CN109453610B - 一种可充分利用太阳光的空气净化器 - Google Patents

一种可充分利用太阳光的空气净化器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可充分利用太阳光的空气净化器，该装置可利用太阳光实时净化空气，无需紫外灯管。净化器的顶端安装有透镜镜片，镜片外侧镀有TiO2光催化膜，可以利用太阳光中的紫外光；同时，也可将剩余的紫外光及可见光聚焦于光催化组块上，提高能量密度，实现太阳光的高效利用。光催化组块由两块分别负载有TiO2与g‑C3N4/rGO的泡沫镍网组成，能扩大空气与催化剂的接触时间，提高催化效率。净化器底部安装有除臭滤网、HEPA滤网、活性炭滤网、抗菌滤网组成的吸附组块。空气在风扇的作用下由进气口进入净化器内，先后经吸附组块和光催化组块，得到净化。净化后的空气由出气口排出，进一步在镀膜透镜镜片表面发生催化降解。

Description

一种可充分利用太阳光的空气净化器
技术领域
本发明涉及一种空气净化器，尤其是一种可充分利用太阳光的空气净化器。
背景技术
随着社会的发展和人类进步，环境问题成为影响人类可持续发展的一大障碍，其中空气污染尤为严重并且极大威胁人类健康。空气中的污染物如粉尘、甲醛、甲苯及PM2.5等容易引起人类呼吸系统疾病，也是众多癌症的诱因之一。空气净化问题亟待解决。在开阔空间时，由于空气流通等原因，有害气体不易对人体造成危害，而在类似于办公桌、车辆内部等小空间，由于存在不可避免的污染源，空气流通性有限导致污染气体富集，更容易对长时间处于该环境下的人体造成危害，因此这种小空间场合内的空气净化尤为关键。
传统的空气净化器主要以活性炭等吸附剂吸附空气中有害成分，虽然能有效吸附空气中异味及大颗粒污染物，但无法从根本上将污染物去除。并且单一吸附剂对不同气体污染物的吸附效果不同，无法完全吸附真实污染空气中的有害部分。当吸附剂的吸附接近饱和时，吸附剂便无法继续吸附有害成分。为了达到相对持久且有效的净化效果，必须经常更换净化器内部的吸附剂。
近年来光催化技术发展迅速，被认为是解决环境问题有效且便利的技术之一，光催化技术在治理空气方面得到了有效的应用。很多非金属型光催化剂(如g-C3N4)制备便捷且成本低，能够有效利用太阳光中的可见光部分与污染物发生反应从而达到降解消除的作用。并且其对一些气体有机污染物、挥发性有毒气体的降解都有良好的效果。
目前市面上流行的“光触媒”空气净化器，主要使用的是负载有单一TiO2光催化剂的滤网再配以紫外灯照射，但TiO2属于宽禁带半导体，对光的利用率不高。专利CN201721450330.6公开了一种空气净化器，石英凸透镜被放置于紫外灯管和光触媒板之间，其中紫外灯管位于凸透镜的焦点位置，用于汇聚紫外光并照射在光触媒上。但装有紫外灯管的净化器不仅耗能、而且还存在一定程度的安全隐患，过量的紫外光会对人体造成危害，容易引起皮肤病症。相比较之下，采用太阳能的光催化技术是一种绿色安全的空气净化技术，不需要配备紫外灯管，具有节能减排的效果。但由于太阳能的能量密度较低，如何有效利用太阳能中紫外光和可见光，并提高光催化的效率是目前光催化净化器的技术难题。
发明内容
为了解决上述技术中出现的相关问题，本发明旨在提供一种高效太阳光利用的便拆式小空间空气净化器。该系统可以充分利用太阳光线中的紫外光及可见光，具有高的光能利用率，不仅低耗安全而且还可以实现对污染空气的有效净化。
本发明目的的实现方式为：
一种可充分利用太阳光的空气净化器，包括外壳、进气底板、吸附组块、进气风扇、光催化组块，所述外壳包括上箱体和下箱体，下箱体底部的进气底板上设有进气口，上箱体顶部设有出气口，还包括液晶控制显示面板、透镜镜片，所述进气口与净化器底部进气底板设计为一体，所述出气口与液晶控制显示面板、透镜镜片设计在净化器上箱体顶端，所述光催化组块包括两个网状基体，两个网状基体上附着有不同的光催化剂，以利用不同的光，光催化剂附着在网状基体的内部和表面，光催化组块、吸附组块位于透镜镜片正下方并与其平行，与气流流动方向垂直，所述透镜镜片的外侧镀有一层TiO2薄膜。
