CN1886183A - 光催化氧化空气净化系统 - Google Patents
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Abstract
光催化涂层将吸附在涂层上的挥发性有机化合物氧化成水，二氧化碳，及其他物质。当紫外光的光子被涂层吸收时，形成了反应性的羟基。当污染物被吸附在所述涂层上时，所述羟基将污染物氧化生成水，二氧化碳，及其他物质。湿度对二氧化钛涂层的光催化性能有影响。水强烈地吸附在所述涂层上，并且水和污染物竞争所述涂层上的吸附点。磁控管发射具有希望的波长的微波。所述微波仅仅被吸附的水吸收，将所述水从光催化涂层上解吸，并且为污染物提供附加的光氧化位点。
Description
本发明一般地涉及空气净化系统，其通过降低湿度对氧化过程的负面影响提高光氧化速率，所述氧化过程将污染物氧化成二氧化碳，水及其他物质。
室内空气可能包含微量的污染物，包括一氧化碳和挥发性有机化合物，例如甲醛，甲苯，丙醛，丁烯，和乙醛。吸收剂空气过滤器，例如活性炭，已经被用于从空气中除去这些污染物。当空气流过过滤器时，过滤器阻碍污染物的通过，允许不含污染物的空气从过滤器流出。使用过滤器的缺点是它们只是简单地阻碍污染物的通过，而不是破坏它们。
二氧化钛已经被用作空气净化器中的光催化剂，用于破坏污染物。当用紫外光照射二氧化钛时，光子被二氧化钛吸收，将电子从价带激发到导带，这样在价带中产生空穴，并且在导带中增加电子。激发的电子与氧反应，并且保留在价带中的空穴与水反应，形成反应性的羟基。当污染物吸附在二氧化钛光催化剂上时，羟基进攻污染物并且将污染物氧化成水，二氧化碳，及其他物质。
水和污染物竞争光催化剂上的吸附点。因为在周围空气中水的浓度远远大于污染物的浓度，因此水蒸汽具有大的占据光催化剂上的给定吸附点的几率。例如，存在数千ppmv的水蒸汽和远远低于1ppmv的气态污染物。另外，水在光催化剂上形成氢键，氢键比将污染物保留在光催化剂上的范德华力强得多。吸附在光催化剂上的水蒸汽阻碍了污染物到达光催化剂上的光氧化位点，抑制了污染物的光氧化。
光催化剂的光催化活性在大约5到30％相对湿度下、最优选在15％的相对湿度下达到最大。当湿度在此范围基础上提高时，光催化速率急剧降低。例如，在60％的相对湿度下，光催化速率降低二分之一。降低的程度也取决于污染物。
可以使用微波来保持最理想的在潮湿空气中污染物的光氧化速率。微波有选择地从光催化剂上解吸水分子，释放光氧化位点，使它们能够吸收污染物。
美国专利5,933,702公开了光催化空气消毒系统，其在高于40％的湿度下操作。在该系统中，光催化性能在提高的湿度下提高。然而，一般地，当湿度提高时，光催化速率降低，因为水与污染物竞争光催化剂上的吸附点。
因此，本领域中需要一种空气净化系统，其通过降低湿度对氧化过程的负面影响而提高光氧化速率，所述氧化过程将污染物氧化成二氧化碳，水及其他物质。
发明内容
扇机将空气吸入空气净化系统。空气流过蜂窝结构的开放的通路或者通道。蜂窝结构的表面涂覆有二氧化钛光催化涂层。定位在相继的蜂窝结构之间的紫外线光源将二氧化钛涂层活化。
当紫外光的光子被二氧化钛涂层吸收时，电子从价带被激发到导带，在价带中产生空穴。导带中的电子被氧捕获。价带中的空穴与吸附在二氧化钛涂层上的水反应，形成反应性的羟基。当污染物，例如挥发性的有机化合物，被吸附到二氧化钛涂层上时，羟基进攻该污染物，从污染物中抽出氢原子，并且将挥发性有机化合物氧化成水，二氧化碳，及其他物质。
湿度对二氧化钛涂层的光催化性能有影响。水强烈地吸附在所述涂层上，并且水和污染物竞争所述涂层上的吸附点。
磁控管放射微波，微波将吸附在光催化涂层上的水解吸。选择微波的频率，使得吸附的水吸收微波。通过解吸水分子，使污染物可接近的吸附点的数目增加，从而提高了光氧化速率。
光源，具有光催化涂层的蜂窝结构，以及磁控管位于相对的金属丝筛网之间。在相对的金属丝筛网之间限定了微波谐振腔。
根据以下说明书和附图，可以更好地理解本发明的这些及其他特征。
附图说明
根据以下目前优选的实施方案的详细说明，对于本领域技术人员而言，本发明的各种特征和优点将变得显而易见。详细说明的附图可以简要地描述如下：
