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CN1882380A - 使到光活性催化剂的光传输最大化的反射灯 - Google Patents

使到光活性催化剂的光传输最大化的反射灯 Download PDF

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CN1882380A
CN1882380A CNA2004800344901A CN200480034490A CN1882380A CN 1882380 A CN1882380 A CN 1882380A CN A2004800344901 A CNA2004800344901 A CN A2004800344901A CN 200480034490 A CN200480034490 A CN 200480034490A CN 1882380 A CN1882380 A CN 1882380A
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S·O·海
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Abstract

将包括反射性部分的灯用于流体净化系统中，使到光催化涂层的光传输最大化，该光催化涂层将吸附在表面上的气态污染物氧化，形成二氧化碳，水，及其他物质。紧邻蜂窝结构定位的紫外线光源将二氧化钛涂层活化。在一个例子中，所述反射性部分是反射涂层。从所述灯的非反射性部分射出的光射向蜂窝结构，并且被光催化涂层吸收。射向所述灯上的反射性部分的光从所述反射性部分的表面反射，并且通过所述灯的非反射性部分，也被基质上的光催化涂层吸收。所述反射性部分将否则将偏离蜂窝结构射向错误方向的光反射，射向蜂窝结构，从而提高了流体净化系统的效率。

Description

使到光活性催化剂的光传输最大化的反射灯
本发明一般地涉及用于流体净化系统的反射灯，其使到光催化涂层的光传输最大化，所述光催化涂层将吸附在表面上的气态污染物氧化形成二氧化碳，水，及其他物质。
室内空气可能包含微量的污染物，包括一氧化碳和挥发性有机化合物，例如甲醛，甲苯，丙醛，丁烯，和乙醛。吸收剂空气过滤器，例如活性炭，已经被用于从空气中除去这些污染物。当空气流过过滤器时，过滤器阻碍污染物的通过，允许不含污染物的空气从过滤器流出。使用过滤器的缺点是它们只是简单地阻碍污染物的通过，而不是破坏它们。
空气净化体系通常包括一个灯或者一组灯，以及一个光催化整料，例如蜂窝结构。光催化涂层，例如二氧化钛，位于该整料上。二氧化钛已经被用作流体净化器中的光催化剂，用于破坏污染物。当用紫外光照射二氧化钛时，光子被二氧化钛吸收，将电子从价带激发到导带，这样在价带中产生空穴，并且在导带中增加电子。激发的电子与氧反应，并且保留在价带中的空穴与水反应，形成反应性的羟基。当污染物吸附在二氧化钛光催化剂上时，羟基进攻污染物并且将污染物氧化成水，二氧化碳，及其他物质。
如果在空气净化体系中仅仅使用一个整料和一个灯或者一组灯，则从灯发出的大部分光将射向错误的方向，因而不能被光催化涂层吸收。某些这种射向错误方向的光被在空气净化体系壳体上安装的反射面反射，而被光催化涂层吸收。然而，大部分光仍然射向错误的方向，并且不能被用于光催化目的。因此，空气净化体系的光催化效率小于最佳值。
可以将第二个整料定位在与第一个整料相对的灯的侧面，以吸收射向错误的方向的光。然而，增加第二个整料是昂贵的，并且光仍然从灯射向错误的方向，并且不能被用于光催化目的。可以在所述一个灯或者所述一组灯的附近增加反光镜，以使更多的光射向整料，但是这种方法不希望地增加了系统的压降。
因此，需要一种用于流体净化系统的反射灯，其能使到光催化涂层的光传输最大化。
发明内容
用于流体净化系统中的反射灯使到光催化涂层的光传输最大化，该光催化涂层将吸附在表面上的气态污染物氧化，形成二氧化碳，水，及其他物质。
扇机将流体，例如空气，吸入流体净化系统。流体流过蜂窝结构的开放的通路或者通道。蜂窝结构的表面是反射性的，具有二氧化钛光催化涂层。紧邻蜂窝结构定位的紫外线光源将二氧化钛涂层活化。流体净化系统的器壁优选衬有反射材料，以将紫外光反射到蜂窝结构的开放通路的内表面上。
