TWI630029B - 光催化過濾器及其製造方法和再生方法 - Google Patents

光催化過濾器及其製造方法和再生方法 Download PDF

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Abstract

本發明公開一種光催化過濾器及其製造方法和再生方法，其中公開的設備、系統及技術包括光催化過濾器設備，並且可以被用於提供一種用於製造具有改善黏性的光催化過濾器的方法。此外，本發明的公開內容包括用於提供一種用於再生光催化過濾器的方法的技術。利用所公開的技術，即使光催化過濾器受到污染，受污染的光催化過濾器可以容易地再生，同時保持改善的黏性。

Description

光催化過濾器及其製造方法和再生方法
本發明涉及光催化過濾器設備以及用於製造和再生光催化過濾器的技術。
在本說明書中，術語“光催化反應”是指使用諸如二氧化鈦(TiO2)或類似物的光催化材料的反應。已知的光催化反應包括水的光催化降解、銀和鉑的電沉積、有機材料的降解等。此外還有嘗試將這種光催化反應用於新的有機合成反應、超純水的生產等。
存在於空氣中的有毒氣體或具有刺激性氣味的物質(諸如氨、醋酸以及乙醛)通過上述光催化反應被降解，並且在具有光源(例如紫外光源)和塗覆有光催化材料的過濾器的情況下，基於這種光催化反應的空氣淨化設備可以半永久性地使用。當光催化過濾器的光催化效率降低時，過濾器可以被再生以恢復其光催化效率，然後能夠重新進行使用。因此，光催化過濾器可被稱 作是半永久性的。
具體地，在將紫外LED燈用作紫外光源時，其相比於普通水銀燈或類似物的優勢在於它具有環境友好性，因為它不需要有毒的氣體，在能耗方面具有高的效率，且因為其尺寸小從而允許有各種各樣的設計。
然而，不同於在空氣通過時以物理的方式收集大灰塵顆粒的普通過濾器(諸如預濾器或HEPA過濾器)，光催化過濾器被構造成使得在空氣通過過濾器的過程中被吸附於過濾器表面上的有毒氣體被通過光催化反應產生的基團(諸如OH-)降解。因此，在空氣通過光催化過濾器的過程中被降解的空氣中的有毒氣體不會徹底被降解，只是其中一部分被降解。換言之，在空氣多次通過光催化過濾器時，空氣中被降解的有毒氣體的數量逐漸增加。
因此，光催化過濾器的光催化效率與其空氣清洗能力直接相關。換言之，使用光催化效率高的空氣過濾器的空間中的有毒氣體會比使用尺寸和結構相同、但光催化效率較低的空氣過濾器的空間中的有毒氣體更快地被降解。
然而，如果光催化過濾器中的光催化材料被污染，其光催化效率將降低，因此過濾器不能執行其功能。如果這樣的話，光催化過濾器通常會被更換。已開展一些有關光催化過濾器是否能被清洗的研究，但是研究結果大部分表明，光催化過濾器的清洗是並不理想的，因為這種清洗製程複雜，且光催化過濾器不易被清洗。
各種實施例旨在解決上述問題並且提供一種可輕易再生的光催化過濾器、製造該過濾器的方法及其再生方法。
在一個實施例中，一種用於製造光催化過濾器的方法包括：使光催化材料分散；用經分散的光催化材料塗覆支撐體；乾燥經塗覆的支撐體；以及燒結經乾燥的支撐體。
光催化材料可以是TiO2。
支撐體可以包括多孔陶瓷材料。
燒結可以在400~500℃的溫度下進行1~3小時，優選2~3小時。
在另一實施例中，光催化過濾器包括多孔陶瓷支撐體；以及塗覆在支撐體上的經分散的TiO2奈米顆粒。
光催化過濾器可以包括多個鄰近的平行艙(cell)，其形成了面向用於光催化活化的UV發光二極體的方向上的空氣流動通路。
經分散的TiO2奈米顆粒可以在400~500℃的溫度下進行1~3小時的燒結。
在又一實施例中，用於再生包括塗覆在支撐體上的經分散的TiO2奈米顆粒的光催化過濾器的方法包括：用沸水處理受污染的光催化過濾器；或者對受污染的光催化過濾器進行微波處理；或者用沸水處理受污染的光催化過濾器，並對經處理的光催 化過濾器進行微波處理。
支撐體可以包括多孔陶瓷材料，並且可以在400~500℃的溫度下燒結1~3小時。