图1用图解法举例说明了封闭的环境，例如建筑，车辆或者其他结构，其包括内部空间和HVAC系统；
图2用图解法举例说明了本发明的空气净化系统；
图3用图解法举例说明了空气净化系统的蜂窝结构；和
图4用图解法举例说明了替代的空气净化系统。
优选实施方案的详细说明
图1用图解法举例说明了建筑、车辆或者其他结构10，其包括内部空间12，例如房间，办公室或者车辆客舱，例如小汽车，火车，公共汽车或者飞机。HVAC系统14将内部空间12加热或者冷却。内部空间12中的空气通过路径16被吸入HVAC系统14。HVAC系统14改变从内部空间12吸入16的空气的温度。如果HVAC系统14以冷却方式操作，则所述空气被冷却。作为选择，如果HVAC系统14以加热方式操作，则空气被加热。然后，空气由路径18返回到内部空间12，改变内部空间12中的空气的温度。在一个例子中，空气净化系统20在室温下操作。
图2用图解法举例说明了空气净化系统20，其被用于净化建筑物或者车辆10中的空气，这通过将污染物例如挥发性有机化合物和半挥发性有机化合物氧化成水、二氧化碳及其他物质来进行。挥发性有机化合物可以是甲醛，甲苯，丙醛，丁烯，乙醛，醛，酮，醇，芳香族化合物，链烯，或者链烷。空气净化系统20可以在空气沿着路径16被吸入HVAC系统14之前将空气净化，或者它可以在空气沿着路径18被吹入建筑物或者车辆的内部空间12之前将离开HVAC系统14的空气净化。空气净化系统20还可以是不与HVAC系统14一起使用的独立的单元。
扇机34将空气通过进口22吸入空气净化系统20。空气流过颗粒过滤器24，该颗粒过滤器通过阻碍粒子的流动而滤出灰尘或者任何其他大的颗粒。然后空气流过基质28，例如蜂窝结构。图3用图解法举例说明了蜂窝结构28的前视图，该蜂窝结构具有许多六边形的开放的通路或者通道30。所述许多的开放的通路30的表面涂覆有二氧化钛光催化涂层40。当被紫外光活化时，所述涂层40将吸附在二氧化钛涂层40上的挥发性有机化合物氧化。正如以下解释的，当空气流过蜂窝结构28的开放的通路30时，被吸附在二氧化钛涂层的表面上的污染物被氧化成二氧化碳，水及其他物质。
定位在相继的蜂窝结构28之间的光源32将开放的通路30的表面上的二氧化钛催化涂层40活化。正如所示，蜂窝结构28和光源32在空气净化系统20中交替设置。也就是说，在每一蜂窝结构28之间定位有光源32。优选，光源32是紫外线光源，其产生波长在180纳米到400纳米范围内的光。然而，光源32还可以是产生臭氧的灯。
光源32照射活化在蜂窝结构28表面上的二氧化钛涂层40。当紫外光的光子被二氧化钛涂层40吸收时，电子从价带被激发到导带，在价带中产生空穴。二氧化钛涂层40必需存在氧和水，以将污染物氧化成二氧化碳，水，及其他物质。被激发到导带的电子被氧捕获。价带中的空穴与吸附在二氧化钛涂层40上的水分子反应，形成反应性的羟基。
二氧化钛是将挥发性有机化合物氧化成二氧化碳，水及其他物质的有效的光催化剂。当污染物被吸附到涂层40上时，羟基进攻污染物，从污染物中抽出氢原子。在这一方法中，羟基将污染物氧化并且产生水，二氧化碳，及其他物质。
优选，所述光催化剂是二氧化钛。在一个例子中，二氧化钛是Degussa P-25，或者等效的二氧化钛。然而，应当理解，可以使用其他光催化材料或者二氧化钛与其他金属氧化物的混合物，只要它们对于热催化功能是活性的载体。例如，光催化材料可以是Fe2O3，ZnO，V2O5，SnO2，或者FeTiO3。另外，可以将其他金属氧化物与二氧化钛混合，例如Fe2O3，ZnO，V2O5，SnO2，CuO，MnOx，WO3，Co3O4，CeO2，ZrO2，SiO2，Al2O3，Cr2O3，或者NiO。
二氧化钛还可以用金属氧化物负载，以进一步提高涂层40的光催化效率。在一个例子中，金属氧化物是WO3，ZnO，CdS，SrTiO3，Fe2O3，V2O5，SnO2，FeTiO3，PbO，Co3O4，NiO，CeO2，CuO，SiO2，Al2O3，MnxO2，Cr2O3，或者ZrO2。
