一种新型光催化空气净化器及净化空气的方法与流程

本发明涉及空气净化技术领域，一种新型光催化空气净化器及净化空气的方法。

背景技术：

随着经济发展和社会进步，环境污染问题日益严重。挥发性有机污染物(Volatile organic compounds, VOCs)是大气中的主要污染物，其来源一部分来自室外，主要为工业废气、机动车尾气、光化学烟雾等；另一部分来自室内，装修、装饰材料如油漆及其溶剂、木材防腐剂、涂料、胶合板等常温下可释放出甲苯、甲醛等多种挥发性有机物质。由于室内环境中空气流动性差，积累的污染物通过人的呼吸和皮肤对人体造成了严重危害。以甲醛为例，人体长时间暴漏在浓度大于0.1 mg/m³的甲醛气氛中，就会头晕、视听阻滞，严重时会对呼吸系统、心脑血管等造成伤害。多种VOCs的混合存在以及相互的化学作用，也会使危害强度增大。因此，通过净化技术改善室内空气质量对人们身体健康具有重要意义。

用于VOCs净化的技术主要包括吸附过滤技术、冷凝技术、燃烧技术、膜分离技术、生物降解技术、燃烧技术、等离子体净化技术和光催化技术等。光催化技术是利用光催化剂在大于或等于其禁带宽度的光照下产生的电子、空穴与污染物的氧化还原作用，在常温常压的条件下将空气中的有害污染物彻底分解矿化无害的无机小分子(如CO₂、H₂O等)，且能耗低、操作简单，是降解室内VOCs的有效途径，在空气污染治理中具有广阔前景。将光催化技术与吸附过滤技术相结合，构建光催化空气净化技术(净化器)，已经获得了普遍的关注。

但是，到目前为止，光催化空气净化技术还存在很多问题：(1)所用的吸附过滤技术主要通过活性炭滤网或者HEPA滤网来实现，但这两种滤网有自身的技术缺陷。活性炭滤网的去除率低、需要定期进化活化，并未减少VOCs的总量，一旦达到饱和吸附后，就会由空气净化器变成污染源；HEPA滤网的有效孔径在300纳米之上，只能滤除空气中粒径超过300纳米的颗粒物，无法实现对粒径小于300纳米颗粒物的滤除，如病毒体等。尽管有报道称光催化技术可用于病毒体等生命体的降解，但效果非常差；(2)所用的光催化技术主要通过TiO₂光催化剂加紫外光源来实现。由于TiO₂的禁带宽度在3-3.2 eV，光响应范围在紫外区域，辐照利用率低，加上TiO₂的光生载流子复合几率高，导致光催化降解的效率受到很大的限制。同时，作为紫外激发光源的紫外汞灯(9-20 W)，长时间与空气中的氧气作用会产生微量的臭氧，具有潜在的安全隐患，加上废弃汞灯属于污染源，使用安全、无污染、长寿命的光源是未来光催化空气净化器产业的必然趋势；(3)由于空气质量普遍较差，人们越来越多长时间处于使用空调或者暖气的密闭室内环境中，保持室内适当的空气湿度对于维持人体舒适度和身体健康是充分必要的，而现有光催化空气净化设备通常不能同时具备湿度调节功能，需要额外使用空气加湿器等设备。

技术实现要素：

针对上述现有设备与技术的不足，本发明提出一种新型光催化空气净化器，集成高性能纳米纤维滤网、可见LED光源、可见光响应光催化剂滤网和加湿装置，以解决现有光催化空气净化器净化效果不佳的难题。

本发明所采用的技术方案如下：

一种新型光催化空气净化器，它包括空气净化器本体，所述的空气净化器本体包括壳体(1)，所述的壳体 (1)上设有进风口 (8)、出风口 (9)，其特征在于：所述的壳体 (1) 内沿着空气流动的方向依次设有初效滤网（3）、高性能纳米纤维滤网（4）、可见LED光源（5）、可见光响应光催化剂滤网（6）、循环风扇（7）、加湿装置（2），所述的进风口（8）设在壳体的侧壁上，所述的出风口（9）设在壳体顶部，所述的加湿装置（2）设在出风口 (9)的下方，所述壳体（1）内部还设有电气电路及外接电源线。

所述初效滤网是指可以滤除PM10、毛屑等大颗粒粒径污染物的滤网，还可以防止昆虫等进入净化器内部导致结构损坏。

所述高性能纳米纤维滤网是指含有高性能纳米纤维的滤网，可以高效滤除PM2.5、细菌、病毒、油烟等粒径介于100纳米到10微米之间的污染物。

优选的，纳米纤维是指直径在1-200纳米，长度从几十微米到毫米不等的一维材料。该材料既可以是聚合物纳米纤维，如聚酯、聚乳酸、聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯晴、聚乙烯醇等，也可以是无机物纳米纤维，如SiO₂、TiO₂等。如果要实现纳米纤维具有抗菌功能，可以向纳米纤维中加入银盐、铜盐等材料。

