CN202558672U

CN202558672U - 一种可见光去除有机物和重金属离子的光源装置

Info

Publication number: CN202558672U
Application number: CN2012201701024U
Authority: CN
Inventors: 孙卓; 潘丽坤; 刘心娟; 吕甜
Original assignee: SUZHOU JINGNENG TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU JINGNENG TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2022-04-20

Abstract

本实用新型提供一种可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，所述光源装置采用可见光LED作为光源，所述可见光LED为色温为7000-10000K的高色温可见光LED、色温为5000-7000K中色温可见光LED、色温为3000-5000K的低色温可见光LED光源中的一种或数种。本实用新型具有较高的有机物和重金属离子去除率，既可用于水中污染物的处理，也可用于空气中污染物的降解，同时还可用于通用照明。与现有技术相比，具有光催化降解率高、无污染、寿命长、制备方法简单、成本低等优点，有利于光催化的规模化应用和普及化。

Description

一种可见光去除有机物和重金属离子的光源装置

技术领域

本实用新型涉及水处理和空气净化领域，具体涉及一种去除有机物和重金属离子的光源装置。

背景技术

随着社会经济的高速发展和城市化的加速进行，污水的处理再利用和空气中有害物质的去除等问题，已经引起各国政府和人们的高度重视。在环境有害气体方面，室内有害气体如装饰材料等释放出的甲醛以及生活环境中产生的甲硫醇等挥发性有机物，即使很少量也能人产生不适感，并严重影响人的身体健康。另外，水体中残留的重金属离子是一种在工业炼钢、冶金、采矿和电镀等过程中常常排放的污染物。人体过量地摄入重金属离子可能会导致严重的粘膜发炎、肝脏、肾脏损害、毛细血管损害以及产生中枢神经问题。由于重金属元素不能被生物降解，一旦进入水体和土壤，就很难消除。传统上一般采用催化燃烧法、化学氧化法、生物降解法等去除有机污染物及采用混凝法、中和法、电解法、萃取法、吸附法、化学还原法、沉淀法、电化学法、离子交换法、膜分离法、洗脱法及电渗析法等去除重金属离子。但这些方法都有一定的局限性，比如需加入还原物质、处理条件苟刻、处理效果不明显、设备昂贵并且运行费用高、去除不完全、有二次污染难以清理等缺陷。因此，找到能有效去除水和空气中有机污染物和重金属离子的方法已是迫在眉睫的急切任务。

半导体光催化技术作为一种新型的环境治理技术，在产氢、水处理、各种有机物降解和空气净化等领域展示了广阔的应用前景。该技术具有以下优点：在光照下可以直接发生反应，能有效地破坏许多结构稳定的生物难降解有机污染物，使它们降解为二氧化碳和水等；氧化能力强，降解彻底，对污染物没有选择性，几乎可以降解任何有机物，且无二次污染；能耗低，操作简便，催化剂可以重复利用等。因此，半导体光催化技术在近三十年蓬勃发展起来并有望成为21世纪环境污染控制与治理的理想技术，并越来越引起研究者的重视。

LED光源作为一种新型的光源，具有长寿命、节能、环保、微型化，且波长易调等优点，为光催化技术在环境科学领域的实际应用带来了可能性。

专利文献1 （CN101456605）公开了一种LED纳米光催化有机废水深度处理装置，该处理装置包括至少一个紫外LED光源板和与之贴合的纳米光触媒材料，采用波长范围为360～420 nm的紫外光LED，消除了含汞气体光源所产生的深紫外成分对人体的伤害及汞灯爆裂的装置安全问题，具有节能、使用寿命长、光催化效率高及对人体无伤害成分的有益效果。

专利文献2 （CN201907987U）公开了一种LED光源激发纳米催化材料处理水的装置，该装置采用200～400 nm紫外波段的柱状LED集成灯光催化纳米复合催化材料处理水，克服了采用紫外灯管或高压汞灯作为激发光源所存在的结构复杂、激发效率不高、限制了催化剂对水处理的效能、能源浪费大和光源使用寿命短的缺点。

专利文献3 （CN201640592U）公开了一种LED光催化消毒帽，设有中空内层的帽体，所述中空内层的一侧面设有紫外LED阵列，另一侧面设有涂二氧化钛的反光层，所述LED阵列和反光层对应设置，对人们周边所呼吸的空气进行消毒、净化、灭菌，具有能耗低、消毒灭菌效果高、对人体无害等优点。

