ФОТОКАТАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к области очистки воды или воздуха от органических загрязнений и болезнетворных бактерий при помощи фотокаталитической реакции деструкции, т.е. реакции, происходящей под действием ультрафиолетового света в присутствии наноразмерного катализатора, преимущественно оксида металла.
Известен фотокаталитический элемент - фотокаталитический модуль для очистки воды, содержащий технологически связанные между собой пористый фотокаталитический реактор, выполненный из кварца, стекла, керамики или стеклокерамики, на поверхность которого нанесен нанокристаллический диоксид титана (RU 2394772 C2, МПК C02F 1/32, C02F 1/72, заявл. 05.05.2008, опубл. 20.07.2010). Элемент содержит также источник ультрафиолетового излучения, а поры поверхности реактора представляют собой многосвязанные регулярные каналы с эффективным диаметром от 0.05 до 1,5 мм. Известный элемент (катализатор) представляет собой порошковый материал диоксида титана в наноразмерной форме. В условиях облучения катализатора и обрабатываемой среды (воды, воздуха) от источника УФ-света с длиной волны 330-400 нм происходит разрушение (деструкция) молекул органики и бактерий до минеральных составляющих воды и углекислого газа. Технический результат такого элемента - улучшение эксплуатационных характеристик, к которым относится повышение эффективности удаления биоцидных и органических примесей. Кроме того, использование элемента позволяет упростить конструкцию, повысить производительность и степень очистки воды.
Однако при использовании нанопорошка двуокиси титана в чистом виде возникают серьезные трудности, связанные с извлечением катализатора из воды фильтрацией, осаждением либо другими методами из наноразмерной формы порошка, что сдерживает его использование на практике.
Поэтому разработаны так называемые гетерогенные катализаторы, представляющие собой фотокаталитический элемент, содержащий пористый носитель размером 1-5 мм на поверхность которого нанесен порошок диоксида титана (RU №2151632 C1, МПК B01D 53/86, B01J 21/06, заявл. 20.10.1998, опубл. 27.06.2000). Этот фотокаталитический элемент требует при использовании специального реактора позволяющего контактировать обрабатываемой среде (воде) с катализатором в условиях УФ-облучения. Поскольку процесс фотокаталитической деструкции идет достаточно медленно и вода подается через реактор также медленно, на практике требуются значительные размеры реактора, что является неоправданным.
Известен фотокатализатор для окисления органических соединений на воде, представляющий частицы-«бусинки», имеющие внешние поверхности, по крайней мере частично (градиентно) покрытые фотокаталитическим материалом, который при освещении и в присутствии воздуха способен ускорить окисление органических соединений, плавающих на воде (US 5256616 (А), МПК B01J B01J 5/00, заявл. 14.12.1990, опубл. 26.10.1993). Данный фотокаталитический элемент не требует специального сложного реактора, т.к. плотность элемента меньше плотности воды и он плавает на поверхности воды и в условиях солнечного света (часть УФ-излучения) происходит деструкция органических загрязнений и болезнетворных бактерий. Такие фотокаталитические элементы, собранные в группу, образуют фотокатализатор и на практике используются в США и Корее для очистки водоемов от разливов нефти. Однако наличие пористости частиц и градиентное покрытие поверхности частиц фотокаталитическим материалом не обеспечивают прочности фотокатализатора и снижают эффективность его использования.
Техническая задача предлагаемого решения состоит в создании фотокатализатора с повышенной прочностью и каталитической активностью на поверхности воды.
Поставленная техническая задача решается тем, что в фотокатализаторе, состоящем из частиц сферической формы диаметром 1-30 мм и нанесенного на его поверхность наноразмерного слоя фотокаталитического материала, преимущественно из оксида металла, согласно полезной модели, в качестве частиц использованы частицы с закрытыми внутренними порами, на поверхности каждой частицы сформированы выпуклости, выполненные в виде полусфер диаметром 1/50-1/20 от диаметра частицы.
В качестве фотокаталитического материала нанесен оксид титана в форме анатаза или оксидов металлов 2, 3, 4 групп периодической системы Д.И.Менделеева, обладающих фотокаталитической активностью.
Использование частиц с закрытыми внутренними порами повышает прочность фотокатализатора как конструктивного элемента. Наличие выпуклостей на поверхности частиц увеличивает поверхность контакта фотокатализатора с источником ультрафиолетового (УФ) излучения и очищаемым водным раствором.