所述可见LED光源是指发射波长位于380纳米到780纳米之间的一种LED光源。可见LED光源不仅节能环保，而且对人体和动物无害，适用于多种场合使用。

所述可见光响应光催化剂滤网是指含有可见光响应光催化剂的滤网，可以在可见光下发生光催化反应，从而实现将VOCs降解和矿化。

优选的，可见光响应光催化剂既可以是金属或非金属改性的TiO₂光催化剂，也可以是非TiO₂的新型光催化剂。

所述可见LED光源位于可见光响应光催化剂滤网上方，可以将可见LED光源发射的荧光照射到可见光响应光催化剂滤网上，从而实现可见光响应光催化剂滤网中光催化剂在可见光下高效降解和矿化VOCs。

所述加湿装置是指可以便捷地将加湿模块进行拆卸且可以独立控制开关的装置，在超声作用下能够产生水汽以提高净化器所在环境的湿度。

所述壳体的左侧设有进风口，所述壳体的上方设有出风口。污染空气从进风口进入净化器，依次通过初效滤网、高性能纳米纤维滤网和可见光响应光催化剂滤网，从而被净化成洁净空气，并与加湿装置产生的水汽一起从出风口离开净化器。

为保证净化后的洁净空气能尽快排出净化器、净化过程中室内空气的顺利流通以及防止加湿装置产生的水汽污染净化器内的滤网，在净化器内设有循环风扇。所述的循环风扇位于净化器内可见光响应光催化剂滤网和加湿装置之间。

所述壳体与每个单元模块之间采用活连接固定，如螺旋连接、或卡接等，以利于方便的拆卸、维修与更换。

一种权利要求1所述的空气净化器净化空气的方法，其特征在于：在循环风扇（7）的作用下，污染空气从进气口（8）进入净化器内部，首先通过初效滤网（3）进行初过滤，以滤除空气中PM10、毛屑、昆虫等大颗粒污染物；初过滤后的空气再进入高性能纳米纤维滤网（4），进行二次过滤，滤除空气中PM2.5、病毒体等小颗粒污染物；二次过滤后的空气然后进入可见光响应光催化剂滤网（5），进行光催化过滤，以实现对空气中VOCs的有效降解和矿化；光催化降解和矿化后的洁净空气最后与加湿装置（2）产生的水汽混合一起排出净化器，得到湿度适宜的净化空气。

与现有技术相比，本发明的优点体现在：

(1)利用高性能纳米纤维滤网替代HEPA滤网。由于高性能纳米纤维滤网的孔径小于HEPA滤网，不仅可以实现对PM2.5等颗粒物的过滤，还可以实现对病毒体、细菌等小粒径污染物的拦截；

(2)利用可见光LED光源+可见光催化剂替代紫外光源+TiO₂光催化剂。采用高效的可见光催化剂，可以提高催化剂降解VOCs的性能，同时可见LED光源具有节能环保且对人体、动物无害等优点；

(3)集成加湿功能。可以独立调节净化后空气的湿度，维持净化器所在环境适当的空气湿度，对于维护人体舒适度和身体健康非常必要。

总之利用本发明的新型光催化空气净化器不仅可以高效滤除拦截空气中不同尺寸的颗粒污染物和病毒体、有效降解和矿化空气中不同种类的VOCs，还可以实现调节净化后空气的湿度。净化器结构紧凑，使用安全，适合于宾馆、大厦、写字楼、公寓、住宅、汽车等各种场所的空气净化。

附图说明

图1为实施例1的新型光催化空气净化器的结构示意图；

图2为实施例2中可见光催化剂+LED光源降解VOCs的性能；

图3为实施例3制备的高性能纳米纤维电镜图片。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

实施例1

本实施例用于理解新型光催化空气净化器的结构和工作原理。

一种新型光催化空气净化器， 如图1所示，它包括空气净化器本体，空气净化器本体包括壳体1， 壳体 1的侧壁设有进风口 8、顶部设有出风口 9，壳体 1 内沿着空气流动的方向依次设有初效滤网3、高性能纳米纤维滤网4、可见LED光源5、可见光响应光催化剂滤网6、循环风扇7、加湿装置2， 加湿装置2设在出风口 9的下方，壳体1内部还设有电气电路及外接电源线。

该净化器的具体工作工程：在循环风扇7的作用下，污染空气从进风口8进入净化器，依次通过初效滤网3、高性能纳米纤维滤网4和可见光响应光催化剂滤网6。然后与加湿装置2产生的水汽一起排出净化器，从而实现污染空气的洁净和环境湿度的调节。由此可见，利用本方案所提供的新型光催化空气净化器，不仅可以有效拦截空气中的各种颗粒污染物、高效降解空气中的VOCs，还可以调节环境空气的湿度。

初效滤网3是指可以充分过滤空气中像PM10、毛屑、昆虫等大颗粒污染物的过滤网，以减少这些污染物对净化模块和循环风扇7的损害。

优选的，所述高性能纳米纤维滤网4是指含有一维纳米材料的滤网，可以实现对PM2.5、病毒体等小颗粒粒径污染物的高效拦截。该一维材料的直径在1-200纳米，长度从几十微米到毫米不等的一维材料。

