CN210356686U - 石墨烯基深紫外-可见光复合光催化餐饮油烟净化器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于环境保护工程领域，具体涉及一种基于石墨烯深紫外‑可见光复合光催化餐饮油烟净化器。包括净化箱，净化箱为两端开口的箱体。所述净化箱前端设置进气口，末端设置排气口，所述净化箱内依次设置有滤油模块、石墨烯基Mn型催化臭氧氧化模块、石墨烯基纳米二氧化钛催化氧化模块、中效过滤模块；所述净化箱内壁设置有若干个安装槽，用于安装滤油模块、石墨烯基Mn型臭氧氧化板、石墨烯纳米二氧化钛催化氧化板和中效过滤模块，油烟废气进入滤油模块执行除油烟处理后执行深紫外光下的催化臭氧氧化，再经石墨烯基纳米二氧化钛催化氧化模块执行可见光下的催化氧化，最后经过中效过滤棉过滤后排放。

Description

石墨烯基深紫外-可见光复合光催化餐饮油烟净化器

技术领域

本实用新型属于环境保护工程领域，具体涉及一种基于石墨烯深紫外-可见光复合光催化餐饮油烟净化器。

背景技术

餐饮油烟成为第二大污染源，净化处理迫在眉睫。随着我国经济的飞速发展，第三产业蓬勃兴起，各种规模的宾馆、饭店数量急剧增加，中国烹饪一向讲究煎、炒、烹、炸，这些烹饪方式会产生大量油烟并散布在厨房狭小的空间内，随空气浸入人体呼吸道、进而引起疾病。厨师在为人们奉献精美可口的食物的同时，也给我们带来了健康的威胁。餐饮油烟废气和工业废气、机动车尾气被视为城市的三大“污染杀手”。

在烹饪过程中，食物油和食物在搞无条件下会发生热分解或裂解，形成一种气态、液态和固态有机物形态的混合体，基油烟。根据形态不同，也太和固态颗粒物的混合体成为油雾，粒径在0.01-10um之间；气态部分则作为挥发性有机物（VOC_S）排放。在餐饮油烟中，可检测出的VOC_S多大300多种。餐饮油烟多属于低空排放，对PM2.5等大气颗粒物的贡献大，油雾排出后可直接形成PM2.5，而VOC_S通过在空气中的化学反应，也形成PM2.5。

研究表明，烹饪油烟是混合型污染物，主要有脂肪酸、烷烃、烯烃、醛、醇、醋、多环芳烃和杂环化合物，以及燃料燃烧产生的SO₂、NO、CO和颗粒物等污染物，其中至少有数十种危害人体健康，可引起中毒以及突变和癌变。大量研究表明，餐饮油烟中存在着能使染色体损伤、DNA损伤等不同生物学效应的细胞遗传性物质，具有致突变型，其中最直接的两种物质：一是直接颗粒物对空气造成的污染，二是高温情况下产生苯并芘、丙烯醛、亚硝胺等致癌物，导致肺癌和心血管疾病。然后现有的抽油烟机，只有抽排油烟的功能，无法达到净化排放，没有解决对环境的污染。

光催化氧化技术（PCO）是一种新型的绿色高级氧化技术，可直接利用太阳光在常温常压条件下催化降解空气中的有机污染物。光催化氧化技术的核心是高效光催化剂的研发。

锐钛矿型TiO₂的禁带宽度为3.2eV，其对应的吸收波长为387.5nm。吸收波段局限在紫外区。

石墨烯是一种新型的碳纳米材料，是一种具有优异电学、光学和机械性能的C，将石墨烯与TiO2复合可显著提高复合材料的光催化性能。复合材料结合了优异的可见光响应能力和优异的光生电子的传递性能，实现了有机物在可见光下的高效选择性转化，通过增加复合材料的比表面积、促进光生电子的迁移、延长复合材料载流子的寿命，从而进一步提高了光催化有机物的转化效率。

1、超强的吸附性能。石墨烯具有较大的比表面积（理论值约为2630m²·g^-1），因而可称为性能更为优异催化剂载体材料。实验证实：石墨烯基材料的吸附性能是活性炭的十数倍。

2、超强的导电能力。石墨烯具有更为优异的导电性能（室温下电子迁移率高达2×10⁵ cm²·V^-1·s^-1）、力学性能（1060GPa）、导热性能（3000W·m^-1·K^-1）。

美国圣母大学Kamat课题组就石墨烯与TiO₂间的电子传递进行了系统和深入的研究，得到了较有代表性的研究成果。在光电转换和光催化污染物降解过程中，促进半导体光生电子-空穴分离是石墨烯与TiO₂间最主要的协同作用。

3、石墨烯复合TiO₂拓展了禁带宽度，增强了对可见光的利用率。锐钛矿型TiO₂的禁带宽度为3.2eV，其对应的吸收波长为387.5nm。吸收波段局限在紫外区。Li等研究发现：石墨烯与Ti-O-C化学键相互作用，改变了TiO₂原有的禁带宽度，TiO₂在可见光区显示出了较大的光化学活性，从而增大了TiO₂对于可见光的利用率。

