一种光致发热驱动的VOCs催化降解装置及应用
阅读说明：本技术 一种光致发热驱动的VOCs催化降解装置及应用 (Photo-induced heating driven VOCs catalytic degradation device and application ) 是由 于一夫 陈凡芃 张兵 于 2020-10-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种光致发热驱动的VOCs催化降解装置及应用,包括顶端旋转机构,第一连接轴,上支架,腔体,托架和底座,顶端旋转机构通过第一连接轴和上支架相连,在上支架和底座之间设置腔体,在腔体中设置与底座相连的托架；在托架上设置催化剂,腔体的外形设置成有助于汇聚光线到托架上的形状。本发明能够解决传统VOCs降解手段只能靠VOCs分子扩散到降解物质表面后将其吸附/降解,作用范围局限,效率较差的问题,源于太阳光的热一方面提高了催化降解反应效率,另一方面促进了气体流动,使得更大范围内的VOCs分子更快地接近催化剂表面,提升其降解效率。(The invention discloses a photo-induced heating driven VOCs catalytic degradation device and application thereof, and the device comprises a top end rotating mechanism, a first connecting shaft, an upper bracket, a cavity, a bracket and a base, wherein the top end rotating mechanism is connected with the upper bracket through the first connecting shaft; a catalyst is disposed on the carrier and the cavity is contoured to facilitate focusing of light onto the carrier. The invention can solve the problems that the traditional VOCs degradation means only depends on the adsorption/degradation of VOCs molecules after the VOCs molecules are diffused to the surface of a degraded substance, the action range is limited, and the efficiency is poor.)
技术领域
本发明涉及催化降解技术，更加具体地说，涉及一种光致发热驱动的VOCs催化降解装置与应用。
背景技术
近年来，随着人们健康意识不断提升，密闭空间(如室内、车内)内可挥发性有机物(VOCs)的危害越来越引起人们的重视。VOCs包括苯、甲苯、对二甲苯、乙苯、甲醛等气体，不仅会刺激人类的粘膜与呼吸系统，长期接触还会导致头痛、恶心乏力、胸闷气短、过敏症状甚至是白血病等恶性症状的发生。
目前比较有效的方式是换气，引入自然风对流，降低室内VOCs的浓度。但是在大气污染日益严重的当下，频繁换气可能会引入外部污染，而且操作不方便。车内的情况更为严重，一是车内空间小，座椅等部件持续排放的VOCs浓度较高，另一方面高速行驶的时候开窗会造成强对流引起人体不适，导致开窗通风方法非常受限。
市场上早期出现了许多基于物理吸附、化学降解的喷剂、涂料、颗粒等产品，这些产品虽然在特定条件下能够一定程度吸附/降解附近的VOCs，但是受制于分子扩散速率的限制，它们的作用范围十分有限，效率较低。此外，这些产品往往还需要及时更换，否则存在二次污染的风险。
近年来，市场上出现了新的VOCs消除产品，包括插电类大型通风吸附电器(含新风系统)和使用蓄电池/机械能充电电池的光/电降解小型器件。大型器件引入了空气对流，针对VOCs的处理效果较好，但是其需要持续通电、能耗高，产品价格高昂，占地面积大，难以广泛应用。小型器件价格相对较低，但是需要定期更换电池或者摇动充电等，实际生效时间有限，此外大多数产品仍然依靠分子扩散途径来发挥作用，作用范围有限，效率较低。因此，发展能耗低，维护简单，促进分子运动，VOCs处理效率高，占地面积小的新型降解器件，具有非常重要的应用前景与经济价值。
