CN108318530B - 一种基于光催化检测甲醛气体浓度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光催化检测甲醛气体浓度的装置，包括底座，在底座上安装有转动组件和光催化检测组件，所述光催化检测组件包括阳极单元、阴极片和电流表，转动组件的步进电机与阳极单元的钛轴连接，阳极单元的钛片与电解液接触并通过碳刷和导线与阴极片串联连接，电流表串联在碳刷与阴极片之间，且钛片的迎光侧通过阳极氧化法制备出二氧化钛纳米管。作为阳极的钛片在受到光照的时候与阴极片形成闭合回路，用电流表通过电流大小，响应甲醛浓度的大小。本发明可以简单便捷的对空气中所含的甲醛进行准确的测量，有效地减少了药品以及仪器的损耗，降低了检测成本，在保证精度的条件下显著缩短了检测时间，并且极大地简化了检测过程。

Description

一种基于光催化检测甲醛气体浓度的装置

技术领域

本发明属于甲醛检测技术领域，具体涉及一种基于光催化检测甲醛气体浓度的装置。

背景技术

近年来，随着建筑行业的迅猛发展，许多含有大量甲醛建筑材料、家具被使用，导致人们所居住的室内环境中含有大量的甲醛。高于一定浓度的甲醛，会威胁人们的身体健康，造成上呼吸道、眼部、肝部等部位的病变。如何对室内空气中甲醛浓度进行精确的检测显得尤为重要，目前存在的方法主要有分光光度法、荧光法、色谱法等，然而它们所具有的最显著的共同缺点就是流程复杂、操作过程要求精度较高，而且需要大量的药品及检测仪器，推广普遍使用的条件苛刻。

发明内容

本发明提供一种基于光催化检测甲醛气体浓度的装置，用于解决现有的甲醛检测方法存在流程复杂、操作过程要求精度较高，而且需要大量的药品及检测仪器，推广普遍使用的条件苛刻等问题，通过使用本发明，可以简单便捷的对空气中所含的甲醛进行准确的测量，有效地减少了药品以及仪器的损耗，降低了检测成本，在保证精度的条件下显著缩短了检测时间，并且极大地简化了检测过程。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：一种基于光催化检测甲醛气体浓度的装置，包括底座，在底座上安装有转动组件和光催化检测组件，所述光催化检测组件包括阳极单元、阴极片和电流表，转动组件的步进电机与阳极单元的钛轴连接，阳极单元的钛片与电解液接触并通过碳刷和导线与阴极片串联连接，电流表串联在碳刷与阴极片之间，且钛片为经阳极氧化法制得的钛片。作为阳极的钛片在受到光照的时候与阴极片形成闭合回路，用电流表通过电流大小，响应甲醛浓度的大小。

所述转动组件包括步进电机和联轴器；步进电机固定在底座上，且步进电机的输出轴与联轴器连接。

所述联轴器为梅花联轴器。

所述阳极单元，包括钛轴、钛片、反应腔、电解液、碳刷和导线；钛轴的一端通过联轴器与步进电机的输出轴连接，钛轴的另一端穿过反应腔的腔壁上的转孔并位于反应腔内，钛轴位于反应腔内的一端与钛片固定连接，钛片的上部露出反应腔，钛片的下部与电解液接触，电解液位于反应腔内；碳刷固定在反应腔的腔壁外侧并与钛轴接触；导线将碳刷和电流表和阴极片串联在一起；且阴极片通过导线设置在反应腔内且位于电解液内部。设置联轴器的目的在保证一定扭矩的条件下，满足步进电机与钛轴的绝缘。钛片的使用是因为便于在其表面形成致密稳定的二氧化钛纳米管。

所述电解液为去离子水、无水硫酸钠以及氢氧化钠的混合溶液。无水硫酸钠的作用是为了加强溶液的电导率，提高离子的传质，氢氧化钠的作用是为了提供一个碱性环境，在碱性条件下，由于氢氧根的存在能够增强电子空穴对的分离，提供更多的氧化性物质，强化光响应电流的精度。

所述反应腔的底部为弧形底，目的是消除局部流动死区及由此产生的对监测结果的偏差。

所述电解液的高度位于钛片的1/2处，因为在液高为钛片的1/2处时，二氧化钛表面形成的液膜最优，则测得值就最接近实际值。

所述钛片的氧化过程是先将钛片置入0.1M氟化铵乙二醇溶液中，在20V的直流电压下恒压电解0.5h，然后将电解处理后的钛片在马弗炉中在空气气氛下煅烧2h，升温速率设置为3℃/min，最后自然冷却。

