СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОЧИЩЕННОГО ГАЗООБРАЗНОГО ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА
METHODS AND APPARATUS FOR PRODUCING PURIFIED GASEOUS HYDROGEN PEROXIDE

Родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США № 61/988535 от 5 мая 2014, которая введена в настоящий документ ссылкой во всей своей полноте.
Область техники
Настоящее изобретение относится к улучшенным способам и устройствам для получения очищенного газообразного пероксида водорода (PHPG). Более конкретно, настоящее изобретение относится к улучшенным воздухопроницаемым поверхностям, каталитическим поверхностям и к способам повышения производства PHPG.
Уровень техники
В окружающей среде обычно присутствуют патогенные микробы, плесени, ложная мучнистая роса, споры и органические и неорганические загрязняющие вещества. Противомикробный контроль и дезинфекция окружающего пространства желательны для улучшения охраны здоровья. В прошлом применялось много способов в попытках очистить воздух и дезинфицировать поверхности. Например, уже известно, что активные формы кислорода (Reactive Oxygen Species, ROS), получаемые, например, способом фотокаталитического окисления, могут окислять органические загрязняющие вещества и убивать микроорганизмы. Более конкретно, известно, что конечные продукты фотокаталитической реакции: гидроксильные радикалы, пероксильные радикалы, хлор и озон, способны окислять органические соединения и убивать микроорганизмы. Однако известные способы и устройства имеют ограничения, не только из-за ограниченной эффективности, но и из-за проблем безопасности.
Термин ROS используется для описания сильно активированного воздуха, получаемого в результате воздействия на влажный атмосферный воздух ультрафиолетового излучения. Свет в ультрафиолетовом диапазоне испускает фотоны на частоте, которая при поглощении имеет достаточно энергии для разрыва химических связей. УФ-излучение на длинах волн 250-255 нм обычно применяется в качестве биоцида. Излучение на частотах ниже примерно 181 нм и вплоть до 182-187 нм конкурирует с коронным разрядом в его способности производить озон. Как озонирование, так и УФ-излучение применяются для дезинфекции в коммунальных водопроводных сетях. Озон в настоящее время используется для очистки промышленных сточных вод и градирен.
Общеизвестно, что пероксид водорода обладает антимикробными свойствами и используется в водном растворе для дезинфекции и противомикробного контроля. Однако попытки в прошлом использовать пероксид водорода в газовой фазе сталкивались с техническими препятствиями получения очищенного газообразного пероксида водорода (Purified Hydrogen Peroxide Gas, PHPG). Испарение водных растворов пероксида водорода дает аэрозоль из микрокапелек, состоящих из водного раствора пероксида водорода. Различные способы "сушки" паров растворов пероксида водорода (VHP) дают в лучшем случае гидратированную форму пероксида водорода. Эти гидратированные молекулы пероксида водорода окружены молекулами воды, связанными силами электростатического притяжения и лондоновскими силами. Таким образом, способность молекул пероксида водорода напрямую взаимодействовать с окружением по электростатическому механизму сильно ослаблена из-за связанной молекулярной воды, которая эффективно изменяет основную электростатическую конфигурацию инкапсулированной молекулы пероксида водорода. Кроме того, наименьшая достижимая концентрация паров пероксида водорода обычно намного превышает предельно допустимый уровень для рабочего места 1,0 ppm, установленный Управлением по технике безопасности и гигиене труда США (OSHA), что не позволяет применять эти способы на производственных участках.
2
2
3
2
2
4
2
3
Фотокатализаторы, которые продемонстрировали способность разрушать органические загрязняющие вещества в жидкостях и газах, включают, без ограничений, TiO, ZnO, SnO, WO, CdS, ZrO, SBO и FeO. Диоксид титана является химически стабильным, имеет подходящую ширину запрещенной зоны для фотоактивации УФ/видимым светом и относительно недорог. Поэтому в последние тридцать лет химия фотокаталитической активности диоксида титана широко исследовалась в целях удаления органических и неорганических соединений из загрязненных воздуха и воды.
Поскольку фотокатализаторы могут образовывать гидроксильные радикалы из адсорбированной воды при активации ультрафиолетовым излучением достаточной энергии, они являются перспективными для применения в производстве PHPG для выделения его в окружающую среду в виде газовой фазы. Однако существующие области применения фотокатализа были сфокусированы на образовании плазмы, содержащей много химически активных соединений. Далее, большинство химических соединений в фотокаталитической плазме химически активны в отношении пероксида водорода и ингибируют образование газообразного пероксида водорода из-за реакций, разрушающих пероксид водорода. Кроме того, любые органические газы, которые вводят в плазму, ингибируют образование пероксида водорода как из-за прямой реакции с пероксидом водорода, так и из-за реакции продуктов их окисления с пероксидом водорода.
Фотокаталитический реактор сам по себе также ограничивает получение PHPG для выделения в окружающую среду. Так как пероксид водорода имеет более высокий химический потенциал, чем кислород, чтобы восстанавливаться в качестве промежуточного окислителя, он преимущественно восстанавливается по мере продвижения в фотокаталитических реакторах с той же скоростью, с какой он образуется в результате окисления воды.
Таблица 1.
Полуреакции окисления/восстановления
Фотоактивация катализатора
Стандартный потенциал восстановления (эВ)
<i>hν</i> Δ h<sup>+</sup>+e<sup>-</sup> (на катализаторе TiO<sub>2</sub>)
≤-3,2
<i>hν</i> Δ h<sup>+</sup>+e<sup>-</sup> (на катализаторе TiO<sub>2</sub> с сокатализатором)
≤-2,85
Потеря свободных электронов вследствие электронно-дырочной рекомбинации
h<sup>+</sup>+e<sup>-</sup> Δ теплота (на катализаторе TiO<sub>2</sub>)
≥3,2
h<sup>+</sup>+e<sup>-</sup> Δ теплота (на катализаторе TiO<sub>2</sub> с сокатализатором)
≥2,85
Образование гидроксильных радикалов (только если на активных центрах катализатора адсорбировалась вода, предотвращая электронно-дырочную рекомбинацию)
h<sup>+</sup>+H<sub>2</sub>O Δ OH*+H+
2,85
Термодинамически выгодная потеря гидроксильных радикалов в результате восстановления свободных электронов в концентрированном плазменном реакторе, но не имеющая места в реакторах для получения PHPG
OH*+e<sup>-</sup>+H+Δ H<sub>2</sub>O
2,02
Соединение гидроксильных радикалов с образованием пероксида водорода термодинамически не выгодно по сравнению с восстановлением свободных электронов в плазменном реакторе, но облегчается в PHPG-реакторе благодаря образованию разбавленного поля гидроксильных радикалов, отделенного от свободных электронов
2OH* Δ H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>
1,77
Спонтанные реакции, которые могли бы разрушить пероксид водорода в концентрированных плазменных реакторах, но которые предотвращаются в PHPG реакторе благодаря образованию разбавленного поля гидроксильных радикалов, отделенного от свободных электронов и света
2OH*+H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> Δ 2H<sub>2</sub>O+O<sub>2</sub>
2,805
H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>+2H<sup>+</sup>+2e<sup>-</sup> Δ 2H<sub>2</sub>O
1,78
H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>+<i>hν</i> Δ 2OH* (фотолиз)
1,77
e<sup>-</sup>+H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> Δ OH*+OH<sup>-</sup>
0,71
Реакции, которые образуют пероксид водорода в результате вынужденного восстановления молекулярного кислорода в PHPG реакторе, но не в концентрированном плазменном реакторе
e<sup>-</sup>+O<sub>2</sub> Δ O<sub>2</sub><sup>-</sup> (первая стадия не является спонтанной)
-0,13
2H<sup>+</sup>+2e<sup>-</sup>+O<sub>2</sub> Δ H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> (суммарная реакция)
0,70
Другие реакции, обычные в концентрированном плазменном реакторе, но которые не идут в PHPG-реакторе, где не используются длины волн света, образующие озон
O<sub>2</sub>+<i>hν</i> Δ 2O* (фотолиз)
≤-5,13
2O*+2O<sub>2</sub> Δ 2O<sub>3</sub>
2,99
O<sub>3</sub>+2H<sup>+</sup>+2e<sup>-</sup> Δ O<sub>2(г)</sub>+H<sub>2</sub>O
2,075
O<sub>3</sub>+H<sub>2</sub>O+2e<sup>-</sup> Δ O<sub>2(г)</sub>+2OH<sup>-</sup>
1,24
Разложение пероксида водорода озоном
O<sub>3</sub>+H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> Δ H<sub>2</sub>O+2O<sub>2</sub>
1,381
Кроме того, некоторые побочные реакции образуют множество соединений, которые становятся частью фотокаталитической плазмы и которые ингибируют образование PHPG для выделения в окружающую среду, как было отмечено выше.
Вообще говоря, гидроксильные радикалы образуются в результате окисления воды и требуют потенциала окисления по меньшей мере 2,85 эВ, чтобы оно могло иметь место. Поэтому катализатор должен быть активирован фотонами с по меньшей мере этой требуемой энергией. Фотоны с энергией меньше 2,85 эВ не будут образовывать гидроксильные радикалы, а фотоны с энергией по меньшей мере 1,71 эВ могут вызывать фотолиз пероксида водорода с образованием гидроксильных радикалов. Избытка света с энергией 1,71 эВ или выше следует избегать из-за разложения пероксида водорода.
Внутри плазменного реактора, где свободные электроны могут рекомбинировать с гидроксильными радикалами и образовывать гидроксид-ионы, эта реакция термодинамически выгодна, так как она имеет самый высокий восстановительный потенциал, 2,02 эВ. Все реакции с более низким восстановительным потенциалом, такие, как рекомбинация гидроксильных радикалов с образованием пероксида водорода (1,77 эВ), не выгодны. В редких случаях, когда образование пероксида водорода происходит, будет возникать стехиометрический избыток двух свободных электронов. В этом случае стехиометрический избыток свободных электронов позволяет протекать реакциям с более низким потенциалом, в первую очередь реакции восстановления молекулы пероксида водорода в гидроксильный радикал и гидроксид-ион (0,71 эВ), а затем дальше в воду в результате раздельного восстановления радикала и иона.
В плазменном реакторе обилие свободных электронов обеспечивает доминирование восстановления гидроксильных радикалов, и любой пероксид водорода, который может быть теоретически образован, немедленно опять восстановится до воды.
Напротив, в PHPG-реакторе образование пероксида водорода облегчается, так как в реакторе гидроксильные радикалы отделены от свободных электронов, что предотвращает восстановление гидроксильных радикалов до воды. Это позволяет протекать следующей наиболее выгодной реакции, а именно рекомбинации гидроксильных радикалов с образованием пероксида водорода. Пероксид водорода может снова восстановиться до воды в результате разложения (реакция молекул пероксида водорода друг с другом), но этот эффект минимизируют, обеспечивая, чтобы полученный пероксид водорода был разбавленным.
Кроме того, поскольку PHPG реактор отделяет гидроксильные радикалы от свободных электронов, остающихся на катализаторе, свободные электроны вынуждены восстанавливать другие соединения, в данном случае молекулярный кислород. Восстановление молекулярного кислорода до супероксид-иона имеет отрицательный потенциал восстановления, -0,13 эВ, что указывает, что этот процесс является не вполне спонтанным, но лишь чуть-чуть. Эта неспонтанность перекрывается накоплением свободных электронов на катализаторе, что создает более благоприятные термодинамические условия для восстановления. Эта неспонтанная реакция является первой из четырех стадий восстановления кислорода до пероксида водорода, причем все три остальные являются спонтанными. Важно отметить, что если все эти четыре стадии объединить в единственную реакцию восстановления, то ее суммарный потенциал будет положительным, то есть реакция является спонтанной. Поэтому легко проглядеть тот факт, что для того, чтобы могли последовать три остальные спонтанные стадии, сначала должна пройти первая неспонтанная стадия.
