CN114452815A - 一种光电催化去除空气中VOCs的反应*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电催化去除空气中VOCs的反应***，包括一个反应器主体、电化学工作站、控制器、气体检测单元和电解池，反应器主体的内部中心设有光源，反应器主体的内圆侧壁上设置有光催化反应单元，电化学工作站和电解池设置在反应器主体的下方，电化学工作站和电解池均通过电线与光催化反应单元连接；控制器和气体检测单元设置在反应器主体的一侧，气体检测单元的工作端位于反应器主体的内部，气体检测单元、光源均与控制器电连接。本发明构思巧妙，结构简单，气体净化成本低；通过电化学工作站提供外加恒定电位迫使电子定向移动，减少光催化剂中电子‑空穴对复合，从而提高光催化剂去除效率。
Description
技术领域
本发明涉及反应器技术领域，尤其涉及一种光电催化去除空气中VOCs的反应***。
背景技术
近年来，由于空气污染越来越严重，人们吸入大量的有害气体对人体将康造成重大威胁，尤其是空气中的一些挥发性有机化合物(Volatile organic compounds,VOCs)会引起白血病、呼吸道疾病、肺癌等严重疾病，因此对空气中VOCs的控制显得越来越重要。诸多已公布处理空气中污染物的装置采用的技术主要有吸附法、吸收法、冷凝法、燃烧法、生物法等。采用以上技术处理VOCs的装置普遍存在易二次污染、能耗高、效率低等问题。光催化技术具有无二次污染、能耗低、效率高的优点。因此，光催化技术被认为是一种具有极大应用潜力的去除空气中VOCs的新技术。
光催化技术主要是利用光催化剂在一定波长的光照条件下产生光生电子-空穴对，这种高能粒子对可以和空气中的水或者氧气发生反应形成活性物质(·O2-、·OH)从而降解空气中的污染物，同时，光生电子-空穴对也能直接和空气中污染物反应，将污染物分解为H2O和CO2。但是，光催化剂产生的电子空穴对在迁移过程中存在电子空穴对重组现象，这导致光催化剂的效率大幅度降低，极大地制约了光催化技术的广泛应用。为了提升光催化技术的去除空气中污染物的效率，通过在对光催化剂施加外加定向电场可以提高光生电子-空穴对的分离效率。因此，利用外加定向电场辅助光催化剂设计有效的光电催化反应装置可以提高光催化去除空气中污染物的效率。
尽管已公布多种基于光催化技术的空气处理装置，但这些装置中仍然具有一些缺陷。专利CN107983122A公布了一种一体式复合光催化等离子废气净化设备。该装置通过将光催化技术与低温等离子体技术耦合来净化空气中的污染物。待处理气体经过吸附处理、光催化处理、等离子体处理最终排到大气环境中。但是该装置也存在一些需要克服的问题：1、该装置虽然设置有光催化处理单元和等离子体处理单元，但是这两个单元实际上都是在独立工作，相当于是把两种技术叠加到一起，并且产生应有的耦合效果。2、该装置中等离子体发生单元所产生的紫外光并没有被加以利用，而是当做废弃物处理掉。3、该装置整体结构复杂，采用了多层过滤网，加大了风机的负荷，因而能效比不高。专利CN108636107A公布了等离子体和紫外光协同催化剂降解废气的装置和方法，该装置通过调节流速的方式使装置中的气体停留时间为5s，增加光催化剂和废气的接触时间，以达到高效降解废弃的效果，但是，固定的气体接触时间不能满足难降解气体较长的降解时间的要求，因此该装置具有适用范围较窄的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种光电催化去除空气中VOCs的反应***，解决现有装置结构复杂，存在废气处理效率低，能源利用效果不好的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种光电催化去除空气中VOCs的反应***，包括一个反应器主体、电化学工作站、控制器、气体检测单元和电解池，所述反应器主体的内部中心设有光源，所述反应器主体的内圆侧壁上设置有光催化反应单元，所述电化学工作站和电解池设置在所述反应器主体的下方，所述电化学工作站和电解池均通过电线与所述光催化反应单元连接；所述控制器和气体检测单元设置在所述反应器主体的一侧，所述气体检测单元的工作端位于所述反应器主体的内部，所述气体检测单元、所述光源均与所述控制器电连接。
