CN111920999A - 一种基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置及方法，包括紫外激光器、分光镜、扩束镜组、转折光路组件、净化腔室，所述净化腔室内设有TiO2网，所述净化腔室通过TiO2网分割成第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和第二腔室交叉呈垂直连通，所述第一腔室位于净化腔室的水平段，所述第二腔室位于净化腔室的竖直段，所述第一腔室的端面设有第一透过窗口，与所述第一透过窗口平行相对的内端面上设有第一反射壁，所述第一腔室内侧面上设有第二反射壁，所述第二腔室与TiO2网平行相对的端面上设有第二透过窗口。本发明激光利用率高，通过第一反射壁和第二反射壁，使第一腔室内的激光光束无限反射振荡叠加，不小于70%的激光利用于对空气的消杀处理。
Description
技术领域
本发明涉及空气杀毒净化技术领域，尤其涉及一种基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置及方法。
背景技术
随着新冠肺炎的全球性爆发，快速高效的消毒灭菌技术变成一项紧缺技术，特别是在空气杀毒净化技术领域，公众对于医院、候车厅、商场等开放空间和高铁、飞机、会议室等密闭空间空气的安全度要求越来越高。同时现代工业化、城市化加速发展带来的空气污染也一直困扰着人类，因此亟需一种新技术即能降低诸如新冠肺炎病毒等烈性传染病的危害，又能降低挥发性有机物污染带来的健康问题。
新冠肺炎病毒能通过气溶胶、飞沫等方式快速传播，当前疫情防控已趋于常态化，大型公共场所及高铁、飞机等人流密度恢复如初，人们对健康、干净的空气需求将会在较长时间内都有巨大的市场空间。
常见的空气净化杀毒方法主要有化学杀毒和物理杀毒等，化学杀毒方法易造成有害物质残留，副作用大，对人员及环境影响较大；物理杀毒方法如紫外灯、脉冲强光等方式，其中紫外灯杀毒时易产生臭氧，并且紫外灯的发散性降低了其杀毒效率，脉冲强光谱段较宽（200-1100nm），大部分谱段光都未应用到杀毒上，光利用率较低。紫外激光的单色性和能量聚焦性可保证空气杀毒的高效性和快速性，是一种更优的空气杀毒手段。
为了进一步提高杀毒效率，同时满足对空气中污染有机化合物予以净化的要求，增加TiO2光触媒，综合利用物理化学手段实现空气净化杀毒，提升系统的应用价值。
中国专利CN105641731A公开了一种杀菌除臭装置及方法，采用脉冲强光发生装置所发射出的瞬时高强度脉冲光能量杀灭空气中各类微生物，同时利用脉冲强光照射TiO2网，通过光催化作用使TiO2网产生活性氧化物，对空气进行进一步的杀菌。该方法将物理/化学杀毒方法有机结合起来，形成优势互补，能够实现更高效的空气净化杀毒。但专利中脉冲强光有工作频率限制，TiO2需在光持续照射下才能一直起作用，对流动空气会存在待杀毒空气的遗漏，造成杀毒不完全的情况。其次，脉冲强光波段涵盖紫外到近红外，其中只用385nm以下波段才能催化TiO2产生杀菌物质，并没有很好的发挥出光触媒的优势，因此该专利实际使用价值有限，对空气杀毒净化效果不明显。中国专利CN107176648A公开了一种光触媒净化器，主要目的是利用TiO2光触媒对空气中污染有机物进行净化，不能较好地进行杀毒灭菌，因为TiO2网与有机物作用的方式为接触式，反应时间在几十分钟左右，仅使用TiO2网进行空气杀毒灭菌速率十分受限，此外紫外灯管照射于TiO2网各位置（边沿及中心）的光强度不同，TiO2网与光反射层之间存在间隙，会造成各位置净化效果不同及净化盲区，不能保证净化效果。中国专利CN111495183A公开了一种空气净化处理器，通过节能灯或LED紫外线灯激发光催化材料，进行空气净化，但节能灯或LED紫外线灯对光催化材料激发作用有限，且光的利用率不高。
发明内容
本发明针对上述缺点，提出一种基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置及方法，利用能量聚焦的高准直性紫外激光进行直接杀毒灭菌，同时催化TiO2可以最大限度激发光触媒活性，快速高效地对空气进行全面、彻底的杀毒灭菌及有机污染气体净化，具有适用范围广、实用性强等特点。
