УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА В ЖИЛЫХ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ ОТ ЩЕЛОЧНЫХ ГАЗОФАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ
DEVICE FOR CLEANING AIR IN QUARTER AND INDUSTRIAL ROOMS FROM ALKALINE GAS-PHASE IMPURITIES

Изобретение относится к области инженерного оборудования зданий и сооружений и может быть применено с целью снижения уровня вентиляции для поддержания стандартных уровней концентрации вредных веществ в помещениях.
В помещении, в котором находятся люди или сельскохозяйственные животные, происходит непрерывное снижение качества воздуха вследствие изменения уровня концентрации различных газов, выделяемых людьми и животными в процессе жизнедеятельности. В животноводческих помещениях проблема усугубляется наличием навоза или помета с высоким содержанием мочевой кислоты и других азотсодержащих соединений. При микробиологическом распаде данных веществ образуются значительные количества аммиака, отрицательно влияющего на здоровье человека и животных. Так высокая концентрация аммиака в воздухе птичника отрицательно влияет на скорость роста и эффективность использования корма у цыплят-бройлеров и часто приводит к возникновению различных заболеваний дыхательной системы, патологическим изменениям в трахее, легких, почках, печени, вызывает слабость стенок капилляров, повышение чувствительности к респираторным заболеваниям, снижение способности птиц удалять кишечную палочку из легких и воздухоносных мешков.
Известен способ очистки воздуха животноводческих помещений от вредных примесей, включающий обработку воздуха кислыми растворами солей меди с концентрацией ионов меди 0,02-10 моль/л при температуре от -1 до +35°С. Воздух помещения подвергают принудительной циркуляции через контактный аппарат, в котором диспергируется раствор медного купороса. Способ может быть использован в свинарниках, птичниках, коровниках и других помещениях, загрязненных примесями аммиака и сероводорода (RU 2071813 С1, В01D 53/14, 1997.01.20).
Данный способ требует непрерывного расхода материалов на основе дорогостоящих медных солей, создает предпосылки загрязнения животноводческого помещения токсичными растворимыми соединениями меди, требует специального оборудования для отделения и переработки образующегося шлама.
Известен также способ очистки воздушной среды животноводческих помещений, включающий обработку воздуха озоном, подачу его в теплицу или оранжерею и затем обратно в животноводческое помещение (RU 2230996 C1, F24F 3/16, A01L 9/00, 2004.06.20).
Недостатком способа является его высокая материалоемкость, сложность и затратность - необходимы протяженные утепленные воздуховоды, теплицы или оранжереи.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности непрерывного удаления аммиака и других щелочных газофазных примесей из помещения для поддержания концентрации данных веществ в воздухе помещения в пределах санитарных норм при невысоких материальных и энергетических затратах, возможности концентрирования аммиака и использования его в качестве удобрения.
Поставленный технический результат достигается тем, что устройство содержит воздушные камеры с газодиффузионными анодами, через которые проходит очищаемый воздух, воздушные камеры с газодиффузионными катодами, в которые подается продувочный воздух, и электролитные камеры с жидким или мембранным электролитами, расположенные между катодом и анодом.
В качестве мембранного электролита предпочтительно используется пористая матрица, пропитанная электролитом, например, асбестовая матрица.
Предпочтительно в качестве электролита применен водный раствор гидрофосфата аммония.
В качестве мембранного электролита может быть применена катионообменная мембрана.
В качестве катода/анода используется двухслойный газодиффузионный электрод с гидрофобным запорным слоем, обращенным в сторону воздушной камеры, и активным слоем, обращенным в сторону электролитной камеры. В качестве анода/катода может быть применен двухслойный газодиффузионный электрод с гидрофильным запорным слоем, обращенным в сторону электролитной камеры, и активным слоем, обращенным в сторону воздушной камеры.
Подачу воздуха в газодиффузионные аноды и катоды осуществляют при помощи воздуходувного устройства.
Устройство предпочтительно содержит механический и электростатический фильтры, очищающие воздух от механических примесей перед подачей в воздушные камеры.
2
Устройство предпочтительно содержит электростатический блок с генератором озона, подающий озон в воздушные камеры с каталитически активными газодиффузионными анодами. При этом в качестве обращенного в сторону воздушной камеры слоя анода предпочтительно используется углерод с каталитически активными включениями (сажа, графит, активированный уголь) с удельной поверхностью не менее 60-80 м/г.
Устройство предпочтительно содержит абсорбер для поглощения аммиака и других щелочных газофазных примесей из продувочного воздуха, выходящего из воздушных камер с газодиффузионными катодами.
Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.
Устройство позволит производить глубокую очистку воздуха от газофазных примесей с щелочными свойствами (аммиак, гидразин, моноэтаноламин и др.).
Устройство позволит производить полную или частичную очистку воздуха от сероводорода, окиси углерода, сероуглерода, углеводородов и других органических и неорганических газофазных примесей, не обладающих щелочными свойствами.
Устройство позволит кардинально снизить нагрузку на систему вентиляции и вследствие этого снизить затраты на отопление помещения в холодный период года и на кондиционирование помещения в жаркий период года.
Применение механического и электростатического фильтра позволит осуществлять очистку воздуха от мелкодисперсных твердофазных и жидкостнофазных примесей, в том числе с микробиологическими включениями.
Применение генератора озона позволит осуществлять инактивацию содержащихся в очищаемом воздухе микроорганизмов, ускорит процесс каталитического и электрокаталитического окисления газофазных соединений, адсорбированных гидрофобным слоем газодиффузионных анодов.
Устройство обеспечит непрерывное удаление аммиака и других щелочных газофазных примесей из помещения при меньших габаритах, пониженном уровне энергопотребления и материальных затрат по сравнению с аналогами.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана структурная схема устройства, а на фиг.2 показана конструкция единичной электролитической ячейки.
