CN108554167A - 一种高效光触媒去除甲醛气体的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效光触媒去除甲醛气体的装置，包括底板，在底板上有光触媒转动组件、甲醛去除组件、蒸汽发生器和施偏压组件；步进电机与钛轴连接；甲醛去除组件，包括钛轴、钛片转轮、碳刷、碳棒、反应腔、电解液；钛轴穿过反应腔侧壁后与钛片转轮垂直连接，钛片转轮外表面的二氧化钛纳米管层为光阳极，通过施偏压组件和碳刷与碳棒连接；钛片转轮的下部伸入反应腔内的电解液内，碳棒位于电解液内，且在反应腔内有蒸汽发生器；施偏压组件，包括直流电源、电源开关和铜导线，直流电源通过铜导线和电源开关与碳刷、碳棒连接。本发明通过转轮电极的转动，创造出气、液、固三相接触面，增加了二氧化钛纳米管与甲醛的接触，有效提高甲醛的降解效率。

Description

一种高效光触媒去除甲醛气体的装置
技术领域
本发明属于去除甲醛技术领域，具体涉及一种高效光触媒去除甲醛气体的装置。
背景技术
光触媒除甲醛是一种在光照环境下，光触媒将空气分解成正负离子，从而产生具有氧化作用的粒子除去甲醛。光触媒除甲醛作为一种新型高效的方法，目前普遍被应用在房屋装修、家具制造、厂房除甲醛等领域，光触媒是以二氧化钛为代表的具有光催化功能的半导体总称，由于本身具有稳定、无毒无害、便捷、全面等优点，近年来发展迅速。纳米二氧化钛拥有充满电子的低能价带和未被电子充满的高能导带，导带和价带之间的带系成为禁带，在受到紫外光的照射之后，位于价带上的电子吸收光子的能量，越过禁带被激发到导带上，同时在价带上产生光生空穴。光生空穴具有很强的氧化性，它可以在半导体的表面与表面吸附的甲醛等有害气体发生氧化还原反应，从而达到去除有害物质的目的。然而，光触媒除去甲醛的前提是必须以水分子或者氧气为媒介，这就大大降低了光触媒的降解效率，如何强化甲醛与光触媒的接触成为目前该方向继续发展的难题。
发明内容
为了解决光触媒在除甲醛过程中存在的接触问题以及降解效率低的技术问题，从而提供一种使溶解在水中的甲醛接触光触媒，强化甲醛的传质，加速空气中甲醛的去除的高效光触媒去除甲醛气体的装置。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：一种高效光触媒去除甲醛气体的装置，包括底板，在底板上安装有光触媒转动组件、甲醛去除组件、蒸汽发生器和施偏压组件；光触媒转动组件、甲醛去除组件、施偏压组件和外置的紫外光源构成被动除甲醛单元，光触媒转动组件、甲醛去除组件、蒸汽发生器和施偏压组件共同构成主动除甲醛单元；光触媒转动组件的步进电机与甲醛去除组件的钛轴连接；所述甲醛去除组件，包括钛轴、钛片转轮、碳刷、碳棒、反应腔、电解液；钛轴远离步进电机的一端穿过反应腔侧壁后与钛片转轮垂直连接，钛片转轮的外表面有二氧化钛纳米管层，二氧化钛纳米管层作为光阳极；碳刷固定在反应腔的外侧壁并与钛轴接触；碳棒作为与光阳极对应的阴极，通过施偏压组件和碳刷与光阳极连接；且在反应腔内设置有电解液，钛片转轮的下部伸入电解液内，碳棒位于电解液内，且在反应腔内安装有蒸汽发生器，蒸汽发生器的进水口伸入电解液内，蒸汽发生器的出气口露出反应腔；所述施偏压组件，包括直流电源、电源开关和铜导线，直流电源安装在底板上，且直流电源的正极通过铜导线和电源开关与碳刷连接，直流电源的负极通过铜导线与碳棒连接。
而且为了紧密连接钛片转轮与钛轴，不使之具有较大电阻，采用物理螺纹方法进行连接；同时，为了便于电子的传输，在钛轴上加装了一个碳刷，在钛轴进行转动的过程中，碳刷能时时刻刻接触到钛轴并将二氧化钛纳米管产生的电子持续的稳定的传导出来。
所述光触媒转动组件，包括步进电机和联轴器，步进电机固定在底板上，且步进电机的输出轴通过联轴器与甲醛去除组件的钛轴固定连接。所述联轴器为梅花联轴器，应用梅花联轴器将步进电机的输出轴与钛片转轮进行紧密连接，能够达到需求的扭矩。
在反应腔与钛轴接触处安装有陶瓷轴承和骨架油封，钛轴穿过陶瓷轴承和骨架油封后与钛片转轮连接，陶瓷轴承的作用是限制钛轴的自由度，防止钛轴在转动的过程中上下左右晃动，骨架油封的作用是在钛轴旋转的过程中，防止反应器腔室内部的电解液泄露，且轴承与骨架油封均为非金属，去除由于金属存在的干扰。并且为了改善方形底部局部死区、局部流动阻力较大、离子分布传输不均匀等问题，反应器腔室采用弧形底。