本发明的一种基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置，包括紫外激光器、分光镜、扩束镜组、转折光路组件、净化腔室，所述净化腔室内设有TiO2网，所述净化腔室通过TiO2网分割成第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和第二腔室交叉呈垂直连通，所述第一腔室位于净化腔室的水平段，所述第二腔室位于净化腔室的竖直段，所述第一腔室的端面设有第一透过窗口，与所述第一透过窗口平行相对的内端面上设有第一反射壁，所述第一腔室内侧面上设有第二反射壁，第二反射壁为漫反射面，所述第二腔室与TiO2网平行相对的端面上设有第二透过窗口，
所述扩束镜组包括第一扩束镜组和第二扩束镜组，所述第一扩束镜组、第二扩束镜组分别位于第一透过窗口、第二透过窗口的外侧；
所述紫外激光器出射激光经分光镜变为两束光，其中一束光经第一扩束镜组、第一透过窗口进入第一腔室至第一反射壁，再反射至第二反射壁在第一腔室内无限反射，与待处理空气充分接触；
另一束光经转折光路组件、第二扩束镜组后垂直进入第二腔室作用于TiO2网，所述第一腔室和第二腔室上分别设有进风口、出风口。
进一步优选地，所述第一反射壁为半球面状。
具体地，所述漫反射面的粗糙度不小于Ra3.2。
进一步地，所述第一透过窗口、第二透过窗口为紫外透光玻璃，所述紫外透光玻璃上镀覆增透膜，所述进风口和出风口呈斜对角分别设于第一腔室和第二腔室上。
进一步地，所述第一反射壁内侧镀覆紫外高反膜。
进一步地，所述进风口上安装有过滤网，所述扩束镜组还包含扩束准直系统、光束匀化光学系统，所述扩束镜组采用多级扩束方式，单级扩束比不大于1:10，激光发散角为μrad量级。
优选地，所述扩束镜组采用两级扩束方式，扩束比为1:100。
进一步具体地，还包括风机，所述风机与进风口或出风口连通。
一种基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置的净化方法，包括以下步骤：
S1、紫外激光器出光经分光镜形成两束光，其中一束光经由第一扩束镜组、第一透过窗口至第一反射壁，形成发散光束反射至第二反射壁，在第一腔室内无限反射振荡叠加，与待处理空气充分接触，另一束光经由转折光路组件、第二扩束镜组、第二透过窗口至TiO2网，所述第二扩束镜组将紫外激光器出射的光束整形为与所述第二腔室截面相匹配的光束形状，覆盖第二腔室；
S2、待消毒的空气由进风口流经第一腔室初次消毒，经入射激光直接杀毒和反射激光叠加多次消毒，再经由第二腔室消毒后，由出风口排出。
进一步地，所述紫外激光器出光的紫外激光波段不大于375nm，所述紫外激光器为连续或脉冲体制，所述紫外激光器的功率不小于2W。
更进一步地，所述净化腔室内壁为铝合金材料。
进一步地，所述第一腔室、第二腔室为圆柱形，垂直交叉连通，截面直径为20cm，长度和高度为不小于0.5m，循环处理风量不小于200m3/h。
更进一步地，所述空气净化装置为两个，进行并列使用。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、激光利用率高，通过第一反射壁和第二反射壁，第一反射壁将激光光束反射至漫反射面的第二反射壁，使第一腔室内的激光光束无限反射振荡叠加，直至激光光束在第一腔室消耗殆尽，大部分激光（不小于70%）利用于对空气的消杀处理，漫反射面极大避免了激光光束穿过第一透过窗口至第一腔室外部，提高了激光的利用率，同时减小光污染。
2、杀毒彻底高效，激光光路通过第一反射壁和第二反射壁反射，以不同角度照射第一腔室的待消毒空气，大幅度提升激光与空气作用的时间，消杀效果更好，同时，激光光功率密度比一般LED紫外灯高，可以催化TiO2网合成更多的羟基自由基[HO]、超氧离子[O2-]等强氧化性产物，获得更好的灭菌效果。
