光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统

赵 聪

(河南省机械设计研究院有限公司，郑州 450001)

光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统

赵 聪

(河南省机械设计研究院有限公司，郑州 450001)

对光催化二氧化钛(TiO2)活性炭进行了分析，利用光催化二氧化钛(TiO2)活性炭的再生机理，提出了光催化二氧化钛(TiO2)活性炭的制备方法及光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统的设计实现过程，论述了控制系统硬件原理，对TGS2600空气质量传感器电路、活性炭换层控制单元、再生用TL-D 15W/10紫外灯控制单元进行了描述和方案设计，对软件设计流程进行了讨论和说明； 在光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统，利用再生过程紫外灯光照强度连续监测及动态在线调整，结合程序计算反馈调整，运用碳层连续换层设计，使得 光催化二氧化钛(TiO2)活性炭的再生效率好，光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统对其它的类似设计提供了借鉴。

光催化；二氧化钛(TiO2)；活性炭；再生

0 引言

活性炭是一种多孔材料，具有极其发达的空隙结构和极大的比表面积，它作为一种优良吸附材料被广泛的应用于液相领域和气相领域，在气相领域可广泛应用于烟气脱硫脱硝、汽车尾气净化、室内空气净化、防毒面具的毒气防护、工业有机蒸气和有毒化合物的去除等，而且可以在化工领域中可作接触催化剂及催化剂载体[1]。

国内工业发展和城市建设日新月异，经济快速发展的同时也破坏了我们赖以生存的环境，尤其是水污染、空气污染已经严重影响了日常的健康生活，为了能改善室内环境的空气质量，各种空气净化系统就应用而生了。

将空气净化系统活性炭滤网的活性炭，由普通的柱状或颗粒活性炭，替换成光催化二氧化钛(TiO2)活性炭，当光催化二氧化钛(TiO2)活性炭吸附接近饱和时，由光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生系统控制将吸附在光催化二氧化钛(TiO2)活性炭中的各种有机物质分解成H2O和CO2，从而让空气净化系统的光催化二氧化钛(TiO2)活性炭滤网永久使用无需更换。

1 再生机理

2 光催化二氧化钛(TiO2)活性炭制备方法

图2 传感器单元电路图

二氧化钛(TiO2)用5～10 nm的锐钛型二氧化钛，活性炭用粒度为325目比表面积(BET)大于1 500 m2/g的粉状物理法活性炭，将粉状活性炭与羧甲基纤维素钠改性粘结剂按一定比例混合，在练泥机内充分搅拌混合均匀后，用单螺杆挤出机挤成2 mm直径活性炭柱；活性炭柱在200 ℃真空干燥箱中烘干2小时后，强度达到98%以上；将此活性炭柱，在二氧化钛(TiO2)分散液中用超声波浸渍(超声波频率为28 MHz、浸渍时间30分钟、浸渍温度40 ℃)，浸渍完成后，将活性炭柱干燥处理后，在600 ℃下煅烧30分钟得到光催化二氧化钛(TiO2)活性炭[6]。

由此工艺制成的光催化二氧化钛(TiO2)活性炭，强度大于98%，比表面积大于1 500 m2/g具有优良的吸附特性和光催化特性。

3 控制系统设计

光催化二氧化钛(TiO2)活性碳再生控制系统，主CPU芯片选用：C8051F500；空气质量传感器选用：日本FIGARO公司的TGS2600传感器；紫外灯选用：飞利浦(PHILIPS)TL-D 15W/10 UVA 365 nm[7]。

3.1 控制系统硬件原理

C8051F500芯片为8位51内核结构，主频最高达到50 MHz，片内集成12位逐次比较型A/D转换器，最高采样频率为200 KPS，片内自带参考电压，集成可复用的GPIO接口、URAT、LAN、SPI、CAN等接口，片内集成64 K FLASH ROM空间，自带4 K XRAM。

控制系统硬件原理如图1所示。

图1 硬件原理图

3.2 TGS2600空气质量传感器单元设计

光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统中，再生模式下判定再生过程的唯一判据是活性炭吸附量，而活性炭吸附量的计算，需要精确的检测进入光催化二氧化钛(TiO2)活性炭滤层前的空气质量浓度和通过后的空气质量浓度。

