CN108905616B - 一种光电催化协同空气净化装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电催化协同空气净化装置及其使用方法，包括起固定作用的壳体，所述壳体的内部设置有自上而下间隔平行安装并相互串联或并联的光催化阳极，所述壳体内部设置有与所述光催化阳极平行安装的光催化阴极，所述光催化阴极上设置有与光催化阳极相连接的吸水性隔膜，所述壳体的中部设置有紫外灯。该装置可在电助光催化过程中，在光催化阳极和光催化阴极之间施加电压，在电场作用下实现光生电子‑空穴对的有效分离，有效地提高羟基自由基的产率，从而提高空气净化效率，该方案提供的装置结构简单、紧凑，易于实现，在家用及商用空气净化器、空调和新风系统中都有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于空气净化领域，更具体涉及一种光电催化协同空气净化装置及其使用方法。
背景技术
全球性的环境污染及生态破坏，已迫使人们对环境给予足够的关注。其中由于工业、交通工具等的排放导致的大气污染直接影响到人们的生活质量和身体健康。 同时，由于现代居住环境和室内装修等引起的城市建筑物综合症、室内空调病、有机污染等直接影响到人们的健康和生命安全。人们企图通过各种有效方法净化周围空气质量。就室内空气净化而言，目前国内外使用的空气净化器主要采用活性炭吸附技术、臭氧净化技术、负离子除尘技术和高压静电技术。活性炭吸附技术只能将有害物吸附储存，而不能将其分解或去除。因此一旦吸附饱和，需要更换吸附材料， 并且最终并未消除有害物质，只是将它们从一个地方转移到另一个地方。由于上述方法工作原理所限，用于过滤吸附的材料要经常更换，否则会影响对空气的净化效果，甚至会产生二次污染。臭氧技术具有杀菌、除臭作用，但对有机污染物的去除效率低。更为值得注意的是，高浓度的臭氧本身对人体和环境有害。利用臭氧技术净化室内空气，人们必须在室外等停机后隔一定时间后才能入室。负离子和高压静电技术是一种物理作用过程，能去除空气中的烟尘，但对化学、生物和微生物等造成的污染无法去除净化。
利用光催化对空气进行净化处理是当前空气污染治理技术的发展方向。光催化技术相对于过滤、吸附等其它技术具有以下优点：(1) 反应条件温和，在常温常压下进行；(2)能将大部分有机污染物降解为小分子物质。大量的研究结果证实，该技术能在常温常压条件下无选择性地将难降解和有毒有机物完全降解为CO2和H2O，将无机污染物氧化或还原为无害物质，成为近年来国际上最为活跃的研究领域之一 。多相光催化技术的基本原理为：当半导体光催化剂（如TiO2等）受到能量大于禁带宽度的光照射时，其价带上的电子（e－）受到激发，跃过禁带进入导带，在价带留下带正电的空穴（h+）。光生空穴具有强氧化性，光生电子具有强还原性，可直接氧化和还原吸附在表面上的污染物，或与吸附在催化剂表面上的O2、OH－和H2O发生反应，生成具有高度化学活性的羟基自由基（·OH）及 H2O2，进而将有机污染物降解，将细菌杀灭。
光催化技术也有其局限性：由于光催化过程中电子-空穴对复合率高、羟基自由基产率较低，导致光催化氧化深度处理有机物时无法获得理想的去除效果。
只有抑制电子-空穴对的复合，才能提高光催化效率。世界各国都投入了大量的人力和物力对此展开了深入的研究，并产生了许多优秀研究成果。前人的工作主要从两个方向入手：一是从光催化剂本身出发对改光催化剂进行改性，例如，通过适当增加催化剂晶体缺陷、适量金属离子掺杂、贵金属表面沉积、两种或多种半导体的耦合等手段均能使催化剂自身形成有效的电荷载体陷阱，使电子和空穴的分离寿命延长几分之一纳秒。