一种光触媒有机废气处理设备的制作方法

[0001]
本实用新型涉及有机废气处理技术领域，特别是涉及一种光触媒有机废气处理设备。


背景技术：

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1967年，日本国的本多健一教授和他的研究生藤岛昭在做金属的光合作用时发现，用二氧化钛和白金作电极，放在水里，用光照射，即使不通电，也能够把水分解成氧气和氢气。这便是著名的photocatalyst效应，即光催化剂效应，又称“本多—藤岛效应”。经过现代科学研究表明，一些光半导体材料(即光触媒)受光线照射而激发电子，价带上的电子(eˉ)跃迁到导带，在价带上产生相应的空穴(h+)，这些激发的电子及空穴使得光触媒材料表面产生强烈的氧化还原作用，当有机物分子接近时，空穴直接氧化有机物分子，使其分解破坏；并且，当空气中的氧气分子和水分子接触到光触媒时，光触媒激发的带负电的电子与氧结合产生负氧离子(o2-)，光触媒带正电的空穴遇水分子会形成羟基自由基(-oh)和超氧羟基自由基(ho2-、h2o2-)等，这些化学上的活性基团有着极强的化学反应能力，其能量相当于3600k的高温，能强效分解、氧化有机碳氢化合物废气分子，使之变成无害的二氧化碳和水。
[0003]
光触媒材料的这种光触发引起的化学反应能力，可降解几乎所有附着在其表面的有机化合物，如碳氢化合物、氮氧化物、硫化物。影响光触媒材料的主要因素是光触媒的活性，即光触媒的光激发能力大小，光触媒材料本身晶体形状及晶粒尺寸的大小、比表面积、掺杂性等因素决定着光触媒光激发禁带宽度的大小及量子产率，特别是通过减小光触媒颗粒尺寸、增加比表面积、提高表面能，可有效增加光触媒的量子产率，从而提高光触媒的活性。九十年代后期，纳米技术得到了突破性进展，以锐钛矿型tio2为代表的光触媒纳米材料得以开发，在纳米尺度下禁带宽度得到满足，光触媒的光激发能效及量子产率大大提高，从而解决了光触媒活性增强的问题,光触媒终于正式登上了国际研究和应用的舞台。
[0004]
光触媒处理有机废气的应用领域广泛，例如：
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1、工厂车间空气净化：光触媒受光效应所产生的一系列化学反应能力，能高效分解、氧化诸如甲苯、二甲苯、松节油、汽油、甲醛、醇类等有机碳氢化合物，将其转化成无毒害的co2和h2o,氧化去除氮氧化物、硫化物等各类臭气。应用于散发这些有机废气的化工厂、汽车工厂等能够洁净空气、改善环境。
[0006]
2、公共环境的空气净化：在发达国家，光触媒净化空气技术已经应用于公路隧道、地下停车库等汽车废气集中的场合，以及地铁、车站、大型餐饮与购物中心、生活公寓，能够除掉空气中的各种生活臭气。其脱臭能力根据欧美国家实验室测试,1cm2的光催化剂与高性能纤维活性炭比较，其脱臭能力为后者的 150倍,相当于500个活性炭冰箱除臭剂,且无二次公害。
[0007]
3、杀菌：光催化剂的超强氧化能力可破坏空气中细菌的细胞膜,使细菌质流失至死亡,凝固病毒的蛋白质,抑制病毒的活性,对浮游于空气中的大肠杆菌、黄色葡萄球菌等
具有杀菌功效,其能力高达99.997％。且对于引发90％的气喘、过敏性疾病的罪魁祸首尘螨,可完全除去。而且在杀菌的同时还能彻底分解由细菌上面释放出的有害复合物，这是所有杀菌剂都无法做到的。对医院、养老院、幼儿园、动物饲养厂这些要求环境空气卫生要求特别的地方，很适合进行光触媒空气消毒处理。
[0008]
现有的利用光氧化或光催化有机废气处理设备，不能满足日益增长的有机废气处理需求。


技术实现要素：

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基于此，有必要针对目前的光氧化或光催化有机废气处理设备所存在的不能满足有机废气处理需求问题，提供一种光触媒有机废气处理设备。
