專利名稱：無電極紫外輻射流體修復(fù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用無電極紫外輻射(ultraviolet discharge)裝置發(fā)出的紫外輻射對有限空間內(nèi)的流體進(jìn)行修復(fù)，包括對光催化表面的激發(fā)以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。
背景技術(shù)：
常規(guī)的空氣凈化器采用電極放電紫外燈；在一些情況下，依賴紫外光全部或部分破壞微生物；在另一些情況下，紫外光激活顆粒填充層表面或是可使空氣從中透過的結(jié)構(gòu)表面上的光催化劑。類似的裝置可用于化學(xué)過程，在該過程中進(jìn)行空氣或水流的光催化氧化以修復(fù)(例如，消毒)或者調(diào)節(jié)流體。
由于燈的壽命短，空氣凈化器的設(shè)計必須適合于換燈。這種設(shè)計不需要大的體積，而需要大量的紫外燈和光催化劑分子(當(dāng)采用時)。電極紫外燈(如汞燈)的效率低于30％，也就是說，低于30％的電輸入被轉(zhuǎn)化為紫外線。在美國專利US6,280,686及其引用專利文件中采用了這種類型的燈。
作為一種實例，應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)前應(yīng)用在工藝物流的商業(yè)化光催化處理中的標(biāo)準(zhǔn)操作，例如建筑物占用空間內(nèi)污染空氣的空氣凈化。有效的設(shè)計需要在空間和時間上將紫外光子、催化劑表面分子以及工藝物流(例如，空氣凈化實例中的空氣污染物)放在一起考慮?，F(xiàn)有的設(shè)計操作將光催化劑在空間上固定并將紫外輻射源置于光催化劑外部。結(jié)果，光催化劑表面分子照射不均勻、弱照射和未被照射。這種操作對設(shè)計可獲得的自由度必須施加一種限制。
作為一種解釋性的應(yīng)用實例，目前商業(yè)化的光催化空氣凈化器均采用電極放電紫外燈和光催化劑分子，該光催化劑分子可制作成光催化劑顆粒的填充層或者具有光催化劑涂層的多孔塑料載體(例如，蜂窩狀、網(wǎng)狀泡沫、篩網(wǎng)、編織或未編織的纖維等)。這種設(shè)計的主要缺陷在于兩個方面首先，因為紫外線光源位于光催化劑載體和光催化劑表面的外部，也就是說，紫外線光源和光催化劑表面在空間上必然分隔開來，這種照射本身是不均勻的，其導(dǎo)致表面分子被弱照射或未被照射，結(jié)果對污染物破壞很小。由于這種內(nèi)在缺陷，將紫外光子傳遞到光催化劑，同時將污染物(工藝物流)傳遞到合適的活化催化劑上的設(shè)計目標(biāo)會產(chǎn)生設(shè)計難題。第二，流體處理裝置迄今還受到紫外燈使用的限制，紫外燈為持續(xù)產(chǎn)生紫外線依賴于電極之間的放電。這些裝置受到由于電極上的熱集中引起的雜質(zhì)沉積的影響，因此，這反過來限制了電子發(fā)射以及UV光發(fā)射。隨著燈的老化，燈輻射降低，導(dǎo)致燈的使用壽命大約小于8,000小時；基于紫外燈的電極的一個內(nèi)在特性。這些缺陷導(dǎo)致空氣凈化器設(shè)計是大體積，需要大量紫外燈和光催化劑分子，并消耗大量的電能。盡管空氣凈化的實例用于證明外部照射的缺點，在將紫外線光源設(shè)置于光催化劑外部的所有應(yīng)用中，這些相同的缺陷是固有的。

發(fā)明內(nèi)容
如本文所用的，“修復(fù)”包括光催化過程和光化學(xué)過程，并包括(1)“消毒”指的是(a)(i)全部或(ii)部分(b)(i)破壞，(ii)殺死或者(iii)氣化任何微生物，以及(2)“分解”，指化合物的氧化或還原。
本發(fā)明目的包括利用燈壽命超過10年的紫外線輻射的流體修復(fù)；對輸入電能具有高效利用的紫外線流體修復(fù)，例如約為80％的效率；流體修復(fù)可在相對緊湊的空間中進(jìn)行；高效率的光催化流體修復(fù)；光催化流體修復(fù)很容易以高能效方式實施，和改進(jìn)了的紫外和光催化流體修復(fù)。
