，表面亲水性能好，风阻小，叶片多，气速高等特性。
所述半导体催化剂4-1为纳米TiO2、CdS、ZnO、Fe203、CuO、WO3和SnO2中的任一种，或任一种的稀土元素掺杂、过渡金属掺杂、贵金属沉积、复合半导体、有机染料光敏化改性修饰处理的产品。
所述箱体8中设置多级U或S型串联组合通道，通过负载型催化剂4对气流扩散的阻留吸附-光催化-氧化消毒，最大限度地增加光催化反应的停留时间，以提高净化效果。并可根据使用环境的需要，选取光管紫外光源2功率(与灯管长度相关)和波长、以及透明外包装所起到的照明功用。
所述通道中设置静音低耗能的轴流风机3提供空气动力。轴流风机3可设置在气流的折转处。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明使用了一种较大尺度(cm)的高分子聚合物载体。形状是多面空心球结构。在球的中部沿整个周长有一道加固环，在环的上下各有八到十二片球瓣。上下球瓣互相交错，沿中心轴呈放射形布置。具有表面积大，传质效率高、且重量轻、强度大、安装方便、通透性强(透光、透气)，耐腐蚀，表面亲水性能好，叶片多、气速高、装填方便等特性。纳米TiO2悬浮液或溶胶经辅剂得到的附着催化剂载体，提供了尽可能大的光催化表面和高通透效果，使光效和光催化的发生趋于最大化。
2、本发明选取性价比高且广泛实用的紫外(UV-C,UV-A)灯管光源，催化剂载体沿着轴向行程方向装填，零接触无光程损失，充分发挥光源单位长度的光效，并据此设计的光源光程直径具有一致性效果。结合上述的催化剂载体特点，对于单只光源的净化装置而言，污染气体从进口端经光管长度的光催化处理到出口端，将实现：光催化反应停留时间的最大化；最大涂布面积催化剂和最佳光透效果导致的光催化效率最大化；以及因载体的风阻小带来的最大气流接触效率和运行使用效率的最大化。当采用多只光管串联，可形成U或S型不同路径(停留时间)和多元模式组配的光催化净化装置。并且光管的功率(对应其长度)选择，可结合实施的环境空间优化整合。气流被装填密实的负载型催化剂高效充分的阻留-吸附-氧化，得到充分持久的不可逆降解。在有限的作业空间里，这一过程可以循环进行而只消耗电力(单只光管仅百瓦功率，5000小时寿命)。无试剂消耗、无次生污染，免维护，具有自清洁的设备再生作用。
3、轻质负载型催化剂以及透明外装箱体材料的使用，使光催化净化装置兼具照明或灯箱广告的功能，用于车站候车大厅、作业车间或隧道交通中；若选择185nm频段的光管，在光催化发生的同时，又可击穿空气生成臭氧的协同效应，更适合禽舍环境降解有害气体和杀菌的需要；内置式的轴流风机，噪音小，成本低，安放位置选择方便。
因此，本发明在载体、行程方式以及使用环境方面，均有明显的进步。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明负载型催化剂的一种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，包括箱体8，箱体8中设置多级U或S型串联组合通道，通道中设置静音低耗能的轴流风机3提供空气动力，轴流风机3可设置在气流的折转处。有害气体从箱体8的底部入口6进入，在箱体8中设置光管紫外光源2，光管紫外光源2外沿其轴向密实填充负载型纳米催化剂4，光管紫外光源2为与半导体催化剂4禁带能对应的UVA、UVC波段，由光管紫外光源2照射负载型纳米催化剂4诱发不可逆氧化-消毒气体污染物质。通过负载型催化剂4对气流扩散的阻留吸附-光催化-氧化消毒，最大限度地增加光催化反应的停留时间，以提高净化效果。
如图2所示，负载型纳米催化剂4包括载体4-2和半导体催化剂4-1，半导体催化剂4-1负载于载体4-2表面上。光管紫外光源2零距离地均匀照射高通透的载体4-2叶面上附着的半导体催化剂4-1。
载体4-2为厘米尺寸的高分子聚合物，是一种多面镂空的球形结构或类似球形结构的形变填料。结构中，在球的中部沿整个周长有一道加固环，在环的上下各有八到十二片球瓣，上下球瓣互相交错，沿中心轴呈放射形布置。具有表面积大，传质效率高、且重量轻、强度大、安装方便、自由空间大，耐高温，耐腐蚀，表面亲水性能好，风阻小，叶片多，气速高等特性。
半导体催化剂4-1为纳米TiO2、CdS、ZnO、Fe203、CuO、WO3和SnO2中的任一种，或任一种的稀土元素掺杂、过渡金属掺杂、贵金属沉积、复合半导体、有机染料光敏化改性修饰处理的产品。
本发明的具体实施过程如下：
1、配制：据处理环境，光管紫外光源2单只功率可选择10～300瓦不等或更大。并且与灯管的长度尺寸匹配。也可以多只串联或并联组合以期达到所需的光效。小于380nm波长的光管均可以激发纳米TiO2催化剂(锐钛型)，发生自由基高级氧化，254nm光又可杀菌，185nm波长则击穿空气，生成臭氧O3的协同效用。
