ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА

Полезная модель относится к области фотокаталитичесекой очистки газов, в т.ч. воздуха, и может быть использовано для очистки воздуха в жилых и рабочих помещениях от различных органических и неорганических загрязнителей воздушной среды.
1
n
2
1
2
В настоящее время устройства для фотокаталитической очистки газов, в частности воздуха, с использованием явления окисления органических и неорганических веществ, адсорбированных на поверхности фотокатализатора под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 400 нм воздуха, получили широкое распространение благодаря своей универсальности при уничтожении практически всех органических и многих неорганических загрязнителей воздушной среды. Обычно такие устройства содержат пылевой фильтр с классом фильтрации не ниже G4, адсорбционный фильтр, содержащий активированный уголь или другие адсорбенты и фотокаталитический блок молекулярной очистки. Фотокаталитический блок предназначен для окисления летучих органических и некоторых неорганических примесей в воздухе до безвредных компонентов (в основном до углекислого газа и паров воды) на поверхности катализатора, активируемого мягким УФ-светом (A.Fujishima at al. "TiO2 Photocatalysis. Fundamental and Applications." English translations, BKC Inc., Tokyo, Japan, 1999). Однако указанные устройства, по сравнению с устройствами использующими другие способы очистки воздуха (адсорбцию, сжигание и т.п.), обладают сравнительно невысокой скоростью очистки. Другим недостатком этих устройств является быстрое падение активности фотокатализатора при разложении ароматических и гетероатомных органических соединений. Кроме того, при концентрациях многих углеводородных загрязнителей в помещении, превышающих 1-l0 ppm (ppm - part per million - число молекул загрязнителя на 1 млн. молекул воздуха), на выходе фотокаталитических устройств очистки воздуха появляются продукты неполного окисления углеводородов и, в частности, органические супероксиды. Супероксидами называются вещества с общей химической формулой R-(O)-R, где n равно 2, 3, 4, a R и R органические радикалы либо атом водорода. Простейшим супероксидом является перекись водорода. Указанные соединения являются сильными окислителями и вредны для здоровья (В.Л.Антоновский, С.Л.Хурсан, Физическая химия
органических пероксидов, М., ИКЦ "Академкнига", 2003, стр.30). При этом они уже при очень низких концентрациях 1-10 ppb в воздухе обладают резким неприятным запахом, примером чего является неприятный запах в помещениях после размещения в них новой мебели, изготовленной из ДСП, проведении ремонта и т.п.
Вместе с тем по совокупности своих характеристик, фотокаталитические устройства являются на сегодня наиболее оптимальными и применяемыми устройствами для очистки воздуха в жилых и рабочих помещениях относительно небольшого объема, что обеспечило их наибольшее распространение по сравнению с другими типами очистителей, а также ведение работ по их дальнейшему совершенствованию.
Известно фотокаталитическое устройство для очистки воздуха и газов от органических примесей, включающее, фотокаталитический элемент содержащий пористый носитель, выполненный в форме трубы, пластины, полусферы или конуса из нескольких слоев спеченных стеклянных шариков, на поверхность которого нанесен порошок диоксида титана анатазной модификации (патент RU 2151632, B01D 53/86, B01J 21/06, 1998). Указанное устройство позволяет увеличить скорость очистки воздуха за счет увеличения поверхности активного слоя диоксида титана, однако данное увеличение весьма незначительно и, кроме того, не обеспечивается устранение других недостатков, присущих устройствам данного типа.
Известно фотокаталитическое устройство для очистки воздуха и газов, включающее вентилятор, фотокаталитический блок, содержащий пористые керамические носители с фотокатализатором на основе диоксида титана и источник ультрафиолетового излучения, а также блоки для насыщения исходной газовой смеси парами пероксида водорода (описание патента RU 2259866, B01D 53/86, B01J 21/06, 1998). Указанное устройство позволяет увеличить скорость окисления органических веществ и уменьшить скорость дезактивации катализатора, однако не позволяет уменьшить концентрацию супероксидов на выходе из фотокаталитического блока и, соответственно, уничтожить неприятный запах.
