專(zhuān)利名稱(chēng)：利用光催化劑凈化空氣的方法和裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明主要與基于空氣的氧化鎢/二氧化鈦光催化劑有關(guān)，該催化劑氧化空氣中吸附在光催化表面的氣態(tài)污染物，形成二氧化碳、水和其他物質(zhì)。
室內(nèi)空氣可含有痕量污染物，包括揮發(fā)性有機(jī)化合物，例如甲醛、甲苯、丙醛、丁烯和乙醛。吸收劑空氣過(guò)濾器，例如活性炭，已經(jīng)用于從空氣中去除這些污染物。當(dāng)空氣流過(guò)過(guò)濾器時(shí)，過(guò)濾器擋住污染物的通過(guò)，而使沒(méi)有污染物的其余空氣流過(guò)過(guò)濾器。使用過(guò)濾器的一個(gè)缺點(diǎn)是，它們只是簡(jiǎn)單的擋住污染物的通過(guò)而不消除它們。
二氧化鈦已經(jīng)作為光催化劑被用于空氣凈化器中，以消除污染物。當(dāng)二氧化鈦用紫外光照射時(shí)，二氧化鈦吸收光子，使電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶產(chǎn)生空穴，在導(dǎo)帶增加電子。躍遷的電子與氧氣反應(yīng)，留在價(jià)帶中的空穴與水反應(yīng)，形成活性的羥基自由基。當(dāng)污染物吸附在二氧化鈦光催化劑上時(shí)，羥基自由基攻擊并氧化污染物形成水、二氧化碳和其它物質(zhì)?，F(xiàn)有技術(shù)的二氧化鈦光催化劑的缺點(diǎn)是其具有有限的反應(yīng)活性。另外，濕度可大大影響二氧化鈦的光催化性能，從而影響污染物的氧化速率。
金屬氧化物/二氧化鈦光催化劑已經(jīng)作為水相光催化劑被用于除去水流中的污染物。水相化學(xué)與氣相化學(xué)有很大的不同。在各相中的反應(yīng)機(jī)理通常是不同的。所以，設(shè)計(jì)用于水相化學(xué)的催化劑與設(shè)計(jì)用于氣相化學(xué)的催化劑并不以相同的方式發(fā)揮作用。另外，羥基自由基在水相中可以從光催化劑表面擴(kuò)散開(kāi)，但羥基自由基在氣相中并不能從光催化劑表面擴(kuò)散開(kāi)。最后，在水相中，水和水中的離子要與污染物競(jìng)爭(zhēng)光催化劑上的吸附位，也會(huì)降低光催化性能。
溶膠-凝膠涂覆法已經(jīng)用于制造光催化懸浮液，所述懸浮液涂到基底上形成光催化涂層。溶膠-凝膠涂覆法通過(guò)多次浸漬涂布過(guò)程達(dá)到所需的光催化負(fù)載量和高的粘附性能。溶膠-凝膠涂覆法的缺點(diǎn)是它需要昂貴的鈦前體(例如異丙氧基鈦)和復(fù)雜的回流/聲波處理過(guò)程。所以溶膠-凝膠涂覆法是昂貴和勞動(dòng)密集型的。
因此，需要基于空氣的用于氧化污染物的光催化劑，其具有提高的活性，對(duì)濕度波動(dòng)更低的敏感性以及以低廉成本將催化劑涂覆到基底上的過(guò)程。
發(fā)明簡(jiǎn)述涂覆在基底如蜂窩結(jié)構(gòu)上的氧化鎢/二氧化鈦光催化劑通過(guò)氧化空氣中吸附在涂層上的任何污染物形成水、二氧化碳和其它物質(zhì)，凈化建筑物或交通工具內(nèi)的空氣。
風(fēng)扇將空氣吸入空氣凈化系統(tǒng)?？諝馐紫攘鬟^(guò)顆粒過(guò)濾器過(guò)濾掉塵?；蛉魏纹渌箢w粒。然后空氣流過(guò)蜂窩結(jié)構(gòu)的開(kāi)放通道或溝槽。蜂窩結(jié)構(gòu)的表面涂有氧化鎢/二氧化鈦光催化劑。將紫外光源安置在連續(xù)的蜂窩結(jié)構(gòu)之間，以活化氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層。空氣凈化系統(tǒng)的壁優(yōu)選襯有反射性材料，以將紫外光反射到蜂窩結(jié)構(gòu)開(kāi)放通道的內(nèi)表面。
當(dāng)紫外光的光子被氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層吸收時(shí)，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶產(chǎn)生空穴。在導(dǎo)帶的電子被氧氣捕獲。價(jià)帶中的空穴與吸附在氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層上的水反應(yīng)，形成活性的羥基自由基。
