本發(fā)明涉及空氣和水的凈化和消毒的領(lǐng)域，尤其涉及在利用光催化的分子和一體化處理裝置中可被用作主要功能單元的光催化元件的設(shè)計和生產(chǎn)方法。

背景技術(shù)：
在紫外光的作用下，利用二氧化鈦對有機污染物的光活化催化氧化降解是用于空氣和水凈化與消毒的先進方法。該方法是高效的、有成本效益的、環(huán)境友好的且通過將有機污染物礦化為水和二氧化碳可以消除幾乎任何有機污染物。確保它們效率和持久性的光催化處理裝置的主要功能單元是以將納米晶體催化劑和UV輻射覆蓋區(qū)中所安裝的限定形狀的載體結(jié)合的結(jié)構(gòu)的形式的光催化元件。光催化元件可以被用作在醫(yī)療機構(gòu)、兒童日托中心、學(xué)校、辦公室、影院、居住空間等中采用的空氣凈化和消毒裝置的部件，用于有效控制呼吸道感染、有毒污染物和臭味消除。已知一種用于制備光催化材料的方法(美國專利；專利號：5,919,726；公開日期：1999年7月6日)，第一階段包括在任一材料(金屬、水泥、粘土、沙子、碎石、陶瓷、塑料、木材、石頭、玻璃等)制成的基板上以任意方式涂覆(噴涂、涂刷等)具有0.05微米至2微米的厚度的亞層，該亞層含有顆粒尺寸約為20微米至50微米的硅膠，該亞層然后通過在100℃至900℃的溫度下熱處理3分鐘至30分鐘被固定。在第二階段，亞層通過液態(tài)或霧狀的四氯化鈦(可以添加水蒸氣)來處理。在第三狀態(tài)處，所獲得的材料在氧存在下在150℃至500℃的溫度下被熱處理，從而在表面上形成銳鈦型二氧化鈦。由于二氧化硅亞層的存在，得到的二氧化鈦被固定在基板上且保留其光催化性能。該方法主要被推薦用于制造具有光催化空氣凈化和消毒效果的建筑材料(瓷磚、護墻板等)。殺菌活性測試包括，在所生產(chǎn)的瓷磚上涂抹細胞懸浮液(0.5ml)。瓷磚被放入皮氏培養(yǎng)皿且蓋有石英玻璃蓋。在25℃下在1200lux熒光照明下在無菌室中3小時內(nèi)完成培養(yǎng)。在表2中給出結(jié)果。為了參考方便，沒有二氧化鈦層的瓷磚也經(jīng)受測試。最好的測試樣本表明，金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)活細胞的濃度從3100減小至135，以及肺炎克雷伯菌(Klebsiellapneumonia)活細胞的濃度從1725減小至400。上述光催化材料制備方法的主要缺點為復(fù)雜的且與使用高揮發(fā)性和有毒四氯化鈦相關(guān)的環(huán)境危險的制備方法。此外，在二氧化鈦層應(yīng)用期間，有毒的和腐蝕性氯化氫由于四氯化鈦水解的結(jié)果而產(chǎn)生。所產(chǎn)生的材料樣本的殺菌活性不足以在空氣凈化和消毒裝置中應(yīng)用。已知一種光催化空氣處理過濾器(美國專利；專利號：US6,491,883B2；專利日期：2002年12月10日)。過濾器由具有5微米至60微米厚涂層的基板組成，該涂層包括：-允許紫外光通過的顆粒(例如，玻璃顆粒或纖維)，該顆粒的最小尺寸為0.2微米至50微米，按重量計用量為5％至60％；-光催化ТiO2顆粒，其平均尺寸為0.001微米至0.02微米，按重量計用量為20％至80％；-二氧化硅顆粒，其平均尺寸為0.002微米至0.2微米，按重量計用量為10％至60％；-可選地，粘土礦物，按重量計用量為2％至20％。