用于降解混合氣體的光催化過濾器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于降解混合氣體的光催化過濾器及其制造方法，尤其涉及一種其表面具有加強的吸收性能以便包含在競爭反應中較遲反應的氣體的混合氣體能夠從光催化反應的初始階段被降解的光催化過濾器及其制造方法。該方法包括如下步驟：將作為光催化劑的二氧化鈦(TiO2)納米粉末和一種或多種金屬復合物分散在水中以制備光催化分散體；用該光催化分散體涂覆支撐體；干燥對經(jīng)涂覆的支撐體；以及燒結(jié)經(jīng)干燥的支撐體。該光催化過濾器包括支撐體、以及涂覆在支撐體上的光催化劑和一種或多種金屬復合物。
【專利說明】
用于降解混合氣體的光催化過濾器及其制造方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及光催化過濾器及其制造方法，更具體地設及一種其表面具有加強的吸 收性能W便包含在競爭反應中較遲反應的氣體的混合氣體能夠從光催化反應的初始階段 被降解的光催化過濾器，W及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 在本文中，術語"光催化反應"是指使用諸如氧化鐵（Ti化）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、銀和銷的電沉積、有機材料的降解等。此 外還有嘗試將運種光催化反應用于新的有機合成反應、超純水的生產(chǎn)等。
[0003] 存在于空氣中的有毒氣體或具有刺激性氣味的物質(zhì)（諸如氨、醋酸W及乙醒）通 過上述光催化反應被降解，并且在具有光源（例如紫外光源）和涂覆有光催化材料的過濾 器的情況下，基于運種光催化反應的空氣凈化設備可W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W被再生W恢復其光催化效率，然后能夠重新進行使用。因 此，光催化過濾器可被稱作是半永久性的。
[0004] 具體地，在將紫外LED燈用作紫外光源時，其相比于普通水銀燈或類似物的優(yōu)勢 在于它具有綠色環(huán)保性，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。 陽〇化]然而，不同于在空氣通過時W物理的方式收集大灰塵顆粒的普通過濾器（諸如預 濾器或肥PA過濾器），光催化過濾器被構(gòu)造成使得在空氣通過過濾器的過程中被吸附于過 濾器表面上的有毒氣體被通過光催化反應產(chǎn)生的基團（諸如0H)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，空氣中的有毒氣體會在空氣多次通過光催化過濾器時被降解。
[0006] 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(jié)構(gòu)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。
[0007] 與此同時，已知當空氣中含有多種不同的有毒氣體時，運些有毒氣體按照其吸附 于光催化過濾器表面上的順序被降解。因此，在運些有毒氣體中，W較高速率吸附到光催化 表面中的氣體更快地被降解，W較低速率吸附到光催化表面中的氣體要在W較高速率被吸 附的氣體發(fā)生一些降解之后在光催化表面上發(fā)生吸附和降解。
[0008] 由韓國空氣凈化協(xié)會提供的除臭性能測試法是一種評價乙醒、氨和醋酸Ξ種氣體 的混合物的去除率的方法。按照運種測試方法進行實驗得到的結(jié)果表明，市場有售的Ti〇2 光催化劑對運些氣體中的乙醒表現(xiàn)出低的去除率。運是因為在競爭反應中乙醒比其它氣體 晚發(fā)生反應。換言之，普通的光催化過濾器被構(gòu)造成先降解在競爭反應中先反應的有毒氣 體，再降解稍后反應的有毒氣體。