在转孔处平行安装有骨架油封和陶瓷轴承，钛轴穿过骨架油封和陶瓷轴承。

在底座上与钛轴相对应的位置安装有风机，强化空气的流动，增大空气中甲醛与阳极钛片的接触几率。

本发明通过采用转轮式阳极创造出气液固三相交界面；钛片上的二氧化钛纳米管降解甲醛气体的前提是保证它们之间的紧密接触，并且需要水作为媒介，基于以上两点本发明将经过阳极氧化处理的钛片作为转轮，由于步进电机具有较高的运转精度并且速度具有可进行精确调节，本发明采用步进电机为整套转动系统提供驱动力，通过驱动板以及控制器对步进电机的转速、扭矩进行调节，采用一根钛轴将步进电机所产生的轴功传递到钛片转轮上，钛轴与钛片通过螺纹紧密连接，目的是保证不发生相对转动并且将钛片上产生的电子稳定的持续的传递出来，选用钛轴的另一个目的是，钛金属物理化学性质较为稳定，不会产生干扰电流从而影响检测结果，步进电机转轴与钛轴通过一个梅花联轴器进行连接，梅花联轴器中心的聚氨酯垫片具有绝缘性，避免了电子的在传输的过程中的泄露。

而且，为了对光生电流有一个直观的观测，本发明加装了一个精确数显电流表，目的是对光生电流进行实时监测；碳刷由于本身所具有的柔软性和韧性，被用来连接电流表与旋转的钛轴，将碳刷紧紧地固定并压在钛轴的下方，当转轴在旋转的过程中，也会与钛轴保持紧密的连接，来保证钛片上产生的电子稳定的持续的传递出来，由于铜的导电性良好，整个电路的导线采用铜导线。

并且，每个部件都通过螺栓固定在一块PTFE板上，增强整套系统的稳定性，并且避免各个部位之间由于步进电机的转动发生震荡以及相对位移，影响判断结果。

本发明可以简单便捷的对空气中所含的甲醛进行准确的测量，有效地减少了药品以及仪器的损耗，降低了检测成本，在保证精度的条件下显著缩短了检测时间，并且极大地简化了检测过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图。

图2为不同浓度电流响应图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于光催化检测甲醛气体浓度的装置，包括底座1，在底座1上安装有转动组件2和光催化检测组件3，所述光催化检测组件3包括阳极单元、阴极片3-3和电流表3-8，转动组件2的步进电机2-1与阳极单元的钛轴3-1连接，阳极单元的钛片3-2与电解液3-5接触并通过碳刷3-6和导线3-7与阴极片3-3串联连接，电流表3-8串联在碳刷3-6与阴极片3-3之间，且钛片3-2为经阳极氧化法制得的钛片。

所述钛片的氧化过程是先将钛片置入0.1M氟化铵乙二醇溶液中，在20V的直流电压下恒压电解0.5h，然后将电解处理后的钛片在马弗炉中在空气气氛下煅烧2h，升温速率设置为3℃/min，最后自然冷却。作为阳极的钛片在受到光照的时候与阴极片形成闭合回路，用电流表通过电流大小，响应甲醛浓度的大小。

具体地，所述转动组件2包括步进电机2-1和联轴器2-2；步进电机2-1固定在底座1上，且步进电机2-1的输出轴与联轴器2-2连接，且所述联轴器为梅花联轴器，梅花联轴器中心的聚氨酯垫片具有绝缘性，避免了电子的在传输的过程中的泄露。

所述阳极单元，包括钛轴3-1、钛片3-2、反应腔3-4、电解液3-5、碳刷3-6和导线3-7；钛轴3-1的一端通过联轴器2-2与步进电机2-1的输出轴连接，钛轴3-1的另一端穿过反应腔3-4的腔壁上的转孔3-4-1并位于反应腔3-4内。且在转孔3-4-1处平行安装有骨架油封5和陶瓷轴承6，钛轴3-1穿过骨架油封5和陶瓷轴承6。

钛轴3-1位于反应腔3-4内的一端与钛片3-2固定连接，钛片3-2的上部露出反应腔3-4，钛片3-2的下部与电解液3-5接触，电解液3-5位于反应腔3-4内，且所述反应腔3-4的底部为弧形底，目的是消除局部流动死区及由此产生的对监测结果的偏差。所述电解液的高度位于钛片的1/2处，因为在液高为钛片的1/2处时，二氧化钛表面形成的液膜最优，则测得值就最接近实际值。

所述电解液为去离子水、无水硫酸钠以及氢氧化钠的混合溶液。无水硫酸钠的作用是为了加强溶液的电导率，提高离子的传质，氢氧化钠的作用是为了提供一个碱性环境，在碱性条件下，由于氢氧根的存在能够增强电子空穴对的分离，提供更多的氧化性物质，强化光响应电流的精度。

碳刷3-6固定在反应腔3-4的腔壁外侧并与钛轴3-1接触；导线3-7将碳刷3-6和电流表3-8和阴极片3-3串联在一起；且阴极片3-3通过导线3-7设置在反应腔3-4内且位于电解液3-5内部。

