专利名称：改进的光催化氧化空气净化系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及一种空气净化系统，该空气净化系统根据所述空气净化系统中的空气的湿度水平或者温度，决定被发射的用于解吸水的微波的最佳波长。
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。因为水的浓度远远大于污染物的浓度，因此水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。
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。然而，在不同的湿度或者温度水平下，不同的微波波长和强度是有效的。因此，微波的最佳波长或者强度可能随着湿度或者温度水平的变化而变化。
因此，本领域中需要一种系统，该系统能够根据空气净化系统中的湿度或者温度水平，确定用于解吸水的微波的最佳波长或者强度。
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。
磁控管发射微波，该微波将吸附在光催化涂层上的水解吸。在不同的湿度或者温度水平下，不同波长和强度的微波是有效的，并且微波的最佳波长或者强度随着湿度或者温度水平的变化而变化。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。微波谐振腔由金属丝筛网限定，金属丝筛网形成围绕的外壳。
湿度传感器检测进入空气净化系统的空气的湿度。对于各种湿度或者温度水平，有关最佳微波波长和强度的信息被保存在微波致动器的存储器中。根据湿度或者温度水平，微波致动器确定最佳微波波长或者强度。微波致动器将信号发送给磁控管，以发射具有希望的波长或者强度的微波。所述微波仅仅被水吸收，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。
所述空气净化系统还包括污染物传感器，其检测在空气流通过蜂窝结构之后污染物的水平。如果污染物传感器检测到空气中污染物水平升高，所述污染物传感器发送信号给微波致动器，以调整从磁控管发射的微波的波长或者强度，直到污染物的水平降低。
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。
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；和图3用图解法举例说明了空气净化系统的蜂窝结构。
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。
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。
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。
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。当污染物被吸附到二氧化钛涂层40上时，羟基进攻污染物，从污染物中抽出氢原子。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Millennium钛白，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，只要它们对于光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。
湿度对涂层40的光催化性能有影响。空气净化系统20还包括磁控管46，其发射微波，该微波将吸附在光催化涂层40上的水蒸汽解吸。光催化涂层40的光催化性能受空气中水蒸汽的影响，因为水和污染物竞争光催化剂涂层40上的吸附点。吸附到光催化涂层40上的水蒸汽阻止污染物吸附到光催化涂层40上。因为水蒸汽的浓度远远大于污染物的浓度，因此水具有比污染物大的占据光催化涂层40上的给定吸附点的几率。另外，水在光催化涂层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。在一个例子中，空气净化系统20在室温下操作。
由磁控管46发射的微波有选择地将水从光催化涂层40上的吸附点解吸，为污染物提供增加的可接近的光氧化位点数目，并且提高光氧化速率。微波的强度使光氧化速率保持在最佳范围内。
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。
微波场的能量被传递给吸附的水，引起水离开光催化涂层40的表面。这一过程的有效性取决于空气的温度或者湿度水平，微波场强度，和微波波长。可以使用传感器来测量温度或者湿度。根据这些传感器读数，微波致动器44设定强度或者微波波长，以获得最佳光氧化速率。
空气净化系统20的最佳光氧化速率通过主动控制策略来完成和保持。将湿度传感器41和温度传感器43定位在光催化涂层40的上游，检测通过进口22进入空气净化系统20的空气的湿度或者温度。湿度传感器41和温度传感器43位于微波谐振腔50的外面，以避免微波和湿度传感器41和温度传感器43之间的任何不希望的相互作用。
对于各种湿度或者温度水平，有关最佳微波波长或者强度的信息被存储在微波致动器44的存储器54中并且被编制。也就是说，对于每一湿度或者温度水平，相应的微波波长或者强度被保存在存储器54中。由湿度传感器41检测的湿度水平或者由温度传感器43检测的温度水平被发送给微波致动器44。根据湿度和温度水平，以及保存在存储器54中的信息，微波致动器44确定最佳微波波长或者强度。微波致动器44发送信号给微波谐振腔50中的磁控管46，以发射具有希望的波长或者强度的微波。