常温下，纳米二氧化钛具有良好的催化活性，石墨烯基催化剂载体具有吸附能力和一定的氧化性能，测试结果证明：单级石墨烯基纳米二氧化钛催化氧化模块执行80%的有机物氧化效率。

臭氧氧化技术：单一的臭氧氧化需要较高的臭氧浓度，且，不能将有机物彻底分解为二氧化碳和水，难以达到较高的去除效果，尤其是对难降解有机物(比如：苯)作用不明显。研究结果表明：臭氧氧化苯乙烯的中间产物是苯甲醛(C₆H₅CHO)和苯乙酸(C₆H₅COOH) ，需要继续臭氧氧化为最终产物二氧化碳和水。Hisahiro Eonaga等研究发现，臭氧不与苯或环己烷进行均相气相反应，因其本身不具有分解这些化合物的活性。

催化臭氧氧化技术：气态有机污染物（VOC_S）催化氧化机理最早由Kroger于1932年提出，认为催化氧化反应第一步是反应物在催化剂表面被氧化，催化剂表面活性位被还原，第二步是气相氧吸附在催化剂表面，活性位被氧化再生。Golodet G l最早提出臭氧在气相中的催化分解机理，推导出臭氧分解过程。Rakesh Radha Krishnan等运用原位拉曼光谱技术进行了臭氧分解动力学研究。Naydenov A等以MnO₂为催化剂研究臭氧催化氧化苯的反应动力学。

臭氧在金属氧化物表面上的分解机理一直到1998年得到确证：O₃在MnO₂催化剂上分解所产生的中间体为过氧化物种O₂ ^*，并利用分子轨道从头算法，以Mn(OH)₄(O₂)^*作为模型吸附物质，由此推断出臭氧分解的过程。该反应过程包括臭氧分解和有机物氧化，其核心是：催化分解臭氧产生的活性氧或过氧化物种才是分解苯和环己烷的有效氧化剂。

常温下，氧化锰具有较好的催化活性，石墨烯基催化剂载体具有吸附能力和一定的氧化性能。测试结果证明：单级模块执行89%的臭氧分解效率和65%的有机物氧化效率。

发明内容

本实用新型针对油烟净化排放，综合上述金属丝网滤油和基于石墨烯的催化臭氧氧化及纳米二氧化钛催化氧化，设计了一种油烟净化器，可用于餐饮油烟净化排放，降低污染。

石墨烯基深紫外-可见光复合光催化餐饮油烟净化器， 包括净化箱，净化箱为两端开口的箱体。所述净化箱前端设置进气口，末端设置排气口，所述净化箱内依次设置有滤油模块、石墨烯基Mn型催化臭氧氧化模块、石墨烯基纳米二氧化钛催化氧化模块、中效过滤模块；所述的石墨烯基Mn型催化臭氧氧化模块为前后排列的185nm紫外灯和石墨烯基Mn型臭氧氧化板。石墨烯基Mn型臭氧氧化板为石墨烯基Mn型臭氧氧化材料制成板状模块。

所述石墨烯基纳米二氧化钛催化氧化模块为前后排列的365nm紫外灯和石墨烯纳米二氧化钛催化氧化板。石墨烯纳米二氧化钛催化氧化板，为石墨烯与纳米二氧化钛复合成型制成板状模块。所述中效过滤模块为中效过滤棉制成。所述净化箱内壁设置有若干个安装槽，用于安装上述各模块中的滤油模块、185nm紫外灯、石墨烯基Mn型臭氧氧化板、365nm紫外灯、石墨烯纳米二氧化钛催化氧化板和中效过滤模块，更换时只需断电，将各部件从安装槽中抽出，插入相应的新部件。

所述滤油模块由高密度不锈钢金属丝网，便于清洗和更换。

所述中效过滤模块为中效过滤棉，能有效滤除3um以上的颗粒物。

所述净化箱箱体的顶盖与箱体一端为铰链连接，另一端可开启作为箱盖，便于对各模块进行维修和更换。所述185nm紫外灯、365nm紫外灯电源通过电路连接外部ECU控制模块，由ECU控制模块控制运行。

石墨烯基深紫外-可见光复合光催化餐饮油烟净化器，其净化流程为：油烟废气进入滤油模块执行除油烟处理后进入石墨烯基Mn型催化臭氧氧化模块执行深紫外光下的催化臭氧氧化，再经石墨烯基纳米二氧化钛催化氧化模块执行可见光下的催化氧化，最后经过中效过滤棉过滤后排放，整个电器系统由ECU控制其运行状态，实现自动化运行。