涂層的特點為對基板材料的良好粘合力且可以透過紫外光，然而，磨碎成分的使用，尤其是粘土粘合劑的那些成分的使用，不可以確保涂層的良好透氣性或者在涂層內(nèi)含有的光催化ТiO2顆粒的有效性能。為了制造空氣和水的凈化和消毒裝置的光催化元件，需要具有高開孔孔隙率的材料以確保被處理的介質(zhì)到光催化劑的無障礙擴散。已知一種用于運輸車輛的空氣凈化系統(tǒng)(美國，美國申請公開，公開號：US2012/0128539Al，公開日期：2012年5月24日)。該系統(tǒng)包括：空氣入口、空氣出口和用于在它們之間的空氣流動的空間。具有響應(yīng)表面的一個或多個元件和一個或多個紫外光源被安裝在該空間中。響應(yīng)表面包含催化材料且占據(jù)裝置內(nèi)表面的至少50％。二氧化鈦或含有二氧化鈦的材料被用作催化材料。發(fā)光管或發(fā)光二極管被用作紫外光源。空氣通過風扇擠過該裝置的空間。為了增大空氣與響應(yīng)表面接觸的表面積和時間，提出在過濾器殼體內(nèi)使用多種形狀的固定元件，例如，波紋狀的、螺旋的、星形的、指狀的，以及具有松散材料的形式的元件(例如，短玻璃或塑料管、球)，該松散材料充滿空氣流動所通過的整個空間。為了進一步改善凈化效率，元件的響應(yīng)表面可含有納米沸石和/或納米銀。覆蓋有催化劑的松散澆注元件的使用提供了大的與待處理的空氣接觸的響應(yīng)表面，然而，非固定元件可相對于彼此移動，由于摩擦和從裝置逸出的灰塵，從而不可避免地導(dǎo)致催化床的機械磨損，以及催化劑使用壽命變短。該裝置的有效性能需要具有高的內(nèi)部孔隙率和透氣性的固定的光催化元件。催化劑必須被涂抹在載體的整個表面(包括內(nèi)部孔的表面)。與本發(fā)明最類似的主要特征的組合具有光催化元件以及一種用于制備該光催化元件的方法(俄羅斯聯(lián)邦專利號，2151632，公開日期，1998年10月20日)，其包含限定形狀的多孔載體(優(yōu)選地，為管或板的形式)，和具有施加到載體表面的銳鈦型二氧化鈦粉末，該多孔載體由5層至10層燒結(jié)的玻璃珠制成，該銳鈦型二氧化鈦粉末具有的比表面積為100м2/g至150м2/g。該光催化元件生產(chǎn)方法包括：通過以下生產(chǎn)限定形式的載體：在低于玻璃軟化點的溫度下在由金屬、石墨或脆性材料制成的殼體中燒結(jié)直徑為0.1mm至1.5mm的玻璃珠，冷卻，從殼體移除載體，用氫氟酸蒸汽或1％至2％的溶液進行載體表面活化，將來自水懸浮液的二氧化鈦粉末涂抹到載體表面上，以及空氣干燥該載體。上述光催化元件和用于生產(chǎn)該光催化元件的方法具有下列缺點：-由于玻璃珠在低于玻璃軟化點的溫度下燒結(jié)的事實，得到的光催化元件不具有足夠的機械強度，因此，在光催化裝置運輸、裝配和操作期間存在大百分數(shù)的光催化元件破壞；-所用的二氧化鈦粉末的不足夠高的比表面積(100m2/g至150m2/g)限制了光催化元件在空氣和水凈化過程中的最大可實現(xiàn)活性；-通過上述方法(用氫氟酸蒸汽或1％至2％的溶液處理)進行的載體表面活化對于改善二氧化鈦粉末與玻璃珠粘合的強度不是十分有效，尤其是對于在水凈化裝置中所用的光催化元件。