ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к области очистки воды и 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 диоксида титана.
Известен фотокаталитический элемент (катализатор), представляющий 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 (Патент РФ на изобретение №2394772, «Фотокаталитический модуль для очистки воды», МПК C02F 1/32, Московская обл.)
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. (Патент РФ на изобретение №2151632, В01Д 53/86, Московская обл.)
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.
В качестве прототипа выбрано техническое решение по патенту США №5256616, (патентообладатель Heller, et al., пр. 26.10.93 г., МПК B01J 35/00).
3
Фотокаталитический элемент (шарик) содержит полую микросферу, выделенную из золы электростанций, работающих на каменном угле. Такие микросферы представляют собой застывший расплав алюмосиликатного материала с плотностью частицы 0,7 г/см и с одним внутренним пространством.
На наружную поверхность микросферы нанесен нанослой диоксида титана либо другого катализатора. Данный фотокаталитический элемент не требует специального сложного реактора, т.к плотность элемента меньше плотности воды и он плавает на ее поверхности, и в условиях солнечного света (часть УФ - излучения) происходит деструкция органических загрязнений и болезнетворных бактерий.
Такой фотокаталитический элемент на практике используется в США и Корее для очистки водоемов от разливов нефти. Данный фотокаталитический элемент является дорогостоящим и предполагает многоразовое (до 50 раз) использование, т.е. периодический сбор плавающего фотокаталитического элемента механическими средствами и последующее использование.. Поскольку толщина стенки микросферы составляет 5-10 микрон, прочность ее весьма ограничена (10-15 Мпа на гидростатическое сжатие), и при сборе элемента механическими средствами часть микросфер разрушается, теряется герметичность внутреннего пространства и «плавучесть» микросферы, т.е происходят значительные потери фотокаталитического элемента.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является создание фотокаталитического элемента на основе микросфер, обладающего повышенной прочностью и не теряющего плавучести даже при механическом разрушении стенки микросферы т.е. позволяющего его многократное использование.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном фотокаталитическом элементе, содержащем полую микросферу из алюмосиликатного материала, на внешнюю поверхность которой нанесен наноразмерный слой катализатора, преимущественно диоксида титана, согласно полезной модели, внутреннее пространство микросферы выполнено многополостным, состоящим из отдельных герметичных полостей.
Поскольку алюмосиликатные микросферы являются продуктами сгорания угля в электростанции, многополостность микросферы может быть достигнута изменением режимов работы котлов, например, степенью помола сырья, увеличением размеров топки и временем пребывания частиц топлива в ней и т.д., т.е. для каждой электростанции и вида используемого угля эти режимы являются индивидуальными и позволяют добиться превалирующего содержания многополостных микросфер в золе.
Как правило, многополостность микросфер проявляется в двух видах: первый, когда внутреннее пространство микросферы содержит герметичные полости в виде других, меньших по размеру дополнительных микросфер, или второй, когда внутреннее пространство микросферы разделено внутренними радиальными перегородками на герметичные полости.
В обоих случаях, при механическом разрушении стенки микросферы, она не теряет плавучесть из-за наличия внутри дополнительных микросфер или полостей, удерживающих микросферу в целом на плаву. При этом сами микросферы из-за наличия дополнительных микросфер и радиальных перегородок имеют повышенную прочность по сравнению с однополостными.
Проведенные патентные исследования позволяют предположить, что заявляемое техническое решение обладает новизной.
Предложенное устройство является промышленно применимым существующими техническими средствами.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным критериям полезной модели.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где изображены:
на фиг.1 - вариант фотокаталитического элемента с дополнительными микросферами;
на фиг.2 - вариант с герметичными полостями, образованными радиальными перегородками;
на фиг.3 - изображен разрушенный фотокатапитический элемент;
на фиг.4 - схема работы фотокаталитического элемента.
2
2
3
3
Предлагаемый фотокаталитический элемент состоит из полой микросферы 1 с внутренним пространством 2. Микросфера выполнена из алюмосиликатного материала (содержание SiO - 55-60%, AlO - 30-40%), размер частиц 10-500 микрон, средняя плотность (с нанесенным катализатором - 0,8 г/см). На внешнюю поверхность микросферы нанесен наноразмерный слой 3 катализатора толщиной 20-90 нанометров. В качестве катализатора преимущественно использован диоксид титана, но могут быть использованы и другие катализаторы - окись цинка, окись железа и т.д Внутреннее пространство 2 микросферы 1 выполнено многополостным т.е состоит из герметичных полостей. По одному из вариантов герметичные полости являются дополнительными микросферами 4 (фиг.1), по другому варианту герметичные полости 5 образованы радиальными перегородками 6 (фиг.2).
При работе фотокаталитического элемента его загружают на поверхность водоема, ограниченную по площади плавающими бонами 8. Под действием солнечного света (с УФ - частью спектра) в присутствии диоксида титана происходит деструкция органических загрязнений и бактерий, находящихся в воде. По истечении некоторого времени, например, нескольких суток, плавающий каталитический элемент собирается с поверхности воды, например насосом с фильтром, боны 8 перемещаются в водоеме на другую позицию, снова загружается фотокаталитический элемент и процесс повторяется. Если в процессе работы (сбора и фильтрации) стенка фотокаталитического элемента будет разрушена, то каталитический элемент (фиг.3) останется на плаву и будет продолжать выполнять свою функцию.
Заявителем проведены сравнительные испытания предлагаемого каталитического элемента и элемента, выбранного в качестве прототипа (с однополостным внутренним пространством) по п. США.
В качестве индикатора присутствия органических загрязнений использовали метиленовый голубой (МГ)
Обработку воды проводили в дневное время под действием солнечного света.
Результаты испытаний сведены в таблицу.
Содержание МГ - мг/л предлаг. известный
Содержание элемента г/л предлаг. известный
Исходные параметры
106,01,5-
6,01,61,6-
0,50,50,50,48
0,50,50,450,32
Через два часа
Через четыре часа
После десятикратного применения
Как видно из таблицы, предлагаемый элемент по сравнению с известным, не требует периодического его пополнения ввиду минимальных потерь при эксплуатации в процессе фотокаталитической очистки.
При стоимости предлагаемого фотокаталитического элемента в 3000 долларов США за тонну можно от его использования получить значительную экономию в процессе водоочистки.