专利名称：一种高效光催化反应器及其制造方法
技术领域：
本发明属治理空气污染的设备技术领域，具体涉及用于处理空气中挥发性污染物的光催化反应器及其制造方法。
背景技术：
目前从空气中除去挥发性有机化合物(VOCs)一般是采用吸收、吸附、高温焚烧和催化焚烧等方法。这些方法都有一定的局限性，均可带来二次污染。光催化技术具有可在常温常压下进行、能量消耗低、对污染物的降解效率高、可同时降解多种污染物等特点，因此该技术将是一种很有应用前景的环境治理手段，特别适合用于处理空气中挥发性有机化合物及恶臭气体。
用光催化技术处理空气中挥发性污染物，需要装有光催化剂的光催化反应器。目前已有的光催化反应器结构各异，一些专利技术方案或同类产品采用活性碳布、瓦楞纸、铝板等做催化剂载体的光催化剂，存在透光性差，受光面小，净化效率低等问题。在玻璃纤维上负载光催化剂可保持光催化剂对反应物的吸附能力，有效减少载体对光的吸收，因而极大地改善光催化效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种处理空气中挥发性污染物的高效光催化反应器和其制造方法，该反应器采用玻璃纤维负载二氧化钛光催化剂、或玻璃纤维负载掺杂的二氧化钛光催化剂。
本发明产品的结构是一长形壳体的一端为进气口、另一端为出气口，壳体纵轴位置设有一紫外灯管，该紫外灯管由设在壳体内的横向多孔板所固定，壳体与紫外灯管问充填玻璃纤维负载二氧化钛光催化剂、或玻璃纤维负载掺杂的二氧化钛光催化剂，壳体的出气口端或进气口端设有风机。所说风机最好设于壳体的出气口端。壳体内的多孔板最好为两个，分别设于壳体两端。壳体内壁最好设有反光层，反光层可以是紧贴壳体内壁衬有的铝箔或锡箔。壳体可由有机玻璃、塑料、不锈钢等材料制成。灯管与壳体内壁之间的距离可为0.5-10厘米，采用20瓦的紫外灯时以2-5厘米较为适宜。增大紫外灯的光照强度，则可适当增加填充厚度。填充密度以0.1-0.5g/cm3为宜。
本发明反应器主要用于光催化消除封闭和半封闭人类生活空间(如居室、卫生间、会议室、病房和娱乐场所等)，以及生产车间和养殖场中的挥发性有机化合物及恶臭气体。反应器既可单独使用，也可多个串联或并联使用。
本发明产品的制造方法是产品充填的玻璃纤维负载二氧化钛光催化剂、或玻璃纤维负载掺杂的二氧化钛光催化剂，按以下步骤制备(1)将纳米二氧化钛或经掺杂金属后的纳米二氧化钛放入含有有机或无机粘结剂及表面活性剂的有机溶剂中，让纳米二氧化钛或掺杂后的纳米二氧化钛分散均匀，有机溶剂与纳米二氧化钛或掺杂后的纳米二氧化钛的重量比为20～30∶1，粘结剂与纳米二氧化钛或掺杂后的纳米二氧化钛的重量比为0.5～2∶1，表面活性剂与纳米二氧化钛或掺杂后的纳米二氧化钛的重量比为0.01～0.05∶1，掺杂金属占二氧化钛的重量比为0.1～2％。纳米二氧化钛的掺杂金属可以是贵金属、过渡金属或贵金属过与过渡金属的任意组合。有机溶剂可以是醇类、酮类化合物如甲醇、乙醇、丙醇、丙酮等，其中优选无水乙醇。粘结剂可以是聚乙二醇、三乙醇胺、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、二氧化硅、正硅酸乙酯、拟薄水铝石等。表面活性剂可以是吐温-20、吐温-80、司盘-20、司盘-80等。所说让纳米二氧化钛或掺杂后的纳米二氧化钛分散均匀的技术手段为现有技术，其中优选采用超声震荡10～35分钟。
