基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置，包括過濾單元和光催化單元，其中過濾單元為筒狀過濾單元，徑向橫截面為環(huán)狀，其上、下兩端分別與頂端蓋和底端蓋相連；頂端蓋的中央設(shè)置有出氣口，在出氣口的四周均勻設(shè)置有頂端安裝孔；底端蓋均勻設(shè)置有底端安裝孔；光催化單元選用纖維狀催化單元，其一端與頂端安裝孔固定相連，另一端與底端安裝孔固定相連。本發(fā)明的技術(shù)方案采用360度側(cè)面進風(fēng)，能夠有效減少光催化反應(yīng)的副產(chǎn)物帶來的二次污染的影響，在HEPA、活性碳纖維表面同時負(fù)載二氧化鈦，提高紫外光利用率的同時，有效的提高空氣凈化效率，適用于飛機、地鐵、火車、工廠等封閉、易燃易爆環(huán)境。
【專利說明】基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于空氣凈化【技術(shù)領(lǐng)域】，更加具體地說，涉及利用光催化反應(yīng)對空氣中的有害物質(zhì)高效凈化的光催化空氣凈化裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球現(xiàn)代化進行和物質(zhì)精神文明的不斷提高，由工業(yè)化帶來的環(huán)境污染以及生態(tài)破壞受到大家廣泛重視。為此國內(nèi)外專家研發(fā)了多種空氣凈化裝置，用以改善提高周圍的生活環(huán)境。目前，國內(nèi)外使用的空氣凈化系統(tǒng)大多采用活性炭吸附技術(shù)、臭氧凈化技術(shù)、負(fù)離子除塵技術(shù)、高壓靜電技術(shù)和光催化技術(shù)。近年來，光催化凈化技術(shù)因為高效低耗、安全無毒、滅菌除臭等優(yōu)勢而得到廣泛研究發(fā)展。
[0003]光催化空氣凈化技術(shù)基于半導(dǎo)體理論，其降解污染物的原理是:當(dāng)其光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度時，會形成光生電子-空穴對，當(dāng)其被移動到催化劑表面，那可以有效的氧化或還原吸附在催化劑表面的有害氣體分子，并將其徹底礦化為無毒無害的水和二氧化碳等物質(zhì)。經(jīng)專利檢索發(fā)現(xiàn)，光催化凈化技術(shù)的專利有:中國專利號1486778A，名稱為:光催化凈化器；中國專利號1605808A，名稱為:光催化空氣凈化器等。現(xiàn)有的光催化反應(yīng)器大都采用紫外燈管作為直接光源，不可避免電、熱與工作環(huán)境的直接接觸，主要針對室內(nèi)空氣，無法適用于飛機、地鐵、火車、工廠等封閉、易燃易爆環(huán)境，且無法解決光催化過程催化效率低、二次污染等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于彌散光纖的新型光催化空氣凈化裝置，并且結(jié)合活性炭吸附技術(shù)能夠有效減少光催化反應(yīng)的副產(chǎn)物帶來的二次污染的影響，在HEPA、活性碳纖維表面同時負(fù)載二氧化鈦，提高紫外光利用率的同時，有效的提高空氣凈化效率，可適用于飛機、地鐵、火車、工廠等封閉、易燃易爆環(huán)境。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0006]基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置，包括過濾單元和光催化單元，其中:
[0007]所述過濾單元為筒狀過濾單元，其徑向橫截面為環(huán)狀，并具有一定高度，其上、下兩端分別與頂端蓋和底端蓋相連；
[0008]所述頂端蓋的中央設(shè)置有出氣口，通過管路和泵相連；在所述出氣口的四周均勻設(shè)置有頂端安裝孔；所述底端蓋均勻設(shè)置有底端安裝孔；
[0009]所述光催化單元選用纖維狀催化單元，其一端與設(shè)置在頂端蓋上的頂端安裝孔固定相連，另一端與設(shè)置在底端蓋上的底端安裝孔固定相連。