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上述目的通过下述技术方案实现：
[0011]
一种光触媒有机废气处理设备，包括箱体，所述箱体沿第一方向依次设有进风端、吸附脱附区、光触媒区和排风端，所述第一方向为所述箱体长度方向；
[0012]
所述吸附脱附区内设置有至少一个吸附组件和至少一个加热组件，所述吸附组件和所述加热组件沿所述第一方向交替设置；所述吸附组件包括蜂窝状沸石和/或粒状沸石，所述加热组件用以加热所述吸附组件；
[0013]
所述光触媒区内设置有至少一个光触媒组件和至少一个照明组件，所述光触媒组件和所述照明组件沿所述第一方向交替设置；所述光触媒组件包括基体，所述基体由透明材质制成，所述基体为蜂窝板状结构，所述基体表面涂布有光触媒涂层，所述照明组件用以辐照所述光触媒组件；
[0014]
所述吸附脱附区和所述光触媒区之间设置有补风冷却组件，所述补风冷却组件用以降低自所述吸附脱附区流向所述光触媒区的气体温度。
[0015]
在其中一个实施例中，所述光触媒涂层材质包括tio2、zno、zro2、wo3、ceo2、 fe2o3其中的一种或任意几种的组合。
[0016]
在其中一个实施例中，一个所述光触媒组件中包括至少一个所述基体，同一个所述光触媒组件中的基体数量可调。
[0017]
在其中一个实施例中，所述照明组件包括紫外灯，所述照明组件的波长范围为365nm-254nm。
[0018]
在其中一个实施例中，所述加热组件以红外辐射方式进行加热。
[0019]
在其中一个实施例中，所述箱体沿所述箱体沿所述第一方向设置有多个通道，多个所述通道互相独立，每个所述通道内均设置有所述吸附组件、所述加热组件、所述补风冷却组件、所述光触媒组件和所述照明组件。
[0020]
在其中一个实施例中，多个所述通道内的所述吸附组件、所述加热组件、所述补风冷却组件、所述光触媒组件和所述照明组件可独立开启或关闭。
[0021]
在其中一个实施例中，所述箱体外表面上设置有开窗，所述开窗上设置有盖板。
[0022]
在其中一个实施例中，所述蜂窝状沸石孔径为0.3nm-1.1nmm。
[0023]
本实用新型的有益效果是：
[0024]
本实用新型提供了一种光触媒有机废气处理设备，包括箱体，箱体内部主要分为三个区域，沿着有机废气流动的方向依次为吸附脱附区、排风冷却区和光触媒区，其中吸附
脱附区内设置有吸附组件和加热组件，吸附组件用以留存有机废气中的有害物，使得到达光触媒区的有机废气中的有害物浓度降低，加热组件通过加热使附着在吸附组件上的有害物脱附。排风冷却区用以冷却从吸附脱附区流向光触媒区的气流，光触媒区通过光催化效应处理有机废气分子。本实用新型所提供的光触媒有机废气处理设备，效率高、寿命长、无毒、无污染，光触媒材料研究和开发生产技术比较成熟，材料来源丰富、使用成本低。
附图说明
[0025]
图1为本实用新型一实施例提供的光触媒有机废气处理设备的结构简图，图中箭头所示方向为有害气体流动方向；
[0026]
图2为本实用新型一实施例提供的光触媒有机废气处理设备的立体图；
[0027]
图3为本实用新型一实施例提供的光触媒有机废气处理设备的结构示意图，图中为便于观察隐去了上侧的封板；
[0028]
图4为图3当中的光触媒有机废气处理设备沿c-c视向的剖视图；
[0029]
图5为图3当中的光触媒有机废气处理设备沿d-d视向的剖视图；
[0030]
图6为图3当中的光触媒有机废气处理设备沿e-e视向的剖视图。
[0031]
其中：
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箱体100；进风端110；吸附脱附区120；吸附组件121；加热组件122；光触媒区130；光触媒组件131；照明组件132；排风端140；补风冷却组件150。
具体实施方式
[0033]
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0034]
