一种高压电辅助光催化净化模组、净化装置及方法与流程

本发明涉及空气净化、异味消除与杀菌食品保鲜的技术领域，具体涉及一种高压电辅助光催化净化模组、净化装置及方法。

背景技术：

光催化技术是一种高级氧技术，其利用光催化剂在光照条件下，产生的光生空穴和光生电子被h2o、o2等捕获剂俘获生成高活性的羟基自由基、超氧离子自由基等具有强氧化能力的组分，这些活性组分几乎无选择性，用于空气治理，可以氧化包括难降解化合物在内的众多有机物，并使之完全矿化。光催化技术具有使用范围广，反应速率快，氧化能力强等特点。被激活的光生电子和光生空穴，主要存在复合和运输两个相互竞争的过程，对于催化体系而言，光激发载流子运输到催化剂表面与电子供体或受体发生作用才是有效的。但光催化过程中光生电子和光生空穴很容易发生复合，造成催化作用中断，从而导致量子效率低等问题。除了光生电子和空穴易复合，导致其无法处理高浓度污染气体外，常见的半导体光催化剂的光吸收波长范围普遍较窄，多数集中在紫外区，从而导致太阳光的利用率较低的问题。

在现有技术中，电辅助光催化净化技术被用于有机废水的降解处理，因为水体中的电辅助光催化不仅需要光催化阳极，光催化阴极，还需要将光催化阳极和光催化阴极浸入电解液中才能实现，且施加在电极上的电压通常较小，这种模式应用于空气净化方面具有较大的局限。但在空气介质中，低压电场不足以形成定向电势，因此在利用光催化净化空气的现有技术中，少见利用电场辅助光催化技术，特别是高压电场，进行空气净化的相关报道。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种高压电辅助光催化净化模组、净化装置及方法，能够提高催化剂的利用效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种高压电辅助光催化净化模组，包括光催化剂、电绝缘多孔介质、紫外灯组、高压电源及一对放电电极；

所述光催化剂负载在电绝缘多孔介质表面，电绝缘多孔介质放置在一对放电电极之间，放电电极为镂空状；紫外灯组放置在放电电极的外侧，一对放电电极分别与高压电源输出端相连。

进一步地，所述电绝缘多孔介质为多孔蜂窝陶瓷或多孔泡沫陶瓷或玻璃纤维棉或玻璃纤维瓦楞蜂窝，孔道方向与一对放电电极平面方向垂直。

进一步地，所述多孔蜂窝陶瓷、多孔泡沫陶瓷和玻璃纤维瓦楞蜂窝的厚度为3-30mm；玻璃纤维棉的厚度为0.5-5mm。

进一步地，所述光催化剂为氧化铈、氧化钛、氧化锌、氧化锡、氧化镓、磷酸铋、磷酸银、溴氧化铋、氯氧化铋中的一种或多种组分。

进一步地，利用石墨烯与金属离子或氮对所述光催化剂进行掺杂改性。

进一步地，所述紫外灯组为led紫外灯及其适配器或管式紫外灯及其适配器，波段为185-395nm；到达电绝缘多孔介质表面的紫外光灯或管式紫外灯功率密度为0.001-50mw/cm²。

进一步地，所述放电电极为印刷线板式放电电极或金属丝线电极或金属网电极或多孔金属板电极；一对放电电极采用相同结构电极或不同结构电极。

进一步地，单片放电电极与电绝缘多孔介质之间的距离为0-5mm。

进一步地，所述高压电源的两个输出端一端为负高压、另一端为接地极或者正高压或两个输出端输出两路同频反相的交流高压；一对放电电极的电压差为3-4kv。

一种高压电辅助光催化净化装置，包括上述任一所述的高压电辅助光催化净化模组，还包括风机和装置外壳，所述光催化剂、电绝缘多孔介质、紫外灯组、高压电源、一对放电电极及风机分别安装于装置外壳内。