氧化鎢在二氧化鈦上形成單層。當(dāng)空氣中的污染物吸附在氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層上時(shí)，羥基自由基攻擊污染物，從污染物奪走氫原子并將污染物氧化成水、二氧化碳和其它物質(zhì)。氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層對(duì)濕度具有低的敏感性。所以相比現(xiàn)有技術(shù)的二氧化鈦光催化劑，濕度對(duì)氧化鎢/二氧化鈦光催化劑的光催化活性影響小得多。
本發(fā)明的這些以及其它特點(diǎn)將從以下說(shuō)明和附圖中得到最好理解。
附圖簡(jiǎn)述通過(guò)對(duì)如下現(xiàn)有優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，本發(fā)明的各種特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯然的。伴隨詳細(xì)描述的附圖簡(jiǎn)述如下

圖1簡(jiǎn)要描述了封閉環(huán)境，例如建筑物、交通工具或其它結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)部空間和HVAC系統(tǒng)；
圖2簡(jiǎn)要描述了本發(fā)明的空氣凈化系統(tǒng)；圖3簡(jiǎn)要描述了空氣凈化系統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)；圖4a簡(jiǎn)要描述了制作光催化產(chǎn)品的方法流程圖；圖4b簡(jiǎn)要描述了涂覆光催化產(chǎn)品到基底上的方法流程圖；圖5簡(jiǎn)要描述了光催化涂層的二氧化鈦上的氧化鎢單層；圖6簡(jiǎn)要描述了描述乙醛固有氧化速率作為相對(duì)濕度函數(shù)的曲線(xiàn)；圖7簡(jiǎn)要描述了描述丙醛固有氧化速率作為相對(duì)濕度函數(shù)的曲線(xiàn)；圖8簡(jiǎn)要描述了描述甲苯固有氧化速率作為相對(duì)濕度函數(shù)的曲線(xiàn)；圖9簡(jiǎn)要描述了描述丁烯固有氧化速率作為相對(duì)濕度函數(shù)的曲線(xiàn)；并且圖10簡(jiǎn)要描述了描述本發(fā)明光催化劑效率作為氧化鎢摩爾含量函數(shù)的曲線(xiàn)。
優(yōu)選實(shí)施方式詳述圖1簡(jiǎn)要描述了建筑物、交通工具如轎車(chē)、火車(chē)、公交車(chē)或飛行器或其它結(jié)構(gòu)10，包括內(nèi)部空間12，如房間、辦公室或交通工具艙室。HVAC系統(tǒng)14加熱或冷卻內(nèi)部空間12。內(nèi)部空間12的空氣通過(guò)通道16被吸入HVAC系統(tǒng)14。HVAC系統(tǒng)14改變從內(nèi)部空間12通過(guò)16吸入的空氣的溫度。如果HVAC系統(tǒng)14在冷卻模式下工作，空氣被冷卻?；蛘撸绻鸋VAC系統(tǒng)14在加熱模式下工作，空氣被加熱。然后空氣從通道18返回內(nèi)部空間12，改變內(nèi)部空間12的空氣溫度。
圖2簡(jiǎn)要描述了通過(guò)氧化空氣中的污染物，例如揮發(fā)性有機(jī)化合物，形成水、二氧化碳和其它物質(zhì)，來(lái)凈化建筑物或交通工具10中的空氣的空氣凈化系統(tǒng)20。污染物可以是可氧化物種例如一氧化碳，或可還原物種例如臭氧。舉例來(lái)說(shuō)，污染物可以是揮發(fā)性有機(jī)化合物或半揮發(fā)性有機(jī)化合物例如甲苯、丙醛、丁烯或乙醛。污染物也可以是醛類(lèi)、酮類(lèi)、醇類(lèi)、芳香化合物、烯烴或烷烴。空氣凈化系統(tǒng)20可以在空氣通過(guò)通道16被吸入HVAC系統(tǒng)14前將其凈化，或可在其沿通道18進(jìn)入建筑物或交通工具10的內(nèi)部空間12前凈化離開(kāi)HVAC系統(tǒng)14的空氣?？諝鈨艋到y(tǒng)20也可是單獨(dú)的單位，而不與HVAC系統(tǒng)14一起應(yīng)用。
