Устройство для осуществления плазмо-фотокаталитической очистки воздуха от молекулярных примесей

Полезная модель относится к области неорганической химии, каталитической и фотокаталитической очистке газов, в т.ч. воздуха, и может быть использовано при их очистке от дисперсных и молекулярных загрязнителей.
Известен способ уменьшения концентрации вредных примесей компонентов и загрязняющих примесей в выхлопах двигателей, включающий образование озона под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны 185 нм, введение озона в поток рабочего газа и последующее разложение загрязняющих примесей в каталитическом преобразователе (Пат. РФ №2168053, F02M 27/06, 27.05.2001). Недостатком способа является неэффективная очистка газов от молекулярных загрязнителей, поскольку генерация озона осуществляется УФ лампой, а озон, как показано в статье (M.N. Lyulyukin, A.S. Besov, А.V. Vorontsov, The influence of corona electrodes thickness on the efficiency of plasmachemical oxidation of acetone, Plasma Chem. Plasma Process. 31 (2011) 23-39), играет второстепенную роль в процессах окисления молекулярных органических загрязнителей. В коронном разряде кроме озона генерирует огромное количество других активных частиц, которые почти на порядок повышают скорость и эффективность окисления паров ацетона по сравнению с озоном в отсутствие разряда.
2
Известен также способ очистки воздуха от дисперсных и молекулярных загрязнителей, использующий захват дисперсных частиц механическим фильтром грубой очистки, последующую зарядку тонкодисперсных аэрозольных частиц в зоне плазменного разряда, их улавливание с помощью электростатического рулонного фильтра и адсорбцию вместе с молекулярными загрязнителями на поверхности фотокаталитического фильтра с частицами диоксида титана (TiO), где в присутствии мягкого ультрафиолетового излучения с длиной волны более 0,3 мкм происходит их фотокаталитическое окисление («Взгляд "DAIKIN" на чистоту и свежесть воздуха», «Мир Климата», январь 2004, №22, Журнал Ассоциации Предприятий Индустрии Климата России). Недостатком способа является ограниченная эффективность очистки воздуха от молекулярных и дисперсных примесей. Используется только диоксид титана, который не позволяет полностью реализовать возможности генерируемых разрядом активных частиц.
Близким по технической сути и достигаемому техническому результату является способ очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающий улавливание грубодисперсных частиц механическим фильтром грубой очистки, последующее введение в очищаемую воздушную смесь дополнительного окислительного газа и фотоокисление с разложением уловленных примесей под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны более 0,3 мкм на поверхности фотокаталитического фильтра с нанесенным на грубопористую структуру фотокатализатором, в качестве которого используют чистый диоксид титана с* кристаллической структурой анатаза или диоксида титана, содержащий один или несколько переходных металлов (платина, палладий), и заключительную сорбцию окислительного газа и кислородсодержащих молекулярных соединений в порах фильтра из активированного угля (Пат. РФ №2259866, B01D 53/86, 10.09.2005).
2
2
Недостатком описанного выше способа, в котором, для повышения эффективности, исходную газовую смесь, содержащую окисляемые вещества, насыщают парами пероксида водорода, а в качестве фотокатализатора используют чистый диоксид титана с кристаллической структурой анатаза, является введение дополнительного реагента (НО), что существенно усложняет конструкцию устройства, требует системы его подачи, дозировки и регулярной дозаправки.
Близким по технической сути и достигаемому техническому результату является способ высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей (Пат. РФ №2352382, B01D 53/32, 20.04.2009), где упор сделан на улавливание как крупнодисперсных, так и мелкодисперсных механических примесей, отличающийся тем, что в качестве окислительного газа здесь используется озон, который образуется в цилиндрическом конденсаторе с центральным коронирующим проволочным электродом, который также осуществляет в зоне коронного разряда униполярную зарядку положительными газовыми ионами аэрозольных частиц с последующим их осаждением на поверхности и в объеме электростатического грубоволокнистого фильтра, поляризованного внешним электрическим полем, вектор напряженности которого коллинеарен вектору скорости воздушного потока. Введение в очищаемую воздушную смесь дополнительного окислительного газа (озона) и фотоокисление с разложением уловленных примесей под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны более 0,3 мкм происходит на поверхности фотокаталитического фильтра с нанесенным на грубопористую структуру фотокатализатором, в качестве которого используют чистый диоксид титана с кристаллической структурой анатаза или диоксид титана, содержащий один или несколько переходных металлов (платина, палладий). Заключительную сорбцию окислительного газа и кислородсодержащих молекулярных соединений в порах фильтра из активированного угля и последующее фотоокисление примесей с. одновременной очисткой и реактивацией фотокатализатора и активированного угля от уловленного фильтрата инициируют ультрафиолетовым излучением в присутствии озона.