Наиболее близким аналогом к заявленному устройству, выбранным в качестве прототипа, является адсорбционно-фотокаталитическое устройство для очистки воздуха от летучих загрязнителей, содержащее корпус, пылевой фильтр, фотокаталитический блок и вентилятор (патент на полезную модель RU 33035, B01J 20/00, F24F 3/16, 2003), в котором предпринята попытка устранения промежуточных продуктов реакции фотокаталитического окисления углеводородов с помощью специального адсорбционного фильтра, устанавливаемого по ходу потока между пылевым фильтором
и фотокаталитическим блоком. Данный фильтр частично устраняет указанные недостатки, поскольку теплота адсорбции углеводородов на таком фильтре невелика (10-20 кДж/моль) и поэтому при комнатной температуре он способен не только поглощать загрязнения из газовой фазы, но и десорбировать их обратно в воздушный поток. В случае кратковременных выбросов загрязнителей в воздух такой фильтр действительно снижает концентрацию промежуточных продуктов на выходе фотокаталитического блока, в том числе и концентрацию супероксидов. Однако во многих помещениях источники органических загрязнений воздуха постоянны и физически не могут быть устранены. Такими источниками могут быть строительные и мебельные пластмассы, пары растворителей, красок и герметиков, книги и т.п. При постоянном поступлении загрязнений указанный фильтр не уменьшает концентрации летучей органики поступающей в фотокаталитический блок очистки, поскольку находится в насыщенном этой органикой состоянии. Соответственно, предлагаемый адсорбционный фильтр не может уменьшить концентрацию супероксидов на выходе устройства и уничтожить неприятный запах.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является создание фотокаталитического устройства для очистки воздуха, обеспечивающего минимизацию содержания продуктов неполного окисления углеводородов, включающих органические супероксиды, на выходе устройства при работе последнего в загрязненных парами углеводородов помещениях и, соответственно, устранение негативных последствий от их наличия в очищаемой воздушной среде, в том числе, неприятного запаха в жилых и иных помещениях.
Указанная задача обеспечивается тем, что в отличие от известного устройства, содержащего корпус, пылевой фильтр, фотокаталитический блок и вентилятор, новым является то, что устройство снабжено каталитическим фильтром, установленным на выходе фотокаталитического блока по ходу воздушного потока.
Кроме того, каталитический фильтр выполнен в виде однородной капиллярной структуры, каналы которой расположены по ходу воздушного потока, или из материала, имеющего пористую структуру с открытыми порами, на внутренние стенки которых нанесен катализатор разложения супероксидов.
Кроме того, катализатор разложения супероксидов выполнен на основе наночастиц Fе/активный уголь.
Кроме того, при выполнении фильтра в виде однородной капиллярной структуры, длину каналов и их диаметр выбирают из условия обеспечения по крайней мере
одного соударение молекулы супероксида со стенкой канала и каталитической поверхностью согласно соотношению:
где: d - диаметр канала, мм;
L - длина канала, мм;
SO
2
D - коэффициент диффузии молекул супероксида в воздухе при нормальных условиях, м/с;
SO
D выбирается в диапазоне ;
V - линейная скорость движения воздушного потока по каналу, м/с.
Кроме того, при выполнении фильтра из материала, имеющего пористую структуру с открытыми порами, минимальную толщину фильтра и количество пор на единицу длины выбирают из условия обеспечения по крайней мере одного соударение молекулы супероксида со стенкой фильтра и каталитической поверхностью согласно соотношению:
где: L - минимальная толщина (длина) фильтра, мм;
N - количество пор на единицу длины (на 1 м) в любом направлении, 1/м;
SO
2
D - коэффициент диффузии молекул супероксида в воздухе при нормальных условиях, м/с;
SO
D выбирается в диапазоне ;
V - линейная скорость движения воздушного потока по каналу, м/с.
Использование в конструкции фотокаталитическоого устройства для очистки воздуха каталитического фильтра, позволяет очистить воздушный поток на выходе фотокаталитического блока от промежуточных продуктов реакции фотокаталитического окисления углеводородов и, соответственно, устранить негативные последствия от их наличия в очищаемой воздушной среде.
Выполнение каталитического фильтра в виде однородной капиллярной структуры, каналы которой расположены по ходу воздушного потока, или из материала, имеющего пористую структуру с открытыми порами, на внутренние стенки которых нанесен катализатор разложения супероксидов позволяет обеспечить эффективную очистку воздушного потока относительно простыми средствами и тем самым улучшить технологичность устройства.
Выполнение катализатора разложения супероксидов на основе наночастиц Fe/активный уголь позволяет обеспечить процесс распада супероксидов до соединений безвредных при концентрациях 1-10 ppb и не имеющих запаха;
Выбор параметров каталитического фильтра согласно соотношениям:
обеспечивает при прокачке воздуха сквозь каналы (1) или поры (2) за время движения молекул супероксида сквозь фильтр по меньшей мере одно столкновение молекул супероксидов с каталитической поверхностью, что гарантирует с вероятностью близкой к 1 распадение супероксидов до соединений безвредных при концентрациях 1-10 ppb и не имеющих запаха.