風(fēng)扇34通過(guò)入口22將空氣吸入空氣凈化系統(tǒng)20。空氣通過(guò)顆粒過(guò)濾器24，過(guò)濾器24通過(guò)阻止這些顆粒的流動(dòng)來(lái)過(guò)濾灰塵或其它任何大顆粒。然后空氣流過(guò)蜂窩結(jié)構(gòu)28。在一個(gè)例子中，蜂窩結(jié)構(gòu)28由鋁或鋁合金制成。圖3簡(jiǎn)要描述了具有多個(gè)六邊形開(kāi)放通道或溝槽30的蜂窩結(jié)構(gòu)28的正面圖。所述多個(gè)開(kāi)放通道30的表面涂有氧化鎢/二氧化鈦(WO3/TiO2)光催化涂層40，其被紫外光活化后，將吸附在氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層40上的污染物氧化。如下面解釋的，當(dāng)空氣流過(guò)蜂窩結(jié)構(gòu)28的開(kāi)放通道30時(shí)，空氣中吸附在氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層40表面的污染物就被氧化成二氧化碳、水和其它物質(zhì)。
優(yōu)選地，光催化劑是二氧化鈦。在一個(gè)例子中，二氧化鈦是Millennium二氧化鈦，Degussa P-25，或同等二氧化鈦?？墒牵瑧?yīng)理解為也可應(yīng)用其它光催化劑。例如光催化劑也可為ZnO，CdS，SrTiO3，F(xiàn)e2O3，V2O5，SnO2，F(xiàn)eTiO3，或PbO。另外，優(yōu)選應(yīng)用氧化鎢作為涂層?？墒?，應(yīng)理解為也可應(yīng)用其它金屬氧化物作為涂層。例如，金屬氧化物可為ZnO，CdS，SrTiO3，F(xiàn)e2O3，V2O5，SnO2，F(xiàn)eTiO3，PbO，和其組合。這些金屬氧化物也可與金屬添加劑如金、銀、鈀、鉑和釕結(jié)合。
位于連續(xù)蜂窩結(jié)構(gòu)28之間的光源32將在開(kāi)放通道30表面上的氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層40活化。如所示，蜂窩結(jié)構(gòu)28和光源32在空氣凈化系統(tǒng)20中交替排列。也就是紫外光源32位于每個(gè)蜂窩結(jié)構(gòu)28之間。優(yōu)選地，光源32是產(chǎn)生波長(zhǎng)范圍在180納米至400納米的光的紫外光源。
然后，已凈化的空氣通過(guò)出口36排出空氣凈化器?？諝鈨艋到y(tǒng)20的壁38優(yōu)選襯有反射材料42。反射材料42將紫外光反射到蜂窩結(jié)構(gòu)28的開(kāi)放通道30表面。
用以低壓降為特征的裝置除去污染物公開(kāi)在同時(shí)另案待審的臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)60/474638中，2003年5月29日提交，具有代理摘要號(hào)03-374，并且題為“低壓降氣相污染物去除”，在此將該公開(kāi)完整引入作為參考。
圖4a簡(jiǎn)要描述了制備氧化鎢/二氧化鈦光催化劑方法的流程圖。制備含有大約1.0-3.0mg/ml仲鎢酸銨((NH4)10W12O41)的溶液。優(yōu)選地，該溶液含有大約2.0mg/ml仲鎢酸銨。加入固定重量的二氧化鈦62，并將其分散在仲鎢酸銨溶液中形成懸浮液。
將得到的懸浮液攪拌64過(guò)夜，然后用帶有分散發(fā)生器的均質(zhì)器66均質(zhì)約10-30分鐘。在一個(gè)例子中，懸浮液在7500rpm的速度下均質(zhì)，分散發(fā)生器具有30mm直徑和15個(gè)狹縫。
干燥裝置68，例如旋轉(zhuǎn)真空蒸發(fā)器，將得到的懸浮液蒸發(fā)干。然后產(chǎn)物被進(jìn)一步在真空70溫度60-80℃下干燥過(guò)夜。優(yōu)選地，產(chǎn)物在70℃溫度下干燥。
然后通過(guò)在空氣流或氧氣和氬氣混合氣流中，以1-5℃每分鐘的速率把產(chǎn)物加熱到350-500℃焙燒72產(chǎn)物。優(yōu)選地，產(chǎn)物以1.5℃每分鐘的速率加熱。優(yōu)選在450℃溫度下焙燒產(chǎn)物，因?yàn)檫@個(gè)溫度可提供稍微更高的光催化活性。一旦達(dá)到了需要的溫度，將該溫度保持大約0.5-3小時(shí)。優(yōu)選地，將該溫度保持1小時(shí)。在氧氣存在下，焙燒將仲鎢酸銨分解為氧化鎢、水和氨氣。
圖4b簡(jiǎn)要描述了將光催化產(chǎn)品涂到基底上的方法的流程圖。作為例子，將生成的氧化鎢/二氧化鈦粉末加入蒸餾水74，形成25wt％水懸浮液。然后將懸浮液用帶有分散發(fā)生器的均質(zhì)器在7500rpm速度下均質(zhì)7610-30分鐘。然后將得到的氧化鎢/二氧化鈦漿液涂覆78到蜂窩結(jié)構(gòu)28的表面上。優(yōu)選地，蜂窩結(jié)構(gòu)28預(yù)先用丙酮和甲醇清潔，以除去灰塵和油污，并將表面清潔以加強(qiáng)涂覆的涂層對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)28的粘附。
