一种真空紫外光催化净化空气和水的装置 【技术领域】
本发明涉及一种净化空气和水的装置，尤其是一种真空紫外光催化净化空气和水的装置。
背景技术
室内空气中存在的颗粒物、病原微生物、挥发性有机物等污染物，危害人们的身体健康。现在采用的室内空气净化方法主要有过滤、吸附、静电除尘、臭氧氧化消毒、负氧离子、光催化法等。
过滤法可有效地去除颗粒物、烟雾、灰尘等。高效过滤材料(HEPA)具有耐高温、耐腐蚀和防水、防霉的特性，可有效地捕集0.3μm以上的可吸入颗粒物、烟雾、灰尘、细菌等，过滤效率达99.97％以上。但是，HEPA过滤法的缺点是无法去除空气中的挥发性有机物。高压静电除尘装置可以将空气中污染物电离、吸附，其除尘效率主要取决于电场强度、尘粒大小、气流速度及尘粒在集尘段的停留时间。
吸附法是目前广泛应用的室内空气净化方法，具有广谱、高效地特点。吸附法的主要缺点是具有吸附饱和性，需要定期更换多孔吸附材料。风量、有害物质浓度直接影响其工作寿命和吸附效率。
臭氧氧化法可有效消毒、除臭和降解有机物，但臭氧的毒性大，在臭氧消毒过程中人不能进入现场，臭氧浓度较高时(＞1ppm)容易引起咳嗽等不适感觉，更高浓度的臭氧给人体健康带来更加严重的危害，所以单纯臭氧型空气净化器没有应用价值。美国环保署已明令禁止臭氧发生器作为空气净化设备。此外，臭氧氧化作用有选择性，对许多挥发性有机物(如甲苯)没有降解作用。
光催化方法是20世纪70年代发展起来的新技术，可以去除水和空气中的有机污染物，并具有杀菌、消毒的作用。光催化技术一般利用紫外光源(如发射254nm紫外线的低压汞灯、发射365nm紫外线的黑光灯等)照射具有光催化活性的半导体催化剂，如二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化钨(WO3)等，半导体催化剂的价带电子受到紫外光的激发后跃迁至导带，在导带生成一个具有强还原能力的电子，而在价带则出现一个强氧化性的空穴。
由于紫外光激发半导体产生的空穴及其迁移到半导体表面被水或羟基俘获后形成的羟基自由基具有极强的氧化能力，可以氧化降解空气和水中的绝大多数污染物，如挥发性有机物、消毒副产物、内分泌干扰物等有机污染物，并可以把各种细菌、病毒等杀死，所以可以起到净化空气和水的作用。与活性炭吸附不同的是，它不是简单地将污染物从某一相转变到另一相，或简单地将污染物浓缩，而是一种可彻底去除污染物的净化技术，同时还具有杀菌消毒作用。但是，目前的光催化剂活性不高，光催化净化空气和水的效率低，需要处理的时间长，能耗高，同时还可能出现催化剂失活的情况。所以，如何提高光催化的效率，提高光催化技术的经济性，同时避免光催化剂的失活，是光催化实际应用中需要解决的问题。
真空紫外光是波长在200nm以下的紫外光线，常见的有两种真空紫外光源：一种是低压汞灯，除发射253.7nm的远紫外线外，还发射185nm的真空紫外线；另一种是准分子光源，例如，氙准分子光源可以发射172nm的真空紫外线。由于185nm真空紫外线会光解空气中的氧气生成臭氧而导致危害，所以使用低压汞灯作为光催化光源时，通常采用不发射185nm的低压汞灯，例如在用作灯管的石英中掺入二氧化钛可以使低压汞灯不发射185nm紫外线。
当采用能发射185nm紫外线的低压汞灯做光源时，这种灯发射的主要光线是253.7nm及少量的185nm紫外线。185nm的紫外线辐射空气和水时，会发生以下作用：
(1)直接光解空气和水中的污染物或杀死病原微生物。不过，因为低压汞灯所发射的185nm真空紫外线比较弱，所以这一作用十分有限，对污染物降解的贡献较小。
(2)通过以下反应光解水分子和氧气形成羟基自由基(OH·)：
在水中，因为氧气的含量相对水较少，所以一开始真空紫外线主要被水吸收，水分解而产生强氧化性的羟基自由基(OH·)。而在空气中，水蒸汽的浓度远远低于氧气的浓度，所以氧气光解而形成羟基的途径是更重要的。由于水和氧气对185nm紫外线有较强的吸收，185nm紫外线在较短的光程内被全部吸收。水和氧气分子光解而形成的羟基自由基、活性氧原子可以快速有效地降解污染物。
