CN112169582A - 一种具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，包括光催化剂、紫外灯组、高压电源、针尖放电电极、第一高压电极及第二高压电极；光催化剂负载在电绝缘多孔介质表面，且放置在第一、第二高压电极之间；针尖放电电极设置在第一高压电极的外侧，针尖放电电极和第二高压电极均与高压电源相连，第一高压电极接地；针尖放电电极、高压电极均为镂空状；紫外灯组设置在第二高压电极或针尖放电电极外侧。本发明能够提高催化剂的利用效率并解决密闭空间壁板等位置表面菌难以去除的问题。
Description
技术领域
本发明涉及空气净化的技术领域，具体涉及一种具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置。
背景技术
光催化技术具有使用范围广，反应速率快，氧化能力强等特点。被激发的光生电子和光生空穴，主要存在复合和运输两个相互竞争的过程，但光催化过程中光生电子和光生空穴很容易发生复合，造成催化作用中断，从而导致量子效率低等问题。在现有技术中，电辅助光催化净化技术被用于有机废水的降解处理，因为水体中的电辅助光催化不仅需要光催化阳极，光催化阴极，还需要将光催化阳极和光催化阴极浸入电解液中才能实现，且施加在电极上的电压通常较小，这种模式应用于空气净化方面具有较大的局限。但在空气介质中，低压电场不足以形成定向电势，因此在利用光催化净化空气的现有技术中，少见利用电场辅助光催化技术，特别是高压电场，进行空气净化的相关报道。另外普遍的净化装置通常仅能净化流经装置的空气，对附着在冰箱、鞋柜等密封空间的表面菌群比较难以实现净化。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，能够提高催化剂的利用效率并解决密闭空间壁板等位置表面菌难以去除的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，包括光催化剂、紫外灯组、高压电源、针尖放电电极、第一高压电极及第二高压电极；
所述光催化剂负载在电绝缘多孔介质表面，且放置在第一、第二高压电极之间；针尖放电电极设置在第一高压电极的外侧，针尖放电电极和第二高压电极均与高压电源相连，第一高压电极接地；针尖放电电极、高压电极均为镂空状；紫外灯组设置在第二高压电极或针尖放电电极外侧。
进一步地，所述电绝缘多孔介质为多孔蜂窝陶瓷或多孔泡沫陶瓷或玻璃纤维棉或玻璃纤维瓦楞蜂窝，孔道方向与一对放电电极平面方向垂直；
进一步地，所述多孔蜂窝陶瓷、多孔泡沫陶瓷和玻璃纤维瓦楞蜂窝的厚度为3-30mm；玻璃纤维棉的厚度为0.5-5mm。
进一步地，所述光催化剂为氧化铈、氧化钛、氧化锌、氧化锡、氧化镓、磷酸铋、磷酸银、溴氧化铋、氯氧化铋中的一种或多种组分。
进一步地，利用石墨烯与金属离子或氮对所述光催化剂进行掺杂改性。
进一步地，所述紫外灯组为LED紫外灯及其适配器或管式紫外灯及其适配器，波段为200-395nm，LED紫外灯或管式紫外灯通过导线与适配器进行连接；到达电绝缘多孔介质表面的紫外光灯或管式紫外灯功率密度为0.001-50mW/cm2。
进一步地，所述第一高压电极及第二高压电极为印刷线板式放电电极或金属丝线电极或金属网电极或多孔金属板电极；第一高压电极及第二高压电极采用相同结构电极或不同结构电极。
进一步地，第一高压电极及第二高压电极与电绝缘多孔介质之间的距离为0-5mm；针尖电极与第一高压电极间距在0.5-30mm之间。
