CN111895532B - 一种基于多面体结构的光催化空气净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多面体结构的光催化空气净化装置，包括底座、风机和卧式安装在底座上的筒体外壳，筒体外壳内的轴心线上设有用于光催化的紫外灯管，紫外灯管四周的筒体外壳内设有多面结构的多孔载体，多孔载体上负载有用于与紫外灯管配合光触媒反应的催化剂，风机安装于筒体外壳中部下方的底座内，风机与筒体外壳之间设有出口风道，所述底座上设有与风机出口相连的排风口，筒体外壳的两端为进风口；所述多孔载体通过3D打印制造，为多面体堆积的类蜂窝状的宏观多孔结构，多孔结构整体为空心圆柱状。本发明将紫外灯管和负载有光触媒催化剂的多孔载体在空间上结合，并设计改进的风道，大大提高了空气净化效率，提高了单位体积空气净化能力。

Description

一种基于多面体结构的光催化空气净化装置

技术领域

本发明属于环保领域，涉及一种空气净化装置，具体涉及一种基于多面体结构的光催化空气净化装置。

背景技术

在现代城市中，封闭环境空气污染的程度比户外高出很多倍，国家卫生、建设和环保部门的抽查结果显示，具有毒气污染的室内、车内装饰材料占68％，这些装饰材料会挥发出300多种挥发性的有机化合物，会导致人头痛、抽搐、呼吸困难甚至引发癌症。因此，我们有必要对封闭环境空气进行处理，一般的处理方式有通风换气、物理吸附、植物净化等。但是通风换气适用性差，物理吸附未解决根本问题，植物净化效果较差。因此，迫切需要发展一种高效、绿色、简单的室内污染空气处理技术。

研究结果发现，光触媒在紫外线的作用下，会生成具有高催化活性的游离基，能产生很强的光氧化及还原能力，可催化、光解附着于物体表面的多种有机物及部分无机物，且降解产物无污染。目前光触媒的应用普遍采用悬浮法和固定法，但都存在限制性因素。使用悬浮法则存在光触媒颗粒分散性不佳、难以回收等问题；使用固定法负载技术则弥补了悬浮法回收难的缺点，然而就现有常用的平板结构，无序多孔结构以及有序蜂窝结构这三种载体结构而言，还存在诸多不足，以至于反应效率较低。

经过现有技术文献的检索发现，中国专利申请号201821682715.X，该实用新型公布了一种协同紫外光触媒催化的等离子体空气净化装置，其设计了空气净化筒的顶面和底面固定连接等离子体放电组件，进气管之间的区域设有装纳光触媒颗粒的铁丝网管，绝缘端头上设有用于发射紫外线的紫外光灯，紫外光灯能够有效地激发光触媒颗粒的吸附效果，等离子体放电组件联合光催化降解，有效的克服了在低压下分子吸附较差的。但该设计针对光触媒的应用效率仍比较低，对反应效率没有实质性的提高，并且结构可塑性较差。

发明内容

本发明旨在解决上述光触媒回收效率与光催化效率不可兼得的问题，设计一种基于多面体结构的光催化空气净化装置来帮助人们净化空气，还能有效抑制内部紫外光溢出伤害人体。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于多面体结构的光催化空气净化装置，包括底座、风机和卧式安装在底座上的筒体外壳，其特征在于：所述筒体外壳内的轴心线上设有用于光催化的紫外灯管，所述紫外灯管四周的筒体外壳内设有多面结构的多孔载体，所述多孔载体上负载有用于与紫外灯管配合光触媒反应的催化剂，所述风机安装于筒体外壳中部下方的底座内，风机与筒体外壳之间设有出口风道，所述底座上设有与风机出口相连的排风口，所述筒体外壳的两端为进风口。