磁控管46发射具有一定波长的微波，其能够被吸附的水分子吸收，但是不能被光催化涂层40、蜂窝结构28、污染物或者空气净化系统20中的任何其他材料吸收。当所述微波仅仅被水吸收时，水从光催化涂层40上被解吸，为污染物提供了附加的光氧化位点。因此，湿度不影响光催化涂层40，并且光催化涂层40可以在最佳氧化速率下操作，该最佳氧化速率高于受湿度影响的系统的氧化速率两倍或更多倍。
空气净化系统20还包括污染物传感器52，其检测通过蜂窝结构28离开的空气流中污染物的量，因此监测了空气净化系统20的性能。污染物传感器52与微波致动器44连接。如果污染物传感器52检测到从蜂窝结构28出来的空气中的污染物水平升高，则空气净化系统20的性能降低。污染物传感器52发送信号到微波致动器44，以调节由磁控管46发射的微波的波长或者强度。微波致动器44不断地改变微波的波长或者强度，直到污染物传感器52检测到空气净化系统20的性能得到提高。一旦污染物传感器52检测到已经获得了空气净化系统20的最佳性能，微波致动器44发送信号到磁控管46，以继续发射具有能产生所述最佳性能的波长或者强度的微波。在一个例子中，污染物传感器52位于空气净化系统20的下游。作为选择，污染物传感器52被定位在空气净化系统20的上游和下游两者，并且取污染物水平的差值。
虽然举例说明和描述了湿度传感器41和温度传感器43被定位在光催化涂层40的上游，应当理解，湿度传感器41和温度传感器43可以被定位在光催化涂层40的下游。另外，虽然已经举例说明和描述了微波，应当理解，可以使用无线电波。
减少湿度对光催化涂层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。
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。
权利要求
1.一种空气净化系统，其包括基质；和施加在所述基质上的光催化涂层；包括存储器的控制器，该存储器存储将湿度水平和温度水平之一与能量的波长和能量的强度之一关联的信息；检测目前的湿度水平的湿度传感器和检测目前的温度的温度传感器之一；和能量源，其根据所述目前的湿度水平和所述目前的温度水平之一以及存储在所述控制器中的信息，产生具有希望的波长的所述能量和希望的强度的能量之一，以将吸附在所述光催化涂层上的水解吸。
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，其中所述光催化涂层是二氧化钛。
5.权利要求1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，并且所述基质，所述光催化涂层，和所述光源位于所述能量空腔内。
6.权利要求5的空气净化系统，其中所述湿度传感器和所述温度传感器的所述之一位于所述能量空腔外面。
7.权利要求1的空气净化系统，其中所述湿度传感器和所述温度传感器的所述之一检测进入所述空气净化系统的空气的所述目前的湿度水平和所述目前的温度水平之一。
8.权利要求1的空气净化系统，其中所述希望的波长的能量和所述希望的强度的能量的所述之一随着所述目前的湿度水平的变化和所述目前的温度水平的变化的所述之一而变化。
9.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吸附的水吸收，并且不被所述光催化涂层和所述基质吸收。
10.权利要求1的空气净化系统，其还包括检测污染物水平的污染物传感器。
11.权利要求10的空气净化系统，其中所述污染物传感器发送所述污染物的水平到所述控制器，以调节所述希望的波长的能量和所述强度的能量的所述之一。
12.权利要求1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。
13.权利要求12的空气净化系统，其中所述光源是紫外线光源。
14.权利要求12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12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1的空气净化系统，其还包括在所述光催化涂层上的金属氧化物，并且所述金属氧化物是WO3，ZnO，CdS，SrTiO3，Fe2O3，V2O5，SnO2，FeTiO3，PbO，Co3O4，NiO，CeO2，CuO，SiO2，Al2O3，MnxO2，Cr2O3，和ZrO2。
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。
18.一种解吸水的方法，其包括以下步骤检测目前的湿度水平和目前的温度水平之一；根据所述湿度水平和所述温度水平的所述之一确定希望的波长的能量和希望的强度的能量之一；发射所述希望的波长的能量和所述希望的强度的能量希望的波长的能量的所述之一；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。
19.权利要求18的方法，其还包括以下步骤检测污染物的水平，根据检测所述污染物水平的步骤，调整所述希望的波长的能量和所述希望的强度的能量之一。
全文摘要
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。湿度传感器或者温度传感器分别检测进入空气净化系统的空气的湿度或者温度。对于各种湿度和温度水平，有关最佳微波波长和强度的信息被保存在微波致动器的控制器中。微波致动器根据检测的湿度和温度水平确定最佳波长或者强度，并且发送信号到磁控管，以发射具有希望的波长或者强度的微波。所述微波仅仅被水吸收，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。
文档编号B01D53/96GK1886190SQ200480034698
公开日2006年12月27日 申请日期2004年9月16日 优先权日2003年9月25日
发明者T·N·奥比, S·O·海 申请人:开利公司