所述灯包括反射表面。优选，反射表面是反射涂层。优选，反射表面处于所述灯的横截面的至少一半上。反射表面可以位于所述灯的内表面或者外表面上。
从所述灯的非反射性部分射出的光射向蜂窝结构，并且被光催化涂层吸收。射向所述灯上的反射表面的光从所述反射表面的表面反射，并且穿过所述灯的非反射性部分，被基质上的光催化涂层吸收。反射表面将否则将偏离蜂窝结构射向错误方向的光反射，射向蜂窝结构，增加了光催化效率。
当紫外光的光子被二氧化钛涂层吸收时，形成了反应性的羟基。当污染物，例如挥发性的有机化合物，被吸附到二氧化钛涂层上时，羟基进攻该污染物，从污染物中抽出氢原子，并且将挥发性有机化合物氧化成水，二氧化碳，及其他物质。
根据以下说明书和附图，可以更好地理解本发明的这些及其他特征。
附图说明
根据以下目前优选的实施方案的详细说明，对于本领域技术人员而言，本发明的各种特征和优点将变得显而易见。详细说明的附图可以简要地描述如下：
图1用图解法举例说明了封闭的环境，例如建筑，车辆或者其他结构，其包括内部空间和HVAC系统；
图2用图解法举例说明了本发明的流体净化系统；
图3用图解法举例说明了流体净化系统的蜂窝结构；
图4用图解法举例说明了在灯的内表面上具有反射表面的灯；
图5用图解法举例说明了在灯的外表面上具有反射表面的灯；
图6用图解法举例说明了在灯的多于一半的表面上具有反射表面的灯；
图7用图解法举例说明了具有凹面非反射表面的灯；和
图8用图解法举例说明了用于杀菌系统或者提高化学反应速率的系统的灯。
优选实施方案的详细说明
图1用图解法举例说明了建筑、车辆或者其他结构10，其包括内部空间12，例如房间，办公室或者车辆客舱，例如小汽车，火车，公共汽车或者飞机。HVAC系统14将内部空间12加热或者冷却。内部空间12中的流体，例如空气，由路径16被吸入HVAC系统14。HVAC系统14改变从内部空间12吸入的流体16的温度。如果HVAC系统14以冷却方式操作，则所述流体被冷却。作为选择，如果HVAC系统14以加热方式操作，则所述流体被加热。然后，流体由路径18返回到内部空间12，改变内部空间12中的流体的温度。
图2用图解法举例说明了流体净化系统20，其被用于净化建筑物或者车辆10中的流体，这通过将污染物例如挥发性有机化合物和半挥发性有机化合物氧化成水、二氧化碳及其他物质来进行。挥发性有机化合物是在1个大气压压力下具有低于200℃的沸点的有机化合物。挥发性有机化合物可以是甲醛，甲苯，丙醛，丁烯，乙醛，醛，酮，醇，芳香族化合物，链烯，或者链烷。半挥发性有机化合物是在1个大气压压力下具有高于200℃的沸点的有机化合物。半挥发性有机化合物可以是萘，PCB，PAH和杀虫剂。流体净化系统20可以在流体沿着路径16被吸入HVAC系统14之前将所述流体净化，或者它可以在流体沿着路径18被吹入建筑物或者车辆的内部空间12之前将离开HVAC系统14的流体净化。流体净化系统20还可以是不与HVAC系统14一起使用的独立的单元。
扇机34将流体通过进口22吸入流体净化系统20。流体流过颗粒过滤器24，该颗粒过滤器通过阻碍粒子的流动而滤出灰尘或者任何其他大的颗粒。然后所述流体流过整料或者基质28，例如蜂窝结构。在一个例子中，蜂窝结构28由铝或者铝合金制成。基质28是多孔的，并且允许流体流过基质28。图3用图解法举例说明了蜂窝结构28的前视图，该蜂窝结构具有许多六边形的开放的通路或者通道30。所述许多的开放的通路30的表面是反射性的，具有光催化涂层40。当被紫外光活化时，所述涂层40将吸附在二氧化钛涂层40上的挥发性有机化合物氧化。正如以下解释的，当流体流过蜂窝结构28的开放的通路30时，被吸附在二氧化钛涂层的表面上的污染物被氧化成二氧化碳，水及其他物质。
紧邻蜂窝结构28定位的光源32将开放通路30的表面上的二氧化钛光催化涂层40活化。优选，光源32是紫外线光源，其产生波长在180纳米到400纳米范围内的光。光源32的峰值波长为254nm。光源32可以是汞蒸汽灯，激基缔合物灯，无电极灯，电感耦合灯，射频电源灯，或者发光二极管。
光源32照射活化在蜂窝结构28表面上的二氧化钛涂层40。当紫外光的光子被二氧化钛涂层40吸收时，电子从价带被激发到导带，在价带中产生空穴。二氧化钛涂层40必需存在氧和水，以将污染物氧化成二氧化碳，水，及其他物质。被激发到导带的电子被氧捕获。价带中的空穴与吸附在二氧化钛涂层40上的水分子反应，形成反应性的羟基。
