CN110013564B - 一种光动力室内空气循环杀菌系统 - Google Patents

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Abstract

一种光动力室内空气循环杀菌系统，包括设置在室内的甲醛传感器和PM2.5传感器，两个传感器均与控制装置的信号端相连，控制装置同时还连接有光源以及进风装置、出风装置，在进、出风装置之间又设置有壳体，壳体内设置有过滤组件和杀菌组件；所述的杀菌组件9包括三层致密HEPA过滤层，HEPA过滤层表面涂有光动力纳米颗粒Ag@TiO2；在光源的照射下，Ag@TiO2产生超氧负离子和氢氧自由基，其具有很强的氧化性，起到对空气细菌病毒的灭活杀菌作用，最后将过滤杀菌过的新鲜空气经由出风装置排出该系统，本发明提出的光动力室内空气循环杀菌系统相较于传统的杀菌方式，采用自然光作为光源，具有成本低、无毒副作用且适用场景广泛的优势；可以实现对室内空气的净化。

Description

一种光动力室内空气循环杀菌系统
技术领域
本发明涉及空气杀菌技术领域，特别涉及一种光动力室内空气循环杀菌系统
背景技术
目前，我国雾霾天气越来越多，雾霾天空气中细菌和真菌含量是非雾霾天含量的4-5倍。且调查研究显示室内空气污染程度常常比室外空气污染严重2～3倍，在某些情况下，甚至可达100多倍。我国起码有65％以上的人群，都是因为室内空气污染的原因导致出现各种身体疾病，其中儿童占比达到了70％，据统计，人的一生中80％以上的时间是在室内微观环境中度过的，因此人们呼吸的空气大部分来自于室内微环境，且与室内各种污染物接触的机会和时间均多于室外，是引起人类许多传染性疾病的祸根，所以室内空气细菌污染逐渐成为国内外学者研究的热点，也使得微生物污染成为目前提高室内空气品质亟待解决的问题。目前，现有的空气杀菌技术有高效过滤技术、静电除菌技术、负离子空气净化技术、紫外线杀菌技术和脉冲强光杀菌技术等。
光动力的原理为，用特定波长的激光照射光敏剂使其受到激发，而激发态的光敏剂又把能量传递给周围的氧，生成活性很强的单态氧，单态氧和相邻的生物大分子发生氧化反应，产生细胞毒性作用，进而导致细胞受损乃至死亡，目前一般用于肿瘤的诊断和诊疗中，此外在尖锐湿疣治疗、痤疮、鲜红斑痣(海姆泊芬)等皮肤病也有应用，但是很少有将光动力应用在空气杀菌中。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光动力室内空气循环杀菌系统，利用纳米材料Ag@TiO2的光动力特征灭活细菌，同时，利用白光作为光动力光源降低了系统成本，具有成本低、无毒副作用且适用场景广泛的优势，相较于市面上现有的紫外线灭菌、脉冲强光杀菌、高压电杀菌、臭氧杀菌方式，该系统以较温和的方式实现了高效灭菌的目的，此外，该系统利用控制装置可以实现进出风装置和光源的开闭自动控制，实现了节能环保。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种光动力室内空气循环杀菌系统，包括设置在室内的甲醛传感器3和PM2.5传感器4，两个传感器均与控制装置2的信号端相连，控制装置2同时还连接有光源5以及进风装置6、出风装置7，在进风装置6和出风装置7之间又设置有壳体10，壳体10内设置有过滤组件8和杀菌组件9；
所述的过滤组件8包括依次叠压的胶化棉粗过滤网、HEPA过滤层和活性炭吸附层。
所述的杀菌组件9包括三层致密HEPA过滤层，且每层都与壳体10水平方向呈45°角，HEPA过滤层表面涂有光动力纳米颗粒Ag@TiO2。
所述光源5采用白光光源。
所述的进风装置6、出风装置7均是各由一个风扇组成，其中，进、出口风扇叶片都按照顺时针方向转动。
所述的控制装置2设置空气质量指数阈值，当甲醛浓度高于0.1毫克每立方米或者PM2.5浓度高于75微克每立方米时，控制装置2就会自动打开出风装置7和光源5，且当二者浓度都低于这一标准时，控制装置2自动关闭进风装置6和光源5。
所述的光动力纳米颗粒Ag@TiO2，其制备方法步骤包括：
S1、首先合成纳米Ag种子液