Восстановление молекулярного кислорода до пероксида водорода, усиленное удалением гидроксильных радикалов от свободных электронов, остающихся на катализаторе, приводит, конечно, к еще большему образованию желаемого пероксида водорода.
Реакции, перечисленные в таблице 1, являются наиболее релевантными. Можно добавить и другие реакции, известные в данной области, и их относительные вклады в реакции на поверхности катализатора определяются их относительными потенциалами по сравнению с ключевыми реакциями. Следует отметить, что, как при образовании озона в плазменных реакторах, вводится другая реакция с высоким потенциалом, которая разрушает пероксид водорода. Чтобы полностью предотвратить образование озона, нужно всего лишь избегать использования света с длиной волны 186 нм и ниже.
Свет с длинами волн, используемыми для активации фотокатализаторов, также является достаточно сильнодействующим, чтобы вызвать фотокаталитическую диссоциацию пероксидной связи в молекуле пероксида водорода, и также является ингибитором получения PHPG для выделения в окружающую среду. Кроме того, практика использования света с длинами волн, которые образуют озон, вводит еще одно соединение в фотокаталитическую плазму, которое разрушает пероксид водорода.
3
2
2
2
2
O+HO Δ HO в 2O
На практике применение фотокатализа было сфокусировано на образовании плазмы, часто содержащей озон, используемой для окисления органических загрязняющих веществ и микробов. Такая плазма эффективна главным образом в границах самого реактора, по своей природе имеет ограниченную химическую стабильность вне пределов реактора и активно разлагает ограниченные количества газообразного пероксида водорода, который может в ней содержаться. Далее, поскольку плазма эффективна главным образом в самом реакторе, во многих конструкциях время пребывания доведено до максимума в целях более полного окисления органических загрязняющих веществ и микробов при их прохождении через реактор. Так как пероксид водорода имеет очень высокий потенциал восстановления, увеличение до максимума времени пребывания приводит к минимальному выходу пероксида водорода.
Кроме того, в большинстве случаев применения фотокатализа образуются экологически нежелательные химические соединения. Первым из них является сам озон, целевой продукт многих систем. Далее, поскольку органические загрязняющие вещества, которые проходят через реактор, редко окисляются за одну экспозицию, для достижения полного окисления до диоксида углерода и воды требуется несколько кратностей воздухообмена. Если происходит неполное окисление, в реакторе образуется смесь альдегидов, спиртов, карбоновых кислот, кетонов и других частично окисленных органических соединений. Часто фотокаталитические реакторы могут реально повышать суммарную концентрацию органических загрязняющих веществ в воздухе в результате разделения больших органических молекул на несколько малых органических молекул, таких, как формальдегид.
Способы перевода в пар водных растворов пероксида водорода дают в лучшем случае гидратированные формы пероксида водорода. Кроме того, хотя фотокаталитические системы способны образовывать пероксид водорода, они имеют множество ограничений, которые серьезно ингибируют образование PHPG для выделения в окружающую среду. Авторы настоящей заявки ранее описывали способы и устройства для получения PHPG в заявке на патент США № 12/187,755, опубликованной 1 мая 2012 как патентная публикация US 2009/0041617, и введенной в настоящий документ ссылкой во всей своей полноте.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящая заявка предусматривает и включает в себя улучшенные устройства и способы для образования очищенного газообразного пероксида водорода (PHPG).
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предусматривает и включает в себя улучшенные устройства для получения негидратированного очищенного газообразного пероксида водорода (PHPG), содержащие корпус, воздухораспределительный механизм, обеспечивающий воздушный поток, воздухопроницаемую подложку, содержащую катализатор на своей поверхности, источник света, причем воздушный поток течет через указанную воздухопроницаемую подложку, и устройство при работе генерирует PHPG и направляет его наружу из указанного корпуса.
Настоящее изобретение предусматривает и включает в себя устройство для получения негидратированного очищенного газообразного пероксида водорода (PHPG), установленное в систему нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) и содержащее воздухопроницаемую подложку, имеющую катализатор на своей поверхности, и источник света, причем воздух течет из системы HVAC через воздухопроницаемую подложку, и устройство при работе генерирует PHPG и направляет его наружу от воздухопроницаемой подложки в нагретое, вентилируемое и кондиционируемое пространство.
Краткое описание чертежей
Фигуры 1A-1C иллюстрируют один вариант осуществления настоящего изобретения, предназначенный для установки как часть системы HVAC. В частности, корпус и воздухораспределительный механизм предусматриваются системой HVAC (например, трубопроводы и вентиляторы системы, соответственно).
Фигуры 2A-2C иллюстрируют типичное автономное устройство генерации PHPG согласно настоящему изобретению.
Подробное описание
Перед подробным пояснением вариантов изобретения следует упомянуть, что изобретение не обязательно ограничено в своем применении деталями, изложенными в нижеследующем описании или проиллюстрированными примерами. Изобретение допускает другие варианты или может быть осуществлено или применено на практике различными способами.
Настоящее описание предусматривает и включает в себя устройства для получения негидратированного очищенного газообразного пероксида водорода (PHPG). В соответствии с настоящим изобретением, устройство получения негидратированного очищенного газа содержит корпус, воздухораспределительный механизм, источник ультрафиолетового излучения, воздухопроницаемую подложку, содержащую катализатор на своей поверхности, причем при работе устройства воздушный поток проходит через воздухопроницаемую подложку и направляет PHPG, образованный устройством, наружу из корпуса.
2
2
14
14
14
В соответствии с настоящим изобретением, устройство генерирует PHPG и направляет газообразный PHPG наружу из корпуса. Не связывая себя теорией, можно полагать, что скорость образования газа PHPG ограничена и определяется скоростью адсорбции влаги из воздуха на активных центрах катализатора. Соответственно, максимальная скорость образования газа PHPG зависит, очевидно, от влажности и может быть рассчитана в предположении следующих условий: 1) полностью гидратированный катализатор, 2) достаточная интенсивность света, чтобы обеспечить полную активацию катализатора, 3) 100%-ное получение без потерь из-за фотолиза пероксида водорода или разложения пероксида водорода, и 4) большой избыток кислорода, подлежащего восстановлению. Поскольку два фотона дают два гидроксильных радикала, два свободных электрона и два иона водорода, и поскольку молекула кислорода легко доступна, образуются две молекулы пероксида водорода. Таким образом, в абсолютно идеальных условиях соотношение между использованными фотонами и образованными молекулами пероксида водорода составляет 1:1. На TiO марки P25 имеется до 14×10 активных центров на квадратный сантиметр. На TiO марки P90 имеется до 42×10 активных центров на квадратный сантиметр. Таким образом, полностью гидратированный катализатор может в лучшем случае дать мгновенно 42×10 молекул пероксида водорода, используя адсорбированную воду. После этого скорость образования будет определяться скоростью, с которой на катализаторе адсорбируется новая вода, что зависит от влажности.
В другом варианте устройство образует PHPG с достаточной скоростью, чтобы в замкнутом объеме воздуха 10 кубометров могла установиться стационарная концентрация PHPG по меньшей мере 0,005 ppm.
3
В одном варианте устройство производит пероксид водорода в концентрации по меньшей мере 0,005 ppm в объеме воздуха 10 кубометров (м), причем 10 процентов объема воздуха каждый час заменяют свежим воздухом, не содержащим PHPG.
В соответствии с настоящим изобретением, количество газообразного пероксида водорода можно измерять в объеме воздуха. Поскольку пока сложно найти устройства, способные измерять концентрации газообразного пероксида водорода на уровнях ниже 0,10 ppm, можно применять способы, измеряющие количество пероксида водорода за длительное время, или способы, использующие калиброванный насос. В одном варианте для обнаружения присутствия PHPG за длительное время можно использовать индикаторные полоски на пероксид водорода, обычно использующиеся для измерения приблизительных концентраций в водном растворе. В одном варианте индикаторная полоска на пероксид водорода может измерить количество PHPG, аккумулированное за период до одного часа, чтобы обеспечить замеры приблизительных концентраций PHPG с точностью до 0,01 ppm. В некоторых вариантах индикаторная полоска, которая собирает 0,5 ppm в течение пяти минут за 15 двадцатисекундных экспозиций, показывает приблизительную концентрацию 0,033 ppm (то есть, 0,5 ppm, деленные на 15). В других вариантах трубка Draeger, способная обнаруживать концентрации пероксида водорода всего 0,10 ppm после прокачки 2000 кубометров воздуха с помощью калиброванного насоса, позволяет замерять более низкие концентрации с точностью до 0,005 ppm, используя для измерений более значительные объемы воздуха. В некоторых вариантах показания трубок Draeger, указывающие результат измерения PHPG 0,10 ppm после прокачки 4000 кубометров, соответствуют концентрации 0,05 ppm. В другом варианте трубка Draeger, которая показывает 0,10 ppm после прокачки 6000 кубометров, измеряет приблизительную концентрацию PHPG 0,033 ppm.
2
2
Согласно настоящему изобретению, термин "негидратированный очищенный газообразный пероксид водорода (PHPG)" означает газообразный пероксид водорода (HO), который по существу не гидратирован и по существу не содержит озона, компонентов плазмы или органических соединений.
Используемое здесь выражение "по существу не содержит озона" означает, что количество озона составляет менее примерно 0,015 ppm. В одном варианте "по существу не содержит озона" означает, что количество озона, образуемое устройством, ниже или близко к пределу обнаружения (LOD), достигаемого при применении обычных детекторов. Датчики озона в данной области известны, при использовании точечных детекторов ионизации они имеют порог обнаружения порядка нескольких частей на миллиард. Подходящим датчиком озона является газовый детектор Honeywell Analytics Midas, способный обнаруживать от 0,036 до 0,7 ppm озона.
Используемое здесь выражение "по существу негидратированный" означает, что из газообразного пероксида водорода удалено по меньшей мере 99% молекул воды, связанной электростатическим притяжением и лондоновскими силами.
Кроме того, в настоящем описании PHPG, который по существу не содержит компонентов плазмы, означает газообразный пероксид водорода, из которого удалено по меньшей мере 99% гидроксид-ионов, гидроксильных радикалов, ионов гидроксония и водородных радикалов.
В настоящем описании термин "выше" означает выше по меньшей мере на примерно 3%, 5%, 7%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% или даже в несколько раз выше.
В настоящем описании выражения "улучшающий" или "повышающий" относится к увеличению по меньшей мере примерно на 2%, по меньшей мере примерно на 3%, по меньшей мере примерно на 4%, по меньшей мере примерно на 5%, по меньшей мере примерно на 10%, по меньшей мере примерно на 15%, по меньшей мере примерно на 20%, по меньшей мере примерно на 25%, по меньшей мере примерно на 30%, по меньшей мере примерно на 35%, по меньшей мере примерно на 40%, по меньшей мере примерно на 45%, по меньшей мере примерно на 50%, по меньшей мере примерно на 60%, по меньшей мере примерно на 70%, по меньшей мере примерно на 80%, по меньшей мере примерно на 90% или к еще большему увеличению.
Используемый здесь термин "примерно" означает с точностью ±10%.
Выражения "содержит", "содержащий", "включает", "включающий", "имеющий" и родственные им по корню и значению означают "включающий в себя, но не ограниченный этим".
Выражение "состоящий из" означает "включающий в себя и ограниченный этим".
Выражение "состоящий по существу из" означает, что композиция, способ или структура могут включать дополнительные ингредиенты, стадии и/или детали, но только если эти дополнительные ингредиенты, стадии и/или детали принципиально не изменяют базовые и новые характеристики заявленной композиции, способа или структуры.
В настоящем описании указания на объект в единственном числе охватывают множественное число, если контекст четко не диктует иное. Например, выражение "соединение" или "по меньшей мере одно соединение" может включать в себя множество соединений, в том числе их смеси.