优选地，上述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，所述透镜镜片的厚度为2-5mm,直径为100mm-120mm。
进一步地，上述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，所述网状基体为泡沫镍网，离透镜镜片近的泡沫镍网表面及内部附着有TiO2光催化剂，离透镜镜片远的泡沫镍网表面和内部附着有g-C3N4/rGO。
优选地，上述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，所述泡沫镍网的厚度为2-4mm,孔隙率为96％-98％。
优选地，上述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，所述光催化剂组块与外壳以卡槽式连接固定。
优选地，上述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，所述进气底板与下箱体螺纹连接，吸附组块可拆卸地放在进气底板上，方便拆卸更换吸附组块。
优选地，上述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，所述液晶控制显示面板能够调节风扇速率、显示时间、气温、湿度等参数，具有多功能的特性。
进一步地，上述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，所述附着有g-C3N4/rGO的泡沫镍网的制备方法为：将g-C3N4与氧化石墨烯按照一定比例混合成浆料，将泡沫镍网完全浸没在浆料中，超声，将内部空气排出，有利于浆料进入，每一面浸渍一定时间后翻面，浸渍完成后取出烘干，然后再浸，重复多次，再将负载有g-C3N4/GO的泡沫镍网置于含有水合肼和氨水的溶液中还原，制得负载有g-C3N4/rGO的泡沫镍网。
进一步地，上述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，所述氧化石墨烯在浆料中的质量百分含量为8％～25％。
优选地，上述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，所述吸附组块包括除臭滤网、活性炭滤网、HEPA滤网和抗菌滤网，不同滤网依次设置。
净化器顶部安装有一片较大面积的普通玻璃透镜，该玻璃透镜为薄凸透镜，透镜外层镀有一层TiO2薄膜，能够有效吸收并利用太阳光中的紫外光，对透镜周围的小空间空气起到净化作用。镀膜透镜镜片一方面增大了净化器搭载催化剂的实际工作面积，增加了空气净化的效率；另一方面还可将太阳光中剩余的可见光及未被利用的紫外光通过透镜有效汇聚并充分照射到光催化组块中负载有光催化剂的金属镍网上，达到充分利用太阳光中可见光部分的目的，提高了光能利用率。相比于现有空气净化器，该结构具有更大光催化活性面积，同时实现了太阳光宽光谱(紫外光+可见光)利用。此外，镀膜的透镜镜片还具有自洁净的特性，便于擦拭和清洁。
净化器内部的风扇能够将周围空气不断吸入至净化器内部。净化器在暗光状态下可以依靠吸附组块的作用部分净化空气。在有光照状态下净化器即可充分工作进一步去除污染空气。该净化器只需要在液晶操作界面点击开始使用即可开始工作，点击关闭净化器停止工作，可以通过调节风扇风速来调节净化速率。