上述专利文献1和2，主要介绍了采用紫外LED纳米光催化处理水的装置，该装置结构相对固定复杂，仅适合于小规模水处理应用，难以灵活调整应用。另外，专利文献1-3都采用的是紫外LED灯，具有成本高昂、使用不方便、对人体有害等缺点。与白光LED相比，紫外LED光源的发光效率较低，导致紫外光辐照的效率低。

现在也出现了以太阳光催化降解处理污染物的研究，并取得了很大的成果，但太阳光催化技术普遍还处在中试阶段，距离大规模工业化生产还有一定时日。并且，目前以太阳光为催化光源的处理装置普遍存在以下缺陷：1）目前的装置只能采用粉体光催化剂；2）受反应容器的限制，只能用于小型的水处理；3）装置比较复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种以可见光LED为催化光源的去除有机物和重金属离子的光源装置，具有光催化降解率高、无污染、制备方法简单、成本低、有利于规模化运用等优点。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案是，一种可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，所述光源装置的光源为可见光LED光源。

优选的，所述可见光LED为色温为7000-10000K的高色温可见光LED、色温为5000-7000K中色温可见光LED、色温为3000-5000K的低色温可见光LED光源中的一种或数种。

优选的，所述光源辐射波长为400-700 nm可见连续波段。

优选的，所述LED光源采用单颗、多颗点光源或平面光源组成。

优选的，所述可见光LED光源为白光LED光源。

优选的，所述LED光源不设外罩时，其LED芯片上设有一层催化剂膜层；所述LED光源设有外罩时，其LED光源的外罩上设有一层催化剂膜层。

优选的，所述催化剂膜层的材质为μmCdS、CdSe、TiO₂-CdS、TiO₂-CdSe、ZnO-CdS、ZnO-CdSe、N-TiO₂、Bi₂O₃、BiOI、BiVO₄、BiWO₄、Bi₂MoO₆、InVO₄、InNbO₄、Ag₃PO₄、AgCl、AgBr、AgI、MoO₃、MoS₂、WO₃、Cu₂O、In₂O₃中的一种或多种的组合。

优选的，所述光催化剂膜层厚度为0.1～20μm。

本实用新型还提供该去除有机物和重金属离子的光源装置的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

第一步，采用微波反应合成法、水浴化学反应法、喷雾热解法、静电纺丝法、超声反应合成法或溶胶凝胶法制备所述光源装置的光催化剂；

第二步，将上述光催化剂以丝网印刷、旋涂、喷涂、化学浴沉积或提拉法均匀地涂覆在LED光源外罩上形成薄膜，再在一定条件下进行加热处理，在LED光源外罩上形成一定厚度的催化剂膜层。

优选的，所述LED光源外罩采用透明的玻璃或有机聚合物，包括聚碳酸酯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯。

优选的，所述涂覆在LED光源外罩上的光催化剂在压力小于100Pa的真空条件下或在惰性气体的保护下进行热处理。

优选的，所述涂覆在LED光源外罩上的光催化剂的热处理温度在120^oC~500^oC之间，时间为1小时。

优选的，所述可见光催化剂在LED光源外罩上形成的催化剂膜层厚度为0.1～20μm。

本实用新型可分解与外罩表面接触的有机物分子或重金属离子，起到净化水和空气的作用，同时也可用于通用照明。

本实用新型所去除的有机物包括：染料废水(亚甲基蓝、甲基橙、罗丹明B、罗丹-6G、丽春红、水杨酸、酸性红G、溶剂红1、酸性橙7、分散深蓝)；农药废水(除草剂、2, 4, 5-三氯苯酚、敌敌畏、敌百虫、有机磷农药)；有机卤代物；其他有机物如甲苯、苯酚、甲醛、多环芳烃等；污染物浓度范围为0.1 ppm～20 ppm。

本实用新型所去除的重金属离子包括：Cr(VI)、Cu(II)、Cd(II)、Ag(II)、Hg(II)、Pb(II)、Mn(II)、Ni(II)、Fe(III)、Fe(II)等，其浓度范围为0.1 ppm～20 ppm。

本实用新型的有益效果是，本实用新型的LED光源具有较高的有机物和重金属离子去除率，既可用于水中污染物的处理，也可用于空气中污染物的降解，同时还可用于通用照明。与现有技术相比，具有光催化降解率高、无污染、寿命长、制备方法简单、成本低等优点，有利于光催化的规模化应用和普及化。