在以水蒸氣的光催化元件操作期間，二氧化鈦粉末的一部分從載體的表面移除，導(dǎo)致降低的活性和光催化元件較短的使用壽命；-在將二氧化鈦涂抹到載體上的過程中對水懸浮液pH值的缺少控制不允許最大活性的光催化元件的可持續(xù)生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種新型光催化元件，其特征在于：-增強的機械強度；-增大的催化活性；-延長的使用壽命。通過提供具有以下特征的光催化的空氣和水凈化和消毒元件來實現(xiàn)該目的：-具有限定形狀的多孔載體，孔徑為0.1mm至0.5mm，以及孔體積分數(shù)為20％至40％，包括具有表面起伏深度為0.5微米至5微米的燒結(jié)玻璃珠、以及以占總的光催化元件重量的0.5％至2％的用量涂覆到玻璃表面上的具有150m2/g至400m2/g的比表面積的二氧化鈦粉末。該目的還通過提供一種光催化元件來實現(xiàn)，其包括：-在高于玻璃軟化點5℃至20℃的溫度下，通過在給出載體所需形狀和尺寸的殼體中燒結(jié)玻璃珠來制造載體；-冷卻載體且從殼體移除載體；-通過用濃氫氟酸處理載體1分鐘至5分鐘，然后用濃硫酸處理載體1分鐘至5分鐘，形成具有0.5微米至5微米深度的載體的玻璃表面起伏；-用水沖洗載體，然后在80℃至120℃的烘箱中干燥；-通過將具有pH＝2.9±0.1的二氧化鈦水懸浮液涂覆到載體上，使占總的光催化元件重量的0.5％至2％用量的比表面積為150m2/g至400m2/g的二氧化鈦粉末涂覆所燒結(jié)的珠的玻璃表面；-在150℃至200℃下的烘箱中干燥所完成的光催化元件。在高于玻璃軟化點5至20℃的溫度下進行的玻璃珠燒結(jié)，可以提供載體的高的機械強度而同時保留高的開孔孔隙率(20％至40％的0.1mm至0.5mm孔)。通過濃的氫氟酸和硫酸溶液進行的燒結(jié)玻璃珠表面改性，能夠提供0.5微米至5微米的玻璃表面起伏深度，其確保了二氧化鈦粉末強有力地結(jié)合在載體表面處且在被凈化的空氣或水的流中保留在載體表面處。下圖示出在酸處理之前(1)和之后(2)的燒結(jié)珠的表面的顯微照片。該起伏不是通過蒸汽或稀的氫氟酸溶液的常規(guī)表面活化來實現(xiàn)。附圖說明圖1示出酸改性之前(1)和之后(2)的載體表面。當將二氧化鈦粉末涂覆到載體表面上時，確定光催化元件的最終活性的最重要因素是從中施用粉末的水懸浮液的pH值。在pH＝2.9±0.1處實現(xiàn)最大活性?？紤]到光催化劑活性對介質(zhì)的pH值的極大依賴性(圖2)，懸浮液的特定酸度(рН＝2.9±0.1)在二氧化鈦粉末涂覆期間必須嚴格遵守。結(jié)合使用具有高比表面積(150m2/g至400m2/g)的二氧化鈦粉末的該技術(shù)允許生產(chǎn)具有最大活性的光催化元件。圖2示出隨著懸浮液的pH值變化的二氧化鈦的光催化活性。具體實施方式本發(fā)明的實質(zhì)通過以下實施方式來說明。實施方式1玻璃珠(0.8mm至1mm的部分)被倒入以充滿具有86mm外直徑、6mm寬度和420mm高度的圓柱形可拆卸的不銹鋼殼體。該殼體被放入烘箱，在烘箱中，在高于玻璃化軟化點15℃的溫度(約690℃)下持續(xù)1小時20分鐘進行玻璃珠的燒結(jié)。在冷卻到室溫之后，該殼體被拆開，然后移除得到的多孔玻璃管形式的載體。