CN1275436A - 光催化剂过滤器以及其制造方法和由此形成的空气净化器 - Google Patents
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Abstract
光催化剂过滤器,其制造方法,以及由此得到的空气净化器,光催化剂过滤器包括:所需形状的基材、包括作为主要成分的在基材表面形成无机层的玻璃料和形成多孔表面层的添加剂的釉质层及包括涂布在釉质层上作为主要成分的光催化剂溶液和粘合剂的光催化剂层,其中光催化剂溶液包括光催化剂和分散溶剂。所述方法包括以下步骤:(1)在经预处理除去外来物质的基材表面上涂布所述的釉质层;(2)在釉质层上涂布所述的光催化剂。
Description
本发明涉及一种光催化剂过滤器、其制造方法，以及由此得到的空气净化器，更具体地说，涉及一种光催化剂过滤器、其制造方法，以及适合于用于如空调器的各种家用电器的空气净化器。
一般来说，在家庭和工业场合使用不同的空气净化器。例如，空气净化器用于废物焚烧厂和工厂的烟囱以从废气中除去粉尘等有害物质。空气净化器也用于家庭以维持洁净的环境，各种过滤器安装在空调器、通风加热器(fanheater)、真空吸尘器等上以净化空气。对于空气净化器，一般来说或者使用非织纤维，通常是聚丙烯(PP)树脂纤维或聚乙烯树脂纤维，或者使用静电除尘器型的过滤器。然而，尽管前述类型的过滤器能过滤粉尘，但是从系统来看，难以除去臭味和灭菌。因此，使用单独的活性炭脱臭过滤器来脱臭。然而，活性炭脱臭过滤器具有一些问题，即脱臭性能差，寿命短，不能杀灭有害细菌。
为了解决这些问题，已经研究和开发了所谓的光催化剂技术，其中的光催化剂由光能激活以提供灭菌和脱臭功能，其中常用的一种是二氧化钛TiO2。如二氧化钛的光催化剂具有强吸附能力，并且在暴露于光能的点上形成不同的基团，提供了强氧化能力，足以杀灭细菌，与产生臭味物质反应并将其分解。
光催化剂反应的机理可以参看图1进行解释。
当由紫外(UV)灯发出的超过一定强度的光能照射到光催化剂P上时，在价带(valence band)的电子转变成传导带(conduct band)，产生了电子e-和空穴h+。电子和空穴分别具有强氧化性和强还原性，与空气中的水蒸汽H2O和氧气O2反应，形成活性氧，如OH基团，H基团，过氧阴离子O2-，它们具有与其它物质的强偶合能力，打破发臭物质的偶合，从而达到脱臭。也就是说，OH基团打破产生臭味的有机物的偶合，并与有机物直接偶合，留下水蒸汽和二氧化碳，这样就除去了臭味。具有强氧化能力的OH基团还能杀灭细菌。因为变应原(allergen)或细菌具有带氨基酸多肽的蛋白质，多肽作为主要部分与之偶合，OH基团破坏氨基酸偶合的多肽，改变了蛋白质，从而分解了变应原和杀灭了细菌。电子或空穴直接与有机物质偶合，打破了有机物的偶合，最后留下水蒸汽和二氧化碳，从而脱臭。因此，可以使用光催化剂灭菌、脱臭和分解变应原。
尽管光催化剂具有前述优良的性能，但是，在现有技术中，光催化剂在空气净化上的应用范围受到很大的限制，因为在空气净化器或家用空调器上使用光催化剂过滤器是很困难的。在现有技术中，由于光催化剂必须涂布在使用光催化剂的空调器等中的所需形状的框架上，光催化剂涂层不从涂布件上脱落下来是非常困难的。作为光催化剂，二氧化钛与无机材料例如金属或玻璃的亲合力低，如果涂敷在这种材料的基材上是容易脱落的，在有机基材上的光催化剂涂层会引起有机材料的降解。在现有技术中，难于将光催化剂涂布到基材上，即作为过滤器框架的金属板或网格上。如果光催化剂用于带有抽气扇的家用空调器或空气净化器，光催化剂会被吸走，这就使光催化剂在内部装置中使用。因此，在现有技术的大多数情况下，尽管光催化剂具有前述优良的性能，光催化剂的应用还是受到限制，例如通过分散光催化剂用于废物焚烧厂。