3、将紫外激光扩束后完全覆盖照射于第二腔室内，无消杀盲区，同时紫外激光由第二透过窗口对TiO2网的一面进行照射催化，第一腔室内的激光光束形成发散光线在第一腔室侧壁间振荡叠加，以不同角度反射至TiO2网的另一面，可以最大限度激发光触媒活性，增强其空气净化效能，利用紫外激光催化TiO2网产生活性氧化物灭菌，对空气中的甲醛、SO2等有机物污染气体进行降解净化，单位时间内消杀净化处理空气的质量及效率均优于现有技术，保证循环杀菌效果大于99%，对有机污染气体净化率大于90%，实现了快速、安全消毒灭菌净化的目标。
4、本发明将TiO2布置于净化腔室内，紫外激光器通过第一透过窗口、第二透过窗口对净化腔室照射，用TiO2吸收紫外激光，可以减少光污染，节能环保，同时装置结构简单，生产成本低，具有较高的可行性高，便于大规模工业制作应用。
附图说明
图1为基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置的结构示意图。
其中：1-紫外激光器、2-分光镜、3-第一扩束镜组、4-第二扩束镜组、5-转折光路组件、6-反射镜、7-第一腔室、8-TiO2网、9-第一反射壁、10-第一透过窗口、11-第二透过窗口、12-进风口、13-出风口、14-过滤网、15-第二反射壁、16-净化腔室、17-扩束镜组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，均属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置，包括紫外激光器、分光镜、扩束镜组、转折光路组件、净化腔室，所述净化腔室内设有TiO2网，所述净化腔室通过TiO2网分割成第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和第二腔室交叉呈垂直连通，所述第一腔室位于净化腔室的水平段，所述第二腔室位于净化腔室的竖直段，所述第一腔室的端面设有第一透过窗口，与所述第一透过窗口平行相对的内端面上设有第一反射壁，所述第一腔室内侧面上设有第二反射壁，所述第二腔室与TiO2网平行相对的端面上设有第二透过窗口，
所述扩束镜组包括第一扩束镜组和第二扩束镜组，所述第一扩束镜组、第二扩束镜组分别位于第一透过窗口、第二透过窗口的外侧；
所述紫外激光器出射激光经分光镜变为两束光，其中一束光经第一扩束镜组、第一透过窗口进入第一腔室至第一反射壁，再反射至第二反射壁在第一腔室内无限反射，该激光光束85%利用于对空气的消杀处理；
另一束光经转折光路组件、第二扩束镜组后垂直进入第二腔室作用于TiO2网，通过光催化效应强化消毒效果，所述第一腔室和第二腔室上分别设有进风口、出风口。
所述第一反射壁为半球面状，第二反射壁为漫反射面，漫反射面的表面粗糙度为Ra3.2，使由第一透过窗口入射的激光形成发散光线在第一腔室侧壁间振荡叠加，部分光可反射至TiO2网，另一束光经由转折光路组件、第二扩束镜组、第二透过窗口至第二腔室TiO2网，转折光路组件包括两个反射镜，使分光镜分出的光束由第二透过窗口入射第二腔室。
所述第一透过窗口、第二透过窗口为紫外透光玻璃，所述紫外透光玻璃上镀覆增透膜，所述进风口和出风口呈斜对角分别设于第一腔室和第二腔室上，所述第一反射壁内侧镀覆紫外高反膜。
TiO2网的尺寸与第二腔室的截面积保持一致，通过固定连接件安装，所述进风口和出风口呈斜对角分别设于第一腔室和第二腔室上。所述反射壁内侧镀覆紫外高反膜，所述进风口上安装有过滤网，可滤除空气的大颗粒物，避免杂质对TiO2网造成破坏及沉降于第一腔室内，过滤网通过固定支架固定安装于进风口，净化腔室除进风口和出风口外，其他地方为气体密封结构，密封方式可采用橡胶密封件或密封胶。
扩束镜组包含但不限于扩束准直系统、光束匀化光学系统，将所述紫外激光器的出射光束整形为与所述净化腔室相匹配的光束形状，使整形光束覆盖第一腔室、第二腔室，紫外激光器出射高斯光束进行扩束、匀化为柱形光束后，其中一束光经第一反射壁、第二反射壁再反射至TiO2网的一面，另一束光照射至TiO2网的另一面。
一种基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置的净化方法，包括以下步骤：