将20mL的规格为1％(w/v)柠檬酸钠溶液以及75ml去离子H2O，在70℃水浴磁力搅拌15min，同时向溶液中滴加1.7mL的规格为1％(w/v)的硝酸银AgNO3溶液以及2ml的规格为1％(w/v)NaBH4溶液；25℃温度下，磁力搅拌反应1小时，室温静置，反应液冷却后使用容量瓶将其定容至100mL。
S2、使用种子生长法合成制备20nm纳米银胶体溶液
将2mL规格为1％(w/v)的柠檬酸钠溶液与80mL水摇晃混匀，加热至沸腾；向反应液中加入10mL Ag种子液，然后加入1.7mL规格为1％(w/v)的AgNO3溶液，持续加热反应1小时后离心收集沉淀，用去离子水洗涤2次后，配置成约0.01M的纳米银胶体溶液保存待用。
S3、TiCl3在弱酸性条件下水解生成TiO2前体Ti(OH)4吸附在纳米Ag颗粒表面，Ti(OH)4包覆过程如下，在27℃室温下用电子天平准确称取0.3905g NaHCO3溶于5mL去离子水中，使用玻璃棒搅拌配置0.93mol/L的NaHCO3溶液，伴随着磁力搅拌，向锥形瓶中预先加入8mL去离子水，向瓶中缓慢滴加0.3mL的TiCl3溶液(市售阿拉丁品牌，规格唯一)，随后向反应液中滴加1.5mL的NaHCO3溶液，待溶液颜色变深时，立即一次性加入已经制备好的纳米银胶体溶液，继续反应30min；待反应结束后，将制备的Ag@TiO2溶液于10000rpm离心15min，多次离心洗涤，除去溶液中多余的TiO2前体。
S4、高温煅烧合成成晶形Ag@TiO2；
将S3所得产物Ag@Ti(OH)4放置干净离心管中，在-20℃冰箱中过夜静置，然后将离心管转移至冷冻干燥机中，-50℃冷冻干燥8小时，收集干燥后的粉末并将其转移至干净的坩埚内，使用马弗炉煅烧样品，煅烧条件为：升温速率v＝5℃/min，煅烧温度T＝450℃，保温时间t＝2h，冷却方式为自然冷却，煅烧结束后，使用研磨将固体碾碎为细小粉末溶于去离子水中。
本发明具有如下优点：
(1)本发明提出的光动力室内空气循环杀菌系统相较于传统的杀菌方式，采用自然光作为光源，具有成本低，适用场景广泛的优势。
(2)杀菌过程中对人体无任何副作用，使用时间无限制。
(4)控制装置2通过传感器实时监测空气指标，实现智能化和环保化。
(5)杀菌组件9的HEPA过滤层表面涂有纳米材料Ag@TiO2，利用TiCl3作为钛源，采用水热法合成，相比有机合成方法更便捷且毒性较小。
附图说明
图1为本发明实施例光动力室内空气循环杀菌系统示意图。
图2为本发明实施例过滤层和杀菌层主视图。
图3为本发明实施例进出风系统风扇主视图。
图4为本发明实施例纳米银、Ag@TiO2紫外可见吸收光谱。
图5为本发明实施例Ag@TiO2电镜图。
图6为本发明实施例Ag@TiO2高分辨图像。
图7为光动力纳米颗粒Ag@TiO2制备流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做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，一种光动力室内空气循环杀菌系统，包括设置在室内的甲醛传感器3和PM2.5传感器4，两个传感器均与控制装置2的信号端相连，控制装置2同时还连接有光源5以及进风装置6、出风装置7，在进风装置6和出风装置7之间又设置有壳体10，壳体10内设置有过滤组件8和杀菌组件9。
所述的过滤组件8包括依次叠压的胶化棉粗过滤网、HEPA过滤层和活性炭吸附层，用于将空气中的毛发、皮屑、PM10、PM2.5、甲醛、二手烟、TVOC、花粉、尘螨等过滤；其正视图如图2所示，室内空气经由进风装置6进入该系统，依次经由这三层过滤，实现对空气中不同粒径，不同组分杂质的过滤。可有效过滤到空气中20微米以上的大小的飘尘，用于将空气中的毛发、皮屑等较大的颗粒过滤掉，HEPA过滤层用于过滤空气中PM2.5，对直径为0.3微米的颗粒物有效去除率可以达到99.74％以上，可用于过滤空气中PM2.5，活性炭吸附层拥有较强的吸附能力，可强力吸附甲醛、TVOC等有害气体；经过过滤的空气接下来进入到杀菌组件当中。
