由三维电场及石墨烯强化的中空光导纤维光催化反应器制造技术

一种由三维电场及石墨烯强化的中空光导纤维光催化反应器。它采用两端带有凸镜的中空光导纤维，二氧化钛与石墨烯陶瓷化催化剂涂层及三维低频电场和双向光源，从而使此光导纤维光催化反应器的催化反应效率得以提高。它可用于室内外空气，大中小型饮用水和游泳池及各类工业，农业和城市污水的净化和消毒灭菌，尤其是去除有机污染物及细菌病毒，用于饮水机的消毒灭菌以防止饮用水在运输和储存过程中的二次污染，江河湖海水污染防治和降解作为温室气体和雾霾前体的挥发性有机污染物和氮氧化物。它可装置于小型家用空调，大中型中央空调，室内空气净化器，工业烟气和废气排放设施，小型家用净水器，饮水机，自来水厂，饮用水供水厂及其它水处理或污水处理设施中。

Hollow optical fiber photocatalytic reactor reinforced by three-dimensional electric field and graphene

A hollow optical fiber photocatalytic reactor reinforced by three-dimensional electric field and graphene. It uses a hollow optical fiber with a convex mirror at both ends, a ceramic coating of titanium dioxide and graphene, a three-dimensional low frequency electric field and a two-way light source, thus improving the catalytic reaction efficiency of the photoconductive fiber photocatalytic reactor. It can be used for indoor and outdoor air, large and medium small drinking water and swimming pools and various industries, the purification and sterilization of agricultural and urban sewage, especially the removal of organic pollutants and bacterial viruses, used for disinfection and sterilization of drinking water machines to prevent two pollution of drinking water in the process of transportation and storage, and the prevention and control of water pollution in rivers and lakes. And degradation as volatile organic pollutants and nitrogen oxides in greenhouse gases and haze precursors. It can be installed in small household air conditioners, large and medium-sized central air conditioners, indoor air purifier, industrial flue gas and exhaust emission facilities, small household water purifier, drinking water machine, water plant, drinking water supply plant and other water treatment facilities or sewage treatment facilities.