(2)将彻底除油清洗并烘干后的玻璃纤维浸渍在按上述步骤(1)制得的混合液中。最好是让玻璃纤维与混合液的重量比为0.5～1.2∶1。
(3)将充分浸渍均匀后的玻璃纤维取出于60℃～100℃干燥，随后于300℃～600℃进行焙烧，自然冷却后得到玻璃纤维负载的光催化剂。
以上所说的二氧化钛可以是平均粒径为1-80nm，晶型为100％的锐钛矿或含0-20％金红石的锐钛矿型二氧化钛。按本发明方法制得的玻璃纤维负载光催化剂中，二氧化钛或掺杂后的二氧化钛占玻璃纤维负载光催化剂总重量的0.1～20％。
本发明的有益效果产品结构简单，能连续进行反应，并具有较强的抗失活能力，制造方法简便、玻璃纤维负载的催化剂不易脱落，光催化活性高。
图1为产品实施例的结构示意图。
图2为产品实施例光催化反应器串联使用时的结构示意图。
具体实施例方式
产品实施例见图1。有机玻璃圆桶状壳体1的一端为带防尘罩的进气口，另一端为出气口，出气口端设有风机7。20瓦紫外灯管4由分别设在壳体内两端的两个横向圆形多孔板2所固定。紧贴壳体1的内壁衬有铝箔反光层。填充在紫外灯管4和壳体1之间的是玻璃纤维负载活性金属掺杂的纳米二氧化钛光催化剂3。催化剂3的填充厚度，即灯管4与反光层之间的距离为4厘米，填充密度为0.3/cm3。图中5是灯管4的石英保护壳，6是电源插口。
安装时，先将紫外灯管4装入石英保护壳5内，保护壳5一端套上圆形多孔板2，放入壳体1内，再将催化剂3松散地填入，填满后再套上另一圆形多孔板2，让紫外灯固定于壳体1内，再将进气口的防尘罩及出气口的风机7装上。气体流速大小可在出气口端用流量计检测，调节风机的转速进行控制。该光催化反应器既可单独使用，也可串联或/和并联使用。可依据具体处理对象而定。图2为三个反应器串联使用时的结构示意图。
若催化剂3采用玻璃纤维负载5％(0.75％Pt-TiO2)的光催化剂，三个相同的反应器串联，填充120g催化剂(实际二氧化钛6g，金属铂0.045g)，光源采用20瓦(主波长为254nm)的紫外灯，空气流量为1.2L/min，相对湿度为57％，用该光催化反应器处理典型空气污染物的实验结果如表1所示。反应过程中(24小时)未观察到催化剂失活。
表1光催化反应器处理空气污染物的实验结果[玻璃纤维负载5％(0.75％Pt-TiO2)]
若催化剂3采用玻璃纤维负载5％(0.5％Ru-TiO2)的光催化剂，其余条件同上，用该光催化反应器处理典型空气污染物的实验结果如表2所示反应过程中(24小时)未观察到催化剂失活。
表2光催化反应器处理空气污染物的实验结果[玻璃纤维负载5％(0.5％Ru-TiO2)]
方法实施例1制备玻璃纤维负载5％TiO2的光催化剂。
先将玻璃纤维依次用盐酸、氢氧化钠、蒸馏水、丙酮清洗后烘干备用。将5mL三乙醇胺、0.2mL司盘-80溶于75mL无水乙醇中，充分搅拌均匀，加入5.0g纳米二氧化钛(平均粒径25nm)，超声分散30min，称取100g清洗后烘干备用的玻璃纤维一次加入到超声分散好的含二氧化钛的液体中，浸渍、涂覆，充分搅拌均匀。将浸渍了催化剂的玻璃纤维在烘箱中100℃干燥5小时，之后在马弗炉中焙烧在通入空气条件下，从室温开始，以5℃/min升至200℃，保持2小时，再以10℃/min升至550℃，保持5小时，自然冷却后得到玻璃纤维负载5％二氧化钛的光催化剂。
方法实施例2制备玻璃纤维负载5％(0.75％Pt-TiO2)的光催化剂。