在反应腔的外侧安装有风机，反应腔的腔壁上设置有通风孔和通光孔，通风孔和通光孔相对设置，通风孔与风机相对，且通风孔、通光孔和反应腔构成风道。通光孔的设置是便于在去除甲醛反应进行时提供光源路径。风机是为了增强空气的交换量。因为在电解液中，含有大量具有强氧化性的羟基自由基，水分子的蒸发会携带大量的羟基自由基，携带•OH的水分子在空气中与甲醛气体分子结合，达到降解甲醛的目的，在风道内设置的蒸汽发生器，加速水分子的蒸发，电解液中的水量会逐渐减少，而在钛片转轮的表面又会因为降解大量的甲醛产生水，以此来保持反应腔中水量的平衡。
所述电解液为0.2M NaSO4和0.2M KOH的混合溶液。
所述二氧化钛纳米管层的制备过程为：将钛片转轮首先经过砂布打磨去除表面形成的氧化物，然后将打磨过的钛片转轮依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min，清洗后的钛片转轮置入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转轮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。
本发明二氧化钛纳米管是通过阳极氧化法值得并且作为光触媒使用，并应用碳棒作为与光阳极对应的对电极，从而使整个电路形成完整的回路；施偏压组件主要作用是给钛片转轮和碳棒施加偏压，加强电子的传输，减小电子空穴对的复合；光阳极与阴极放入反应器腔室内的电解液中，电极之间通过施偏压组件进行连接形成回路。而且，钛片转轮由电机进行提供轴功，为了便于控制转动速度，特采用57步进电机，通过外电源、驱动板和控制器进行控制转速；钛片转轮采用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管，首先将钛片应用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗20min，除去表面附着的杂质，应用“两步电解法”在钛片的表面氧化出均匀的二氧化钛纳米管层，将氧化的钛片进行烧结，以增强二氧化钛纳米管与钛基片的连接强度；钛片与步进电机之间应用一根钛轴进行连接，钛轴在使用之前同钛片也经过同样的处理。
本发明通过转轮电极的转动，创造出气、液、固三相接触面，增加了二氧化钛纳米管与甲醛的接触，有效的提高了甲醛的降解效率，并且将含有•OH的水蒸气分子释放到空气中，极大的增加了氧化剂与甲醛的接触面积，可以显著提高甲醛的降解效率，是一种无毒无害、高效便捷的新型装置。
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是本发明的结构示意图。
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，一种高效光触媒去除甲醛气体的装置，包括底板1，在底板1上安装有光触媒转动组件2、甲醛去除组件3、蒸汽发生器4和施偏压组件；光触媒转动组件2的步进电机2-1与甲醛去除组件3的钛轴3-1连接。
所述光触媒转动组件2，包括步进电机2-1和联轴器2-2，步进电机2-1固定在底板1上，且步进电机2-1的输出轴通过联轴器2-2与甲醛去除组件3的钛轴3-1固定连接。所述联轴器为梅花联轴器，应用梅花联轴器将步进电机的输出轴与钛片转轮进行紧密连接，能够达到需求的扭矩。
所述甲醛去除组件3，包括钛轴3-1、钛片转轮3-2、碳刷3-3、碳棒3-4、反应腔3-5、电解液3-6，所述电解液为0.2M NaSO4和0.2M KOH的混合溶液。