进一步的，所述反应器主体通过一个中空壳体和两侧的密封盖组成，两个所述密封盖与所述中空壳体螺纹连接在一起，所述密封盖与所述中空壳体的贴合面上设置有密封垫。
进一步的，所述密封盖采用不透光、耐腐蚀的材料制作，所述密封垫采用硅胶耐腐蚀性的软质材料制作。
进一步的，左侧所述密封盖上设置有出气口，右侧所述密封盖上设置有进气口，所述进气口内设有过滤网，所述出气口内设有防止气体倒流的逆止阀。
进一步的，所述反应器主体的中空腔体内设置有混匀搅拌组件，所述混匀搅拌组件包括混匀风扇和风扇电机，所述混匀风扇安装在所述中空壳体内部，所述风扇电机设置在所述密封盖的外侧，所述风扇电机的驱动轴贯穿所述密封盖后与所述混匀风扇连接并驱动其旋转，所述风扇电机与所述控制器电连接。
进一步的，所述电解池中设置有对电极、参比电极和工作电极，所述对电极和参比电极连接到所述电化学工作站内，所述工作电极通过导线与所述光催化反应单元的一端相连，所述电化学工作站的阳极通过导线与光催化反应单元的另一端相连，所述电化学工作站产生的定向电流通过光催化反应单元时使得负载在碳材料表面的光催化剂的电子空穴分离。
进一步的，所述光催化反应单元通过多孔碳材料制作，光催化反应单元的形状为圆筒体碳骨架，所述圆筒体碳骨架的外侧壁贴合连接在所述中空壳体的内圆侧壁上，所述圆筒体碳骨架的内表面负载有光催化剂。
进一步的，所述控制器采用PLC控制器，PLC控制器的外部采用绝缘材料制作成电气控制箱，所述电气控制箱的内部设置有电源，所述电源与光源、风扇电机连通并提供能量，所述电气控制箱的表面设有调节混匀风扇转速用的旋钮以及调节所述光源光照强度的旋钮。
进一步的，所述气体检测单元采用在线式气体检测仪，所述线式气体检测仪在线检测气体种类及浓度。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本发明一种光电催化去除空气中VOCs的反应***，包括一个反应器主体、电化学工作站、控制器、气体检测单元和电解池；工作时，首先，打开控制器上的调节光源的旋钮，使反应腔体内部的光源稳定；打开控制器上混匀风扇的旋钮，使风扇电机启动，并带动与之相连的混匀风扇旋转，以此搅动反应器主体内部的气体；然后，通入待处理气体，进气口处的过滤网会将待处理气体中的细小颗粒拦截在反应腔体外，以降低微小颗粒对光催化剂的影响；其次，进入反应腔体内部的待处理气体会被光催化反应单元的碳材料吸附，并通过光催化剂对其进行光催化降解，最终被分解为H2O和CO2；再有，通过气体检测单元通过反应腔体内部气体的浓度，该浓度反馈给控制器，并通过控制器对污染气体在反应腔体内部的停留时间以及光源的光照强度、混匀风扇的转速进行调整；最后，经过处理后的气体经过逆止阀后由出气口被排放出至下一个设备。
本发明工作中通过电化学工作站提供外加恒定电位迫使电子定向移动，减少光催化剂中电子-空穴对复合，从而提高光催化剂去除效率，使光催化剂能高效去除空气中的有机污染气体。本发明构思巧妙，结构简单，气体净化成本低，去除效率高。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为本发明光电催化去除空气中VOCs的反应***示意图；
图2为本发明光电催化去除空气中VOCs的反应***内部构造侧视图；
图3为本发明局部剖开示意图；
附图标记说明：1、进气口；2、出气口；3、电化学工作站；4、光催化反应单元；5、控制器；6、气体检测单元；7、风扇电机；8、对电极；9、参比电极；10、工作电极；11、电解池；12、混匀风扇；13、光源；14、过滤网；15、逆止阀。
具体实施方式
如图1所示，一种光电催化去除空气中VOCs的反应***，包括一个反应器主体、电化学工作站3、控制器5、气体检测单元6和电解池11，所述反应器主体的内部中心设有光源13，所述反应器主体的内圆侧壁上设置有光催化反应单元4，所述电化学工作站3和电解池11设置在所述反应器主体的下方，所述电化学工作站3和电解池11均通过电线与所述光催化反应单元4连接；所述控制器5和气体检测单元6设置在所述反应器主体的一侧，所述气体检测单元6的工作端位于所述反应器主体的内部，所述气体检测单元6、所述光源13均与所述控制器5电连接。