根據(jù)本發(fā)明，無電極紫外燈用于流體修復(fù)區(qū)。紫外燈可以單獨使用，或者在空間上與紫外激發(fā)的光催化劑表面一起使用。燈可以通過單個或幾組磁電管提供的微波觸發(fā)。燈可以被誘導(dǎo)耦合射頻能量觸發(fā)。光催化表面可以在燈上，或者在光催化劑微粒上，或者在非催化劑分子上。燈可以是球形或圓柱形。被處理流體可以是空氣、水或者其它流體。
而且，本發(fā)明涉及用于進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)的光催化過程和光化學(xué)過程。本發(fā)明可能的應(yīng)用有多種，例如，占用空間的空氣凈化(例如，居民或商業(yè)建筑物、運輸工具等)，園藝商品運輸中的乙烯控制，對受污染土壤和水的修復(fù)，一般可用于任何受污染的空氣或水流，化學(xué)合成，以及微生物消毒。本發(fā)明這一方面的主要特點是UV光和光催化劑表面的緊密結(jié)合，在單獨控制UV強度和流體相大規(guī)模的運輸過程中容許增加了自由。本發(fā)明提供了一種長壽命的紫外發(fā)射源，以及結(jié)構(gòu)緊湊高效的光催化反應(yīng)器，用于空氣凈化和其它應(yīng)用。本發(fā)明將紫外光源和光催化劑表面放得很近，從而取得了對光催化劑表面分子的幾乎均勻的輻射。這種將紫外輻射源和光催化劑表面的緊密結(jié)合大大提高了單獨控制紫外線強度和運輸過程的自由，也就是說，將工藝物流中的化學(xué)反應(yīng)物傳輸?shù)焦獯呋瘎┍砻妗?br> 本發(fā)明提供了一種流體修復(fù)，具有壽命超過10年的紫外燈，從而大大簡化了裝置并降低了維修成本。本發(fā)明提供的紫外效率約為80％，包括無線電或微波發(fā)生器和腔體引起的能量轉(zhuǎn)移損失。
下面，通過對如附圖所示的具體實施方式
的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它目的、特點和優(yōu)勢將變得更加明顯。


圖1為具有球體的管道的簡單風(fēng)格化側(cè)面圖，該球體包括在磁電管激發(fā)的微波腔體內(nèi)的無電極紫外燈。
圖2為設(shè)置在管道中由磁電管激發(fā)的微波腔體內(nèi)的圓柱形無電極紫外燈的局部剖面簡單透視圖。
圖3為設(shè)置在有光催化劑涂層并可透過流體的基底之間的圓柱形的無電極紫外燈的局部剖面風(fēng)格化透視圖。
圖4為由射頻能量誘導(dǎo)激發(fā)的圓柱形無電極紫外燈的透視簡圖。
圖5為設(shè)置在磁電管激勵的微波腔體內(nèi)的管狀無電極紫外燈的透視簡圖。
圖6為具有啟動電極和電源的管狀無電極紫外燈的側(cè)面正視簡圖。
具體實施例方式
圖1中，在含有微波反射材料的管道14內(nèi)形成流體修復(fù)區(qū)13。在限定空間17的每個末端，可透過管道14中的流體的微波反射器18、19形成共振微波腔體。磁電管22向腔體內(nèi)提供微波電磁輻射。在腔體內(nèi)有球體23、24。球體23、24都可以包括球形的無電極微波燈，在這種情況下，圖1中的流體修復(fù)區(qū)通過單獨利用紫外輻射來全部或部分破壞微生物。另一方面，根據(jù)本發(fā)明，球體23可以包括球形的無電極紫外燈，球體24可以是具有紫外線激活光催化劑表面而非燈的球體，在這種情況下，圖1中的流體修復(fù)區(qū)以某種方式利用與流體的光催化劑反應(yīng)來修復(fù)流體，如氧化或還原流體中的有機化合物。此外，球體23、24可以包括其上具有光催化劑涂層的球形無電極紫外燈，涂層足夠薄以使微波電磁輻射是基本可透過的，因此，輻射可穿透球體中的基質(zhì)，從而保持用于激活球體23、24表面上的光催化劑的紫外輻射。涂層的厚度可根據(jù)美國專利US5,865,959確定。在這種情況下，與流體中的物質(zhì)發(fā)生光催化反應(yīng)。圖1中，不是球體24，而是球形的無電極紫外燈23可以含有散布其間的微粒，該微粒可以是光催化劑材料，或者是非光催化劑材料，但其上具有光催化劑涂層。在圖1中，如果需要，可以用光催化劑涂覆微波反射器18、19，以增強與流體的相互作用。
