CN110585904A - 一种光热催化降解室内挥发性有机物的装置 - Google Patents

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Abstract

一种光热催化降解室内挥发性有机物的装置，包括：催化反应室，包括中空壳体以及设置于壳体内的聚光元件，壳体上设有光线入射窗口、排气口以及温度探测孔，聚光元件装于中空壳体内，聚光元件的弧形反光面与光线入射窗口相对布置共同围成催化反应腔；催化剂固定部，设置于光线入射窗口内壁面的光线汇聚处；净化器，设置于催化反应室的中空壳体第一端部，净化器的进气口与催化反应室外部连通，净化器的出气口与中空壳体的催化反应腔连通；气流推动设备，设置于净化器的进气口处；以及温度调节装置，包括温控仪以及热电偶。本发明的有益效果是：在聚光太阳光光线下的光催化反应，不需要外加能源输入，降解效率高，具有很广阔的市场前景。

Description

一种光热催化降解室内挥发性有机物的装置
技术领域
本发明涉及一种光热催化降解室内挥发性有机物的装置，属于挥发性有机气体降解领域。
背景技术
化工产品的应用给我们的生活带来了很多方便，但也造成了一些不可避免的环境问题，如挥发性有机气体对空气的污染。这严重影响着人们的身体健康，而甲醛就是其中非常普遍而又影响较大的挥发性有机气体气体，甲醛的来源，如家具制品，木地板，服饰，汽车等。光催化降解甲醛等室内挥发性有机物，是人们利用太阳能降解有机气体的一个重要手段，利用光照射在光催化材料上产生具有氧化和还原性质的电子和空穴，从而将甲醛氧化为CO2和H2O。
太阳能占地球上总能源的99％，其取之不尽、用之不竭，对环境友好的特征使得科研人员不断探索高效利用太阳能。现阶段对太阳能的利用有太阳能光催化还原CO2、太阳能光催化降解有机物、太阳能光伏发电、太阳能光热发电等。太阳能光催化主要是以利用紫外线为主，而紫外线占太阳能的比例比较少。光热利用这一方面也是粗略的利用太阳能的宏观能量。另一方面，普通的太阳能能量密度低，无法直接高效利用，而且一天当中，太阳不断运动，因此太阳能的利用环境也不稳定。
发明内容
本发明旨在一定程度上解决光照条件下，光催化剂上进行的光催化反应的反应速率慢、降解效率低的问题。这个问题的一方面是光催化材料的原因，金属氧化物半导体光催化剂只对特定波长的光具有响应，而这部分光线所占得太阳能比例非常少(仅3％)，所以可以发生有效光电转换的光线强度弱，另一方面，光照条件下产生的光生电子和空穴会出现复合现象，从而减弱光催化效果。
本发明所述的一种光热催化降解室内挥发性有机物的装置，其特征在于，包括：
催化反应室，包括中空壳体以及设置于壳体内的聚光元件，壳体上设有用于透光的光线入射窗口、用于排气的排气口以及温度探测孔，聚光元件装于中空壳体内，聚光元件的弧形反光面与光线入射窗口相对布置共同围成催化反应腔，用于将入射光线汇聚于催化剂固定部；
催化剂固定部，设置于光线入射窗口内壁面的光线汇聚处，用于固定催化剂；
净化器，设置于催化反应室的中空壳体第一端部，净化器的进气口与催化反应室外部连通，净化器的出气口与中空壳体的催化反应腔连通；
气流推动设备，设置于净化器的进气口处，用于推动聚光元件内气体流动；
以及温度调节装置，包括温控仪以及热电偶，其中温控仪的控制端口与热电偶的控制连接端电连接，热电偶插入温度探测孔内，用于测定并控制催化反应腔内的催化剂卡槽中催化剂的温度。
所述中空壳体底部配有底架。