然后通過以下將載體表面改性：首先浸入濃氫氟酸中持續(xù)1分鐘，然后用水沖洗，然后用濃硫酸處理3分鐘，用水沖洗，然后在100℃下的烘箱中干燥直到完全脫水。水懸浮液由蒸餾水和銳鈦型二氧化鈦粉末制成，該銳鈦型二氧化鈦粉末具有的比表面積為350м2/g且二氧化鈦的重量百分比含量為10％。逐滴加入稀硫酸，使懸浮液的pH值為2.9±0.1。干載體被浸入得到的懸浮液中、移除、然后在150℃下的烘箱中干燥。所完成的光催化元件包含：-包括具有改性表面的燒結(jié)玻璃珠的多孔管狀載體，長為420mm，直徑為86mm且壁厚為6mm；-銳鈦型二氧化鈦粉末，其具有的比表面積為350m2/g，用量為12g/個元件。另一個光催化元件被制備作為參照樣品。該樣品的制備步驟僅具有以下不同：沒有進行表面改性操作。在珠的表面上沒有觀測到起伏。在完成的光催化元件中的二氧化鈦含量為10g。根據(jù)該實施方式所生產(chǎn)的樣品(主要樣品1號、參照樣品2號)在含有大腸桿菌(Escherichiacoli)培養(yǎng)物的水的凈化的過程中進行測試。根據(jù)測試方式，含有大腸桿菌細胞的水通過豎向安裝的光催化元件的壁以2l/min的流速循環(huán)。紫外燈被安裝在管的內(nèi)部，利用波長為320納米至405納米的紫外光，且在紅外波段為9W功率，照亮光催化元件的內(nèi)表面。以一定的時間間隔采集水樣品，然后涂抹在皮氏培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)基上。在培養(yǎng)基中生長的菌落的數(shù)量在48小時之后被計算。此外，在10小時的連續(xù)水流之后，通過測量干燥的光催化元件的重量，檢測由水蒸氣夾帶的二氧化鈦。測量結(jié)果在表1中給出。表1測試結(jié)果表明，通過給予玻璃表面異形形狀對載體的改性，當由懸浮液施加時，增大了二氧化鈦粉末的捕獲，該改性提供了催化劑與載體的更強的粘合且增強了光催化元件的總體光催化活性。實施方式2玻璃珠(0.8mm至1mm的部分)被倒入以充滿在可拆卸的不銹鋼殼體中的長度60mm、寬度5mm和高度400mm的扁管。進一步燒結(jié)，載體表面改性和催化劑涂膜操作以與實施方式1中相同的方式進行。所完成的光催化元件包含：-尺寸為400mm□60mm□5mm的平行六面體形式的多孔載體，該載體包括具有改性表面的燒結(jié)玻璃珠；-銳鈦型二氧化鈦粉末，其比表面積為350m2/g，用量為2g/個元件。除了二氧化鈦粉末從pH＝4.5的懸浮液被涂覆到載體上之外，以相同方式生成參照測試樣品。表2根據(jù)該實施方式所制備的樣品(主要樣品3號、參照樣品4號)在空氣中丙酮蒸汽的光催化氧化的反應(yīng)下進行測試。測試在體積為300l的密封箱中進行，其中，安裝具有受試樣品的反應(yīng)容器、類似于在實施方式1中所采用的紫外燈的紫外燈、以及提供空氣流動的風扇。通過蒸發(fā)所需量的液態(tài)丙酮來獲得初始的蒸汽濃度，達到100ppm。在UV燈打開之后，丙酮的濃度和其氧化最終產(chǎn)物(CO2)的濃度隨時間通過氣體傳感器進行測量。測試結(jié)果在表2中給出。結(jié)果表明，樣品1具有更大的催化活性，二氧化鈦已經(jīng)從pH＝2.9±0.1的懸浮液中被沉積在樣品1上。