催化燃烧作为一种规模化处理有机物废气的手段，近年来在处理VOCs方面得到广泛的重视和发展，但其问题在于起燃温度较高，运用在室内、车内具有一定的安全风险。此外，空气受热会膨胀、密度降低，向上运动，将其与催化燃烧相结合，能引发空气对流，提高VOCs处理效率。因此利用温和可控的加热方式，如光致加热等，升高催化剂表面温度，引发催化燃烧，并将其与空气受热膨胀上升运动相结合，对于开发新型高效VOCs降解器件具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，克服现有技术与产品对于密闭空间内VOCs降解消除的不足，提供一种光致发热驱动的VOCs催化降解装置与应用。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。
一种光致发热驱动的VOCs催化降解装置，包括顶端旋转机构，第一连接轴，上支架，腔体，托架和底座，其中：
顶端旋转机构通过第一连接轴和上支架相连，在上支架和底座之间设置腔体，在腔体中设置与底座相连的托架；在托架上设置催化剂，用于VOCs催化降解；腔体的外形设置成有助于汇聚光线到托架上的形状，如近球形或者近圆柱形，腔体为透明材质，如石英、亚克力。
在腔体内表面镀上增透减反的镀层以增加红外线的透过，提升催化剂表面温度。
在腔体内表面和/或外表面设置具有紫外-可见光光伏响应的镀层，并与设置在底座中的小型太阳能配套电池相连，以增加太阳光利用率。
本发明中，腔体内表面和/或外表面的镀层为由氟化镁、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、二氧化锆、硒化锌、硫化锌及其他增透膜材料或光伏材料中的一种或几种组成的一层或多层镀膜。
托架包括托盘，第二连接轴，第二连接轴用于与底座相连，以实现稳固连接，在托盘上设置催化剂，如采用非镂空结构的托盘，催化剂设置在托盘的凹槽内；如采用镂空结构的托盘，催化剂设置在托盘非镂空部分的凹槽中，或者与托盘镂空部分的耐热透气膜进行复合，或者将催化剂与托盘整体复合。在实际使用中，优选镂空结构的托盘，以实现催化剂和VOCs接触更加充分。为避免光照不足带来的影响，选择在托架中设置加热单元，以实现在光照不足的条件下进行电致加热，如电阻丝，与之配合的控制元件和/或电路设置在托架或者底座中。
底座包括底座本体，底座顶端与腔体、托架相连；底座本体整体设置为喇叭形状，一方面使得装置能够稳定放置在平面上，另一方面增加进气量；在底座本体的喇叭开口端(喇叭开口相对大的一端)均匀设置凹槽，以便于较冷的空气从底部吸入装置；在底座本体的喇叭收口端(喇叭开口相对小的一端)均匀设置底座卡扣，以将腔体进行稳固连接，底座本体的喇叭收口端的中央设置底座连接端，用于与托架(托架的第二连接轴)相连；底座连接端与底座本体的喇叭收口端之间设置底座支撑体，以形成镂空结构；在整个底座结构中，设置电线或者小型太阳能配套电池等额外部件，以应对不同应用场合。
上支架包括上支架本体，上支架底端与腔体相连，上支架顶端与第一连接轴；上支架本体整体设置为喇叭形状，一方面使得装置能够稳定安装，保证连接处不易泄露气体，另一方面增加进气量，维持上升气体流速；在上支架本体的喇叭开口端(喇叭开口相对大的一端)均匀设置上支架卡扣，以将腔体进行稳固连接；上支架本体的喇叭收口端(喇叭开口相对小的一端)的中央设置上支架连接端，用于与第一连接轴相连；上支架连接端3与上支架本体的喇叭收口端之间设置上支架支撑体，以形成镂空结构。
顶端旋转机构包括呈螺旋状分布的肋片，在中央位置设置轴承座，并与第一连接轴配合使用，以实现顶端旋转结构的低阻尼转动或者其他活动/固定连接形式，肋片改变垂直上升气流的方向为水平，同时带动顶端的旋转，进一步扰动周边空气，促进对流。