55‧‧‧UV發光二極體基板
57‧‧‧UV發光二極體
80‧‧‧光催化過濾器
81‧‧‧催化劑部分
82‧‧‧彈性緩衝器
83‧‧‧艙
h‧‧‧高度
g‧‧‧寬度
t‧‧‧厚度
圖1是顯示了光催化過濾器和UV發光二極體基板的排列的透視圖。
圖2是光催化過濾器的頂視圖。
圖3是顯示了伴隨光催化過濾器的高度的變化的乙醛清除速度的變化的圖。
圖4是顯示了伴隨光催化過濾器的高度的變化的乙酸清除速度的變化的圖。
圖5是顯示了通過浸沒在沸水中而被再生的普通光催化過濾器和本發明的光催化過濾器的狀態的照片。
圖6和圖7是顯示了在添加有各種過濾器的情況下經煮沸的水的透射率的圖。
圖8是顯示了使用沸水再生的過濾器的空氣淨化結果的圖。
圖9是顯示了在過濾器受污染前後光催化過濾器的空氣淨化結果的圖。
圖10是顯示了在過濾器受污染前後以及用沸水處理使過濾器再生之後，光催化過濾器的空氣淨化結果的圖。
圖11是顯示了在過濾器受污染前後以及用沸水對過濾器進行 處理並對經沸水處理過的過濾器進行微波處理使過濾器再生之後，光催化過濾器的空氣淨化結果的圖。
本發明中公開的設備、系統及技術包括光催化過濾器設備，並且可以被用於提供一種用於製造具有改善黏性的光催化過濾器的方法。
此外，本發明的公開內容包括用於提供一種用於再生光催化過濾器的方法的技術。利用所公開的技術，即使光催化過濾器受到污染，受污染的光催化過濾器可以容易地再生，同時保持改善的黏性。
本發明中的設備、系統及技術通過下列描述及申請專利範圍中的示例來公開。
在下文中，所公開的技術的實施方式將參考包括附圖中示出的示例在內的實施例進行詳細描述。
下列實施方式以舉例的方式來提供以向本領域技術人員傳遞所要公開的技術。因此，本發明不限於此處公開的實施方式，可以以不同的形式實施。在附圖中，出於便利及說明的目的，元件的寬度、長度、厚度等會被誇大。
光催化過濾器-設備
在下文中，提供一種光催化過濾器的示例。該光催化過濾器包括支撐體，以及塗覆在支撐體上的經分散的TiO2奈米顆粒。
支撐體可以選自金屬、活性碳和陶瓷。在一個實施方式中，多孔陶瓷蜂窩狀支撐體可以被用作支撐體。在這種情況下，多孔陶瓷蜂窩狀支撐體有助於TiO2奈米顆粒在塗覆製程過程中滲入陶瓷孔洞。另外，TiO2奈米顆粒通過稍後將詳細討論的乾燥製程被錨固，因而加強TiO2奈米顆粒對支撐體的黏附。
如果金屬材料被用作支撐體，則TiO2奈米顆粒不會像多孔陶瓷蜂窩狀支撐體那樣容易地黏附在光催化支撐體上。另外，儘管活性碳具有孔洞，但是活性碳會容易在燒結製程過程中發生損壞。
正如稍後將詳細討論的那樣，支撐體可以被塗覆經分散的TiO2奈米顆粒，從而提供具有改善黏性的光催化過濾器。
圖1是顯示了光催化過濾器80和UV發光二極體基板55的排列的透視圖，且圖2是光催化過濾器80的頂視圖。
參考圖1，用於殺菌的UV發光二極體56被設置在UV發光二極體基板55的中心部分上，且用於光催化活化的三個UV發光二極體57圍繞UV發光二極體56設置。特別地，用於光催化活化的UV發光二極體57將向著光催化過濾器80輻照UV光。
如圖2所示，光催化過濾器80包括催化劑部分81，其通過燒結塗覆在具有方格子圖案的陶瓷多孔材料上的TiO2(二氧化鈦)得到，和覆蓋催化劑部分的側面的彈性緩衝器82。
圖3是顯示了兩個具有不同高度(h)的光催化過濾器的乙醛清除速度的圖。乙醛清除的實驗條件為：①1m3腔(A)；②目 標氣體：乙醛(CH3CHO)，10ppm；③RS-PR1(流速：高@3.5CFM，Abg，幅射度：15mW/cm2)④TiO2：陶瓷(100cpsi)，5T(1.6g裝載)vs.8.5T(2.6g裝載)。圖4是顯示了兩個具有不同高度(h)的光催化過濾器的乙酸清除速度的圖。乙酸清除的實驗條件為：1m3腔(PR1/流速：高_3.5CFM/5.83mW/cm2)；TiO2+365nm；TC(100)C106-400C_5T，TC(100)C86-400C_10T，[CH3COOH]0=10ppm。
