CN112870966A - 用于空气净化的纳米半导体光催化装置 - Google Patents

用于空气净化的纳米半导体光催化装置 Download PDF

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Abstract

本发明首先提供用于空气净化的纳米半导体光催化装置，以解决传统光催化装置存在的催化环境条件难以控制，体积较大难以满足市场使用的问题，包括多个膜片形状的多孔金属板，多个所述多孔金属板集合形成对一多孔金属板集中的区域，各所述多孔金属板上设有三维连通的孔隙，所述的空隙被配置为通过化学沉淀方法沉积偏钛酸，并通过煅烧形成附着于多孔金属板表面的二氧化钛粒子层；本方案中利用纳米半导体光催化属性实现对空气净化功能，在净化过程中利用冷热区交换过程中空气交换以及冷凝水雾实现对空气的净化效果，其净化过程中无需采用对流风扇进行驱动，而且可通过冷凝水实现较为丰富羟基形成，并且上述装置可直接采用UV光源进行催化。

Description

用于空气净化的纳米半导体光催化装置
技术领域
本发明涉及光催化装置，特别涉及用于空气净化的纳米半导体光催化装置。
背景技术
纳米半导体材料具有很好的光催化效果，也称光触媒技术。具体是将附着在有效介质上的纳米颗粒通过特定光源的照射，与周围的水、空气中的氧发生作用后产生具有极强的氧化性。实现在室温下将空气或水中的有机污染物和部分无机污染物予以光解消除，将其直接分解成无害无味的物质，并能破坏细菌的细胞壁，杀灭细菌，从而达到对污水、废气的处理和杀菌目的技术。
TiO2是一种N型半导体材料，其能带结构是不连续的，通常情况下是由一个充满电子的低能级价带(VB)和一个空的高能级导带(CB)构成，它们之间被禁带隔开。TiO2的禁带宽度为3.2eV，当用能量大于或等于其禁带宽度的人射光，也就是波长小于或等于387.5nm的光照射时，其价带上的电子被激发，越过禁带进入导带产生高能电子(e-)和空穴(h+)，在电场的作用下，电子和空穴发生分离并分别迁移到TiO2粒子表面的不同位置，与吸附在TiO2表面的OH-、H2O和O2等发生一系列的反应产生高活性的自由基，与吸附在 TiO2粒子表面的有机物和部分无机物发生氧化还原反应，最终生成CO2、H2O 和一些无害的无机离子。
因此将二氧化钛作为催化剂用于空气治理有着极为广阔的应用前景，但是二氧化钛在光触媒使用时可见光催化效率极低，因此在将二氧化钛应用时存在较大的技术难度。近年来为了实现二氧化钛在可见光照射下实现高效率的催化效果，众多学者和机构投入了巨大的精力用于研究改性的二氧化钛，例如添加金属氧化物、稀土元素等手段，但是至今收效甚微。
现有的通过多孔载体负载二氧化钛粒子实现光触媒效果的装置，其较小空间内如何实现多孔载体的集合，以及如何提高并保持多孔载体的二氧化钛催化效果始终具有难度。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明首先提供用于空气净化的纳米半导体光催化装置，以解决传统光催化装置存在的催化环境条件难以控制，体积较大难以满足市场使用的问题。
其技术方案是，包括多个膜片形状的多孔金属板，多个所述多孔金属板集合形成对一多孔金属板集中的区域，各所述多孔金属板上设有三维连通的孔隙，所述的空隙被配置为通过化学沉淀方法沉积偏钛酸，并通过煅烧形成附着于多孔金属板表面的二氧化钛粒子层；各所述多孔金属板一侧设置有固定的UV光源，各所述多孔金属板还连接有一驱动装置，各所述多孔金属板在驱动装置的驱动下变换相对于UV光源的位置，实现各所述多孔金属板接收紫外线照射的结构；还包括将所述多孔金属板、UV光源与外界隔绝的壳体；所述壳体设有用于气体进出的进气口、出气口，所述进气口被配置为包括对流经空气进行加热的加热装置，还包括用于对各多孔金属板表面进行降温的冷凝装置，形成预热后空气在各多孔金属板表面形成冷凝水构成的水膜的结构。
