CN1805780A - 包括催化剂和光源的空气净化*** - Google Patents

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Abstract

一种氧化锰/二氧化钛光催化/热敏催化涂层，同时氧化吸附在该涂层表面上的挥发性有机化合物和分解臭氧，生成水、二氧化碳和其它物质。氧化锰是纳米级的，当氧化锰/二氧化钛涂层吸收紫外光的光子时，产生活性羟基。当污染物被吸附到氧化锰/二氧化钛涂层上时，活性羟基氧化污染物，生成水、二氧化碳和其它物质。氧化锰降低了臭氧分解所需要的能垒，将臭氧分解成氧分子。因而，氧化锰/二氧化钛涂层也能同时将臭氧分解成氧。

Description

包括催化剂和光源的空气净化***
发明背景
本发明总体上涉及一种氧化锰/二氧化钛光催化剂/热敏催化剂涂层，所述催化剂涂层用于氧化气体污染物，包括挥发性有机化合物，并且将表面上吸附的臭氧分解，生成二氧化碳、水和其它物质。
室内空气可能含有微量的污染物，包括臭氧和挥发性有机化合物，例如甲醛、甲苯、丙醛、丁烯和乙醛。吸收性空气过滤器，例如活性碳，已经应用于从空气除去这些污染物。当空气通过过滤器时，过滤器阻止污染物的通过，而只允许不含污染物的空气通过。正在应用中的过滤器的缺点是它们只是简单的阻止污染物的通过而不消除污染物。另外，空气过滤器并不能有效阻挡臭氧。
在空气净化装置中，二氧化钛已经被用作光催化剂来消除污染物。当二氧化钛受紫外光照晒时，光子被二氧化钛吸收，激发电子从价带跃迁到导带，因此在价带产生一个空穴而导带上增加了一个电子，被激发的电子与氧反应，保留在价带上的空穴与水反应，形成活性羟基。当污染物吸附在二氧化钛催化剂上时，羟基侵袭污染物并将其氧化成水、二氧化碳和其它物质。
在光催化条件下，单独的二氧化钛对分解臭氧来说效果较小。臭氧(O3)是一种污染物，它从工作间里中常见的设备例如复印机、打印机、扫描仪等中释放出来。臭氧能够导致恶心和头痛，并且过长时间接触臭氧环境能够破坏鼻黏膜，导致呼吸问题。OSHA已经设定了对臭氧的允许接触极限(PEL)为8小时0.08ppm。
臭氧是一种热力学不稳定分子，并且在直到250℃的温度均非常缓慢地分解。在环境温度下，氧化锰通过促使臭氧氧化成吸附在表面上的氧原子来非常有效地分解臭氧。这些被吸附的氧原子然后与臭氧结合形成吸附的过氧化物，该过氧化物作为氧分子脱附。
因此，需要光催化剂/热敏催化剂涂层来氧化气体污染物，并且将吸附在光催化剂表面上的臭氧分解形成氧气、二氧化碳、水和其它物质，其中污染性气体包括挥发性有机化合物。
发明简介
一种涂覆在基底上的氧化锰/二氧化钛光催化/热敏催化涂层，通过将吸附在该涂层上的任何污染物氧化成水、二氧化碳和其它物质来净化空气。
用通风机将空气引入空气净化***。空气流过蜂窝器(honeycomb)的开孔或通道。蜂窝器的表面涂覆有氧化锰/二氧化钛涂层。一个位于连续的蜂窝器之间的紫外光源，用于激活氧化锰/二氧化钛涂层。
当氧化锰/二氧化钛涂层吸收紫外光的光子时，形成了活性羟基。当污染物，例如挥发性有机化合物，被吸附在氧化锰/二氧化钛涂层上时，羟基侵袭污染物，从污染物中提取一个氢原子并且将挥发性有机化合物氧化成水、二氧化碳和其它物质。
室温下，氧化锰/二氧化钛涂层将臭氧分解成氧气的同时氧化有害的挥发性有机化合物。当臭氧被吸附在涂层上时，氧化锰降低了臭氧分解所需要的能垒，将臭氧分解成氧分子。另外，二氧化钛表面上的氧化锰颗粒减少了电子和空穴重新结合的几率，增加了涂层的光催化活性。氧化锰/二氧化钛涂层同时起到光催化剂和热敏催化剂的作用。