进一步地，所述高压电源为直流恒压输出或交流输出或脉冲输出，针尖放电电极与第一高压电极、第一高压电极与第二高压电极的电压差为0.5-6kV。
进一步地，还包括风机和装置外壳，所述光催化剂、紫外灯组、高压电源、针尖放电电极、第一高压电极、第二高压电极及风机分别安装于装置外壳内。
有益效果：
1、本发明在光催化结构基础上引入高压电辅助结构，在高压电源驱动下，电极组间产生强电场，阻止光催化作用过程中电子和空穴的复合，从而提高装置的整体净化效率。同时，光催化剂被紫外线激发产生光生电子-空穴对，光激发产生的电子-空穴在外加电场作用下向不同方向移动，避免了电子-空穴对复合湮灭。当含有可挥发性有机污染物、异味气体分子或含有细菌、病毒的空气通过光催化剂区域时，吸附在光催化剂表面，进而与光催化剂表面的活性电子或空穴发生氧化还原反应，最终被降解净化，释放出无害无异味的空气。而且，针尖放电电极在高压电源的作用下，不断释放负离子和微量臭氧，起到杀灭净化装置周围菌落的作用，特别是解决密闭空间内侧壁板的滋生菌落问题。
2、本发明利用石墨烯光催化剂进行改性，由于石墨烯比表面积高、载流子迁移率高、吸附效率高，能够提高催化剂的分散性避免团聚，也可减弱光生电子-空穴的复合，提高量子效率，并且将污染物吸附到光催化剂表面，从而提高催化剂的利用效率；同时，为了提高光催化剂的光利用率，进行金属离子掺杂或氮掺杂，拓宽了光谱的宽度，提高了光利用效率。
3、本发明的净化装置还包括风机，利用风机通风，带动周围环境中的空气进入电场，加速空气扩散、流通速度，适用于在化工厂、污水处理站、垃圾处理站等场所，还适用于厕所、食物储藏室、餐厅等公共场所，或者是冰箱、冷柜、消毒柜等家用电器中。
附图说明
图1为实施例一高压电辅助光催化净化装置的结构分体示意图；
图2为实施例二高压电辅助光催化净化模组的结构分体示意图；
图3为针尖放电电极的主视图；
图4为针尖放电电极的俯视图；
图5为针尖放电电极的三维结构示意图；
其中，1-高压电极Ⅰ，2-高压电极Ⅱ，3-电绝缘多孔介质，4-紫外灯，5-适配器，6-高压电源，7-针尖放电电极，8-进风口，9-风机罩，10-上盖，11-外壳，12-出风口，13-风机。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，包括光催化剂、电绝缘多孔介质3、紫外灯组、高压电源6、针尖放电电极7、一对高压电极、风机及装置外壳。针尖放电电极7结构如图3、图4、图5所示，针尖垂直于基板。
一对高压电极包括第一高压电极、第二高压电极。光催化剂负载在电绝缘多孔介质3表面，且放置在第一高压电极、第二高压电极之间。在一优选实施例中，单片高压电极与电绝缘多孔介质之间的距离为0-5mm，优选0-3mm；针尖放电电极7设置在第一高压电极的外侧，针尖放电电极7针尖指向第一高压电极，且针尖与第一高压电极间距在0.5-30mm之间，优选10-20mm。针尖放电电极7材质为金属针，针尖放电电极7和第二高压电极均与高压电源6相连，第一高压电极接地。针尖放电电极7接直流或交流形式的高压，无论哪种放置次序，针尖放电电极7和第二高压电极均连接高压电源6的直流或者交流高压，第一高压电极接地。针尖放电电极7、高压电极均为镂空状。紫外灯组设置在第二高压电极或针尖放电电极7外侧。表面负载光催化剂的电绝缘多孔介质3、紫外灯组、高压电源6、针尖放电电极7、一对高压电极及风机13分别安装于装置外壳11内，优选地，风机13正向通风，风机13风道与电绝缘多孔介质3的孔道方向一致，空气由风机13吹出，依次通过紫外灯组、针尖放电电极7、第一高压电极、表面负载光催化剂的电绝缘多孔介质3及第二高压电极或紫外灯组、第二高压电极、表面负载光催化剂的电绝缘多孔介质3、第一高压电极及针尖放电电极7。