[0009] 從空氣過濾器的角度來看，普通光催化過濾器的運種習性是并不理想的。對于利 用光催化反應的空氣過濾器而言，降解有毒氣體的性能是重要的，且針對所有類型的有毒 氣體的降解性能都應當是優(yōu)良的，所有類型的有毒氣體都需要從光催化反應的初始階段就 被降解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 各種實施例旨在解決上述問題并且提供一種即使在混合氣體通過時也對各種氣 體均表現(xiàn)出高去除率的光催化過濾器，W及提供一種用于制造該光催化過濾器的方法，其 中所述過濾器的光催化劑對于基底或襯底具有高的粘附力。
[0011] 在一個實施例中，一種用于制造光催化過濾器的方法包括：將作為光催化劑的 二氧化鐵（Ti〇2)納米粉末和一種或多種金屬復合物分散在水中W制備光催化分散體 (dispersion);用該光催化分散體涂覆支撐體；對經(jīng)涂覆的支撐體進行干燥處理；W及對 經(jīng)干燥的支撐體進行燒結(jié)處理。
[0012] 在另一實施例中，光催化過濾器包括：支撐體；W及涂覆在支撐體上的光催化材 料和金屬復合物。
【附圖說明】
[0013] 圖1示出了作為時間的函數(shù)，普通光催化過濾器和本發(fā)明的光催化過濾器對空氣 中有毒氣體（氨、乙醒和醋酸）的去除率；
[0014] 圖2是光催化過濾器80和紫外線0JV)發(fā)光二極管襯底55的排列的透視圖；
[0015] 圖3是光催化過濾器80的頂視圖；
[0016] 圖4為表示兩個具有不同高度化）的光催化過濾器的乙醒清除速度的圖；
[0017] 圖5為表示兩個具有不同高度化）的光催化過濾器的乙酸清除速度的圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面將參照附圖更詳細地描述示例性實施例。然而，本發(fā)明可W具有不同的實現(xiàn) 形式，不應被解釋成局限于文中提出的實施例。相反地，提供運些實施例是為了使本說明書 徹底完整，W及向本領域技術人員充分傳達本發(fā)明的精神。
[0019] 本文獻中公開的技術可被用于提供一種光催化過濾器，其中通過將金屬引入過濾 器中的二氧化鐵光催化劑使其對于乙醒、氨和醋酸氣體混合物具有改善的吸收性。一種用 于制造對于乙醒、氨和醋酸氣體混合物具有改善的吸收性的光催化過濾器的示例性方法包 括如下步驟：通過將二氧化鐵納米粉末和一種或多種金屬復合物分散在水中來提供光催化 分散體液體，用該光催化分散體液體涂覆光催化支撐體，干燥經(jīng)涂覆的光催化支撐體，W及 燒結(jié)經(jīng)干燥的光催化支撐體。
[0020] 基于所公開技術的光催化過濾器包括光催化支撐體和形成在光催化支撐體上的 光催化材料。暴露在紫外光下，光催化材料受到光學激發(fā)，從而引起與（例如通過物理吸 附）粘附在涂覆于光催化支撐體上的光催化材料上的一種或多種目標污染物的催化反應， 因此從氣體介質(zhì)中去除運些污染物。目標污染物可W是微生物或其它生物材料，或者一種 或多種化學物質(zhì)?？蒞包括紫外光源（諸如紫外LED)來將紫外光引導至光催化支撐體上 所形成的光催化材料上。運種光催化過濾器可W被用作空氣過濾器或用于其它過濾器應用 場合。光催化材料可W包括例如二氧化鐵納米粉末和一種或多種金屬復合物。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明實施例的光催化過濾器包括添加到普通光催化Ti〇2材料上的鶴（w) 和鐵（Fe)金屬復合物，且因此對混合氣體表現(xiàn)出高去除率。換言之，根據(jù)本發(fā)明，Ti〇2光催 化劑表面的酸性可W通過向Ti化光催化劑添加金屬復合物得到調(diào)節(jié)，因此，TiO 2光催化劑 吸收氣體復合物的能力可W得到提高，從而提高Ti化光催化劑對有毒氣體的去除能力。 陽似]用于制推化催化過濾器的方法