一种高压电辅助光催化净化方法，紫外光照射到光催化剂上，激发光催化剂发生光催化作用；同时利用高压在放电电极对间形成强电场，协同激发光催化剂发生光催化作用，含挥发性有机物分子或异味气体分子及游离细菌的空气与光催化剂表面接触进而被分解，且所述强电场阻止光催化作用过程的有效活性光生电子和光生空穴的复合。

有益效果：

1、本发明在光催化结构基础上引入高压电辅助结构，在高压电源驱动下，一对放电电极间产生强电场，阻止光催化作用过程中电子和空穴的复合，从而提高装置的整体净化效率。同时，光催化剂被紫外线激发产生光生电子-空穴对，光激发产生的电子-空穴在外加电场作用下向不同方向移动，避免了电子-空穴对复合湮灭。当含有可挥发性有机污染物、异味气体分子或含有细菌、病毒的空气通过光催化剂区域时，吸附在光催化剂表面，进而与光催化剂表面的活性电子或空穴发生氧化还原反应，最终被降解净化，释放出无害无异味的空气。

2、本发明利用石墨烯光催化剂进行改性，由于石墨烯比表面积高、载流子迁移率高、吸附效率高，能够提高催化剂的分散性避免团聚，也可减弱光生电子-空穴的复合，提高量子效率，并且将污染物吸附到光催化剂表面，从而提高催化剂的利用效率；同时，为了提高光催化剂的光利用率，进行金属离子掺杂或氮掺杂，拓宽了光谱的宽度，提高了光利用效率。

3、在本发明的净化装置中，利用风机正向通风，带动周围环境中的空气进入电场，加速空气扩散、流通速度，适用于在化工厂、污水处理站、垃圾处理站等场所，还适用于厕所、食物储藏室、餐厅等公共场所，或者是冰箱、冷柜、消毒柜等家用电器中。

附图说明

图1为高压电辅助光催化净化模组的原理示意图；

图2为实施例一高压电辅助光催化净化模组的原理示意图；

图3为实施例二高压电辅助光催化净化模组的原理示意图；

图4为实施例三高压电辅助光催化净化装置的整体结构示意图；

图5为实施例三高压电辅助光催化净化装置的结构分体示意图；

其中，1-放电电极ⅰ，2-放电电极ⅱ，3-电绝缘多孔介质，4-紫外灯，5-适配器，6-高压电源，7-导线，8-进风口，9-风机罩，10-上盖，11-外壳，12-出风口，13-风机。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种高压电辅助光催化净化模组，如图1所示，包括光催化剂、电绝缘多孔介质3、紫外灯组、高压电源6及一对放电电极。

光催化剂负载在电绝缘多孔介质3表面，且放置在放电电极ⅰ1、放电电极ⅱ2之间，放电电极为镂空状。在一优选实施例中，单片放电电极与电绝缘多孔介质3之间的距离为0-5mm，优选0-3mm。紫外灯组放置在放电电极ⅰ1的外侧，也可以放置在放电电极ⅱ2的外侧，放电电极ⅰ1、放电电极ⅱ2分别与高压电源6输出端相连。

光催化剂为负载型光催化剂，光催化剂负载在电绝缘多孔介质3表面，其中电绝缘多孔介质3可以为多孔蜂窝陶瓷、多孔泡沫陶瓷、玻璃纤维棉、玻璃纤维瓦楞蜂窝等；当电绝缘多孔介质3选用多孔蜂窝陶瓷、多孔泡沫陶瓷和玻璃纤维瓦楞蜂窝时，厚度为3-30mm，优选5-20mm，当电绝缘多孔介质3选用玻璃纤维棉时，厚度为0.5-5mm。