当污染物被吸附到涂层40上时，羟基进攻污染物，从污染物中抽出氢原子。在这一方法中，羟基将污染物氧化并且产生水，二氧化碳，及其他物质。
在穿过蜂窝结构28之后，净化的流体通过出口36从流体净化器中出来。流体净化系统20的器壁38优选衬有反射材料42。反射材料42将紫外光反射到蜂窝结构28的开放的通路30的表面上。
图4用图解法举例说明了光源32的一个灯44的剖视图。所述灯在灯44的一部分上包括反射表面46。优选，反射表面46处在灯44的至少一半上。反射表面46可以处在灯44的内表面48上，如图4所示，或者处在灯44的外表面50上，如图5所示。
从灯44的非反射性部分54射出的光52射向蜂窝结构28，并且被吸收到光催化涂层40上。射向灯44上的反射表面46的光56从反射表面46的表面被反射出来，并且穿过灯44的非反射性的部分54，被吸收到蜂窝结构28上的光催化涂层40上。光56被导向蜂窝结构28，而不是被导向偏离蜂窝结构28的方向，从而增加了被吸收到光催化涂层40上的光的量。
如果没有反射表面46，光56将射向偏离蜂窝结构32的方向，并且不会被光催化涂层40吸收，因而将降低流体净化系统20的效率。通过使用反射表面46，原来射向偏离蜂窝结构28的方向的光56被引导回到蜂窝结构28上而被吸收。
优选，灯44的至少一半是反射性的，具有反射表面46。如果灯44的一半是反射性的，具有反射表面46，则灯44的一半反射光，并且防止光从非优选的方向离开所述灯44。灯44的另一半包括非反射性的部分54，其允许光从灯44射出并且射向蜂窝结构28。
优选，灯44是圆柱形的，并且反射表面46处于灯44的最远离蜂窝结构28的一半上。虽然举例和描述了具有圆柱形的横截面的灯44，但是应当理解灯44可以具有任何形状或者尺寸。灯44的形状和反射表面46的形状可以被设计成能使传输到蜂窝结构28上的光催化涂层40的光量最大化。
可选择地，如图6所示，灯44的大于一半可以是反射性的，具有反射表面46，以便更特定地将光导向蜂窝结构28。如果灯44的大于一半是反射性的，具有反射表面48，则灯44的小于一半包括非反射性的部分54。非反射性部分54的面积是较小的，允许光更准确地射向蜂窝结构28。
通过使用灯44上的反射表面46，更多的光被导向蜂窝结构28，提高了流体净化系统20的效率。因此，流体净化系统20可以被制造得更小，从而节约成本。另外，灯44的尺寸、功率和数量可以被减少，也节约了成本。
作为选择，灯44的非反射性部分54被制成具有一定的形状，以提供透镜或者折射作用，以将光56导向蜂窝结构28。在一个例子中，如图7所示，非反射性部分54是聚光透镜。也就是说，灯44的非反射性部分54包括接近于反射表面46的较薄的部分60，和在中心点处的较厚的部分62。通过使用这种形状，灯44可以提供附加的透镜或者折射作用，以将光56导向蜂窝结构28。
另外，蜂窝结构28相对于灯44的位置和距离可以被调节，以提供最理想的将光导向蜂窝结构28的作用。
除将光导向蜂窝结构28之外，灯44还可以被用于将光导向远离不希望的位置。例如，不希望的位置可以是可能被来自灯44的光损害的材料，可能被光44伤害的人(例如眼睛或者皮肤损伤)，或者可能被所述光伤害的动物或者其他生物有机体。
二氧化钛是将挥发性有机化合物氧化成二氧化碳，水及其他物质的有效的光催化剂。当污染物被吸附到二氧化钛涂层40上时，羟基进攻污染物，从污染物中抽出氢原子。羟基将污染物氧化，并且产生水，二氧化碳，及其他物质。
优选，所述光催化剂是二氧化钛。在一个例子中，二氧化钛是Millennium钛白，Degussa P-25，或者等效的二氧化钛。然而，应当理解，可以使用其他光催化材料或者二氧化钛与其他金属氧化物的混合物，只要它们对于热催化功能是活性的载体。例如，光催化材料可以是Fe2O3，ZnO，V2O5，SnO2，或者FeTiO3。另外，可以将其他金属氧化物与二氧化钛混合，例如Fe2O3，ZnO，V2O5，SnO2，CuO，MnOx，WO3，Co3O4，CeO2，ZrO2，SiO2，Al2O3，Cr2O3，或者NiO。