二是从外部条件出发改变光催化的条件，例如，在有机废水光催化处理中，电子俘获剂的使用能够将电子和空穴彻底分离，是有效抑制电子和空穴复合的手段；另外，采用电助光催化方法，在电场作用下强行将电子-空穴对分离，可有效提高羟基自由基的产率。在现有技术中，电助光催化技术被用于有机废水的降解处理，因为电助光催化不仅需要光催化阳极，光催化阴极，还需要将光催化阳极和光催化阴极浸入电解液中才能实现。因此，在利用光催化净化空气的现有技术中，还未见有利用电助光催化技术进行空气净化的相关报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种光电催化协同空气净化装置及其使用方法，该空气净化装置无需将光催化阳极和光催化阴极浸入电解液就能实现电助光催化反应，从而有效抑制电子-空穴对的复合，提高光催化效率，能够高效地去除空气中的污染物和细菌，最终得到洁净的空气。
本发明的技术方案在于：一种光电催化协同空气净化装置，包括起固定作用的壳体，其特征在于：所述壳体的内部设置有自上而下间隔平行安装并相互串联或并联的光催化阳极，所述壳体内部的任一光催化阳极与直流电源的正极端电性连接，所述壳体内部设置有与所述光催化阳极平行安装的光催化阴极，所述光催化阴极与所述直流电源的负极端电性连接，所述光催化阴极上设置有与光催化阳极相连接的吸水性隔膜，所述吸水性隔膜的一侧设置有吸水条，所述吸水条的末端设置有水槽，所述壳体的中部设置有紫外灯。
进一步地，所述吸水条的一端伸入所述吸水性隔膜内部，所述吸水条的另一端伸入所述水槽内。
进一步地，所述吸水性隔膜为多孔透气的网片状结构，所述吸水性隔膜分别与所述光催化阴极、最靠近所述吸水性隔膜的光催化阳极紧密贴合。
进一步地，所述光催化阳极和所述光催化阴极为以金属或碳纤维布为基体并在表面上负载有TiO2或经掺杂改性的TiO2光触媒材料的光催化电极材料。
进一步地，所述紫外灯穿过所述光催化阴极和所述光催化阳极，所述紫外灯与整流器电性连接。
进一步地，所述壳体上下端通透，用于通风。
一种光电催化协同空气净化装置的使用方法，具体步骤如下：
（1）先向水槽中注入电解液，然后吸水性隔膜通过吸水条将水槽中的电解液吸入其内部，由于亲水性隔膜与光催化阴极和光催化阳极紧密贴合，实现了光催化阴极与光催化阳极的连接导通；
（2）开启整流器和直流电源，紫外灯被开启，紫外灯光线照射在光催化阴极和光催化阳上，在直流电源的作用下，对光催化阳极和光催化阴极之间施加电压，从而在电场作用下实现光生电子-空穴对的有效分离，使壳体内充满了光生空穴和光生电子；
（3）外部空气从壳体的一端进入壳体内部时，与壳体内部的光生空穴和光生电子接触，而光生空穴具有强氧化性，光生电子具有强还原性，可直接氧化和还原吸附在表面上的污染物，或与吸附在光催化阳极和光催化阴极表面上的O2、OH－和H2O发生反应，生成具有高度化学活性的羟基自由基及 H2O2，进而将空气中有机污染物降解，将细菌杀灭，从而得到洁净的空气，净化后的空气从壳体的另一端排出，实现了对空气的净化作用。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：在电助光催化过程中，在光催化阳极和光催化阴极之间施加电压，在电场作用下实现光生电子-空穴对的有效分离，有效地提高羟基自由基的产率，从而提高空气净化效率，该方案提供的装置结构简单、紧凑，易于实现，在家用及商用空气净化器、空调和新风系统中都有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图a；
图2为本发明的结构示意图b；
图3为本发明的结构示意图c；
图中：1-壳体、2-光催化阳极、3-光催化阴极、4-紫外灯、5-水槽、6-吸水条、7-吸水性隔膜、8-整流器、9-直流电源。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