本文中为组件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0035]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0036]
本实用新型提供了一种光触媒有机废气处理设备，如图1和图2所示，包括箱体100，箱体100内部主要分为三个区域，沿着有机废气流动的方向依次为吸附脱附区120、排风冷却区和光触媒区130，其中吸附脱附区120内设置有吸附组件121和加热组件122，吸附组件121用以留存有机废气中的有害物，使得到达光触媒区130的有机废气中的有害物浓度
降低，加热组件122通过加热使附着在吸附组件121上的有害物脱附。排风冷却区用以冷却从吸附脱附区120 流向光触媒区130的气流，光触媒区130通过光催化效应处理有机废气分子。本实用新型所提供的光触媒有机废气处理设备，效率高、寿命长、无毒、无污染，光触媒材料研究和开发生产技术比较成熟，材料来源丰富、使用成本低。
[0037]
具体的，如图1和图3所示，箱体100沿第一方向依次设有进风端110、吸附脱附区120、光触媒区130和排风端140，第一方向为箱体100长度方向或宽度方向，同时也是有机废气流动的方向。
[0038]
如图3和图4所示，吸附脱附区120内设置有至少一个吸附组件121和至少一个加热组件122，吸附组件121和加热组件122沿第一方向交替设置，此处所说交替设置不仅包括一个吸附组件121和一个加热组件122的交替排列，也包括两个吸附组件121和一个加热组件122的交替排列，如吸附脱附区120内按第一方向依次排列有吸附组件121、加热组件122、吸附组件121、吸附组件 121、加热组件122、吸附组件121，或其他诸如此类能够保证每个吸附组件121 周围均有一个加热组件122的排列方式，均应认为是本实用新型所述的交替排列。
[0039]
设置吸附脱附区120，是考虑到废气中有害物浓度的变化可能造成光触媒分解氧化处理的不充分，如有机废气中有害物浓度过高时，光触媒区130不能够及时反应处理掉足够多的有机废气，使得最终排放的气体污染超标。吸附脱附区120当中的吸附组件121可以“暂时留存”一部分有机废气当中的有害物，使得流入光触媒区130的废气浓度处于较为合适的范围内，当有机废气不再流入时，加热组件122通过加热方式使得附着在吸附组件121上的有害物脱附，并流入光触媒区130进行处理。并且，对于有害物浓度交底的场合，可以暂不开启光触媒区130，当吸附组件121处吸附有足够的有害物后，再集中脱附并排入光触媒区130进行处理。
[0040]
吸附组件121包括蜂窝状沸石和/或粒状沸石，蜂窝状沸石也叫蜂窝状沸石分子筛，其内部具有多个孔径大小均匀的孔穴，能够吸附有机废气分子。考虑到使用场合不同、废气中有害物浓度不同，本实用新型可以使用蜂窝状沸石成型体，也可以使用条状、粒状散装沸石；有害物浓度较低的场合，还可以使用粒块状天然沸石，以降低使用成本。
[0041]
如图3和图6所示，光触媒区130内设置有至少一个光触媒组件131和至少一个照明组件132，光触媒组件131和照明组件132沿第一方向交替设置，此处所说交替设置，与前述吸附组件121和加热组件122的交替设置类似，于此不再赘述。光触媒组件131包括基体，基体由透明材质制成，基体为蜂窝板状结构，利用透明材质制成蜂窝状的基体，基体采用透明pc材质，比玻璃质轻抗碰撞、成本低，特别是可以制成密集的蜂窝通道，使之有很大的比表面，可以表露更大的光触媒接触面；涂覆光触媒后，仍可保持一定的透明或半透明状态，使得一部分长波紫外线或普通光线能够透入到蜂窝深处，使得光触媒效应尽可能发挥，并且蜂窝状结构具有较大的比表面积。
[0042]
基体表面涂布有光触媒涂层，照明组件132用以辐照光触媒组件131以产生光催化效应。
[0043]