在上述或一些实施例中，各所述多孔金属板为矩形状结构且边沿处固定连接至同一竖直的转轴的周面位置处，形成多孔金属板阵列。
在上述或一些实施例中，所述冷凝装置包括冷却液循环管路，还包括位于壳体外侧的冷却液储存仓和与所述储存仓一体固定连接的循环泵，所述转轴为空心筒状结构，所述转轴串联至所述冷却液循环管路中，形成冷却液自转轴处流动并对所述多孔金属板所在区域进行降温的结构。
在上述或一些实施例中，所述UV光源为线型光源，包括由透明材质制成的圆柱状灯管，还包括位于灯管下端处处的底座，所述底座位于壳体内的底部位置处并固定，所述底座位于多孔金属板阵列的下方。
在上述或一些实施例中，所述驱动装置为摆轮游丝驱动的纵擒机构，所述驱动装置被配置为实现转轴带动各所述多孔金属板缓慢转动。
在上述或一些实施例中，所述壳体内侧面设置为抛物面形状的镜面结构，所述UV光源位于所述抛物面的焦点位置处，形成UV光源的光线经所述镜面形成平行射出至所述多孔金属板所在位置的结构。
在上述或一些实施例中，所述加热装置包括发热电阻，还包括用于包裹所述发热电阻的导热端，所述发热电阻、导热端位于所述UV光源的底部，所述导热端固定连接与所述底座端面处。
在上述或一些实施例中，所述底座的中部设有对应于壳体底座进气口的开窗，所述开窗处设有用于所述摆轮游丝、纵擒机构安装的安装梁。
在上述或一些实施例中，其中一所述安装梁位于开窗的中心处，还包括位于开窗上表面的对开窗进行覆盖的片状的启闭薄膜，所述启闭薄膜中心处于所述安装梁通过粘接固定，所述启闭薄膜与所述底座之间连接有纤维状连接线，所述连接线设有用于启闭薄膜向上张开的余量，形成当气流子下向上通过时所述启闭薄膜向上张开并受所述连接线限位的结构。
本方案中利用纳米半导体光催化属性实现对空气净化功能，在净化过程中利用冷热区交换过程中空气交换以及冷凝水雾实现对空气的净化效果，其净化过程中无需采用对流风扇进行驱动，而且可通过冷凝水实现较为丰富羟基形成，并且上述装置可直接采用UV光源进行催化，无需担心紫外线泄露的问题，其净化过程更加安静、高效。
附图说明
图1为是本发明的结构示意图。
图2为是本发明的顶部结构示意图。
图3为是本发明的内部结构示意图。
图4为是本发明中多孔金属板205、转轴204、UV光源400的配合示意图。
图5为是图4中A部分的放大示意图。
图6为是本发明中纵擒机构、底座302的结构示意图。
图7为是本发明中UV光源400的结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对具体实施方式做进一步详细说明。
以下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，都属于本发明保护的范围。
本领域普通技术人员将认识到的是，“上”、“下”、“外”、“内”等方位用语是针对于附图的描述用语，并不表示对所述权利要求限定的保护范围的限制。