Недостатком описанного выше способа является использование; положительного коронирующего электрода, что в 5÷7 раз снижает эффективность генерации озона по сравнению с отрицательным коронирующим электродом
Недостатком описанного выше способа также является отсутствие специального кагализатора, который обеспечивает эффективное использование озона в процессах окисления органических примесей.
Основным недостатком такого способа также является наличие осадительной зоны сразу за зоной коронного разряда, но до зоны фотокаталитического фильтра, поскольку в этом случае заряженные ионы разряжаются в осадительной зоне, не долетают до фотокаталитического фильтра и не ускоряют фотокаталитические процессы.
2
2
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является способ высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей и устройство для его осуществления (Пат. РФ №2545360, B01D 53/86, 27.03.2015), где описан способ комбинированной плазмо-фотохимической очистки воздуха от молекулярных загрязнителей, включающий улавливание грубодисперсных частиц механическим фильтром грубой очистки, активацию газа посредством его пропускания через зону плазмы отрицательного коронного разряда с образованием радикалов и озона, интенсивное окисление молекулярных загрязнителей на поверхности гибридного каталитического фильтра, фотоокисление с разложением уловленных примесей под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 0,38 мкм на поверхности фотокаталитического фильтра с нанесенным на воздухопроницаемый носитель фотокатализатором и сорбцию остатков кислородсодержащих молекулярных соединений и промежуточных продуктов окисления в порах фильтра из активированного угля, при этом интенсивное окисление молекулярных загрязнителей осуществляют катализатором на основе диоксида марганца MnO и диоксида титана TiO перед стадией фотоокисления.
2
2
2
В устройстве, реализующем данный способ, газовая смесь после прохождения механической очистки и прохождения области плазмы попадает на гибридный катализатор на основе диоксида марганца MnO и диоксида титана TiO, а далее попадает в блок фотохимического окисления с фотокатализатором TiO и, в конце, проходит через фильтр из активированного угля.
2
2
Недостатком описанного выше способа и устройства является неэффективное использование генерированного озона для процесса фотокаталитического окисления, поскольку подавляющая доля озона разлагается на диоксиде марганца MnO, являющемся эффективным катализатором разложения озона (Dhandapani, В. Gas phase ozone decomposition catalysts / В. Dhandapani, S.T. Oyama // Applied Catalysis B: Environmental. - 1997. - Vol. 11. - N. 2. - P. 129-166). Вследствие этого, на фотокатализатор попадает газовая смесь с малым количеством озона и получаемый эффект от фотокаталитического окисления в присутствии озона много меньше возможного. Недостатком также является возможное выделение промежуточных веществ в процессе фотокаталитического окисления, что может приводить к вторичному загрязнению (M.N. Lyulyukin, Р.А. Kolinko, D.S. Selishchev, D.V. Kozlov / Hygienic aspects of TiO-mediated photocatalytic oxidation of volatile organic compounds: Air purification analysis using a total hazard index // Applied Catalysis B: Environmental. - 2018. - 220. P. 386-396). Эти вещества далее попадают на сорбционный фильтр, откуда в последствии могут десорбироваться после достижения определенной степени накопления. Отсутствие разрушения этих веществ перед сорбционным фильтром значительно снижает его ресурс, а значит и понижает эффективность функционирования устройства в целом.
Полезная модель ставит перед собой задачу повышения эффективности способа комбинированной плазмо-фотокаталитической очистки воздуха от летучих молекулярных загрязнителей.
Задача решается благодаря синергизму воздействия последовательных стадий очистки на газовую смесь с использованием оптимизированной последовательности их расположения в потоке газовой смеси.