光催化剂可以为氧化铈、氧化钛、氧化锌、氧化锡、氧化镓、磷酸铋、磷酸银、溴氧化铋、氯氧化铋中的一种或多种组分。进一步地，可用石墨烯进行掺杂改性，得到以石墨烯为催化剂载体的杂化型光催化剂。利用石墨烯高比表面积、高载流子迁移率和高吸附能力的特性，从多个角度降低光生电子-空穴的复合概率，提高光催化剂的分散性，避免团聚，进而提高光催化剂的利用率。为了提高光催化剂的光利用率，可同时进行金属离子掺杂或氮掺杂，拓宽光谱的宽度，提高光利用效率。

紫外灯组为led紫外灯及其适配器5或管式紫外灯及其适配器5，紫外灯4优选波段为185-395nm，led紫外灯或管式紫外灯通过导线7与适配器5进行连接。在一优选实施例中，紫外灯组为光催化剂提供紫外光源，到达电绝缘多孔介质表面的紫外光源光功率密度为0.001-50mw/cm²，优选0.01-20mw/cm²。

若选用led紫外灯及其适配器5，则led紫外灯可以采用1-10颗led灯珠，优选2-5颗；若选用管式紫外灯及其适配器5，则管式紫外灯可以采用1-5根管式紫外灯，优选1-3根。

放电电极可以为印刷线板式放电电极或金属丝线电极或金属网电极或多孔金属板电极。放电电极成对使用。

高压电源6为可输出高压信号的定制电源，设有两个输出端，高压电源6可以是直流恒压输出、交流输出、脉冲输出，其峰值电压范围峰值电压范围0.5-6kv，交流输出频率10-50khz，脉冲输出的频率范围1-40khz。

高压电源6的两个输出端可以为一端为负高压，另一端为接地极或者正高压；也可以输出两路同频反相的交流高压。

净化方法为：紫外光照射到光催化剂上，激发光催化剂发生光催化作用；同时利用高压在放电电极对间形成强电场，协同激发光催化剂发生光催化作用，含挥发性有机物分子或异味气体分子及游离细菌的空气与光催化剂表面接触进而被分解，且该强电场阻止光催化作用过程的有效活性光生电子和光生空穴的复合。

采用高压电辅助光催化净化模组进行工作时，开启紫外灯组，紫外灯组产生紫外光通过电极板镂空孔隙，照射到电绝缘多孔介质3表面负载的光催化剂上，激发光催化剂发生光催化作用。同时，高压电源6工作，将高压电输出到与之相连的放电电极上，在放电电极ⅰ1、放电电极ⅱ2之间形成一个强电场。强电场一方面可以阻止光催化作用过程的有效活性光生电子和光生空穴的复合；另一方面对光催化剂有协同激发作用，当含挥发性有机物分子或异味气体分子及游离细菌的空气经由光催化剂区域时，在光催化剂表面被吸附进而被分解，起到净化空气消除异味的作用。

实施例一：

本实施例公开了一种高压电辅助光催化净化模组，如图2所示，包括放电电极ⅰ1、放电电极ⅱ2、负载有光催化剂的电绝缘多孔介质3、紫外灯4、适配器5及高压电源6。放电电极ⅰ1和放电电极ⅱ2分别与高压电源6通过导线7进行连接，负载有光催化剂的电绝缘多孔介质3置于放电电极ⅰ1、放电电极ⅱ2之间。紫外灯4由适配器5进行驱动工作。紫外灯4为三颗led紫外灯珠排列组成的光源阵列，led紫外灯珠波长为273nm，led紫外灯放置在放电电极ⅰ1外侧，形成led紫外灯-放电电极ⅰ1-电绝缘多孔介质3-放电电极ⅱ2的次序。空气可以通过镂空的放电电极和光催化剂进行流通和循环净化。

放电电极ⅰ1为印刷线板式放电电极，另一个放电电极ⅱ2为镂空金属网板，放电电极ⅰ1与高压电源6的负高压输出端相连，放电电极ⅱ2与高压电源6的接地极或正高压输出端相连。两放电电极的电压差为3-4kv。