光催化组块中可以有选择性地安装不同数量，负载有不同种类与功能光催化剂的镍网基体。不仅可以高效利用太阳光，而且还可以对特定场合搭载不同的催化剂，从而可以更有效地发生催化反应，能有效去除空气中污染物。除此以外，镍网基体的孔隙率为96％-98％，具备吸附和吸声功能，且镍网为开孔三维结构，待净化空气在流经镍网的过程中，可与镍网基体上所负载的光催化剂充分吸附并发生光降解。分别负载TiO2光催化剂和g-C3N4/rGO光催化剂在泡沫镍网上的优点为：第一，石墨烯具备良好的物理性能，能够有效传输电子；第二，石墨烯也具有良好的吸光特性，可以增加光的吸收；第三，石墨烯在此处也作为一种粘结剂，将催化剂附着在镍网基体上，如果没有石墨烯，催化剂无法比较好的在镍网上附着；第四，二氧化钛可吸收利用紫外光，g-C3N4/rGO可吸收利用紫外光和可见光。
吸附组块可以由多种功能性滤网组成，如除臭滤网、活性炭滤网、HEPA滤网和抗菌滤网，多种功能的滤网复合组成有利于针对不同场合及需要吸附处理不同的污染气体。优选方式为除臭滤网、活性炭滤网、HEPA滤网和抗菌滤网，不同滤网从下到上依次设置。
净化器结构简单，体积小，便于携带。上箱体与下箱体通过内置螺纹连接，便于拆卸更换内部催化剂组件，也可通过调节旋拧的高度来调节光催化组件与顶部透镜的距离以使光催化组块的利用率达到最大。净化器吸附组块安装在下箱体底部通过进气底板定位固定，也便于拆卸更换。
该净化器可用于车载、工作台及小空间情况。但本发明的适用场景不限于此。
本发明的有益效果为：
1.在玻璃透镜上制备一层TiO2光催化薄膜，不仅能够有效利用太阳光中的紫外光，增加光能利用率，而且也增大了净化器催化剂膜的实际工作面积，有利于提高净化器工作效率。
2.使用普通玻璃透镜镀膜，有利于降低成本，同时可将太阳光中的可见光汇聚于光催化组块上，实现太阳光光谱中可见光的高效利用。与现有空气净化器相比，本发明无需紫外灯管，因而也不需要额外的电源，降低使用成本。
3.镀膜玻璃透镜具备自清洁特性，便于擦拭清洁。
4.光催化剂组块中网状基体为大孔隙率的泡沫镍网，这种特殊的三维网状结构有利于增加空气在净化器中的流动路径，增大空气与催化剂的接触时间，有利于污染物的消除从而提高净化器的工作效率，同时还可以吸声，泡沫网自身也可以吸附污染物。
5.分别负载TiO2光催化剂和g-C3N4/rGO光催化剂在泡沫镍网上的优点为：第一，石墨烯具备良好的物理性能，能够有效传输电子；第二，石墨烯也具有良好的吸光特性，可以增加光的吸收；第三，石墨烯在此处也作为一种粘结剂，将催化剂附着在镍网基体上，如果没有石墨烯，催化剂无法比较好的在镍网上附着；第四，二氧化钛可吸收利用紫外光，g-C3N4/rGO可吸收利用紫外光和可见光。
6.光催化剂组块中可搭载多块光催化剂网，有利于提高净化器的工作效率。
7.净化器光催化剂组块和吸附组块安装在下箱体底部通过进气底板定位固定，也便于拆卸更换。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
图1是本发明的结构示意图。
图中1、上箱体，2、下箱体，3、USB接口，4、进气底板，5、吸附组块，6、进气风扇，7、光催化组块，8、液晶控制显示面板，9、透镜镜片。
具体实施方式
【实施例1】空气净化器的构造
下面参照附图，以光催化组块7上附着TiO2及被还原的g-C3N4/rGO光催化滤网，吸附组块分别搭载除臭滤网、活性炭滤网、HEPA滤网和抗菌滤网为例，详述本发明的具体实施方式。
一种可充分利用太阳光的空气净化器，包括外壳、进气底板4、吸附组块5、进气风扇6、光催化组块7，所述外壳包括上箱体1和下箱体2，下箱体2底部的进气底板4上设有进气口，上箱体1顶部设有出气口，还包括液晶控制显示面板8、透镜镜片9，所述进气口与净化器底部进气底板4设计为一体，所述出气口与液晶控制显示面板8、透镜镜片9设计在净化器上箱体1顶端，所述光催化组块7包括两个网状基体，两个网状基体上附着有不同的光催化剂，以利用不同的光，光催化剂附着在网状基体的内部和表面，光催化组块7、吸附组块5位于透镜镜片9正下方并与其平行，与气流流动方向垂直，所述透镜镜片的外侧镀有一层TiO2薄膜。所述透镜镜片9的厚度为2-5mm,直径为100mm-120mm。