钛轴3-1远离步进电机2-1的一端穿过反应腔3-5侧壁后与钛片转轮3-2垂直连接，而且为了紧密连接钛片转轮与钛轴，不使之具有较大电阻，采用物理螺纹方法进行连接。钛片转轮3-2的外表面有二氧化钛纳米管层，二氧化钛纳米管层作为光阳极；碳刷3-3固定在反应腔3-5的外侧壁并与钛轴3-1接触；碳棒3-4作为与光阳极对应的阴极，通过施偏压组件5和碳刷3-3与光阳极连接；且在反应腔3-5内设置有电解液3-6，钛片转轮3-2的下部伸入电解液3-6内，碳棒3-4位于电解液3-6内，且在反应腔3-5内安装有蒸汽发生器4，蒸汽发生器4的进水口伸入电解液3-6内，蒸汽发生器4的出气口露出反应腔3-5；所述施偏压组件，包括直流电源、电源开关和铜导线5-1，直流电源安装在底板1上，且直流电源的正极通过铜导线5-1和电源开关与碳刷3-3连接，直流电源的负极通过铜导线5-1与碳棒3-4连接。所述直流电源是24V的恒电压。
同时，为了便于电子的传输，在钛轴上加装了一个碳刷，在钛轴进行转动的过程中，碳刷能时时刻刻接触到钛轴并将二氧化钛纳米管产生的电子持续的稳定的传导出来。
优选地，在反应腔3-5与钛轴3-1接触处安装有陶瓷轴承和骨架油封，钛轴3-1穿过陶瓷轴承和骨架油封后与钛片转轮3-2连接，陶瓷轴承的作用是限制钛轴的自由度，防止钛轴在转动的过程中上下左右晃动，骨架油封的作用是在钛轴旋转的过程中，防止反应器腔室内部的电解液泄露，且轴承与骨架油封均为非金属，去除由于金属存在的干扰。并且为了改善方形底部局部死区、局部流动阻力较大、离子分布传输不均匀等问题，反应器腔室采用弧形底。
进一步优选地，在反应腔3-5的外侧安装有风机6，反应腔3-5的腔壁上设置有通风孔和通光孔，通风孔和通光孔相对设置，通风孔与风机相对，且通风孔、通光孔和反应腔3-5构成风道。通光孔的设置是便于在去除甲醛反应进行时提供光源路径。风机是为了增强空气的交换量。因为在电解液中，含有大量具有强氧化性的羟基自由基，水分子的蒸发会携带大量的羟基自由基，携带•OH的水分子在空气中与甲醛气体分子结合，达到降解甲醛的目的，在风道内设置的蒸汽发生器，加速水分子的蒸发，电解液中的水量会逐渐减少，而在钛片转轮的表面又会因为降解大量的甲醛产生水，以此来保持反应腔中水量的平衡。
在本实施例中，所述二氧化钛纳米管层的制备过程为：将钛片转轮首先经过砂布打磨去除表面形成的氧化物，然后将打磨过的钛片转轮依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min，清洗后的钛片转轮置入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转轮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。
在使用时，将一定量浓度为0.2M NaSO4、0.2M KOH的电解液置入反应腔，使液面高度达到钛片转轮的1/2处，其中无水硫酸钠的作用是增强电导率，氢氧化钾是提供碱性环境。
并打开直流电源，给钛片转轮施加一个0.6V偏压，加速电子空穴对的分离，减小电子空穴对的复合，通过钛片转轮的转动，创造出气、液、固三相接触面，增加了二氧化钛纳米管与甲醛的接触，有效的提高了甲醛的降解效率，并且将含有•OH的水蒸气分子释放到空气中，极大的增加了氧化剂与甲醛的接触面积，可以显著提高甲醛的降解效率，是一种无毒无害、高效便捷的装置。
本发明中使用过程有两种去甲醛的方式，一种是光触媒转动组件2、甲醛去除组件3、施偏压组件和外置的紫外光源构成被动除甲醛单元，被动式的降解主要是借助风机强制使得空气中的甲醛通过转轮的表面，而转轮表面的二氧化钛纳米管在紫外光的照射下，会降解通过转轮表面的甲醛，并且转轮的加入，在减少电解液对光吸收量的基础上，会增加空气中甲醛的传质，转轮在转动的过程中，会在其表面形成很薄的液膜，这层液膜减小了甲醛到达催化剂表面的距离相比于浸入式催化剂以及悬浮式催化剂，换种说法即加速了甲醛的转移。
它相比于传统形式的催化剂比如：悬浮式、浸入式，强化了降解底物与催化剂的接触，并且减少了底物溶液对光的吸收量。