进一步地，所述多孔载体通过3D打印制造，为多面体堆积的类蜂窝状的宏观多孔结构，多孔结构整体为空心圆柱状。

进一步地，所述多孔载为12面体堆积的类蜂窝状的宏观多孔结构。

进一步地，所述多孔载体采用具有微观多孔结构的泡沫陶瓷3D打印制成，

进一步地，所述催化剂为锐钛矿型二氧化钛光触媒材料。

进一步地，所述筒体外壳内壁涂覆镜面反射涂层，两端的进风口分别设有端盖，所述端盖上设有用于通风的防漏光百叶窗，所述防漏光百叶窗由多个V型百叶叠加排列组成，其中每个V型百叶凸起的顶部位于相邻V型百叶的凹槽内。

进一步地，所述V型百叶为直条形或者环形。

进一步地，所述端盖上防漏光百叶窗的外侧设有活性炭吸附层和HEPA过滤层的过滤网。

进一步地，所述筒体外壳中部的内壁设有设有环绕筒体一圈的环形风道，所述环形风道由第一环形凸起板、第二环形凸起板及筒体外壳内壁组成，第一环形凸起板和第二环形凸起板相背的一侧固定在筒体外壳内壁上，相对的一端高低错落设置，第一环形凸起板和第二环形凸起板的高低错落设置形成环形风道的进风口，位于环形风道处的筒体外壳上开设有径向的通孔，形成出口风道。

进一步地，所述第一环形凸起板和第二环形凸起板与筒体外壳内壁的连接处均采用弧形平滑过渡。

本发明有益效果是：

内部的多孔载体既有泡沫陶瓷载体比表面积大的优点，又符合几何光学传播的特性，可使载体各位置的表面较均匀地接收光线，有效反应面积大，从物理角度提高了催化效率。并且从材料选用上看，载体上的光触媒为现应用最普及的锐钛矿型二氧化钛光触媒材料，然后根据其光催化作用的电化学性能要求，载体材料需耐腐蚀，所以选用陶瓷为载体材料，本发明通过对筒体外壳风道结构设计，使得带净化空气均匀的通过多孔载体，从而与紫外灯管配合，使得光催化净化达到最大利用效率，极大提高了净化效果。

附图说明

图1为本发明实施例中光催化空气净化装置整体结构示意图。

图2为本发明实施例中光催化空气净化装置整体结构三维剖视示意图。

图3为本发明实施例中光催化空气净化装置剖视图。

图4为图3中局部放大示意图A。

图5为本发明实施例中多孔载体结构示意图。

图6为图5中局部放大示意图B。

图7为本发明实施例中防漏光百叶窗剖视图。

图8为图7中局部放大示意图C。

图9为防漏光百叶窗的V型百叶为直条形示意图。

图10为防漏光百叶窗的V型百叶为环形示意图。

1-底座，2-风机，3-筒体外壳，4-端盖，5-出口风道，6-排风口，7-进风口，8-紫外灯管，9-多孔载体，10-防漏光百叶窗，11-活性炭吸附层，12-过滤网，13-环形风道，14-第一环形凸起板，15-第二环形凸起板，16-V型百叶，17-通孔，18-底边，19-折弯角顶点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施。

如图1至图10所示，一种基于多面体结构的光催化空气净化装置，包括底座1、风机2和卧式安装在底座1上的筒体外壳3，所述筒体外壳3内的轴心线上设有用于光催化的紫外灯管8，本实施例中，紫外灯管8功率为15W，光波长主频为254nm；所述紫外灯管8四周的筒体外壳3内设有多面结构的多孔载体9，所述多孔载体9上负载有用于与紫外灯管8配合光触媒反应的催化剂，所述风机2安装于筒体外壳3中部下方的底座1内，风机2与筒体外壳3之间设有出口风道5，所述底座1上设有与风机2出口相连的排风口6，所述筒体外壳3的两端为进风口7。

如图5和图6所示，所述多孔载体9通过3D打印制造，为多面体堆积的类蜂窝状的宏观多孔结构，多孔结构整体为空心圆柱状，所述多孔载为12面体堆积的类蜂窝状的宏观多孔结构。

