Устройство для очистки воздуха
AIR PURIFICATION DEVICE

Изобретение относится к устройствам для очистки воздуха, в частности для очистки от пыли и микроорганизмов, и может быть использовано для очистки воздуха в различных помещениях. Изобретение также может быть использовано для нейтрализации токсичных газов, образующихся при техногенных катастрофах и авариях на предприятиях химической и других отраслей промышленности, а также для очистки ламинарных, турбулентных и хаотичных потоков воздуха в очистных промышленных системах и системах для домашнего использования.
биологических и органических
ультрафиолетового
Из уровня техники широко известны устройства для очистки воздуха от болезнетворных микроорганизмов, включающие фотокаталитический фильтр и источники ультрафиолетового излучения. Принцип фотокаталитической очистки воздуха основан на том, что на поверхности катализатора под действием ультрафиолетового излучения происходит окисление  веществ, в том числе и загрязняющих веществ, и они разрушаются до безвредных компонентов чистого воздуха. Фотохимические реакции, инициируемые действием  излучения, хорошо известны и нашли широкое применение, в частности, для обеззараживания воздуха. Известно, что диоксид титана TiO2 в кристаллической модификации анатаз демонстрирует превосходные фотокаталитические свойства, которые обеспечивают способность к разрушению различных вредных веществ. В ходе фотокатализа, вызванного радиацией ультрафиолетовой лампы с длиной волны λ<385 нм, различные органические вещества окисляются, а вирусы и бактерии разрушаются.
Как правило, фотокаталитический очиститель воздуха включает в себя пористый носитель с нанесенным фотокатализатором, который облучается ультрафиолетовым светом и через который продувается воздух.
Из патента RU 169520, 21.03.2017 известен очиститель и обеззараживатель воздуха, содержащий корпус, пылевой фильтр, трубчатые фотокаталитические элементы из спеченных стеклянных шариков, поверхность которых покрыта наноразмерным порошком диоксида титана, ультрафиолетовые излучатели и вентилятор, причем фотокаталитические элементы собраны в пакеты из 2-36 элементов, а пакеты последовательно соединены в каскад, включающий 2-4 пакета. Недостатком известного фильтра является сложность конструкции за счет наличия пылевого фильтра, а также недостаточная равномерность фотокаталитической обработки воздуха за счет наличия теневых зон в активной зоне фотокаталитического фильтра.
Из уровня техники также известен способ очистки воздуха в помещении с помощью устройства очистки воздуха, состоящего из двух камер, связанных между собой воздуховодом, упомянутая первая камера содержит вентилятор, фильтры грубой очистки для очистки воздуха от крупных загрязнений, фильтры тонкой очистки для очистки воздуха от мелких загрязнений и фильтры-поглотители различных запахов, при этом упомянутый вентилятор предназначен для подачи очищаемого воздуха в первую камеру и пропускания этого воздуха через упомянутые фильтры путем создания перепада давления на указанных фильтрах , упомянутая вторая камера содержит расположенные на расстоянии друг от друга кварцевые трубы и по меньшей мере один фотокатализатор , при этом по меньшей мере одна кварцевая труба проходит через вторую камеру и предназначена для вывода части воздуха, поступающего из первой камеры, в помещение, а по меньшей мере вторая кварцевая труба предназначена для подачи воздуха из первой камеры в полость второй камеры, при этом внутри этой кварцевой трубы установлена безозоновая ультрафиолетовая бактерицидная лампа, отстоящая от стенок этой кварцевой трубы на расстоянии, обеспечивающем прохождение воздуха по этой кварцевой трубе в полость второй камеры, кроме того, стенки упомянутой по меньшей мере второй кварцевой трубы являются прозрачными для