另一种是光触媒转动组件2、甲醛去除组件3、蒸汽发生器4和施偏压组件共同构成主动除甲醛单元；主动式降解即有光催化剂的基础上强化降解的一种方式，二氧化钛纳米管光催化剂（包括所有的光催化剂）在受到光的照射下，会产生电子空穴对，电子空穴对中的电子具有很强的还原性，空穴具有很强的氧化性，而降解底物的原理主要有：1、空穴依靠自身的氧化性直接降解底物；2、光生电子与空气中的氧气结合形成超氧自由基·O2-,超氧自由基同时也具有很强的氧化性，降解底物；3、在反应的过程中光生电子、氧气以及氢离子三者发生反应会产生羟基自由基·OH，羟基自由基降解底物。其中超氧自由基以及羟基自由基能够在底物溶液中大量存在，此时如果将这些基团应用于降解空气中的甲醛，将会进一步强化转轮系统的降解速率。因此，需要将溶液中的基团与空气中的甲醛接触，蒸汽发生器（加湿器）便被应用到本发明中，蒸汽发生器的作用是，将底物溶液形成细小水滴颗粒扩散到空气中，显著的提高了甲醛与氧化基团的接触，大大的的提高了降解效率，并且在不需要风机强制对流的条件下，水滴颗粒能够自主地扩散均匀，没有降解死角。它相比于转轮电极，又添加了主动降解的一部分。
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)

1.一种高效光触媒去除甲醛气体的装置，其特征在于：包括底板（1），在底板（1）上安装有光触媒转动组件（2）、甲醛去除组件（3）、蒸汽发生器（4）和施偏压组件；光触媒转动组件（2）、甲醛去除组件（3）、施偏压组件和外置的紫外光源构成被动除甲醛单元，光触媒转动组件（2）、甲醛去除组件（3）、蒸汽发生器（4）和施偏压组件共同构成主动除甲醛单元；光触媒转动组件（2）的步进电机（2-1）与甲醛去除组件（3）的钛轴（3-1）连接；所述甲醛去除组件（3），包括钛轴（3-1）、钛片转轮（3-2）、碳刷（3-3）、碳棒（3-4）、反应腔（3-5）、电解液（3-6）；钛轴（3-1）远离步进电机（2-1）的一端穿过反应腔（3-5）侧壁后与钛片转轮（3-2）垂直连接，钛片转轮（3-2）的外表面有二氧化钛纳米管层，二氧化钛纳米管层作为光阳极；碳刷（3-3）固定在反应腔（3-5）的外侧壁并与钛轴（3-1）接触；碳棒（3-4）作为与光阳极对应的阴极，通过施偏压组件（5）和碳刷（3-3）与光阳极连接；且在反应腔（3-5）内设置有电解液（3-6），钛片转轮（3-2）的下部伸入电解液（3-6）内，碳棒（3-4）位于电解液（3-6）内，且在反应腔（3-5）内安装有蒸汽发生器（4），蒸汽发生器（4）的进水口伸入电解液（3-6）内，蒸汽发生器（4）的出气口露出反应腔（3-5）；所述施偏压组件，包括直流电源、电源开关和铜导线（5-1），直流电源安装在底板（1）上，且直流电源的正极通过铜导线（5-1）和电源开关与碳刷（3-3）连接，直流电源的负极通过铜导线（5-1）与碳棒（3-4）连接。
2.根据权利要求1所述的高效光触媒去除甲醛气体的装置，其特征在于：所述光触媒转动组件（2），包括步进电机（2-1）和联轴器（2-2），步进电机（2-1）固定在底板（1）上，且步进电机（2-1）的输出轴通过联轴器（2-2）与甲醛去除组件（3）的钛轴（3-1）固定连接。
3.根据权利要求1所述的高效光触媒去除甲醛气体的装置，其特征在于：在反应腔（3-5）与钛轴（3-1）接触处安装有陶瓷轴承和骨架油封，钛轴（3-1）穿过陶瓷轴承和骨架油封后与钛片转轮（3-2）连接。
4.根据权利要求1或4所述的高效光触媒去除甲醛气体的装置，其特征在于：在反应腔（3-5）的外侧安装有风机（6），反应腔（3-5）的腔壁上设置有通风孔和通光孔，通风孔和通光孔相对设置，通风孔与风机相对，且通风孔、通光孔和反应腔（3-5）构成风道。
5.根据权利要求1或4所述的高效光触媒去除甲醛气体的装置，其特征在于：所述电解液为0.2M NaSO4和0.2M KOH的混合溶液。
6.根据权利要求1所述的高效光触媒去除甲醛气体的装置，其特征在于：所述二氧化钛纳米管层的制备过程为：将钛片转轮首先经过砂布打磨去除表面形成的氧化物，然后将打磨过的钛片转轮依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20min，清洗后的钛片转轮置入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转轮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。
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