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的用于制造光催化過濾器的方法如下。該方法可W包括W下步驟：將 光催化Ti〇2納米粉末、鶴（W)復合物和鐵（Fe)復合物分散于水中W制備光催化分散體；用 光催化分散體涂覆多孔陶瓷蜂窩狀支撐體；對經(jīng)涂覆的支撐體進行干燥；W及對經(jīng)干燥的 支撐體進行燒結(jié)。
[0024] 市場有售的EvonA P25粉末可用作Ti化納米粉末。
[0025] 本發(fā)明采用的W復合物可W是H2WO4、W〇3、WCle、CaW〇4或類似物，本發(fā)明采用的化 復合物可W是化化、FeC!3、化2〇3、Fe (N03) 3或類似物。在本發(fā)明的示例性實施例中，W復合 物采用H2WO4, Fe復合物采用化2〇3。
[00%] 在運些W復合物中選用H2WO4 (氧化鶴水合物）的原因是為了在光催化納米粉末中 引入W〇3。換言么H2WO4被用作用于引入W〇3的前驅(qū)物。
[0027] 用于在光催化納米粉末中引入化的復合物包括化CI3、化2〇3、Fe(N〇3)3等。在運些 復合物中，化CI3和化(NO 3) 3在與Η 2胖〇4混合的過程中引發(fā)問題，或者不會表現(xiàn)出光催化活 性上的提高。然而，運些實驗結(jié)果表明，Ρθ2〇3能顯現(xiàn)出與H2WO4的協(xié)同效應。因此，優(yōu)選W 化2〇3作為化復合物。 陽0測 W Ti〇2的總摩爾數(shù)為基準，H2WO4可按照0. 0032-0. 064摩爾％的量來使用，化2〇3 可按照0. 005-0. 05摩爾％的量來使用。優(yōu)選地，W Ti〇2的總摩爾數(shù)為基準，Η 2胖〇4可按照 0. 016-0. 048摩爾％的量來使用，F(xiàn)e2〇3可按照0. 005-0. 025摩爾％的量來使用。
[0029] 金屬材料、活性炭、陶瓷材料或類似物均可被用作光催化納米粉末的支撐體。在 本發(fā)明的示例性實施例中，多孔陶瓷蜂窩狀材料被用作支撐體W提高光催化復合物的粘附 力。當多孔陶瓷蜂窩材料被用作支撐體時，光催化納米粉末的分散體在涂覆步驟中滲入陶 瓷材料的孔桐中，運些光催化納米顆粒在干燥步驟之后被錯固在孔桐中，從而提高光催化 納米顆粒與陶瓷材料的粘附力。如果金屬材料被用作支撐體，則相比于將光催化納米顆粒 粘附到陶瓷材料上，將光催化納米顆粒粘附到金屬材料上會更難些。此外，盡管活性炭具有 孔桐，但是在某些情況下，它在燒結(jié)過程中會裂開，因此將其用作支撐體是并不理想的。
[0030] 在制備光催化分散體的工藝中，利用基于娃酬的分散劑來使EvonikP25Ti〇2粉末、 W復合物和化復合物分散。W P25Ti〇2粉末、W復合物和化復合物的總重量為基準，基于 娃酬的分散劑按照0. 1-lOwt%的量來使用。更確切地說，0. 1-lOwt%的基于娃酬的分散劑 被溶解在水中，然后利用磨機將P25Ti化粉末、W復合物和化復合物添加到溶液中并分散， 從而獲得固體含量占分散體重量的20-40wt%的Ti〇2分散體。在此，可W使用一種或多種 分散劑。
[0031] 在涂覆步驟中，用上述制備的光催化分散體浸涂多孔陶瓷支撐體。在浸涂過程中， 使涂覆光催化分散體的支撐體站立1-5分鐘，W便光催化分散體能夠被充分吸收到陶瓷材 料的孔桐中。
[0032] 在干燥步驟中，在150-200°C下的干燥器中，將涂覆有光催化劑的陶瓷支撐體保持 3-5分鐘W便將水分去除。
[0033] 在燒結(jié)步驟中，經(jīng)干燥步驟獲得的涂覆有光催化劑的陶瓷蜂窩支撐體在 400-500°C下的電爐中燒結(jié)2-3小時。實驗結(jié)果表明，當燒結(jié)溫度低于300°C時，涂覆的光催 化劑會脫離支撐體，當燒結(jié)溫度在40(TC- 50(TC之間時，光催化劑對支撐體具有高的粘附 力。從實驗結(jié)果可W看到，光催化劑的粘附力在很大程度上受到燒結(jié)溫度的影響。