所述中空壳体沿轴向分成催化段和过渡段，过渡段一端与净化器连通，另一端与催化段一体成型；所述催化段为空心长方体结构，其中催化段其中一壁面嵌装平面石英玻璃作为光线入射窗口，以供光线射入催化反应腔内。
所述聚光元件包括玻璃钢支撑曲面和弧形反光面，其中支撑架设置于中空壳体内，弧形反光面贴覆于玻璃钢支撑曲面表面，与光线入射窗口共同拼成催化反应腔；所述玻璃钢支撑曲面的横截面为抛物线，且抛物线的对称轴与光线入射窗口垂直，使得经弧形反光面反射的光线汇聚于光线入射窗口的中心轴处。
所述玻璃钢支撑曲面与中空壳体一体成型。
所述气流推动设备为风扇，风扇嵌装于中空壳体的第二端部，用于将外界含有挥发性有机物的气体推入催化反应室内。
所述催化剂固定部为条形卡槽，并且条形卡槽沿光线入射窗口中心轴布置于光线汇聚处，条形卡槽上设有设有可供气体穿过的通气孔。
本发明研究是在真实太阳光下，通过聚光元件实现高光强下光催化降解甲醛等室内挥发性有机物，应用这种方法来研究以聚光太阳能为光源，在高温、高光强条件下光催化剂降解甲醛等室内挥发性有机物。
光催化降解甲醛是以太阳能为能量，在光催化剂作用下高效降解甲醛的技术，整个过程有工艺简单，无二次污染，降解效率高等优点。但是光催化降解甲醛的效率较低，因此该技术还有待改进。
为了证明有无相同或类似的专利，通过专利检索网站，以光催化降解、聚光光催化、甲醛降解、空气净化器为检索词，截止到2019年7月份共检索到国内公开发表的中文专利78篇，其中相关专利52篇，密切相关专利13篇，但没有与本发明相同的方法及甲醛降解的净化器用于降解甲醛气体的研究。
从催化剂方面出发研究逐步取得了一定的成果，而本发明通过聚光增加总的光强，即利用本发明设计的聚光光催化反应装置将太阳光进行聚集得到高光强的太阳能光束，照射在反应器的玻璃窗口上为实验提供光源。这是一种高效，具有工业应用价值的光催化降解甲醛等室内挥发性有机物的方法。
在聚光条件下，对催化剂以及空气的加热，从而实现光热协同下的光催化反应。聚光光束带来的60mW/cm2到1000mW/cm2的能量省略了通过其他方式的能量输入(如，电热、高温水蒸气、其他方式)，并且实现了催化剂和反应气体温度可以调节。
一天当中，太阳不断运动，太阳光光线入射反应器的角度不断改变，为了可以得到稳定的入射光光源，本发明设计利用的是聚光元件具有弧形反光面，以及在催化反应室底部通过转动轴与底架连接；这在一定程度上解决了太阳能利用中的日平均接受效率偏低的问题，解决了光催化降解甲醛反应中光源内紫外线浓度太小而使得反应的产率太小的问题。
本发明在光热催化降解室内挥发性有机物的装置的一端设计了一个风扇，通过这个风扇可以使得净化器内的空气流动起来，从而实现连续净化房间内的空气，风扇在这里作为推动气体流动的动力设备。另一方面，风扇转动时也会对空气气流产生搅拌作用。
为了满足净化器与风扇的体积比例以及缓冲空气气流，本发明在装置与风扇之间设计了四棱柱型的管道连接。
为了将光斑照射在光催化剂上，本发明在太阳光光线入射窗口中轴线下方设计了带有通气孔的条形卡槽。这样的设计可以使得光线可以从上下两面照射在催化剂上，条形卡槽上的通气孔可以实现与空气的交换。
为了满足聚光条件下高温、高光强的太阳能，本发明中催化剂的制备采用的是阳极氧化法制备，得到的催化剂是片状的，且催化剂片的正反两面均电解氧化生成了纳米管催化剂层，有助于接收太阳光光线。
