[发明专利]用于空气和水的净化和消毒的光催化元件及其生产方法

说明书

技术领域

本发明涉及空气和水的净化和消毒的领域，尤其涉及在利用光催化的分子和一体化处理装置中可被用作主要功能单元的光催化元件的设计和生产方法。

背景技术

在紫外光的作用下，利用二氧化钛对有机污染物的光活化催化氧化降解是用于空气和水净化与消毒的先进方法。该方法是高效的、有成本效益的、环境友好的且通过将有机污染物矿化为水和二氧化碳可以消除几乎任何有机污染物。确保它们效率和持久性的光催化处理装置的主要功能单元是以将纳米晶体催化剂和UV辐射覆盖区中所安装的限定形状的载体结合的结构的形式的光催化元件。

光催化元件可以被用作在医疗机构、儿童日托中心、学校、办公室、影院、居住空间等中采用的空气净化和消毒装置的部件，用于有效控制呼吸道感染、有毒污染物和臭味消除。

已知一种用于制备光催化材料的方法(美国专利；专利号：5,919,726；公开日期：1999年7月6日)，第一阶段包括在任一材料(金属、水泥、粘土、沙子、碎石、陶瓷、塑料、木材、石头、玻璃等)制成的基板上以任意方式涂覆(喷涂、涂刷等)具有0.05微米至2微米的厚度的亚层，该亚层含有颗粒尺寸约为20微米至50微米的硅胶，该亚层然后通过在100℃至900℃的温度下热处理3分钟至30分钟被固定。在第二阶段，亚层通过液态或雾状的四氯化钛(可以添加水蒸气)来处理。在第三状态处，所获得的材料在氧存在下在150℃至500℃的温度下被热处理，从而在表面上形成锐钛型二氧化钛。由于二氧化硅亚层的存在，得到的二氧化钛被固定在基板上且保留其光催化性能。该方法主要被推荐用于制造具有光催化空气净化和消毒效果的建筑材料(瓷砖、护墙板等)。

杀菌活性测试包括，在所生产的瓷砖上涂抹细胞悬浮液(0.5ml)。瓷砖被放入皮氏培养皿且盖有石英玻璃盖。在25℃下在1200lux荧光照明下在无菌室中3小时内完成培养。在表2中给出结果。为了参考方便，没有二氧化钛层的瓷砖也经受测试。最好的测试样本表明，金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)活细胞的浓度从3100减小至135，以及肺炎克雷伯菌(Klebsiellapneumonia)活细胞的浓度从1725减小至400。

上述光催化材料制备方法的主要缺点为复杂的且与使用高挥发性和有毒四氯化钛相关的环境危险的制备方法。此外，在二氧化钛层应用期间，有毒的和腐蚀性氯化氢由于四氯化钛水解的结果而产生。

所产生的材料样本的杀菌活性不足以在空气净化和消毒装置中应用。

已知一种光催化空气处理过滤器(美国专利；专利号：US6,491,883B2；专利日期：2002年12月10日)。过滤器由具有5微米至60微米厚涂层的基板组成，该涂层包括：

-允许紫外光通过的颗粒(例如，玻璃颗粒或纤维)，该颗粒的最小尺寸为0.2微米至50微米，按重量计用量为5％至60％；

-光催化ТiO₂颗粒，其平均尺寸为0.001微米至0.02微米，按重量计用量为20％至80％；

-二氧化硅颗粒，其平均尺寸为0.002微米至0.2微米，按重量计用量为10％至60％；

-可选地，粘土矿物，按重量计用量为2％至20％。

涂层的特点为对基板材料的良好粘合力且可以透过紫外光，然而，磨碎成分的使用，尤其是粘土粘合剂的那些成分的使用，不可以确保涂层的良好透气性或者在涂层内含有的光催化ТiO₂颗粒的有效性能。为了制造空气和水的净化和消毒装置的光催化元件，需要具有高开孔孔隙率的材料以确保被处理的介质到光催化剂的无障碍扩散。