湿度对二氧化钛涂层40的光催化性能有影响。水强烈地吸附在亲水性的涂层40上，并且水和污染物竞争涂层40上的吸附点。通常，存在比产生羟基所需要的更多的吸附水。例如，存在数千ppmv的水蒸汽和远远低于1ppmv的污染物。水还在涂层40上形成氢键，氢键比将污染物保留在涂层40上的范德华力强得多。吸附在涂层40上的水阻止了污染物吸附在涂层40上，因此降低了污染物的氧化速率。因此，水比污染物具有更大的占据涂层40上的给定吸附点的几率。
磁控管46发射微波，该微波有选择地将吸附在涂层40上的水解吸，而不被涂层40、蜂窝结构28、污染物或者在空气净化系统20中的任何其他材料吸附。对微波的频率进行选择，使得吸附的水吸收微波，以最大限度地将吸附的水加热。通过解吸水分子，使污染物可接近的吸附点的数目增加，从而提高了光氧化速率。微波能在吸附的水分子中间消耗，将水分子加热并且将它们解吸。湿度不影响涂层40，并且涂层40能够在最理想的氧化速率下操作，该氧化速率高于受湿度影响的系统的氧化速率两倍或以上。
二氧化钛涂层40是结晶的半导体材料，并不直接与微波场相互作用。当吸收的微波能从吸附的水传递到涂层40时，涂层40被间接加热是可能的。涂层40能以这样的方式吸收某些微波能，但是吸收的量是无关紧要的。
在IAQ(室内空气质量)应用中，在占据的空间中单种污染物在空气中的浓度最高只有几十ppb。因此，吸附的污染物质量将是很小的，其介电损耗因子也相应地如此之小或者不存在，以至于不会从微波场吸收能量。只有当污染物与相邻的吸附的水分子偶合，或者交换能量时，吸附的污染物才能被微波加热。
二氧化钛涂层40上吸附的水的量取决于空气中水蒸汽的浓度或者分压。在低的湿度下，吸附的水分子彼此不接触，并且不能有效地消散来自微波场的能量。本发明的空气净化系统20还可以在高湿度下被使用。在高湿度下，吸附的水的热力学行为与二维冷凝物相同，并且当暴露于微波时被加热。不同的微波波长在不同的湿度水平下是有效的，并且最理想的微波强度随湿度水平的变化而变化。
介电常数是分子极化的尺度，因此是分子本身按照外部电场定位的趋势的尺度。极性分子响应振荡微波场的电场的变化，其偶极重新定向。水是极性分子，因此很可能吸收微波能量。大多数污染物的极性是较弱的，不具有偶极矩，因此不能吸收任何微波能量。预计污染物的介电常数远远低于水的介电常数。
与二氧化钛相比，水还具有大的介电损耗因子(高微波吸收)，因此更倾向于吸收微波能量。对于给定的温度，介电损耗因子被最大化的波长直接正比于分子的分子直径的立方。大多数污染物大于水分子，因此对于水和大多数污染物，最大化波长是不同的。
介电常数和介电损耗因子两者都依赖于温度和微波波长。当温度提高时，氢键的强度和范围减小，使介电常数降低，并且降低了偶极子运动的困难。这允许水分子以较高的频率振动，减少了水分子转动的阻力，因此降低了摩擦和介电损耗因子。对于纯水，大部分的介电损耗处于电磁辐射的微波范围(1-300GHz)。例如，对于纯水的最理想的加热，微波波长在20℃下为大约17GHz，并且在50℃下转变到38GHz。对于光催化剂上吸附的水，使吸附的水的加热最大化的波长也是与温度有关的，虽然最理想的波长可能不同于纯水的情况。作为选择，可以通过磁控管46发射无线电波，以有选择地解吸水分子。
光源32，具有二氧化钛涂层40的蜂窝结构28，以及磁控管46位于微波谐振腔50的内部，该微波谐振腔由形成围绕的外壳的金属丝筛网48限定。金属丝筛网48防止微波从微波谐振腔50中逸出。金属丝筛网48还在微波谐振腔50内部反射微波。金属丝筛网48的孔小于最小的可能的微波波长，以防止微波从微波谐振腔50中逸出。
作为选择，如图4所示，仅有蜂窝结构28位于微波谐振腔50内，并且光源32不位于微波谐振腔50内。金属丝筛网48允许来自光源32的光通过并且在蜂窝结构28上的涂层40上被吸收。仅将蜂窝结构28和涂层40定位在微波谐振腔50中，使光源32和蜂窝结构28分离，防止了光源32从蜂窝结构28中吸收微波能量。
减少湿度对涂层40的影响，提高了空气净化系统20的效率。因此，空气净化系统20可以被制造得更小，从而节约成本。
在通过蜂窝结构28之后，净化的空气通过出口36从空气净化器出来。空气净化系统20的器壁38优选衬有反射材料42。反射材料42将紫外光反射到蜂窝结构28的开放的通路30的表面上。由金属丝筛网48限定的微波谐振腔50位于空气净化系统20的器壁38内部。