壳体100，所述壳体100上端处设有用于净化后气体的出气口101，还包括位于壳体100下端的进气口102。所述壳体100包括内壳103和外壳104，内壳 103与外壳104相互套接形成可拆卸连接的结构,本方案中使用的冷凝装置200，在一实施例中，所述冷凝装置200包括置于壳体100内壳103与外壳104之间的冷却液循环管路201，所述冷却循环管路或与内壳103或外壳104一体设置，循环管路在于转轴204端部连接处才有按压式卡接结构，实现在外壳104装配的同时通过按压实现循环管路与转轴204端部之间的密封连接结构；所述的冷凝装置 200还包括位于壳体100外侧的冷却液储存仓202和与所述储存仓一体固定连接的循环泵203，其中储存仓中灌装冷却液，自然的储存仓设置用于冷却液灌装的灌装口，其中循环泵203包括与储存仓可拆卸连接的一体式的安装壳体100，所述循环泵203固定安装于安装壳体100内，实现对冷却液的冷却循环。上述的实施例中，所述转轴204为空心筒状结构，所述转轴204串联至所述冷却液循环管路201中，形成冷却液自转轴204处流动并对所述多孔金属板205所在区域进行降温的结构。使用时，依赖冷却液在转轴204中心的流动实现降低转轴204温度，并通过热传递作用降低多孔金属板205的表面温度，实现当空气流经多孔金属板205时，空气中的水分在多孔冷却板表面凝结。利用二氧化钛的属性，将吸附在 TiO2表面上的OH-和H2O分子氧化成羟基自由基等。然后羟基自由基强效分解各种具有不稳定化学键的有机化合物和部分无机物，将其最终降解为H2O、CO2等无害的小分子物质。
上述反应过程中，为了保持二氧化钛的催化效率，必须保持其表面湿度，进一步保持上面反应的顺利进行，还包括在所述进气口102被配置为包括对流经空气进行加热的加热装置300，加热装置300实现对经过空气进行加热，稳定保持多孔金属板205与加热后空气之间的温度差，以便于更为稳定在多孔金属板205 表面实现冷凝水膜。具体而言加热装置300还包括用于包裹所述发热电阻的导热端301，所述发热电阻、导热端301位于所述UV光源400的底部，所述导热端301固定连接与由导热材料如金属铜制成的所述底座302端面处。所述底座302 的中部设有对应于壳体100底座302进气口102的开窗303，所述UV光源400 为线型光源，包括由透明材质制成的圆柱状灯管，还包括位于灯管下端处处的底座302，所述底座302位于壳体100内的底部位置处并固定，所述底座302位于多孔金属板205阵列的下方，具体实施时，所述底座302与壳体100底部形状保持一致，以便于底座302的安装。
多孔金属板205，被配置为用于负载二氧化钛，其中其三维连通的结构具体作为负载二氧化钛的结构。在具体实现负载二氧化钛的方法中，首先，采用渗流铸造的方法，并采用晶体尺寸在1.5-3mm范围内的氯化钠作为铸造模板即造孔剂，具体而言在渗流铸造的模具中；然后将装有造孔剂的模具进行预热，将熔融状态的铝合金在预热后的模具中进行浇铸；然后在对模具进行加压，实现熔融状态的铝合金在造孔剂形成三维间隙中流动；再然后，等待浇铸完毕并冷却后取出带有造孔剂的凝固后的铝合金固体形成的物体A。对物体A的上下表面进行磨削加工，得到物体A中层物质B，然后将物质B置于水溶液中，将造孔剂融化，最终获得带有均匀三维连通孔的多孔金属板205，多孔金属板205为膜片形状。
将上述制成的多孔金属板205通过焊接固定于转轴204外周面处，形成多孔金属板205集中的区域，各所述多孔金属板205上设有三维连通的孔隙。在负载二氧化钛过程中，首先将钛酸四丁酯与无水乙醇进行混合得到溶液A，然后配置 PH＝5的冰醋酸水溶液B，再然后将膜片状的多孔金属板205浸没于溶液B中，逐渐向溶液B中滴加溶液A并同时搅拌溶液B，直至出现浅黄色溶液C，对溶液C进行温度40℃水浴加热获得凝胶D，此时取出至于凝胶D中的多孔金属板 205，并对金属板进行烘干处理，将烘干后的多孔金属板205进行在450℃下煅烧，最终获得在多孔金属板205三维连通孔内成型覆膜的二氧化钛膜。由于本方案采用在凝胶之前将多孔金属板205浸没在前驱溶液中，在整个溶胶、凝胶的过程中，可保证二氧化钛离子均匀填充于多孔金属板205形成三维连通孔内，实现对三维连通孔的均匀涂覆。所制备获得的多孔金属板205，其三维连通孔的二氧化钛膜成型更加完整和均匀，具备更好的催化效果。