本实例为先在纳米二氧化钛中掺杂0.75％(重量比)的Pt，之后将掺杂了Pt的二氧化钛按5％重量负载于玻璃纤维上。将20.0g TiO2(平均粒径25nm)与1.60ml含Pt为94.9mg/ml的H2PtCl6溶液及14.0g水混合搅拌均匀，超声分散30min混匀，烘干，研磨成粉末状。以30mL/min氢气流速，在350℃下氢还原180min，得到含0.75％Pt-TiO2的催化剂。后续步骤按实例1所述的程序进行，不同之处为取掺杂0.75％Pt的催化剂5.0g代替纯的纳米二氧化钛，制备得玻璃纤维负载5％(0.75％Pt-TiO2)的光催化剂。
方法实施例3制备玻璃纤维负载5％(0.5％Ru-TiO2)的光催化剂。
本实例为先在纳米二氧化钛中掺杂0.5％的Ru，之后将掺杂了Ru的二氧化钛按5％重量负载于玻璃纤维上。将20.0克TiO2(平均粒径25nm)与1.86mlRuCl3溶液(Ru含量为54mg/ml)及14.0克水混合搅拌均匀，超声分散30min，烘干，研磨成粉末状，用氢气在350℃下还原180min，得到含0.5％金属Ru的催化剂，以30mL/min氢气流速，在350℃下氢还原180min，得到含0.5％Ru-TiO2的催化剂。后续步骤按实例1所述的程序进行，不同之处为取掺杂0.5％Ru的催化剂5.0g代替纯的纳米二氧化钛，制备得玻璃纤维负载5％(0.5％Ru-TiO2)的光催化剂。
方法实施例4制备玻璃纤维负载5％(0.5％Ru-TiO2)的光催化剂。
本实例负载的催化剂成分及含量与实施例3相同，采用的还原剂为水合肼。将20.0gTiO2(平均粒径25nm)与1.86mL RuCl3溶液(Ru含量为54mg/ml)及12.0mL水混合搅拌均匀，超声分散30min，加入2mL浓度为20％的水合肼(预先用NaOH调至pH＝12.00)，充分搅拌均匀，烘干，研磨成粉末状。后续步骤按实例1所述的程序进行，不同之处为取掺杂0.5％Ru的催化剂5.0g代替纯的纳米二氧化钛，制备得玻璃纤维负载5％(0.75％Pt-TiO2)的光催化剂。
方法实施例5取平均粒径为50nm，含15％金红石的锐钛矿型二氧化钛放入含粘结剂三乙醇胺、表面活性剂司盘-80的有机溶剂丙酮中，超声震荡2O分钟让二氧化钛分散均匀，制得混合液。丙酮与二氧化钛的重量比为21∶1，三乙醇胺与二氧化钛的重量比为1.8∶1，司盘-80与二氧化钛的重量比为0.015∶1。将经彻底除油清洗并烘干后的玻璃纤维浸渍在制得的混合液中，玻璃纤维与混合液的重量比为1∶1。将充分浸渍均匀后的玻璃纤维取出于80℃干燥，随后于600℃进行焙烧，自然冷却后得到玻璃纤维负载的光催化剂。
方法实施例6取平均粒径为70nm，晶型为100％的锐钛矿的二氧化钛放入含粘结剂羧甲基纤维素、表面活性剂吐温-80的有机溶剂无水乙醇中，超声震荡35分钟让二氧化钛分散均匀，制得混合液。无水乙醇与二氧化钛的重量比为30∶1，羧甲基纤维素与二氧化钛的重量比为0.7∶1，吐温-80与二氧化钛的重量比为0.045∶1。将经彻底除油清洗并烘干后的玻璃纤维浸渍在按上述步骤制得的混合液中，玻璃纤维与混合液的重量比为0.6∶1。将充分浸渍均匀后的玻璃纤维取出于60℃干燥，随后于300℃进行焙烧，自然冷却后得到玻璃纤维负载的光催化剂。