空气质量传感器选用日本FIGARO公司的TGS2600传感器，传感器敏感材料是金属氧化物SnO2，在传感器内部，电子流经过SnO2微晶的结合部位(晶粒边界)。在晶粒边界，吸附的氧形成一个势垒阻止载流子自由移动，传感器的电阻即缘于这种势垒，当还原性气体出现时，带有负电荷的氧的表面浓度降低，导致晶粒边界的势垒降低，从而使传感器的阻值减小，达到检测气体浓度的目的。

TGS2600空气质量传感器单元电路如图2所示。

在传感器接口电路中，TGS2600传感器的检测输出电压和驱动电压同时采集，经电压跟随器后，将两个电压进行比较，通过一级放大电路，将采样信号调制，再接入一级钳压电路和滤波，保证C8051F500采集端口ADC管脚采集到的电压在0～3.3 V间且信号稳定。

3.3 光催化二氧化钛(TiO2)活性炭换层控制单元

光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统，需要将光催化二氧化钛(TiO2)活性炭在再生过程中，进行碳层转换，让近光层的活性炭与远光层的活性炭进行互换，从而保证再生的效果。

3.4 TL-D 15W/10紫外灯控制单元

光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生过程中，光照强度直接关系再生效果与速度，因为单位时间和单位体积内有效光子数是影响反应速度的直接因素，光照强度越高，单位体积内所接受到的入射光子数就更多，在光催化二氧化钛(TiO2)活性炭表面所产生的自由基也增多，就能将吸附在光催化二氧化钛(TiO2)活性炭空隙中的有机物和无机污染物更快的氧化成CO2和H2O等无害物质，从而使光催化二氧化钛(TiO2)活性碳层转换驱动电机选用12 V直流电机，控制电路带正反转驱动电路，电路中R7、D1、D4、N5构成电机保护电路，当直流电机出现过载保护、堵转和外部线路短路时，保护电路启动，切断驱动电路，从而保护电机和设备。

碳层转换电机驱动电路如图3所示。

图3 驱动电路图

炭的再生速度更快，再生效果更彻底。

光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统UV灯光强度检测电路，如图4所示。

图4 检测电路图

UV灯光强检测采用光敏二极管，由于光敏二极管的信号很弱，故采用高精度、高输入阻抗的精密运放OPA128，将光敏二极管的信号放大后，再接入C8051F500采集端口ADC管脚采集运算，计算后的结果用于VU灯光照强度的反馈控制。

光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统UV灯光强调制电路，如图5所示。

图5 电路图

UV灯工作时需要较高的电压，而且还要稳定才能产生波长恒定的光源，所以电路设计上用C8051F500的I/O端口P3.7和P4.0。

3.5 软件设计流程

光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统再生模式软件设计和实现流程如图6所示。

做控制端，控制开关管N3、N4的导通和截止，从而控制变压器将电压调制成UV灯所需的电压；C8051F500的P3.6/PWM端口经过RC滤波、多级放大驱动后，与AD536计算的反馈的信号调制输出控制UV灯的灯光强度。

当光催化二氧化钛(TiO2)活性炭全部处于饱和状态，即达到它的平衡吸附量a，即静活度，根据朗格谬尔等温线，在吸附作用时间ζ内，活性炭吸附量为：

X=aSLρb

式中，X为单位时间ζ内活性炭吸附量，a为净活度重量%，S为光催化活性炭的截面积，L为光催化活性炭的吸附层厚度，ρb为光催化活性炭的堆积密度[8]。

图6 软件设计和实现流程图

在控制系统软件设计时，系统实时检测并计算进入光催化二氧化钛(TiO2)活性炭滤层前的空气质量浓度A1，检测通过光催化二氧化钛(TiO2)活性炭滤层后的空气质量浓度A2。

3.5.1 定时再生模式

在定时再生模式下，系统时钟到定时时间，控制系统进入定时再生模式，控制系统开启紫外灯，实时检测活性炭吸附容量的变化，调整紫外灯的光照强度，保证再生效果。同时定时启动活性炭换层电机，将活性炭进行换层，已经再生过的活性炭进入远光层，未再生的活性炭换层到光照层，保证所有活性炭再生。