UV光源400，所述壳体100内侧面设置为抛物面形状的镜面结构，所述UV 光源400位于所述抛物面的焦点位置处，形成UV光源400的光线经所述镜面形成平行射出至所述多孔金属板205所在位置的结构，位于焦点位置处的UV光源 400发出的光线经抛物面的反射后形成平直射向多孔金属板205的结构，形成对覆盖有二氧化钛粒子层多孔金属板205的照射结构，为了控制上述多孔金属板 205的姿态的变化，还包括用于驱动转轴204转动并带动多孔金属板205缓慢转动的驱动装置500。
为了更进一步增强UV光源的光量，所述UV光源包括由透明材质制成的圆柱灯管401，还包括位于灯管中心处的固定杆，所述固定杆402形成圆柱面上固定焊接有多个阵列均匀排布的UV灯珠，所述UV灯珠由供电电源进行供电，所述的发热电阻位于灯管的底部，并由导热端301包覆成型。
驱动装置500，所述驱动装置500为摆轮503游丝504驱动的纵擒机构，所述驱动装置500被配置为实现转轴204带动各所述多孔金属板205缓慢转动，所述纵擒机构包括纵擒轮501、以及与纵擒轮501啮合的纵擒叉502，所述纵擒叉 502的端部用于摆轮503啮合，摆轮503在游丝504的驱动下实现对纵擒叉502 端部的驱动，由于纵擒叉502于安装梁304铰接，因此纵擒叉502的卡爪部分与纵擒轮501周面的棘齿形成纵擒配合，转轴204在纵擒轮501配合的作用下实现定格转动，实现了多孔金属板205在无电机的驱动下进行姿态变换的结构。其中一所述安装梁304位于开窗303的中心处，还包括位于开窗303上表面的对开窗 303进行覆盖的片状的启闭薄膜305，所述启闭薄膜305中心处于所述安装梁304 通过粘接固定，所述启闭薄膜305与所述底座302之间连接有纤维状连接线，所述连接线设有用于启闭薄膜305向上张开的余量，形成当气流子下向上通过时所述启闭薄膜305向上张开并受所述连接线限位的结构。
启闭薄膜305，由于循环冷却水以及加热装置300的作用，在壳体100内上下方向上形成温度不同的区域，及壳体100内中上部为冷区，即热装置处位置为热区，由于冷热区之间形成了温度差，热区空气向冷区流动，进而实现启闭薄膜 305的张开，当冷热区不存在空气流动式，启闭薄膜305起到防止空气逆流的作用。
为了从外侧可观察装置运行状况，所述内层或外层处设有观察窗600，所述观察窗600覆盖由防紫外线玻璃制成，形成抑制紫外线外溢的结构，使用者可通过观察窗600的防紫外线玻璃观察UV光源400以及多孔金属板205的运行状况。
本方案中利用纳米半导体光催化属性实现对空气净化功能，在净化过程中利用冷热区交换过程中空气交换以及冷凝水雾实现对空气的净化效果，其净化过程中无需采用对流风扇进行驱动，而且可通过冷凝水实现较为丰富羟基形成，并且上述装置可直接采用UV光源400进行催化，无需担心紫外线泄露的问题，其净化过程更加安静、高效。

Claims (9)

