专利名称：一种大通量纳米晶光催化空气净化器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光催化空气净化器，特别涉及一种大通量直线型、叠型或螺旋型
纳米晶光催化空气净化器，属于纳米晶光催化技术领域。
背景技术：
近些年来，随着室内建筑装饰材料、家用化学物质的过度使用，导致大量的挥发性 有机化合物，包括甲醛、苯系物、氯化物、酮类、烃类等均不同程度地危害人体健康；同时人 们赖以生存的空间飘浮着各种病菌、微生物，经过呼吸直接进入体内导致人生病，包括曾经 引起人类恐慌的SARS、禽流感和甲型H1N1流感在内的呼吸系统疾病。在人们高度关注环境 和健康之际，迫切要求改善环境质量，净化生活工作中的居室和活动环境显得极为重要。纳 米半导体光催化空气净化器是研究热点，它可内置专用于生物安全柜、无菌超净工作台、无 菌操作室、无菌生产车间等的空气灭菌，也可广泛用于体育馆、博物馆、宾馆、医院、家庭等 场所的空气净化。 光催化反应器是光催化反应发生并最终降解除去有害物的装置，其设计要求高效 利用光源能量的同时还要使反应物与催化剂大面积接触，而且要方便使用。在流动相光催 化反应器中，按照催化剂的存在方式，大致可以分为旋浆体反应器、流化床反应器和固定床 反应器三类，其中固定床反应器种类较多，主要是催化剂载体材质和构造不同如材质上使 用透光性较差的有金属丝网类、不同形状的陶瓷类等；使用透光性较好材质的有光纤(中 国专利ZL01113708. 8)、玻璃板、玻璃毛细管(中国专利ZL200610029643. 4)、玻璃丝、石英 砂(中国专利ZL200410068952. 3)、高分子材料等；又如载体构造不同的有传统的板框状 (中国专利ZL 02144673. 3)、颗粒状、蜂窝状、平板状、管状(中国专利ZL 01265866.9)和 多孔状(中国专利ZL200710018322.9)等结构。以上所提到的各种光反应器均具有各自的 特点和设计目的，但均存在着单位体积的空间处理能力差、对光源能量利用率不高、催化剂 与反应物接触面积小等缺点。
发明内容
本发明目的是提供一种单位体积的空间处理能力强，大通量纳米晶光催化空气净 化器，以克服现有技术的主要不足。 本发明采用如下技术方案来实现上述发明目的 —种大通量纳米晶光催化空气净化器，其光反应器单元包含紫外灯管(1)、玻璃套 管(2)、催化剂固定相(3)和光反应器单元筒体(4)，主要特征在于多个光反应器单元侧部 相互连通形成直线型、折叠型或螺旋型连体结构。 所述的催化剂固定相(3)为多孔石英玻璃负载纳米Ti02光催化剂，多孔石英玻璃 在200 800nm波长范围内的透光率大于90%，密度为0. 5 0. 9g/cm 空隙率为65 75%。 所述的纳米Ti02光催化剂为金属离子掺杂(以金属氧化物形式)的纳米Ti02光
3催化剂，金属离子掺杂量为1102量的1 2% (重量比)，金属离子选自CU2+、Ag+、Fe3+、C02+、
Ni2+、 Tb3+、 Eu3+，其盐如Cu (Ac) 2、 AgN03、 FeCl3、 CoCl2、 Ni (N03) 2、 Tb (N03) 3、 Eu (N03) 3等。 所述的玻璃套管(2)为石英玻璃套管，多孔石英玻璃负载光催化剂固定相(3)被
均匀安装布设在石英玻璃套管周围，保证了紫外灯光均匀有效地传输。 光反应器单元筒体(4)下部设置有将紫外灯管(1)托起的金属托网(6)。其设计
目的是为了金属托网(6)托住紫外灯管(1)的同时还能够确保空气沿着紫外灯管壁流动起
散热作用，以保证紫外灯管长期工作使用。 直线型、折叠型和螺旋型等连体结构大大压縮了空气净化器的体积，极大地提高了该空气净化器单位体积的空间处理能力。同时这样的串联连体结构设计是为了确保流体按照串联的活塞(即流体侧进侧出的光反应器单元体)流而流动传递，以利于达到理想的活塞流或称平推流。 —种大通量纳米晶光催化空气净化器的制造方法，其中的多孔石英玻璃采取如下加工方法将石英玻璃经高温加工成半园环柱体状多孔石英玻璃，待其冷却后用3 5%的氢氟酸溶液处理5分钟，用去离子水或蒸馏水洗涤至pH = 7，最后用无水乙醇洗涤、脱水并干燥。 将上述处理得到的多孔石英玻璃浸渍于钛酸丁酯乙醇溶液中涂敷10分钟，取出自然干燥，再于450°C 50(TC下煅烧，自然冷却即得到载体内表面负载有纳米Ti02薄膜的光催化剂，或称为光催化剂固定相，得到的载体表面的纳米Ti02粒径大小为20-30nm。