如图3和图5所示，吸附脱附区120和光触媒区130之间设置有补风冷却组件150，补风冷却组件150用以降低自吸附脱附区120流向光触媒区130的气体温度。考虑到光触媒基体的耐温度耐受性要求(通常情况下＜100℃)，前端过来的高温脱附气体(150～200℃)需要冷区后再进入光触媒区130，本实用新型补充冷风的方式冷却；另外，光触媒催化分解、氧
化需要提供氧及水分子，补充冷风可以满足该要求。
[0044]
在其中一个实施例当中，设置三根冷风管分别对应光触媒区130上、中、下部位，冷风管的喷射风孔背对吸附组件121、呈单面扇形朝向光触媒。光触媒区130设置温度传感器，根据温度反馈值自动调节冷风的鼓风量。考虑到较高的温度有利于光触媒对有机废气的分解、氧化，混风后的温度设置在70℃～ 90℃。
[0045]
在其中一个实施例中，光触媒涂层材质包括tio2、zno、zro2、wo3、ceo2、 fe2o3其中的一种或任意几种的组合。光触媒材料属于光感半导体材质，多为金属氧化物稀土材料，目前已知的有tio2、zno、cds、zro2、wo3、ceo2、fe2o3、 pbs、sno2、zns、srtio3、sio2等；还发现一些贵金属如au、ag、pt、pd、ru、 ir等也具有光催化性能；另外，金属氧化物光触媒材料的元素掺杂能够显著提高光触媒的性能。影响光触媒材料的主要因素是光触媒的活性，即光触媒的光激发能力大小，光触媒材料本身晶体形状及晶粒尺寸的大小、比表面积、掺杂性等因素决定着光触媒光激发禁带宽度的大小及量子产率，特别是通过减小光触媒颗粒尺寸、增加比表面积、提高表面能，可有效增加光触媒的量子产率，从而提高光触媒的活性。
[0046]
从光触媒材料的性能、使用成本及目前国内开发生产状况方面综合考虑，本实用新型以tio2、zno、zro2、wo3、ceo2、fe2o3这几种作为光触媒材质，其中主要使用纳米级锐钛矿型tio2。考虑到光触媒材料的涂覆使用方便性，以tio2 液体状纳米溶胶作为主要材质。为了使得光触媒材料能在较宽的光波长范围内发挥作用，比如较暗的光或微光，可以使用几种光触媒材料的组合或光触媒材料的辅助添加，比如tio2+ceo2等。接触、hold能使光触媒将有机废气分子“撕裂”氧化，因此光触媒配料中添加具有吸引和hold作用的材质是不错的方法，本实用新型中充分考虑这一点，从添加剂和特殊结合剂两方面进行改良，使得光触媒不仅有能力、而且能够将有机废气分子处理掉。
[0047]
在其中一个实施例中，一个光触媒组件131中包括至少一个基体，同一个光触媒组件131中的基体数量可调。基体采取多单元设计，一个光触媒组件131 当中包含有多个基体，形成一种类似于蜂箱的结构，基体相当于蜂箱当中的巢板，能够不方便的安装和更换。根据光照距离和辐射强度配置基体，每层基体上的光触媒涂层均能处理有机废气，多层叠加能够提高废气处理的效果，达到处理干净的目的。
[0048]
在其中一个实施例中，照明组件132包括紫外灯，照明组件132的波长范围为365nm-254nm。设计光触媒照射光源的频率选择基于光触媒材料的光激发禁带宽度，以匹配为前提，并非以高能短波长紫外线为好，合适匹配的光线频率与波长更能发挥光触媒材料的性能。对于材料来源及品质能够保证且成本可接受的几种光触媒半导体材料：fe2o3、wo3、ceo2、tio2、zro2来说，其电子由价带激发至导带的禁带宽度分别为：2.2ev、2.7ev、2.94ev、3.2ev、5.0ev，能达到光子激发电子穿越半导体禁带的光波真空频率分别为：532thz、653thz、 712thz、775thz、1208thz，折算光波真空波长分别为：563nm、459nm、421nm、 387nm、248nm。
[0049]
以成本较低、来源容易的锐钛矿型纳米tio2光触媒材料为例，本实用新型采用的光源波长范围为365nm～254nm，可以选择紫外灯源有uva365、uva351、 uva340、uvb313、uvb294、uvc254。由于不同波长的紫外线穿透能力不同，以 uva365穿透能力最好(可穿透玻璃等透明物)，波长越短穿透能力越差，uvc254 基本不能穿透玻璃，但254nm紫外线杀菌能力较好，因此，综合考虑各种影响因素，本实用新型采用uva365+增强型uva340+uvb294组合