所述反应器主体通过一个中空壳体和两侧的密封盖组成，两个所述密封盖与所述中空壳体螺纹连接在一起，具体的，中空壳体的两端外周面上设置有外螺纹，密封盖的连接端内周面上设置有内螺纹，内螺纹与外螺纹配合连接在一起，所述密封盖与所述中空壳体的贴合面上设置有密封垫，防止气体外泄。
所述密封盖采用不透光、耐腐蚀的材料制作，具体的可以选用聚四氟乙烯、酚醛层压纸板、不锈钢板材质；所述密封垫采用硅胶耐腐蚀性的软质材料制作。
左侧所述密封盖上设置有出气口2，右侧所述密封盖上设置有进气口1，所述进气口1内设有过滤网14，可以根据前处理设备的等级选择粗效、中效、高中效、亚高效、高效等级的过滤网；所述出气口2内设有防止气体倒流的逆止阀15，可以防止处理完毕的气体倒灌回反应器主体中。
所述反应器主体的中空腔体内设置有混匀搅拌组件，所述混匀搅拌组件包括混匀风扇12和风扇电机7，所述混匀风扇12安装在所述中空壳体内部，所述风扇电机7设置在所述密封盖的外侧，所述风扇电机7的驱动轴贯穿所述密封盖后与所述混匀风扇12连接并驱动其旋转，所述风扇电机7与所述控制器5电连接。通过控制器对风扇电机7进行调速可以使混匀风扇实现在不同转速下工作，进而对中空腔体内部空间的气体进行混合，减小中空腔体内部空间气体的不均匀性。具体的，混匀风扇的扇叶为ABS或AS材料，并在扇叶表面增加一层聚四氟乙烯涂层增加抗腐蚀能力；此外，风扇电机7的驱动轴通过轴承与密封盖连接，在轴承处通过涂抹黄油或凡士林等固体润滑剂进行密封，防止反应器主体内的气体外泄。
所述电解池11中设置有对电极8、参比电极9和工作电极10，所述对电极8和参比电极9连接到所述电化学工作站3内，具体的，所述参比电极9通过导线与电化学工作站3连接，对电极8通过导线与电化学工作站3的阴极连接，所述工作电极10通过导线与所述光催化反应单元4的一端相连，所述电化学工作站3的阳极通过导线与光催化反应单元4的另一端相连，所述电化学工作站产生的定向电流通过光催化反应单元4时使得负载在碳材料表面的光催化剂的电子空穴分离。具体的，参比电极9选用甘汞电极或者氯化银电极，对电极8和工作电极10选用惰性电极，电解池11内的电解质选用Na2SO4溶液。
所述光催化反应单元4通过多孔碳材料制作，光催化反应单元4的形状为圆筒体碳骨架，所述圆筒体碳骨架的外侧壁贴合连接在所述中空壳体的内圆侧壁上，所述圆筒体碳骨架的内表面负载有光催化剂，通过将光催化剂和碳材料结合可以提高光催化反应单元吸附-光催化的能力，实现高效分离光生电子和空穴，提高光催化效率。具体的，可以根据待处理气体的性质选用TiO2、g-C3N4、ZnO、CdS等单一光催化剂或者多组分的异质结光催化剂，根据选用的不同催化剂选择185nm～450nm的光源波长。
所述控制器5采用PLC控制器，PLC控制器的外部采用绝缘材料制作成电气控制箱，所述电气控制箱的内部设置有电源，所述电源与光源13、风扇电机7连通并提供能量，所述电气控制箱的表面设有调节混匀风扇12转速用的旋钮以及调节所述光源13光照强度的旋钮。工作时，通过对应的按钮可以对光源的光照强度进行调节。
所述气体检测单元6采用在线式气体检测仪，所述线式气体检测仪在线检测气体种类及浓度，具体的在线式气体检测仪通过密封管道连接至反应器主体内部。通过控制器可以根据预先设定的目标浓度，判断光源的光照强度以及混匀风扇的转速。
本发明的工作过程如下：
工作前，将该反应器安装到指定位置，通过管道将进气口1、出气口2与进气端设备和出气端设备连通，利用反应器主体的内腔中的光源13与光催化反应单元4的配合实现气体净化，反应器主体的内腔成为净化气体的反应腔体。
首先，打开控制器5上的调节光源的旋钮，使反应腔体内部的光源13稳定；打开控制器5上混匀风扇的旋钮，使风扇电机7启动，并带动与之相连的混匀风扇12旋转，以此搅动反应器主体内部的气体。
然后，通入待处理气体，进气口1设置的吸附用的过滤网14会将待处理气体中的细小颗粒拦截在反应腔体外，以降低微小颗粒对光催化剂的影响；
