趙 聰

(河南省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450001)

光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)

趙 聰

(河南省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450001)

對(duì)光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭進(jìn)行了分析，利用光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭的再生機(jī)理，提出了光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭的制備方法及光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，論述了控制系統(tǒng)硬件原理，對(duì)TGS2600空氣質(zhì)量傳感器電路、活性炭換層控制單元、再生用TL-D 15W/10紫外燈控制單元進(jìn)行了描述和方案設(shè)計(jì)，對(duì)軟件設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了討論和說(shuō)明； 在光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)，利用再生過(guò)程紫外燈光照強(qiáng)度連續(xù)監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)在線(xiàn)調(diào)整，結(jié)合程序計(jì)算反饋調(diào)整，運(yùn)用碳層連續(xù)換層設(shè)計(jì)，使得 光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭的再生效率好，光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)對(duì)其它的類(lèi)似設(shè)計(jì)提供了借鑒。

光催化；二氧化鈦(TiO2)；活性炭；再生

0 引言

活性炭是一種多孔材料，具有極其發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)和極大的比表面積，它作為一種優(yōu)良吸附材料被廣泛的應(yīng)用于液相領(lǐng)域和氣相領(lǐng)域，在氣相領(lǐng)域可廣泛應(yīng)用于煙氣脫硫脫硝、汽車(chē)尾氣凈化、室內(nèi)空氣凈化、防毒面具的毒氣防護(hù)、工業(yè)有機(jī)蒸氣和有毒化合物的去除等，而且可以在化工領(lǐng)域中可作接觸催化劑及催化劑載體[1]。

國(guó)內(nèi)工業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)日新月異，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)也破壞了我們賴(lài)以生存的環(huán)境，尤其是水污染、空氣污染已經(jīng)嚴(yán)重影響了日常的健康生活，為了能改善室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量，各種空氣凈化系統(tǒng)就應(yīng)用而生了。

將空氣凈化系統(tǒng)活性炭濾網(wǎng)的活性炭，由普通的柱狀或顆?；钚蕴浚鎿Q成光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭，當(dāng)光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭吸附接近飽和時(shí)，由光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生系統(tǒng)控制將吸附在光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭中的各種有機(jī)物質(zhì)分解成H2O和CO2，從而讓空氣凈化系統(tǒng)的光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭濾網(wǎng)永久使用無(wú)需更換。

1 再生機(jī)理

2 光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭制備方法

圖2 傳感器單元電路圖

二氧化鈦(TiO2)用5～10 nm的銳鈦型二氧化鈦，活性炭用粒度為325目比表面積(BET)大于1 500 m2/g的粉狀物理法活性炭，將粉狀活性炭與羧甲基纖維素鈉改性粘結(jié)劑按一定比例混合，在練泥機(jī)內(nèi)充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蚝螅脝温輻U擠出機(jī)擠成2 mm直徑活性炭柱；活性炭柱在200 ℃真空干燥箱中烘干2小時(shí)后，強(qiáng)度達(dá)到98%以上；將此活性炭柱，在二氧化鈦(TiO2)分散液中用超聲波浸漬(超聲波頻率為28 MHz、浸漬時(shí)間30分鐘、浸漬溫度40 ℃)，浸漬完成后，將活性炭柱干燥處理后，在600 ℃下煅燒30分鐘得到光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭[6]。

由此工藝制成的光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭，強(qiáng)度大于98%，比表面積大于1 500 m2/g具有優(yōu)良的吸附特性和光催化特性。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光催化二氧化鈦(TiO2)活性碳再生控制系統(tǒng)，主CPU芯片選用：C8051F500；空氣質(zhì)量傳感器選用：日本FIGARO公司的TGS2600傳感器；紫外燈選用：飛利浦(PHILIPS)TL-D 15W/10 UVA 365 nm[7]。

3.1 控制系統(tǒng)硬件原理

C8051F500芯片為8位51內(nèi)核結(jié)構(gòu)，主頻最高達(dá)到50 MHz，片內(nèi)集成12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，最高采樣頻率為200 KPS，片內(nèi)自帶參考電壓，集成可復(fù)用的GPIO接口、URAT、LAN、SPI、CAN等接口，片內(nèi)集成64 K FLASH ROM空間，自帶4 K XRAM。

控制系統(tǒng)硬件原理如圖1所示。

圖1 硬件原理圖

3.2 TGS2600空氣質(zhì)量傳感器單元設(shè)計(jì)

光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)中，再生模式下判定再生過(guò)程的唯一判據(jù)是活性炭吸附量，而活性炭吸附量的計(jì)算，需要精確的檢測(cè)進(jìn)入光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭濾層前的空氣質(zhì)量濃度和通過(guò)后的空氣質(zhì)量濃度。

空氣質(zhì)量傳感器選用日本FIGARO公司的TGS2600傳感器，傳感器敏感材料是金屬氧化物SnO2，在傳感器內(nèi)部，電子流經(jīng)過(guò)SnO2微晶的結(jié)合部位(晶粒邊界)。在晶粒邊界，吸附的氧形成一個(gè)勢(shì)壘阻止載流子自由移動(dòng)，傳感器的電阻即緣于這種勢(shì)壘，當(dāng)還原性氣體出現(xiàn)時(shí)，帶有負(fù)電荷的氧的表面濃度降低，導(dǎo)致晶粒邊界的勢(shì)壘降低，從而使傳感器的阻值減小，達(dá)到檢測(cè)氣體濃度的目的。