用噴霧、電泳、浸漬涂布將懸浮液涂覆到蜂窩結(jié)構(gòu)28的表面。當(dāng)涂覆懸浮液后，干燥該懸浮液，從而在蜂窩結(jié)構(gòu)28上形成均勻的氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層40。
均質(zhì)化過(guò)程對(duì)氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層40的性能有很大影響。建議由均質(zhì)器66產(chǎn)生的剪切力將大氧化鎢/二氧化鈦燒結(jié)塊打碎為更小的顆粒，使光催化劑在蜂窩結(jié)構(gòu)28上高度分散。所以，所需光催化劑負(fù)載可由已均質(zhì)化的懸浮液的單一噴霧或浸漬過(guò)程完成。另外，光催化涂層具有好的粘附性能。當(dāng)懸浮液被噴霧到蜂窩結(jié)構(gòu)28上時(shí)，氧化鎢/二氧化鈦光催化劑高度分散在蜂窩結(jié)構(gòu)28上，并且只需要單一涂層過(guò)程來(lái)沉積所需最小光催化負(fù)載量。
均質(zhì)化過(guò)程對(duì)光催化涂層40重量負(fù)載量和總的性能具有很大影響。氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層40的負(fù)載量范圍為0.1mg/cm2至1.7mg/cm2，或等同于光催化涂層40具有1至20微米的厚度。優(yōu)選地，氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層40負(fù)載量范圍為0.5mg/cm2至1.0mg/cm2，或等同于光催化涂層40具有4至8微米的厚度。通過(guò)采用單一噴霧或浸漬涂布過(guò)程，重量負(fù)載量大約為0.8mg/cm2，超過(guò)了光催化性能0.5mg/cm2的最小負(fù)載量。
在空氣凈化系統(tǒng)20工作時(shí)，光源32照射活化蜂窩結(jié)構(gòu)28表面的氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層40。當(dāng)紫外光的光子被氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層40吸收時(shí)，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶產(chǎn)生空穴。氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層40必須在氧氣和水存在下將污染物氧化為二氧化碳、水和其他物質(zhì)。躍遷到導(dǎo)帶的電子被氧氣捕獲。在價(jià)帶的空穴與吸附在氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層40上的水分子反應(yīng)，生成活性羥基自由基。
當(dāng)空氣中的污染物吸附到氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層40上時(shí)，羥基自由基攻擊污染物，從污染物奪取氫原子。通過(guò)這種方法，羥基自由基將污染物氧化，產(chǎn)生水、二氧化碳和其它物質(zhì)。
如圖5所示，氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層40的氧化鎢高度分散，并在二氧化鈦表面形成單層。采用x射線(xiàn)衍射和透射電子顯微鏡手段沒(méi)有觀察到氧化鎢分開(kāi)的相。相信氧化鎢已經(jīng)通過(guò)仲鎢酸銨((NH4)10W12O41)與二氧化鈦表面羥基的反應(yīng)接枝到二氧化鈦的表面。得到的氧化物完整單層可以以一個(gè)原子的厚度完全覆蓋二氧化鈦表面，或得到的部分氧化鎢單層可部分覆蓋二氧化鈦表面。氧化鎢在二氧化鈦上更高的負(fù)載量(大于6mol％)可導(dǎo)致多層氧化鎢在二氧化鈦表面上，使催化劑活性降低。
在二氧化鈦表面的氧化鎢物種修改了二氧化鈦的表面性質(zhì)。例如，氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層的pH值是1.7，而二氧化鈦光催化劑涂層的pH值是9.5。將氧化鎢負(fù)載在二氧化鈦上使二氧化鈦從弱堿性改變?yōu)閺?qiáng)酸性。相信二氧化鈦表面酸性的增強(qiáng)，增加了污染物分子對(duì)光催化劑表面的親和性，從而增加了光催化劑的吸附強(qiáng)度。光催化活性被增強(qiáng)的吸附能力提高了。另外，表面酸性的增強(qiáng)增加了在表面的羥基基因密度，從而提供了增加數(shù)量的羥基自由基，有利于光催化反應(yīng)。