方法实施例7取掺杂了0.2％铈和1％银(重量比)、平均粒径为5nm的纳米二氧化钛放入含正硅酸乙酯及吐温-20的丙醇中，超声震荡35分钟，让掺杂后的纳米二氧化钛分散均匀，制得混合液。丙醇与掺杂后的纳米二氧化钛的重量比为25∶1，正硅酸乙酯与掺杂后的纳米二氧化钛的重量比为1.5∶1，吐温-20与掺杂后的纳米二氧化钛的重量比为0.03∶1。将玻璃纤维(其显微图片见图1)依次用盐酸、氢氧化钠、蒸馏水、丙酮清洗后烘干，放入上述制得的混合液中，玻璃纤维与混合液的重量比为1.2∶1。将充分浸渍均匀后的玻璃纤维取出于70℃干燥，随后于400℃进行焙烧，自然冷却后得到玻璃纤维负载的光催化剂。
以上实施例仅对发明做进一步的说明，而本发明的范围不受所举实施例的局限。
权利要求
1.一种高效光催化反应器，其特征在于一长形壳体的一端为进气口、另一端为出气口，壳体纵轴位置设有一紫外灯管，该紫外灯管由设在壳体内的横向多孔板所固定，壳体与紫外灯管间充填玻璃纤维负载活性金属掺杂的二氧化钛光催化剂，壳体的出气口端或进气口端设有风机。
2.如权利要求1所说的反应器，其特征在于风机设于壳体的出气口端。
3.如权利要求1所说的反应器，其特征在于壳体内的多孔板为两个，分别设于壳体两端。
4.如权利要求1所说的反应器，其特征在于壳体内壁设有反光层，反光层为紧贴壳体内壁衬有的铝箔或锡箔。
5.如权利要求1所说的反应器，其特征在于灯管与壳体内壁之间的距离为0.5-10厘米。
6.如权利要求1所说的反应器，其特征在于壳体为圆筒形。
7.如权利要求1所说的反应器，其特征在于壳体的进气口带防尘罩。
8.如权利要求1所说的反应器的制造方法，其特征在于反应器充填的玻璃纤维负载二氧化钛光催化剂、或玻璃纤维负载掺杂的二氧化钛光催化剂按以下步骤制备(1)将纳米二氧化钛或经掺杂金属后的纳米二氧化钛放入含有有机或无机粘结剂及表面活性剂的有机溶剂中，让纳米二氧化钛或掺杂后的纳米二氧化钛分散均匀，有机溶剂与纳米二氧化钛或掺杂后的纳米二氧化钛的重量比为20～30∶1，粘结剂与纳米二氧化钛或掺杂后的纳米二氧化钛的重量比为0.5～2∶1，表面活性剂与纳米二氧化钛或掺杂后的纳米二氧化钛的重量比为0.01～0.05∶1，掺杂金属占二氧化钛的重量比为0.1～2％；(2)将彻底除油清洗并烘干后的玻璃纤维浸渍在按上述步骤(1)制得的混合液中。最好是让玻璃纤维与混合液的重量比为0.5～1.2∶1；(3)将充分浸渍均匀后的玻璃纤维取出于60℃～100℃干燥，随后于300℃～600℃进行焙烧，自然冷却后得到玻璃纤维负载的光催化剂。
9.如权利要求8所说的制造方法，其特征在于纳米二氧化钛的掺杂金属是贵金属、过渡金属或贵金属过与过渡金属的任意组合。
10.如权利要求8所说的制造方法，其特征在于有机溶剂为无水乙醇。
全文摘要
一种高效光催化反应器及其制造方法，属空气污染治理技术。长形壳体的一端为进气口、另一端为出气口，壳体纵轴位置设有紫外灯管，该紫外灯管由设在壳体内的横向多孔板所固定，壳体与紫外灯管间充填玻璃纤维负载光催化剂，壳体的出气口端或进气口端设有风机。该反应器结构简单，能连续进行反应。先将纳米二氧化钛或掺杂的纳米二氧化钛分散于含有机或无机粘结剂及表面活性剂的有机溶液中，再将玻璃纤维载体浸入溶液中浸渍、涂覆，浸渍、涂覆后的催化剂经烘干、焙烧除去粘结剂等就得到反应器所充填的玻璃纤维负载光催化剂。该法不需预先制备二氧化钛溶胶、也不需多次涂敷和焙烧，具有方法简便、玻璃纤维负载的催化剂不易脱落、光催化活性高等优点。
文档编号B01J19/12GK1962036SQ20061004874
公开日2007年5月16日 申请日期2006年10月24日 优先权日2006年10月24日
发明者张世鸿, 王伟, 匡家灵, 杨项军, 俸军, 涂学炎 申请人:云南大学