Всегда, когда в настоящем документе указывается численный диапазон, следует понимать, что он включает в себя любое указанное число (дробное или целое) в пределах указанного диапазона. Выражение "составляющий/в диапазоне между" первым указанным числом и вторым указанным числом и выражение "составляющий/в диапазоне от" первого указанного числа до второго указанного числа используются взаимозаменяемо и предполагают, что включены первое и второе указанные числа и все дробные и целые числа в промежутке между ними.
Используемый здесь термин "способ" относится к образам действий, средствам, методам и процедурам для осуществления поставленной задачи, включая, без ограничений, образы действия, средства, методы и процедуры, которые либо известны, либо легко могут быть разработаны на основе известных образов действия, средств, методов и процедур специалистами-практиками в области агрономии, химии, фармакологии, биологии, биохимии и медицины.
В соответствии с настоящим изобретением, корпус содержит объем, имеющий по меньшей мере одно отверстие для впуска воздуха и по меньшей мере одно отверстие для выпуска воздуха, содержащего негидратированный очищенный газообразный пероксид водорода. В одном варианте корпус может быть сделан из пластмассы, металла, дерева или стекла. Согласно некоторым вариантам, корпус может быть непрозрачным. В других вариантах корпус может быть непрозрачным для ультрафиолетового излучения, но обеспечивать пропускание света видимой области спектра. В одном варианте корпус может дополнительно содержать отражающую поверхность на внутренней стороне устройства, чтобы отражать свет обратно к воздухопроницаемой подложке, содержащей катализатор, и, тем самым, повышать образование негидратированного очищенного газообразного пероксида водорода. В одном варианте корпус может содержать материал, стойкий в деградации под воздействием ультрафиолетового излучения. В соответствии с настоящим изобретением, корпус может быть выполнен из пластиков, выбранных из группы, состоящей из акриловых полимеров, сложного полиэфира, силикона, полиуретана и галогенированного пластика. В некоторых вариантах корпус может быть выполнен из керамики или фарфора. В некоторых вариантах корпус может быть выполнен из полиэтилена, полипропилена, полистирола, нейлона или поливинилхлорида.
В соответствии с настоящим изобретением, в других вариантах корпус может содержать систему нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). Согласно фигурам 1A-1C, устройство для получения PHPG представляет собой прибор, размещенный внутри существующей системы HVAC и содержащий воздухопроницаемую подложку 102, имеющую на своей поверхности катализатор, и источник света 104, какой описывается ниже. В других вариантах устройство для получения PHPG установлено в систему HVAC при строительстве. Один вариант устройства для получения PHPG, подходящего для введения в систему HVAC, показан на фигурах 1A-1C. Как видно из иллюстрации, подходящее устройство может быть установлено в существующую систему HVAC, которая имеет прямоугольный трубопровод в соответствии с применимыми национальными и международными стандартами. Подходящие системы HVAC и соответствующие стандарты в данной области известны, например, стандарты, разработанные Национальной ассоциацией подрядных организаций по тонколистовому металлу и кондиционированию воздуха (Sheet Metal & Air Conditioning Contractors' National Association, SMACNA). Например, Американский национальный институт стандартов (ANSI) аккредитовал SMACNA в качестве организации по установлению стандартов. Как указано в настоящем документе, устройства, подходящие для установки в систему HVAC, содержат компоненты, перечисленные для автономных устройств, но в которых корпус и воздухораспределительная система обеспечиваются системой HVAC. Устройства, подходящие для установки в систему HVAC, могут, кроме того, содержать дополнительную воздухораспределительную систему (например, отдельную от воздухораспределительной системы HVAC как целого). Кроме того, устройства, подходящие для установки в систему HVAC, могут содержать один или более дополнительных фильтров, чтобы предотвратить загрязнение пылью или химикатами.
В соответствии с настоящим изобретением, устройство включает в себя воздухораспределительный механизм для создания воздушного потока. В некоторых вариантах воздушный поток является непрерывным потоком воздуха. В других вариантах воздушный поток является прерывным. В соответствии с настоящим изобретением, воздушный поток в устройстве может быть ламинарным потоком воздуха через воздухопроницаемую подложку. В других вариантах воздушный поток может быть турбулентным потоком через воздухопроницаемую подложку. В еще одном варианте воздушный поток может быть переходным. В соответствии с настоящим изобретением, воздушный поток в устройстве может иметь число Рейнольдса меньше 2300. В другом варианте воздушный поток в устройстве может иметь число Рейнольдса в интервале от 2300 до 4000. В еще одном варианте воздушный поток в устройстве может иметь число Рейнольдса больше 4000.
В некоторых вариантах воздухораспределительный механизм размещают по потоку до воздухопроницаемой подложки, и он обеспечивает течение воздуха через воздухопроницаемую подложку. В других вариантах воздухораспределительный механизм помещают за воздухопроницаемой подложкой, и он проталкивает воздух через подложку. В некоторых вариантах воздушный поток обеспечивается одним или более вентиляторами. В некоторых вариантах воздушный поток может быть обеспечен источником сжатого воздуха. В одном варианте источник сжатого воздуха может быть баллоном сжатого воздуха. В других вариантах сжатый воздух может обеспечиваться воздушным компрессором и резервуаром-хранилищем. В еще одном варианте воздушный поток обеспечивается системой климат-контроля, такой как кондиционер, печью или системой нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC).
В соответствии с настоящим изобретением, устройство может обеспечить воздушный поток, характеризуемый скоростью, направлением и углом падения относительно воздухопроницаемой подложки.
Устройства по настоящему изобретению обеспечены достаточным воздушным потоком, чтобы минимизировать время контакта с фотокаталитической поверхностью. Более конкретно, устройства по настоящему изобретению разработаны так, чтобы минимизировать контакт газообразного пероксида водорода, образованного при фотокатализе, с фотокаталитической подложкой, чтобы минимизировать разложение пероксида водорода примесным озоном, гидроксид-ионами, гидроксильными радикалами, ионами гидроксония и водородными радикалами. Эта минимизация образования озона и контакта находится в противоречии с "воздухоочистительными" фильтрами и устройствами, применяющими близкие фотокаталитические принципы. В отличие от устройств по настоящему изобретению, воздухоочистители и фильтры разработаны для максимального продления контакта воздуха с каталитической поверхностью и фотокаталитической плазмой. Более того, прежние фильтры и очистители были разработаны для действия в замкнутом объеме и предназначены для выброса не PHPG, а "чистого" воздуха, в котором летучие органические соединения (VOC), бактерии, микробы, споры, вирусы и другие нежелательные загрязняющие вещества были уничтожены или их количество было уменьшено. Аналогично, прежние фильтры и очистители относятся к образованию озона и/или гидроксильных радикалов, каждый из которых нежелателен в устройствах по настоящему изобретению.
3
Устройства по настоящему изобретению предусматривают и включают в себя воздухораспределительные механизмы, способные обеспечивать воздушный поток, имеющий скорость, измеренную у поверхности воздухопроницаемой подложки, от примерно 5 нанометров в секунду (нм/с) до 10000 нм/с. В некоторых вариантах скорость потока составляет от 5 нм/с до 7500 нм/с. В некоторых вариантах скорость потока составляет от 5 нм/с до 5000 нм/с. В некоторых вариантах скорость потока составляет от 5 нм/с до 2500 нм/с. В некоторых вариантах скорость потока составляет от 5 нм/с до 5000 нм/с. В некоторых вариантах скорость потока составляет от 5 нм/с до 1000 нм/с. В других вариантах скорость потока воздуха у воздухопроницаемой подложки составляет от 5 до 15 нм/с. В другом варианте скорость воздушного потока составляет от 15 нм/с до 30 нм/с. В одном варианте скорость воздушного потока составляет от 30 нм/с до 50 нм/с. В одном варианте скорость воздушного потока составляет от 50 нм/с до 75 нм/с. В одном варианте скорость воздушного потока составляет от 75 нм/с до 100 нм/с. В одном варианте скорость воздушного потока составляет от 100 нм/с до 250 нм/с. В одном варианте скорость воздушного потока составляет от 250 нм/с до 500 нм/с. В одном варианте скорость воздушного потока составляет от 500 нм/с до 750 нм/с. В одном варианте скорость воздушного потока составляет от 750 нм/с до 1000 нм/с. В одном варианте скорость воздушного потока составляет от 1000 нм/с до 2500 нм/с. В одном варианте скорость воздушного потока составляет от 2500 нм/с до 5000 нм/с. В одном варианте скорость воздушного потока составляет от 5000 нм/с до 7500 нм/с. В одном варианте скорость воздушного потока составляет от 7500 нм/с до 10000 нм/с. Как указано в настоящем документе, максимальный воздушный поток через воздухопроницаемую структуру ограничен реакцией гидроксильных радикалов с образованием пероксида водорода и скоростью образования капель PHPG. Не связывая себя теорией, можно полагать, что гидроксильные радикалы удерживаются в достаточно разбавленном равновесном состоянии, которое, благоприятствуя их рекомбинации с образованием пероксида водорода, одновременно минимизирует разложение на воду и кислород. Ограничения на максимальный поток зависят от воздухопроницаемой структуры, катализатора, относительной влажности и других параметров, и специалист среднего уровня сможет легко подобрать воздушный поток, чтобы максимально повысить образование PHPG. В некоторых вариантах устройства, подходящие для систем HVAC, способны обрабатывать потоки воздуха до 40000 кубических футов в минуту (CFM) (т.е. до 1133 м/мин).
3
3
3
Настоящее изобретение предусматривает и включает в себя скорости воздушного потока через воздухопроницаемую подложку больше 100 CFM (2,83 м/мин). В одном варианте устройства генерации PHPG для системы HVAC обеспечены воздушным потоком в среднем 145 CFM (4,1 м/мин). Для автономного устройства генерации PHPG воздухораспределительный механизм обеспечивает поток через воздухопроницаемую подложку в среднем 115 CFM (3,26 м/мин).
Настоящее описание предусматривает также и включает в себя устройства, имеющие достаточную скорость воздушного потока, чтобы обеспечить время пребывания на поверхности катализатора менее 1 секунды. Специалист среднего уровня должен понимать, что на время, доступное для пребывания на поверхности катализатора, влияют, наряду с другими параметрами, скорость воздуха, угол падения и толщина подложки. В соответствии с настоящим изобретением, устройство обеспечивает время пребывания на каталитической поверхности воздухопроницаемой подложки меньше 2 секунд. В одном варианте время пребывания меньше 1 секунды. В некоторых вариантах время пребывания составляет менее 500 мс. В следующем варианте время пребывания составляет менее 250 мс. В еще одном варианте время пребывания составляет от 1 до 500 мс.
Согласно изобретению, воздушный поток может быть направлен под углом к воздухопроницаемой структуре (угол падения). В отличие от настоящего описания, устройства для получения PHPG, описанные в патентах США 8,168,122, 8,684,329 и 9,034,255, предусматривают диффузор для получения газообразного негидратированного очищенного пероксида (PGPG) из влажного атмосферного воздуха, в котором воздух течет перпендикулярно тонкой воздухопроницаемой подложке. Как будет показано в настоящем описании, образования PHPG можно достичь, используя воздушные потоки, падающие на воздухопроницаемую подложку под углами по меньшей мере 14°. Не связывая себя теорией, можно полагать, что допустимый угол падения зависит от толщины воздухопроницаемой подложки и скорости воздушного потока. При уменьшении толщины подложки угол падения также можно уменьшить, начиная с угла 90° (угол между направлением воздушного потока и подложкой), который обеспечивает оптимальные условия для получения PHPG благодаря поддержанию короткого времени пребывания пероксида водорода на поверхности подложки. Аналогично, угол падения можно уменьшить при заданной толщине подложки, если скорость воздушного потока повышается, хотя углы меньше 14° не приводят к образованию PHPG на детектируемых уровнях. Не связывая себя теорией, можно полагать, что скорость образования PHPG максимальна при угле падения 90° и по существу не обнаруживается, когда угол падения воздушного потока составляет примерно 14 градусов или меньше. В интервале примерно от 14° до 68° образование PHPG постепенно усиливается. Неожиданно оказалось, что при углах падения всего 68° получаются подходящие уровни PHPG, и в соответствии с прежними публикациями, оптимальное образование происходит, когда воздушный поток является перпендикулярным. Соответственно, устройства прежнего уровня, которые содержат каталитические поверхности, параллельные воздушному потоку, не генерируют PHPG, даже если падающий свет перпендикулярен поверхности. Таким образом, устройства согласно уровню техники, предназначенные для образования озона, пероксида и других реакционноспособных соединений в реакторе, не производят PHPG и не направляют PHPG наружу из реактора.