所述的杀菌组件9包括三层致密HEPA过滤层，且每层都与壳体10水平方向呈45°角，使其上方白光光源5可以照射在HEPA过滤层上，HEPA过滤层表面涂有光动力纳米颗粒Ag@TiO2；在白光光源的照射下，Ag@TiO2可产生超氧负离子(O2-)和氢氧自由基(HO·)，其具有很强的氧化性，起到对空气细菌病毒的灭活杀菌作用。
所述光源5采用白光光源。
所述的进风装置6、出风装置7均是各由一个风扇组成，风扇叶片主视图如图3所示，其中，进、出口风扇叶片都按照顺时针方向转动，分别用于将室内空气吸入系统和将过滤杀菌过的新鲜空气排出；风扇配备的电机为无刷交流电机，风速可达10000RPM，风量达0.06m3/min。
所述的控制装置2与进风装置6、出风装置7、光源5、甲醛传感器3和PM2.5传感器4都相连；甲醛传感器和PM2.5传感器，分别用于实时检测空气中的甲醛和PM2.5含量，来代表室内空气质量，并将检测数值传输给控制装置2；若传感器检测到空气质量指数AQI低于设定阈值时，则将这一信息传给控制装置2，控制装置2控制进、出风装置和光源5自动打开。
所述的控制装置2由单片机、继电器等电子元器件实现，设置空气质量指数阈值，当甲醛浓度高于0.1毫克每立方米或者PM2.5浓度高于75微克每立方米时，控制装置就会自动打开进出风装置和光源，且当二者浓度都低于这一标准时，控制装置自动关闭进出风装置和光源。
如图7所示，所述的光动力纳米颗粒Ag@TiO2，其制备方法步骤包括：
S1、首先合成纳米Ag种子液
将20mL的规格为1％(w/v)柠檬酸钠溶液以及75ml去离子H2O，在70℃水浴磁力搅拌15min。同时向溶液中滴加1.7mL的规格为1％(w/v)的硝酸银AgNO3溶液以及2ml的规格为1％(w/v)NaBH4溶液；25℃温度下，磁力搅拌反应1小时，室温静置，反应液冷却后使用容量瓶将其定容至100mL。
S2、使用种子生长法合成制备20nm纳米银胶体溶液
将2mL规格为1％(w/v)的柠檬酸钠溶液与80mL水摇晃混匀，加热至沸腾。向反应液中加入10mL Ag种子液，然后加入1.7mL规格为1％(w/v)的AgNO3溶液，持续加热反应1小时后离心收集沉淀，用去离子水洗涤2次后，配置成约0.01M的纳米银胶体溶液保存待用。
S3、TiCl3在弱酸性条件下水解生成TiO2前体Ti(OH)4吸附在纳米Ag颗粒表面，Ti(OH)4包覆过程如下，在27℃室温下中用电子天平准确称取0.3905g NaHCO3溶于5mL去离子水中，使用玻璃棒搅拌配置0.93mol/L的NaHCO3溶液，伴随着磁力搅拌，向锥形瓶中预先加入8mL去离子水，向瓶中缓慢滴加0.3mL的TiCl3溶液(市售阿拉丁品牌，规格唯一)，随后向反应液中滴加1.5mL的NaHCO3溶液，待溶液颜色变深时，立即一次性加入已经制备好的纳米银胶体溶液，继续反应30min；待反应结束后，将制备的Ag@TiO2溶液于10000rpm离心15min，多次离心洗涤，除去溶液中多余的TiO2前体。
S4、高温煅烧合成成晶形Ag@TiO2；
将S3所得产物Ag@Ti(OH)4放置干净离心管中，在-20℃冰箱中过夜静置，然后将离心管转移至冷冻干燥机中，-50℃冷冻干燥8小时，收集干燥后的粉末并将其转移至干净的坩埚内，使用马弗炉煅烧样品，煅烧条件为：升温速率v＝5℃/min，煅烧温度T＝450℃，保温时间t＝2h，冷却方式为自然冷却，煅烧结束后，使用研磨将固体碾碎为细小粉末溶于去离子水中。
所制备的Ag@TiO2电镜图如图5所示，Ag@TiO2高分辨图像如图6所示。
本发明的工作原理为：
控制装置2根据甲醛传感器3和PM2.5传感器4检测到空气质量指数AQI，控制进风装置6、出风装置7和光源5自动打开，将室内空气吸入系统，室内空气经由进风装置6首先进入该系统中的过滤组件，依次经由三层过滤网过滤，实现对空气中不同粒径，不同组分杂质的过滤。