基于光催化原理的空气净化器研究

论文总字数：22121字

摘 要

随着全球工业化的迅速发展，空气污染问题日益严重。近年来，PM2.5、甲醛、二氧化硫等空气污染物一直是一个受人关注的热门话题，而与此有关的各种形态、原理的空气净化器也相继出现。传统技术制作的空气净化器主要依赖大面积的滤网才能达到较理想的污染物过滤的效果，要想进一步降解污染物分子，仍然需要投入成本更高的技术手段。本文将探讨一种基于光催化原理的空气净化器的制作，以达到环保、高效、智能和低成本的水平。该空气净化器是以目前新型的光催化半导体材料二氧化钛作为基础的，我们通过化学手段合成得到其异质结构Ag-TiO₂，并测试了它利用可见光实现催化降解污染物分子的能力。在此基础上，我们还设计了作为材料载体的静电纺丝滤网和一套能够检测污染物浓度并反馈和控制净化器工作的系统。其中滤网能够有效吸附PM2.5并加强材料的催化能力，而污染物监测系统主要能够实时监测空气中PM2.5的浓度，并在污染严重时启动净化器的风扇与光源。最后，我们整合了这一套净化器系统，初步制成了净化器样机，并测试了它的性能。

关键词：空气污染，光催化，净化器，二氧化钛

Abstract

With the rapid development of global industrialization, the problem of air pollution has become increasingly serious. In recent years, air pollutants such as PM2.5, formaldehyde, and sulfur dioxide have been a hot topic of concern, and various forms and principles of air purifiers have emerged. Air purifiers made by traditional technologies rely mainly on large-area filters to achieve the desired effect of filtering pollutants. In order to further degrade pollutant molecules, it is still necessary to invest in higher-cost technical means. This article will explore the production of an air purifier based on the principle of photocatalysis to achieve the level of environmental protection, high efficiency, intelligence and low cost. This air purifier is based on the new type of photocatalytic semiconductor material titanium dioxide. We synthesized the heterogeneous structure of Ag-TiO2 by chemical means and tested its ability to use visible light to catalytically degrade pollutant molecules. On this basis, we also designed an electrospinning filter as a material carrier and a system capable of detecting the concentration of contaminants and feeding back and controlling the operation of the purifier. The filter can effectively adsorb PM2.5 and enhance the catalytic ability of the material. The pollutant monitoring system can mainly monitor the concentration of PM2.5 in the air in real time, and start the fan and light source of the purifier when the pollution is serious. Finally, we integrated this purifier system, initially made a purifier prototype, and tested its performance.

KEY WORDS：air pollution, photocatalysis, purifier, titanium dioxide

目 录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究综述 1

1.2.1 空气净化器市场调研 1

1.2.2 光催化材料TiO₂介绍 2

1.3 论文研究内容及意义 4

1.4 论文组织结构 4

第二章 光催化材料制备 5

2.1 纳米TiO₂材料 5

2.1.1 热溶剂法合成TiO₂纳米棒 5

2.1.2 材料表征及测试 5

2.2 纳米Ag-TiO₂异质结构 6

2.2.1 光照法合成Ag-TiO₂异质结构 6

2.2.2 材料表征及测试 6

2.3 本章小结 7

第三章 大面积空气净化滤网制备 8

3.1 静电纺丝技术制备滤网结构 8

3.2 材料表征与测试 9

3.3 本章小结 9

第四章 污染物监测系统设计 10

4.1 系统硬件组成及设计 10

4.1.1 系统硬件组成 10

4.1.2 单片机设计 11

4.1.3 粉尘传感器与ADC0832设计 12

4.1.4 键盘电路设计 14

4.1.5 LED灯光报警设计 14

4.1.6 LCD1602显示屏设计 15

4.2 系统软件程序设计 16

4.2.1 程序结构和流程分析 16

4.2.2 主程序设计 17

4.2.3 粉尘数据采集与A/D转换程序设计 18

4.2.4 显示程序设计 20

4.2.5 按键程序设计 22

4.2.6 LED亮灯报警程序设计 24

4.2.7 中断和定时程序设计 24

4.3 硬件调试 25

4.4 本章小结 27

第五章 系统集成与测试 28

5.1 净化器样机系统集成 28

5.2 实物功能测试 30

5.3 本章小结 30

第六章 总结与展望 31

6.1 总结 31

6.2 展望 31

致谢 32

参考文献 33

绪论

研究背景

随着社会的发展，工业化进程几乎已经席卷了全球，在带动人类社会向前迈进的同时也带来了一系列的环境问题。就当前人类的科技发展水平而言，虽然风能、太阳能与核能等清洁能源逐渐被广为开发利用，但以煤炭、石油等化学燃料为主的能源依然是目前人类维持正常活动所必不可少的部分。化学燃料在燃烧时会产生大量的硫氧化物与氮氧化物，这些氧化物充斥在人类赖以生存的大气环境中，不仅通过影响呼吸系统来对人体造成巨大损伤，还会与在空气中与光和水发生化学反应，产生腐蚀建筑和植物的酸雨。此外，在化学燃料的燃烧过程中也大量伴随着二氧化碳、甲烷等温室气体的产生，造成冰川融化、海平面上升等温室效应现象，对人类生存环境带来巨大威胁。^[3]

我国在经济发展初期，由于发展模式的落后，高消耗、高排放的能源利用方式不仅带来极低的能源利用率，而且还造成了严重的环境污染问题。在这些问题当中，目前最与我们息息相关的就是空气污染问题。在工业生产和城市燃料燃烧过程中除了产生硫化物等有毒气体外，大量的粉尘也成为当前威胁人们身体健康的一大杀手。这些直径小到不能被人的肉眼观察到但是却能被呼吸系统吸收的可吸入颗粒物，形成了前所未有的雾霾天气，使人们谈“霾”变色。在外有雾霾与汽车废气，回到家里，人们的空气环境也不见得会很安全。随着生活品质的提高，人们的住房条件也得到了不小的改善，但在追求美观舒适的过程中由于室内装修时过度使用装修材料，也会造成甲醛、苯等致癌室内空气污染物的出现。研究表明，如果长期接触甲醛，即使是低剂量的，也容易得慢性呼吸道疾病，对女性能导致妊娠综合症、月经紊乱等，对新生儿还会导致染色体异常，严重的可能还会导致白血病。此外，甲醛也是结肠癌、鼻咽癌等癌症的元凶。^[1] 可见室内空气污染也让人们的生活与健康质量大打折扣。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：22121字