В некоторых вариантах можно предусмотреть воздушный поток под углом падения 90° к воздухопроницаемой подложке (т.е., перпендикулярно воздухопроницаемой подложке). В устройствах с углом падения 90° время пребывания негидратированного очищенного газообразного пероксида водорода является минимальным для заданных воздушного потока и толщины подложки. В соответствии с настоящим изобретением, минимальный угол падения равен 14°. В других вариантах угол падения воздушного потока относительно воздухопроницаемой структуры больше или равен 45°. В другом варианте угол падения превышает 50°. В еще одном варианте угол падения превышает 60°. В следующем варианте угол падения больше 70°. В другом варианте угол падения больше 75°. В одном варианте угол падения может быть больше 80°. В следующем варианте угол падения может быть больше 85°. В еще одном варианте угол падения может быть больше 89°. В некоторых вариантах настоящего изобретения угол падения воздушного потока относительно подложки может составлять от 68° до 90°. В других вариантах угол падения воздушного потока относительно подложки может составлять от 75° до 90°. В других вариантах угол падения воздушного потока относительно подложки может составлять от 85° до 90°.
В соответствии с настоящим изобретением, воздушный поток через воздухопроницаемую подложку представляет собой влажный воздух. В некоторых вариантах влажный воздух является атмосферным влажным воздухом. В других вариантах относительная влажность воздуха, текущего через воздухопроницаемую подложку, больше или равна 20%. В следующих вариантах влажность воздуха, текущего через воздухопроницаемую подложку, больше или равна 30%. В некоторых вариантах относительная влажность составляет от 35% до 40%. В других вариантах относительная влажность атмосферного воздуха может составлять от примерно 20% до примерно 99%. В других вариантах относительная влажность атмосферного воздуха может составлять от примерно 20% до примерно 99%. В некоторых вариантах влажность воздушного потока ниже 80%. В одном варианте влажность составляет от 20% до 80%. В других вариантах относительная влажность составляет от 30% до 60%. В другом варианте влажность составляет от 35% до 40%. В некоторых вариантах влажность воздуха, текущего через воздухопроницаемую подложку, составляет от 56% до 59%. В некоторых вариантах настоящего изобретения относительная влажность составляет от 20% до 80%.
В соответствии с настоящим изобретением, воздушный поток через воздухопроницаемую подложку может быть дополнен увлажнением. В некоторых вариантах атмосферный воздух дополнен увлажнителем, чтобы получить воздушный поток, имеющий влажность по меньшей мере 20%. В некоторых вариантах относительная влажность воздуха, текущего через проницаемую подложку, поддерживается на уровне от 20% до 80%. В другом варианте воздух может быть увлажнен до относительной влажности 30% или выше. В некоторых вариантах относительная влажность увлажненного воздушного потока составляет от 35% до 40%. В других вариантах относительная влажность увлажненного воздуха может составлять от примерно 20% до примерно 99% или примерно от 30% до 99%. В одном варианте относительная влажность после увлажнения составляет менее 80%. В одном варианте относительная влажность после увлажнения составляет от 20% до 80%. В других вариантах относительная влажность после увлажнения составляет от 30% до 60%. В другом варианте относительная влажность после увлажнения составляет от 35% до 40%. В некоторых вариантах относительная влажность после увлажнения воздуха, текущего через воздухопроницаемую подложку, составляет от 56% до 59%.
В соответствии с настоящим изобретением, устройство может давать воздушный поток, который рециркулирует внутри некоторого пространства. В других вариантах устройство может обеспечить, полностью или частично, воздушный поток, содержащий свежий воздух. В некоторых вариантах устройство включает в себя и предусматривает источник свежего воздуха снаружи или из отдельного фильтрованного потока воздуха. В соответствии с настоящим изобретением, устройство может быть включено в систему кондиционирования и вентиляции, которая вызывает рециркуляцию воздуха внутри комнаты или здания. В некоторых вариантах воздух, рециркулирующий в комнате или здании, может быть дополнен свежим наружным воздухом.
Устройства по настоящему изобретению включают в себя воздухопроницаемую подложку, содержащую катализатор на поверхности, предназначенный для получения негидратированного очищенного газообразного пероксида водорода при воздействии источника света и при условии потока воздуха. Подложки могут варьироваться по толщине, воздухопроницаемости и поверхностному катализатору. В некоторых вариантах подложка может быть толще или тоньше в зависимости от скорости воздушного потока, угла падения воздушного потока, интенсивности света и типа катализатора. Выбор толщины, потока воздуха, направления воздушного потока и других параметров необходим, чтобы обеспечить морфологию поверхности подложки, минимизирующую время пребывания молекул пероксида водорода на поверхности воздухопроницаемой подложки. Не связывая себя теорией, можно полагать, что газообразный пероксид водорода, образованный на поверхности подложки, уходит с поверхности, и, тем самым, предотвращается его повторное восстановление до воды подложкой или гидроксидом.
В соответствии с настоящим изобретением, воздухопроницаемая подложка, содержащая катализатор на своей поверхности, имеет полную толщину от примерно 5 нанометров (нм) до примерно 750 нм. В некоторых вариантах максимальная толщина воздухопроницаемой подложки составляет 650 нм. В одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 100 до 200 нм. В одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 145 до 150 нм. В одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 5 нм до 15 нм. В другом варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 15 нм до 30 нм. В одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 20 нм до 40 нм. В одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет примерно 30 нм. В следующем варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 30 нм до 50 нм. Еще в одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 50 нм до 75 нм. В одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 75 нм до 100 нм. В другом варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 100 нм до 250 нм. В следующем варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 250 нм до 500 нм. В некоторых вариантах толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 500 нм до 750 нм. В некоторых вариантах настоящего изобретения толщина воздухопроницаемой подложки, содержащей катализатор на своей поверхности, составляет примерно от 5 нм до 100 нм. В одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки, содержащей катализатор на своей поверхности, составляет примерно от 15 нм до 100 нм. В одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки, содержащей катализатор на своей поверхности, составляет примерно от 20 нм до 100 нм. В одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки, содержащей катализатор на своей поверхности, составляет примерно от 20 нм до 75 нм. В одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки, содержащей катализатор на своей поверхности, составляет примерно от 20 нм до 50 нм.
В некоторых вариантах настоящего изобретения воздухопроницаемая подложка, содержащая катализатор на своей поверхности, имеет полную толщину от примерно 750 нанометров (нм) до примерно 1000 нм. В одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 1000 до 2500 нм. В другом варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 2500 нм до 5000 нм. В одном варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 5000 нм до 7500 нм. В следующем варианте толщина воздухопроницаемой подложки составляет от 7500 нм до 10000 нм.
Настоящее изобретение предусматривает также и включает в себя устройства, содержащие воздухопроницаемую подложку, выполненную как сетка. Используемый здесь термин "сетка" относится к системе промежутков или к системе, содержащей переплетение из шнура, нитей или проволоки. В некоторых вариантах сетка может быть тканым материалом или полотном. В некоторых вариантах сетка может быть переплетением из нержавеющей стали. В некоторых вариантах сетка может быть переплетением из нержавеющей стали, сформированным в виде сот. В других вариантах сетка может быть нетканым материалом или полотном. В некоторых вариантах сетка может быть изготовлена из твердого листа путем введения отверстий или перфораций механическим, термическим или химическим способом. В одном варианте сетка может быть получена из пленки.
В ходе разработки устройств по настоящему изобретению оказалось, что воздухопроницаемые подложки требуют сеток, имеющих по меньшей мере 20% открытой площади, чтобы генерировать эффективное количество PHPG. Аналогично, когда открытая площадь сетки превышает 60%, образование PHPG по существу прекращается. Соответственно, настоящее изобретение предусматривает и включает в себя воздухопроницаемые подложки, имеющие сетку с открытой площадью от 20% до 60% и максимальную толщину до 750 нм. Подходящие толщины воздухопроницаемых подложек указаны тремя абзацами выше. Подходят также воздухопроницаемые подложки, содержащие сетку с открытой площадью примерно 40%. В одном варианте ячейки сетки имеют размер примерно 200 микрон, а толщина нити составляет примерно 152 микрона.
Дополнительные исследования выявили, что нетканые материалы не годятся для получения воздухопроницаемых подложек, покрытых катализатором. Не связывая себя теорией, можно полагать, что невозможность найти подходящие нетканые материалы вытекает из неправильности ячеек или их недостаточного количества в сетке из нетканых материалов. Тем не менее, можно думать, что подходящие нетканые материалы все же можно изготовить. Соответственно, настоящее изобретение предусматривает и включает в себя нетканые воздухопроницаемые подложки, содержащие сетку с открытой площадью от 20 до 60% и имеющие толщину менее 750 нм, которые подходят для реализации устройств, генерирующих PHPG.
В соответствии с настоящим изобретением, сетка содержит более 20 нитей на сантиметр. В некоторых вариантах открытая площадь сетки соответствует менее примерно 120 нитям на сантиметр. В одном варианте ячейки сетки имеют размер примерно 200 микрон (мкм), что соответствует примерно 41% открытой площади при толщине нитей примерно 150 микрон. В некоторых вариантах сетка имеет открытую площадь по меньшей мере примерно 20% и имеет толщину нити примерно 48 микрон. В некоторых вариантах сетка имеет размер ячеек от 25 мкм до 220 мкм и имеет открытую площадь от 20% до 40%. В других вариантах сетка имеет размер ячеек от 25 мкм до 220 мкм и толщину нитей от 48 мкм до 175 мкм.
В соответствии с настоящим изобретением, можно изготовить сетку, имеющую регулярные повторяющиеся рисунки промежутков в сетке. В других вариантах сетка по настоящему изобретению может иметь нерегулярные или неповторяющиеся рисунки промежутков. В еще одном варианте сетка может представлять собой случайный массив открытых объемов. В другом варианте сетка может иметь сотовую структуру. В соответствии с настоящим изобретением, открытые объемы в сетке могут быть круглыми, треугольными, квадратными, многоугольными, многогранными, эллипсоидными или сферическими.
Воздухопроницаемая подложка по настоящему изобретению может быть изготовлена из ряда подходящих материалов. В некоторых вариантах воздухопроницаемая подложка может содержать катализатор. В других вариантах воздухопроницаемая подложка может содержать катализатор и сокатализатор. В других вариантах воздухопроницаемая подложка может содержать катализатор, сокатализатор и добавку. В некоторых вариантах воздухопроницаемая подложка может быть приготовлена из керамики. В других вариантах воздухопроницаемая подложка состоит только из катализатора или комбинации катализатор/сокатализатор.
Настоящее описание включает также воздухопроницаемые подложки, имеющие покрытие. В некоторых вариантах воздухопроницаемая подложка может содержать материал, который покрыт одним или более катализаторами. В других вариантах воздухопроницаемая подложка может содержать материал, который покрыт катализатором и одним или более сокатализаторами. В еще одном варианте воздухопроницаемая подложка может содержать материал, который покрыт смесью катализатора, сокатализатора и добавки.