圖2中，流體修復(fù)區(qū)26包括管道14、微波反射表面18、19以及磁電管22，它含有圓柱形的無電極紫外燈27，而不是球體。將燈27設(shè)置成其對稱軸平行于管道的長度方向，使流體能夠在其間的空隙中流動，但是，圓柱體軸線和管道流體之間的任何可能角度都可以接受。燈27可涂敷適量的紫外激活光催化劑薄層。圖2中，圓柱形的無電極紫外燈27可含有散布其間的顆粒(例如，球形、圓柱形，或任何幾何形狀)，該顆粒可以是光催化劑材料，或者是非光催化劑材料，但其上具有光催化劑涂層。
圖3中，修復(fù)區(qū)30包括管道14和磁電管22，具有圓柱形無電極紫外燈設(shè)置其間的多個可穿透的基質(zhì)31-33。至少末端基質(zhì)33(另一端未示出)必須為微波反射材料，以便在管道14內(nèi)形成微波腔體。所有的基質(zhì)31-33都具有光催化表面，當(dāng)光催化表面被燈36發(fā)出的輻射激活時，引起與流體中的物質(zhì)(特別是烴)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以氧化或還原這些物質(zhì)，使得以預(yù)期方式影響它們，諸如使它們變得無害。
不是通過圖1-3中所示的腔體共振被激勵，而是如圖4所示，可以通過線圈40由射頻電源39誘導(dǎo)耦合的射頻(RF)電磁輻射來激勵管36。如果適合本發(fā)明的任何實施，電源39可含有用于每個管子的線圈40，或者每個管子可含有自己的電源。另一方面，如圖5所示，每個管子36都可以設(shè)置在其自身的微波腔體中，該腔體由合適的微波反射穿透材料43和磁電管22共同形成，如圖5所示?？纱┩富|(zhì)31-33和43可以是任何類型的曲折密封體、網(wǎng)孔、網(wǎng)狀物、篩網(wǎng)或者其它打孔材料，既可以充當(dāng)微波反射鏡，也可允許足夠的流體通過。
如本文所采用的，術(shù)語“無電極紫外燈”指的是一種不用燈內(nèi)電極激發(fā)可維持紫外線輻射的紫外燈，它由微波或射頻激發(fā)，但包括其中提供電極以輔助紫外輻射開始的燈，如圖6所示的無電極燈44。其中，除氣體填充圓筒46之外，燈44具有底座45，電極47從每個底座延伸至圓筒46中。如上所述，由于圓筒被電磁輻射照射，點火時，啟動電源48暫時為電極47提供電能，以增強圓筒46內(nèi)的紫外輻射。然而，一旦獲得了紫外線，電極的電能就被切斷，紫外線僅通過電磁輻射得以維持。采用這種方式，可避免長期的熱效應(yīng)，包括在燈上產(chǎn)生的沉積。
Boulos，M.I.等人在熱等離子體基礎(chǔ)和應(yīng)用，Vol.1，Plenum Press，N.Y.，1944.中描述了紫外線輻射的發(fā)射。微波驅(qū)動的無電極紫外燈可以從Fusion UVSystems有限公司購買.誘導(dǎo)驅(qū)動的無電極紫外燈可以從西爾韋尼亞和飛利浦公司購買。
上述專利作為參考并入本文。
因此，盡管已經(jīng)根據(jù)具體實施方式
對本發(fā)明進(jìn)行了展示和描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，也可以在其中和其外獲得上述和其它各種變形、刪減或者增加，而不違背本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種流體修復(fù)區(qū)，包括多個無電極紫外燈，設(shè)置在有限空間內(nèi)，待修復(fù)流體可從中通過；以及采用電磁輻射激發(fā)所述無電極紫外燈的裝置，使得所述燈在所述空間內(nèi)發(fā)射紫外電磁輻射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的流體修復(fù)區(qū)，其中，所述空間由微波反射材料限定，從而形成微波腔體，至少所述腔體的一部分可透過所述流體；以及所述裝置包括設(shè)置磁電管以向所述腔體發(fā)射微波電磁輻射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的流體修復(fù)區(qū)，其中，所述裝置包括多個磁電管，分別用于每個所述燈；多個腔體，分別用于每個所述燈，每個都與所述磁電管中相應(yīng)的一個以及可透過所述流體的微波反射多孔材料共同形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體修復