电绝缘多孔介质3与放电电极ⅰ1和放电电极ⅱ2的间距为0-5mm，可与两极同时接触，或者与其中之一接触而与另一极不接触，或者与两极均不接触。

实施例二：

本实施例提供一种高压电辅助光催化净化模组，如图3所示，包括放电电极ⅰ1、放电电极ⅱ2、负载有光催化剂的电绝缘多孔介质3、紫外灯4、适配器5及高压电源6。放电电极ⅰ1和放电电极ⅱ2分别与高压电源6通过导线7进行连接，负载有光催化剂的电绝缘多孔介质3置于放电电极ⅰ1、放电电极ⅱ2之间。紫外灯4由适配器5进行驱动工作。紫外灯4为冷阴极紫外灯管，波长为254nm，冷阴极紫外灯管放置在放电电极ⅰ1外侧，形成冷阴极紫外灯管-放电电极ⅰ1-电绝缘多孔介质3-放电电极ⅱ2的次序。空气可以通过镂空的放电电极和光催化剂进行流通和循环净化。

本实例中，放电电极ⅰ1和放电电极ⅱ2均为不锈钢网板电极，放电电极ⅰ1和放电电极ⅱ2通过导线7与高压电源6相连，高压电源6输出两路正弦交流高压，两路高压相位相差半个周期，频率为10-50khz，峰值电压为0.5-5kv。

电绝缘多孔介质3为泡沫陶瓷，如图4所示，电绝缘多孔介质3夹在放电电极ⅰ1和放电电极ⅱ2两极之间，可与两极同时接触，或者与其中之一接触而与另一极不接触，或者与两极均不接触。

实施例三：

本实施例提供了一种高压电辅助光催化净化装置，如图4、图5所示，放电电极ⅰ1、放电电极ⅱ2、负载有光催化剂的电绝缘多孔介质3、由紫外灯4和适配器5组成的紫外灯组、高压电源6、风机13和装置外壳11。放电电极ⅰ1、放电电极ⅱ2、负载有光催化剂的电绝缘多孔介质3、紫外灯组及高压电源6共同组成高压电辅助光催化净化模组，为核心组件。

优选地，净化装置采用直径匹配的风机13正向通风，风道与电绝缘多孔介质3的孔道方向一致，空气由设置在上方的进风口8吸入，经过风机13横向吹出，依次通过紫外灯4、放电电极ⅰ1、负载有光催化剂的电绝缘多孔介质3、放电电极ⅱ2。装置外壳11下部设置有平行的凹槽，高压电辅助光催化净化模组的紫外灯4、放电电极ⅰ1、负载有光催化剂的电绝缘多孔介质3、放电电极ⅱ2依次安装在装置外壳11的凹槽内，装置外壳11外上部设置有凸起的方台，该方台内安装有高压电源6、适配器5，通过灌封环氧树脂或硅橡胶将高压电源6、适配器5固定在方台内部，保证高压电源6的绝缘。装置外壳11的进风口8、出风口12安装有绝缘的塑料框，通过风机罩9和上盖10将高压电辅助光催化净化模组、风机13罩在壳内，确保整个装置的安全性。高压电辅助光催化净化装置适用于在化工厂、污水处理站、垃圾处理站等场所，还适用于厕所、食物储藏室、餐厅等公共场所，或者是冰箱、冷柜、消毒柜等家用电器中，还可以根据实际情况选择多组高压电辅助光催化净化装置合理排布使用，线性提高高压电辅助光催化净化装置的净化和除臭能力。

试验效果：

利用实施例三进行试验，参考gb21551.4《家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能电冰箱的特殊要求》，测试密闭环境舱室体积为100l，甲硫醇和三甲胺的初始浓度均为6mg/m³，测试在仅启动紫外光源和既启动紫外光源又启动高压电场的情况下净化率的对比情况，结果如下：

从表中可以看出，施加高压电场辅助后，光催化净化效率得到增强，以甲硫醇为例，在30分钟时，将光催化净化效率从65.6％提高到95.9％，增强效果显著。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。