實驗的結果表明，在光催化過濾器具有圖15所示的形狀的情況下，光催化劑的表面面積(其由於光催化過濾器的艙之間的框架的厚度(t)而增加)基本上不會影響光催化過濾器的除臭效率，但是光催化過濾器的高度(深度)影響內部空氣流動通路的內壁面積，因此直接影響空氣的接觸面積。
因此，可以看到，當光催化過濾器的高度為5~10mm時，光催化過濾器的除臭效率為最高。另外，當高度減少到2mm以下時，光催化過濾器難以使用，因為其微弱的強度，而且當高度為15mm以上時，僅空氣阻力增加，UV光不能到達光催化過濾器的背後部分或它的密度變得很稀薄，且因此僅增加了成本而不能增加除臭效率。
而且，可以看到，當每個艙83的寬度(g)為2mm時，空氣阻力不會增加，且由過濾器本身的形狀堵住了輻照到它的UV光造成的光催化過濾器的內壁的陰影面積比率不高，這表示2mm的艙寬度是最適合於最大化光催化過濾器的內壁的UV光輻照面 積比率的。同時，當艙寬度減少到1mm以下時，空氣阻力增加，到達內壁的UV光量減少，這表明除臭效率低。另外，艙寬度為4mm以上時，由於艙的密度低導致內壁的整體面積減少，這表明除臭效率低。
關於與上述的每個艙的寬度(g)相關的艙密度，當艙的密度低於30艙/英吋2或更少時，即艙寬度增加到4mm以上，內壁面積減少，這表明除臭效率低。當艙的密度是260艙/英吋2以上時，即艙寬度減少到1mm以下，空氣阻力增加，且達到內壁的UV光量減少，這表明除臭效率低。當艙密度為大約100艙/英吋2時，空氣阻力沒有增加，且由過濾器本身的形狀堵住了輻照到它的UV光造成的過濾器的內壁的陰影面積比率不高，這表明除臭效率最高。
關於艙的框架厚度(t)的實驗結果表明，當框架厚度為0.3mm以下時，TiO2層變得太薄，且因此光催化效率減少，強度不夠。當框架厚度為1.2mm以上時，材料消耗增加但是沒有增加光催化效率。另外，當框架厚度為0.6mm時光催化效率最高。
光催化過濾器-製造製程
下面將討論光催化過濾器的製造方法的示例。
可以通過使二氧化鈦(TiO2)奈米顆粒分散、用經分散的TiO2奈米顆粒塗覆支撐體、乾燥經塗覆的支撐體、以及燒結經乾燥的支撐體來提供光催化過濾器。
作為一個示例，利用可從矣富妮可跌菇煞(Evonik Degussa)購買的P25 TiO2奈米粉末來執行分散製程。例如，P25 TiO2奈米粉末可以被添加到水中，其中所述水中可以溶解有濃度為0.1~10%的矽分散劑。在利用磨機使P25 TiO2奈米粉末分散之後，可以獲得濃度為20~40%的固體TiO2奈米溶液。可以使用包括一種或多種組分的分散劑。
在塗覆製程過程中，如果選用多孔陶瓷蜂窩狀支撐體，則用製備的TiO2分散體液體浸塗該多孔陶瓷蜂窩狀支撐體。在浸塗時，可以進行1~5分鐘的懸浮以便TiO2分散體液體被多孔陶瓷蜂窩狀支撐體的孔洞充分吸收。
乾燥製程可以在將經塗覆的支撐體維持於預定溫度的條件下執行預定時間。在一個實施方式中，如果選用多孔陶瓷蜂窩狀支撐體，則經塗覆的多孔陶瓷蜂窩狀支撐體可以在150~200℃的溫度下在乾燥單元中保持3~5分鐘。
燒結製程可以通過將經乾燥的支撐體在預定溫度保持預定時間來執行。在一個實施方式中，如果選用多孔陶瓷蜂窩狀支撐體，則燒結製程可以在400~500℃之間執行2~3小時。根據實驗，如果燒結溫度低於300℃，則塗覆的TiO2光催化劑容易與支撐體分離。如果燒結溫度高於500℃，則塗覆的TiO2光催化劑的晶體結構改變，從而導致光催化劑的活性退化。因此，為了提供具有改善的黏性和光催化活性的光催化過濾器，燒結製程可以在400~500℃之間進行。
可再生的光催化過濾器
圖5示出了一項實驗的結果，該實驗用於檢驗TiO2光催化過濾器中光催化材料與支撐體的黏附力。在該實驗中，分別將經燒結和未經燒結的光催化過濾器浸漬在蒸餾水中，然後進行音波處理。
如圖5中所示，不同於經燒結的光催化過濾器的情形，黏附於未經燒結的光催化過濾器上的TiO2在音波處理下被洗脫到水中。