可以理解的是，在本实施例中所述的高性能纳米纤维既可以是聚合物纳米纤维，如聚酯、聚乳酸、聚氨酯、聚苯乙烯、聚丙烯晴、聚乙烯醇等，也可以是无机物纳米纤维，如SiO₂、TiO₂等。如果要实现纳米纤维具有抗菌功能，可以向纳米纤维中加入银盐、铜盐等材料。

优选的，所述可见LED光源是指发射波长位于380纳米到780纳米之间的一种LED光源。

优选的，所述可见光响应光催化剂滤网6是指含有可见光响应光催化剂的滤网，能够在可见LED光源5的激发下，将将污染空气中的VOCs高效降解并矿化。

可以理解的是，在本实施例中所述的可见光响应光催化剂既可以是金属或非金属改性的TiO₂光催化剂，也可以是非TiO₂的新型光催化剂。

优选的，所述加湿装置2是指可以便捷地将加湿模块进行拆卸且可以独立控制开关的装置，在超声作用下能够产生水汽以提高环境的湿度。

优选的，所述循环风扇7位于可见光响应光催化剂滤网6和加湿装置2之间，不仅可以保证空气的流通，还可以防止水汽的逆向流动造成对滤网的损害。

优选的，所述初效滤网3、高性能纳米纤维滤网4、可见LED光源5、可见光响应光催化剂滤网6以及加湿装置2均可自由拆卸、维修和更换而不会对其他部件造成影响，从而保障净化器性能并延长净化器寿命。

优选的，所述设备内部电气电路系统能够独立控制每个单元模块的开启和关闭。这样的设计能够方便人们在净化器工作过程中能够选择暂时关闭设备的某项功能。

实施例2

本实施例用于考察可见光响应光催化剂滤网在可见LED光源激发下降解VOCs的性能。

称取0.1克Y₂O₂S光催化剂（我们前期工作，一种高效可见光催化剂及其制备方法，申请号201510692553.2），加入到10毫升的无水乙醇中，超声30分钟后形成均匀的悬浮液。然后，将该悬浮液分散到直径6.5厘米的玻璃滤芯内，制成可见光响应光催化剂滤网。

将可见LED光源(发射波长位于420纳米)粘贴于直流风扇上，制成激发光源。

将上述可见光响应光催化剂滤网和激发光源固定于一定制的石英套管中，可见LED光源与可见光响应光催化剂滤网之间的距离为5厘米。然后将该套管置于5升定制的石英玻璃反应腔中。

以甲醛为模型化合物来评估光催化性能。在众多的室内VOCs中，甲醛是主要污染物之一。当人们短时间内吸入浓度较高的甲醛时可导致流泪、头晕、头痛、乏力、视物模糊等，结膜、喉部明显充血，部分患者听诊呼吸音粗糙或有干性罗音。较重者可有持续咳嗽、声音嘶哑、胸痛、呼吸困难。严重者可引起神经、器官的系统损伤。甲醛人体浓度的限制是0.08 ppm。

向反应腔中充入4000 ppm的甲醛气体，然后打开LED光源和风扇，开始光催化反应，并开始计时。每隔一段时间，利用气密性注射器从反应腔中取出气体500微升，然后在气相色谱仪中检测，以测定气体中甲醛的浓度。

如图2所示，随着反应的进行，反应腔内甲醛的浓度逐渐降低。在气体中探测到CO₂生成，表明甲醛在光催化作用发生降解并被矿化。在经过90小时的光催化反应后，甲醛的浓度仅为初始浓度的1%不到，降解率超过99%。该结果表明，利用可见LED光源+可见光响应光催化剂滤网，不仅可以高效降解并矿化VOCs，实现污染空气的净化，而且可见光响应光催化剂滤网在经过90小时的反应后性能并未衰减，显示出良好的光催化稳定性。

实施例3

本实施例用于考察高性能纳米纤维的结构。

称取100克的尼龙粉末，加入到400克的甲酸中，搅拌60分钟，使其混合均匀，得到浓度为25 wt%的尼龙溶液1。

将0.8克的平平加O（即烷基聚氧乙烯醚），加入到100克的去离子水中，搅拌45分钟，使其混合均匀，得到浓度为0.8 wt%的平平加O溶液2。

将0.05克的十二烷基磺酸钠，加入到100克的去离子水中，搅拌30分钟，使其混合均匀，得到浓度为0.05 wt%的十二烷基磺酸钠溶液3。

取10毫升平平加O溶液2和10毫升十二烷基磺酸钠溶液3，加入到尼龙溶液1中，利用气流静电纺丝机制备尼龙纳米纤维。

图3是制备的尼龙纳米纤维的电镜图片。从图片中可以看出，我们制备的尼龙纳米纤维直径在100纳米左右，长度从几十微米到毫米不等。该纳米纤维与普通纤维相比，不仅在粒径上要细一个数量级以上，同时比普通纤维吸附性更强，能更有力地捕捉通过表面的颗粒。由该纳米纤维制备的高性能纳米纤维滤网，其孔径介于50纳米到100纳米之间，不仅能高效拦截PM2.5、病毒体等污染物，还具有低的透气阻力和高容尘率。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合于本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。