TGS2600空氣質(zhì)量傳感器單元電路如圖2所示。

在傳感器接口電路中，TGS2600傳感器的檢測(cè)輸出電壓和驅(qū)動(dòng)電壓同時(shí)采集，經(jīng)電壓跟隨器后，將兩個(gè)電壓進(jìn)行比較，通過(guò)一級(jí)放大電路，將采樣信號(hào)調(diào)制，再接入一級(jí)鉗壓電路和濾波，保證C8051F500采集端口ADC管腳采集到的電壓在0～3.3 V間且信號(hào)穩(wěn)定。

3.3 光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭換層控制單元

光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)，需要將光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭在再生過(guò)程中，進(jìn)行碳層轉(zhuǎn)換，讓近光層的活性炭與遠(yuǎn)光層的活性炭進(jìn)行互換，從而保證再生的效果。

3.4 TL-D 15W/10紫外燈控制單元

光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生過(guò)程中，光照強(qiáng)度直接關(guān)系再生效果與速度，因?yàn)閱挝粫r(shí)間和單位體積內(nèi)有效光子數(shù)是影響反應(yīng)速度的直接因素，光照強(qiáng)度越高，單位體積內(nèi)所接受到的入射光子數(shù)就更多，在光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭表面所產(chǎn)生的自由基也增多，就能將吸附在光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭空隙中的有機(jī)物和無(wú)機(jī)污染物更快的氧化成CO2和H2O等無(wú)害物質(zhì)，從而使光催化二氧化鈦(TiO2)活性碳層轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用12 V直流電機(jī)，控制電路帶正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路，電路中R7、D1、D4、N5構(gòu)成電機(jī)保護(hù)電路，當(dāng)直流電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)和外部線(xiàn)路短路時(shí)，保護(hù)電路啟動(dòng)，切斷驅(qū)動(dòng)電路，從而保護(hù)電機(jī)和設(shè)備。

碳層轉(zhuǎn)換電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路圖

炭的再生速度更快，再生效果更徹底。

光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)UV燈光強(qiáng)度檢測(cè)電路，如圖4所示。

圖4 檢測(cè)電路圖

UV燈光強(qiáng)檢測(cè)采用光敏二極管，由于光敏二極管的信號(hào)很弱，故采用高精度、高輸入阻抗的精密運(yùn)放OPA128，將光敏二極管的信號(hào)放大后，再接入C8051F500采集端口ADC管腳采集運(yùn)算，計(jì)算后的結(jié)果用于VU燈光照強(qiáng)度的反饋控制。

光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)UV燈光強(qiáng)調(diào)制電路，如圖5所示。

圖5 電路圖

UV燈工作時(shí)需要較高的電壓，而且還要穩(wěn)定才能產(chǎn)生波長(zhǎng)恒定的光源，所以電路設(shè)計(jì)上用C8051F500的I/O端口P3.7和P4.0。

3.5 軟件設(shè)計(jì)流程

光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)再生模式軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示。

做控制端，控制開(kāi)關(guān)管N3、N4的導(dǎo)通和截止，從而控制變壓器將電壓調(diào)制成UV燈所需的電壓；C8051F500的P3.6/PWM端口經(jīng)過(guò)RC濾波、多級(jí)放大驅(qū)動(dòng)后，與AD536計(jì)算的反饋的信號(hào)調(diào)制輸出控制UV燈的燈光強(qiáng)度。

當(dāng)光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭全部處于飽和狀態(tài)，即達(dá)到它的平衡吸附量a，即靜活度，根據(jù)朗格謬爾等溫線(xiàn)，在吸附作用時(shí)間ζ內(nèi)，活性炭吸附量為：

X=aSLρb

式中，X為單位時(shí)間ζ內(nèi)活性炭吸附量，a為凈活度重量%，S為光催化活性炭的截面積，L為光催化活性炭的吸附層厚度，ρb為光催化活性炭的堆積密度[8]。

圖6 軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)流程圖

在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)并計(jì)算進(jìn)入光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭濾層前的空氣質(zhì)量濃度A1，檢測(cè)通過(guò)光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭濾層后的空氣質(zhì)量濃度A2。

3.5.1 定時(shí)再生模式

在定時(shí)再生模式下，系統(tǒng)時(shí)鐘到定時(shí)時(shí)間，控制系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)再生模式，控制系統(tǒng)開(kāi)啟紫外燈，實(shí)時(shí)檢測(cè)活性炭吸附容量的變化，調(diào)整紫外燈的光照強(qiáng)度，保證再生效果。同時(shí)定時(shí)啟動(dòng)活性炭換層電機(jī)，將活性炭進(jìn)行換層，已經(jīng)再生過(guò)的活性炭進(jìn)入遠(yuǎn)光層，未再生的活性炭換層到光照層，保證所有活性炭再生。