圖6示出了在下列情形中在不同波長下測得的蒸餾水的透射率：只對蒸餾水進行音波處理；在蒸餾水中添加未塗覆TiO2光催化材料的多孔陶瓷材料，然後對蒸餾水進行音波處理；在蒸餾水中添加塗覆有TiO2光催化材料且經燒結的多孔陶瓷材料，然後對蒸餾水進行音波處理；以及在蒸餾水中添加塗覆有TiO2光催化材料但未經燒結的多孔陶瓷材料，然後對蒸餾水進行音波處理。利用UV-Vis光譜技術(探測器：阿哪離惕可解哪(Analytik Jena))測量透射率。
如圖6中所示，包含塗覆有TiO2光催化材料且經燒結的多孔陶瓷材料的水的透射率與蒸餾水的透射率大致相似，這說明光催化材料對該多孔陶瓷材料具有良好的黏附性，因此幾乎不會被洗脫。
這種結果表明，根據本發明的方法製造的光催化過濾器即使在受到音波處理的時候光催化材料也保持黏附於其表面上。
圖7示出了在下列各個情形中，作為音波處理時間的函 數測得的水的透射率：只對蒸餾水進行音波處理；在蒸餾水中添加未塗覆TiO2光催化材料的多孔陶瓷材料，然後對蒸餾水進行音波處理；以及在蒸餾水中添加塗覆有TiO2光催化材料且經燒結的多孔陶瓷材料，然後對蒸餾水進行音波處理。
如圖7中所示，在塗覆有TiO2光催化材料且經燒結的多孔陶瓷材料被添加到蒸餾水中且經音波處理的情形中，蒸餾水的透射率表現出隨著音波處理時間增大而減小的趨勢，但是透射率上的這種減小不能在視覺上與單純的蒸餾水區分開。
圖8示出圖7的樣品中透射率存在最大差異的兩種樣品的乙醛去除活性的測量結果(參見圖7中的箭頭)，所述測量是在將這兩種樣品自然乾燥以用作光催化過濾器之後進行的。如圖8中所示，如圖7中所示表現出不同透射率的這兩個樣品之間在光催化活性上存在微小差異或不存在差異。
圖9至圖11中示出了塗覆TiO2奈米顆粒的光催化劑的再生特性。圖9中(標為過濾器1和過濾器2)的兩個照片顯示了兩組實驗，其中利用紫外LED光源對受污染的塗覆TiO2奈米顆粒的過濾器和新鮮未受污染的塗覆TiO2奈米顆粒的過濾器照射3小時以便去除乙醛。在過濾器1和過濾器2的附圖中，受污染的塗覆TiO2奈米顆粒的過濾器受到包括甲醛、醋酸、NH3、甲苯、CH3-S-SCH3和商業化的空氣清新劑(芳香劑)在內的化學物質的污染。
如圖9中所示，未受污染的過濾器正常降解乙醛(參見 圖9中標為新鮮TiO2的曲線)。然而，當利用在上述乙醛去除實驗中使用過後受污染的光催化過濾器進行實驗時，可以看到乙醛的數量沒有減小(參見圖9中標為受污染的TiO2的曲線)，這表明該過濾器的光催化活性很差。
圖10示出經沸水處理之後受污染的塗覆TiO2奈米顆粒的過濾器的再生，圖11示出經沸水和微波暴露兩重處理之後受污染的塗覆TiO2奈米顆粒的過濾器的再生。受污染的塗覆TiO2奈米顆粒的過濾器的再生特性與新鮮未受污染的塗覆TiO2奈米顆粒的過濾器進行比較。
如圖10中所示，當用沸水處理受污染的過濾器時，過濾器的功能明顯得到恢復。如圖11中所示，當先用沸水、然後用微波對受污染的過濾器進行處理時，過濾器被再生成表現出與其原始狀態大致相似的性能。
如上所述，本發明提供一種包括牢固黏附於支撐體上的光催化材料的光催化過濾器。因此，光催化材料在再生過程中不會與光催化過濾器脫離，因此能夠重複進行再生，這表明這種光催化過濾器可以半永久性地使用。相反地，普通光催化過濾器無法經由煮沸而被再生，因為在用沸水處理時，光催化材料並未以不從支撐體上被洗脫到水中的方式很牢固地黏附於支撐體上。
此外，根據本發明，該光催化過濾器可以無需使用麻煩的清洗製程而以簡單的方式得到再生。
儘管只是描述了一些實施例、實施方式和示例，但是基 於本發明中描述和示出的內容可以實現其它實施例和實施方式、以及各種增強和變形。

Claims (15)