光催化劑涂層40的二氧化鈦含有金紅石晶體相。在一個(gè)例子中，光催化劑涂層40的二氧化鈦包括大約20％的金紅石晶體相和大約80％的銳鈦礦晶體相。
本發(fā)明的氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層40對(duì)HVAC系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生的濕度變化具有高的穩(wěn)定性。典型地，建筑物內(nèi)的HVAC系統(tǒng)14在10-60％的濕度范圍工作?，F(xiàn)有技術(shù)的二氧化鈦涂層的光催化性能受空氣中水蒸氣的影響，因?yàn)樗魵夂蜌庀辔廴疚飼?huì)競(jìng)爭(zhēng)二氧化鈦光催化劑上的吸附位。本發(fā)明的氧化鎢/二氧化鈦光催化劑相對(duì)水分子增強(qiáng)了污染物的親和性。所以，濕度對(duì)于氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層的氧化性能具有降低的影響。用另一種方式來(lái)說(shuō)，氧化鎢/二氧化鈦光催化劑補(bǔ)償了濕度影響。
圖6描述了乙醛固有氧化速率作為相對(duì)濕度函數(shù)的曲線(xiàn)。如所示，現(xiàn)有技術(shù)的二氧化鈦光催化劑和本發(fā)明的氧化鎢/二氧化鈦光催化劑的氧化速率隨濕度增加都下降了。但是，氧化鎢/二氧化鈦光催化劑的氧化速率在所有濕度水平上都比二氧化鈦光催化劑的氧化速率高。當(dāng)濕度增加，氧化鎢/二氧化鈦光催化劑的光催化活性降低，其降低速率低于二氧化鈦光催化活性的降低速率。
圖7描述了丙醛固有氧化速率作為相對(duì)濕度函數(shù)的曲線(xiàn)。如所示，濕度對(duì)氧化鎢/二氧化鈦光催化劑上的氧化速率并沒(méi)有很大的影響，并且當(dāng)濕度增加，氧化速率保持穩(wěn)定?，F(xiàn)有技術(shù)的二氧化鈦光催化劑氧化速率隨濕度增加而降低。氧化鎢/二氧化鈦光催化劑的氧化速率再次在所有濕度水平上比二氧化鈦光催化劑的氧化速率高。
圖8描述了甲苯固有氧化速率作為相對(duì)濕度函數(shù)的曲線(xiàn)。如所示，濕度也對(duì)氧化鎢/二氧化鈦光催化劑的氧化速率沒(méi)有很大影響，并且隨濕度增加，氧化速率保持穩(wěn)定?，F(xiàn)有技術(shù)的二氧化鈦光催化劑的氧化速率也隨濕度增加保持相對(duì)穩(wěn)定。但是，氧化鎢/二氧化鈦光催化劑的氧化速率在所有濕度水平上都比二氧化鈦光催化劑的氧化速率高。
圖9描述了丁烯固有氧化速率作為相對(duì)濕度函數(shù)的曲線(xiàn)。如所示，濕度對(duì)氧化鎢/二氧化鈦光催化劑的氧化速率有影響，并且氧化速率隨濕度增加而降低?，F(xiàn)有技術(shù)的二氧化鈦光催化劑的氧化速率也隨濕度增加而降低。但是，氧化鎢/二氧化鈦光催化劑的氧化速率在所有濕度水平上都比二氧化鈦光催化劑的氧化速率高。
涂覆不同體積的仲鎢酸銨懸浮液以達(dá)到在產(chǎn)物光催化劑中二氧化鈦上氧化鎢的不同負(fù)載量。在一個(gè)例子中，將6.396g二氧化鈦分別加入含有大約2.0mg/ml仲鎢酸銨的100ml，300ml，500ml懸浮液中。相應(yīng)地，可在產(chǎn)物氧化鎢/二氧化鈦光催化劑中得到一系列1mol％，3mol％和5mol％的氧化鎢負(fù)載量。
圖10描述了光催化劑效率作為氧化物含量函數(shù)的曲線(xiàn)。如所示，對(duì)于丙醛、甲苯和丁烯的氧化，當(dāng)氧化鎢的濃度為大約2至4mol％時(shí)，氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層具有最高的效率。當(dāng)使用3mol％氧化鎢/二氧化鈦光催化劑時(shí)，氧化鎢/二氧化鈦光催化劑是現(xiàn)有技術(shù)二氧化鈦光催化劑丙醛氧化固有反應(yīng)速率的兩倍。比起現(xiàn)有技術(shù)的二氧化鈦光催化劑，甲苯氧化固有反應(yīng)速率增加了80％。丁烯氧化的固有反應(yīng)速率是現(xiàn)有技術(shù)二氧化鈦光催化劑的三倍。