[0034] 混合氣體去除連輪
[0035] 分別利用只涂覆Ti〇2的普通光催化過濾器和根據(jù)本發(fā)明的光催化過濾器，在lm3 的空腔內(nèi)進行混合氣體去除實驗。混合氣體中各種氣體的濃度為lOppm。普通光催化過濾 器和本發(fā)明的光催化過濾器在支撐體上分別裝載有2. 5g的光催化劑，并且利用相同的紫 外光源來進行紫外光照射。
[0036] 根據(jù)本發(fā)明的光催化過濾器中各組分之間的摩爾比如下JiOz/UWCV化2〇3 =1. 0/0. 032/0. 01 JiOz/UWCV化2〇3= 1. 0/0. 032/0. 015 ; W 及 TiO 2/H2WO4/化2〇3 = 1. 0/0. 032/0. 02。
[0037] 測試只涂覆Ti〇2的普通光催化過濾器和根據(jù)本發(fā)明的光催化過濾器的去除混合 氣體的能力。實驗結(jié)果在下面的表格1和2中示出。如表格中所示，在利用只涂覆Ti化的 普通光催化過濾器進行的混合氣體的去除實驗中，實驗開始后30分鐘乙醒仍未被除去，并 且是在其它氣體已被除去一些之后才開始被去除。然而，在利用本發(fā)明的光催化過濾器進 行的除臭實驗中，乙醒從實驗的初始階段就被去除，并且本發(fā)明的光催化過濾器對氨的去 除率也高于利用普通光催化過濾器顯示的結(jié)果，運意味著本發(fā)明的光催化過濾器在去除所 有氣體的能力方面有所改善。
[0038] 表格1 :反應開始后30分鐘時的去除率
[0039]
[0040] 表格2 :反應開始后120分鐘時的去除率 [0041 ]
[0042] 總?cè)コ浚ǎ?) = {(CHsC冊去除率）X 2+畑3去除率+CH sCOOH去除率} /4。 陽0創(chuàng)[摩爾比]
[0044] TiOz/UWCy化2〇3= 100/10/2 重量比燈io 2/H2WO4/化2〇3= 1. 0/0. 032/0. 010 摩爾 比）；
[0045] TiOz/UWCy化2〇3= 100/10/3 重量比燈io 2/H2WO4/化2〇3= 1. 0/0. 032/0. 015 摩爾 比）；
[0046] TiOz/UWCy化2〇3= 100/10/4 重量比燈io 2/H2WO4/化2〇3= 1. 0/0. 032/0. 020 摩爾 比）。
[0047] 此外，從上述實驗結(jié)果中可W看到，對包括Ξ種不同氣體（乙醒、氨和醋酸）的混 合氣體中的各種氣體均表現(xiàn)出高去除率且表現(xiàn)出光催化劑與支撐體的高粘附力的光催化 過濾器優(yōu)選為具有TiOz/UWCV化2〇3= 1. 0/0. 032/0. 015的摩爾比且通過在400°c- 500°C 之間的溫度下燒結(jié)而制造的光催化過濾器。 W48] 圖1和下面的表格3示出了普通P25光催化過濾器與具有TiOz/UWCV化2〇3 = 1. 0/0. 032/0. 015的摩爾比的本發(fā)明的光催化過濾器之間除臭性能的比較結(jié)果。 W例表格3 陽化0]
陽化U 如上表3和圖1中所示，具有TiOz/UWCV化2〇3= 1. 0/0. 032/0. 015的摩爾比的本 發(fā)明的光催化過濾器具有明顯優(yōu)于普通P25光催化過濾器的除臭性能。
[0052] 如上所述，本發(fā)明的光催化過濾器對包括Ξ種不同氣體（乙醒、氨和醋酸）的混合 氣體中的各種氣體均表現(xiàn)出高的去除率。除了運些氣體及其組合之外，即使是其他氣體，如 果運些氣體也被很好地吸收到光催化過濾器表面上，則本發(fā)明的光催化過濾器也對那些其 它氣體及其組合物有效。
[0053] 如上所述，根據(jù)本發(fā)明的光催化過濾器對混合氣體中各種氣體均表現(xiàn)出高的去除 率。