Способы покрытия воздухопроницаемой подложки в данной области известны. В некоторых вариантах воздухопроницаемую подложку покрывают порошком кристаллического диоксида титана за один или более этапов нанесения и спекают в печи. Покрытия согласно настоящему изобретению могут быть нанесены на сетку различными способами, в том числе, но без ограничений, способами золь-гель, промазыванием, погружением и порошковым покрытием. В других вариантах катализаторы, сокатализаторы и добавки по настоящему изобретению могут быть нанесены на сетку посредством валика, пленочным литьем, ультразвуковым напылением и нанесением в виде полотна. Как указано в настоящем описании, способ нанесения катализаторов, сокатализаторов и добавок считается подходящим, если он предусматривает и включает в себя сохранение сетки нижележащей воздухопроницаемой подложки, какая описана выше.
Согласно настоящему изобретению, воздухопроницаемая подложка содержит сетку, имеющую после покрытия долю открытой площади от 20% до 60%. В другом варианте сетка может иметь открытую площадь от 20% до 30%. В одном варианте сетка может иметь открытую площадь от 30% до 40%. В следующем варианте сетка может иметь открытую площадь от 40% до 50%. В еще одном варианте сетка может иметь открытую площадь от 50% до 60%. В некоторых вариантах доля открытой площади сетки может составлять от 36% до 38%. В одном варианте доля открытой площади составляет примерно 37%.
Настоящее описание предусматривает и включает в себя воздухопроницаемые подложки, имеющие толщину от 5 нм до 750 нм и имеющие открытую площадь сетки от 10% до 60%. В одном варианте подложка может иметь толщину, выбранную из группы, состоящей из интервалов 5-15 нм, 15-30 нм, 20-40 нм, 30-50 нм, 50-75 нм, 75-100 нм, 100-250 нм, 250-500 нм и 500-750 нм, и имеет открытую площадь сетки от 10% до 20%. В одном варианте подложка может иметь толщину, выбранную из группы, состоящей из интервалов 5-15 нм, 15-30 нм, 20-40 нм, 30-50 нм, 50-75 нм, 75-100 нм, 100-250 нм, 250-500 нм и 500-750 нм, и имеет открытую площадь сетки от 20% до 30%. В одном варианте подложка может иметь толщину, выбранную из группы, состоящей из интервалов 5-15 нм, 15-30 нм, 20-40 нм, 30-50 нм, 50-75 нм, 75-100 нм, 100-250 нм, 250-500 нм и 500-750 нм, и имеет открытую площадь сетки от 30% до 40%. В одном варианте подложка может иметь толщину, выбранную из группы, состоящей из интервалов 5-15 нм, 15-30 нм, 20-40 нм, 30-50 нм, 50-75 нм, 75-100 нм, 100-250 нм, 250-500 нм и 500-750 нм, и имеет открытую площадь сетки от 40% до 50%. В одном варианте подложка может иметь толщину, выбранную из группы, состоящей из интервалов 5-15 нм, 15-30 нм, 20-40 нм, 30-50 нм, 50-75 нм, 75-100 нм, 100-250 нм, 250-500 нм и 500-750 нм, и имеет открытую площадь сетки от 50% до 60%. В одном варианте подложка может иметь толщину, выбранную из группы, состоящей из интервалов 5-15 нм, 15-30 нм, 20-40 нм, 30-50 нм, 50-75 нм, 75-100 нм, 100-250 нм, 250-500 нм и 500-750 нм, и имеет открытую площадь сетки от 36% до 38%.
В других вариантах воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 15 нм до 250 нм и имеет открытую площадь сетки от 20% до 50%. В другом варианте воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 15 нм до 100 нм и имеет открытую площадь сетки от 20% до 50%. В другом варианте воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 20 нм до 80 нм и имеет открытую площадь сетки от 20% до 50%. В другом варианте воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 20 нм до 50 нм и имеет открытую площадь сетки от 20% до 50%. В другом варианте воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 20 нм до 40 нм и имеет открытую площадь сетки от 20% до 50%.
В других вариантах воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 15 нм до 250 нм и имеет открытую площадь сетки от 30% до 50%. В другом варианте воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 15 нм до 100 нм и имеет открытую площадь сетки от 30% до 50%. В другом варианте воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 20 нм до 80 нм и имеет открытую площадь сетки от 30% до 50%. В другом варианте воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 30 нм до 50 нм и имеет открытую площадь сетки от 30% до 50%. В другом варианте воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 20 нм до 40 нм и имеет открытую площадь сетки от 30% до 50%.
В других вариантах воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 20 нм до 40 нм и имеет открытую площади сетки от 10% до 60%. В другом варианте воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 20 нм до 40 нм и имеет открытую площадь сетки от 20% до 50%. В другом варианте воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 20 нм до 40 нм и имеет открытую площадь сетки от 30% до 40%. В другом варианте воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 20 нм до 40 нм и имеет открытую площадь сетки от 36% до 38%. В другом варианте воздухопроницаемая подложка имеет толщину от 20 нм до 40 нм и имеет открытую площадь сетки примерно 37%.
Воздухопроницаемые подложки, подходящие для покрытия каталитической смесью согласно настоящему изобретению, в данной области техники известны. В некоторых вариантах воздухопроницаемая подложка содержит твердый лист, который покрыт катализатором или смесью, содержащей катализатор, и затем сделан воздухопроницаемым путем введения отверстий или перфораций, как указано выше. В других вариантах воздухопроницаемая подложка содержит твердый лист, который был перфорирован и затем покрыт катализатором или каталитической смесью.
Воздухопроницаемые подложки, подходящие для покрытия каталитической смесью согласно настоящему изобретению, включают в себя сетки, такие как тканые или нетканые материалы. Согласно настоящему изобретению, покрытие подходящей сетки каталитической смесью требует, чтобы сетка не закупоривалась и чтобы сетка сохраняла открытую площадь на уровне 20-60%, как указано выше.
Воздухопроницаемые подложки по настоящему изобретению могут быть изготовлены из полимеров, углеродных волокон, стекловолокон, натуральных волокон, металлической проволоки и других материалов, которые можно выполнить в форме сетки. Сетки могут быть ткаными сетками, полученными из монофиламентарных синтетических или натуральных волокон или нитей. В других вариантах тканы сетки могут быть приготовлены из мультифиламентарных синтетических волокон или нитей. Тканые сетки по настоящему изобретению могут быть охарактеризованы номером нити и диаметром нити. Тканые сетки содержат нити основы, которые пролегают вдоль тканой сетки или материала, и уточные, или заполняющие, нити, которые пролегают по ширине ткани под прямым углом к нитям основы. В тканых сетках, содержащих монофиламенты, как в направлении основы, так и в направлении утка присутствуют нити одинакового диаметра и одинакового номера, и ячейки (или отверстия) являются квадратными. Монофиламентарные тканые сетки могут иметь нити разного номера в направлении основы и утка, что приводит к прямоугольным ячейкам. Тканые сетки доступны с широким выбором номера нити.
Тканые сетки из мононитей, подходящие для устройств по настоящему изобретению, включают в себя сетки, имеющие номинальные размеры отверстий (т.е. размер ячеек) в диапазоне от 50 до 1200 микрон. В одном варианте тканая сетка из мононитей, подходящая для покрытия в качестве воздухопроницаемой подложки, имеет размер ячеек от 100 до 300 микрон. В другом варианте воздухопроницаемая подложка представляет собой тканую сетку из мононитей с размером ячеек от 150 до 250 микрон. В еще одном варианте воздухопроницаемая подложка представляет собой тканую сетку из мононитей с размером ячеек примерно 200 микрон. В одном варианте размер ячеек тканой сетки из мононитей составляет от 175 до 225 микрон, а толщина нити составляет от 125 до 175 микрон. В еще одном варианте размер ячеек тканой сетки из мононитей составляет примерно 200 микрон, а толщина нити составляет примерно 152 микрона.
В соответствии с настоящим изобретением, сетка может быть экструдированной сеткой (называемой также "экструдированной полимерной сеткой"). В одном варианте экструдированная сетка может быть бипланарной экструдированной сеткой. В другом варианте экструдированная сетка может быть монопланарной сеткой. Экструдированная сетка может содержать переплетение, имеющее различные отверстия (размеры отверстий), различные веса и толщины. Экструдированные сетки можно изготовить из полипропилена (PP), полиэтилена (PE), полиэтилена высокой плотности (HDPE), полиэтилена средней плотности (MDPE), полиэтилена низкой плотности (LDPE), смесей полипропилен/полиэтилен (PP/PE), сшитого полиэтилена (PEX), ультравысокомолекулярного полиэтилена (UHMWPE).
В одном варианте сетка, подходящая для покрытий согласно настоящему изобретению, является фибергласовой сеткой или тканью. В некоторых вариантах фибергласовая сетка является пластиком, упрочненным стекловолокном (FRP). В некоторых вариантах фибергласовая сетка является тканой сеткой. Подходящие тканые фибергласовые сетки включают стеклоткань, маты из рубленого стекловолокна, ровинговую стеклоткань. В некоторых вариантах фибергласовая ткань является комбинацией ровинговой стеклоткани и мата из рубленого стекловолокна. В другом варианте фибергласовая ткань представляет собой ткань S-2 GLASSTM. В некоторых вариантах фибергласовая ткань получена путем полотняного переплетения, атласного переплетения с использованием длинного вала, одностороннего переплетения или саржевого переплетения. В одном варианте фибергласовая ткань содержит стекло E. В другом варианте фибергласовая ткань содержит стекло C. В еще одном варианте фибергласовая ткань содержит стекло E и стекло C. В некоторых вариантах фибергласовая сетка или ткань комбинируется со смолой для упрочнения фибергласового материала. В одном варианте смола является сложным полиэфиром. В другом варианте смола является эпоксидной смолой.
В одном варианте сетка, подходящая для покрытий согласно настоящему изобретению, является полимерной. В одном варианте сетка может быть выполнена из нейлона, полибутилентерефталата (PBT), сложного полиэфира, полиэтилена, полипропилена, политетрафторэтилена (PTFE), смесей полипропилен/полиэтилен (PP/PE) или синтетических нитей или волокон.
В соответствии с настоящим изобретением сетка может быть выполнена из натуральных волокон, содержащих хлопок и шерсть. В некоторых вариантах натуральное волокно является волокном, полученным из семян, листьев, луба, кожуры, плодов или стеблей. В других вариантах натуральное волокно представляет собой коноплю, сизаль, джут, кенаф или бамбук. В одном варианте сетка может быть изготовлена из шелка.
Сетки согласно настоящему изобретению могут быть металлическими или керамическими. Подходящие металлические сетки включают гальванопластические сетки. Гальванопластические сетки, подходящие для получения покрытых катализатором воздухопроницаемых подложек согласно настоящему изобретению, доступны для приобретения, например, от компании Industrial Netting (Minneapolis, MN). Гальванопластические сетки могут иметь размер отверстий в диапазоне от 8 микрон до 5000 микрон или больше. В некоторых вариантах гальванопластические сетки имеют от 36% до 98% открытой площади. В некоторых вариантах гальванопластические сетки имеют открытую площадь от 36% до 98% и имеют толщину от примерно 20 нм до 75 нм.
Устройства по настоящему изобретению предусматривают и включают в себя катализатор на поверхности указанных воздухопроницаемых подложек. В некоторых вариантах катализатор может представлять собой каталитическую смесь, содержащую один или более катализаторов. В других вариантах каталитическая смесь может содержать один или более катализаторов и один или более сокатализаторов. В другом варианте каталитическая смесь может содержать один или более катализаторов и одну или более добавок. В следующем варианте каталитическая смесь может содержать один или более катализаторов, один или более сокатализаторов и одну или более добавок. Кроме того, каталитические смеси могут содержать солюбилизатор, связующие, модификаторы вязкости, изотонизирующие агенты, регуляторы pH, растворители, красители, гелеобразующие агенты, загустители, буферы и их комбинации.