本发明实施例中，所述多孔载体9是专为光催化反应所设计的有序多孔载体，既有泡沫陶瓷载体比表面积大的优点，又符合几何光学传播的特性，可使载体各位置的表面较均匀地接收光线，有效反应面积大，从物理角度提高了催化效率。其结构的提出是根据推算得到的，单元体由推算可得，单元体填充密度越大，即相同空间内，单元体越小，所形成的框架结构的表面积越大。但实际的框架结构需满足结构强度等因素，分支不能过小，限制了框架的最大表面积，因此，需要选择空间填充多面体的类型，结合其填充方式，使限定空间内的实际框架表面积最大化。其结构的优化参照空间最密堆积的两种堆积方式，中心球与邻近的12个球的相切面，所围成的多面体为空间填充多面体，ABA型的六方最密堆积方式形成梯形菱形的六方最密堆积方式形成梯形菱形十二面体，ABC型的面心最密堆积方式形成菱形十二面体。对上述两类多面体构成的框架结构做表面积比较，可在同一体积的单元体的前提下，比较单元体框架的表面积。由堆积方式知，这两类多面体的棱边均被共用3次，运用上述同理求法可知其单元体框架的表面积相等。但因菱形十二面体相比之下，具有高度对称性及次序感，更符合设计结构所需，故选用菱形十二面体为单元体。根据光学仿真将菱形十二面体框架应用到实际，将菱形十二面体框架应用到实际，作为载体结构时，考虑力学和制造因素，实际的分支较粗，但仍需明显小于分支长度，否则直接影响光线和气体的传送流通。这种应用于实际的框架结构也可视为多孔结构。

所述多孔载体9采用具有微观多孔结构的泡沫陶瓷3D打印制成，所述催化剂为锐钛矿型二氧化钛光触媒材料。

所述载体材料的选择要根据本发明所选用的光触媒来具体确定，本发明实施例中所选用的光触媒为现应用最普及的锐钛矿型二氧化钛光触媒材料。为保证光触媒在载体上附着的稳定性，采用常用的浸渍法负载光触媒后，再通过550℃的温度煅烧2-4h。此温度既可保证锐钛矿型二氧化钛不转变为光催化性能较差的金红石型二氧化钛，又可提高负载性能。目前，较成熟的3D打印技术使用的材料有高分子材料、陶瓷材料、金属材料。根据煅烧要求，载体材料需耐高温；根据光催化作用的电化学性能要求，载体材料需耐腐蚀。因此，选用陶瓷为载体材料。目前通用的光触媒载体制造工艺无法实现较细小的有序多孔结构载体的制造，这也是目前光触媒载体受制于单一结构，且存在较大结构缺陷的原因。所以本发明选择3D打印的方式来制造这种特殊结构的载体。

常用的陶瓷3D打印技术有熔融沉积技术、直写自由成型技术、喷墨打印技术、三维印刷技术、激光选区烧结技术和光固化快速成型技术。根据设计载体的结构、加工、反应等性能，需要成型精度和致密度较高的打印技术，其中光固化快速成型技术最符合要求。由于菱形十二面体框架结构的形体特点，打印不会产生额外的支撑材料，避免了光固化快速成型技术后处理麻烦的缺点。综合分析，选择光固化快速成型技术。由设计原理决定单元体可堆积成形状多样的载体结构，为举例说明一类装置的设计原理及功能，选用简单的圆筒状结构为本文的研究对象。围绕载体所建立的装置，采用内置光源，装置将载体包裹，故建立了特殊的载体结构，该载体结构中轴处空心结构可防置管状灯源，四周包围圆柱外壳，所设计的装置整体较小，因单元体相对装置的比例较大，近似性较差，若使用较小的单元体或做较大的装置，能提高近似度。并且在陶瓷3D打印材料中加入造孔剂，可使载体表面生成微孔，微孔与宏观孔相结合，提高孔隙率和表面积，进一步增大有效反应面积。