本发明是在发现以真实太阳光为光源在聚光条件下具有高的光催化降解甲醛的效率后设计出来的光热催化降解室内挥发性有机物的装置。在一些方法中也是在光照条件下进行光催化降解甲醛或其他VOCs，但他们的实验中光源多为模拟光源(如，氙灯，汞灯)，并且实验中的温度一般不进行控制或者是通过其他热源来控制，本发明方法中通过聚光步骤实现温度控制，以真实太阳光为光源经过聚集及作为光催化实验的光源，实现温度控制。
本发明的有益效果是：在模拟装置上，聚光后的光强可以从普通光源的60mW/cm2到达1000mW/cm2；催化剂温度可以达到200-500℃，反应器内气体温度可以达到100-300℃；在聚光太阳光光线下的光催化反应，不需要外加能源输入，降解效率高，具有很广阔的市场前景。
附图说明
图1是本发明的结构图。
图2是本发明的主视图。
图3是本发明的左视图。
图4是本发明实施例3和实施例5的甲醛的浓度变化量—时间曲线。
图5展示了复合抛物面聚光器聚光原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
参照附图：
实施例1本发明所述的一种光热催化降解室内挥发性有机物的装置，包括：
催化反应室1，包括中空壳体11以及设置于壳体内的聚光元件12，中空壳体11上设有用于透光的光线入射窗口111、用于排气的排气口112以及温度探测孔113，聚光元件12装于中空壳体11内，聚光元件11的弧形反光面与光线入射窗口111相对布置共同围成催化反应腔，用于将入射光线汇聚于催化剂固定部2；
催化剂固定部2，设置于光线入射窗口111内壁面的光线汇聚处，用于固定催化剂；
净化器3，设置于催化反应室1的中空壳体11第一端部，净化器3的进气口与催化反应室1外部连通，净化器3的出气口与中空壳体11的催化反应腔连通；
气流推动设备4，设置于净化器3的进气口处，用于推动聚光元件内气体流动；
以及温度调节装置5，包括温控仪以及热电偶，其中温控仪的控制端口与热电偶的控制连接端电连接，热电偶插入温度探测孔内，用于测定并控制催化反应腔内的催化剂卡槽中催化剂的温度。
所述中空壳体11底部配有底架13。
所述中空壳体11沿轴向分成催化段和过渡段，过渡段一端与净化器3连通，另一端与催化段一体成型；所述催化段为空心长方体结构，其中催化段其中一壁面嵌装平面石英玻璃作为光线入射窗口，以供光线射入催化反应腔内。
所述聚光元件12包括玻璃钢支撑曲面和弧形反光面，其中支撑架设置于中空壳体内，弧形反光面贴覆于玻璃钢支撑曲面表面，与光线入射窗口共同拼成催化反应腔；所述玻璃钢支撑曲面的横截面为抛物线，且抛物线的对称轴与光线入射窗口垂直，使得经弧形反光面反射的光线汇聚于光线入射窗口的中心轴处。
所述玻璃钢支撑曲面与中空壳体一体成型。
所述气流推动设备4为风扇，风扇嵌装于净化器的进气口处，用于将外界含有挥发性有机物的气体推入催化反应室内。
所述催化剂固定部2为条形卡槽，并且条形卡槽沿光线入射窗口中心轴布置于光线汇聚处，条形卡槽上设有设有可供气体穿过的通气孔。
为了实现高效稳定利用太阳能，采用了光热协同催化的原理，并设计了聚光光催化反应装置，为了实现高效稳定利用太阳能，本专利发明设计利用了反射式的复合抛物面聚光器为聚光元件12，该元件能够将接收角范围内的入射光线聚集到接受体上，达到理论最大聚光比。并且聚光后的光斑能始终保持在反应系统的催化剂固定部2上，为光催化反应提供可靠的真实太阳光光源，从而持续高效降解挥发性有机物。弧形反光面由玻璃钢支撑曲面和铝膜组成，在玻璃钢支撑曲面的内表面压制有铝膜，铝膜的表面有氧化铝镀层。在净化器的一端设置了一个风扇4，作为推动气体流动的动力设备，从而实现连续净化室内空气。