因此，本发明涉及一种光催化剂过滤器、其制造方法，以及由此得到的空气净化器，基本上克服现有技术中的几个前述问题。
本发明的一个目的是提供一种适合于家用电器的光催化剂过滤器、其制造方法，以及由此得到的空气净化器，其中光催化剂被牢固地涂布在基材上。
本发明的附加特征和优点将在下面的描述中阐明，一部分从说明中变得明了，或者在本发明的实施中认识到。本发明的目的和其他优点可以从附图以及说明书和权利要求书中提出的结构中认识到或获得。
为了达到这些或其它优点，按照本发明的目的，概括和概要上讲，光催化剂过滤器包括：具有所需形状的基材；釉质(enamel)层，该层包括形成无机层的玻璃料和形成多孔表面层的添加剂，作为主要成分涂布在基材表面上；光催化剂层，该层包括光催化剂溶液和粘合剂，作为主要成分涂布在釉质层上，其中光催化剂溶液包括光催化剂和分散溶剂。
在本发明的另一方面，提供了一种制造光催化剂过滤器的方法，该方法包括以下步骤：(1)在经预处理除去外来物质(foreign matter)的基材表面上涂布釉质层，釉质层包括作为主要成分的在基材表面形成无机层的玻璃料和在基材表面形成多孔表面层的添加剂，(2)在釉质层上涂布光催化剂层，光催化剂层包括作为主要成分的光催化剂溶液和粘合剂，光催化剂溶液包括光催化剂和分散溶剂。
光催化剂层进一步包括沸石或铜离子交换的沸石，光催化剂优选为氧化钛。
在本发明的另一方面，提供了一种具有电离器(ionizer)和收集器的静电除尘器，包括安装在静电除尘器的空气通道中的光催化剂过滤器。
本发明的再一方面，提供了一种具有壳体的空调器，壳体带有吸入格栅、排出格栅和安装在吸入格栅上的空气过滤器，包括一个安装在吸入格栅或排出格栅上的光催化剂过滤器。
由于本发明易于在基材上形成牢固的光催化剂涂层，因此，可以在各种家用电器中使用光催化剂。
可以理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，用于对本发明权利要求书的进行进一步解释。
附图用于进一步理解本发明，作为说明书的一部分，图示了本发明的实施例，与说明书一起对本发明进行解释。
在附图中：
图1是反应过程示意图，说明了光催化剂的反应机理；
图2说明了本发明优选方案的光催化剂过滤器制造方法的步骤；
图3A～3D是照片，每一张都示出了本发明不同光催化剂过滤器实例的放大表面；
图4是说明本发明第一优选实例中光催化剂过滤器的釉质层的混合比率与脱臭效果关系的图；
图5是说明本发明第一优选实施例中光催化剂过滤器的光催化剂溶液与粘合剂混合比率与脱臭效果关系的图；
图6是说明本发明不同优选实施例中光催化剂脱臭效果的图；
图7示意地说明了具有本发明光催化剂过滤器的静电除尘器；
图8示意地说明了具有本发明光催化剂过滤器的空调器；
图9A和9B是显示图8中安装的光催化剂过滤器状态的拆开透视图；
图10是按照本发明另一安装实例的图8中的光催化剂过滤器状态的剖示图；
图11A～11C举例说明了本发明光催化剂过滤器的一些变种。
现在将详细参照本发明的优选实例，其中的实施例示于附图。图2说明了本发明优选实例中制造光催化剂过滤器方法的步骤，图3A～3D示出了X100SEM(扫描电子显微镜)照片，每一张都显示了本发明不同光催化剂过滤器实例的放大表面。
首先，除去外来物质，如需涂布光催化剂的基材、过滤器框架上的油S1。然后，在基材上涂布釉质层S3。在具有釉质层的表面上涂布光催化剂S5。此外，在这种情况下，为了加强抗菌性能，可以在具有光催化剂的表面上涂布灭菌剂或抗菌剂S7。
以下详细解释本发明优选实施例中光催化剂过滤器制造方法的步骤。
考虑到光催化剂过滤器的寿命，使用由金属形成的基材是优选的，进一步优选使用由铝形成的基材，因为铝对涂布釉质来说是良好的材料。当然，考虑到光催化剂将安装其上的设备或光催化剂在设备中的安装位置，基材可以制成多种形状，如板或网格。