如氧气光解产生的氧原子未与污染物或水反应完全，则会与氧气反应生成臭氧：
生成过多的臭氧是有害的，也是不希望产生的。
发明创造内容
本发明的目的是提供一种真空紫外光催化净化空气和水的装置，可以更加经济有效的去除空气和水中的污染物。
本发明提供的真空紫外光催化净化空气和水的装置，包括能发射185nm紫外线的低压汞灯和光催化剂。
为了使净化装置的效果更好，所述装置还包括过滤网和风机，还可以包括反应器。
其中，光催化剂可以是具有光催化活性的半导体催化剂，如二氧化钛、氧化锌、三氧化钨等。所述光催化剂可以做成网状或板状催化剂的形式，可以固定在反应器的内壁，或者涂覆在紧贴反应器内壁的金属薄片上。
本发明真空紫外光催化净化空气和水的装置，以能发射185nm紫外线的低压汞灯作为光催化的光源，这种灯发射的主要光线是253.7nm及少量的185nm紫外线，与光催化剂联合使用具有以下优点：
(1)253.7nm的紫外线可以作为光催化剂的光源，产生光催化作用，而不需要额外的光源；而185nm真空紫外线在很短的距离内被吸收，一般不会照射到光催化剂表面，所以通常不会成为光催化的光源。
(2)185nm真空紫外线光解产生的臭氧可以作为光催化过程中的电子捕获剂，从而提高光催化反应的效率。在空气中，光催化剂的存在还可以起到降低臭氧浓度的作用。
(3)185nm真空紫外线可以直接降解污染物及光解水或氧气产生的羟基自由基降解污染物。
本发明巧妙的结合了真空紫外光解和光催化两者的作用，即反应过程中既有真空紫外光解作用，又有光催化作用，真空紫外光激发空气和水产生的臭氧又促进了光催化作用，避免或降低了单独反应的缺点，即真空紫外光解产生大量臭氧和光催化的反应速率较低。同时，本发明装置并不是简单的真空紫外光解和光催化作用的叠加，它比单独的真空紫外光解和光催化作用有更高的反应速度，同样的能耗下有更好的净化效果，可以提高效率、降低成本。本发明装置可以用于空气和水的净化，尤其是室内空气和饮水的净化，可以去除空气和水中的各种有机污染物，以及病原微生物，具有重要的实际应用价值。
【附图说明】
图1为真空紫外光催化净化空气装置流程图
图2为真空紫外光催化净化空气装置流程图
图3为空气中正己烷降解率与浓度关系曲线图
图4为空气中正己烷降解率与时间关系曲线图
图5为空气中甲苯降解率与浓度关系曲线图
图6为空气中甲苯降解率与时间关系曲线图
【具体实施方式】
实施例1：真空紫外光催化净化空气装置
本发明真空紫外光催化净化空气的装置如图1所示，包括过滤装置1、网状催化剂二氧化钛2、发射185nm紫外光的低压汞灯3、网状催化剂二氧化钛4和风机5。风机5抽取待净化空气，首先通过过滤装置1，去除空气中的颗粒物，经过网状催化剂二氧化钛3的催化净化后，到达低压汞灯3，进行紫外光解，这也是臭氧发生层，再次经过网状催化剂二氧化钛4的催化净化，去除真空紫外光解产生的臭氧，同时也去除空气中的有机污染物和病原微生物，从而达到净化空气的作用。
实施例2：真空紫外光催化净化空气装置
本发明真空紫外光催化净化空气的装置如图2所示，包括过滤装置1、风机2、发射185nm紫外光的低压汞灯3和板状光催化剂三氧化钨4。风机2抽取待净化空气首先通过过滤装置1，去除空气中的颗粒物，经过风机到达低压汞灯3，进行紫外光解，这也是臭氧发生层，最后经过板状催化剂三氧化钨的催化净化，去除真空紫外光解产生的臭氧，同时也去除空气中的有机污染物和病原微生物，从而达到净化空气的作用。
实施例3、用本发明装置降解空气中的正己烷
正己烷是典型的室内空气中的挥发性有机物，被推荐作为测试室内空气净化器的模型污染物。正己烷的降解在一个体积为1.44升的圆柱型装置内进行，在圆柱反应器的中心放置一支15W的能发射185nm紫外线的低压汞灯，紧贴圆柱反应器的内壁放置负载二氧化钛光催化剂的铝片，含正己烷的空气从反应器一端流入，处理后的气体从另一端流出。当进行真空紫外光解时，则不放置负载二氧化钛的铝片；当进行光催化降解时，则用一支不发射185nm的15W低压汞灯做光催化的光源。在各种条件下，真空紫外光催化降解正己烷的效果要远远好于真空紫外光降解和光催化。