虽然已经举例和描述了蜂窝结构28，应当理解，二氧化钛涂层40可以被施加到任何结构上。蜂窝结构28中的空隙，其形状典型地是六边形的，但是应当理解，可以使用其他空隙形状。当在光源存在下，污染物被吸附到所述结构的二氧化钛涂层40上时，污染物被氧化成水，二氧化碳及其他物质。
上述说明仅仅是本发明原理的示例。根据上述教导可以对本发明进行许多修正和改变。虽然已经公开了本发明的优选实施方案，然而本领域普通技术人员将承认，某些修改处于本发明范围之内。因此，应当理解，在所附权利要求范围内，本发明可以按照不同于特别描述的方式实施。因此，以下权利要求决定了本发明实际的范围和内容。
Claims (28)
1.一种空气净化系统，其包括：
基质；和
施加在所述基质上的涂层；和
将所述涂层上吸附的水蒸汽解吸的能量源。
2.权利要求1的空气净化系统，其中所述能量是微波。
3.权利要求1的空气净化系统，其中所述能量是无线电波。
4.权利要求1的空气净化系统，其中所述涂层是光催化涂层。
5.权利要求4的空气净化系统，其中所述光催化涂层是二氧化钛。
6.权利要求4的空气净化系统，其中所述光催化涂层是Fe2O3，ZnO，V2O5，SnO2，和FeTiO3之一。
7.权利要求4的空气净化系统，其中所述光催化涂层包含负载在光催化材料上的金属氧化物。
8.权利要求7的空气净化系统，其中所述金属氧化物是WO3，ZnO，CdS，SrTiO3，Fe2O3，V2O5，SnO2，FeTiO3，PbO，Co3O4，NiO，CeO2，CuO，SiO2，Al2O3，MnxO2，Cr2O3，和ZrO2之一。
9.权利要求4的空气净化系统，其还包括将所述光催化涂层活化的光源，并且所述光催化涂层在被所述光源活化时将吸附在所述光催化涂层上的污染物氧化。
10.权利要求9的空气净化系统，其还包括由限定能量空腔的多孔的筛网限定的围绕的外壳，所述基质，和所述光催化涂层，和所述光源位于所述能量空腔内。
11.权利要求9的空气净化系统，其还包括由多孔的筛网限定的并且限定能量空腔的围绕的外壳，并且所述基质和所述光催化涂层位于所述围绕的外壳内，并且所述光源位于所述围绕的外壳之外。
12.权利要求9的空气净化系统，其中所述光源是紫外线光源。
13.权利要求9的空气净化系统，其中所述光源是产生臭氧的灯。
14.权利要求9的空气净化系统，其中来自所述光源的光子被所述光催化涂层吸收，形成反应性的羟基，其在氧和水的存在下将污染物氧化成水和二氧化碳。
15.权利要求9的空气净化系统，其中所述污染物是挥发性的有机化合物和半挥发性的有机化合物之一，包括甲醛，甲苯，丙醛，丁烯，乙醛，醛，酮，醇，芳香族化合物，链烯，和链烷的至少一种。
16.权利要求9的空气净化系统，其中来自所述光源的光不与所述希望的波长的能量耦合。
17.权利要求1的空气净化系统，其中所述基质是由固体隔开的空隙的阵列。
18.权利要求1的空气净化系统，其中所述空气净化系统在室温下操作。
19.权利要求1的空气净化系统，其中所述希望的波长的能量被所述水吸收，并且不被所述涂层和所述基质吸收。
20.权利要求1的空气净化系统，其中所述希望的波长被选择成将所述水解吸，使所述水的加热最大化。
21.权利要求1的空气净化系统，其中所述希望的频率是在20℃下17GHz。
22.权利要求1的空气净化系统，其中所述希望的频率是在50℃下38GHz。
23.权利要求1的空气净化系统，其中所述能源产生希望的波长的能量，用于解吸吸附在所述涂层上的水蒸汽。
24.一种空气净化系统，其包括：
基质；和
产生希望的波长的能量以解吸吸附在所述基质上的水蒸汽的能源。
25.权利要求24的空气净化系统，其中所述能量是微波。
26.权利要求24的空气净化系统，其中所述基质是光催化性的。
27.权利要求26的空气净化系统，其中所述基质是二氧化钛。
28.一种解吸水的方法，其包括以下步骤：
选择希望的波长的能量；
发射所述希望的波长的能量；
由所述水吸收所述希望的波长的能量；和
从光催化涂层上解吸所述水，所述光催化涂层包含负载在光催化材料上的金属氧化物。
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