作为一种具体实施例，如图1、图3所示，所述筒体外壳3内壁涂覆镜面反射涂层，两端的进风口7分别设有端盖4，所述端盖4上设有用于通风的防漏光百叶窗10，所述端盖4上防漏光百叶窗10的外侧设有活性炭吸附层11和HEPA过滤层的过滤网12。

处理空气的主通道为从两端至中间的大通道，气体流通的动力由下部小型涡轮风机提供，结合腔体内部结构形成高速气流，带动主通道里的气体流动。当有害气体进入筒体外壳3腔内，负载于载体上的光触媒在紫外灯管8发出的光的激发下，生成具有极强氧化作用的超氧离子自由基、羟基自由基、超氧羟基自由基，不仅能将甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、TVOC等有毒有害气体、污染物、臭气、细菌等氧化分解成无害的CO₂和H₂O，而且具有高效广谱的消毒性能。并且为减少光线溢出，充分利用光能，在筒体外壳3的内腔涂覆镜面反射涂层，反射光线对载体外侧受光较少部分以及背光面进行光补偿。对于需要透气的端盖4，原创设计了透气反光的防漏光百叶窗10，其既能通透气体，又能反射光线，最终实现从载体缝隙漏出紫外线的完全吸收利用。在主通道两端端盖4的外层设计一种包括活性炭吸附层11和HEPA过滤层的过滤网12，为防止微小颗粒进入腔体，以及处理残留物。

如图7至图10所示，所述防漏光百叶窗10由多个V型百叶16按照同一个方向叠加排列组成，每个V型百叶16靠筒体外壳3内侧涂覆镜面反射涂层，V型百叶16可理解为将百叶窗做镜面对称变化，其中每个V型百叶16凸起的顶部位于相邻V型百叶16的凹槽内，如图8所示，也即是每个V型百叶16的折弯角顶点19在其相邻的V型百叶16的底边18连线以内，任何来向的光线均不能一次穿透此结构。在可被光照射到的折板面上覆上反光层，反光层微光结构可根据几何光学反射得，在直角反光结构上两次反射后，光线沿入射方向相反返回，以此减少光线被多余损耗。

所述V型百叶16为直条形或者环形，如果是直条形，如图9所示，则每个V型百叶16平行排列，由于本发明端盖4为圆形，因此，每个V型百叶16长度不一样，如果将端盖4设计为方形，则每个V型百叶16长度一样，这根据实际情况进行设计，不做具体限定，但是本发明主体的筒体为圆形，因此，端盖4一般设计圆形；如果是环形，如图10所示，刚好对应端盖4为圆形的情况，此时，防漏光百叶窗10由多个直径不同的环形百叶从内至外排列组成。

作为一种改进的实施例，如图3和图4所示，所述筒体外壳3中部的内壁设有设有环绕筒体一圈的环形风道13，所述环形风道13由第一环形凸起板14、第二环形凸起板15及筒体外壳3内壁组成，第一环形凸起板14和第二环形凸起板15相背的一侧固定在筒体外壳3内壁上，相对的一端高低错落设置，第一环形凸起板14和第二环形凸起板15的高低错落设置形成环形风道13的进风口7，位于环形风道13处的筒体外壳3上开设有径向的通孔17，形成出口风道5；所述第一环形凸起板14和第二环形凸起板15与筒体外壳3内壁的连接处均采用弧形平滑过渡。