实施例1（参考图1）
一种光电催化协同空气净化装置，包括起固定作用的壳体，其特征在于：所述壳体的内部设置有自上而下间隔平行安装并相互串联或并联的光催化阳极，位于最上端的光催化阳极与直流电源的正极端电性连接，所述位于最上端的光催化阳极的上方设置有吸水性隔膜，所述吸水性隔膜的上方设置有所述光催化阴极，所述光催化阴极与所述直流电源的负极端电性连接，所述吸水性隔膜的一侧设置有吸水条，所述吸水条的末端设置有水槽，所述壳体的中部设置有紫外灯。
本实施例中，所述吸水条的一端伸入所述吸水性隔膜内部，所述吸水条的另一端伸入所述水槽内。
本实施例中，所述吸水性隔膜为多孔透气的网片状结构，所述吸水性隔膜分别与所述光催化阴极、位于最上端的光催化阳极紧密贴合，用于接通光催化阳极和光催化阴极。
本实施例中，所述光催化阳极和所述光催化阴极为以金属或碳纤维布为基体并在表面上负载有TiO2或经掺杂改性的TiO2光触媒材料的光催化电极材料，可产生光生空穴和光生电子，起到杀菌、降解有机污染物作用。
本实施例中，所述紫外灯穿过所述光催化阴极和所述光催化阳极，所述紫外灯与整流器电性连接，起到激发光催化阴极和光催化阳极产生光生电子-空穴对的作用。
本实施例中，所述壳体上下端通透，从而形成进风口和出风口，以便用于通风。
实施例2（参考图2）
一种光电催化协同空气净化装置，包括起固定作用的壳体，其特征在于：所述壳体的内部设置有自上而下间隔平行安装并相互串联或并联的光催化阳极，所述壳体内部的任一光催化阳极与直流电源的正极端电性连接，所述壳体的中部设置有吸水性隔膜，所述吸水性隔膜的下方设置有与所述光催化阳极平行安装的光催化阴极，所述光催化阴极与所述直流电源的负极端电性连接，所述吸水性隔膜的一侧设置有吸水条，所述吸水条的末端设置有水槽，所述壳体的中部设置有紫外灯。
本实施例中，所述吸水条的一端伸入所述吸水性隔膜内部，所述吸水条的另一端伸入所述水槽内。
本实施例中，所述吸水性隔膜为多孔透气的网片状结构，所述吸水性隔膜分别与所述光催化阴极、最靠近所述吸水性隔膜的光催化阳极紧密贴合，用于接通光催化阳极和光催化阴极。
本实施例中，所述光催化阳极和所述光催化阴极为以金属或碳纤维布为基体并在表面上负载有TiO2或经掺杂改性的TiO2光触媒材料的光催化电极材料，可产生光生空穴和光生电子，起到杀菌、降解有机污染物作用。
本实施例中，所述紫外灯穿过所述光催化阴极和所述光催化阳极，所述紫外灯与整流器电性连接，起到激发光催化阴极和光催化阳极产生光生电子-空穴对的作用。
本实施例中，所述壳体上下端通透，从而形成进风口和出风口，以便用于通风。
实施例3（参考图3）
一种光电催化协同空气净化装置，包括起固定作用的壳体，其特征在于：所述壳体的内部设置有自上而下间隔平行安装并相互串联或并联的光催化阳极，所述壳体内部的任一光催化阳极与直流电源的正极端电性连接，位于最下端的光催化阳极的下方设置有吸水性隔膜，所述吸水性隔膜的下方设置有与光催化阳极平行安装的光催化阴极，所述光催化阴极与所述直流电源的负极端电性连接，所述吸水性隔膜的一侧设置有吸水条，所述吸水条的末端设置有水槽，所述壳体的中部设置有紫外灯。
本实施例中，所述吸水条的一端伸入所述吸水性隔膜内部，所述吸水条的另一端伸入所述水槽内。
本实施例中，所述吸水性隔膜为多孔透气的网片状结构，所述吸水性隔膜分别与所述光催化阴极、位于最下端的光催化阳极紧密贴合，用于接通光催化阳极和光催化阴极。
本实施例中，所述光催化阳极和所述光催化阴极为以金属或碳纤维布为基体并在表面上负载有TiO2或经掺杂改性的TiO2光触媒材料的光催化电极材料，可产生光生空穴和光生电子，起到杀菌、降解有机污染物作用。
本实施例中，所述紫外灯穿过所述光催化阴极和所述光催化阳极，所述紫外灯与整流器电性连接，起到激发光催化阴极和光催化阳极产生光生电子-空穴对的作用。