盡管對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)28進(jìn)行了闡釋和描述，但應(yīng)當(dāng)理解氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層40可以涂覆在任何結(jié)構(gòu)上。蜂窩結(jié)構(gòu)28的空隙形狀典型地是六邊形的，但應(yīng)理解為也可采用其它空隙形狀。當(dāng)污染物在光源存在下吸附在結(jié)構(gòu)的氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層40上時(shí)，污染物就被氧化成水、二氧化碳和其它物質(zhì)。
在被污染物j污染的室內(nèi)空氣中工作的空氣凈化器的有效效率定義如下ηeff=1-(ΣCj0/ΣCjj)=1-(ΣCj0/CT)]]>方程1其中∑Cjj和∑Cj0分別表示進(jìn)入和排出反應(yīng)器的污染物濃度的總和。
空氣凈化器的有效性可寫(xiě)作用每種污染物摩爾分?jǐn)?shù)Xj加權(quán)的空氣中每種污染物的效率的總和CADReff＝CADR1X1+CADR2X2+CADR3X3+... 方程2用于空氣凈化的催化劑需要如方程2中描述的對(duì)空氣中的所有物種有效，或更重要的對(duì)所有對(duì)空氣質(zhì)量重要的物種有效。摩爾分?jǐn)?shù)X可以用權(quán)重因子Z代替，權(quán)重因子Z代表了物種對(duì)總的室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要性。在這種情況下，方程2變?yōu)镃ADReff＝CADR1Z1+CADR2Z2+CADR3Z3+... 方程3
一個(gè)可能的AQI權(quán)重因子是空氣質(zhì)量指數(shù)Z，表示為Zj=Tji/AQIi]]>方程4其中T是單個(gè)物種j對(duì)總的指數(shù)AQI的貢獻(xiàn)。
定義空氣凈化性能的重要性在本發(fā)明中進(jìn)行了闡述，其中催化劑性能是許多對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量重要的物種的加權(quán)總和，而不是單一物種。
本發(fā)明的光催化涂層40提高了空氣凈化系統(tǒng)20的有效清潔空氣傳送速率。另外，由于光催化涂層40對(duì)濕度變化具有高穩(wěn)定性，所以濕度對(duì)有效清潔空氣傳送速率的有害影響就更小。
本發(fā)明的氧化鎢/二氧化鈦光催化劑有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。其中一個(gè)是，氧化鎢/二氧化鈦光催化劑有高活性，與現(xiàn)有技術(shù)的二氧化鈦光催化劑相比，極大提高了污染物固有反應(yīng)速率。另外，氧化鎢/二氧化鈦光催化劑對(duì)HVAC系統(tǒng)的濕度變化具有高穩(wěn)定性。最后，涂布方法節(jié)省成本，因?yàn)橹恍枰惠喗n過(guò)程的噴霧，就將需要的最小負(fù)載量0.5mg/cm2沉積到蜂窩結(jié)構(gòu)28上。
前面的描述只是本發(fā)明原則的示例。本發(fā)明的許多修改和變化在上述教導(dǎo)范圍內(nèi)都是可能的。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式已經(jīng)公開(kāi)，但是，所有本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到一些修改將包含在本發(fā)明范圍內(nèi)。所以，應(yīng)理解在附加的權(quán)力要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以以具體描述之外的其它方式實(shí)施。由于這個(gè)原因，應(yīng)研究以下權(quán)力要求來(lái)確定本發(fā)明真正的范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.空氣凈化系統(tǒng)，包括基底；金屬氧化物/二氧化鈦光催化劑涂層，包括二氧化鈦上的單層氧化鎢，并且所述光催化涂層涂覆在所述基底上；以及活化所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層的光源，和當(dāng)被所述光源活化時(shí)，所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層氧化在空氣流中吸附在氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層上的污染物。