与现有技术相比，本发明具有以下突出优点 1、本发明中的光催化空气净化器以光反应器单元体为单元(即流体活塞)侧部串
联连体结构设计，以利于达到理想的活塞流(或称平推流)而流动传递。 2、本发明中的光催化空气净化器以光反应器为单元体连体设计成直线型、折叠型
和螺旋型等连体结构大大地压縮了空气净化器的整体体积，极大地提高了其单位体积的空
间处理能力。 3、本发明中的光催化空气净化器以多孔石英玻璃(负载纳米1102掺杂体)作为光反应发生的场所，新材质新结构设计，具有高透光(200 800nm波长)率、大接触面积(密度为0. 5 0. 9g/cm3，空隙率为65 75%，催化剂纳米Ti02比表面积108m7g);与传统的空气净化器相比，提供了更大的光照面积和反应面积，获得了更高的光催化效率，光催化剂负载牢固、长效、不粉化、不流失。 4、本发明中的空气净化器对空气中漂浮的各种病菌能够光催化氧化杀灭；对空气中的有机挥发物(特别是甲醛)降解能力强、速度快，并能够同时降解净化其他有机物；对有机挥发物几乎无选择性，能将有机物氧化、分解，最终降解为C02和H20。
5 、本发明中的光催化空气净化器不会对环境造成二次污染。 6、本发明中的光催化空气净化器可根据不同需求，设计成直线型、折叠型和螺旋型等，同时其中的光反应器单元体连体数量可根据需求设计调整，应用灵活方便，体积小、通量大、能耗低。
图1为本发明大通量纳米晶光催化空气净化器中光反应器单元体结构示意 图2为光反应器单元体A-A刨面图； 图3为光反应器单元体金属托网结构图； 图4为本发明直线型连体空气净化器刨面结构图； 图5为本发明折叠型连体空气净化器结构刨示图； 图6为本发明螺旋型连体空气净化器结构刨示图； 图7为本发明实施例连体空气净化器内部结构及空气流动示意图； 图8为本发明光催化空气净化器内载体上的Ti02微晶膜的TEM图和电子衍射花样。 附图标记说明 1-紫外灯管 4_光反应器单元筒体 2-玻璃套管 5-空气净化器壳体 3-催化剂固定相 6-金属托网
具体实施例方式实施例1 :光催化空气净化器的组装制造
1、多孔石英玻璃载体的加工 石英玻璃经高温下拉薄、弯曲、捏合等吹制工艺方法，加工成适当尺寸的半圆环柱体状多孔石英玻璃；待其冷却后用3 5%的氢氟酸溶液处理5分钟，再用去离子水或蒸馏水洗涤至pH = 7，最后用无水乙醇洗涤、脱水、干燥后备用；
2、载体负载光催化剂 配制浓度为20%的钛酸丁酯乙醇溶液，加入一定量金属盐(Cu(Ac)2、AgN03、FeCl3、CoCl2、Ni (N03)2、Tb(N03)3、Eu(N03)3)，金属离子掺杂重量比为Ti02量的1 2%，搅拌2h得到稳定、均匀的透明液体；然后将载体在常温条件下浸渍涂敷10分钟，取出后在空气中自然干燥，再于50(TC下煅烧10分钟并在炉内自然冷却至室温，即可得到载体内表面附着有纳米Ti02掺杂体薄膜的光催化剂，纳米Ti02粒径大小为20-30nm(附图8所示)，Ti02比表面积为108m7g，以备装配空气净化器用；
3、安装空气净化器 按附图1 6设计所示进行各部件装配，在装配同轴心石英玻璃套管(2)的同时
逐级组合装填负载有催化剂的多孔石英玻璃催化剂固定相(3)，再安装上部的活体顶盖，最
后用柔韧性玻璃胶逐个密封石英玻璃套管(2)与光反应器单元筒体(4)之间的缝隙以及活
体顶盖和空气净化器壳体之间的缝隙，至此空气净化器制造组装完成。紫外灯管(1)在空
气净化器使用时可随时放入或更换，方便灵活。 实施例2 :直线型连体空气净化器的制造及其空气灭菌 按照附图4和图7所示，直线型连体空气净化器的组装制造和实施例1相同，其整体为薄型长方体，尺寸大小为长1040mm、宽860mm、厚度86mm，紫外灯管的功率为39W和发光光谱的中心波长为258. 7nm，多孔石英玻璃载体的光径R = 30mm，高度30 50mm。
吹制得到的多孔石英玻璃负载纳米Ti02光催化剂，多孔石英玻璃在200 800nm波长范围内的透光率大于90% ，密度为0. 70g/cm3，空隙率为72% 。纳米Ti02光催化剂中的金属离子掺杂量为Ti02总量的1.2% (重量比)，其中Ag+(其盐选自AgN03)为0.8%，Cu"其盐选自Cu(Ac)2)为0. 4%。煅烧温度及时间为50(TC下10分钟。 如附图7所示，空气净化器内部由八个光反应器单元体连体设计加工而成，空气