Устройство содержит механический фильтр 1, электростатический блок 2 с генератором озона 3, электростатический фильтр 4, блок электролитических ячеек 5, блок очистки и регенерации циркулирующего электролита 6, абсорбер 7.
Ячейка содержит воздушную камеру.8 для очищаемого воздуха, пористый газодиффузионный анод 9, пористую асбестовую матрицу 10, через которую циркулирует раствор электролита, пористый газодиффузионный катод 11 и воздушную камеру 12 для продувочного воздуха.
Работа устройства осуществлена следующим образом.
Очищаемый воздух при помощи воздуходувного устройства через механический фильтр 1, который задерживает крупные загрязнители, подают в электростатический блок 2 с генератором озона 3. На электроды зарядителя электростатического блока подается высокое напряжение (10 киловольт), в результате чего в зарядителе непрерывно «горит» коронный разряд, в неравновесной плазме которого заряжаются все частицы загрязнений, находящиеся в потоке воздуха. Здесь же продуцируется озон в высоких концентрациях. Далее воздушный поток проходит через электростатический фильтр 4, который задерживает заряженные частицы аэрозольных загрязнителей, после чего воздушный поток поступает в анодные воздушные камеры 8 блока электролитических ячеек 5. Озон, проходящий через электростатический фильтр, за счет своей высокой реакционной активности инактивирует задержанные фильтром 4 микроорганизмы.
Проходя сквозь воздушные камеры 8, воздух контактирует с газодиффузионными анодами 9, смоченными электролитом, содержащимся в асбестовой матрице 10.
При подаче на электроды электрического напряжения, в анодной зоне будет протекать основная электрохимическая реакция:
<mrow><mn>2</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>−</mo><mn>4</mn><mi>e</mi><mo>→</mo><mn>4</mn><msup><mi>H</mi><mo>+</mo></msup><mo>+</mo><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
в результате которой электролит в газодиффузионном аноде 9 приобретет сильные кислотные характеристики (рН электролита понизится). Содержащиеся в очищаемом воздухе газофазные химические соединения с выраженными щелочными свойствами, такие как аммиак, гидразин, моноэтаноламин и т.п., вступят в химическое взаимодействие с кислотным электролитом, образуя ионы аммония и другие катионы, растворимые в электролите:
<mrow><msup><mi>H</mi><mo>+</mo></msup><mo>+</mo><mi>N</mi><msub><mi>H</mi><mn>3</mn></msub><mo>→</mo><mi>N</mi><msub><mi>H</mi><mn>4</mn></msub><msup><mrow /><mo>+</mo></msup></mrow>
Содержащиеся в очищаемом воздухе органические и неорганические газофазные примеси, не обладающие щелочными свойствами (сероводород, формальдегид, фенол, сероуглерод, окись углерода и т.п.), будут адсорбироваться на высокоразвитой углеродной поверхности обращенного в сторону воздушной камеры гидрофобного слоя каталитически активного анода. В результате комплексного воздействия адсорбции и электрохимического окисления в присутствии катализаторов и сильных химических окислителей - кислорода и озона, адсорбированные соединения будут окисляться либо до простых веществ (воды, углекислого газа, азота) либо до органических и неорганических кислот, растворимых в водном электролите. При этом анодная поверхность, занятая адсорбированными соединениями, будет непрерывно самоочищаться.
В воздушных камерах 8 также будет осуществляться влагообмен между протекающим потоком воздуха и электролитом, при этом обмен влагой, в зависимости от концентрации водного раствора электролита и влажности протекающего воздуха, будет идти в прямом или обратном направлении. При очень низкой влажности воздуха в помещении, проходящий воздух будет увлажняться за счет испарения части влаги из циркулирующего электролита, при высокой влажности циркулирующий электролит будет поглощать избыточную влагу из воздуха, нормализуя влажность очищаемого воздуха.
Для поддержания рабочих характеристик электролита на требуемом уровне предусмотрен блок регенерации циркулирующего электролита 6, в котором осуществляют концентрирование электролита или его разбавление водой.
Часть воздушного потока после механического фильтра 1 подается в катодные воздушные камеры 12 блока электролитических ячеек 5.
В катодной зоне будет протекать основная электрохимическая реакция:
<mrow><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>+</mo><mn>4</mn><mi>e</mi><mo>→</mo><mn>4</mn><mi>O</mi><msup><mi>H</mi><mo>−</mo></msup></mrow>
в результате которой электролит в газодиффузионном катоде 11 приобретет сильные щелочные характеристики (рН электролита повысится). Ионы аммония и другие катионы, образовавшиеся в анодной зоне электролитической ячейки из поглощенных газофазных веществ, в результате диффузии, а также под действием электростатических сил мигрируют через матричную или катионообменную мембрану в катодную зону, где вступают во взаимодействие с образующимися в результате электрохимической реакции гидроксид-ионами.
<mrow><mi>N</mi><msub><mi>H</mi><mn>4</mn></msub><msup><mrow /><mo>+</mo></msup><mo>+</mo><mn>4</mn><mi>O</mi><msup><mi>H</mi><mo>−</mo></msup><mo>→</mo><mi>N</mi><msub><mi>H</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi></mrow>
Образующиеся в результате химической реакции аммиак и другие газофазные аминосоединения переходят в воздушный поток, протекающий через катодные воздушные камеры 12 блока электролитических ячеек 5. Загрязненный воздушный поток направляют в абсорбер 7, в котором аммиак и другие газофазные аминосоединения поглощают водой, после чего частично очищенный в абсорбере воздушный поток по герметичному воздуховоду выводят за пределы помещения, а образовавшийся водоаммиачный раствор используют в качестве удобрения.