以下详细解释涂布在基材上的釉质层组成。
要喷到基材上的釉质溶液包括玻璃原料，即玻璃料，和各种添加剂和硬化剂。玻璃料主要包括SiO2，形成了无机表面层，用作内涂层，而添加剂用作多孔表面层，主要包括氧化物和碱性金属，如和Al2O3和TiO2(金红石)、Li、Na、Ca等。一般来说，添加剂包括调整试剂(set-up agent)以稳定添加剂，如硼酸，Na2NO2等，以及由SiO2-Al2O3-H2O组成的分散液以分散添加剂。在此期间，玻璃料与添加剂的混合比率优选为50∶50～80∶20wt％，进一步优选为65∶35～75∶25wt％。因为如图3A所示，具有上述混合比率的釉质层的孔隙率使得涂布在其上的光催化剂能良好地渗透，得到良好的涂层。图4是说明本发明第一优选实例的光催化剂过滤器的脱臭效果对釉质中玻璃料与添加剂混合比率关系的图，其中吸附效果是从加入20ppm三甲胺(trimethylamin)20分钟后测得的残余三甲胺浓度计算出来的。从图中可以看出，当玻璃料与添加剂混合比率为70∶30时脱臭效果最好。如此混合的釉质溶液被喷到基材上，然后，在400～600℃的温度下进行热处理约1小时，优选在550℃下处理20分钟，再在室温下冷却。图3A示出了基材上釉质涂层的放大表面，可以看出是多孔的。
接下来将详细解释涂布光催化剂过程的步骤。
光催化剂层包括具有光催化剂、分散溶剂和粘合剂的光催化剂溶液。具体地说，光催化剂溶液包括作为主要成分的锐钛矿态的TiO2粉末，混有异丙醇、甲醇、水等的分散溶剂。氧化钛粉末与分散溶剂的优选混合比率为10～30wt％。粘合剂以SiO2作为主要成分，用于改进涂层的质量和氧化钛涂层的寿命。光催化剂溶液和粘合剂的混合比率优选为10∶90～40∶60wt％，进一步优选为20∶80～30∶70wt％。使用太多的粘合剂会损害光催化剂氧化钛的性能，使用太少的粘合剂会损害粘合强度。然后，光催化剂溶液和粘合剂被喷到釉质层上，在100～350℃的温度下热处理约1小时，优选为200℃下处理30分钟，再在室温下冷却，以防止损害氧化钛，并使氧化钛的寿命最长，至此，完成了光催化剂过滤器的制造。
图5是说明本发明第一优选实例的光催化剂过滤器的脱臭效果对光催化剂溶液与粘合剂混合比率关系的图。
对于测定，将光催化剂过滤器放到6升的室中，向其中注入160ppm三甲胺臭气，每60分钟测定三甲胺的残余浓度从这一结果计算脱臭效果。从图5可以看出，脱臭效果随光催化剂溶液与粘合剂的比率变化，光催化剂与粘合剂的混合比率为30∶70wt％时表现出较均匀的脱臭效果。
以下说明本发明光催化剂过滤器的另一实例。制造本实例的光催化剂过滤器的过程步骤与第一实例相同，例外的是在这一实例的光催化剂溶液中，使用氧化钛和沸石的混合物作为主要成分以代替第一实例中的氧化钛作为光催化剂溶液的主要成分。以氧化钛作为主要成分的光催化剂溶液涂层在釉质层表面提供了孔隙率较低的平滑表面，如图3B所示，其表面积小，以氧化钛和沸石作为主要成分的光催化剂溶液涂层在釉质层提供了孔隙率较高的粗糙的表面，如图3C所示，其表面积大，改进了脱臭性能。进一步说，混有含有金属离子的沸石，如铜离子交换的沸石是优选的，而不是沸石，因为铜具有杀菌功能。铜离子交换的沸石Cu-A可以这样制备：在CuCl2水溶液中浸渍沸石粉末，用Cu(II)离子交换沸石中的Na离子，在空气中干燥，在200℃下在氢气氛中焙烧3小时。混有前述沸石或铜离子交换沸石的光催化剂的优选组成如下。氧化钛和沸石(铜离子交换沸石)的混合物对分散溶剂的优选比率为10～30wt％。光催化剂(氧化钛、沸石或铜离子交换沸石和分散溶剂的混合物)和粘合剂的混合比率优选为10∶90wt％，进一步优选为20∶80～30∶70wt％。