进口至下部设置了装填海绵区(用于过滤空气，可清洗更换)，以及气泵(或风机)、流量计
和电气控制等。应用该光催化空气净化器对空气中漂浮的各种细菌进行连续流动灭除，当
空气流量为0. 5mVh，总细菌浓度(菌落总数)为820CFU/L时的灭菌率为100% 。 该空气净化器体型薄，因此它可内置专用于生物安全柜、无菌超净工作台、无菌操
作室、无菌生产车间等的空气灭菌。 实施例3 :折叠型(或螺旋型)连体空气净化器的制造及其降解甲醛 按照附图5(或图6)所示，折叠型(或螺旋型)连体空气净化器的组装制造和实施
例1相同，其整体为长方体，尺寸大小为高1040mm、宽600mm、厚度500mm，紫外灯管的功率
为39W和发光光谱的中心波长为258. 7nm，多孔石英玻璃载体的光径R = 30mm，高度30
50mm。 吹制得到的多孔石英玻璃负载纳米Ti02光催化剂，多孔石英玻璃在200 800nm波长范围内的透光率大于90%，密度为0.85g/cm 空隙率为68%。纳米Ti02光催化剂中的金属离子掺杂量为Ti02总量的1.5% (重量比)，其中Ag+(其盐选自AgN03)为O. 5%，Cu2+ (其盐选自Cu (Ac) 2)为0. 5 % ， Fe3+ (其盐选自FeCl3)为0. 3 % ， Eu3+ (其盐选自Eu (N03) 3)为0. 2%。煅烧温度及时间为50(TC下10分钟。 如附图5所示，空气净化器内部由23个光反应器单元体连体设计加工而成，空气进口至空体单元内设置了装填海绵区(用于过滤空气，可清洗更换)，以及风机、流量计和电气控制等。应用该光催化空气净化器对空气中的甲醛进行光催化降解，当气体流量为10m3/h，甲醛浓度为0. 54mg/m3时，降解率为94. 4%，降解后空气净化器出口浓度达到0. 03mg/m3，已远低于世界卫生组织(WHO)室内空气质量标准0. 08mg/m3的最小限值。
该空气净化器体积小、通量大，可广泛用于体育馆、博物馆、宾馆、商场等公共场所的空气净化，也可用于家庭环境的空气净化。
权利要求
一种大通量纳米晶光催化空气净化器，其光反应器单元包含紫外灯管(1)、玻璃套管(2)、催化剂固定相(3)和光反应器单元筒体(4)，其特征在于多个光反应器单元侧部相互连通构成直线型、折叠型或螺旋型连体结构。
2. 根据权利要求1所述的大通量纳米晶光催化空气净化器，其特征在于光反应器单元筒体(4)下部设置有将紫外灯管(1)托起的金属托网(6)。
3. 根据权利要求1所述的大通量纳米晶光催化空气净化器，其特征在于催化剂固定相(3)为负载有纳米1102光催化剂的多孔石英玻璃，多孔石英玻璃在200 800nm波长范围内的透光率大于90%，密度为0. 5 0. 9g/cm3，空隙率为65 75%。
4. 根据权利要求3所述的光催化空气净化器，其特征在于纳米Ti02光催化剂为金属离子掺杂的纳米1102光催化剂，按质量百分数计金属离子掺杂量为1102量的1 2%，金属离子选自Cu2+、 Ag+、 Fe3+、 Co2+、 Ni2+、 Tb3+、 Eu3+。
5. 权利要求1所述的光催化空气净化器的制造方法，其特征在于多孔石英玻璃的加工方法如下将石英玻璃经高温加工成半圆环柱体状多孔石英玻璃，待其冷却后用3 5%的氢氟酸溶液处理，并用去离子水洗涤至pH值为中性，最后用乙醇洗涤、干燥。
6. 权利要求5所述的光催化空气净化器的制造方法，其特征在于将得到的多孔石英玻璃浸渍于钛酸丁酯乙醇溶液中涂敷，取出自然干燥，再于45(TC 50(rC下煅烧，自然冷却即得到载体内表面负载有纳米Ti02薄膜的催化剂固定相。
全文摘要
本发明公开了一种大通量纳米晶光催化空气净化器，其技术关键在于光反应器单元体连体结构设计成直线型、折叠型或螺旋型，催化剂固定相为负载有纳米TiO2光催化剂的多孔石英玻璃，多孔石英玻璃在200～800nm波长范围内的透光率大于90％，密度为0.5～0.9g/cm3，空隙率为65～75％。本发明单位体积的空间处理能力强、通量大，克服了传统构造设计等存在着单位体积的空间处理能力差、光催化剂与反应物接触面积小、载体对光源能量损失率高等缺点。本发明主要用来杀灭空气中漂浮的各种病菌和净化空气中的甲醛等有机挥发物。
文档编号A61L101/02GK101703793SQ200910219200
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者雷闫盈 申请人:西北大学