附图说明

图1为本实用新型的LED光源的示意图。

图2为本实用新型实施例1的光催化效率图。

图3为本实用新型实施例2的光催化效率图。

图4为本实用新型实施例3的光催化效率图。

图5为本实用新型实施例4的光催化效率图。

图6为本实用新型实施例5的光催化效率图。

图7为本实用新型实施例6的光催化效率图。

图中数字代表的部件名称为：

1、LED光源基板 2、LED芯片 3、LED光源外罩 4、催化剂膜层。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附后权利要求书限定的范围。

实施例1,

一种可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，采用LED球泡形式。光源采用辐射波长为400-700 nm可见连续波段，色温为：高色温7000-10000 K，中色温5000-7000 K，低色温3000-5000 K的白光LED光源各一种。该光源的结构示意图如图1所示，LED芯片2设置于LED光源基板1上，LED光源外罩3罩设于LED芯片2上，该LED光源外罩3外面涂覆有催化剂膜层4，该LED光源外罩3可以是球面的，矩形的或其他曲面或多面体。

LED光源外罩3采用聚乙烯，然后在聚乙烯外罩上用提拉法制备TiO₂-CdS光催化剂薄膜。

其制备包括以下步骤：

1）光催化剂的制备

将10 ml 0.1 mol/l的硫脲溶液滴加在 10 ml 0.1 mol/l Cd(NO₃)₂溶液中，在室温下搅拌半小时，然后将一定量的TiO₂(P25) （TiO₂与CdS的质量比为：0.01:1；0.03:1；0.09:1；0.12:1）放入35 ml的微波管里，在室温下搅拌1小时，然后放入微波反应合成仪里，在温度150 ^oC和功率100 W条件下，反应10分钟后得到TiO₂-CdS光催化剂。

2） LED光源外罩的涂装

将上述光催化剂均匀分散在乙醇溶液里，配成浓度为5 mg/ml的溶液。然后用提拉法在聚乙烯外罩上形成一层光催化剂薄膜，其提拉速度为30 mm/s。最后在压力小于100 Pa的真空条件下，温度为125^oC时干燥1小时。TiO₂与CdS质量比为0.01:1, 0.03:1, 0.09:1和0.12:1的TiO₂-CdS光催化剂分别被命名为：Film-1, Film-2, Film-3和Film-4。

3）光催化实验

将制备好的LED光源放入浓度为10 ppm的Cr(VI)溶液中，在磁力搅拌条件下，暗反应30分钟后，打开LED光源，进行光催化反应。每隔一段时间取一定量的Cr(VI)溶液，用紫外-可见分光光度计进行测试。

对不同LED光源照射下，光催化去除Cr(VI)离子的效率进行测试得到：

1) 如图2(a)，显示了不同质量比的TiO_2－CdS光催化剂去除污染物的不同效果（图中横坐标表示照射时间，纵坐标表示Cr(VI)溶液归一化的浓度），在色温为6000 K的白光LED光源照射下，当TiO₂占CdS质量比为9%时，Cr(VI)离子的最高去除率为96%；

2) 如图2(b)，显示了不同色温的白光LED光源照射下去除污染物的不同效果，TiO_2－CdS质量比固定为9%，当光源色温为6000 K时，Cr(VI)离子的去除率最高，为96%。

本实施例中，如果LED光源不设外罩，则直接在LED芯片上涂覆催化剂膜层2。

实施例2,

一种可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，采用LED球泡形式。光源采用辐射波长为400-700 nm可见连续波段，色温为6000 K的白光LED光源。

光源的外罩采用聚乙烯，然后在聚乙烯外罩上用提拉法制备Bi₂O₃光催化剂薄膜。

其制备包括以下步骤：

1）光催化剂的制备

将1M的Na(OH)₂溶液慢慢滴加在20 ml 0.05 mol/l的硝酸铋溶液中，使得溶液的pH=9，然后将溶液放入35 ml的微波管里，在室温下搅拌1小时，然后放入微波反应合成仪里，在温度150 ^oC和功率100 W条件下，反应10分钟后得到Bi₂O₃光催化剂。

2） LED光源外罩的涂装

将上述光催化剂均匀分散在乙醇溶液里，配成浓度为5 mg/ml的溶液。然后用提拉法在聚甲基丙烯酸甲酯外罩上形成一层光催化剂薄膜，其提拉速度为30 mm/s。最后在压力小于100 Pa的真空条件下，温度为125^oC时干燥1小时。