當(dāng)活性炭吸附量檢定值W

3.5.2 智能再生模式

在智能再生模式下運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在T時(shí)間內(nèi)，將空氣凈化系統(tǒng)的檢測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率從正常運(yùn)行狀態(tài)切換至檢測(cè)狀態(tài)，空氣凈化器的通風(fēng)量將在T時(shí)間內(nèi)提高N倍(一般為5倍)。由于活性炭吸附量在長(zhǎng)時(shí)間吸附后，將呈現(xiàn)吸附速度變慢并趨于飽和的情況，所以在通風(fēng)量增加的情況下，由于活性炭吸附速度變慢，在空氣通過(guò)活性炭濾層的穿透時(shí)間為無(wú)法將有機(jī)物完全吸附，系統(tǒng)的出口空氣質(zhì)量濃度將增加，從而計(jì)算出過(guò)濾前后的空氣質(zhì)量差值W并計(jì)算出光催化活性炭飽和吸附曲線(xiàn)下【0，T】時(shí)間內(nèi)的積分，即為活性炭吸附量檢定值，用此檢定值和設(shè)定的活性炭吸附量的閾值W1(活性炭吸附量>50%)比較，如果W>W1，則控制系統(tǒng)進(jìn)入智能再生模式，控制系統(tǒng)開(kāi)啟紫外燈，實(shí)時(shí)檢測(cè)活性炭吸附容量的變化，調(diào)整紫外燈的光照強(qiáng)度，保證再生效果。同時(shí)定時(shí)啟動(dòng)活性炭換層電機(jī)，將活性炭進(jìn)行換層，已經(jīng)再生過(guò)的活性炭進(jìn)入遠(yuǎn)光層，未再生的活性炭換層到光照層，保證所有活性炭再生。

當(dāng)活性炭吸附量檢定值W

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在通風(fēng)柜內(nèi)對(duì)光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)進(jìn)行吸附和再生性能測(cè)試。

在系統(tǒng)測(cè)試前，對(duì)光催化二氧化鈦活性炭取樣進(jìn)行比表面積測(cè)試，再生控制系統(tǒng)工作一段時(shí)間再生模式啟動(dòng)時(shí)，對(duì)光催化二氧化鈦活性炭取樣進(jìn)行比表面積測(cè)試，再生完成后，再對(duì)光催化二氧化鈦活性炭取樣進(jìn)行比表面積測(cè)試，從而分析光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)的再生效果。

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)在吸附和再生測(cè)試中，在兩種再生模式下，再生后的光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭比較面積分別為1 480 m2/g、1 497 m2/g，光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭的吸附性能恢復(fù)到再生前的水平，再生控制系統(tǒng)效果良好。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

國(guó)內(nèi)工業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)日新月異，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)也破壞了我們賴(lài)以生存的環(huán)境，尤其是水污染、空氣污染已經(jīng)嚴(yán)重影響了日常的健康生活，為了能改善室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量，空氣凈化系統(tǒng)將不可缺少。

本文所提出的 光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)，將光催化二氧化鈦(TiO2)和活性炭通過(guò)特殊工藝處理制作后，結(jié)合再生系統(tǒng)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，利用再生過(guò)程紫外燈光照強(qiáng)度連續(xù)監(jiān)測(cè)及動(dòng)態(tài)在線(xiàn)調(diào)整，結(jié)合程序計(jì)算反饋調(diào)整，運(yùn)用碳層連續(xù)換層設(shè)計(jì)，使得 光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭的再生效果良好。

所以，光催化二氧化鈦(TiO2)活性炭再生控制系統(tǒng)對(duì)其它的類(lèi)似應(yīng)用設(shè)計(jì)有積極的參考作用。

[1] 姚仲鵬．空氣凈化原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]．北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2014.

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Photocatalytic Titanium Dioxide (TiO2) Activated Carbon Regeneration and Control System

Zhao Cong

(Henan Machinery Design & Research Institute Co., Ltd.,Zhengzhou 450001,China)

At present，analysis of photocatalytic titanium dioxide (TiO2) activated carbon is made by，using photocatalytic titanium dioxide (TiO2) activated carbon regeneration mechanism，Photocatalytic titanium dioxide (TiO2) activated carbon regeneration and control system design are proposed，The paper introduced the mechanism of TiO2 activated carbon regeneration、the preparation methods and design scheme of the control system；Puts forward a control system hardware principle、TGS2600 air quality sensor circuit design、activated carbon layer conversion control unit design、regeneration with TL - 15 w/D 10 uV lamp control unit design and software design，The above are discussed and illustrated. In the photocatalytic titanium dioxide (TiO2) activated carbon regeneration and control system，Using the UV light intensity continuous monitoring and on-line dynamic adjustment, In combination with feedback, Using carbon layer continuous change design，Photocatalytic titanium dioxide (TiO2) activated carbon regeneration efficiency is very high，This design provides a reference for other similar design.

photocatalytic；titanium dioxide (TiO2)；activated carbon；regeneration

2017-05-09；

2017-05-25。

趙 聰(1979-)，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要從事自動(dòng)控制系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)12-0073-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.019

TP273

A