光催化剂为负载型光催化剂，光催化剂负载在电绝缘多孔介质3表面，其中电绝缘多孔介质3可以为多孔蜂窝陶瓷、多孔泡沫陶瓷、玻璃纤维棉、玻璃纤维瓦楞蜂窝等；当电绝缘多孔介质3选用多孔蜂窝陶瓷、多孔泡沫陶瓷和玻璃纤维瓦楞蜂窝时，厚度为3-30mm，优选5-10mm，当电绝缘多孔介质3选用玻璃纤维棉时，厚度为0.5-5mm。
光催化剂可以为氧化铈、氧化钛、氧化锌、氧化锡、氧化镓、磷酸铋、磷酸银、溴氧化铋、氯氧化铋中的一种或多种组分。进一步地，可用石墨烯进行掺杂改性，得到以石墨烯为催化剂载体的杂化型光催化剂。利用石墨烯高比表面积、高载流子迁移率和高吸附能力的特性，从多个角度降低光生电子-空穴的复合概率，提高光催化剂的分散性，避免团聚，进而提高光催化剂的利用率。为了提高光催化剂的光利用率，可同时进行金属离子掺杂或氮掺杂，拓宽光谱的宽度，提高光利用效率。
紫外灯组为LED紫外灯及其适配器5或管式紫外灯及其适配器5，紫外灯4优选波段为200-395nm，LED紫外灯或管式紫外灯通过导线7与适配器5进行连接。在一优选实施例中，紫外灯组为光催化剂提供紫外光源，到达电绝缘多孔介质表面的紫外光源光功率密度为0.001-50mW/cm2，优选0.01-20mW/cm2。
若选用LED紫外灯及其适配器5，则LED紫外灯可以采用1-10颗LED灯珠，优选2-5颗；若选用管式紫外灯及其适配器5，则管式紫外灯可以采用1-5根管式紫外灯，优选1-3根。
高压电极可以为印刷线板式放电电极或金属丝线电极或金属网电极或多孔金属板电极。高压电极成对使用。其中第二高压电极接高压电源的正极或负极，第一高压电极接地，形成高压差形成高压电场。也可分别接同频反相交流高压。
高压电源6为可输出高压信号的定制电源，设有两个输出端，高压电源6可以是直流恒压输出、交流输出、脉冲输出，其峰值电压范围峰值电压范围0.5-6kV。高压电源6的两个输出端可以为一端为负高压，另一端为接地极或者正高压；也可以输出两路同频反相的交流高压。
实施例一：
本实施例公开了一种高压电辅助光催化净化装置，如图1所示，包括高压电极Ⅰ1、高压电极Ⅱ2、负载有光催化剂的电绝缘多孔介质3、针尖放电电极7、紫外灯4、适配器5、高压电源6、风机13及装置外壳。第一高压电极为高压电极Ⅰ1，第二高压电极为高压电极Ⅱ2。
针尖放电电极7设置在高压电极Ⅰ1外侧，紫外灯4及适配器5设置在针尖放电电极7外侧。单片高压电极与电绝缘多孔介质3之间的距离为0-3mm，可与两极同时接触，或者与其中之一接触而与另一极不接触，或者与两极均不接触。针尖放电电极7与高压电极Ⅰ1间距在10-20mm。
净化装置采用直径匹配的风机13正向通风，空气由设置在上方的进风口8吸入，经过风机13横向吹出，依次通过紫外灯4、针尖放电电极7、高压电极Ⅰ1、负载有光催化剂的电绝缘多孔介质3、高压电极Ⅱ2。装置外壳11下部设置有平行的凹槽，紫外灯4、针尖放电电极7、高压电极Ⅰ1、负载有光催化剂的电绝缘多孔介质3、高压电极Ⅱ2依次安装在装置外壳11的凹槽内，装置外壳11外上部设置有凸起的方台，该方台内安装有高压电源6、适配器5，通过灌封环氧树脂或硅橡胶将高压电源6、适配器5固定在方台内部，保证高压电源6的绝缘。装置外壳11的进风口8、出风口12安装有绝缘的塑料框，通过风机罩9和上盖10将紫外灯4、适配器5、高压电源6、针尖放电电极7、高压电极Ⅰ1、负载有光催化剂的电绝缘多孔介质3、高压电极Ⅱ2、风机13罩在壳内，确保整个装置的安全性。