所述网状基体为泡沫镍网，离透镜镜片近的泡沫镍网表面及内部附着有TiO2光催化剂，离透镜镜片远的泡沫镍网表面和内部附着有g-C3N4/rGO。所述泡沫镍网的尺寸为8cmⅹ8cm，厚度为2-4mm,孔隙率为96％-98％。所述光催化剂组块7与外壳以卡槽式连接固定。所述进气底板4与下箱体2螺纹连接，吸附组块可拆卸地放在进气底板4上，方便拆卸更换吸附组块5。所述液晶控制显示面板8能够调节风扇速率、显示时间、气温、湿度等参数，具有多功能的特性。所述吸附组块5包括除臭滤网、活性炭滤网、HEPA滤网和抗菌滤网，不同滤网依次从下到上设置。所述液晶控制显示面板8固定连接有USB接口3。
本小空间空气净化器的工作流程如下：
图1中虚直线箭头代表光路方向，实曲线箭头代表气流方向。
太阳光在照射到净化器顶部的透镜镜片9时，大部分的紫外光被透镜镜片9上表面的TiO2(9中剖面线部分)吸收，此时的透镜镜片9相当于一块大面积的搭载TiO2光催化剂的载体，可对透镜周围的小空间空气起到净化作用。剩余的紫外光及未被吸收的可见光汇聚在负载有光催化剂的光催化组块7上，风扇6运转时，气体被吸入净化器内部，先经过复合吸附组块5，由除臭滤网去除臭味，由活性炭滤网吸附去除污染空气中的异味、粉尘等大颗粒污染物。由HEPA滤网吸附去除污染空气中的PM0.01、PM0.3、PM2.5等污染物，由抗菌滤网对空气中常见病菌进行杀除。经初步净化的空气继续在风扇6的作用下通过光催化组块7，光催化组件表面和内部的TiO2光催化滤网吸收利用太阳光中剩余的紫外光，光催化组件表面和内部的g-C3N4/rGO光催化滤网吸收利用太阳光中的紫外光和可见光。光照时，气体中残留的污染成分在催化剂的作用下发生反应对空气进行净化，经净化的空气通过上端位于透镜边缘的排气孔排出，并在透镜周围得到进一步的降解从而达到深层净化的目的。使用时只需要在液晶控制显示面板点击开始使用即可开始工作，点击关闭净化器停止工作。旋拧上箱体1与下箱体2打开净化器即可更换光催化组块。从底部拆卸进气底板4即可更换吸附组块5。
该净化器中的光催件组件内部的催化剂网可更换，太阳光利用率高、功能选择性大，能有效去除空气中醛类等污染物。净化器结构简单，体积小，便于清洁和携带。上箱体与下箱体通过内置螺纹连接，便于拆卸更换内部催化剂组件，也可通过调节旋拧的高度来调节光催化组件与顶部透镜的距离。净化器吸附组块安装在下箱体底部通过进气底板定位固定，也便于拆卸更换。
【实施例2】
实施例1中负载有TiO2光催化剂的泡沫镍网的制备方法为：
采用电化学沉积法或者提拉法将TiO2光催化剂附着在泡沫镍网上。
【实施例3】
实施例1中负载有g-C3N4/rGO光催化剂的泡沫镍网的制备方法为：
将g-C3N4与氧化石墨烯(GO)按照3:1的比例混合成浆料，将泡沫镍网完全浸没在浆料中，先超声2分钟左右将内部空气排出，有利于浆料进入。每一面浸渍20min后翻面，浸渍完成后取出50度烘干，然后再浸。重复3次。再将负载有g-C3N4/GO的泡沫镍网置于400ppm的水合肼和氨水溶液中50度还原0.5h，制得负载有g-C3N4/rGO的泡沫镍网。
【实施例4】光催化组块的制备方法
实施例1中负载有g-C3N4/rGO光催化剂的泡沫镍网的制备方法为：
将g-C3N4与氧化石墨烯(GO)按照7:1的比例混合成浆料，将泡沫镍网完全浸没在浆料中，先超声1分钟左右将内部空气排出，有利于浆料进入。每一面浸渍10min后翻面，浸渍完成后取出60度烘干，然后再浸。重复4次。再将负载有g-C3N4/GO的泡沫镍网置于400ppm的水合肼和氨水溶液中60度还原1h，制得负载有g-C3N4/rGO的泡沫镍网。【实施例5】光催化组块的制备方法
实施例1中负载有g-C3N4/rGO光催化剂的泡沫镍网的制备方法为：