Сущность предлагаемых технических решений иллюстрируется следующим чертежом:
Фиг.1 - продольное сечение фотокаталитического устройства
Предлагаемое устройство состоит из корпуса 1, в котором по ходу воздушного потока последовательно установлены пылевой фильтр 2, фотокаталитический блок 3, включающий пористый носитель 4 с фотокатализатором на основе диоксида титана и источник ультрафиолетового излучения 5, на выходе которого установлен каталитический фильтр 6,. выполненный из материала, имеющего однородную капиллярную или пористую структуру с открытыми порами, на внутренние стенки которой нанесен катализатор разложения супероксидов, выполнный на основе наночастиц Fe/активный уголь. Устройство снабжено вентилятором 7 для обеспечения принудительной подачи очищаемого воздуха в фотокаталитическое устройство, устанавливаемым на выходе или входе устройства. Параметры каталитического фильтра 6 выбираются из условия обеспечения при прокачке воздуха сквозь каналы или поры столкновения молекул супероксидов с каталитической поверхностью, что обеспечивает с вероятностью близкой к 1 распадение супероксидов до соединений безвредных при концентрациях 1-10 ppb и не имеющих запаха. Для этого, в случае выполнения фильтра в виде однородной капиллярной структуры (изготовленной, например, из керамики, металлы или пластмассы), каналы которой расположены по ходу воздушного потока, и имеют длину L, диаметр канала d выбирается таким образом, чтобы обеспечить, по крайней мере, одно соударение молекулы супероксида со стенкой канала и каталитической поверхностью, а именно согласно соотношению:
SO
2
где: D - коэффициент диффузии молекул супероксида в воздухе при нормальных условиях, м/с;
V - линейная скорость движения воздушного потока по каналу, м/с.
Фильтр может быть также изготовлен из изотропных материалов с открытыми порами, например пенополиуретана, пенокерамики, пенометаллов. Поверхность пор этих материалов также должна быть покрыта высокоэффективным катализатором разложения супероксидов. В этом случае минимальная толщина (длина) фильтра L и количество пор N на единицу длины (на 1 м) в любом направлении также выбираются из условия обеспечения однократного столкновения молекулы супероксида со стенкой каталитического фильтра согласно соотношению:
или с учетом значений k и m
где: m - пористость пеноматериала, т.е. отношение объема пор в образце к геометрическому объему образца.
Для материалов на основе вспененного полиуретана с открытыми порами m=0.95.
k - геометрический параметр, описывающий увеличение длины пути воздушного потока по сравнению с геометрическое толщиной (длиной) этого материала в направлении воздушного потока. Для пеноматериалов значение k=2.
V - линейная скорость воздушного потока в сечении фильтра, м/с.
SO
Для надежной работы фильтра при подборе его параметров по формулам (1) и (2) значение коэффициента диффузии D выбирается в диапазоне , что соответствует коэффициентам диффузии супероксидов с молекулярной массой более 120 а.е. в воздухе при нормальных условиях, т.е при давлении 101 КПа и температуре 20°С. При этом вероятность столкновения с каталитической поверхностью стенок каналов или пор для супероксидов с меньшей молекулярной массой становится близкой к 1.
Устройство работает следующим образом. Очищаемый воздух с помощью вентилятора 7 прокачивается через фотокаталитического устройство, где по ходу движения воздушного потока последовательно пропускается через пылевой фильтр 2, осуществляющий очистку воздуха от пылевых частиц, фотокаталитеческий блок 3, где на поверхности катализатора под действием ультрафиолетового излучения осуществляется окисление летучих органических и некоторых неорганических примесей, присутствующих в воздухе, до безвредных компонентов, после чего очищаемый воздух пропускается через каталитический фильтр 6, где при прохождении воздуха через каналы или поры фильтра происходит столкновение оставшихся в воздухе, после осуществления фотокаталитической реакции, молекул супероксидов с каталитической поверхностью, что обеспечивает распадение супероксидов до соединений безвредных при концентрациях 1-10 ppb и не имеющих запаха.
В приведенных примерах для измерения концентрации супероксидов на выходе из фотокаталитического устройства, снабженного каталитическим фильтром (Фиг.1), использовался хемилюминесцентный газоанализатор "Оптэк 3.02 ПА", пр-во Россия. В воздух, поступающий в фотокаталитический очиститель, добавляли пары ацетона. Концентрация паров ацетона поддерживалась равной 20 ppm.