式紫外线光源，光源的紫外线强度取：90～150μw/cm2，在光触媒单元块表面的辐照度取2～5mw/cm 2
。
[0050]
在其中一个实施例中，加热组件122以红外辐射方式进行加热。利用沸石传热、耐热好的特点，采用红外直接加热的方式，最高加热温度设计在150～ 200℃，基本满足常见有害气体的脱附温度。脱附加热采取分组、渐次增加的方式，让有害气体分子从沸石中有序脱附，使得后续光触媒处理充分。另外，不同于热风式脱附加热方式，本实用新型采用红外加热类似于“干蒸”，进气端阀门关闭状态下微负压状态加热抽气，不仅比热风加热节能，脱附和再生效果好。
[0051]
在其中一个实施例中，箱体100沿第一方向设置有多个通道，多个通道互相独立，每个通道内均设置有吸附组件121、加热组件122、补风冷却组件150、光触媒组件131和照明组件132。
[0052]
在其中一个实施例中，多个通道内的吸附组件121、加热组件122、补风冷却组件150、光触媒组件131和照明组件132可独立开启或关闭。
[0053]
设置多个通道，每个通道内的多个组件均可独立完成有机废气的处理。对于间歇性工作的场合，可以仅设置一个通道，或者多个通道内的组件同时工作，利用工作间歇对吸附组件121进行脱附处理，使得光触媒组件131能够持续工作，并且有机废气进入光触媒区130时浓度不会过高。对于持续性工作的场合，需要设置至少两个通道，多个通道之间以并联方式连接，同一时间内保持部分通道内的组件正常进行吸附和光触媒处理，其余组件进行脱附和光触媒处理，多个通道交替使用。
[0054]
在其中一个实施例中，箱体100外表面上设置有开窗，开窗上设置有盖板，通过开窗能够方便内部组件的检修和更换。
[0055]
在其中一个实施例中，蜂窝状沸石孔径为0.3nm-1.1nmm。
[0056]
基于上述实施方式，本实用新型至少具备以下优点：
[0057]
(1)常见的光氧化处理设备大都是配备活性炭吸收剂，而本设计配备的是沸石吸收剂，比活性炭吸收剂有更大的吸附量。
[0058]
(2)常见的光氧化处理设备没有配置活性炭脱附，达到吸附限度的活性炭需要取出后到专用的部门进行脱附再生处理；本设计机器本身配备有吸附剂脱附再生装置，不必取出专门处理，只需按程序自动进行处理，方便且处理成本低。
[0059]
(3)蜂窝状的透明基体，能够使得光触媒的表露面积较大，使得有机废气当中的有害物充分与光触媒接触，提高了光触媒氧化分解的效果。
[0060]
(4)常见的吸附脱附催化燃烧处理设备，由于价格昂贵，适合于集中收集的较高浓度废气，其处理的废气浓度一般要求在100mg/m3以上才比较划算。而本实用新型能够进行工厂车间或公共场所被污染的100mg/m3以下低浓度气体洁净处理。
[0061]
(5)常见的吸附脱附催化燃烧处理设备，都是采用热空气来进行吸收剂脱附，需要的热量大，耗能多；即使所谓的可以用催化燃烧的热能来节能，也很难实现，不仅引回的催化燃烧热气容易污染吸收剂，其催化燃烧热量也难以有稳定的量值。本设计采用红外线加热法对沸石吸收剂进行脱附处理，利用沸石优良的热传导性和红外线吸收能力，使得温度能传至微孔深处，脱附效果好。红外加热法相当于“干蒸”，不需要加热大量的空气，使得热量尽可能有效地用于加热沸石，起到节能目的。本设计脱附工艺采取渐进式加热法，能够使
得吸附剂吸收的有害气体均匀有序地脱附出来，对于后续的催化氧化更加科学。
[0062]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0063]
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。