2.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中從所述紫外光源發(fā)出的光子被所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層吸收，形成活性羥基自由基，在氧氣和水存在下氧化所述污染物。
3.如權(quán)力要求2所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述活性羥基自由基將所述污染物氧化為水和二氧化碳。
4.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述污染物至少是可氧化物種和可還原物種中的一種。
5.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述可氧化物種是一氧化碳，并且所述可還原物種是臭氧。
6.如權(quán)力要求4所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述污染物至少是甲苯、丙醛、丁烯、乙醛和其混合物中的一種。
7.如權(quán)力要求4所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述污染物是一種揮發(fā)性有機(jī)物和半揮發(fā)性有機(jī)物，包括至少醛、酮、醇、芳香化合物、烯烴和烷烴中的至少一種。
8.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述基底是被固體分開(kāi)的空隙陣列。
9.如權(quán)力要求8所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述基底是鋁和鋁合金中的一種。
10.如權(quán)力要求8所述的空氣凈化系統(tǒng)，進(jìn)一步包括多個(gè)基底和多個(gè)紫外光源，并且所述多個(gè)基底和所述多個(gè)紫外光源是交替排列的。
11.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，進(jìn)一步包括顆粒過(guò)濾器以擋住所述空氣流中的塵埃。
12.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，進(jìn)一步包括將所述空氣流吸入所述空氣凈化系統(tǒng)的風(fēng)扇。
13.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，進(jìn)一步包括機(jī)架，該空氣凈化系統(tǒng)在所述機(jī)架里面，并且所述機(jī)架襯有反射材料。
14.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述光源是紫外光源。
15.如權(quán)力要求14所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述紫外光源產(chǎn)生范圍在180納米至400納米的光。
16.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述涂層的負(fù)載量在0.01mg/cm2和1.7mg/cm2之間。
17.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述光催化劑在氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層的反應(yīng)速率上補(bǔ)償濕度影響。
18.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中空氣凈化系統(tǒng)用于HVAC系統(tǒng)。
19.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層的二氧化鈦含有金紅石晶體相。
20.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述氧化鎢單層完全覆蓋所述二氧化鈦。
21.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述氧化鎢單層部分覆蓋所述二氧化鈦。
22.如權(quán)力要求1所述的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述光催化涂層提高空氣凈化系統(tǒng)的有效清潔空氣傳送速率。