本发明的这些和其它特征将从以下详述和附图中得到更好的理解。
附图简述
通过下面对优选实施例的详细说明，本发明的各种特征和优点对本领域技术人员来说变得明显。与详细说明一起的附图可以作如下简要表述：
图1图示了一个封闭环境，例如房屋、交通工具或其它结构，包括一个内部空间和一个HVAC***。
图2图示了本发明的空气净化***。
图3图示了空气净化***的蜂窝器，和
图4图示了一种制备本发明的氧化锰/二氧化钛光催化剂/热敏催化剂的方法。
优选实施方式的详细描述
图1图示了包括一个内部空间12的房屋、交通工具或其它结构10，，例如房间、办公室或交通工具例如小汽车、火车、公交车或飞机的座舱。HVAC***14加热或冷却内部空间12。内部空间12内的空气通过通道16被吸入HVAC***14。HVAC***14改变通过通道16从内部空间12内引入的空气温度。如果HVAC***14在冷却模式下操作，空气被冷却。或者，如果HVAC***14在加热模式下操作，空气被加热。空气随后通过通道18返回到内部空间12，改变内部空间12内的空气温度。
图2图示了一个空气净化***20，其用于通过将污染物，例如挥发性有机化合物和半挥发性有机化合物，氧化成水、二氧化碳和其它物质，来净化房屋或交通工具10中的空气。污染物可能是醛、酮、醇、芳香族化合物、烯烃或烷烃。空气净化***20还将臭氧分解成氧气。空气净化***20能够在空气通过通道16被吸入到HVAC***14之前将其净化，也可以在空气离开HVAC***14之后、通过通道18被吸入到房屋或交通工具10的内部空间12之前将其净化。空气净化***20也可以是一个单独的单元而不与HVAC***14一起使用。
通风机34通过一个入口22将空气吸入空气净化***20。空气流过一个颗粒过滤器24，通过阻碍颗粒的流过，过滤除去灰尘或任何其它大颗粒。空气随后流过基底28，例如蜂窝器。在一个实施例中，蜂窝器28由铝或铝合金制成。图3图示了蜂窝器28的前视图，蜂窝器28具有多个六边形开孔或通道30，多个开孔30的表面涂覆有氧化锰/二氧化钛(MnOx/TiO2)光催化/热敏催化涂层40。当被紫外光激活时，涂层40氧化吸附在氧化锰/二氧化钛涂层40上的挥发性有机化合物。如下所述的，当空气流过蜂窝器28的开孔30时，被吸附在氧化锰/二氧化钛涂层40表面上的污染物被氧化成二氧化碳、水和其它物质。
位于连续的蜂窝器28之间的光源32激活在开孔30表面上的光催化涂层40。如图所示，蜂窝器28和光源32在空气净化***20中交替。也就是，在每两个蜂窝器28之间都有一个光源32。优选地，光源32是能够产生波长在180纳米到400纳米之间的光的紫外光源。
光源32照射激活蜂窝器28表面上的氧化锰/二氧化钛涂层40。当紫外光的光子被氧化锰/二氧化钛涂层40吸收时，激发电子从价带跃迁到导带，在价带产生一个空穴。氧化锰/二氧化钛涂层40必须在氧气和水存在时将污染物氧化成二氧化碳、水和其它物质。跃迁到导带的电子被氧气捕捉。价带上的空穴与氧化锰/二氧化钛涂层40上吸附的水分子反应形成活性羟基。
当涂层40上吸附污染物时，活性羟基侵袭污染物，从污染物中吸收一个氢原子。在这个方法中，羟基氧化污染物生成水、二氧化碳和其它物质。
在环境温度下，氧化锰分解臭氧十分有效。承载在二氧化钛上的氧化锰促使臭氧分解成吸附在表面上的氧原子。这些氧原子然后与臭氧结合，生成一种作为氧分子脱附的过氧化物。当臭氧吸附在氧化锰上时，通过降低臭氧分解所需要的能垒，氧化锰成为吸附游离的臭氧的位置(site)。因而，当仅有臭氧存在时，氧化锰将其转变成氧气。