2、操作：三级串联的S型有害气体净化装置如图1所示。配制的三支光管紫外光源2以串联的方式组合，箱体8的顶部为光管紫外光源2的镇流器配电区1。箱体8由透明材质板7隔离成三个单元的S型气路。负载型催化剂4沿光管紫外光源2的走向(轴向)分别密实填满。有害气体经进气隔板5由光管紫外光源2进入第1单元。沿着轴流风机3的导向，向上流动。并与高通透的负载型催化4经阻留吸附，在光管紫外光源2的照射激发下，发生不可逆的高级氧化和杀菌作用。进而，有害气体将按照轴流风机3的导流进入第2和第3单元，进一步降解为净化气体排出。在此过程，光催化氧化以最大的反应停留时间持续进行。高通透的负载型催化剂4提供最大的反应接触面积和最大的光源利用效率。
光源是光催化净化装置的主要成本消耗，通常光管紫外光源2的连续使用寿命为5000～9000小时。如上，根据串联光管光源的状况，可成为单只管路或双支串联的组配装置。
本发明所选的厘米尺寸高分子聚合物载体，以一种多面镂空的多叶状球形结构。具有表面积大，传质效率高、重量轻，通透性强(透光、透气)、耐腐蚀，表面亲水性能，风阻小、气速高、装填方便等特点。涂布其上的负载型催化剂在气流行程中，对有害气体成分产生高效阻留吸附，并于紫外光管光源零距离的多向透过光激发照射下，进行最大停留时间的不可逆的自由基氧化和杀菌作用。适用于人口密集的医院、候车站、影院、会议室等，以及禽舍、屠宰、污泥车间、皮革加工等有异味的作业场所及隧道空间的使用。若外包装选择透明材质，又可用于净化场所的照明。
Claims (10)
1.一种高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，包括箱体(8)，其特征在于，在箱体(8)中设置光管紫外光源(2)，在光管紫外光源(2)外沿其轴向密实填充负载型纳米催化剂(4)，有害气体从箱体(8)的底部入口(6)进入，由光管紫外光源(2)照射负载型纳米催化剂(4)诱发不可逆氧化-消毒气体污染。
2.根据权利要求1所述高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，其特征在于，所述光管紫外光源(2)为与半导体催化剂(4)禁带能对应的UVA、UVC波段。
3.根据权利要求1所述高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，其特征在于，所述负载型纳米催化剂(4)包括载体(4-2)和半导体催化剂(4-1)，半导体催化剂(4-1)负载于载体(4-2)表面上。
4.根据权利要求3所述高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，其特征在于，所述载体(4-2)为厘米尺寸的高分子聚合物，是一种多面镂空的球形结构或类似球形结构的形变填料。
5.根据权利要求4所述高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，其特征在于，所述球形结构中，在球的中部沿整个周长有一道加固环，在环的上下各有八到十二片球瓣，上下球瓣互相交错，沿中心轴呈放射形布置。
6.根据权利要求4所述高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，其特征在于，所述光管紫外光源(2)零距离地均匀照射高通透的载体(4-2)叶片面上附着的半导体催化剂(4-1)。
7.根据权利要求4所述高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，其特征在于，所述半导体催化剂(4-1)为纳米TiO2、CdS、ZnO、Fe203、CuO、WO3和SnO2中的任一种，或任一种的稀土元素掺杂、过渡金属掺杂、贵金属沉积、复合半导体、有机染料光敏化改性修饰处理的产品。
8.根据权利要求1所述高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，其特征在于，所述箱体(8)中设置多级U或S型串联组合通道，通过负载型催化剂(4)对气流扩散的阻留吸附-光催化-氧化消毒，最大限度地增加光催化反应的停留时间，以提高净化效果。
9.根据权利要求8所述高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，其特征在于，所述通道中设置轴流风机(3)提供空气动力。
10.根据权利要求9所述高通透负载型轴向光催化处理有害气体的净化装置，其特征在于，所述轴流风机(3)设置在气流的折转处。
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