пропускания излучения, создаваемого безозоновой ультрафиолетовой бактерицидной лампой, в полость второй камеры и во внутрь упомянутой по меньшей мере одной кварцевой трубы, предназначенной для вывода части воздуха, поступающего из первой камеры, в помещение, упомянутый способ заключается в том, что с помощью вентилятора подают очищаемый воздух в первую камеру, где с помощью упомянутых фильтров очищают воздух от крупных и мелких загрязнений и от различных запахов, для чего очищаемый воздух последовательно пропускают через фильтры грубой очистки, фильтры тонкой очистки и затем фильтры-поглотители различных запахов, затем часть очищенного воздуха по упомянутой по меньшей мере одной кварцевой трубе выводят из устройства очистки воздуха в помещение, а другую часть воздуха через воздуховод подают в полость второй камеры, где поступающий воздух пропускают по упомянутой по меньшей мере второй кварцевой трубе и очищают от различных микроорганизмов путем облучения воздуха безозоновой ультрафиолетовой бактерицидной лампой, после чего воздух из этой кварцевой трубы подают в полость второй камеры, где этот воздух и воздух, проходящий по упомянутой по меньшей мере одной кварцевой трубе воздуховода, также подвергают дополнительной очистке от микроорганизмов с помощью излучения, создаваемого упомянутой безозоновой бактерицидной лампой и прошедшего через прозрачные стенки кварцевой трубы, после этого воздух во второй камере очищают от газообразных загрязнений с помощью по меньшей мере одного фотокатализатора путем окисления газообразных загрязнений на поверхности фотокатализатора , подают очищенный воздух из по меньшей мере одного фотокатализатора второй камеры в помещение (RU 2259850, 10.09.2005). Недостатком указанного способа является сложность конструкции устройства для очистки воздуха за счет наличия двух камер и нескольких фильтров для предварительной очистки воздуха от крупных и мелких загрязнений.
Также из уровня техники известно дезодорирующее устройство, обладающее превосходной дезодорирующей способностью и способностью к регенерации фильтра, а также оптимально уменьшенное в размерах, которое снабжено одиночными фильтрующими элементами, источниками света для излучения ультрафиолетового света и опорным корпусом, причем отдельные фильтрующие элементы содержат пористый основной материал, а также фотокатализатор и цеолит, которые поддерживаются основным материалом. Отдельные фильтрующие элементы и источники света объединены опорным корпусом, образуя модульную структуру. Отдельные фильтрующие элементы расположены таким образом, что продольная ось отдельных фильтрующих элементов по существу перпендикулярна продольному направлению источников света и что отдельные фильтрующие элементы по существу параллельны друг другу (WO 2010109796, 30.09.2010).
Самой частой проблемой известных устройств является наличие теневых зон в рабочей поверхности фильтра, что не позволяет использовать полностью энергию УФ излучателя. Малая эффективность очистки воздуха в больших помещениях за счет высокой скорости прохождения воздуха в зоне фотокаталитического фильтра, воздушная смесь попросту не успевает очиститься. Узкая направленность фотокаталитических фильтров и используемых установок по очистке воздуха.
Задачей изобретения является разработка более эффективного фильтра фотокаталитической очистки и обеззараживания воздуха от опасных химически и биологически загрязненных газов и газовых смесей.
Техническим результатом изобретения является разработка устройства для очистки и обеззараживания воздуха, обладающего простой конструкцией и повышенной эффективностью за счет устранения теневых зон в рабочей поверхности фильтра, что позволяет увеличить активную зону фотокатализа, и очистки его от пыли без использования пылевых предварительных фильтров.