本发明设计环形风道13的原因在于，需要使筒体外壳3两端进入的气体尽可能的均匀通过多孔载体9，正常情况下，多孔载体9的体积越大，空气净化效果越好，但是体积过大后，多孔载体9与筒体外壳3之间间隙过小，出口风道5设于筒体外壳3中部侧面，因此当启动风机2时，靠近出口风道5的空气很快被吸走，而多孔载体9与筒体外壳3之间间隙过小，直接导致其他地方空气补充过来阻力过大，最重要的是，筒体外壳3的两端入口与出口风道5之间不同区域，风阻差异巨大，使得大量的空气选择便捷通道(比如多孔载体9与筒体外壳3之间间隙)，而无法达到充分反应的目的，本发明设计了环形风道13，在环形风道13内部，没有任何阻力，内部压力基本相同，可以看做一个等压环，这样，在环形风道13与两端端盖4的入口之间形成一个均匀的流速场(多孔载体9上风阻一样，因此，流速均衡)，经过入口的气体沿着多孔载体9的圆柱形轴向移动，最终达到环形风道13内，在环形风道13内无阻力流动，最终被风机2抽走，因此通过环形风道13设计，可以在筒体外壳3形成类似平推流的风速流场，大大提高空气与多孔载体9上催化剂接触的均一程度，使得所有催化剂几乎同时参与反应，提高反应效率和空气净化效率。

内部的多孔载体9既有泡沫陶瓷载体比表面积大的优点，又符合几何光学传播的特性，可使载体各位置的表面较均匀地接收光线，有效反应面积大，从物理角度提高了催化效率。并且从材料选用上看，载体上的光触媒为现应用最普及的锐钛矿型二氧化钛光触媒材料，然后根据其光催化作用的电化学性能要求，载体材料需耐腐蚀，所以选用陶瓷为载体材料。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于多面体结构的光催化空气净化装置，包括底座、风机和卧式安装在底座上的筒体外壳，其特征在于：所述筒体外壳内的轴心线上设有用于光催化的紫外灯管，所述紫外灯管四周的筒体外壳内设有多面结构的多孔载体，所述多孔载体上负载有用于与紫外灯管配合光触媒反应的催化剂，所述风机安装于筒体外壳中部下方的底座内，风机与筒体外壳之间设有出口风道，所述底座上设有与风机出口相连的排风口，所述筒体外壳的两端为进风口；

所述筒体外壳中部的内壁设有环绕筒体一圈的环形风道，所述环形风道由第一环形凸起板、第二环形凸起板及筒体外壳内壁组成，第一环形凸起板和第二环形凸起板相背的一侧固定在筒体外壳内壁上，相对的一端高低错落设置，第一环形凸起板和第二环形凸起板的高低错落设置形成环形风道的进风口，位于环形风道处的筒体外壳上开设有径向的通孔，形成出口风道。

2.如权利要求1所述基于多面体结构的光催化空气净化装置，其特征在于：所述多孔载体通过3D打印制造，为多面体堆积的类蜂窝状的宏观多孔结构，多孔结构整体为空心圆柱状。

3.如权利要求2所述基于多面体结构的光催化空气净化装置，其特征在于：所述多孔载体为12面体堆积的类蜂窝状的宏观多孔结构。

4.如权利要求2所述基于多面体结构的光催化空气净化装置，其特征在于：所述多孔载体采用具有微观多孔结构的泡沫陶瓷3D打印制成。

5.如权利要求2所述基于多面体结构的光催化空气净化装置，其特征在于：所述催化剂为锐钛矿型二氧化钛光触媒材料。

6.如权利要求2所述基于多面体结构的光催化空气净化装置，其特征在于：所述筒体外壳内壁涂覆镜面反射涂层，两端的进风口分别设有端盖，所述端盖上设有用于通风的防漏光百叶窗，所述防漏光百叶窗由多个V型百叶叠加排列组成，其中每个V型百叶凸起的顶部位于相邻V型百叶的凹槽内。

7.如权利要求6所述基于多面体结构的光催化空气净化装置，其特征在于：所述V型百叶为直条形或者环形。

8.如权利要求6所述基于多面体结构的光催化空气净化装置，其特征在于：所述端盖上防漏光百叶窗的外侧设有活性炭吸附层和HEPA过滤层的过滤网。

9.如权利要求1所述基于多面体结构的光催化空气净化装置，其特征在于：所述第一环形凸起板和第二环形凸起板与筒体外壳内壁的连接处均采用弧形平滑过渡。

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