光催化剂为氧化钛、氧化锌的一种或两种的组合，优选氧化钛。光催化剂负载在电绝缘多孔介质3表面，其中电绝缘多孔介质3采用多孔蜂窝陶瓷。多孔蜂窝陶瓷厚度为10-20mm。
紫外灯组采用管式紫外灯及其适配器5，优选波段为254nm。到达电绝缘多孔介质3表面的管式紫外灯功率密度为0.01-20mW/cm2。
针尖放电电极7、高压电极Ⅱ2与高压电源6通过导线相连，针尖放电电极7和高压电极Ⅱ2均与高压电源6相连，高压电极Ⅰ1接地。高压电极6输出直流恒压信号，电压范围为2-3kV。
高压电极Ⅰ1为金属丝线电极，高压电极Ⅱ2为镂空网状电极。针尖放电电极7材质为金属针。
工作时，开启紫外灯组，紫外灯组产生紫外光通过针尖放电电极7、高压电极Ⅰ1镂空孔隙，照射到电绝缘多孔介质3表面负载的光催化剂上，激发光催化剂发生光催化作用。同时，高压电源6工作，将高压电输出到与针尖放电电极7、高压电极Ⅱ2上，在针尖放电电极7与高压电极Ⅰ1之间、高压电极Ⅰ1与高压电极Ⅱ2之间形成强电场。强电场一方面可以阻止光催化作用过程的有效活性光生电子和光生空穴的复合；另一方面对光催化剂有协同激发作用，当含挥发性有机物分子或异味气体分子及游离细菌的空气经由光催化剂区域时，在光催化剂表面被吸附进而被分解，起到净化空气消除异味的作用。针尖放电电极7在高压电源6的作用下，不断释放负离子和微量臭氧，随着风机13的扩散作用，装置周围的菌群灭杀，达到消杀的作用。
实施例二：
本实施例提供一种高压电辅助光催化净化装置，如图2所示，与实施例一结构组成一致，此时，第一高压电极为高压电极Ⅱ2，第二高压电极为高压电极Ⅰ1。针尖放电电极7设置在高压电极Ⅱ2外侧，紫外灯4及适配器5设置在高压电极Ⅰ1外侧。单片高压电极与电绝缘多孔介质3之间的距离为3mm。针尖放电电极7与高压电极Ⅱ2间距在0.5-30mm，优选20mm。
光催化剂为石墨烯进行掺杂改性的二氧化钛，电绝缘多孔介质3为泡沫陶瓷，得到以石墨烯为催化剂载体的杂化型光催化剂。利用石墨烯高比表面积、高载流子迁移率和高吸附能力的特性，从多个角度降低光生电子-空穴的复合概率，提高光催化剂的分散性，避免团聚，进而提高光催化剂的利用率。同时，为了提高光催化剂的光利用率，可进行金属离子掺杂或氮掺杂，拓宽光谱的宽度，提高光利用效率。
紫外灯组为管式紫外灯及其适配器5，优选波段为365nm，管式紫外灯通过导线与适配器5进行连接。到达电绝缘多孔介质3表面的管式紫外灯功率密度为0.01-20mW/cm2。
针尖放电电极7、高压电极Ⅰ1与高压电源6通过导线相连，针尖放电电极7和高压电极Ⅰ1均与高压电源6相连，高压电极Ⅱ2接地。高压电极6输出交流高压，其峰值电压范围峰值电压范围0.5-3kV。
工作时，开启紫外灯组，紫外灯组产生紫外光通过高压电极Ⅰ1镂空孔隙，照射到电绝缘多孔介质3表面负载的光催化剂上，激发光催化剂发生光催化作用。同时，高压电源6工作，将高压电输出到与针尖放电电极7、高压电极Ⅰ1上，在针尖放电电极7与高压电极Ⅱ2之间、高压电极Ⅰ1与高压电极Ⅱ2之间形成强电场。强电场一方面可以阻止光催化作用过程的有效活性光生电子和光生空穴的复合；另一方面对光催化剂有协同激发作用，当含挥发性有机物分子或异味气体分子及游离细菌的空气经由光催化剂区域时，在光催化剂表面被吸附进而被分解，起到净化空气消除异味的作用。针尖放电电极7在高压电源6的作用下，不断释放负离子和微量臭氧，随着风机13的扩散作用，装置周围的菌群灭杀，达到消杀的作用。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，其特征在于，包括光催化剂、紫外灯组、高压电源、针尖放电电极、第一高压电极及第二高压电极；