另外，过氧化物活性很高，并且有助于将挥发性有机化合物氧化为二氧化碳和水。因此，氧化锰同样也能对氧化挥发性有机化合物很有效。在仅有挥发性有机化合物存在时，涂层40中的氧化锰产生二氧化碳、水和其它物质。
室温下，氧化锰/二氧化钛涂层40将臭氧分解成氧气的同时，将有害的挥发性有机化合物氧化成二氧化碳、水和其它物质。因此，氧化锰/二氧化钛光催化/热敏催化涂层同时作为光催化剂和热敏催化剂。
在二氧化钛表面上的高分散氧化锰颗粒降低了电子与空穴重新结合的机率，增加了涂层的光催化活性。优选地，氧化锰颗粒为纳米级。
优选地，具有双重功能的催化剂载体为二氧化钛。在一个实施例中，二氧化钛是Millennium二氧化钛、Degussa P-25、或等效的二氧化钛。然而，应当理解，也可以使用其它的光催化材料或二氧化钛与其它金属氧化物的组合物，只要它们是热催化功能的活性载体。例如，光催化材料可以是Fe2O3、ZnO、V2O5、SnO2或FeTiO3。另外，其它金属氧化物也可以与二氧化钛混合，例如Fe2O3、ZnO、V2O5、SnO2、CuO、MnOx、WO3、Co3O4、CeO2、ZrO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3或NiO。
氧化锰/二氧化钛也可以承载在金属氧化物上。在一个实施例中，金属氧化物可以是WO3、ZnO、Fe2O3、V2O5、SnO2、PbO、MgO、Co3O4、NiO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、Cr2O3或ZrO2。
通过蜂窝器28后，净化后的空气通过出口36排出空气净化器。空气净化***20的壁38优选铺衬反射材料42，反射材料42将紫外光反射到蜂窝器28的开孔30的表面上。
氧化锰/二氧化钛涂层的催化性能受制备方法的影响。氧化锰纳米颗粒可以通过沉积-沉淀法、共沉淀法、浸渍法或化学蒸汽沉淀法生成。通过使用这些方法，可以生成氧化锰纳米颗粒，提高了催化活性。
图4图示了一种制备本发明的氧化锰/二氧化钛光催化剂/热敏催化剂方法的流程图。将水逐滴加到二氧化钛粉末中以确定二氧化钛的孔中充满水或达到初始湿润(步骤44)，所用的水量然后用于溶解一种锰盐(硝酸锰或优选醋酸锰)，如步骤46所示。所需的锰盐的量由表面上锰的摩尔百分含量指标确定，通常为0.1-6mol％。
锰盐溶液然后逐滴加(步骤48)到二氧化钛上。生成的粉末然后在120口下干燥6个小时(步骤50)，粉末然后在500度下焙烧6个小时(步骤52)以除去醋酸盐和硝酸盐。在焙烧过程中，锰被氧化形成氧化锰。焙烧后，生成覆盖氧化锰纳米颗粒的二氧化钛粉末。
为了将氧化锰/二氧化钛双重功能催化剂涂覆到基底上，在干燥的氧化锰/二氧化钛光催化剂/热敏催化剂中加入水来形成悬浮液。通过喷雾、电泳或浸渍涂覆将悬浮液涂覆到蜂窝器28的表面上，形成氧化锰/二氧化钛涂层40。涂覆完悬浮液后，干燥悬浮液，在蜂窝器28上形成均一的氧化锰/二氧化钛涂层40。优选地，悬浮液具有1％重量的二氧化钛上的氧化锰。
尽管蜂窝器28已经被图示和说明，但应当理解氧化锰/二氧化钛涂层40可以用于任何结构上。典型的蜂窝器28中的空间形状为六边形，但是可以理解其它的空间形状也适用。在光源存在下，结构上的氧化锰/二氧化钛涂层40吸附污染物时，污染物被氧化成水、二氧化碳和其它物质。
前面的描述仅仅是本发明原理的示范。根据以上启发，本发明的多种修改和变化也是可能的。本发明的优选实施方案已经公开，然而，本领域普通技术人员应该认识到一定的修改也在本发明的范围内。因而，可以理解在附加的权利要求范围内，本发明可以以不同于具体描述的方式实施。由于这个原因，下面的权利要求应当考虑为本发明真正的范围和内容。