Специалист среднего уровня должен понимать, что выбор катализатора определяет тип фотокатализа, который протекает при освещении источником света, и, кроме того, определяет длину волны и интенсивность света, подходящего для образования негидратированного очищенного газообразного пероксида водорода. Как обсуждалось выше, гидроксильные радикалы, образуемые в результате фотокатализа, необходимо удалить с каталитической поверхности прежде, чем они подвергнутся восстановлению свободными электронами на катализаторе или другими реакционноспособными соединениями, получаемыми при фотокатализе. Это заставляет их соединяться, образуя пероксид водорода сразу за катализатором. Специалист среднего уровня должен понимать, что время пребывания негидратированного очищенного газообразного пероксида водорода на воздухопроницаемой подложке определяется толщиной подложки, углом падения воздушного потока и скоростью воздушного потока.
3
2
3
2
В соответствии с настоящим изобретением, катализатор на поверхности воздухопроницаемой подложки является металлом, оксидом металла или их смесью. Настоящем изобретение предусматривает также и включает в себя керамические катализаторы. Катализаторы по настоящему изобретению включают, без ограничений, диоксид титана, медь, оксид меди, цинк, оксид цинка, железо, оксид железа или их смеси. Подходящие катализаторы указаны, например, в таблице 2. В некоторых вариантах катализатор является диоксидом титана в форме анатаза или рутила. В некоторых вариантах диоксид титана находится в форме анатаза. В некоторых вариантах катализатор является диоксидом титана в форме рутила. В других вариантах катализатор на основе диоксида титана является смесью анатаза и рутила. Анатаз поглощает фотоны на длинах волн менее 380 нм, тогда как рутил поглощает фотоны на длинах волн менее 405 нм. Подходят также нанесенные катализаторы, которые содержат триоксид вольфрама (WO), который обеспечивает использование широкого диапазона излучения с энергиями по меньшей мере 2,85 эВ. Это расширяет выбор источников света из источников, излучающих в видимом спектре, за пределы диапазона, где активен один TiO. Не связывая себя теорией, можно полагать, что WO обеспечивает новые уровни энергии, которые не поддерживает TiO, и позволяет поглощать видимый свет достаточной энергии, чтобы окислить воду до гидроксильных радикалов. Соответственно, настоящее описание предусматривает также и включает в себя источники света, излучающие на длинах волн в видимом диапазоне, когда они сочетаются с подходящей подложкой катализатора.
Таблица 2.
Фотокатализаторы с подходящей шириной запрещенной зоны
Фотокатализатор
Ширина запрещенной зоны (электронвольты, эВ)
Si
1,1
WSe<sub>2</sub>
1,2
CdS
2,4
WO<sub>3</sub>
2,4-2,8
V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
2,7
SiC
3,0
TiO<sub>2</sub> (рутил)
3,02
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
3,1
TiO<sub>2</sub> (анатаз)
3,2
ZnO
3,2
SRTiO<sub>3</sub>
3,2
SnO<sub>2</sub>
3,5
ZnS
3,6
2
3
2
3
В некоторых вариантах катализатор может быть оксидом вольфрама или смесью оксида вольфрама с другим металлическим или металлоксидным катализатором. В некоторых вариантах катализатор выбран из группы, состоящей из оксида вольфрама(III), оксида вольфрама(IV) (WO), оксида вольфрама(VI) (WO) и пентоксида вольфрама. В одном варианте оксид вольфрама является диоксидом вольфрама (WO). В другом варианте катализатор может быть катализатором на основе триоксида вольфрама (WO) в сочетании с цериевым сокатализатором (смотри "Development of a High-performance Photocatalyst that is Surface-treated with Cesium", доступный в Интернете по адресу
www.aist.go.jp/aist_e/latest_research/2010/20100517/20100517.html).
et al
et al
et al
et al
2
2
2
Катализаторы по настоящему изобретению могут дополнительно включать один или более сокатализаторов. В некоторых вариантах сокатализаторы обеспечивают способность поглощать свет в видимом диапазоне спектра (например, длины волн примерно от 390 нм до 700 нм). Подходящие катализаторы и способы получения катализаторов, подходящих устройств, содержащих источник света, излучающий в видимом диапазоне спектра, в данной области известны. Смотри диссертацию Tukenmez "Tungsten Oxide Nanopowders and its Photocatalytic Activity under Visible Light Irradiation", Department of Molecular Biology, Umea University, Sweden, (2013), доступную по адресу www.diva-portal.org/smash/get/diva2:643926/FULLTEXT01.pdf; Kim ., "Photocatalytic Activity of TiO Films Preserved under Different Conditions: The Gas-Phase Photocatalytic Degradation Reaction of Trichloroethylene", Journal of Catalysis 194(2):484-486 (2000); Blake ., "Application of the Photocatalytic Chemistry of Titanium Dioxide to Desinfection and Killing of Cancer Cells", Separation and Purification Methods 28(1):1-50 (1999); Sugihara ., "Development of a Visible Light Responsive Photocatalyst using Tungsten Oxide under Indoor Lighting", National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) (2008). Сокатализаторы по настоящему изобретению включают, без ограничений, платину, золото, серебро, медь, никель, церий или палладий. В некоторых вариантах сокатализатор является благородным металлом, выбранным из группы, состоящей из золота, платины, серебра, родия, рутения, палладия, осмия и иридия. В одном варианте сокатализатор является золотом. В другом варианте сокатализатор является серебром. В еще одном варианте сокатализатор является платиной. В другом варианте сокатализатор представляет собой экструзионную керамику. В некоторых вариантах сокатализатор является диоксидом циркония (ZrO). В некоторых вариантах сокатализатор представляет собой экструзионную керамику на основе диоксида титана (смотри обзор Shon ., "Visible Light Responsive Titanium Dioxide (TiO), доступный по адресу epress.lib.uts.edu.au).
3
3
2
3
2
3
2
2
Настоящее изобретение включает в себя также нанесенные катализаторы, содержащие металлический палладий, медь и WO, которые обеспечивают протекание фотокаталитической реакции в диапазоне видимого спектра до 460 нм и дают 7-кратное увеличение активности катализатора. В других вариантах катализатор содержит смесь WO и TiO, которая повышает активность фотокаталитических реакций до 60 раз на длине волны 410 нм. В следующем варианте смесь WO и TiO предусмотрена для источника света, содержащего ксеноновую лампу, излучающую на 400 нм. В следующих вариантах катализатор снабжен ионами азота или WO, чтобы обеспечить фотокаталитические реакции в диапазоне видимого спектра. В других вариантах поглощение в видимом спектре обеспечивается фотокатализаторами, содержащими смесь TiO и SiO, создающую ширину запрещенной зоны 3,3 эВ.
Таблица 3.
Сокатализаторы и длины волн поглощения
Сокатализатор
Длина волны
Золото (Au)
видимый спектр
Pt
Ag
керамика на основе диоксида титана
видимый спектр
Сокатализаторы по настоящему изобретению могут быть включены в различных количествах по отношению к катализатору. Как правило, сокатализаторы могут составлять до примерно 5%. В некоторых вариантах количество сокатализатора меньше или равно 5%, хотя в некоторых вариантах можно использовать смеси сокатализаторов в суммарном количестве до 10%. В некоторых вариантах сокатализатор описанных выше типов может составлять до 1,0% от полной массы катализатора. В некоторых вариантах полное количество сокатализатора доходит до 0,05%. В других вариантах сокатализатор предусмотрен на уровне от 0,005 до 0,05%. В некоторых вариантах сокатализатор составляет от 0,01% до 0,05%. В другом варианте сокатализатор составляет от 0,01% до 0,02%. В некоторых вариантах сокатализатор составляет менее 0,05% от полной массы катализатора.
Катализаторы по настоящему изобретению могут, кроме того, включать одну или более добавок. В одном варианте добавка может быть гигроскопичной добавкой. Не связывая себя теорией, можно полагать, что присутствие гигроскопичной добавки повышает локальную концентрацию воды на фотокаталитической поверхности и, тем самым, обеспечивает образование негидратированного очищенного газообразного пероксида водорода при более низком уровне влажности и улучшает эффективность образования PGPG при более высоких уровнях влажности. Как предусмотрено в настоящем изобретении, каталитические покрытия, содержащие гигроскопичные агенты, повышают эффективность устройств для получения PHPG и расширяют диапазон относительной влажности, в котором устройство получения PHPG работает эффективно и может производить PHPG с достаточной скоростью, чтобы установить стационарную концентрацию PHPG по меньшей мере 0,005 ppm в закрытом объеме воздуха 10 кубических метров. В некоторых вариантах относительная влажность может составлять всего 1%. В одном варианте относительная влажность атмосферного воздуха предпочтительно выше примерно 1%. В некоторых вариантах относительная влажность может составлять от 1 до 99%. В других вариантах относительная влажность воздуха, текущего через воздухопроницаемую подложку, составляет от 1% до 20%. В следующих вариантах влажность воздуха, текущего через воздухопроницаемую подложку, больше или равна 5%. В других вариантах относительная влажность атмосферного воздуха может составлять от примерно 10% до примерно 99%. В других вариантах относительная влажность атмосферного воздуха может составлять от примерно 10% до примерно 99%. В некоторых вариантах влажность воздушного потока меньше 80%. В одном варианте влажность составляет от 10% до 80%. В других вариантах относительная влажность составляет от 30% до 60%. В другом варианте влажность составляет от 35% до 40%. В некоторых вариантах влажность воздуха, текущего через воздухопроницаемую подложку, составляет от 56% до 59%.
3
2
В соответствии с настоящим изобретением, гигроскопичная добавка может быть выбрана из группы, состоящей из бикарбоната натрия, бикарбоната калия, карбоната натрия, карбоната калия, карбоната магния, бикарбоната магния, гидроксида натрия, гидроксида калия, гидроксида магния, хлорида цинка, хлорида кальция, хлорида магния, фосфата натрия, фосфата калия, фосфата магния, карналлита (KMgCl·6(HO)), цитрата железа(III)-аммония, нейлона, сополимера акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), поликарбоната, целлюлозы, полиметилметакрилата и их комбинаций.
Согласно настоящему изобретению, гигроскопичная добавка может быть солью. В некоторых вариантах гигроскопичная добавка может быть бикарбонатом. В одном варианте гигроскопичная добавка является бикарбонатом натрия. В одном варианте гигроскопичная добавка является бикарбонатом калия. В одном варианте гигроскопичная добавка является бикарбонатом магния. В других вариантах гигроскопичная добавка может быть карбонатом. В одном варианте гигроскопичный карбонат является карбонатом натрия, карбонатом калия или карбонатом магния. В некоторых вариантах гигроскопичная добавка может быть гидроксидом. В некоторых вариантах гигроскопичная добавка может быть гидроксидом натрия, гидроксидом калия или гидроксидом магния. В некоторых вариантах гигроскопичная добавка может быть хлоридом. В некоторых вариантах гигроскопичная добавка может быть хлоридом цинка, хлоридом кальция или хлоридом магния. В других вариантах гигроскопичная добавка может быть фосфатом. В некоторых вариантах гигроскопичный фосфат может быть фосфатом натрия, фосфатом калия или фосфатом магния. Разумеется, можно комбинировать несколько гигроскопичных соединений.
Как правило, добавки могут предусматриваться на уровнях до примерно 5%. В некоторых вариантах количество добавки составляет 5% или меньше, хотя в некоторых вариантах можно использовать смеси добавок в полном количестве до 10%. В некоторых вариантах до 1,0% от полной массы катализатора может быть добавками вышеописанных типов. В некоторых вариантах полное количество добавок составляет до 0,05%. В других вариантах добавка включена на уровне от 0,005% до 0,05%. В некоторых вариантах добавка включена на уровне от 0,01% до 0,05%. В другом варианте добавка включена на уровне от 0,01% до 0,02%. В некоторых вариантах добавка включена на уровне менее 0,05% от полной массы катализатора.