本实施例中，所述壳体上下端通透，从而形成进风口和出风口，以便用于通风。
上述实施例1-3中光电催化协同空气净化装置的使用方法，具体步骤如下：
（1）先向水槽5中注入电解液，然后吸水性隔膜7通过吸水条6将水槽5中的电解液吸入其内部，由于亲水性隔膜7与光催化阴极3和光催化阳极2紧密贴合，实现了光催化阴极3与光催化阳极2的连接导通；
（2）开启整流器8和直流电源9，紫外灯4被开启，紫外灯4光线照射在光催化阴极3和光催化阳2上，在直流电源9的作用下，对光催化阳极2和光催化阴极3之间施加电压，从而在电场作用下实现光生电子-空穴对的有效分离，使壳体内充满了光生空穴和光生电子。
（3）外部空气从壳体1的一端进入壳体1内部时，与壳体1内部的光生空穴和光生电子接触，而光生空穴具有强氧化性，光生电子具有强还原性，可直接氧化和还原吸附在表面上的污染物，或与吸附在光催化阳极2和光催化阴极3表面上的O2、OH－和H2O发生反应，生成具有高度化学活性的羟基自由基及 H2O2，进而将空气中有机污染物降解，将细菌杀灭，从而得到洁净的空气，净化后的空气从壳体1的另一端排出，实现了对空气的净化作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属发明的涵盖范围。
Claims (4)
1.一种光电催化协同空气净化装置，包括起固定作用的壳体，其特征在于：所述壳体的内部设置有自上而下间隔平行安装并相互串联或并联的光催化阳极，所述壳体内部的任一光催化阳极与直流电源的正极端电性连接，所述壳体内部设置有与所述光催化阳极平行安装的光催化阴极，所述光催化阴极与所述直流电源的负极端电性连接，所述光催化阴极上设置有与光催化阳极相连接的吸水性隔膜，所述吸水性隔膜的一侧设置有吸水条，所述吸水条的末端设置有水槽，所述壳体的中部设置有紫外灯；
所述吸水条的一端伸入所述吸水性隔膜内部，所述吸水条的另一端伸入所述水槽内；
所述吸水性隔膜为多孔透气的网片状结构，所述吸水性隔膜分别与所述光催化阴极、最靠近所述吸水性隔膜的光催化阳极紧密贴合；
所述壳体上下端通透。
2.根据权利要求1所述的一种光电催化协同空气净化装置，其特征在于：所述光催化阳极和所述光催化阴极为以金属或碳纤维布为基体并在表面上负载有TiO2或经掺杂改性的TiO2光触媒材料的光催化电极材料。
3.根据权利要求1所述的一种光电催化协同空气净化装置，其特征在于：所述紫外灯依次穿过所述光催化阴极和所述光催化阳极，所述紫外灯与整流器电性连接。
4.一种应用于权利要求1所述的一种光电催化协同空气净化装置的使用方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）先向水槽中注入电解液，然后吸水性隔膜通过吸水条将水槽中的电解液吸入其内部，由于吸水性隔膜与光催化阴极和光催化阳极紧密贴合，实现了光催化阴极与光催化阳极的连接导通；
（2）开启整流器和直流电源，紫外灯被开启，紫外灯光线照射在光催化阴极和光催化阳上，在直流电源的作用下，对光催化阳极和光催化阴极之间施加电压，从而在电场作用下实现光生电子-空穴对的有效分离，使壳体内充满了光生空穴和光生电子;
（3）外部空气从壳体的一端进入壳体内部时，与壳体内部的光生空穴和光生电子接触，而光生空穴具有强氧化性，光生电子具有强还原性，可直接氧化和还原吸附在表面上的污染物，或与吸附在光催化阳极和光催化阴极表面上的O2、OH－和H2O发生反应，生成具有高度化学活性的羟基自由基及 H2O2，进而将空气中有机污染物降解，将细菌杀灭，从而得到洁净的空气，净化后的空气从壳体的另一端排出，实现了对空气的净化作用。
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