【技术实现步骤摘要】
由三维电场及石墨烯强化的中空光导纤维光催化反应器(1)
本专利技术涉及一种由光导纤维及其负载光催化膜层组成的光催化反应器。(2)
技术介绍
目前光导纤维光催化反应器存在光传导过程中光能损耗大及催化剂涂层厚度影响电子空穴传递的问题，从而制约了其在环境工程及化学工程中的应用。一些近期单项实验显示这一系列待解决的问题影响了光导纤维光催化反应器的应用。光纤本身的强度问题及光损耗大的问题导致光纤易折断及光纤远端光强度不够，从而造成电子和空穴数量不足和在光催化反应表面分布不均匀。催化剂涂层影响电子空穴的传导，而且涂层厚度越大其影响也越大。催化剂涂层还有易磨损问题，而且涂层厚度越小其磨损问题愈加突出，这与减小催化剂涂层厚度以减小其对电子空穴传输阻力的努力相矛盾。另一方面，目前污水处理，水处理和空气净化大多通常采用直接紫外光源应用于流体中。例如，环境工程水及污水处理中紫外光只有其灭菌消毒功能得到一定程度的应用，而且水和污水中的天然有机质和人为有机物在紫外光的直接照射下会产生微量醛类毒性物质。此外，污水及空气中有机污染物的去除则具有环境生态及人类健康的双重意义。光催化在空气净化器中也有初步的应用，但空气净化器光催化净化一般采用滤网涂膜技术，使有效光反应面积及有效光照面积受到严重制约，而且紫外光直接照射空气会产生二次空气污染物臭氧，臭氧也对石英灯管有加速老化作用。光导纤维反应器的光纤强度不足问题也影响了其应用。(3)
技术实现思路
为了克服现有水，污水和空气净化工艺的不足及光导纤维光催化反应器的应用瓶颈，本专利技术解决了光导纤维光催化反应器中光传导损耗大，催化剂涂层厚度影响电子空穴有效传递及光纤强度不足等问题，提高了有效光照面积及光催化反应面积，从而提高了光导纤维光催化反应器的反应效率，并且使增大参与有效光催化反应的光导纤维长度成为可能，能促进光导纤维光催化反应器在多领域尤其是环境工程领域的应用。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：在光导纤维光催化反应器中，本专利技术由两端经高温熔结并粘合封闭的中空光导纤维组束经高温陶瓷化其催化剂涂层，产生外加三维电场的三对电极板(其中与光纤组束两端相邻的一对电极板兼作紫外光反光镜)和一对紫外光发光灯管组成。三对电极板由绝缘垫片相隔并压紧组成承载被处理反应介质流体(空气，水或污水)的容器，反应介质流体与电极板间也由绝缘垫片隔开。每根中空光纤两端熔结为凸透镜并经高温熔结粘合封闭使流体无从流入光纤中空内腔并且无从泄漏而不会污染光纤两端凸透镜，中空光导纤维中间段经高温拉伸至其外径比其粘合封闭的两端略细，其表面为经高温陶瓷化的催化剂涂层。催化剂涂层为纳米级二氧化钛及石墨烯(重量混合比例为992:8至99:1)及表面活性剂(重量混合比例为1:1000至5:1000)的混合物。紫外光源灯管置于抛物面形镜面反光电极板的焦距处以产生反射平行光束。中空光导纤维应由石英玻璃或其它具有较高紫外光透光性的玻璃材料制成。本专利技术所涉及的光导纤维光催化反应器在工作时，三对电极板由低频交流电源(频率等于或小于50至60HZ)交替供电(在任何时间只对其中一对电极供电，而对其余两对电极停止供电)。三对电极板和一对紫外光发光灯管供电后，光能由中空光导纤维两端凸镜收集进入光纤管并在光纤管中传输。光能激发催化剂涂层内表面产生电子和空穴，二者通过自由扩散及电场和石墨烯促进的迁移作用，扩散至催化剂涂层的外表面参与光催化反应。待处理含污染物的流体(即需被净化的空气，水或污水)由靠近中空光纤组束的一端进入，流体中的污染物被吸附至光催化剂表面后被光催化反应降解，处理后的流体经位于本光导纤维光催化反应器立体对角的另一端排出，以充分利用有效反应面积及延长反应时间。以上光导纤维光催化反应器结构功能设计的优点是：采用中空光导纤维作为光能传输载体及光反应催化剂的支撑材料，从而降低光能在光导纤维传输中的损耗速率，提高了光传输效率，使光能在较长传送距离上能够维持在有效激发足够多参与光催化反应电子空穴的能量水平上。这样也实际上保持增加了光催化反应的有效反应面积。在二氧化钛催化剂涂层中添加适当比例的石墨烯材料，使在催化剂涂层的光激发表面一侧产生的电子空穴快速扩散至催化剂涂层光催化反应表面的一侧，参与光催化反应，实现了催化因子电子空穴在催化剂涂层中的快速高效传输，极大地增加了光催化反应效率，同时也降低了半导体热效应及其对污染物分子催化表面吸附的影响。适当频率的三维低频交流电场进一步强化促进了电子空穴在催化剂涂层中，在催化剂反应表面和沿光导纤维方向的传输及均匀化分布，使在催化剂涂层光催化反应表面一侧被光催化反应所消耗的电子空穴得到及时补充，并使带正电荷的空穴和带负电荷的电子交替在光催化反应表面上出现并参与光催化反应，而且促进了电子空穴对的有效分离，降低了电子与空穴的复合效应。低频交流电场能够穿透水或空气介质，还增加了催化剂涂层外表面对污染物分子的吸附量，减少了带电离子和极性分子在催化剂涂层外表面的竞争性吸附。光催化剂涂层采用在纳米级二氧化钛和石墨烯悬浮液中多次高温淬火涂膜及高温陶瓷化烧结，增加了涂层的耐磨性和涂膜光纤的整体强度，从而克服了光纤强度不够易折断的缺陷。光纤两端熔结凸镜结构及光能两端同时输入的设计进一步强化了光能的有效利用。总之，本专利技术使光传输及电子空穴分离和传输的效率大幅度提高，克服了原有技术的相应不足，并且克服了催化剂涂层厚度对电子空穴扩散传递的阻碍。其低频电场还在降低半导体热效应的同时，使电子和空穴在催化剂膜层中的传递速率与催化剂膜层表面分子吸附及光催化反应的速率相匹配，从而使催化剂表面的光催化反应持续高效进行。在水和污水处理及空气净化中，将中空光导纤维传输光能的方式用于光催化反应，也同时克服了传统上光源直照反应介质或催化剂的缺陷，即：反应比表面积小，光能在介质中传输阻力大和损失严重，以及产生二次污染物等。(4)附图说明图1是本专利技术总体结构原理的说明图；图2是所示图1中光纤反应器核心部件7的三维形象示意图；图3是所示图2中光纤反应器核心部件7的光纤熔合粘接部分的R－R横向剖面图；图4是所示图2中光纤反应器核心部件7带有催化剂涂层的单根中空光纤部件的侧视示意图，纵向剖面构造图及横向剖视图；图5是所示图2中光纤反应器核心部件7带有催化剂涂层的单根中空光纤部件的局部(上半部分)放大三维外观形象及剖视示意图；图6是所示图2中光纤反应器核心部件7的单侧光导入端被紫外灯箱密封并附有浮力调节水箱构成的组件示意图。图中1.穹形全反射镜面电极板(上)，2.穹形全反射镜面电极板(下)，3.与Y轴相垂直的电极板(里)，4.与Y轴相垂直的电极板(外)，5.与X轴相垂直的电极板(右)，6.与X轴相垂直的电极板(左)，7.中空光导纤维反应器单元，8.烧结成凸镜构造的光纤两端，9.光纤两端熔合粘贴密封段，10.光纤拉伸过渡段(有催化剂涂层)，11.光纤拉伸延长段(有催化剂涂层)，12.光纤拉伸延长段(有催化剂涂层)，13.光纤拉伸过渡段(有催化剂涂层)，14.光纤两端熔合粘贴密封段，15.烧结成凸镜构造的光纤两端，16.附着于光纤拉伸过渡段及拉伸延长段的陶瓷化催化剂涂层，17.光纤两端熔合粘贴密封段的密封材料(石英玻璃或催化剂涂层材料)，18.密封一侧光导入端的灯箱及浮力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤光催化反应器，该反应器主要由光纤组束[7]与其上催化剂涂层[16]组成，其特征在于组成所述光纤组束[7]的光纤为中空光导纤维[9，10，11，12，13，14]，该中空光导纤维两端有光收集凸镜[8]；所述催化剂涂层[16]由二氧化钛和石墨烯组成并经高温陶瓷化烧结制成；光由光纤两端双向进入，对带有催化剂涂层的整体中空光纤组件[7]外施加三维低频电场。