Для этого предложено устройство для очистки и обеззараживания воздуха, содержащее корпус, вентилятор, по меньшей мере один источник ультрафиолетового излучения и фотокаталитический фильтр, в котором фотокаталитический фильтр содержит несколько сеток, предпочтительно, из металла, в частности, из коррозионностойкого металла, на поверхность ячеек которого нанесено покрытие из диоксида титана модификации анатаз, причем размеры и форма ячеек от сетки к сетке меняются по мере удаления от внутренней сетки к наружной и сетки расположены так, чтобы ячейки фильтра образовывали форму простого геометрического фрактала со стороны источника излучения, а в качестве источника ультрафиолетового света использован безозоновый источник ультрафиолетового излучения, расположенный внутри фотокаталитического фильтра. В указанном устройстве поверхность ячеек фильтра имеет структурные неровности или шероховатости. Устройство предпочтительно содержит несколько источников ультрафиолетового излучения, расположенных с внешней и внутренней стороны картриджа фильтра. Устройство также может включать отражатель УФ излучения, расположенный с наружной стороны фотокаталитического фильтра. Предложен также способ очистки и обеззараживания воздуха, согласно которому воздух пропускают через указанное устройство.
Указанное расположение ячеек фильтра позволяет увеличить активную зону фотокатализа c отсутствием теневых зон в активной зоне фотокаталитических реакций, т.е. позволяет увеличить по сравнению с аналогами, максимальное поглощение энергии световой УФ волны в активной зоне фильтра. Кроме того, при прохождении воздушного потока через фильтр, на поверхности металла в картридже фильтра, образуется статическое напряжение, которое позволяет задерживать пылевые частицы размером от 0,01 мкм. Так же, величина входящей структуры ячейки фильтра может составлять от 0,01мм, что само по себе является препятствием для твердых фракций загрязнителей.
Форма фильтра проектируется из заданных значений и, может быть, в виде пластин, трубы, конуса, овала и, любых форм, не противоречащих исходным, проектным и техническим значениям, с учетом использования вышеперечисленных параметров.
Фильтр изготавливается из коррозионностойкого материала, преимущественно металла, позволяющего нанести фотокаталитическое покрытие диоксида титана TiO2 в кристаллической модификации анатаз, обеспечивающим долговечность, термостойкость и удержание заданной формы фильтра в процессе эксплуатации. Поверхность ячеек фильтра, выполняется в виде структурных макро-неровностей, волнистости и шероховатости, что позволяет нанести фотокаталитическое покрытие на макроуровне.
Для осуществления фотокатализа на поверхности TiO2 необходим свет с энергией фотона не менее 3,2 эВ (электрон-вольт). Это ультрафиолетовый свет с длиной волны не более 385 нм. Это так называемая «красная граница фотоэффекта» для данного полупроводника, т.е. максимальная длина волны, при которой еще возможен фотоэффект в TiO2.
В любом ФК фильтре не стоит рассчитывать на максимальные характеристики, если длина волны УФ источника света является границей фотоэффекта. Лучшим решением будет использовать более коротковолновый свет, фотоны которого обладают большей энергией: так фотоны света с длиной волны 385нм обладают энергией 3,22эВ; 360нм - 3,44 эВ; 320нм - 3,875 эВ.
При построении ФК фильтров для обеззараживания в качестве источника УФ света наиболее эффективным будет использование бактерицидных ламп. Такие лампы в спектре свечения имеют доминирующую длину волны 253,7нм, чему соответствует энергия фотонов - 4,887 эВ. Такой энергии достаточно для фотоэффекта в TiO2, и, как следствие, - фотокатализа. При этом эффективное обеззараживание за счет фотокатализа будет дополнено бактерицидными свойствами самого источника УФ света.
Фотокатализатор получают на твердой подложке, на которую наносят адгезионный слой, состоящий из полимера без добавок фотокатализатора, а поверх полученного адгезионного слоя наносят фотокаталитический слой, состоящий из частиц фотокатализатора, закрепленных с помощью полимерного адгезива, обладающего более высокой химической стойкостью по сравнению с полимером, из которого сформирован нижележащий адгезионный слой; при этом полимер второго слоя выбирают из группы фторированных полимеров, а для более надежной фиксации частиц фотокатализатора допускается введение в состав второго слоя фотокаталитического покрытия отвердителя и дополнительного адгезива. В качестве фотокатализатора в описании рассматриваются нанопорошки оксида титана, модифицированные соединениями металлов, выбранных из группы V, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Pt и Au, и вводимые в состав покрытия до или после его возможной термической обработки. Содержание фотокатализатора в покрытии может составлять от 5 до 98 %, предпочтительно 70-98 об.%. При этом в качестве субстрата для получения такого фотокаталитического покрытия могут быть использованы подложки из стекла, керамики, полимеров, древесины, металлов или металлических сплавов, имеющие любую форму.