2
2
;
2
2
Задача решается устройством для осуществления способа комбинированной плазмо-фотокаталитической очистки воздуха от молекулярных загрязнителей, включающим последовательно расположенные в потоке газовой смеси механический фильтр грубой очистки, зону отрицательного коронного разряда с коронирующими электродами в виде проволочек и параллельных им пластин с нулевым потенциалом, пакеты воздухопроницаемых носителей с фотокатализатором, источники УФ-света на прозрачном для воздушного потока держателе, пакет стекловолоконных сеток с нанесенным на них катализатором MnO/TiO, фильтр из активированного угля, в устройстве носители с фотокатализатором и источники УФ-света размещены в потокепосле блока генерирования плазмы, но до катализатора MnO/TiO, создавая последовательность «блок плазмы → блок фотокатализа → блок катализа». В блоке генерирования плазмы разряда используется провод диаметром 0,5-2 мм, а отношение его диаметра к расстоянию между пластинами находится в пределах 1:20-50.
2
2
Молекулярные примеси, которые частично разрушаются при прохождении области плазмы, могут более интенсивно разрушаться на стадии фотокаталитического окисления (Sano, N. Removal of Acetaldehyde and Skatole in Gas by a Corona-Discharge Reactor / N. Sano, T. Nagamoto, H. Tamon, T. Suzuki, M. Okazaki // Industrial & Engineering Chemistry Research. - 1997. - Vol. 36. - P. 3783-3791). Озон, который образуется в плазмогенерирующем блоке, ускоряет фотокаталитическое окисление примесей с одновременной очисткой и реактивацией фотокатализатора (А.Н. Mamaghani, F. Haghighat, C.S. Lee / Photocatalytic oxidation technology for indoor environment air purification: The state-of-the-art // Applied Catalysis B: Environmental. - 2017 - 203. P. 247-269). Каталитический фильтр на основе диоксида марганца MnO и диоксида титана TiO, расположенный после фотокаталитического модуля, а не сразу за блоком генерирования озона, выполняет функции дополнительного окисления остатков молекулярных загрязнителей и промежуточных продуктов окисления наравне с разложением озона.
2
2
Другими словами, задача решается направлением потока газовой смеси, прошедшей через зону плазмы коронного разряда, сначала через фотокаталитический модуль (см. поз.4, Фиг. ) с УФ лампами или УФ светодиодами в качестве источников излучения, а затем через воздухопроницаемый носитель с нанесенным на него катализатором MnO/TiO (см. поз. 7, Фиг.).
2
Для данного способа выбрана отрицательная полярность блока генерирования плазмы разряда, так как отрицательный коронный разряд является более стабильным и проще регулируемым по значениям тока и напряжения, позволяет подводить в зону плазмы большую энергию -и, как следствие, генерировать большее количество активных частиц. Блок генерирования плазмы состоит из параллельных заземленных пластин, между которыми на равном расстоянии расположены коронирующие проволоки. Потенциал на коронирующих проволоках секции коронного разряда варьируется в пределах от 6,5 до 15 кВ. Диаметр коронирующей проволоки может варьироваться в пределах от 0,5 до 2 мм. Расстояние между заземленными пластинами может варьироваться в пределах от 10 до 200 мм. Для рассмотренной реализации отношение диаметра провода к расстоянию между пластинами выбрано в диапазоне 1:20-50 (в отличие от обычно применяемого диапазона 1:100-1000), поскольку это позволяет производить меньше заряженных ионов, способных негативно повлиять на протекание реакций на поверхности полупроводника TiO. При этом акцент смещается на генерирование озона, который однозначно позволяет ускорить фотокаталитическре окисление.
2
2
2
Технический результат - непрерывность процесса очистки воздуха от молекулярных примесей за счет трехстадийного процесса окисления сначала в плазме коронного разряда, затем на фотокатализаторе на основе TiO с использованием озона для усиления эффекта фотокаталитического окисления, и лишь затем на катализаторе MnO/TiO для доокисления остатков молекулярных примесей и разложения озона.
Полезная модель поясняется чертежом, где на Фиг. приведена принципиальная схема устройства для осуществления способа высокоэффективной очистки воздуха от молекулярных примесей.