其次，进入反应腔体内部的待处理气体会被碳材料吸附，并通过光催化剂对其进行光催化降解，最终被分解为H2O和CO2。
再有，通过气体检测单元6对反应腔体内部污染气体的浓度来判断，将该浓度反馈给控制器，并通过控制器对污染气体在反应腔体内部的停留时间以及光源的光照强度、混匀风扇的转速进行调整。
最后，经过处理后的污染气体经过逆止阀15后由出气口2被排放出至下一个设备。
本发明通过电化学工作站3提供外加恒定电位迫使电子定向移动，减少光催化剂中电子-空穴对复合，从而提高光催化剂去除效率，使光催化剂能高效去除空气中的有机污染气体。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种光电催化去除空气中VOCs的反应***，其特征在于：包括一个反应器主体、电化学工作站(3)、控制器(5)、气体检测单元(6)和电解池(11)，所述反应器主体的内部中心设有光源(13)，所述反应器主体的内圆侧壁上设置有光催化反应单元(4)，所述电化学工作站(3)和电解池(11)设置在所述反应器主体的下方，所述电化学工作站(3)和电解池(11)均通过电线与所述光催化反应单元(4)连接；所述控制器(5)和气体检测单元(6)设置在所述反应器主体的一侧，所述气体检测单元(6)的工作端位于所述反应器主体的内部，所述气体检测单元(6)、所述光源(13)均与所述控制器(5)电连接。
2.根据权利要求1所述的光电催化去除空气中VOCs的反应***，其特征在于：所述反应器主体通过一个中空壳体和两侧的密封盖组成，两个所述密封盖与所述中空壳体螺纹连接在一起，所述密封盖与所述中空壳体的贴合面上设置有密封垫。
3.根据权利要求2所述的光电催化去除空气中VOCs的反应***，其特征在于：所述密封盖采用不透光、耐腐蚀的材料制作，所述密封垫采用硅胶耐腐蚀性的软质材料制作。
4.根据权利要求2所述的光电催化去除空气中VOCs的反应***，其特征在于：左侧所述密封盖上设置有出气口(2)，右侧所述密封盖上设置有进气口(1)，所述进气口(1)内设有过滤网(14)，所述出气口(2)内设有防止气体倒流的逆止阀(15)。
5.根据权利要求2所述的光电催化去除空气中VOCs的反应***，其特征在于：所述反应器主体的中空腔体内设置有混匀搅拌组件，所述混匀搅拌组件包括混匀风扇(12)和风扇电机(7)，所述混匀风扇(12)安装在所述中空壳体内部，所述风扇电机(7)设置在所述密封盖的外侧，所述风扇电机(7)的驱动轴贯穿所述密封盖后与所述混匀风扇(12)连接并驱动其旋转，所述风扇电机(7)与所述控制器(5)电连接。
6.根据权利要求2所述的光电催化去除空气中VOCs的反应***，其特征在于：所述电解池(11)中设置有对电极(8)、参比电极(9)和工作电极(10)，所述对电极(8)和参比电极(9)连接到所述电化学工作站(3)内，所述工作电极(10)通过导线与所述光催化反应单元(4)的一端相连，所述电化学工作站(3)的阳极通过导线与光催化反应单元(4)的另一端相连，所述电化学工作站产生的定向电流通过光催化反应单元(4)时使得负载在碳材料表面的光催化剂的电子空穴分离。
7.根据权利要求6所述的光电催化去除空气中VOCs的反应***，其特征在于：所述光催化反应单元(4)通过多孔碳材料制作，光催化反应单元(4)的形状为圆筒体碳骨架，所述圆筒体碳骨架的外侧壁贴合连接在所述中空壳体的内圆侧壁上，所述圆筒体碳骨架的内表面负载有光催化剂。
8.根据权利要求5所述的光电催化去除空气中VOCs的反应***，其特征在于：所述控制器(5)采用PLC控制器，PLC控制器的外部采用绝缘材料制作成电气控制箱，所述电气控制箱的内部设置有电源，所述电源与光源(13)、风扇电机(7)连通并提供能量，所述电气控制箱的表面设有调节混匀风扇(12)转速用的旋钮以及调节所述光源(13)光照强度的旋钮。
9.根据权利要求1所述的光电催化去除空气中VOCs的反应***，其特征在于：所述气体检测单元(6)采用在线式气体检测仪，所述线式气体检测仪在线检测气体种类及浓度。
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