  1. 一種製造光催化過濾器的方法，包括：使光催化材料分散；用經分散的光催化材料塗覆支撐體；乾燥經塗覆的支撐體；以及燒結經乾燥的支撐體；其中所述光催化過濾器包括多個鄰近的平行艙，其形成了面向用於光催化活化的紫外光發光二極體的方向上的空氣流動通路，其中所述艙之間的框架的厚度為0.3~1.2mm且所述艙為矩形，其中所述艙的密度為80艙/英吋2~260艙/英吋2。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的製造光催化過濾器的方法，其中，光催化材料包括二氧化鈦(TiO2)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的製造光催化過濾器的方法，其中，支撐體包括多孔陶瓷。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的製造光催化過濾器的方法，其中，燒結在400~500℃的溫度下進行1~3小時。
  5. 一種光催化過濾器，包括：多孔陶瓷支撐體；以及塗覆在多孔陶瓷支撐體上的經分散的TiO2奈米顆粒；其中所述光催化過濾器包括多個鄰近的平行艙，其形成了面向用於光催化活化的紫外光發光二極體的方向上的空氣流動通路，其中所述艙之間的框架的厚度為0.3~1.2mm且所述艙為矩形，其中所述艙的密度為80艙/英吋2~260艙/英吋2。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的光催化過濾器，其中，塗覆在多孔陶瓷支撐體上的TiO2奈米顆粒是在400~500℃的溫度下燒結1~3小時的TiO2奈米顆粒。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的光催化過濾器，其中所述光催化過濾器的高度為2~15mm。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的光催化過濾器，其中所述光催化過濾器的高度為5~10mm。
  9. 如申請專利範圍第5項所述的光催化過濾器，其中所述艙之間的框架的厚度為0.5~0.7mm。
  10. 如申請專利範圍第5項所述的光催化過濾器，其中每個艙的寬度為1~4mm。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的光催化過濾器，其中每個艙的寬度為1.8~2.2mm。
  12. 一種再生光催化過濾器的方法，包括：用沸水處理受污染的光催化過濾器，其中，該光催化過濾器包括塗覆有經分散的TiO2奈米顆粒的支撐體；其中所述光催化過濾器包括多個鄰近的平行艙，其形成了面向用於光催化活化的紫外光發光二極體的方向上的空氣流動通路，其中所述艙之間的框架的厚度為0.3~1.2mm且所述艙為矩形，其中所述艙的密度為80艙/英吋2~260艙/英吋2。
  13. 一種再生光催化過濾器的方法，包括：對受污染的光催化過濾器進行微波處理，其中，該光催化過濾器包括塗覆有經分散的TiO2奈米顆粒的 支撐體；其中所述光催化過濾器包括多個鄰近的平行艙，其形成了面向用於光催化活化的紫外光發光二極體的方向上的空氣流動通路，其中所述艙之間的框架的厚度為0.3~1.2mm且所述艙為矩形，其中所述艙的密度為80艙/英吋2~260艙/英吋2。
  14. 一種再生光催化過濾器的方法，包括：用沸水處理受污染的光催化過濾器，並對經沸水處理的光催化過濾器進行微波處理，其中，該光催化過濾器包括塗覆有經分散的TiO2奈米顆粒的支撐體；其中所述光催化過濾器包括多個鄰近的平行艙，其形成了面向用於光催化活化的紫外光發光二極體的方向上的空氣流動通路，其中所述艙之間的框架的厚度為0.3~1.2mm且所述艙為矩形，其中所述艙的密度為80艙/英吋2~260艙/英吋2。
  15. 如申請專利範圍第12項、第13項或第14項所述的再生光催化過濾器的方法，其中，支撐體包括多孔陶瓷，並且塗覆在支撐體上的TiO2奈米顆粒是在400~500℃的溫度下燒結1~3小時的TiO2奈米顆粒。
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