[0010]在上述技術(shù)方案中，所述過濾單元選用HEPA過濾單元，能夠有效截留空氣中的污染物顆粒；所述HEPA過濾單元為圓筒結(jié)構(gòu)，其表面為褶皺型蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)；所述HEPA過濾單元的材質(zhì)選擇PP濾紙、玻璃纖維、由PP和PET組成的復(fù)合濾紙或者活性炭纖維，所述蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)中孔型選擇為三角形、方形、多邊形、圓形或瓦楞形。[0011]在上述技術(shù)方案中，所述頂端安裝孔以同心圓方式設(shè)置在頂端蓋上，即在頂端蓋所在平面上，沿著360度圓弧均勻分布，以頂端蓋中心為圓心，在頂端蓋的徑向上等間距設(shè)置若干圈頂端安裝孔，例如3— 6圈；所述底端安裝孔以同心圓方式設(shè)置在底端蓋上，即在底端蓋所在平面上，沿著360度圓弧均勻分布，以底端蓋中心為圓心，在底端蓋的徑向上等間距設(shè)置若干圈底端安裝孔，例如3— 6圈；所述頂端安裝孔和底端安裝孔在豎直方向上的投影相一致。
[0012]在上述技術(shù)方案中，所述纖維狀催化單元沿豎直方向與頂端蓋、底端蓋相連，并且與筒狀過濾單元平行。
[0013]在上述技術(shù)方案中，所述纖維狀催化單元均勻分布在由過濾單元、頂端蓋和底端蓋形成的空間中。
[0014]在上述技術(shù)方案中，所述纖維狀催化單元由彌散光纖和活性炭纖維組成，所述彌散光纖用于和頂端安裝孔、底端安裝孔相連，所述活性炭纖維纏繞在彌散光纖的外層。
[0015]在上述技術(shù)方案中，在所述活性炭纖維的表面設(shè)置有二氧化鈦光催化劑層，或者負(fù)載有二氧化鈦光催化劑。
[0016]在上述技術(shù)方案中，在所述筒狀過濾單元的內(nèi)壁表面設(shè)置有二氧化鈦光催化劑層，或者負(fù)載有二氧化鈦光催化劑。
[0017]在上述技術(shù)方案中，所述二氧化鈦光催化劑選用二氧化鈦的片狀納米晶、納米管、納米線、石墨烯和二氧化鈦復(fù)合材料或者鉬金摻雜改型的二氧化鈦，將所述二氧化鈦光催化劑通過下述方法在活性炭纖維表面進行負(fù)載，例如浸潰提拉、磁控濺射、溶膠一凝膠。通過負(fù)載后，活性炭纖維結(jié)構(gòu)上具備較大的二氧化鈦負(fù)載面積，能夠提高光催化去除空氣中污染物的效率，同時因為活性炭本身具有較強的吸附作用，能夠有效避免光催化反應(yīng)產(chǎn)生的二次污染對環(huán)境的影響。
[0018]上述進行二氧化鈦光催化劑的制備和負(fù)載時，參考現(xiàn)有技術(shù)中有關(guān)不同類型二氧化鈦的制備方法及其負(fù)載方法，例如
[0019](I)片狀納米晶:
[0020]Synthesis and Characterization of TiO2Nano-CrystalIine with Differ entMorphologies by Low-temper atur e Hydrothermal Method ；ZHANG Xia,ZHAO Yan, ZHANGCa1-Bei, MENGHao ；ActaPhys.-Chim.Sin.,2007,23(6):856-860
[0021](2)石墨烯和二氧化鈦復(fù)合材料:
[0022]Preparation and photoactivity of graphene/Ti02hybrid photocatalystsunder visible light irraditon;LIU Hui, DONG Xiao-nan, SUN Chao—chao;Journal ofShaannxi University of Science&Technolog:1000-5811(2013)01-0023-06
[0023](3)鉬金摻雜改型的二氧化鈦:
[0024]Photocatalytic Activity of TiO2Thin Film Doped by Ptwith DifferentDistribution;WANG, Jun-GangLI, Xin-Jun, ZHENG, Shao-JianHE， Ming-XingXU;ACTACHIMICA SINICA N0.7，592 ?596
[0025](4)納米管:
[0026]Research Advances in TiO2Nanotubes; Kong Xiangrong，Peng Peng, SunGuixiang，Zheng Wenjun;ACTA CHIMICA SINICAN0.8，1439 ?1444[0027](5)納米線:
[0028]Recent Process in Metal-doped Titanium Oxide Nanowires;DU Jun, SHIJiaguang, HUANG Jingjing，ZHANG ffenlong, LIU Fei ;材料導(dǎo)報 2012 年 2 月
[0029](6)浸潰提拉:
[0030]浸潰提拉法制備TiO2薄膜及其光催化性能的研究；南昌希，權(quán)伍榮，張敬愛，趙成男；太陽能學(xué)報Vol.21.N0.4
[0031](7)磁控濺射:
[0032]AFM Analysis on Ti02 Low-E Thin Films Deposited by MagnetronSputtering;ZHENG Z1-yao,WANG Zhu，LI Chun-1ing,ZHAO Qing-nan;SEMICoNDUCTORoPTOELECTRONICS V01.26N0.5
[0033](8)溶膠一凝膠:
[0034]S ο 1- g e I preparation and photocatalytic activities ofTi02nanoparticles;QIAN Dong, YAN Zao-xue, SHI Mao;The Chinese Journal ofNonferrous Metals, N0.1004 0609 (2005)05 081706
[0035]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案中將彌散光纖-活性炭纖維光催化單元在圓筒形反應(yīng)器內(nèi)部豎直均勻排布，同時選用現(xiàn)有技術(shù)中的彌散光纖，以實現(xiàn)全方位均勻發(fā)光，其結(jié)構(gòu)為石英纖芯、彌散層和透明硅橡膠包覆層，能夠為整個光催化凈化裝置提供光源，即采用光纖導(dǎo)光，能夠有效避免由紫外燈源直接連接電源導(dǎo)致的熱、電帶來的安全隱患，同時能夠避免裝置中電源的直接引入，進而在很大程度上能夠適用于飛機、地鐵、火車、工廠等封閉、易燃易爆環(huán)境。本發(fā)明技術(shù)方案在高效過濾空氣顆粒污染物的同時，能夠除菌消毒，并且有效的防止二次污染；將活性炭(ACF)的吸附性能(以及對各種波長光具有較強吸收能力)和TiO2的光催化性能有機結(jié)合，能夠有效解決目前ACF飽和失效、二次污染及TiO2催化速率慢、礦化效率低等問題，為VOCs污染物的經(jīng)濟有效控制提供了一種切實可行的方法，提供高效利用光能、持續(xù)高效穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的多功能空氣凈化系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是本發(fā)明的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置結(jié)構(gòu)的俯視圖，其中I為過濾單元，2為頂端安裝孔，3為出氣口，4為頂端蓋。
[0037]圖2是本發(fā)明的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置結(jié)構(gòu)的仰視圖，其中I為過濾單元，5為底端蓋,6為底端安裝孔。
[0038]圖3是本發(fā)明的光催化單元結(jié)構(gòu)的示意圖，其中7為彌散光纖，8為活性炭纖維。
[0039]圖4是本發(fā)明的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，其中I為過濾單元，4為頂端蓋,5為底端蓋。
[0040]圖5是本發(fā)明的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，其中4為頂端蓋，5為底端蓋,7為彌散光纖。
【具體實施方式】
[0041 ] 下面結(jié)合具體實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0042]如附圖1一5所示基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中I為過濾單元，2為頂端安裝孔,3為出氣口，4為頂端蓋,5為底端蓋,6為底端安裝孔,7為彌散光纖，8為活性炭纖維。
[0043]過濾單元為筒狀過濾單元HEPA，其徑向橫截面為環(huán)狀，并具有一定高度，其上、下兩端分別與頂端蓋和底端蓋相連。