其中胶化棉粗过滤网可有效过滤到空气中20微米以上的大小的飘尘，将空气中的毛发、皮屑等较大的颗粒过滤掉；HEPA过滤层对直径为0.3微米的颗粒物有效去除率可以达到99.74％以上，可用于过滤空气中PM2.5；活性炭吸附层拥有较强的吸附能力，可强力吸附甲醛、TVOC等有害气体；活性炭吸附层可强力吸附甲醛、TVOC等有害气体；经过初步过滤的空气接下来进入到杀菌组件9当中；杀菌组件9由三层更致密的HEPA过滤层构成，且每层都与壳体水平方向呈45°角，使其上方白光光源可以照射在过滤层表面，其次在每层的HEPA过滤层表面都涂有光敏剂Ag@TiO2，在白光光源的照射下，Ag@TiO2产生超氧负离子(O2-)和氢氧自由基(HO·)，其具有很强的氧化性，起到对空气细菌病毒的灭活杀菌作用。最后将过滤杀菌过的新鲜空气经由出风装置7排出该系统。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本职脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种光动力室内空气循环杀菌系统，其特征在于，包括设置在室内的甲醛传感器(3)和PM2.5传感器(4)，两个传感器均与控制装置(2)的信号端相连，控制装置(2)同时还连接有光源(5)以及进风装置(6)、出风装置(7)，在进风装置(6)和出风装置(7)之间又设置有壳体(10)，壳体(10)内设置有过滤组件(8)和杀菌组件(9)；
所述的过滤组件(8)包括依次叠压的胶化棉粗过滤网、HEPA过滤层和活性炭吸附层；
所述的杀菌组件(9)包括三层致密HEPA过滤层，且每层都与壳体(10)水平方向呈45°角，HEPA过滤层表面涂有光动力纳米颗粒Ag@TiO2；光源5采用白光光源；
所述的光动力纳米颗粒Ag@TiO2，其制备方法步骤包括：
S1、首先合成纳米Ag种子液
将20mL的规格为1％(w/v)柠檬酸钠溶液以及75ml去离子H2O，在70℃水浴磁力搅拌15min，同时向溶液中滴加1.7mL的规格为1％(w/v)的硝酸银AgNO3溶液以及2ml的规格为1％(w/v)NaBH4溶液；25℃温度下，磁力搅拌反应1小时，室温静置，反应液冷却后使用容量瓶将其定容至100mL；
S2、使用种子生长法合成制备20nm纳米银胶体溶液
将2mL规格为1％(w/v)的柠檬酸钠溶液与80mL水摇晃混匀，加热至沸腾；向反应液中加入10mL Ag种子液，然后加入1.7mL规格为1％(w/v)的AgNO3溶液，持续加热反应1小时后离心收集沉淀，用去离子水洗涤2次后，配置成约0.01M的纳米银胶体溶液保存待用；
S3、TiCl3在弱酸性条件下水解生成TiO2前体Ti(OH)4吸附在纳米Ag颗粒表面，Ti(OH)4包覆过程如下，在27℃室温下用电子天平准确称取0.3905g NaHCO3溶于5mL去离子水中，使用玻璃棒搅拌配置0.93mol/L的NaHCO3溶液，伴随着磁力搅拌，向锥形瓶中预先加入8mL去离子水，向瓶中缓慢滴加0.3mL的TiCl3溶液，随后向反应液中滴加1.5mL的NaHCO3溶液，待溶液颜色变深时，立即一次性加入已经制备好的纳米银胶体溶液，继续反应30min；待反应结束后，将制备的Ag@TiO2溶液于10000rpm离心15min，多次离心洗涤，除去溶液中多余的TiO2前体；
S4、高温煅烧合成成晶形Ag@TiO2；
将S3所得产物Ag@Ti(OH)4放置干净离心管中，在-20℃冰箱中过夜静置，然后将离心管转移至冷冻干燥机中，-50℃冷冻干燥8小时，收集干燥后的粉末并将其转移至干净的坩埚内，使用马弗炉煅烧样品，煅烧条件为：升温速率v＝5℃/min，煅烧温度T＝450℃，保温时间t＝2h，冷却方式为自然冷却，煅烧结束后，使用研磨将固体碾碎为细小粉末溶于去离子水中。
2.根据权利要求1所述的一种光动力室内空气循环杀菌系统，其特征在于，所述的进风装置(6)、出风装置(7)均是各由一个风扇组成，其中，进、出口风扇叶片都按照顺时针方向转动。
3.根据权利要求1所述的一种光动力室内空气循环杀菌系统，其特征在于，所述的控制装置(2)设置空气质量指数阈值，当甲醛浓度高于0.1毫克每立方米或者PM2.5浓度高于75微克每立方米时，控制装置(2)就会自动打开出风装置(7)和光源(5)，且当二者浓度都低于这一标准时，控制装置(2)自动关闭进风装置(6)和光源(5)。
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