[0054] 此外，根據(jù)用于制造根據(jù)本發(fā)明的光催化過濾器的方法，光催化劑對支撐體具有 高的粘附力。 陽化5] 圖2是光催化過濾器80和紫外線0JV)發(fā)光二極管襯底55的排列的透視圖，圖3 是光催化過濾器80的頂視圖。
[0056] 參考圖2,用于殺菌的紫外線發(fā)光二極管被設置在紫外線發(fā)光二極管襯底55的中 屯、部分上，且用于光催化激活的Ξ個紫外線發(fā)光二極管57圍繞紫外線發(fā)光二極管設置。特 別地，用于光催化激活的紫外線發(fā)光二極管57將向著光催化過濾器80福照紫外線光。
[0057] 如圖3所示，光催化過濾器80包括：催化劑部分81，其通過燒結(jié)覆蓋在具有方格 子圖案的陶瓷多孔材料上的Ti化（二氧化鐵）、W和化得到；彈性緩沖器82,覆蓋催化劑部 分的側(cè)面。
[0058] 圖4為表示兩個具有不同高度化）的光催化過濾器的乙醒清除速度的圖，圖5為 表示兩個具有不同高度化）的光催化過濾器的乙酸清除速度的圖。
[0059] 實驗的結(jié)果表明，在光催化過濾器具有圖3所示的形狀的情況下，光催化劑的表 面面積，其由于光催化過濾器的腔（chamber)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影響內(nèi)部空氣流動通路的內(nèi)壁面 積，因此直接影響空氣的接觸面積。
[0060] 因此，可W看到，當光催化過濾器的高度為5-lOmm時，光催化過濾器的除臭效率 為最高。另外，當高度減少到2mm W下時，光催化過濾器難W使用，因為其微弱的強度，而且 當高度為15mm W上時，僅空氣阻力增加，紫外線光不能到達光催化過濾器的背后部分或它 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。
[0061] 而且，可W看到，當每個腔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福照到它的紫外線光造成的光催化過濾器的內(nèi)壁的陰影面積比率 不高，表示2mm的腔寬度是最適合于最大化光催化過濾器的內(nèi)壁的紫外線光福照面積比率 的。同時，當腔寬度減小到1mm W下時，空氣阻力增加，到達內(nèi)壁的紫外線光量減少，表明除 臭效率低。另外，腔寬度為4mm W上時，由于腔的密度低導致內(nèi)壁的整體面積減少，表明除 臭效率低。
[0062] 關于與上述的每個腔的寬度（g)相關的腔密度，當腔的密度低于30腔/英寸2或 更少時，腔寬度增加到4mm W上，內(nèi)壁面積減小，表明除臭效率低。當腔的密度是260腔/ 英寸2W上時，腔寬度減少到1mm W下，空氣阻力增加，且達到內(nèi)壁的紫外線光亮減少，表明 除臭效率低。當腔密度為大約100腔/英寸2時，空氣阻力沒有增加，且由過濾器本身的形 狀堵住了福照到它的紫外線光造成的過濾器的內(nèi)壁的陰影面積比率不高，表明除臭效率最 局。
[0063] 關于腔的框架厚度（t)的實驗結(jié)果表明，當框架厚度為0. 3mm W下時，Ti化層變得 太薄，且因此光催化效率減少，強度不夠。當框架厚度為1. 2mm W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。
[0064] 盡管前面已經(jīng)描述了各種實施例，但是本領域技術人員能夠理解所描述的運些實 施例僅僅是示例性實施例。因此，在此描述的公開內(nèi)容不應局限于所描述的實施例。
【主權(quán)項】