Далее, настоящее описание предусматривает и включает в себя поверхность катализатора, имеющую pH 6,0 или выше. Не связывая себя теорией, можно полагать, что более высокий pH предоставляет улучшенный источник окисляемых гидроксильных ионов во время фотокатализа, тем самым повышая образование негидратированного очищенного газообразного пероксида водорода. В одном варианте pH поверхности катализатора больше 7,0. В другом варианте pH поверхности составляет от 7,0 до 9,0. В одном варианте pH поверхности катализатора составляет от 7,0 до 8,5. В одном варианте pH поверхности катализатора составляет от 7,0 до 8,0. В одном варианте pH поверхности катализатора составляет от 7,0 до 7,5. В другом варианте pH поверхности составляет от 7,5 до 9,0. В одном варианте pH поверхности катализатора составляет от 7,5 до 8,5. В одном варианте pH поверхности катализатора составляет от 7,5 до 8,0. В другом варианте pH поверхности составляет от 8,0 до 9,0. В одном варианте pH поверхности катализатора составляет от 8,0 до 8,5. В некоторых вариантах pH поверхности составляет по меньшей мере 7,5. В некоторых вариантах pH поверхности составляет по меньшей мере 8,0.
Катализаторы по настоящему изобретению, факультативно включающие сокатализаторы и добавки, могут быть получены способами, известными в уровне техники. Подходящие сокатализаторы и добавки включают нитрат серебра, оксид церия и оксид цинка. Добавки вводят, например, чтобы уменьшить размножение бактерий и предотвратить вызванную УФ деградацию катализатора и воздухопроницаемой подложки. Катализаторы, сокатализаторы и добавки по настоящему изобретению могут быть нанесены на сетку различными способами, в том числе, но без ограничений, золь-гель способами, промазыванием, погружением и порошковым покрытием. В других вариантах катализаторы, сокатализаторы и добавки по настоящему изобретению могут быть нанесены на сетку посредством валика, пленочным литьем, ультразвуковым напылением и нанесением покрытия в виде полотна. Как указано в настоящем описании, способ нанесения катализаторов, сокатализаторов и добавок считается подходящим, если он предусматривает и включает в себя сохранение сетки нижележащей воздухопроницаемой подложки, какая описана выше.
4
3
2
2
3
3
2
5
2
5
2
2
3
В одном варианте каталитическую смесь наносят на сетку, используя золь-гель способ, включающий применение соли спирта и металла в качестве каталитического материала. В некоторых вариантах соль металла представляет собой Ti(OR). Нанесение каталитической смеси с применением золь-гель способа может включать в себя, кроме того, использование органических и неорганических солей в спиртовом растворе, чтобы провести реакцию гидратации, получая в результате металлоорганические соединения в форме геля. Золь-гель способы могут, кроме того, предусматривать использование сокатализаторов, таких, как WO, SnO, FeO или ZnO. Гель-раствор можно наносить, погружая сетку в гель-раствор или промазывая раствором воздухопроницаемую подложку. Толщину каталитической смеси, наносимой на подложку, можно контролировать, регулируя скорость погружения или предусматривая одно или несколько покрытий. После сушки подложку с покрытием прогревают, а затем спекают при высоких температурах. В некоторых вариантах каталитическая смесь может включать также благородные металлы или переходные металлы. В некоторых вариантах каталитическая смесь может дополнительно включать такие благородные металлы, как Au, Pd, Pt или Ag, и некоторые переходные металлы, такие, как MoO, NbO, VO, CeO или CrO.
Настоящее описание предусматривает и включает в себя устройства, содержащие источник света, способный освещать воздухопроницаемую подложку, имеющую на своей поверхности катализатор. Не связывая себя теорией, можно полагать, что при освещении катализатор поглощает фотоны подходящей длины волны, и энергия передается электрону валентной зоны. Этот электрон валентной зоны уходит в зону проводимости, образуя электронную дырку, или дырку в валентной зоне. В отсутствие адсорбированных химических соединений электрон с повышенным квантовым числом будет затухать и рекомбинировать с дыркой в валентной зоне. Рекомбинация предотвращается, когда дырка в валентной зоне захватывает электрон из окисляемых соединений, предпочтительно молекулярной воды, адсорбированной на поверхностных активных центрах фотокатализатора. Параллельно этому, восстанавливаемые соединения, адсорбированные на поверхности катализатора, преимущественно молекулярный кислород, могут захватывать электрон зоны проводимости.
Источники света, подходящие для устройств по настоящему изобретению, включают источники, излучающие как в широком, так и в узком диапазоне спектра. В некоторых вариантах источник света может испускать свет в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. В других вариантах источник света может испускать свет в видимой области спектра. В других вариантах осуществления источник света может испускать свет как видимой, так и в ультрафиолетовой области спектра.
Источники света, подходящие согласно настоящему изобретению, включают в себя, без ограничений, лазеры, светоизлучающие диоды (LED), лампы накаливания, дуговые лампы, стандартные люминесцентные лампы, УФ-лампы и их комбинации. В некоторых вариантах источник света является светоизлучающим диодом.
Настоящее изобретение предусматривает и включает в себя освещение воздухопроницаемой подложки, покрытой каталитической смесью, с использованием света подходящей длины волны и интенсивности. Как указано выше, выбор подходящей длины волны освещения определяется катализатором и может быть изменен в присутствии одного или более сокатализаторов. В некоторых вариантах источник света дает ультрафиолетовое излучение. В одном варианте длина волны ультрафиолетового излучения составляет от 190 нм до 410 нм. В некоторых вариантах, когда источник света может излучать свет с длинами волн менее 190 нм, в устройстве можно предусмотреть также подходящий фильтр, чтобы блокировать свет на длинах волн 190 нм и ниже. Более конкретно, некоторые устройства по настоящему изобретению исключают свет с длинами волн 187 нм или ниже.
Специалист среднего уровня должен понимать, что образование озона привело бы к восстановлению газообразного PHPG до воды и кислорода:
3
2
2
2
2
O+HO Δ HO+2O
Соответственно, конструкции прежнего уровня, производящие озон, не совместимы со способами и устройствами по настоящему изобретению. Как отмечено выше, если избегать света с длинами волн ниже 190 нм для освещения катализаторов, содержащих диоксид титана, это значительно снизит или даже предотвратит образование озона и повысит скорости образования PHPG.
3
В некоторых вариантах устройство включает источник ультрафиолетового света, способный освещать каталитическую смесь, содержащую диоксид титана, светом с длинами волн от 190 нм до 410 нм, и может, кроме того, содержать фильтр для блокирования света с длинами волн 190 нм и меньше. В других вариантах устройство включает источник ультрафиолетового излучения, обеспечивающий освещение каталитической смеси, содержащей диоксид титана, и, кроме того, содержит сокатализатор, который расширяет полосу поглощения фотокатализа в область видимого спектра. В одном варианте каталитическая смесь может включать триоксид вольфрама, WO, который поглощает свет в видимой области спектра. В одном варианте источник света может испускать свет длиной волны от 190 нм до 460 нм.
В следующих вариантах источник света дает ультрафиолетовое излучение в диапазоне спектра от 190 нм до 460 нм, причем 70% мощности обеспечивается излучением в диапазоне от 340 нм до 380 нм. В одном варианте по меньшей мере 90% ультрафиолетового излучения испускается в диапазоне от 340 нм до 380 нм. В другом варианте 99% ультрафиолетового излучения испускается в диапазоне от 350 нм до 370 нм. В следующем варианте длина волны ультрафиолетового излучения лежит в диапазоне УФ-А (315-400 нм). В некоторых вариантах свет в УФ-А диапазоне имеет максимальную интенсивность на или вблизи 362 нм. В другом варианте ультрафиолетовое излучение имеет длину в диапазоне УФ-А и менее 1% мощности излучения в диапазоне УФ-В (280-315 нм). В следующем варианте ультрафиолетовое излучение имеет длину волны в УФ-диапазоне и менее 0,1% мощности излучения в УФ-В диапазоне. Еще в одном варианте ультрафиолетовое излучение имеет длину волны в диапазоне УФ-А и менее 0,05% мощности излучения в диапазоне УФ-В.
В соответствии с настоящим изобретением, источник света может иметь мощность от 0,1 Вт до 150 Вт. В других вариантах источник света может иметь мощность до 150 Вт. В другом варианте мощность может составлять по меньшей мере 0,1 Вт. В одном варианте источник света имеет мощность по меньшей мере 1 Вт. В следующем варианте мощность может быть больше, чем 2,5 Вт. В одном варианте мощность может составлять примерно 5 Вт. В одном варианте мощность может составлять 20 Вт. В некоторых вариантах мощность источника света может составлять до 100 Вт. В некоторых вариантах мощность составляет менее 100 Вт, чтобы минимизировать разложение образованного PHPG. В других вариантах мощность составляет от 1 Вт до 50 Вт. В некоторых вариантах мощность источника света составляет от 40 до 50 Вт.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Устройства по настоящему изобретению содержат источники света, обеспечивающие интенсивность, измеренную на поверхности воздухопроницаемой подложки, по меньшей мере 0,1 ватт на квадратный дюйм (Вт/дм) (0,016 Вт/см). В некоторых вариантах источник света имеет интенсивность до 150 Вт/дм (23,2 Вт/см). В других вариантах источник света испускает свет с интенсивностью от 0,1 Вт/дм до 10 Вт/дм (0,016-1,55 Вт/см). В одном варианте интенсивность света, освещающего воздухопроницаемую подложку, составляет примерно 5 Вт/дм (0,77 Вт/см). В некоторых вариантах мощность на поверхности подложки может составлять от 1 Вт/дм до 10 Вт/дм (0,16-1,55 Вт/см). В другом варианте интенсивность может составлять от 2 Вт/дм до 8 Вт/дм (0,31-1,24 Вт/см). В одном варианте интенсивность может составлять от 3 Вт/дм до 7 Вт/дм (0,46-1,08 Вт/см). В еще одном варианте мощность может составлять от 4 Вт/дм до 6 Вт/дм (0,62-0,93 Вт/см).
Устройства по настоящему изобретению отличаются от устройств, использующих фотокатализ для получения реакционноспособных соединений, предназначенных для фильтрации. Более точно, характеристики устройств по настоящему изобретению ухудшаются в присутствии таких загрязняющих веществ, как пыль, пыльца, бактерии, споры и частицы, которые могут окклюдировать открытые ячейки сетки воздухопроницаемой подложки. Аналогично, летучие органические соединения (VOC), которые могут реагировать с реакционноспособными соединениями, в том числе с пероксидом водорода, снижают образование PHPG и распределение PHPG в пространстве. В частности, так как VOC могут эффективно восстанавливаться в пространстве посредством PHPG, образуемого в устройствах по настоящему изобретению, предпочтительно минимизировать или полностью устранить введение VOC в само устройство. Соответственно, чтобы сохранить эффективность устройств и максимально повысить образование PHPG, устройства по настоящему изобретению могут включать один или более фильтров. Как следует отметить, выбор фильтров может определяться назначением и типом пространства, обрабатываемого с использованием PHPG. Например, в чистой комнате, в которой воздух уже обработан для удаления пыли, VOC и других загрязнителей, можно применять устройство, содержащее корпус, воздухораспределительный механизм, источник света и воздухопроницаемую подложку с катализатором на своей поверхности, без необходимости фильтра предварительной очистки. Напротив, устройство для использования в быту может потребовать пылевого фильтра и, кроме того, может потребовать угольного фильтра для поглощения VOC. В некоторых вариантах включение дополнительного фильтра обеспечивает увеличение срока службы воздухопроницаемых подложек, покрытых катализатором, и усиливает образование PHPG.
