一种高效光触媒空气净化方法与流程

本发明属于空气净化技术领域，具体涉及一种高效光触媒空气净化方法。

背景技术：

光触媒技术广泛用于消除空气中的挥发性有机物(VOCs)，并被证明能将VOCs降解为二氧化碳和水等无害物质。现有光触媒空气净化方法都采用气-固界面光触媒过程，对应的净化装置一般采用固定床方式设计，比如专利CN 204501803U提出使用附着纳米二氧化钛光催化剂的网板作为净化芯体，专利CN 204227594U提出使用椭圆形的板材上负载纳米二氧化钛光催化剂来净化空气。类似的应用报道还出现在专利CN 104819520A和CN 104833008A中。这类气-固界面光触媒设计都是将光触媒材料附着在陶瓷或者金属基体材料上，形成层状、笼状或者蜂巢结构的触媒床。当空气流经触媒床时，污染物被吸附到触媒床表面并发生降解，从而获得干净空气。这种净化装置的光触媒过程发生在气-固两相界面上，存在如下问题：1)触媒剂因空气吹扫容易从基体材料上脱落，导致装置使用寿命短；2)触媒剂表面由于吸附中间产物而导致触媒剂失活，使得净化效率下降迅速；3)挥发性中间产物逸出空气净化装置形成次生污染；4)固定床方式的触媒剂表面利用效率低下。

最近有研究报道使用二氧化钛悬浮液的形式来进行光催化气体降解(“Degradation of VOC gases in liquid phase by photocatalysis at the bubble interface”)，其过程为：污染空气进入催化剂悬浮液后形成微气泡，有机物转移至催化剂表面发生光催化降解，净化后空气流出悬浮液。该方式可有效克服传统固定床净化装置遇到的上述问题，然而，其仅能处理低浓度(2.5-15ppm)的污染空气，实用性较差。

综上所述，本领域亟需一种使用寿命长、净化效率高、处理浓度大及次生污染小的空气净化方法。

技术实现要素：

针对现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高效光触媒空气净化方法，该方法包括如下步骤：

(1)将污染空气分散成0.5-100um尺寸的微小气泡；

(2)在紫外线照射下，将步骤(1)所得微小气泡与触媒悬浮液接触进行光触媒反应，得到洁净空气；

所述触媒悬浮液由触媒剂、助剂和水组成，所述触媒剂为常规触媒材料或经过包括氮、碳、铁或铂元素掺杂的常规触媒材料，所述常规触媒材料包括ZnO、ZrO₂、TiO₂或CdS，所述触媒剂用量占所述触媒悬浮液重量的0.01-0.1％。所述助剂为含金属阳离子无机物，包括硫酸钠、硝酸钠、氯化镁、硝酸银、硝酸镍或氯化钴，所述助剂的重量占所述触媒悬浮液重量的0.01-0.1％。

优选的，所述方法还包括步骤：经过光触媒反应后，部分或全部脱去净化后空气中的水分，得到湿度适合的洁净空气。

步骤(1)中，制备微小气泡时，利用曝气盘或者微孔曝气头进行。

步骤(2)中，利用鼓风机或者空气压缩机将分散后的空气输送至触媒悬浮液中。

步骤(2)中所述紫外线的波长为280～190nm。

所述常规触媒材料为颗粒状，粒径为10nm-100μm。

所述污染空气中污染物为挥发性有机物，例如苯。

尽管已有研究报道使用二氧化钛悬浮液在鼓泡式反应器中降解挥发性有机物(“Degradation of VOC gases in liquid phase by photocatalysis at the bubble interface”)，但本发明中的触媒悬浮液不仅包含触媒剂，还使用以金属阳离子为核心的无机盐助剂。

发明人惊喜的发现，助剂的加入能够大幅度的提高空气净化能力，可以高效的净化含高浓度污染物的空气。如本发明的实施例所示，当污染空气中的苯的浓度高达260ppm时，本发明的净化效率仍高达85％。