[0044]頂端蓋的中央設(shè)置有出氣口，通過管路用于和泵相連，當(dāng)作為引氣裝置的泵開啟后，空氣沿著筒狀過濾單元HEPA的360度側(cè)面環(huán)繞進風(fēng)，進入凈化裝置的體積內(nèi)。
[0045]在凈化裝置的上下兩端分別設(shè)置頂端蓋和底端蓋，與筒狀過濾單元固定相連；在頂端蓋上，出氣口的四周均勻設(shè)置有頂端安裝孔，底端蓋均勻設(shè)置有底端安裝孔，即將頂端安裝孔和底端安裝孔以同心圓方式進行設(shè)置，并使頂端安裝孔和底端安裝孔在豎直方向上的投影相一致，即在頂端蓋和底端蓋所在平面上，沿著360度圓弧均勻分布，以頂端蓋和底端蓋中心為圓心，在其徑向上等間距設(shè)置三圈頂端安裝孔和底端安裝孔。
[0046]在頂端蓋、底端蓋和筒狀過濾單元組成的凈化裝置的體積內(nèi)均勻分布設(shè)置有光催化單元，選用纖維狀催化單元，由彌散光纖和活性炭纖維組成，彌散光纖用于和頂端安裝孔、底端安裝孔相連，即將纖維狀催化單元沿豎直方向與頂端蓋、底端蓋相連，并且與筒狀過濾單元平行；活性炭纖維纏繞在彌散光纖的外層。
[0047]在活性炭纖維的表面設(shè)置有二氧化鈦光催化層，或者負(fù)載有二氧化鈦光催化劑；在過濾單元的內(nèi)壁上設(shè)置有二氧化鈦光催化劑層，或者負(fù)載有二氧化鈦光催化劑。
[0048]使用的HEPA購自中山市潔鼎過濾制品有限公司，活性炭纖維購自江蘇科凈碳纖維有限公司，彌散光纖購自南京春輝科技有限公司。
[0049]筒狀過濾單元HEPA中，圓筒外直徑60cm，筒壁厚5cm，高度100cm，光纖排布60根，出氣口直接為20cm，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中制備方法，將活性炭纖維在溶膠一凝膠復(fù)合材料中浸潰提拉的次數(shù)為3次，后在氬氣氣氛下以2.5°C /min升溫至250°C保溫lh，再以5°C /min升至450°C保溫2h，后得到彌散光纖光催化單元；選擇在過濾單元HEPA的內(nèi)壁上直接刷涂溶膠一凝膠復(fù)合材料，后在氬氣氣氛下以2.50C /min升溫至250°C保溫lh，再以5°C /min升至450°C保溫2h，后得到過濾單元。
[0050]石墨烯和二氧化鈦復(fù)合材料的溶膠一凝膠法:將天然鱗片石墨與硝酸鈉按質(zhì)量比1:1，在IOOml濃硫酸中混合均勻，保持溶液溫度不超過10°C，反應(yīng)30min ;緩慢加入一定量高錳酸鉀(10倍于石墨)，不斷攪拌，溶液溫度升至20°C -40°C，反應(yīng)30min ;分次加入150ml蒸餾水，控制溶液不沸騰，反應(yīng)30min ;加20ml, 30%的H2O2,攪拌均勻后，趁熱離心分離，用(1:10) HCl洗滌一次后，用蒸餾水洗滌數(shù)次，至濾液pH接近中性，凍干成粉即為氧化石墨。按C理論質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.5%、2%、3%、4%和5%，將氧化石墨于無水乙醇中充分分散，超聲剝離lh，加入3倍質(zhì)量的硼氫化鈉，振蕩16-17h，用無水乙醇洗滌數(shù)次，加入IOml鈦酸四丁酯，以冰醋酸為封端劑，不斷攪拌數(shù)天，得到凝膠態(tài)產(chǎn)物，充分干燥，在氬氣氣氛下以
2.50C /min升溫至250°C保溫lh，再以5°C /min升至450°C保溫2h。即可得TiO2-Gn(二氧化鈦一石墨烯)復(fù)合光催化劑。
[0051]進氣口勻速通入O3含量為0.150ppm-0.200ppm的混合氣(臭氧與空氣的混合氣體)，出口流速控制為2111/8，在反應(yīng)器內(nèi)彌散光線照射下反應(yīng)301^11、601^11、901^11、1201^11和300min,檢測反應(yīng)后O3濃度,計算O3降解率。從測試結(jié)果來看，當(dāng)紫外光照30min時，O3降解率為25.26% ;而增長反應(yīng)時間達(dá)到60min，03降解率快速增高至66.12% ;并且繼續(xù)延長催化時間，降解后的O3濃度基本上不再出現(xiàn)較大下降，基本可以保持穩(wěn)定。