S1、紫外激光器出光经分光镜形成两束光，其中一束光经由第一扩束镜组、第一透过窗口至第一反射壁，形成发散光束反射至第二反射壁，在第一腔室内无限反射振荡叠加，与待处理空气充分接触，另一束光经由转折光路组件、第二扩束镜组、第二透过窗口至TiO2网，所述第二扩束镜组将紫外激光器出射的光束整形为与所述第二腔室截面相匹配的光束形状，覆盖第二腔室；
S2、待消毒的空气由进风口流经第一腔室初次消毒，经入射激光直接杀毒和反射激光叠加多次消毒，再经由第二腔室消毒后，由出风口排出。
所述紫外激光器出光的紫外激光波段为355nm，满足TiO2网的光催化条件；TiO2网经紫外激光催化产生的活性氧化物，能将光催化剂表面吸附的微生物及甲醛、SO2、H2S、NO2等有害气体进行分解转化；进一步的，紫外激光可以直接被微生物吸收，造成其遗传物质和结构发生破坏，从而致死，所述紫外激光器为脉冲体制，所述紫外激光器的功率为10W。
所述净化腔室内壁为铝合金材料。
所述扩束镜组还包含扩束准直系统、光束匀化光学系统，所述扩束镜组采用两级扩束方式，扩束比达到1:100，经第一扩束镜组和第二扩束镜组扩束的光束分别覆盖第一透过窗口、第二透过窗口，激光发散角为μrad量级，所述净化腔室为圆柱形结构，截面直径为20cm，长度为1m，高度1m，循环处理风量200m3/h。本实施例应用于流动空气的使用场景，通过空气自行流经净化腔室进行消毒和净化。
实施例2
一种基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置，包括紫外激光器、分光镜、扩束镜组、转折光路组件、净化腔室，所述净化腔室内设有TiO2网，所述净化腔室通过TiO2网分割成第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和第二腔室交叉呈垂直连通，所述第一腔室位于净化腔室的水平段，所述第二腔室位于净化腔室的竖直段，所述第一腔室的端面设有第一透过窗口，与所述第一透过窗口平行相对的内端面上设有第一反射壁，所述第一腔室内侧面上设有第二反射壁，所述第二腔室与TiO2网平行相对的端面上设有第二透过窗口，
所述扩束镜组包括第一扩束镜组和第二扩束镜组，所述第一扩束镜组、第二扩束镜组分别位于第一透过窗口、第二透过窗口的外侧；
所述紫外激光器出射激光经分光镜变为两束光，其中一束光经第一扩束镜组、第一透过窗口进入第一腔室至第一反射壁，再反射至第二反射壁在第一腔室内无限反射，与待处理空气充分接触，第二反射壁为漫反射面，漫反射面的表面粗糙度为Ra6.3，采用漫反射面可避免被反射的激光光束在第一腔室内继续反射，避免反射后由第一透过窗口照射至第一腔室外部，造成能量损耗，激光光束78%利用于对空气的消杀处理；
另一束光经转折光路组件、第二扩束镜组后垂直进入第二腔室作用于TiO2网，所述第一腔室和第二腔室上分别设有进风口、出风口。
所述紫外激光器出光的紫外激光波段为275nm，所述紫外激光器为连续体制，所述紫外激光器的功率为6W。还包括风机，所述风机与通过管道进风口连通，外部空气在风机的作用下从进风口被抽入净化腔室，经过第一反射壁和第二反射壁反射的紫外激光在第一腔室内消杀，然后经TiO2网第二次过滤杀毒净化，未除尽的微生物再经紫外激光由第二透过窗口直接照射彻底消杀干净；杀毒净化后的空气从出风口排出。净化腔室为圆柱形结构，截面直径为30cm，长度为1.2m，高度0.8m，循环处理风量220m3/h，可以保证99.5%的灭菌效果；同时TiO2网作用于50m3循环空气中，2小时能够净化空气中甲醛、二氧化硫等有机气体90%以上；净化腔室长度增加1倍，相应的处理风量同比例增加1倍。
实施例3
本实施例与实施例2不同之处在于：
空气净化装置为两个，进行并列使用，即一个空气净化装置的出风口与另一装置的进风口连通，通过第一个空气净化装置进行杀毒净化后，通过另一空气净化装置再次消杀净化，即使应用于空气流速较高的使用场景，仍可保证空气的杀毒净化效率及质量。
其余内容与实施例2相同。
Claims (10)