在本发明的技术方案中，光照充足时，光透过腔体(镀有红外增透膜)，汇聚到腔体中央的托盘上；催化剂吸收光并将其转化为热量，使得催化剂与周边空气的温度升高，空气受热膨胀，形成上升气流，推动顶端的肋片旋转，热空气从顶端的开口出甩出，新鲜的低温空气则从底部被吸入，实现装置周边空气的对流搅动；光照较弱的场合也可使用固定连接的顶端，依靠肋片导流实现气体的搅动；空气中含有的VOCs在通过托盘上的催化剂时被光热催化分解；利用腔体上的镀膜材料所具有的光伏效应，腔体与托盘的小型太阳能配套电池相连，在光照充足的时候，腔体吸收光照中的紫外部分给小型太阳能配套电池充电蓄电，光照减弱时小型太阳能配套电池放电实现电加热催化剂或者催化涂层；如果外接电源时，可将托盘所接电线通过USB口与外部电源相连；通过电加热的方法使催化剂层温度升高，实现热催化降解VOCs与加热空气促进对流的功能。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明能够解决传统VOCs降解手段只能靠VOCs分子扩散到降解物质表面后将其吸附/降解，作用范围局限，效率较差的问题，源于太阳光的热一方面提高了催化降解反应效率，另一方面促进了气体流动，使得更大范围内的VOCs分子更快地接近催化剂表面，提升其降解效率。
2、本发明可以纯靠太阳光驱动，没有造成额外的能耗。
3、本发明对病毒、细菌等病原体有一定抑制作用。
4、设备集成化程度高，占地面积小，操作简单，无需复杂的维护，成本低。
附图说明
图1是本发明使用的催化剂MnO纳米棒的SEM照片。
图2是本发明的一种光致发热驱动的VOCs催化降解装置的结构示意图，其中1为顶端旋转机构，2为第一连接轴，3为上支架连接端，4为上支架支撑体，5为上支架本体，6为腔体，7为托架，7-1为托盘，7-2为第二连接轴，8为底座连接端，9为底座支撑体，10为底座本体，11为底座卡扣，12为轴承座，13为肋片，15为凹槽。
图3是本发明的一种光致发热驱动的VOCs催化降解装置中上支架的结构示意图，其中3为上支架连接端，4为上支架支撑体，5为上支架本体，14为上支架卡扣。
图4是本发明的一种光致发热驱动的VOCs催化降解装置中顶端旋转机构的结构示意图(1)，其中1为顶端旋转机构，12为轴承座，13为肋片。
图5是本发明的一种光致发热驱动的VOCs催化降解装置中顶端旋转机构的结构示意图(2)，其中1为顶端旋转机构，12为轴承座，13为肋片。
图6是本发明中催化剂在一个太阳光强下的红外测温结果示意图，其中(a)为催化剂宏观形貌；(b)为催化剂的红外测温结果。
图7是利用本发明技术方案进行降解VOCs的性能测试曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体技术方案进行详细说明。
如附图1所示，本发明的一种光致发热驱动的VOCs催化降解装置，包括顶端旋转机构1，第一连接轴2，上支架，腔体6，托架7和底座，其中：
顶端旋转机构通过第一连接轴和上支架相连，在上支架和底座之间设置腔体，在腔体中设置与底座相连的托架；在托架上设置催化剂，用于VOCs催化降解，腔体的外形设置成有助于汇聚光线到托架上的形状，如近球形。继续对上述技术方案进行详细说明如下：
在腔体内表面镀上增透减反的镀层以增加红外线的透过，提升催化剂表面温度。
在腔体内表面和/或外表面设置具有紫外-可见光光伏响应的镀层，并与设置在底座中的小型太阳能配套电池相连，以增加太阳光利用率。
托架7包括托盘7-1，第二连接轴7-2，第二连接轴用于与底座相连，以实现稳固连接，在托盘上设置催化剂，如采用非镂空结构的托盘，催化剂设置在托盘的凹槽内；如采用镂空结构的托盘，催化剂设置在托盘非镂空部分的凹槽中，或者与托盘镂空部分的耐热透气膜进行复合，或者将催化剂与托盘整体复合。在实际使用中，优选镂空结构的托盘，以实现催化剂和VOCs接触更加充分。为避免光照不足带来的影响，选择在托架中设置加热单元，以实现在光照不足的条件下进行电致加热，如电阻丝，与之配合的控制元件和/或电路设置在托架或者底座中。催化剂选择MnO纳米棒，其形貌如图1所示。
底座包括底座本体10，底座顶端与腔体、托架相连；底座本体整体设置为喇叭形状，一方面使得装置能够稳定放置在平面上，另一方面增加进气量；在底座本体的喇叭开口端(喇叭开口相对大的一端)均匀设置凹槽15，以便于较冷的空气从底部吸入装置；在底座本体的喇叭收口端(喇叭开口相对小的一端)均匀设置底座卡扣11，以将腔体6进行稳固连接，底座本体的喇叭收口端的中央设置底座连接端8，用于与托架(托架的第二连接轴)相连；底座连接端8与底座本体的喇叭收口端之间设置底座支撑体9，以形成镂空结构；在整个底座结构中，设置电线或者小型太阳能配套电池等额外部件，以应对不同应用场合。