2
2
2
2
2
Грубодисперсные частицы улавливают механическим фильтром грубой очистки - 1. Затем, содержащий молекулярные загрязнители воздух проходит через зону интенсивного коронного разряда, сформированного коронирующими электродами в виде проволочек из нихрома - 2 и параллельными пластинами с нулевым потенциалом - 3. Воздух активируется в зоне разряда, образуя свободные радикалы и озон, которые начинают процесс окисления и деструкции молекулярных загрязнителей уже в потоке воздуха. Далее воздух проходит через пакет стекловолоконных сеток - 4 с нанесенным на них фотокатализатором на основе TiO, где молекулы загрязнителя адсорбируются и подвергаются усиленному озоном фотокаталитическому окислению под действием ультрафиолетового излучения УФ ламп или светодиодов - 5 с длинной волны <380 нм, размещенных на прозрачном для воздушного потока сеточном держателе - 6. Для фотокаталитического фильтра используют чистый диоксид титана TiO с кристаллической структурой анатаза или его комбинации с одним или несколькими переходными металлами, например, платиной или палладием. Затем, остатки молекулярного загрязнителя и продуктов его распада проходят через пакет стекловолоконных сеток с нанесенным на них катализатором MnO/TiO - 7, адсорбируются на нем и вступают в реакции окисления на поверхности. Это окисление обеспечивается попадающими на поверхность катализатора остатками озона, который не полностью израсходовался на этапе фотокаталитического окисления. В свою очередь, озон эффективно разлагается на поверхности этого катализатора как в процессе реакций с загрязнителями (Futamura, S. Synergistic effect of silent discharge plasma and catalysts on benzene decomposition / S. Futamura, H. Einaga, H. Kabashima, L.Y. Hwan // Catalysis Today. - 2004. - Vol. 89. - P. 89-95), так и за счет собственного превращения в молекулярный кислород, поскольку MnO является наиболее активным из известных катализаторов разложения озона. Благодаря последнему факту озон далее не попадает на выход из устройства.
Заключительная, сорбционная, фаза очистки воздуха от остатков промежуточных продуктов окисления и кислородсодержащих молекулярных соединений осуществляется фильтром из активированного угля - 8, который выполняет также функцию буферного накопителя молекулярных загрязнителей в случае скачкообразного изменения их концентрации (неожиданного выброса) или временного выхода из строя отдельных составляющих системы.
Устройство работает следующим образом.
2
2
2
Поток фильтруемого воздуха пропускают последовательно через механический фильтр грубой очистки - 1, блок генерирования плазмы, который состоит из коронирующих электродов в виде проволочек из нихрома - 2 и параллельных пластинами с нулевым потенциалом - 3, где воздух активируется в зоне разряда, образуя радикалы и озон, которые уже в потоке воздуха начинают процесс окисления и деструкции молекулярных загрязнителей до промежуточных продуктов. Далее воздух проходит через пакет стекловолоконных сеток - 4 с нанесенным на них фотокатализатором на основе TiO, где молекулы загрязнителя, адсорбируются и подвергаются усиленному озоном фотокаталитическому окислению под действием ультрафиолетового излучения УФ ламп или светодиодов - 5 с длинной волны <380 нм, размещенных на прозрачном для воздушного потока сеточном держателе - 6. Затем, остатки молекулярного загрязнителя и продуктов его распада проходят через пакет стекловолоконных сеток с нанесенным на них катализатором MnO/TiO - 7, адсорбируются на нем и вступают в реакции окисления на поверхности. Для устранения возможных следов озона, молекулярных загрязнителей и продуктов их распада на выходе очистителя ставиться адсорбционный фильтр - 8 из активированного угля, который выполняет также функцию буферного накопителя молекулярных загрязнителей в случае скачкообразного изменения их концентрации (неожиданного выброса) или временного выхода из строя отдельных составляющих системы.
В результате имеет место высокоэффективная очистка воздуха с его обеззараживанием от патогенной флоры (за счет насыщения газовой среды озоном, губительным для микроорганизмов) и уменьшается массовая нагрузка дисперсной фазы на катализаторы и активированный уголь, что поддерживает непрерывность процесса фильтрации.
В результате проведенных экспериментов было установлено, что эффективность очистки воздуха в системе «разряд → фотокатализатор → катализатор окисления» возросла в 1,5-2 раза по сравнению с системой «разряд → катализатор окисления → фотокатализатор» и в 3-5 раз по сравнению с системой «разряд → фотокатализатор».