1.一种基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置，其特征在于包括紫外激光器、分光镜、扩束镜组、转折光路组件、净化腔室，所述净化腔室内设有TiO2网，所述净化腔室通过TiO2网分割成第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和第二腔室交叉呈垂直连通，所述第一腔室位于净化腔室的水平段，所述第二腔室位于净化腔室的竖直段，所述第一腔室的端面设有第一透过窗口，与所述第一透过窗口平行相对的内端面上设有第一反射壁，所述第一腔室内侧面上设有第二反射壁，第二反射壁为漫反射面，所述第二腔室与TiO2网平行相对的端面上设有第二透过窗口；
所述扩束镜组包括第一扩束镜组和第二扩束镜组，所述第一扩束镜组、第二扩束镜组分别位于第一透过窗口、第二透过窗口的外侧；
所述紫外激光器出射激光经分光镜变为两束光，其中一束光经第一扩束镜组、第一透过窗口进入第一腔室至第一反射壁，再反射至第二反射壁在第一腔室内无限反射，与待处理空气充分接触；
另一束光经转折光路组件、第二扩束镜组后垂直进入第二腔室作用于TiO2网，所述第一腔室和第二腔室上分别设有进风口、出风口。
2.根据权利要求1所述的基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置，其特征在于所述第一反射壁为半球面状。
3.根据权利要求1或2所述的基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置，其特征在于所述第一透过窗口、第二透过窗口为紫外透光玻璃，所述紫外透光玻璃上镀覆增透膜，所述进风口和出风口呈斜对角分别设于第一腔室和第二腔室上。
4.根据权利要求3所述的基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置，其特征在于所述第一反射壁内侧镀覆紫外高反膜。
5.根据权利要求4所述的基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置，其特征在于所述进风口上安装有过滤网，所述扩束镜组还包含扩束准直系统、光束匀化光学系统，所述扩束镜组采用多级扩束方式，单级扩束比不大于1:10，激光发散角为μrad量级。
6.根据权利要求5所述的基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置，其特征在于还包括风机，所述风机与进风口或出风口连通。
7.一种基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化装置的净化方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、紫外激光器出光经分光镜形成两束光，其中一束光经由第一扩束镜组、第一透过窗口至第一反射壁，形成发散光束反射至第二反射壁，在第一腔室内无限反射振荡叠加，与待处理空气充分接触，另一束光经由转折光路组件、第二扩束镜组、第二透过窗口至TiO2网，所述第二扩束镜组将紫外激光器出射的光束整形为与所述第二腔室截面相匹配的光束形状，覆盖第二腔室；
S2、待消毒的空气由进风口流经第一腔室初次消毒，经入射激光直接杀毒和反射激光叠加多次消毒，再经由第二腔室消毒后，由出风口排出。
8.根据权利要求7所述的基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化方法，其特征在于所述紫外激光器出光的紫外激光波段不大于375nm，所述紫外激光器为连续或脉冲体制，所述紫外激光器的功率不小于2W。
9.根据权利要求8所述的基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化方法，其特征在于所述净化腔室内壁为铝合金材料，表面粗糙度不小于Ra3.2。
10.根据权利要求9所述的基于紫外激光与TiO2光催化的空气净化方法，其特征在于所述第一腔室、第二腔室为圆柱形，垂直交叉连通，截面直径为20cm，长度和高度为不小于0.5m，循环处理风量不小于200m3/h。
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