1.用于空气净化的纳米半导体光催化装置，包括多个膜片形状的多孔金属板(205)，多个所述多孔金属板(205)集合形成对一多孔金属板(205)集中的区域，各所述多孔金属板(205)上设有三维连通的孔隙，所述的空隙被配置为通过化学沉淀方法沉积偏钛酸，并通过煅烧形成附着于多孔金属板(205)表面的二氧化钛粒子层；各所述多孔金属板(205)一侧设置有固定的UV光源(400)，各所述多孔金属板(205)还连接有一驱动装置(500)，各所述多孔金属板(205)在驱动装置(500)的驱动下变换相对于UV光源(400)的位置，实现各所述多孔金属板(205)接收紫外线照射的结构；还包括将所述多孔金属板(205)、UV光源(400)与外界隔绝的壳体(100)；所述壳体(100)设有用于气体进出的进气口(102)、出气口(101)，所述进气口(102)被配置为包括对流经空气进行加热的加热装置(300)，还包括用于对各多孔金属板(205)表面进行降温的冷凝装置(200)，形成预热后空气在各多孔金属板(205)表面形成冷凝水构成的水膜的结构。
2.根据权利要求1所述的用于空气净化的纳米半导体光催化装置，其特征在于，各所述多孔金属板(205)为矩形状结构且边沿处固定连接至同一竖直的转轴(204)的周面位置处，形成多孔金属板(205)阵列。
3.根据权利要求2所述的用于空气净化的纳米半导体光催化装置，其特征在于，所述冷凝装置(200)包括冷却液循环管路(201)，还包括位于壳体(100)外侧的冷却液储存仓(202)和与所述储存仓一体固定连接的循环泵(203)，所述转轴(204)为空心筒状结构，所述转轴(204)串联至所述冷却液循环管路(201)中，形成冷却液自转轴(204)处流动并对所述多孔金属板(205)所在区域进行降温的结构。
4.根据权利要求3所述的用于空气净化的纳米半导体光催化装置，其特征在于，所述UV光源(400)为线型光源，包括由透明材质制成的圆柱状灯管，还包括位于灯管下端处处的底座(302)，所述底座(302)位于壳体(100)内的底部位置处并固定，所述底座(302)位于多孔金属板(205)阵列的下方。
5.根据权利要求1-4任一所述的用于空气净化的纳米半导体光催化装置，其特征在于，所述驱动装置(500)为摆轮(503)游丝(504)驱动的纵擒机构，所述驱动装置(500)被配置为实现转轴(204)带动各所述多孔金属板(205)缓慢转动。
6.根据权利要求4所述的用于空气净化的纳米半导体光催化装置，其特征在于，所述壳体(100)内侧面设置为抛物面形状的镜面结构，所述UV光源(400)位于所述抛物面的焦点位置处，形成UV光源(400)的光线经所述镜面形成平行射出至所述多孔金属板(205)所在位置的结构。
7.根据权利要求4所述的用于空气净化的纳米半导体光催化装置，其特征在于，所述加热装置(300)包括发热电阻，还包括用于包裹所述发热电阻的导热端(301)，所述发热电阻、导热端(301)位于所述UV光源(400)的底部，所述导热端(301)固定连接与所述底座(302)端面处。
8.根据权利要求7所述的用于空气净化的纳米半导体光催化装置，其特征在于，所述底座(302)的中部设有对应于壳体(100)底座(302)进气口(102)的开窗(303)，所述开窗(303)处设有用于所述摆轮(503)游丝(504)、纵擒机构安装的安装梁(304)。
9.根据权利要求8所述的用于空气净化的纳米半导体光催化装置，其特征在于，其中一所述安装梁(304)位于开窗(303)的中心处，还包括位于开窗(303)上表面的对开窗(303)进行覆盖的片状的启闭薄膜(305)，所述启闭薄膜(305)中心处于所述安装梁(304)通过粘接固定，所述启闭薄膜(305)与所述底座(302)之间连接有纤维状连接线，所述连接线设有用于启闭薄膜(305)向上张开的余量，形成当气流子下向上通过时所述启闭薄膜(305)向上张开并受所述连接线限位的结构。
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