Фильтры, используемые для очистки воздуха безотносительно к образованию PHPG, зависят от качества воздуха в месте, где используется устройство. В системе HVAC с высоким качеством воздуха, достигаемым благодаря фильтрам системы HVAC, до прохождения воздуха через воздухопроницаемую подложку самого PHPG-устройства фильтры могут оказаться ненужными. Это же справедливо для автономных устройств, работающих в зонах, где качество воздуха высокое. Там, где они необходимы, фильтры обычно выбирают из фильтров, известных в данной области, способных достичь требуемой фильтрации при низком полном сопротивлении течению воздуха. Кроме того, фильтры выбирают из известных в данной области так, чтобы сам фильтр не вводил частиц или газов в воздушный поток. Подходящие фильтры, которые сочетают функции удаления частиц и газообразных загрязняющих веществ, в технике известны. Фильтры требуют регулярной замены, причем частота определяется нагрузкой на фильтр, обусловленной качеством воздуха: менее частая замена при высоком качестве или более частая замена при более низком качестве воздуха.
В большинстве приложений применимы три концепции фильтрации. В некоторых областях частицы или пыль могут загрязнять матрицу подложки и сам катализатор, так что можно использовать фильтр для улавливания твердых частиц, достаточный для нужд указанного места. В некоторых общих вариантах используется складчатый фильтр MERV 18 для высокого воздушного потока. В других приложениях может потребоваться фильтрация от летучих органических углеводородов, и это можно осуществить, используя несколько разных фильтров на активированном угле или фильтров, пропитанных углем, которые известны в данной области. В других областях применения может потребоваться удаление фильтрацией некоторых неорганических газов, таких, как оксиды азота. Для удаления оксидов азота обычно используют цеолитные фильтры. В некоторых вариантах PHPG устройство включает пропитанные цеолитные фильтры, способные удалять летучие органические углеводороды и оксиды азота м использованием единственного комбинированного материала и за одну стадию. В области техники известны подходящие фильтры, способные удалять частицы различных размеров, которые иначе забивали бы воздухопроницаемую подложку или загрязняли и инактивировали каталитическую поверхность.
В соответствии с настоящим изобретением, устройства могут, кроме того, содержать один или более фильтров, предназначенных для удаления загрязняющих веществ, выбранных из оксидов азота (NOx), оксидов серы (SOx), летучих органических соединений, пыли, бактерий, пыльцы, спор и частиц. В некоторых вариантах устройство включает один или более фильтров, выбранных из органического парового фильтра, фильтра для улавливания твердых частиц, высокоэффективного фильтра, гидрофобного фильтра, фильтра на активированном угле или их комбинации.
2
2
3
7
2
6
2
2
2
В некоторых вариантах фильтры предварительной очистки удаляют летучие органические соединения, NOx и SOx. В некоторых вариантах фильтры удаляют альдегиды, такие, как формальдегид или ацетальдегид. В других вариантах фильтры удаляют VOC, в том числе толуол, пропанол и бутен. В следующих вариантах фильтры предварительной очистки удаляют моноксид и оксид азота NO и NO (т.е. NOx). В других вариантах фильтры предварительной очистки удаляют серо- и кислородсодержащие соединения, известные как SOx. Соединения SOx, удаляемые фильтрами по настоящему изобретению, включают SO, SO, SO, SO, SO, SO или их комбинации. Фильтры предварительной очистки по настоящему изобретению могут применяться для удаления любой комбинации VOC, NOx и SOx.
В некоторых вариантах устройства включают фильтр, содержащий микропористый алюмосиликатный минерал. В одном варианте фильтр в устройстве по настоящему изобретению может быть цеолитным фильтром. В одном варианте цеолит может быть анальцимом, шабазитом, клиноптилолитом, гейландитом, натролитом, филлипситом или стильбитом. В некоторых вариантах цеолит может быть синтетическим цеолитом. В одном варианте устройство включает в себя цеолитный фильтр для удаления NOx, SOx или обоих. Подходящие фильтры в данной области техники известны.
В других вариантах устройства фильтр является фильтром для улавливания твердых частиц. В некоторых вариантах фильтр для улавливания твердых частиц представляет собой фильтр Ultra allergen компании 3M. Подходящим примером фильтра для улавливания твердых частиц являются минискладчатые фильтры Astro-cell от Air Filters, Inc. Специалист среднего уровня должен быть способен выбрать фильтры, которые обеспечивают подходящие уровни воздушного потока и сопротивление течению воздуха, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха через воздухопроницаемую подложку, как указано выше.
2
В следующих вариантах фильтры, подходящие для устройств по настоящему изобретению, включают углеродные фильтры, угольные фильтры или фильтры на активированном угле. В некоторых вариантах фильтр является углеродным фильтром GAC (гранулированный активированный уголь). В одном варианте GAC является фильтром, полученным из скорлупы кокосового ореха. В одном варианте фильтр является порошкообразным активированным углем (R1) (PAC). В другом варианте фильтр является фильтром на экструдированном активированном угле (EAC). В одном варианте фильтр может быть фильтром на зерненном активированном угле (BAC). В одном варианте фильтр может быть пропитанным углеродным фильтром. В некоторых вариантах пропитанный углеродный фильтр включают в устройство в целях удаления сероводорода (HS) и тиолов. Подходящие пропитанные углеродные фильтры в данной области известны.
Фильтрация воздуха в устройствах согласно настоящему изобретению обеспечивает воздушный поток через слой воздухопроницаемой подложки, имеющий низкий уровень загрязняющих веществ и ингибиторов фотокатализа.
Следует понимать, что некоторые признаки изобретения, которые для ясности были описаны в контексте отдельных вариантов осуществления, могут также предусматриваться в комбинации в единственном варианте осуществления. Наоборот, различные признаки изобретения, которые для краткости были описаны в контексте единственного варианта осуществления, также могут быть предусмотрены по отдельности или в любой подходящей субкомбинации или как подходящие для любого другого описанного варианта осуществления изобретения. Некоторые признаки, описанные в контексте различных вариантом осуществления, не следует считать существенными признаками этих вариантов осуществления, если только варианты осуществления не действенны без этих элементов.
Различные воплощения и варианты настоящего изобретения, описанные выше и заявленные в нижеследующей формуле изобретения, находят экспериментальное обоснование в следующих примерах. Следующие примеры приводятся в целях иллюстрации и не должны рассматриваться как ограничения.
Примеры
Пример 1
: Измерения PHPG, озона, VOC, температуры и влажности
Все данные по концентрации PHPG были получены с использованием продуктов фирмы Draeger. Во всех экспериментах использовали газоанализаторы Pac III, Polytron 7000 или газоизмерительные трубки Draeger, обычно в соответствии с инструкциями производителя. Polytron отображает на экране цифровые показания, когда воздух прокачивается через датчик с сеткой. Чаще всего трубки используют после обрезания на обоих концах и помещения в насос ACCURO™. В соответствии с инструкциями производителя, трубки прокачивают 100 раз и определяют уровень PHPG, наблюдая за изменением цвета в кристаллах. Газоанализатор PAC III оказался в целом менее эффективным при изменении очень низких уровней PHPG.
3
3
Измерения озона, VOC, температуры и влажности осуществляли с использованием стандартных устройств. Было обнаружено, что трубки Draeger, разработанные для детектирования концентраций пероксида водорода всего до 0,10 ppm после прокачки 2000 кубических сантиметров воздуха, обеспечивают точность показаний для более низких концентраций в пределах 0,005 ppm, когда калиброванным насосом прокачиваются более значительные объемы: например, трубка Draeger, которая указывает 0,10 ppm после прокачки 4000 см, измеряет концентрацию PHPG приблизительно 0,05 ppm, а трубка Draeger, которая указывает 0,10 ppm после прокачки 6000 см, измеряет концентрацию PHPG приблизительно 0,033 ppm.
Пример 2:
Воздухопроницаемые подложки для испытания устройств получения PHPG
2
3
2
Для испытаний использовали показанное на фигурах 2A и 2B устройство 20 для получения PHPG, содержащее корпус 205, воздухопроницаемую подложку 201, воздухораспределительный механизм 203 и источник света 203. Воздухопроницаемые подложки 201 готовили, покрывая полиэфирную сетку путем погружения в 10-35%-ную суспензию анатазной формы TiO в воде и сушки на воздухе. Чтобы предотвратить закупоривание открытых отверстий сетки, через воздухопроницаемую подложку продували воздух. Воздухораспределительный механизм устанавливали на самое высокое место подложки, и он обеспечивает воздушный поток примерно 115 кубических футов в минуту (3,26 м/мин). Влажность в помещении поддерживали на уровне примерно 55%. Устройство получения PHPG работало в течение 1 часа в закрытом помещении площадью 140 квадратных футов (13 м) с высотой потолка 8 футов (2,44 м), после чего определяли стационарный уровень PHPG. В отсутствие непрерывной работы устройства получения PHPG газ PHPG рассеивается и перестает детектироваться в пределах примерно 5 минут. Озон не был обнаружен ни в одном из опытов.
Пример 3:
Эффект изменения сетки на получение PHPG
2
Влияние изменения сетки на получение PHPG определяли, меняя покрытую TiO воздухопроницаемую подложку 201, как указано в таблице 4, и проводя испытания, как описано в примере 2.
Таблица 4.
Сравнение воздухопроницаемых подложек
Толщина нити (дюймы)
Размер отверстий(дюймы)
Нитей на дюйм
Толщина нити (мкм)
Размер отверстий(мкм)
Нитей на см
Открытая площадь %
PHPG (ppm)
0,0019
0,001
460
48
25
181
21
0,1
0,0024
0,002
280
61
51
110
30
0,4
0,0045
0,004
140
114
102
55
37
0,3
0,0051
0,006
109
130
152
43
45
0,3
0,006
0,008
80
152
203
31
41
0,6
0,013
0,012
50
330
305
20
37
n/d
0,016
0,032
24
406
813
9
58
n/d
n/d=не обнаружено
Пример 4
: Эффект угла падения на получение PHPG
Устройство по примеру 2 было модифицировано путем присоединения 10-дюймового алюминиевого адаптера в качестве направляющей насадки в верхней части устройства, которая позволяет поворачивать воздухопроницаемую подложку 201. Воздухопроницаемую подложку, содержащую нити диаметром 152 микрон и имеющую открытую площадь 41%, помещали в устройство. Начальный стационарный уровень PHPG, измеренный для случая воздушного потока, падающего под углом 90°, составил 0,7 ppm. Воздухопроницаемую подложку 201 поворачивают внутри направляющей насадки с инкрементом 2° и измеряют стационарный уровень PHPG до тех пор, пока Polytron не перестает обнаруживать пероксид водорода. Образование PHPG сохранялось на одном уровне в диапазоне углов от примерно 90° до примерно 68° (т.е. 22° от перпендикуляра). Начиная с примерно 68°, уровни PHPG постепенно снижались в диапазоне от 68° до примерно 14° приблизительно на 0,1 ppm каждые 10°. Когда угол падения воздушного потока был ниже 14°, образование PHPG обнаружено не было.
Само собой разумеется, что хотя изобретение было описано в связи с его частными вариантами осуществления, специалистам в данной области будут очевидными множество альтернатив, модификаций и вариантов. Соответственно подразумевается, что изобретение охватывает все такие альтернативы, модификации и варианты, которые попадают в пределы сущности и широкого объема прилагаемой формулы изобретения.
Все публикации, патенты и патентные заявки, упомянутые в данном описании, введены в описание ссылкой во всей их полноте в той же степени, как если бы для каждой отдельной публикации, патента или патентной заявки было конкретно и индивидуально указано, что они введены ссылкой. Кроме того, цитирование или идентификация любой ссылки в настоящей заявке не должны истолковываться как признание того, что такая ссылка доступна в качестве известного уровня техники для настоящего изобретения. В тех случаях, когда используются заголовки разделов, их не следует толковать как непременно ограничительные.