当活性炭吸附量检定值W

3.5.2 智能再生模式

在智能再生模式下运行时，系统在T时间内，将空气净化系统的检测风机运行频率从正常运行状态切换至检测状态，空气净化器的通风量将在T时间内提高N倍(一般为5倍)。由于活性炭吸附量在长时间吸附后，将呈现吸附速度变慢并趋于饱和的情况，所以在通风量增加的情况下，由于活性炭吸附速度变慢，在空气通过活性炭滤层的穿透时间为无法将有机物完全吸附，系统的出口空气质量浓度将增加，从而计算出过滤前后的空气质量差值W并计算出光催化活性炭饱和吸附曲线下【0，T】时间内的积分，即为活性炭吸附量检定值，用此检定值和设定的活性炭吸附量的阈值W1(活性炭吸附量>50%)比较，如果W>W1，则控制系统进入智能再生模式，控制系统开启紫外灯，实时检测活性炭吸附容量的变化，调整紫外灯的光照强度，保证再生效果。同时定时启动活性炭换层电机，将活性炭进行换层，已经再生过的活性炭进入远光层，未再生的活性炭换层到光照层，保证所有活性炭再生。

当活性炭吸附量检定值W

4 实验结果与分析

在通风柜内对光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统进行吸附和再生性能测试。

在系统测试前，对光催化二氧化钛活性炭取样进行比表面积测试，再生控制系统工作一段时间再生模式启动时，对光催化二氧化钛活性炭取样进行比表面积测试，再生完成后，再对光催化二氧化钛活性炭取样进行比表面积测试，从而分析光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统的再生效果。

测试数据如表1所示。

光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统在吸附和再生测试中，在两种再生模式下，再生后的光催化二氧化钛(TiO2)活性炭比较面积分别为1 480 m2/g、1 497 m2/g，光催化二氧化钛(TiO2)活性炭的吸附性能恢复到再生前的水平，再生控制系统效果良好。

表1 测试数据表

5 结论

国内工业发展和城市建设日新月异，经济快速发展的同时也破坏了我们赖以生存的环境，尤其是水污染、空气污染已经严重影响了日常的健康生活，为了能改善室内环境的空气质量，空气净化系统将不可缺少。

本文所提出的 光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统，将光催化二氧化钛(TiO2)和活性炭通过特殊工艺处理制作后，结合再生系统的在线监测功能，利用再生过程紫外灯光照强度连续监测及动态在线调整，结合程序计算反馈调整，运用碳层连续换层设计，使得 光催化二氧化钛(TiO2)活性炭的再生效果良好。

所以，光催化二氧化钛(TiO2)活性炭再生控制系统对其它的类似应用设计有积极的参考作用。

[1] 姚仲鹏．空气净化原理、设计与应用[M]．北京：中国科学技术出版社，2014.

[2] 沈 毅， 任富建，刘红娟.掺杂二氧化钛(TiO2)的光催化性能研究[J].稀有金属材料与工程，2006，35(11) ：1841-1844.

[3] 李娟红， 雷闫盈， 王小刚.半导体二氧化钛(TiO2)纳米微粒膜光催化杀菌机理与性能的研究[J].材料工程，2006(S1)：222-228.

[4] 孙奉雨，吴 鸣，李文钊.二氧化钛表面光学特性与光催化活性的关系[J].催化学报，1998，19(2) ：121-124.

[5] 刘守新，刘 鸿.光催化及光电催化基础与应用[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

[6] 蒋建春.活性炭应用理论与技术[M]. 北京：化学工业出版社，2010.

[7] 赵一丁.自动控制系统(第2版)[M].北京：邮电大学出版社，2007.

[8]近藤精一，石川达雄，安部郁夫.吸附科学[M].北京：化学工业出版社，2006.

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。

赵 聪(1979-)，女，河南新乡人，硕士研究生，主要从事自动控制系统方向的研究。

1671-4598(2017)12-0073-03

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

TP273

A