将g-C3N4与氧化石墨烯(GO)按照9:1的比例混合成浆料，将泡沫镍网完全浸没在浆料中，先超声1分钟左右将内部空气排出，有利于浆料进入。每一面浸渍10min后翻面，浸渍完成后取出60度烘干，然后再浸。重复4次。再将负载有g-C3N4/GO的泡沫镍网置于400ppm的水合肼和氨水溶液中60度还原1h，制得负载有g-C3N4/rGO的泡沫镍网。【实施例6】光催化组块的制备方法
实施例1中负载有g-C3N4/rGO光催化剂的泡沫镍网的制备方法为：
将g-C3N4与氧化石墨烯(GO)按照11:1的比例混合成浆料，将泡沫镍网完全浸没在浆料中，先超声2分钟左右将内部空气排出，有利于浆料进入。每一面浸渍20min后翻面，浸渍完成后取出50度烘干，然后再浸。重复3次。再将负载有g-C3N4/GO的泡沫镍网置于400ppm的水合肼和氨水溶液中50度还原0.5h，制得负载有g-C3N4/rGO的泡沫镍网。在实施例3-实施例6中，实施例5为最优实施例，g-C3N4和GO按照9:1混合时，得到的光催化组块光催化效果最好。

Claims (8)

1.一种可充分利用太阳光的空气净化器，包括外壳、进气底板、吸附组块、进气风扇、光催化组块，所述外壳包括上箱体和下箱体，下箱体底部的进气底板上设有进气口，上箱体顶部设有出气口，其特征在于，还包括液晶控制显示面板、透镜镜片，所述进气口与净化器底部进气底板设计为一体，所述出气口与液晶控制显示面板、透镜镜片设计在净化器上箱体顶端，所述光催化组块包括两个网状基体，两个网状基体上附着有不同的光催化剂，以利用不同的光，光催化剂附着在网状基体的内部和表面，光催化组块、吸附组块位于透镜镜片正下方并与其平行，与气流流动方向垂直，所述透镜镜片的外侧镀有一层TiO2薄膜；
所述网状基体为泡沫镍网，离透镜镜片近的泡沫镍网表面及内部附着有TiO2光催化剂，离透镜镜片远的泡沫镍网表面和内部附着有g-C3N4/rGO；
所述吸附组块包括除臭滤网、活性炭滤网、HEPA滤网和抗菌滤网，不同滤网依次设置。
2.根据权利要求1所述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，其特征在于，所述透镜镜片的厚度为2-5mm,直径为100mm-120mm。
3.根据权利要求1所述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，其特征在于，所述泡沫镍网的厚度为2-4mm,孔隙率为96%-98%。
4.根据权利要求1所述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，其特征在于，所述光催化组块与外壳以卡槽式连接固定。
5.根据权利要求1所述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，其特征在于，所述进气底板与下箱体螺纹连接，吸附组块可拆卸地放在进气底板上，方便拆卸更换吸附组块。
6.根据权利要求1所述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，其特征在于，所述液晶控制显示面板能够调节风扇速率、显示时间、气温、湿度，具有多功能的特性。
7.根据权利要求1所述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，其特征在于，附着有g-C3N4/rGO的泡沫镍网的制备方法为：将g-C3N4与氧化石墨烯按照一定比例混合成浆料，将泡沫镍网完全浸没在浆料中，超声，将内部空气排出，有利于浆料进入，每一面浸渍一定时间后翻面，浸渍完成后取出烘干，然后再浸，重复多次，再将负载有g-C3N4/GO的泡沫镍网置于含有水合肼和氨水的溶液中还原，制得负载有g-C3N4/rGO的泡沫镍网。
8.根据权利要求7所述的一种可充分利用太阳光的空气净化器，其特征在于，所述氧化石墨烯在浆料中的质量百分含量为8%~25%。
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