在聚光光催化系统与推动气体流动的动力设备—风扇4之间是以四棱柱型的通道连接。采用了金属氧化物半导体纳米材料作为光催化剂，为高光强的太阳能光束光源提供合适的催化能力。在光照条件下，催化剂与室内挥发性有机物如甲醛等在反应器内发生气固相反应。所述的太阳能聚光光束不仅为反应提供了光源，而且为反应体系输入了热能，使反应体系温度得到大幅提高，催化剂温度可以调节，最高可达到500℃。在于光源不是单纯的某一波长范围的某一种或几种光线，该方法不仅利用了太阳光中的紫外线，同时也利用了太阳光中的长波光线用来为反应提供能量，弥补了半导体催化剂只对紫外光具有光响应的太阳能光利用缺陷，使太阳能中的不同光线各展所长。为了接收太阳光以及能与复合抛物面聚光器耦合起来，本专利设计了矩形的玻璃窗口，在真实太阳光下经过复合抛物面聚光器聚集的光束照射在玻璃窗的轴线上，同时我们将催化剂片固定在光线入射的玻璃窗中轴线上，从而实现光催化反应。为了能将催化剂固定在玻璃窗口的中轴线上，在玻璃窗中轴线两端设计了条形卡槽。本专利利用了聚光技术，将低能量密度的自然光聚集为高能量密度、高辐照度的光束，为光催化降解甲醛提供了光源，为了提高太阳能利用率，在净化器底部设计了底座。
实施例2光热催化降解室内挥发性有机物的装置的说明和试制：目标装置原理如图5所示，结构示意图如图1、2、3所示。规格可以根据所使用场所的情况作出相应调整。如普通家庭房间内的尺寸规格可以设计为：60×40×40(mm)，聚光元件的中空壳体及四棱柱管路可以是不锈钢材料(1mm)，通过焊接密封。由聚光元件、石英玻璃材质的光线入射窗口和中空壳体组装起来的装置通过密封胶将缝隙密封。在装置的一端设计安装了一个风扇(转速可调)——推动气体流动以及保证净化器内污染物浓度分布均匀。条形卡槽材质为玻璃(3mm)，设计在入射窗口的石英玻璃的中心轴线上，条形卡槽底部和两侧面打孔。排气口设置在净化器右端的两侧靠上位置；为了实验了解聚光条件，配备了热电偶，测量温度变化。
工作时是由风扇4推动气体流动进入净化器3内，同时太阳光照射在光线入射窗口111上，再由催化反应室1内的聚光元件12将光线聚集在条形卡槽及催化剂(催化剂在反应开始前装填，定期更换)上，开始反应。最后经过降解的气体再由排气口排出。
实施例3在试制装置上的活性实验。
催化剂选择P25(TiO2)为催化剂。称取适量的P25粉末用压片机压成片，再放到马弗炉中以2℃/min的加热速率升温至400℃煅烧2h，降温后取出待用。
实验条件如下表所示：
试验流程：将装置放在有阳光照射的地方；通过将甲醛溶液在鼓泡瓶中鼓泡的方式产生含有饱和甲醛(0.125wt％)的空气；将准备好的催化剂放进净化器的催化剂卡槽内；设置好风扇的转速(300r/min)使空气的流量保持在60ml/min；降解开始前取样在GC上进行检测；启动电源，开始反应，开始降解后每20min进行取样检测，直至尾气中的甲醛浓度不再改变。
实验结果:
反应进行60min后，甲醛达到的转化率为60％。
注:Ct/C0表示某时刻甲醛气体的浓度与初始时刻甲醛气体的浓度之比；Time表示时间，单位分钟(min)。
实施例4
以阳极氧化法制备的纳米管结构的TiO2(TANs)为催化剂在试制装置上进行实验。
将0.3g NH4F溶解于2mlH2O中，再加入100ml乙二醇，搅拌后形成电解质溶液。将钛箔(99.99％纯度)剪成适当大小的形状；再用7000目的砂纸打磨钛箔表面，除去表面氧化物；然后将处理好的钛箔放在无水乙醇中超声15min，再放在丙酮中超声15min，最后在去离子水中超声15min，取出后放入乙醇待用。将10mlH2O，5mlHNO3，3mlH2O2，1ml18％wt(NH2)2CO，1ml18％wtNH4F配成两份抛光液。