上支架包括上支架本体5，上支架底端与腔体6相连，上支架顶端与第一连接轴；上支架本体整体设置为喇叭形状，一方面使得装置能够稳定安装，保证连接处不易泄露气体，另一方面增加进气量，维持上升气体流速；在上支架本体的喇叭开口端(喇叭开口相对大的一端)均匀设置上支架卡扣14，以将腔体6进行稳固连接；上支架本体的喇叭收口端(喇叭开口相对小的一端)的中央设置上支架连接端3，用于与第一连接轴相连；上支架连接端3与上支架本体的喇叭收口端之间设置上支架支撑体4，以形成镂空结构。
顶端旋转机构包括呈螺旋状分布的肋片13，在中央位置设置轴承座12，并与第一连接轴配合使用，以实现顶端旋转结构的低阻尼转动或者其他活动/固定连接形式，肋片13改变垂直上升气流的方向为水平，同时带动顶端1的旋转，进一步扰动周边空气，促进对流。
在本发明技术方案中，在托架(如托盘)上进行催化剂的负载，然后将托架7、腔体6、上支架以及顶端旋转机构依次组装在底座上并确保装置整体稳定，顶端旋转机构1能够顺利进行转动，且整体没有晃动现象，而后将整个装置整体放在有光照的地方，即可实现光致发热驱动的VOCs催化降解。催化剂可以选择催化燃烧常用的CeOx催化剂或是MnOx催化剂，均为商业产品(可自由购买)，也可以根据需要自行制备，其制备方法属于催化剂制备领域的常规手段或者根据现有技术进行制备。
在实际生成装置的具体应用中，可以通过以下方式实现：
首先，用超声波清洗机清洗腔体6以及托架7，晾干，防止附着在其表面的灰尘等杂物对镀膜产生影响。
第二步，分别在腔体6内壁、托盘7-1盘面上均匀镀上增透减反膜和催化剂。
第三步，依次装配好底座，托架7，腔体6，上支架，使用卡扣固定底座、腔体、支架的相对位置，根据使用场合采用不同款式的顶端旋转机构(如附图4和5所示，肋片或者桨片)。
第四步，根据使用场合和需要，将托架7的电线连接外部电源或将腔体6与托架7的小型太阳能配套电池相连，检查顶端旋转结构1是否旋转正常，顶端旋转结构1旋转时装置是否稳定。
第五步，放在合适的位置，对空气中的VOCs进行催化降解。
催化剂可以吸附降解VOCs，并且由于光致发热作用，催化剂温度相对较高，使得催化剂能够保持较高的活性。光热转化性能测试在一个太阳的光强(100mW/cm-2)下开展，使用催化剂(MnO)用量为1g。直接照射催化剂，催化剂表面温度在90s左右即可达到82.7℃，30min左右超过110℃趋于稳定。使用本专利所述产品(腔体部分使用石英玻璃材质，托盘部分使用耐温树脂，其余部分使用韧性树脂)后，90s同等条件下催化剂表面温度可达95.4℃，提升15％，30min后超过120℃并趋于稳定，器件表面温度在测试过程始终维持室温，如图6所示。VOC降解实验以甲苯作为代表VOCs底物，降解性能如图7所示，使用本专利与MnO催化剂，可以使得甲苯起燃温度降低至95℃以下，10％降解所需温度仅120℃。
本发明的实施例叙述了一种利用光致加热作为驱动力的VOCs催化降解器件。通过光的热效应来产生上升气流，通过器件顶端肋片导流或驱动器件顶端风球的旋转，产生空气对流，从而促进VOCs分子运动。通过光的局部加热效果，催化剂在光的照射下表面迅速升温，达到起燃温度，催化降解VOCs，同时保持体相和装置表面温度较低，降低安全隐患。考虑到多数病毒、细菌对热敏感，在高温条件下丧失传染性、缩短存活时间，表面高温的催化剂对病原体有一定抑制作用。本发明利用透过腔体并被汇聚的光，照射腔体中央的催化剂后转化为热量，加热催化剂周围的空气膨胀上升，经过顶端导流或推动顶端旋转；同时催化剂受热表面达到VOCs起燃温度，将其分解转化。基于这一原理得到新型的高效VOCs降解器件，其无需外加电或者机械能，只需光照便可驱动空气对流，并催化降解经过腔体内的VOCs。
根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现本发明催化降解装置的制备，经测试，表现出与本发明基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。