在前述实例中，尽管是沸石与氧化钛混合，然后涂布在釉质层上，沸石可以先与釉质混合，然后涂布在基材上。然而，在这种情况下，所获得的表面比沸石与氧化钛混合时平滑，光催化剂的效率下降。或者催化剂可以和活性炭混合涂布在釉质层表面上，因为活性炭的成本低于氧化钛。在光催化剂涂布过程中，可以在涂布前将如抗菌或灭菌剂的辅助原料与光催化剂混合，或者在涂布了光催化剂后涂布抗菌或灭菌剂。抗菌或灭菌剂优选为银和铜中的一种。这样延长了光催化剂过滤器的寿命，还能获得脱臭和灭菌功能。
图6图示了本发明不同优选实例的光催化剂过滤器的脱臭效果，是在注入20ppm三甲胺后，通过每隔30分钟测定残余三甲胺浓度获得的。“A”表示在釉质层上具有氧化钛涂层的光催化剂过滤器(称为“A”型光催化剂过滤器)，“B”表示具有氧化钛和沸石混合物涂层的光催化剂过滤器(称为“B”型光催化剂过滤器)，“C”表示在釉质和沸石混合物上具有氧化钛涂层的光催化剂过滤器(称为“C”型光催化剂)。从图6中可以看出，按“C”型、“A”型、“B”型光催化剂的顺序，三甲胺的吸附率变好。这是因为，如图3B～3D所示，“B”型光催化剂的表面最大。
参照图7和8解释本发明光催化剂过滤器的应用。
参照图7解释使用本发明光催化剂过滤器的静电除尘器。
普通静电除尘器9具有一壳体1，壳体上有吸入格栅3和排出格栅4，风扇安装在壳体1内以产生吸力。在具有电离器7和收集器8的壳1内有静电除尘单元。在电离器7前面有预过滤器5用于第一级过滤掉吸入空气的粉尘。在收集器8后面有脱臭过滤器6以除去空气中的臭味组分。脱臭过滤器6通常由活性炭形成。
下面解释静电除尘器9的操作。由于风扇2的驱动，含有粉尘等的外部空气通过吸入格栅3吸入，在预过滤器5中进行第一级过滤。然后，当空气通过电离器7时，空气被除去粉尘，并收集在收集器8中。空气通过静电除尘器，最终通过脱臭过滤器6，并通过排出格栅4排放到静电除尘器外。然而活性炭的脱臭过滤器6的脱臭性能差，没有灭菌能力，也没有变应原分解能力。而且脱臭过滤器6的长期使用降低了脱臭性能。但是，在静电除尘器9的流动通道中安装本发明的光催化剂过滤器可以改进脱臭效果。在这种情况下，可以安装本发明的网格形式的光催化剂过滤器6a，或者不单独安装光催化剂过滤器，光催化剂可以涂布在静电除尘器的一个部件上，例如，按本发明的制造光催化剂过滤器的方法，涂布在电离器7上。
参照图8解释具有本发明光催化剂过滤器的空调器。
普通空调器10具有壳体，壳体具有吸入格栅20和排出格栅22，以及在壳体中带马达16的风扇18以产生吸力。在壳体内有换热器14、压缩机12以及冷凝器(未示出)等形成制冷循环。吸入格栅盖20a可旋转地安装在吸入格栅20上，空气过滤器30安装在吸入格栅20和吸入格栅盖20a之间。通常，非编织纤维物或网的空气过滤器30仅具有过滤空气中粉尘的功能。然而，一旦在吸入格栅20上固定了本发明的光催化剂过滤器40，空调器10即具有了脱臭功能。如图9A和9B所示，光催化剂过滤器40可以在顶部具有一个钩42以将光催化剂过滤器40固定在吸入格栅20上。如图10所示，光催化剂过滤器40可以在顶部和底部具有钩44和46，分别用于将光催化剂40固定在现有技术的吸入过滤器30上作为一个单元。
如图11A～11C所示，光催化剂可以制成板形或优选的具有槽的波纹形，每个槽具有的截面为半圆形或三角形的，用于增加表面积。
这时，如已说明的，本发明的光催化剂过滤器40可以固定在吸入格栅20上，在制造空气净化器时，能激发涂布在光催化剂过滤器40上的光催化剂的能源可以固定在空调器10的某一位置上。然而，空调器中的空气过滤器30在使用了预定时间之后通常要清洗，并在阳光下干燥。所以，如果光催化剂过滤器40可以与空气过滤器30一起清洗，并在阳光下干燥预定的时间，不在空调器中单独固定能源以激发光催化剂，吸附在光催化剂上的一部分发臭物质可能被清洗掉，未被清洗掉的另一部分发臭物质在阳光下分解。有害细菌的杀灭和变应原的分解也是可能的。当然，本发明的光催化剂过滤器可以半永久(semi-permanently)地使用。