本发明的触媒悬浮液长期稳定，在达到净化装置的使用寿命前，无需对其进行更换。

以下是对本发明运作方式的技术说明，值得指出的是，在下述说明中，本发明是利用一些装置来进行的，但所提及的装置仅仅是适于本发明所述空气净化方法的例子，不能理解为对本发明的限制，任何与这些装置原理相同、结构相近的装置均适合本发明。

1)污染空气分散：可采用常规的气体分散方式，比如曝气盘或者微孔曝气头，将污染空气分散成为微小气泡，进入触媒悬浮液。一端连接前级空气动力装置，比如鼓风机或者空气压缩机，另一端浸入触媒悬浮液。待处理空气会形成0.5um到100um尺寸的微小气泡，分散进入触媒悬浮液。

2)三相流化床触媒反应器：一个金属材质的密闭筒形反应器，内部盛有适量的触媒悬浮液。反应器下部设置有气体分散器，上部留有适当空间，便于气体外排。反应器顶部设排气管道。反应器中间同心轴向放置专用紫外灯源。待净化气体从下端微孔布气器引入，搅动触媒悬浮液，使得其中的触媒剂颗粒形成流化状态。空气中的有机污染物与触媒剂颗粒充分接触，在紫外灯源照射下，发生光触媒反应，转变为二氧化碳和水。净化后的气体经顶部排气管道流出。

3)触媒悬浮液：将触媒剂投加到蒸馏水中并加入助剂得到触媒悬浮液。触媒剂可使用已经证实的各种光触媒材料，包括ZnO、ZrO₂、TiO₂和CdS，或者经过掺杂改性的上述光触媒材料，比如经过氮、碳、铁、铂等元素掺杂的上述触媒材料。材料几何形式为球形或立方体颗粒，粒径为十纳米到不高于一百微米。触媒剂用量占所述触媒悬浮液重量的0.01-0.1％。助剂是无机物质的水或者离子液体。可用的无机物质包括硫酸钠、硝酸钠、氯化镁、硝酸银、硝酸镍、氯化钴等，添加后无机物质的质量浓度在万分之一到千分之一。触媒悬浮液可长期使用无需更换，直到净化装置的使用寿命。

4)紫外光照射系统：紫外灯源包裹于透光外套中，再放置在所述的触媒悬浮液中。透光外套具有滤光功能，使用玻璃滤光片，只允许280～190nm波长(UVC)的紫外辐射透过，以此匹配触媒悬浮液的吸光特性。

5)水汽分离装置：污染空气在触媒悬浮液中经过光触媒反应被净化后，进入水汽分离装置。该装置采用U形或者螺旋形管路，利用冷却原理脱除净化后空气中携带的部分或者全部水分。为得到适当湿度的净化空气，可配套使用专用冷却设备，比如工业上常用的各类低温冷却系统来调节脱水率。冷却得到的液体，经过专用管路返回三相流化床反应器。

本发明的有益效果：

(1)本发明使用触媒悬浮液，可避免现有空气净化装置中触媒剂的脱落和失活问题，使得装置能长期稳定运行；

(2)使用无机盐助剂能提高有机污染降解效率30％以上，对高浓度污染空气仍具有高效的净化能力，当污染空气中的苯的浓度高达260ppm时，本发明的净化效率仍高达85％；

(3)净化后的空气没有次生污染物。

附图说明

图1为本发明实施例1，实施例2和实施例3所用装置示意图；

图2为本发明实施例1，实施例2和实施例3所用三相流化反应器侧面图；

图3为本发明实施例1，实施例2和实施例3所用三相流化反应器剖面图；

图4为本发明实施例1，实施例2和实施例3所用U型管水汽分离器结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