【技术特征摘要】
1.一种光纤光催化反应器，该反应器主要由光纤组束[7]与其上催化剂涂层[16]组成，其特征在于组成所述光纤组束[7]的光纤为中空光导纤维[9，10，11，12，13，14]，该中空光导纤维两端有光收集凸镜[8]；所述催化剂涂层[16]由二氧化钛和石墨烯组成并经高温陶瓷化烧结制成；光由光纤两端双向进入，对带有催化剂涂层的整体中空光纤组件[7]外施加三维低频电场。2.根据权利要求1所述的光纤光催化反应器，其特征是；光导纤维采用中空光导纤维，而且中空光导纤维束的光导入两端由光导纤维材料本身或催化剂涂层材料[17]粘合封闭，并且中空光导纤维束的光导入两端头为闭合凸镜结构。3.根据权利要求1所述的光纤光催化反应器，其特征是；该反应器采用对带催化剂涂层的中空光导纤维施加三维低频电场，其外加三维低频电场由三对电极板[1，2，3，4，5，6]放置于与三个互相垂直的对称轴相垂直的位置实现，其中与光纤光导入端相邻的一对电极[1，2]板采用穹形全反射镜面金属板，并在其光反射焦距处放置紫外灯管。绝缘材料制成的隔离垫片用于相邻电极板间及电极板与反应介质间的绝缘隔离。4.根据权利要求3所述的对带催化剂涂层的中空光导纤维组束施加的三维低频电场，其特征是：三维低频电场的频率及三对电极的交替供电频率与电子空穴的在催化剂涂层内表面的产生速率和传递至催化剂涂层外表面的速率，催化剂涂层厚度，反应物分子在光催化反应表面的吸附速率，光催化反应时间以及光催化产物的脱附速率相协调匹配。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐文，徐海澜，
申请(专利权)人：徐海澜，
类型：发明
国别省市：辽宁,21