3）光催化实验

将制备好的LED光源放入浓度为10 ppm的Cu(II)溶液中，在磁力搅拌条件下，暗反应30分钟后，打开LED光源，进行光催化反应。每隔一段时间取一定量的Cu(II)溶液，用原子吸收分光光度计进行测试。

如图3，（图中横坐标表示照射时间，纵坐标表示Cu(II)溶液归一化的浓度），在色温为6000 K的白光LED光源照射下，Cu(II)离子的最高去除率为91%。

实施例3，

一种可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，采用LED光源管形式, 辐射波长为400-700 nm可见连续波段，色温为6000 K。

1) 灯管采用玻璃管，在管外面涂N-TiO₂光催化剂。将LED光源安置于一端，另一端为反射器，密封后，用于溶液中有机物的分解；

2) 灯管采用玻璃管，在管外面涂N-TiO₂光催化剂。LED光源在一侧（与现有照明光源灯管结构相同），可用于空气净化，也可以用于通用照明。

其制备包括以下步骤：

1）光催化剂的制备

取4 ml 钛酸丁酯逐滴滴加在10 ml无水乙醇溶液中形成A溶液，一定量的尿素分散在（N与TiO₂的质量比为：0.05:1；0.1:1；0.2:1；0.3:1）2 ml 蒸馏水、5 ml 冰醋酸和7 ml 无水乙醇的混合溶液中形成B溶液。然后B溶液逐滴滴加在A溶液中，常温下搅拌4小时，得到 N-TiO₂的溶胶。

2） LED光源外罩的涂装

将灯的外罩浸泡在N-TiO₂的溶胶中，用提拉法在灯的外罩上形成一层光催化剂薄膜，其提拉速度为30 mm/s。最后在空气气氛中进行加热处理，其热处理温度为500^oC、时间为1小时。N与TiO₂质量比为：0.05:1；0.1:1；0.2:1；0.3:1的N-TiO₂光催化剂分别被命名为：Film-1, Film-2, Film-3和Film-4。

3）光催化实验

将制备好的LED光源放入浓度为15 ppm的甲基橙溶液中，在磁力搅拌条件下，暗反应30分钟后，打开LED光源，进行光催化反应。每隔一段时间取一定量的甲基橙溶液，用紫外-可见分光光度计进行测试。

如图4，（图中横坐标表示照射时间，纵坐标表示甲基橙溶液归一化的浓度），在色温为6000 K的白光LED光源照射下，光催化降解甲基橙的效率进行测试得到：当N的掺杂比例为10%时，甲基橙的光催化降解率最高，为90%。

实施例4，

一种可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，采用LED光源阵列形式。光源辐射波长为400-700 nm可见连续波段，色温为8000 K。灯的外罩采用玻璃，表面涂覆BiVO₄光催化剂。

其制备包括以下步骤：

1）光催化剂的制备

将10 ml 0.05 mol/l的硝酸铋溶液滴加在 10 ml 0.05 mol/l 偏钒酸铵溶液中，放入35 ml的微波管里，在室温下搅拌1小时，然后放入微波反应合成仪里，在温度150^oC和功率100 W条件下，反应10分钟后得到BiVO₄光催化剂。

2） LED光源外罩的涂装

取2 g的BiVO₄放入研钵中，研磨30 min, 将松油醇和乙基纤维素（质量比：1: 0.1）逐滴加入到研钵中，研磨3小时，制备成BiVO₄浆料。将BiVO₄浆料用丝网印刷的方法，均匀涂在灯的外罩上，然后在空气气氛中进行加热处理，其热处理温度为500^oC、时间为1小时，得到BiVO₄薄膜。

3）光催化实验

将制备好的LED光源放入浓度为15 ppm的2, 4, 5-三氯苯酚溶液中，在磁力搅拌条件下，暗反应30分钟后，打开LED光源，进行光催化反应。每隔一段时间取一定量的2, 4, 5-三氯苯酚溶液，用紫外-可见分光光度计进行测试。

如图5，（图中横坐标表示照射时间，纵坐标表示2, 4, 5-三氯苯酚溶液归一化的浓度），在色温为8000 K的白光LED光源照射下，光催化降解2, 4, 5-三氯苯酚溶液的效率达到95%。

实施例5，

一种可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，采用LED光源阵列形式。光源辐射波长为400-700 nm可见连续波段，色温为7000 K。灯的外罩采用玻璃，表面涂覆TiO₂-CdS光催化剂，采用阵列形式，特别是可用于大型水处理或空气净化领域。