23.空氣凈化系統(tǒng)，包括基底；涂覆在所述基底上的金屬氧化物/二氧化鈦光催化劑涂層，并且所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層包含金紅石晶體相；以及活化所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層的光源，和當(dāng)被所述光源活化時(shí)，所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層氧化空氣流中吸附在所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層上的污染物。
24.空氣凈化系統(tǒng)，包括具有入口和出口的容器；在所述容器中的多孔基底；把流體通過(guò)所述入口吸入所述容器，使所述流體流過(guò)所述多孔基底，并通過(guò)所述出口從該容器中排出該流體的裝置；氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層，包括在二氧化鈦上的氧化鎢單層，并且所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層涂覆在所述多孔基底上；和活化所述光催化涂層的紫外光源，并且所述紫外光源的光子被所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層吸收，該氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層被所述紫外光源活化，形成活性羥基自由基，并且所述活性羥基自由基在水和氧氣存在下，將吸附在所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層上的所述流體中的污染物氧化成水和二氧化碳。
25.凈化空氣的方法，包括以下步驟將單層氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層涂覆到基底上；活化所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層；形成活性羥基自由基；將空氣流中的污染物吸附在所述氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層上；并且用所述羥基自由基將污染物氧化。
26.如權(quán)力要求25所述的方法，其中所述活化氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層的步驟包括用紫外光源照射。
27.如權(quán)力要求25所述的方法，其中氧化所述污染物的步驟包括將所述污染物氧化為水和二氧化碳。
28.制作光催化劑懸浮液的方法，包括以下步驟制備光催化劑；將水加入所述光催化劑，以制造光催化劑懸浮液；并且然后均質(zhì)化光催化劑懸浮液。
29.如權(quán)力要求28所述的方法，其中光催化劑懸浮液是25wt％的懸浮液。
30.如權(quán)力要求28所述的方法，進(jìn)一步包括將所述光催化劑懸浮液的涂層涂覆到基底上的步驟，并且所述涂覆在單一步驟內(nèi)進(jìn)行。
全文摘要
氧化鎢/二氧化鈦涂層，將空氣中吸附在該涂層上的污染物氧化為水、二氧化碳和其它物質(zhì)。氧化鎢在二氧化鈦上形成單層。當(dāng)紫外光的光子被氧化鎢/二氧化鈦光催化劑突出吸收時(shí)，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。價(jià)帶中的空穴與施加到氧化鎢/二氧化鈦光催化劑涂層上的水反應(yīng)，形成活性羥基自由基。當(dāng)空氣中的污染物吸附到氧化鎢/二氧化鈦光催化劑上時(shí)，羥基自由基進(jìn)攻污染物，從污染物奪走氫原子。羥基自由基氧化污染物，產(chǎn)生水、二氧化碳和其它物質(zhì)。氧化鎢/二氧化鈦光催化涂層對(duì)濕度變化具有低敏感性。
文檔編號(hào)B01J21/06GK1832793SQ200480022448
公開(kāi)日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2004年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月30日
發(fā)明者D·魏, T·N·奧比, S·O·海, T·H·范德斯普爾特, W·R·施密德特, J·J·桑焦文尼 申請(qǐng)人:開(kāi)利公司