准备工作完成开始制备催化剂，将钛箔从乙醇中取出放入抛光液抛光2-3min，取出钛箔后用去离子水洗涤，然后夹在阳极上；同时将Cu片抛光、清洗后作为阴极；将两电极间隔2cm固定，放入盛有电解质的电解池；将电解池放在45℃的恒温水浴槽中，开启直流稳压电流开关，将电压调节至50V，电解30min。阳极氧化完成后，关闭电源，取出电解完成的钛箔，在无水乙醇、丙酮中各超声15min，最后用去离子水洗涤，放在烘箱中60℃干燥12小时；最后放入马弗炉中以2℃/min的加热速率升温至400℃焙烧2h，降温后取出制备好的催化剂，装进样品袋、贴好标签。
实施例5以实施例4中的阳极氧化法制备的TiO2纳米管(TANs)为催化剂。
首先测量的实验条件如下表所示：
实验流程：除催化剂为阳极氧化法制备的TiO2纳米管外，与实施例3相同。
实验结果:
反应进行60min后，甲醛达到的转化率为70％。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种光热催化降解室内挥发性有机物的装置，其特征在于，包括：
催化反应室，包括中空壳体以及设置于壳体内的聚光元件，壳体上设有用于透光的光线入射窗口、用于排气的排气口以及温度探测孔，聚光元件装于中空壳体内，聚光元件的弧形反光面与光线入射窗口相对布置共同围成催化反应腔，用于将入射光线汇聚于催化剂固定部；
催化剂固定部，设置于光线入射窗口内壁面的光线汇聚处，用于固定催化剂；
净化器，设置于催化反应室的中空壳体第一端部，净化器的进气口与催化反应室外部连通，净化器的出气口与中空壳体的催化反应腔连通；
气流推动设备，设置于净化器的进气口处，用于推动聚光元件内气体流动；
以及温度调节装置，包括温控仪以及热电偶，其中温控仪的控制端口与热电偶的控制连接端电连接，热电偶插入温度探测孔内，用于测定并控制催化反应腔内的催化剂卡槽中催化剂的温度。
2.如权利要求1所述的一种光热催化降解室内挥发性有机物的装置，其特征在于：所述中空壳体沿轴向分成催化段和过渡段，过渡段一端与净化器连通，另一端与催化段一体成型；所述催化段为空心长方体结构，其中催化段其中一壁面嵌装平面石英玻璃作为光线入射窗口，以供光线射入催化反应腔内。
3.如权利要求2所述的一种光热催化降解室内挥发性有机物的装置，其特征在于：所述聚光元件包括玻璃钢支撑曲面和弧形反光面，其中支撑架设置于中空壳体内，弧形反光面贴覆于玻璃钢支撑曲面表面，与光线入射窗口共同拼成催化反应腔；所述玻璃钢支撑曲面的横截面为抛物线，且抛物线的对称轴与光线入射窗口垂直，使得经弧形反光面反射的光线汇聚于光线入射窗口的中心轴处。
4.如权利要求3所述的一种光热催化降解室内挥发性有机物的装置，其特征在于：所述玻璃钢支撑曲面与中空壳体一体成型。
5.如权利要求1所述的一种光热催化降解室内挥发性有机物的装置，其特征在于：所述气流推动设备为风扇，风扇嵌装于中空壳体的第二端部，用于将外界含有挥发性有机物的气体推入催化反应室内。
6.如权利要求1所述的一种光热催化降解室内挥发性有机物的装置，其特征在于：所述催化剂固定部为条形卡槽，并且条形卡槽沿光线入射窗口中心轴布置于光线汇聚处，条形卡槽上设有可供气体穿过的通气孔。
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