(fù)區(qū)，其中，所述裝置包括一個或多個設(shè)置用于激發(fā)所述燈的誘導(dǎo)耦合器；以及至少一個用于驅(qū)動所述誘導(dǎo)耦合器的射頻電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的流體修復(fù)區(qū)，進(jìn)一步包括設(shè)置在所述空間內(nèi)的多個紫外激活光催化劑表面，當(dāng)所述光催化劑表面被所述紫外電磁輻射激發(fā)時，與所述流體中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而修復(fù)所述流體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的流體修復(fù)區(qū)，其中所述表面位于至少一個可透過所述流體的多孔基質(zhì)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的流體修復(fù)區(qū)，其中所述表面為所述燈的外表面，所述涂層足夠薄以使微波電磁輻射是基本可透過的。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的流體修復(fù)區(qū)，其中所述表面位于微粒上，微粒形成具有空隙的層，所述流體從中通過。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的流體修復(fù)區(qū)，其中，所述微粒為所述催化劑微粒。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的流體修復(fù)區(qū)，其中，所述微粒為除所述催化劑之外的、用所述催化劑涂層的微粒。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的流體修復(fù)區(qū)，其中所述無電極紫外燈包括設(shè)置在所述空間內(nèi)的多個球體或圓柱體，以提供所述流體可從中通過的空隙，所述燈具有紫外激活的光催化劑涂層，使得當(dāng)所述光催化劑被所述紫外電磁輻射激活時，與所述流體中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而修復(fù)所述流體，所述涂層足夠薄以使微波電磁輻射是基本可透過的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的流體修復(fù)區(qū)，其中所述空間由微波反射材料限定，含有可被所述流體透過的微波反射材料，從而形成一個微波腔體，并且所述裝置包括設(shè)置磁電管以向所述腔體內(nèi)發(fā)射微波電磁輻射。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的流體修復(fù)區(qū)，其中所述空間位于所述流體可流過的管道內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的流體修復(fù)區(qū)，進(jìn)一步包括多個設(shè)置在所述管道中的紫外激活光催化劑表面，使得當(dāng)所述光催化劑表面被所述紫外電磁輻射激活時，與所述管道內(nèi)流體中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而修復(fù)所述流體。
全文摘要
直接或通過對紫外激活的光催化劑表面的激發(fā)，將球形(23)或圓柱形(27、36)的無電極紫外燈用于修復(fù)流體，光催化劑表面可以在燈上，或者在可透過流體的結(jié)構(gòu)上。通過磁電管(22)的微波能量，或者通過射頻電源(39)誘導(dǎo)耦合到燈上，燈可在腔體(18、19、43)中被激發(fā)。燈(44)可以具有啟動電極(47)。
文檔編號B01D53/86GK1649632SQ03810145
公開日2005年8月3日 申請日期2003年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月6日
發(fā)明者T·N·奧比, S·O·海, J·J·桑吉奧萬尼, J·B·赫爾茨伯格 申請人:開利公司