二氧化钛还可以用金属氧化物负载。在一个例子中，金属氧化物是WO3，ZnO，CdS，SrTiO3，Fe2O3，V2O5，SnO2，FeTiO3，PbO，Co3O4，NiO，CeO2，CuO，SiO2，Al2O3，MnxO2，Cr2O3，或者ZrO2。
虽然已经举例和描述了单个蜂窝结构28，应当理解，可以使用多个蜂窝结构28。另外，虽然已经举例和描述了蜂窝结构28，应当理解，二氧化钛涂层40可以被施加到任何结构上。蜂窝结构28中的空隙，其形状典型地是六边形的，但是应当理解，可以使用其他空隙形状。当在光源存在下，污染物被吸附到所述结构的二氧化钛涂层40上时，污染物被氧化成水，二氧化碳及其他物质。
作为选择，如图8所示，灯44被用于杀菌系统64，并且将光射向不希望的生物实体66。生物实体可以是细菌，真菌，霉菌和病毒。在一个例子中，生物实体被悬浮在流体例如空气中。所述流体可以运动通过灯44，或者可以是静止不动的。在另一个例子中，生物实体位于基质28上。此外，生物实体可以被悬浮在流体例如空气中。所述流体与生物实体一起可以运动通过灯44，或者可以是静止不动的。基质28可以是食品制备表面，HVAC系统，流体过滤器，医疗表面或者食品制备传送带。
如图8所示，灯44也可以被用于系统64，用于将光导向流体或者表面，以提高在没有催化剂存在下的被光激发的化学反应的化学反应速率。例如，所述化学反应可以引起材料66例如臭氧的破坏。所述化学反应可以在流体例如空气中进行。所述流体可以是静止的或者流动的。所述化学反应可以在表面上或者在多孔表面上发生。例如，所述表面可以是用于信息显示的。作为选择，所述表面可以用于透射光，用于信息目的。例如，所述反应可以从所述表面上除去遮盖材料。
上述说明仅仅是本发明原理的示例。根据上述教导可以对本发明进行许多修正和改变。虽然已经公开了本发明的优选实施方案，然而本领域普通技术人员将承认，某些修改处于本发明范围之内。因此，应当理解，在所附权利要求范围内，本发明可以按照不同于特别描述的方式实施。因此，以下权利要求决定了本发明实际的范围和内容。

Claims (55)

1.一种用于净化流体的流体净化系统，其包括：
基质；
施加在所述基质上的光催化涂层；和
活化所述光催化涂层的光源，所述光源包括允许光通过的非反射性部分，和将所述光反射以通过所述光源的所述非反射性部分的反射性部分。
2.权利要求1的流体净化系统，其中所述光源将所述光催化涂层活化，并且当被所述光源活化时，所述光催化涂层将被吸附到所述光催化涂层上的污染物氧化。
3.权利要求1的流体净化系统，其中所述光源是紫外线光源。
4.权利要求3的流体净化系统，其中所述光源是汞蒸汽灯。
5.权利要求3的流体净化系统，其中所述光源是激基缔合物灯。
6.权利要求3的流体净化系统，其中所述光源是无电极灯。
7.权利要求3的流体净化系统，其中所述光源是电感耦合灯。
8.权利要求3的流体净化系统，其中所述光源是射频电源灯。
9.权利要求3的流体净化系统，其中所述光源是发光二极管。
10.权利要求3的流体净化系统，其中所述光源产生具有在180纳米和400纳米之间的波长的所述光。
11.权利要求10的流体净化系统，其中所述光源具有254纳米的峰值波长。
12.权利要求1的流体净化系统，其中所述光催化涂层是二氧化钛。
13.权利要求1的流体净化系统，其中来自所述光源的光子被所述光催化涂层吸收，形成反应性的羟基，其在氧和水的存在下将污染物氧化成水和二氧化碳。
14.权利要求1的流体净化系统，其中所述污染物是挥发性的有机化合物，包括以下物质的至少一种：甲醛，甲苯，丙醛，丁烯，乙醛，醛，酮，醇，芳香族化合物，链烯，和链烷。
15.权利要求1的流体净化系统，其中所述污染物是半挥发性的有机化合物，包括以下物质的至少一种：萘，PCB，PAH和杀虫剂。
16.权利要求1的流体净化系统，其中所述反射性的部分覆盖所述光源的一部分。
17.权利要求16的流体净化系统，其中所述反射性的部分覆盖所述光源的所述部分的一半以上。
18.权利要求1的流体净化系统，其中所述灯的所述非反射性的部分紧邻于所述基质，并且所述光源的所述反射性的部分远离所述基质。
19.权利要求1的流体净化系统，其中所述基质是由固体隔开的空隙的阵列。
20.权利要求1的流体净化系统，其还包括壳体，所述流体净化系统处于所述壳体中，并且所述壳体的壁衬有反射材料。