所述光催化剂负载在电绝缘多孔介质表面，且放置在第一、第二高压电极之间；针尖放电电极设置在第一高压电极的外侧，针尖放电电极和第二高压电极均与高压电源相连，第一高压电极接地；针尖放电电极、高压电极均为镂空状；紫外灯组设置在第二高压电极或针尖放电电极外侧。
2.如权利要求1所述的具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，其特征在于，所述电绝缘多孔介质为多孔蜂窝陶瓷或多孔泡沫陶瓷或玻璃纤维棉或玻璃纤维瓦楞蜂窝，孔道方向与一对放电电极平面方向垂直。
3.如权利要求1所述的具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，其特征在于，所述多孔蜂窝陶瓷、多孔泡沫陶瓷和玻璃纤维瓦楞蜂窝的厚度为3-30mm；玻璃纤维棉的厚度为0.5-5mm。
4.如权利要求1所述的具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，其特征在于，所述光催化剂为氧化铈、氧化钛、氧化锌、氧化锡、氧化镓、磷酸铋、磷酸银、溴氧化铋、氯氧化铋中的一种或多种组分。
5.如权利要求1所述的具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，其特征在于，利用石墨烯与金属离子或氮对所述光催化剂进行掺杂改性。
6.如权利要求1所述的具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，其特征在于，所述紫外灯组为LED紫外灯及其适配器或管式紫外灯及其适配器，波段为200-395nm，LED紫外灯或管式紫外灯通过导线与适配器进行连接；到达电绝缘多孔介质表面的紫外光灯或管式紫外灯功率密度为0.001-50mW/cm2。
7.如权利要求1所述的具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，其特征在于，所述第一高压电极及第二高压电极为印刷线板式放电电极或金属丝线电极或金属网电极或多孔金属板电极；第一高压电极及第二高压电极采用相同结构电极或不同结构电极。
8.如权利要求1所述的具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，其特征在于，第一高压电极及第二高压电极与电绝缘多孔介质之间的距离为0-5mm；针尖电极与第一高压电极间距在0.5-30mm之间。
9.如权利要求1所述的具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，其特征在于，所述高压电源为直流恒压输出或交流输出或脉冲输出，针尖放电电极与第一高压电极、第一高压电极与第二高压电极的电压差为0.5-6kV。
10.如权利要求1所述的具有杀菌和净味功能的高压电辅助光催化净化装置，其特征在于，还包括风机和装置外壳，所述光催化剂、紫外灯组、高压电源、针尖放电电极、第一高压电极、第二高压电极及风机分别安装于装置外壳内。
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