Пример 1. Каталитический фильтр изготавливали из гофрированной алюминиевой фольги толщиной 0.15 мм и шириной 30 мм. Фильтр имел треугольные каналы с диаметром вписанной окружности 1.2 мм. Катализатор на основе наночастиц Fe/активный уголь наносили на поверхность фольги после формовки фильтра. В результате каталитический фильтр имел толщину 30 мм, эффективный диаметр каналов составлял 1 мм и габаритные размеры фильтра равнялись 100-100 мм. Каталитический фильтр 6 устанавливался на выходе фотокаталитического блоком 3 перед вентилятором 7. Скорость воздушного потока изменяли в диапазоне от 1,5 м/с до 5 м/с посредством увеличения напряжения питания двигателя постоянного тока вентилятора 7. Заборную трубку измерителя концентрации супероксидов помещали в воздушном потоке вентилятора. Результаты измерения концентрации супероксидов в зависимости от скорости воздушного потока представлены в таблице 1.
Таблица 1
№п/п
Скорость воздушного потока, м/с
Концентрация супероксидов на выходе, ppb
Примечание
1
1,5
15
фильтр не установлен
2
5
15
фильтр не установлен
3
1,5
менее 1
фильтр установлен
4
2,5
менее 1
фильтр установлен
5
3
1,2-2
фильтр установлен
6
4
5
фильтр установлен
7
5
10
фильтр установлен
При заданных геометрических параметрах фильтра, т.е. длине канала L равной 30 мм, диаметре канала равному 1 мм, формула (1) позволяет рассчитать максимальную линейную скорость воздушного потока, при которой каталитический фильтр эффективно очищает воздух от супероксидов:
V=1,8-2,4 м/с
SO
при коэффициенте диффузии молекул супероксидов в воздухе D от  до .
Пример 1 показывает, что фильтр состоящий из однородных (одинаковых по диаметру) каналов, стенки которых покрыты катализатором разложения супероксидов, эффективно уничтожает супероксиды, если время пролета по каналу достаточно для по меньшей мере одного столкновения этих молекул со стенкой канала. Геометрические параметры фильтра для заданной производительности по воздуху фотокаталитического устройства очистки воздуха могут быть рассчитаны по формуле (1). При этом, как следует из примера 1, при увеличении скорости воздушного потока свыше 2,4 м/с для повышения эффективности работы фильтра необходимо увеличить его длину. Эффективность работы фильтра также пропорциональна количеству каналов и обратно пропорциональна их диаметру, т.к. с одной стороны зависит от величины сопротивления фильтра прохождению воздушного потока, которое желательно минимизировать, а с другой стороны от условия обеспечения гарантированного столкновения молекул супероксидов со стенкой канала. Данные параметры оптимизируют с учетом технологических ограничений.
Пример 2. Каталитический фильтр выполнен в виде пластины из полиуретана с открытыми порами числом пор на 1 м N равным 1000. Поверхность пор была покрыта катализатором разложения супероксидов. Толщина пластины с размерами  мм варьировалась от 10 мм до 60 мм. Фильтр устанавливался также как в примере 1. Линейная скорость воздушного потока сквозь фильтр поддерживалась с помощью вентилятора 3 равной 2,5 м/с. Во входящем воздушном потоке концентрация паров ацетона составляла 20 ppm. Результаты измерения концентрации супероксидов на выходе из фотокаталитического устройства очитки воздуха в зависимости от толщины (длины) установленных каталитических фильтров представлены в таблице 2.
Таблица 2
№п/п
Толщина каталитического фильтра, мм
Концентрация супероксидов на выходе, ppb
1
10
10
2
20
5
3
30
менее 1
4
40
менее 1
5
50
менее 1
6
60
менее 1
Концентрация супероксидов на выходе фотокаталитического устройства, не содержащего каталитический фильтр, в описанных выше условиях равнялась 15 ppb.
Сравнение экспериментально найденной минимальной толщины каталитического фильтра, при которой супероксиды полностью уничтожаются, с величиной L, вычисленной по формуле (2), при заданной скорости потока и числом пор на единицу длины пористого материала показывает возможность использования этой формулы для выбора изменяемого параметра каталитического фильтра, в данном случае L, при уничтожении супероксидов и связанного с ними неприятного запаха в очищаемом воздушном потоке.
Предлагаемое фотокаталитическое устройство для очистки воздуха может найти широкое применение при создании и использовании оборудования для очистки воздуха в жилых и рабочих помещениях от различных органических и неорганических загрязнителей воздушной среды, т.к. позволяет обеспечить очистку воздушного потока на выходе фотокаталитического блока от продуктов неполного окисления углеводородов, образующихся при осуществлении фотокаталитичекой реакции в условиях высокой концентрации углеводородных загрязнителей в очищаемом воздухе, и, в частности, органических супероксидов, вредных для здоровья и обладающих резким неприятным запахом. При этом, достигается снижение уровня супероксидов до безопасного уровня и полное устранение неприятного запаха в жилых и рабочих помещениях, чем обеспечивается выполнение экологических требований.