3
2
Предлагаемая полезная модель обеспечивает возможность варьирования концентрации фотокаталитически активного компонента в широких пределах на поверхности фотокатализатора, так как силы адгезии в промежутках между выпуклостями выше, чем на поверхности. При этом, несмотря на высокие концентрации активного компонента на поверхности частиц (между выпуклостями до 25%), частицы фотокатализатора сохраняют низкий насыпной вес, равный 0,4-0,8 т/м, что невозможно при нанесении активного компонента с высокой концентрацией сплошной пленкой, так как сферы теряют способность плавать на воде при концентрациях выше 10% TiO.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фигуре изображен фотокатализатор в разрезе.
Предлагаемый фотокатализатор состоит из частиц 1 сферической формы диаметром 1-3 мм, на поверхности каждой из которых сформированы выпуклости 2, выполненные в виде полусфер диаметром 1/50-1/20 от диаметра частицы. В качестве частиц 1 использованы частицы с закрытыми внутренними порами 3. На поверхность фото катализатора нанесен наноразмерный слой фотокаталитического материала 4, преимущественно оксида металла.
Формирование выпуклостей на поверхности частиц обеспечивает конструкция оборудования, в котором рабочая поверхность устройства для получения частиц имеет впадины в виде полусфер.
2
2
2
3
2
3
2
В качестве фотокаталитического материала может быть использован оксид титана в анатазной форме или другой фотокаталитический материал, например, оксиды металлов (2, 3, 4 групп периодической системы Д.И.Менделеева), например оксиды цинка, железа. Частицы фотокатализатора могут быть выполнены силикатными или алюмосиликатными. Могут быть использованы и другие типы частиц с закрытыми порами, например стеклянные или полимерные. Силикатные сферы на 90-95% состоят из SiO. Алюмосиликатные сферы имеют следующий химсостав - SiO - 55-60%, AlO - 30-40%, FeO - 2-6% и др., плотность частицы 0,4-0,8 г/см, размер частиц 1-30 мм. Нанесение нанослоя на поверхность фотокатализатора с выпуклостями может быть осуществлено гель-золь методом и широко известно (Шелимов Б.Н. Фотохимические процессы на поверхности нанесенных оксидных систем / Б.Н.Шелимов, В.Б.Казанский - Новосибирск, Наука, 1991, с.109-137).
При работе фотокатализатора его загружают на поверхность водоема, ограниченную по площади плавающими бонами. Фотокатализатор располагается на поверхности воды в один слой, который полностью находится под действием солнечного света (с ультрафиолетовой частью спектра) и в присутствии оксида титана и кислорода, происходит деструкция органических загрязнений и бактерий, находящихся в воде. По истечении некоторого времени, например, несколько суток, плавающий фотокатализатор собирается с поверхности воды, например насосом с фильтром, боны перемещают в водоеме на другую позицию, снова загружают фото катализатор и процесс повторяется.
Заявителем проведены сравнительные испытания предлагаемого фотокатализатора и фотокатализатора, выбранного в качестве прототипа.
При испытаниях использованы частицы фотокатализатора, изготовленные из силикатного (вариант 1) и алюмосиликатного (вариант 2) сырья. На поверхности частиц с выпуклостями нанесен слой фотокатализатора на основе анатаза методом пирогидролиза.
Фотокатализатор испытывали при разлитии слоя дизельного топлива толщиной 3 мм на поверхности воды. Количество частиц предлагаемого фотокатализатора составило 0,1% от массы водного раствора. Прочность частиц фотокатализатора определяли методом сжатия единичной частицы.
Результаты испытаний сведены в таблицу.
№ пп
Наименование показателей
Предлагаемый фотокатализатор
Известный фотокатализатор
Вариант 1
Вариант 2
1.
Предел прочности при сжатии, МПа
3,31
4,12
2,46
2.
Насыпной вес, т/м<sup>3</sup>
0,43
0,70
0,51
3.
Содержание анатаза (оксид цинка) на поверхности частиц, %
4,27 (2,91)
15,11 (12,42)
2,03 (2,15)
4.
Количество дизельного топлива, разложившегося после 9 часов УФ облучения, %
68 (47)
89 (58)
57 (28)
Как видно из таблицы предлагаемый фотокатализатор более эффективен по прочности и фотокаталитической активности при обработке поверхностной воды в первую очередь за счет того, что использованы частицы с закрытыми внутренними порами, увеличена поверхность контакта фотокатализатора с источником УФ излучения.