为增大空气中甲醛与阳极钛片的接触几率，在底座1上与钛轴3-1相对应的位置安装有风机4，强化空气的流动。

在本实施例中，光催化燃料电池阴阳极分别由负载二氧化钛纳米管的钛片以及相对应阴极组成；事实上，阳极可作为光触媒的半导体有很多种包括：纳米二氧化钛、钨钼钒系光催化材料、含氧酸盐、石墨结构聚合物光催化材料等，由于二氧化钛具有较强的稳定性、高效性等特点，本发明中主要以二氧化钛为例进行介绍；二氧化钛纳米管作为具有较高比表面积、制备简单的纳米二氧化钛的一种形态，广泛被作为光阳极应用在光催化燃料电池中；阴极和光阳极通过外电路进行连接，形成一个完整的回路。

下面对本发明的使用进行举例说明。

给步进电机通入电源，使钛片运转，配置一定浓度的阳极电解液，包含去离子水、氢氧化钠、无水硫酸钠，使溶液的高度位于钛片转轮的1/2处，经过大量的实验，在液高为转轮的1/2处时，二氧化钛表面形成的液膜最优，则测得值就最接近实际值。

然后分别配置浓度为10ppm、50ppm、100ppm、150ppm的甲醛标准气体，将配置的标准气通入一个密闭箱体，模拟测量甲醛浓度的空间。

将本发明置入上述空间，在光照条件的，读取电流表的稳定读数，上述甲醛浓度环境下，电流大小分别为21μA、102μA、199μA、300μA，根据上述甲醛浓度以及响应电流制作电流响应标准曲线，如图2所示。

得到电流相应标准曲线后，测试未知环境中甲醛的浓度，将该装置置入未知环境中，根据光响应电流的大小，配合电流响应标准曲线准确判断出甲醛的浓度，在一间测试的房间中，装置运转稳定后，系统电流大小为248μA，根据电流响应标准曲线可知其中甲醛浓度为124ppm。

由此可知，本发明可以简单便捷的对空气中所含的甲醛进行准确的测量，有效地减少了药品以及仪器的损耗，降低了检测成本，在保证精度的条件下显著缩短了检测时间，并且极大地简化了检测过程。

上面所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于光催化检测甲醛气体浓度的装置，其特征在于：包括底座（1），在底座（1）上安装有转动组件（2）和光催化检测组件（3），所述光催化检测组件（3）包括阳极单元、阴极片（3-3）和电流表（3-8），转动组件（2）的步进电机（2-1）与阳极单元的钛轴（3-1）连接，阳极单元的钛片（3-2）与电解液（3-5）接触并通过碳刷（3-6）和导线（3-7）与阴极片（3-3）串联连接，电流表（3-8）串联在碳刷（3-6）与阴极片（3-3）之间，且钛片（3-2）为经阳极氧化法制得的钛片；

根据光响应电流的大小，配合电流响应标准曲线准确判断出甲醛的浓度；

所述阳极单元，包括钛轴（3-1）、钛片（3-2）、反应腔（3-4）、电解液（3-5）、碳刷（3-6）和导线（3-7）；钛轴（3-1）的一端通过联轴器（2-2）与步进电机（2-1）的输出轴连接，钛轴（3-1）的另一端穿过反应腔（3-4）的腔壁上的转孔（3-4-1）并位于反应腔（3-4）内，钛轴（3-1）位于反应腔（3-4）内的一端与钛片（3-2）固定连接，钛片（3-2）的上部露出反应腔（3-4），钛片（3-2）的下部与电解液（3-5）接触，电解液（3-5）位于反应腔（3-4）内；碳刷（3-6）固定在反应腔（3-4）的腔壁外侧并与钛轴（3-1）接触；导线（3-7）将碳刷（3-6）和电流表（3-8）和阴极片（3-3）串联在一起；且阴极片（3-3）通过导线（3-7）设置在反应腔（3-4）内且位于电解液（3-5）内部；

所述电解液为去离子水、无水硫酸钠以及氢氧化钠的混合溶液；

所述转动组件（2）包括步进电机（2-1）和联轴器（2-2）；步进电机（2-1）固定在底座（1）上，且步进电机（2-1）的输出轴与联轴器（2-2）连接；

在转孔（3-4-1）处平行安装有骨架油封（5）和陶瓷轴承（6），钛轴（3-1）穿过骨架油封（5）和陶瓷轴承（6）。

2.根据权利要求1所述的基于光催化检测甲醛气体浓度的装置，其特征在于：所述联轴器为梅花联轴器。

3.根据权利要求1或2所述的基于光催化检测甲醛气体浓度的装置，其特征在于：所述反应腔（3-5）的底部为弧形底。

4.根据权利要求1所述的基于光催化检测甲醛气体浓度的装置，其特征在于：所述电解液的高度位于钛片的1/2处。

5.根据权利要求1或4所述的基于光催化检测甲醛气体浓度的装置，其特征在于：所述钛片的氧化过程是先将钛片置入0.1M氟化铵乙二醇溶液中，在20V的直流电压下恒压电解0.5h，然后将电解处理后的钛片在马弗炉中在空气气氛下煅烧2h，升温速率设置为3℃/min，最后自然冷却。

6.根据权利要求1所述的基于光催化检测甲醛气体浓度的装置，其特征在于：在底座（1）上与钛轴（3-1）相对应的位置安装有风机（4）。