其制备包括以下步骤：

1）光催化剂的制备

取2 g的TiO₂(P25)放入研钵中，研磨30 min, 将松油醇和乙基纤维素（质量比：1:0.1）逐滴加入到研钵中，研磨3小时，制备成TiO₂浆料。

2） LED光源外罩的涂装

将P25浆料用丝网印刷的方法，均匀涂在灯的外罩上，然后在空气气氛中进行加热处理，其热处理温度为500^oC、时间为1小时。最后用化学浴沉积的方法在P25表面沉积CdS. 具体步骤为：首先将P25薄膜浸泡在0.5 M的Cd(NO₃)₂乙醇溶液中，时间为5 min，用氮气吹干。然后将薄膜浸泡在0.5 M的Na₂S甲醇和水溶液(甲醇：水=1:1)中，时间为5 min，用氮气吹干。这两步实验过程是一个循环，P25薄膜在浸泡13个循环后，在压力小于100Pa的真空条件下，温度为125^oC时干燥1小时，得到TiO₂-CdS薄膜。

3）光催化实验

将制备好的LED光源放入浓度为10 ppm的甲醛容器中，在风扇转动的条件下，暗反应30分钟后，打开LED光源，进行光催化反应。每隔一段时间取一定量的甲醛，用甲醛检测仪进行测试。

如图6，（图中横坐标表示照射时间，纵坐标表示甲醛气体归一化的浓度），在色温为7000 K的白光LED光源照射下，光催化降解甲醛的效率达到94%。

实施例6,

一种可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，采用LED光源阵列形式。光源辐射波长为400-700 nm可见连续波段，色温为5000 K。灯的外罩采用聚甲基丙烯酸甲酯，表面涂覆Bi₂WO₆光催化剂，采用阵列形式，可全天候工作，可用于大型水处理或空气净化领域。白天有日光照或散射光照，可工作；同时采用太阳能电池将部分能量转化为电能并储存（如锂离子电池），晚上供电给LED光源并照射阵列而工作。

其制备包括以下步骤：

1）光催化剂的制备

将10 ml 0.05 mol/l的硝酸铋溶液滴加在 10 ml 0.025 mol/l 钨酸钠溶液中，放入35 ml的微波管里，在室温下搅拌1小时，然后放入微波反应合成仪里，在温度150 ^oC和功率100 W条件下，反应10分钟后得到Bi₂WO₆光催化剂。

2） LED光源外罩的涂装

3）光催化实验

将制备好的LED光源放入浓度为10 ppm的乙醛容器中，在风扇转动的条件下，暗反应30分钟后，打开LED光源，进行光催化反应。每隔一段时间取一定量的乙醛，用气相色谱仪进行测试。

如图7，（图中横坐标表示照射时间，纵坐标表示乙醛气体归一化的浓度），在色温为5000 K的白光LED光源照射下，光催化降解乙醛的效率达到93%。

上述实施例中，波长在400-700nm的可见光均可使用，比如黄色、蓝色、红色、绿色、粉色等LED光源或其几种的混色LED光源，但是均没有白色LED光源的效果好。

本实用新型的LED光源具有较高的有机物和重金属离子去除率，既可用于水中污染物的处理，也可用于空气中污染物的降解，同时还可用于通用照明。与现有技术相比，具有光催化降解率高、无污染、寿命长、制备方法简单、成本低等优点，有利于光催化的规模化应用和普及化。

以上为对本实用新型实施例的描述，通过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实用新型。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实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，其特征在于，所述光源装置的光源为可见光LED光源，所述可见光LED为色温为7000-10000K的高色温可见光LED、色温为5000-7000K中色温可见光LED、色温为3000-5000K的低色温可见光LED光源中的一种或数种。

2.如权利要求1所述的可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，其特征在于，所述光源辐射波长为400-700 nm可见连续波段。

3.如权利要求1所述的可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，其特征在于，所述LED光源采用单颗、多颗点光源或平面光源组成。

4.如权利要求1到3任一所述的可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，其特征在于，所述可见光LED光源为白光LED光源。

5.如权利要求1到3任一所述的可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，其特征在于，所述LED光源不设外罩时，其LED芯片上设有一层催化剂膜层；所述LED光源设有外罩时，其LED光源的外罩上设有一层催化剂膜层。

6.如权利要求5所述的可见光去除有机物和重金属离子的光源装置，其特征在于，所述光催化剂膜层厚度为0.1~20um。