以下实施例将结合说明书附图进行说明，但应当理解，说明书附图中记载的装置仅仅只是适用于本发明的例子，不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本发明的第一个实施例是写字楼的集中送风净化。将本发明装置置于大楼的中央送风口前端。室外空气含有10ppm的苯，经过鼓风机(1)被送入净化器，根据需要调节风量(2)到适当水平，然后进入陶瓷微孔布气装置(3)。空气流出布气装置后，形成平均尺寸为1um的微气泡进入三相流化反应器，分散到触媒悬浮液(4)中。触媒悬浮液包含万分之一质量浓度的硝酸镍溶液(无机盐助剂)，其中分散有经过铂掺杂改性的微米级ZnO光触媒剂，其质量浓度为万分之一。由于空气搅动，触媒剂在触媒悬浮液中形成流化状态，从而与污染空气有充分接触，能显著提高光触媒反应的效率。内置式紫外灯(5)被固定在反应器内并浸没在触媒液中。灯源被带有滤光功能的透光外套保护，玻璃滤光片只允许280～190nm波长(UVC)的紫外辐射透过，这样可配合触媒剂的光学吸附特性，使其获得最高的光触媒反应效率。在三相流化反应器中，空气中的挥发性有机物以及可吸入颗粒物被光触媒降解为二氧化碳和水，同时有害微生物会被紫外线杀死。污染空气在触媒液中经过净化后，到达反应器上部空间，经过排气管进入水汽分离器(6)。该水汽分离器使用U型冷却管，空气中的水蒸汽在U形管的底部会冷却凝聚形成液体。在U形管下部连接导水管，其中的水可以顺着管路回流入三相反应器。在U型管冷却器出口，得到净化空气。经过气相色谱-氢火焰检测器(GC-FID)在线检测，净化后的空气完全不含苯及其他有机物，表明该处理方法实现了苯的完全去除，同时没有次生污染物产生。

实施例2

本发明的第二个实施例是油漆生产车间的有机废气净化。油漆生产过程大量使用苯、甲苯等有机溶剂，部分溶剂会释放到环境空气中，形成有毒、恶臭污染。将本净化装置放置在油漆生产车间的排气口，车间空气含有约260ppm的苯，经过鼓风机(1)并调节风量(2)后进入金属微孔布气装置(3)，形成平均尺寸5um的气泡进入三相流化反应器，分散到触媒悬浮液(4)中。触媒悬浮液包含千分之一质量浓度的氯化钴溶液，其中分散有经过铁掺杂改性的纳米TiO₂光触媒剂，其质量浓度为千分之一。在空气搅动下，触媒剂在触媒悬浮液中形成流化状态并与污染空气充分接触，苯被完全吸附到触媒剂表面。在内置式紫外灯(5)照射下，苯被降解为二氧化碳和水。空气在触媒悬浮液中经过净化后，到达反应器上部空间，经过导管进入U型管水汽分离器(6)，其中所含水分在U型管下部凝聚形成液体，并返回三相反应器。本实施例在U型管外套装了冷却装置以强化水汽分离过程。经过气相色谱-氢火焰检测器(GC-FID)在线检测，净化后的空气尚含有39ppm苯，但没有其他有机物，表明该处理方法达到了85％的甲苯去除率，同时没有次生污染物产生。

实施例3

本发明的第三个实施例是实验室通风橱排气净化。某实验室经常使用苯作为溶剂，所有涉苯操作都在指定通风橱中进行。将本净化装置放置在该通风橱的排气口，输入空气含有160ppm的苯，经调节风量(2)后进入金属微孔布气装置(3)，形成平均尺寸80um的气泡进入三相流化反应器，分散到触媒悬浮液(4)中。触媒悬浮液包含0.05％质量浓度的氯化钴溶液，其中分散有纳米TiO₂光触媒剂，其质量浓度为0.03％。在空气搅动下，触媒剂在触媒悬浮液中形成流化状态并与污染空气充分接触，苯被完全吸附到触媒剂表面。在内置式紫外灯(5)照射下，苯被降解为二氧化碳和水。空气在触媒悬浮液中经过净化后，到达反应器上部空间，经过导管进入U型管水汽分离器(6)，其中所含水分在U型管下部凝聚形成液体，并返回三相反应器。本实施例在U型管外套装了冷却装置以强化水汽分离过程。经过气相色谱-氢火焰检测器(GC-FID)在线检测，净化后的空气尚含有28ppm苯，但没有其他有机物，表明该处理方法达到了82.5％的苯去除率，同时没有次生污染物产生。

对比实施例

除不添加助剂之外，其余与实施例2一致。苯的去除率只有51％。