Claims (17)

1、一种空气净化***，包括：
基底；
施加在所述基底上的氧化锰/二氧化钛涂层，并且所述氧化锰/二氧化钛涂层包括在二氧化钛上的氧化锰；和
用于激活所述氧化锰/二氧化钛涂层的光源，且当被所述光源激活时，所述氧化锰/二氧化钛涂层氧化吸附在所述氧化锰/二氧化钛涂层上的污染物。
2、权利要求1所述的空气净化***，其中所述氧化锰为纳米尺寸。
3、权利要求1所述的空气净化***，其中所述光源为紫外光源。
4、权利要求1所述的空气净化***，其中所述光源的光子被所述氧化锰/二氧化钛涂层吸收，形成活性羟基，在氧和水存在下，该活性羟基将污染物氧化成二氧化碳和水。
5、权利要求1所述的空气净化***，其中所述污染物是挥发性有机化合物和半挥发性有机化合物的中一种，包括醛、酮、醇、芳族化合物、烯烃和烷烃中的至少一种。
6、权利要求1所述的空气净化***，其中所述氧化锰/二氧化钛涂层分解臭氧。
7、权利要求6所述的空气净化***，其中所述氧化锰降低了所述臭氧分解的能垒，将所述臭氧分解成氧分子。
8、权利要求6所述的空气净化***，其中所述氧化锰促使所述臭氧分解成被吸附的氧原子和被吸附的过氧化物，并且所述被吸附的氧原子和所述被吸附的过氧化物将挥发性有机化合物氧化成二氧化碳、水和其它物质。
9、权利要求1所述的空气净化***，还包括在所述二氧化钛表面上的金属氧化物。
10、权利要求9所述的空气净化***，其中所述金属氧化物为WO3、ZnO、Fe2O3、V2O5、SnO2、PbO、MgO、Co3O4、NiO、CeO2、CuO、SiO2、AlO3、Cr2O3和ZrO2中的至少一种。
11、权利要求1所述的空气净化***，还包括与所述二氧化钛混合的金属氧化物。
12、权利要求11所述的空气净化***，其中所述金属氧化物至少是WO3、ZnO、CdS、SrTiO3、FeO3、V2O5、SnO2、FeTiO3、PbO、MgO3、Co3O4、NiO、CeO2、CuO、SiO2、Al2O3、Cr2O3和ZrO2中的一种。
13、权利要求1所述的空气净化***，其中所述基底是被固体壁分开的空间阵列。
14、权利要求1所述的空气净化***，还包括外壳，空气净化***位于所述外壳中，且所述外壳的壁铺衬反射材料。
15、权利要求1所述的空气净化***，其中空气净化***处在室温下。
16、一种空气净化***，包括：
具有入口和出口的容器；
在所述容器内的多孔基底；
通过所述入口将流体引入所述容器内，使所述流体流过所述多孔基底，并且驱使所述流体从所述出口流出的装置；
施加在所述基底上的氧化锰/二氧化钛催化涂层，所述氧化锰/二氧化钛涂层包括在二氧化钛上的氧化锰，所述氧化锰降低了臭氧分解成氧的能垒；和
用于激活所述催化涂层的紫外光源，当被所述紫外光源激活时，所述紫外光源的光子被所述氧化锰/二氧化钛催化涂层吸收，形成活性羟基，在水和氧存在下，所述活性羟基将吸附在所述氧化锰/二氧化钛催化涂层上的所述流体中的污染物氧化成二氧化碳和水。
17、一种净化空气的方法，包括下列步骤：
使氧化锰/二氧化钛催化涂层涂覆在基底上，所述氧化锰/二氧化钛涂层包括在二氧化钛上的氧化锰；
激活所述氧化锰/二氧化钛催化涂层；
形成活性羟基；
将污染物吸附在所述氧化锰/二氧化钛催化涂层上；
用所述羟基氧化所述污染物；
用所述氧化锰/二氧化钛催化涂层中的氧化锰降低臭氧分解时的能垒；和然后将所述臭氧分解成氧。
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