Предлагаемый фильтр предназначен для работы при высоких (критических) эксплуатационных нагрузках, а именно, частых мойках (очистки) поверхности фильтра от твердых частиц при высоком давлении, а также при использовании ультразвуковых ванн с активным моющим веществом в виде ацетона, гидратов и т.д. Поэтому лучшим материалом признана металлическая сетка, предпочтительно, сетка из коррозионностойкого металла.
Изобретение поясняется следующими чертежами, на которых показаны:
Фиг.1 - заявленное устройство для очистки и обеззараживания воздуха с одной УФ лампой, расположенной по оси внутри фотокаталитического фильтра.
Фиг.2 - заявленное устройство для очистки и обеззараживания воздуха с УФ лампой внутри фотокаталитического фильтра и отражателем УФ излучения, расположенным с наружной стороны фотокаталитического фильтра.
Фиг.3 - расположение ячеек фильтра в виде простых геометрических фракталов (вид от источника УФ излучения).
На чертежах использованы следующие обозначения:
1- вентилятор
2- источник УФ излучения
3- фотокаталитический фильтр
4- отражатель УФ излучения
Заявляемый способ очистки и обеззараживания воздуха осуществляется следующим образом. Очищаемый воздух с помощью вентилятора (1) поступает в корпус устройства с наружной стороны фотокаталитического элемента, затем проходит через ячейки фотокаталитического фильтра (3) в центральную часть, где расположен источник УФ излучения (2) и очищенный воздух выходит через выходное отверстие в корпусе. Движение воздуха показано стрелками на фиг.1.
Для подтверждения эффективности заявленного устройства были проведены испытания. Испытания проводились с использованием устройства заявленной конструкции, содержащего одну безозоновую лампу УФ излучения, расположенную по центру внутри фотокаталитического фильтра, содержащего 6 сеток с ячейками разного размера, образующими форму простого геометрического фрактала (фиг.3) со стороны источника излучения.
3
Испытания в части обеззараживания воздуха осуществляли в боксе объемом 10м. Перед каждым новым испытанием бокс обрабатывали дезинфицирующим раствором и облучали переносными бактерицидными лампами открытого типа в течение 1 часа. Испытания начинали через 1 час после завершения подготовительной работы. Было проведено три испытания.
В качестве модельного загрязнителя использовали аэрозоль бактерии Escherichia coli. Для определения количественного содержания бактерий в воздухе во время работы испытываемого устройства в боксе использовали импактор для отбора проб воздуха в автоматическом режиме с отбором заданного объема воздуха и осаждением содержащихся в нем микроорганизмов на чашку Петри с плотной питательной средой. В таблице приведены результаты работы заявленного устройства.
До обработки
Опыт 1
Опыт 2
Опыт 3
Количество микробных клеток, КОЕ/см3
3*10<sup>6</sup>
Не обнаружено
Не обнаружено
Не обнаружено
Также проводилось измерение запыленности воздуха до и после обработки в заявленном устройстве. Во всех испытаниях концентрация пыли снижалась на 95-99% по сравнению с изначальной.
Как видно из приведенных данных, предложенное устройство для очистки воздуха с фотокаталитическим фильтром обеспечивает высокое качество обеззараживания воздуха, а также очистку воздуха от пыли при отсутствии предварительных пылевых фильтров или фильтров грубой очистки.