附图说明

图1为本实用新型涉及的油烟净化器结构主示意图；

图2为图1剖面图；

图3为净化箱结构示意图；

图4为ECU控制模块电器结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本实用新型作进一步说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例：餐饮油烟净化器，主体为两端开口的箱体，作为净化箱5。如图3所示，净化箱前端设置进气口51，末端设置排气口52，净化箱5内壁中设置有若干个安装槽53，用于安装过滤和净化模块。净化箱5顶盖54一端与箱体采用铰链连接结构，另一端可绕连接处转动开启，作为为可开启的箱盖。

如图1、图2所示，净化箱5内依次设置有滤油模块1、石墨烯基Mn型催化臭氧氧化模块2、石墨烯基纳米二氧化钛催化氧化模块3、中效过滤模块4。所述的石墨烯基Mn型催化臭氧氧化模块2为前后排列的185nm紫外灯21和石墨烯基Mn型臭氧氧化板22。石墨烯基纳米二氧化钛催化氧化模块3为前后排列的365nm紫外灯31和石墨烯纳米二氧化钛催化氧化板32。中效过滤模块4为中效过滤棉。滤油模块1由高密度不锈钢金属丝网，便于清洗和更换。中效过滤模块4为中效过滤棉，能有效滤除3um以上的颗粒物。

净化箱5可开启的顶盖设计，便于对各模块进行维修和更换。

如图4所示，所述185nm紫外灯21、365nm紫外灯31的电源通过电路连接外部ECU控制模块，由ECU控制模块控制运行。净化处理后，若要更换各模块，只需断电，打开顶盖，将各部件从安装槽中抽出，插入相应的新部件。

石墨烯基深紫外-可见光复合光催化餐饮油烟净化器，其净化流程为：油烟废气进入滤油模块执行除油烟处理后进入石墨烯基Mn型催化臭氧氧化模块执行深紫外光下的催化臭氧氧化，再经石墨烯基纳米二氧化钛催化氧化模块执行可见光下的催化氧化，最后经过中效过滤棉过滤后排放，整个电器系统由ECU控制其运行状态，实现自动化运行。

模块制备1.制作高密度不锈钢金属丝作为滤油网，测试结果证明其滤油效率大于90%。

2.根据金属氧化物的半导体类型选择氧化锰作为催化剂活性物质，通过浸渍法制备的常温常压下分解高浓度高湿度O₃催化剂，经低温煅烧后具备较高的臭氧催化分解活性。

3.以钛酸丁酯为钛源，石墨烯为载体，通过浸渍、烘干、焙烧制备负载型常温常压下复合光催化剂，测试结果表明：石墨烯基材料在光催化降解污染物中活性明显优于纯半导体20%。

4.中效过滤：中效过滤棉能有效滤除3um以上的颗粒物，效率达到98%。

5. ECU控制单元执行紫外光与可见光之间的自动切换，充分利用自然光达到节能。

石墨烯基深紫外-可见光复合光催化餐饮油烟净化器综合测试结果表明：滤油效率大于90%、除臭效率大于85%、VOC_S去除率大于87%。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所提示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要所涵盖。

Claims (4)

1.石墨烯基深紫外-可见光复合光催化餐饮油烟净化器，其特征在于，包括净化箱（5），净化箱（5）为两端开口的箱体，所述净化箱前端设置进气口（51），末端设置排气口（52），所述净化箱（5）内依次设置有滤油模块（1）、石墨烯基Mn型催化臭氧氧化模块（2）、石墨烯基纳米二氧化钛催化氧化模块（3）、中效过滤模块（4）；所述的石墨烯基Mn型催化臭氧氧化模块（2）为前后排列的185nm紫外灯（21）和石墨烯基Mn型臭氧氧化板（22）；所述石墨烯基纳米二氧化钛催化氧化模块（3）为前后排列的365nm紫外灯（31）和石墨烯纳米二氧化钛催化氧化板（32）；所述中效过滤模块（4）为中效过滤棉；所述净化箱（5）内壁设置有若干个安装槽（53），用于安装上述各模块中的滤油模块（1）、185nm紫外灯（21）、石墨烯基Mn型臭氧氧化板（22）、365nm紫外灯（31）、石墨烯纳米二氧化钛催化氧化板（32）和中效过滤模块（4）。

2.根据权利要求1所述的石墨烯基深紫外-可见光复合光催化餐饮油烟净化器，其特征在于，所述滤油模块（1）由高密度不锈钢金属丝网。

3.根据权利要求1所述的石墨烯基深紫外-可见光复合光催化餐饮油烟净化器，其特征在于，所述净化箱（5）的箱体顶盖（54）与箱体一端为铰链连接，另一端可开启作为箱盖，便于对各模块进行维修和更换。

4.根据权利要求1所述的石墨烯基深紫外-可见光复合光催化餐饮油烟净化器，其特征在于，所述185nm紫外灯（21）、365nm紫外灯（31）电源通过电路连接外部ECU控制模块，由ECU控制模块控制运行。

Images