[发明专利]由三维电场及石墨烯强化的中空光导纤维光催化反应器

说明书

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。

(1)技术领域

本发明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)背景技术

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)发明内容

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，本发明解决了光导纤 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。

本发明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，本发明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。