1. 一種制造光催化過濾器的方法，包括如下步驟： 通過將二氧化鈦納米粉末和金屬復合物分散在水中來提供光催化分散體； 用光催化分散體涂覆支撐體； 干燥經(jīng)涂覆的支撐體；以及 燒結(jié)經(jīng)干燥的支撐體。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，金屬復合物包括鎢復合物，該鎢復合物包括Η #04、 恥3、賈：16或 CaW04。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，金屬復合物包括鐵復合物，該鐵復合物包括FeCl 2、 FeCl3、Fe203或 Fe (NO 3) 3。4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中，金屬復合物包括鐵復合物，該鐵復合物包括FeCl 2、 FeCl3、Fe203或 Fe (NO 3) 3。5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，金屬復合物包括作為鎢復合物的H2W04和作為鐵復 合物的Fe 203。6. 如權(quán)利要求2或5所述的方法，其中，鎢復合物按照每摩爾二氧化鈦中使用 0. 0032-0. 064摩爾的摩爾比來取用。7. 如權(quán)利要求3、4或5所述的方法，其中，鐵復合物按照每摩爾二氧化鈦中使用 0. 005-0. 05摩爾的摩爾比來取用。8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，支撐體包括多孔陶瓷。9. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，涂覆支撐體包括浸涂支撐體。10. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，經(jīng)干燥的支撐體的燒結(jié)在400°C - 500°C的溫度下 持續(xù)2-3小時。11. 一種光催化過濾器，包括： 支撐體；以及 涂覆在支撐體上的光催化材料及金屬復合物。12. 如權(quán)利要求11所述的過濾器，其中，金屬復合物包括作為鎢復合物的H2W04和作為 鐵復合物的Fe 203。13. 如權(quán)利要求11所述的過濾器，其中，光催化材料包括二氧化鈦，金屬復合物包括摩 爾比為每摩爾二氧化鈦中使用0. 0032-0. 064摩爾的鎢復合物。14. 如權(quán)利要求11所述的過濾器，其中，光催化材料包括二氧化鈦，金屬復合物包括摩 爾比為每摩爾二氧化鈦中使用0. 005-0. 05摩爾的鐵復合物。15. 如權(quán)利要求11所述的過濾器，其中，支撐體包括多孔陶瓷。16. 如權(quán)利要求11所述的過濾器，其中，所述光催化過濾器包括： 多個鄰近的平行腔，形成了面向用于光催化激活的紫外線發(fā)光二極管方向上的空氣流 動通路。17. 如權(quán)利要求16所述的過濾器，其中，所述光催化過濾器的高度為2-15_。18. 如權(quán)利要求17所述的過濾器，其中，所述光催化過濾器的高度為5-10_。19. 如權(quán)利要求16所述的過濾器，其中，所述腔之間的框架的厚度為0. 3-1. 2_。20. 如權(quán)利要求19所述的過濾器，其中，所述腔之間的框架的厚度為0. 5-0. 7_。21. 如權(quán)利要求16所述的過濾器，其中，每個腔的寬度為l-4mm。22. 如權(quán)利要求21所述的過濾器，其中，每個腔的寬度為1. 8-2. 2mm。23. 如權(quán)利要求16所述的過濾器，其中，所述腔的密度為30-260腔/英寸2。24. 如權(quán)利要求23所述的過濾器，其中，所述腔的密度為80-120腔/英寸2。
【文檔編號】B01D53/72GK105983335SQ201510096590
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年3月4日
【發(fā)明人】李在仙, 徐大雄, 金智元
【申請人】首爾偉傲世有限公司