[0052]以上對本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費創(chuàng)造性勞動的等同替換均落入本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置，其特征在于，包括過濾單元和光催化單元，其中: 所述過濾單元為筒狀過濾單元，其徑向橫截面為環(huán)狀，其上、下兩端分別與頂端蓋和底端蓋相連； 所述頂端蓋的中央設(shè)置有出氣口，通過管路和泵相連；在所述出氣口的四周均勻設(shè)置有頂端安裝孔；所述底端蓋均勻設(shè)置有底端安裝孔； 所述光催化單元選用纖維狀催化單元，其一端與設(shè)置在頂端蓋上的頂端安裝孔固定相連，另一端與設(shè)置在底端蓋上的底端安裝孔固定相連； 所述纖維狀催化單元由彌散光纖和活性炭纖維組成，所述彌散光纖用于和頂端安裝孔、底端安裝孔相連，所述活性炭纖維纏繞在彌散光纖的外層； 所述活性炭纖維的表面設(shè)置有二氧化鈦光催化劑層，或者負(fù)載有二氧化鈦光催化劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置，其特征在于， 所述過濾單元選用HEPA過濾單元，能夠有效截留空氣中的污染物顆粒，其表面為褶皺型蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)； 所述頂端安裝孔以同心圓方式設(shè)置在頂端蓋上，即在頂端蓋所在平面上，沿著360度圓弧均勻分布，以頂端蓋中心為圓心，在頂端蓋的徑向上等間距設(shè)置若干圈頂端安裝孔；所述底端安裝孔以同心圓方式設(shè)置在底端蓋上，即在底端蓋所在平面上，沿著360度圓弧均勻分布，以底端蓋中心為圓心，在底端蓋的徑向上等間距設(shè)置若干圈底端安裝孔；所述頂端安裝孔和底端安裝孔在豎直方向上 的投影相一致； 所述纖維狀催化單元沿豎直方向與頂端蓋、底端蓋相連，并且與筒狀過濾單元平行，均勻分布在由過濾單元、頂端蓋和底端蓋形成的空間中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置，其特征在于，在頂端蓋所在平面上，以頂端蓋中心為圓心，在頂端蓋的徑向上等間距設(shè)置3— 6圈頂端安裝孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置，其特征在于，在底端蓋所在平面上，以底端蓋中心為圓心，在底端蓋的徑向上等間距設(shè)置3— 6圈底端安裝孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置，其特征在于，所述HEPA過濾單元的材質(zhì)選擇PP濾紙、玻璃纖維、由PP和PET組成的復(fù)合濾紙或者活性炭纖維。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置，其特征在于，所述HEPA過濾單元中，所述蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)中孔型選擇為三角形、方形、多邊形、圓形或瓦楞形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置，其特征在于，在所述筒狀過濾單元的內(nèi)壁表面設(shè)置有二氧化鈦光催化劑層，或者負(fù)載有二氧化鈦光催化劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置，其特征在于，所述二氧化鈦光催化劑選用二氧化鈦的片狀納米晶、納米管、納米線、石墨烯和二氧化鈦復(fù)合材料或者鉬金摻雜改型的二氧化鈦，將所述二氧化鈦光催化劑通過下述方法進行負(fù)載，例如浸潰提拉、磁控濺射、溶膠一凝膠。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置，其特征在于，所述二氧化鈦光催化劑選用二氧化鈦的片狀納米晶、納米管、納米線、石墨烯和二氧化鈦復(fù)合材料或者鉬金摻雜改型的二氧化鈦，將所述二氧化鈦光催化劑通過下述方法進行負(fù)載，例如浸潰提拉、磁控濺射、溶膠一凝膠。
10.如權(quán)利要求1-9之一所述的基于彌散光纖的光催化空氣凈化裝置在封閉、易燃易爆環(huán)境中的應(yīng)用。.
【文檔編號】B01D46/24GK103463971SQ201310403899
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】霍愛群, 于濤, 商倩倩, 龔晨, 譚欣 申請人:天津大學(xué), 卡特韋爾（天津）科技有限公司