21.权利要求1的流体净化系统，其中所述光源是圆柱形的。
22.权利要求1的流体净化系统，其中所述反射性部分是反射涂层。
23.权利要求1的流体净化系统，其中所述光源的所述非反射性部分被成型，以将所述光导向所述基质。
24.权利要求1的流体净化系统，其中所述光源的所述反射性部分被成型，以将所述光导向所述基质。
25.权利要求24的流体净化系统，其中所述光源的所述非反射性部分被成型，以将所述光导向所述基质。
26.权利要求24的流体净化系统，其中所述光源的所述非反射性部分是聚光透镜。
27.权利要求1的流体净化系统，其中所述光源的所述非反射性部分是聚光透镜。
28.权利要求1的流体净化系统，其中所述流体是空气。
29.权利要求1的流体净化系统，其中所述基质是多孔的，并且允许流体流过所述基质。
30.权利要求1的流体净化系统，其中所述光源将所述光导向所述基质和将所述光引导偏离不希望的位置。
31.一种用于净化流体的流体净化系统，其包括：
基质；
施加在所述基质上的光催化涂层；和
活化所述光催化涂层的光源，所述光源包括允许光通过的非反射性部分和将所述光反射通过所述非反射性部分并且射向所述基质的反射性部分，并且所述反射性部分将所述光反射而偏离不希望的位置。
32.一种用于破坏不希望的实体的杀菌系统，其包括：
不希望的生物实体；和
光源，其包括允许光通过的非反射性部分和将所述光反射通过所述非反射性部分并且射向所述不希望的实体的反射性部分。
33.权利要求32的杀菌系统，其中不希望的生物实体是细菌、真菌、霉菌和病毒之一。
34.权利要求32的杀菌系统，其中不希望的生物实体被悬浮在流体中。
35.权利要求34的杀菌系统，其中所述流体是空气。
36.权利要求34的杀菌系统，其中所述流体处于运动中。
37.权利要求34的杀菌系统，其中所述流体是静止的。
38.权利要求32的杀菌系统，其还包括表面，并且所述生物实体处于所述表面上。
39.权利要求38的杀菌系统，其还包括施加在所述表面上的光催化涂层，并且所述光源将所述光催化涂层活化。
40.权利要求38的杀菌系统，其中所述表面是食品制备表面。
41.权利要求38的杀菌系统，其中所述表面是流体过滤器。
42.权利要求38的杀菌系统，其中所述表面是医疗表面。
43.权利要求38的杀菌系统，其中所述表面处于运动中。
44.一种材料净化系统，其包括：
基质；
光源，其提高所述基质上的材料的化学反应速率，所述光源包括允许光通过的非反射性部分，和将所述光反射通过所述光源的所述非反射性部分的反射性部分。
45.权利要求44的系统，其中所述材料处于流体中。
46.权利要求45的系统，其中所述流体是空气。
47.权利要求45的系统，其中所述材料被悬浮在所述流体中。
48.权利要求45的系统，其中所述流体处于运动中。
49.权利要求45的系统，其中所述流体是静止的。
50.权利要求44的系统，其中所述基质传输所述光。
51.权利要求44的系统，其中所述基质显示信息。
52.权利要求44的系统，其中所述材料是臭氧。
53.权利要求44的系统，其中所述基质是多孔的。
54.一种用于净化流体的流体净化系统，其包括：
容器，其具有进口和出口；
在所述容器内部的多孔的基质；
用于将流体通过所述进口吸入所述容器，使所述流体流动通过所述多孔的基质，和将所述流体通过所述出口从所述容器中排出的装置；
施加在所述基质上的光催化涂层；和
活化所述光催化涂层的紫外线光源，并且来自所述紫外线光源的光子被所述光催化涂层吸收以形成反应性的羟基，并且当被所述紫外线光源活化时，在水和氧存在下，所述反应性的羟基将被吸附在所述光催化涂层上的所述流体中的污染物氧化成水和二氧化碳，并且所述紫外线光源包括允许光通过的非反射性部分，和将所述光反射通过所述光源的所述非反射性部分的反射性部分。
55.一种净化流体的方法，其包括以下步骤：
提供光源，其具有非反射性部分和反射性部分，该反射性部分覆盖所述光源的截面表面面积的至少一半；
产生光，其通过所述光源的所述非反射性部分，并且在所述光源的所述反射性部分上反射并且通过所述光源的所述非反射性部分；和
在光催化表面上吸收所述光。
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