结果如图3所示，在流量为12L/min，空气相对湿度为35％的条件下，无论正己烷的浓度高或低，真空紫外光催化对正己烷的去除率均比真空紫外光解高出约15-20个百分点，而比光催化高出18-25个百分点。
在正己烷浓度约3ppm，相对湿度35％的条件下，无论处理时间的长短，真空紫外光催化对正己烷的去除率均比真空紫外光解高出约7-12个百分点，比光催化的去除率高出约15-20个百分点，结果如图4所示。
实施例4：用本发明装置降解空气中的甲苯
甲苯是室内空气中常见的污染物，也是测试空气净化器性能的模型污染物之一。甲苯的降解在一个体积为1.44升的圆柱型装置内进行，在圆柱反应器的中心放置一支15W的能发射185nm紫外线的低压汞灯，紧贴圆柱反应器的内壁放置负载二氧化钛光催化剂的铝片，含甲苯的空气从反应器一端流入，处理后的气体从另一端流出。当进行真空紫外光解时，则不放置负载二氧化钛的铝片；当进行光催化降解时，则用一支不发射185nm的15W低压汞灯做光催化的光源。在各种条件下，真空紫外光催化降解甲苯的效果要远远好于真空紫外光降解和光催化。
当流量为12L(即处理时间为7.2s)、相对湿度为35％时，真空紫外光催化对各种浓度的甲苯均有较高的去除率，例如初始浓度为0.55ppm的甲苯的去除率为63％，而光催化仅为34％。其它浓度下真空紫外光催化对甲苯的去除率也比光催化高25-30个百分点。真空紫外光催化也比真空紫外光解有更高的去除率，高4-25个百分点。结果如图5所示。
当甲苯为1ppm，相对湿度为35％，在较短的处理时间内真空紫外光催化对甲苯都有较高的去除率。例如处理4.6s的去除率为37％，处理5.4s的去除率为49％，处理17.3s的去除率为75.6％。而经真空紫外、光催化处理4.6s后的去除率分别为18.7％和15.2％；处理17.3s后的去除率分别为65.5％和65.1％，均比真空紫外光催化低得多。因为室内空气净化均是在很大流量(即很短的处理时间)下进行的，大流量下真空紫外光催化的优势会更加明显。结果如图6所示。
实施例5：用本发明装置净化水中的污染物
本发明真空紫外光催化净化水的装置如图7所示。包括反应器1、带石英套管的发射185nm紫外光的低压汞灯2、涂覆在反应器内壁的光催化剂或紧贴反应器内壁放置的涂覆光催化剂的金属薄片3。在一个体积为0.8L的圆柱型反应器中测试真空紫外光催化净化水中污染物的效果。带石英套管的低压汞灯放置在反应器中间，催化剂固定在反应器的内壁，或者涂覆在金属薄片，金属薄片紧贴反应器内壁放置。当进行真空紫外光催化降解时，采用一支能发射185nm紫外光的15W低压汞灯做光源；当进行真空紫外光解时，则没有催化剂，仍以一支能发射185nm紫外光的15W低压汞灯做光源；当进行光催化降解时，采用一支不能发射185nm紫外光的低压汞灯做光源。
试验了4-氯苯酚、2，4-二氯苯酚、对硝基酚、对苯二酚、4-氯苯甲酸等多种污染物的降解，真空紫外光催化均比光催化、真空紫外降解具有更好的降解效果，能加快反应速率。例如对于4-氯苯酚，真空紫外光催化降解的一级反应速率常数为1.183min-1，而真空紫外光解和光催化分别为0.815min-1和0.677min-1，分别提高了45％和75％；2，4-二氯苯酚的真空紫外光催化反应速率常数为0.7229min-1，而光催化仅为0.0669min-1，提高了9.8倍；对苯二酚真空紫外光催化的反应速率也是光催化的6倍，比真空紫外光解提高了30％；4-氯苯甲酸的真空紫外光催化反应速率常数比真空紫外光解速率常数提高了50％。其结果如表1所示。
表1真空紫外光催化降解污染物的一级反应速率常数(l/min)污染物真空紫外光催化真空紫外光解光催化4-氯苯酚1.183 0.815 0.6772，4-二氯苯酚0.7229 - 0.0669对苯二酚0.606 0.466 0.0994-氯苯甲酸0.725 0.484 -