尽管这一实例显示和说明了本发明的用于窗式空调器的光催化剂过滤器，但本发明并不限于此，用于分体式(package type)空调器也是可以的。当然，本发明的光催化剂过滤器用于需要脱臭的其它家用电器，如真空吸尘器、通风加热器等也是可以的。
光催化剂过滤器、其制造方法以及由此得到的空气净化器具有以下优点。
本发明的光催化剂过滤器制造方法易于制造光催化剂过滤器，其中光催化剂可以牢固地涂布在基材上，具有长寿命，光催化剂不会从基材上脱落。也就是说，即使由于风扇的吸力使空气流过光催化剂，它也不会从基材上脱落，光催化剂可以应用在静电除尘器(空气净化器)、空调器、能风加热器、真空吸尘器等中。因此，当本发明的光催化剂应用在上述空调器等中时，不仅能改进脱臭性能，还能杀灭有害细菌分解变应原。
很明显，在不脱离本发明精神的范围的前提下，本领域的技术人员可以对本发明的光催化剂、其制造方法和由此得到的空气净化器作出各种改进和变动。因此，如果这些改进和变动在权利要求和等同物的范围内，则本发明包括了这些改进和变动。
Claims (17)
1.一种光催化剂过滤器，包括：
所需形状的基材；
包括作为主要成分的玻璃料和添加剂的釉质层，釉质层涂布在基材的表面上，玻璃料用于形成无机层，添加剂用于形成多孔表面层；和
包括作为主要成分的光催化剂溶液和粘合剂的光催化剂层，光催化剂层涂布在釉质层上，光催化剂溶液包括光催化剂和分散溶剂。
2.如权利要求1的光催化剂过滤器，其中光催化剂溶液进一步包括沸石或铜离子交换的沸石，而光催化剂是氧化钛。
3.如权利要求2的光催化剂过滤器，其中光催化剂层进一步包括抗菌剂。
4.如权利要求1或2的光催化剂过滤器，其中釉质层由50∶50～80∶20wt％的玻璃料和添加剂组成。
5.如权利要求4的光催化剂过滤器，其中釉质层由65∶35～75∶25wt％的玻璃料和添加剂组成。
6.如权利要求4的光催化剂过滤器，其中相对于分散溶剂光催化剂溶液包括10～30wt％的光催化剂。
7.如权利要求6的光催化剂过滤器，其中光催化剂层由10∶90～40∶60wt％光催化剂溶液和粘合剂组成。
8.如权利要求7的光催化剂过滤器，其中光催化剂层由20∶80～30∶70wt％光催化剂溶液和粘合剂组成。
9.一种制造光催化剂过滤器的方法，包括以下步骤：
(1)在基材表面涂布釉质层，釉质层包括作为主要成分的玻璃料和添加剂，玻璃料用于在基材的表面上形成无机层，添加剂用于在基材表面上形成多孔表面层；和
(2)在釉质层上涂布光催化剂层，光催化剂层包括作为主要成分的光催化剂溶液和粘合剂，光催化剂溶液包括光催化剂和分散溶剂。
10.如权利要求9的方法，其中光催化剂溶液进一步包括沸石或铜离子交换沸石，而光催化剂是氧化钛。
11.如权利要求9的方法，其中在涂布釉质层后，釉质层在400～600℃的温度下热处理1小时。
12.如权利要求9的方法，其中在涂布催化剂层后，光催化剂层在100～350℃的温度下热处理1小时。
13.一种由权利要求1所述的光催化剂过滤器形成的带有电离器和收集器的静电除尘器，包括：
所述的光催化剂过滤器安装在静电除尘器的空气通道中。
14.如权利要求13的静电除尘器，其中光催化剂过滤器是波纹形用以增加其表面面积。
15.一种由权利要求9的方法形成的带有电离器和收集器的静电除尘器，包括：
使用所述的方法在静电除尘器预定部件上涂布的釉质层和光催化剂层。
16.一种由权利要求1所述的光催化剂过滤器形成的带有吸入格栅和排出格栅的空调器，包括：
所述的光催化剂过滤器安装在吸入格栅或排出格栅上。
17.如权利要求16的空调器，其中光催化剂过滤器是波纹形用以增加其表面面积。
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