ФОТОКАТАЛИЗАТОР

Полезная модель относится к области очистки воды или воздуха от органических загрязнений и болезнетворных бактерий при помощи фотокаталитической реакции деструкции, т.е. реакции, происходящей под действием ультрафиолетового света в присутствии наноразмерного катализатора, преимущественно диоксида титана.
Известен фотокаталитический элемент - фотокаталитический модуль для очистки воды, содержащий технологически связанные между собой пористый фотокаталитический реактор, выполненный из кварца, стекла, керамики или стеклокерамики, на поверхность которого нанесен нанокристаллический диоксид титана (RU 2394772 C2, МПК C02F 1/32, C02F 1/72, заявл. 05.05.2008, опубл. 20.07.2010). Элемент содержит также источник ультрафиолетового излучения, а поры поверхности реактора представляют собой многосвязанные регулярные каналы с эффективным диаметром от 0.05 до 1,5 мм. Известный элемент (катализатор) представляет собой порошковый материал диоксида титана в наноразмерной форме. В условиях облучения катализатора и обрабатываемой среды (воды, воздуха) от источника УФ-света с длиной волны 330-400 нм происходит разрушение (деструкция) молекул органики и бактерий до минеральных составляющих воды и углекислого газа. Технический результат такого элемента - улучшение эксплуатационных характеристик, к которым относится повышение эффективности удаления биоцидных и органических примесей. Кроме того, использование элемента позволяет упростить конструкцию, повысить производительность и степень очистки воды.
Однако при использовании нанопорошка двуокиси титана в чистом виде возникают серьезные трудности, связанные с извлечением катализатора из воды фильтрацией, осаждением либо другими методами из наноразмерной формы порошка, что сдерживает его использование на практике.
Поэтому разработаны так называемые гетерогенные катализаторы, представляющие собой фотокаталитический элемент, содержащий пористый носитель размером 1-5 мм на поверхность которого нанесен порошок диоксида титана (RU №2151632 C1, МПК B01D 53/86, B01J 21/06, заявл. 20.10.1998, опубл. 27.06.2000). Этот фотокаталитический элемент требует при использовании специального реактора позволяющего контактировать обрабатываемой среде (воде) с катализатором в условиях УФ-облучения. Поскольку процесс фотокаталитической деструкции идет достаточно медленно и вода подается через реактор также медленно, на практике требуются значительные размеры реактора, что является неоправданным.
3
Известен фотокаталитический элемент, содержащий полую микросферу, выделенную из золы электростанций, работающих на каменном угле. Такие микросферы представляют собой застывший расплав алюмосиликатного материала с плотностью частицы 0,7 г/см и с внутренним пространством. На наружную поверхность микросферы нанесен нанослой диоксида титана либо другого катализатора. Данный фотокаталитический элемент не требует специального сложного реактора, т.к. плотность элемента меньше плотности воды и он плавает на поверхности воды и в условиях солнечного света (часть УФ-излучения) происходит деструкция органических загрязнений и болезнетворных бактерий (US 5256616 (A), МПК B01J B01J5/00, заявл. 14.12.1990, опубл. 26.10.1993). Такие фотокаталитические элементы, собранные в группу, образуют фотокатализатор и на практике используются в США и Корее для очистки водоемов от разливов нефти. Данный элемент является дорогостоящим и предполагает многоразовое (до 50 раз) использование, т.е. периодический сбор плавающего элемента механическими средствами и последующее использование.
2
Известен фотокатализатор, используемый для фотокаталитической дезактивации роста водорослей в воде, содержащий полые шарики из жаростойкого стекла (марки пирекс), покрытые TiO.(Korean J. Chem.Eng. (Vol.18, No.6).
3
Поскольку микросферы, образующие фотокатализатор, имеют маленький размер и при плотности 0,7 г/см они, плавая на поверхности воды, большей частью своего объема погружены в воду и при наличии ветра или течения они у жесткого препятствия (берег водоема или борт плавающего бона) уплотняются до толстого слоя толщиной в несколько сантиметров, при этом часть катализатора находится в воде, а часть сверху, то есть фактически на воздухе, что резко снижает фотокаталитическую активность из-за ограниченного проникновения ультрафиолетовых (УФ) лучей в толстый слой катализатора.
Техническая задача предлагаемого решения состоит в создании фотокатализатора с повышенной каталитической активностью на поверхности воды за счет его расположения на поверхности в один слой без наслоения.
Поставленная техническая задача решается тем, что фотокатализатор, содержащий полые микросферы, на поверхности которых нанесен наноразмерный слой фотокаталитического материала, преимущественно оксидов металлов 2, 3, 4 групп периодической системы Д.И.Менделеева, согласно полезной модели, микросферы с фотокаталитическим материалом жестко закреплены на наружной поверхности полого шарика, диаметр которого в 50-150 раз превышает средний диаметр навески микросфер.
Предлагаемый фотокатализатор, состоящий из полой сферы размером от 5 до 20 мм и прикрепленных к его наружной выпуклой поверхности микросфер (размер 10-500 микрон) с фотокаталитическим материалом плавают на поверхности воды одним слоем, не нагромождаясь друг на друга, что увеличивает площадь облучения УФ светом и увеличивает фотокаталитическую активность. Фотокаталитическая активность увеличивается также за счет того, что микросферы с фотокаталитическим материалом расположены на выпуклой поверхности полого шара, то есть площадь поверхности больше, чем площадь плоской поверхности.
Кроме того, повышается долговечность фотокатализатора, так как при разрушении полой сферы (носителя) его оболочка (стенка) останется на плаву потому, что на ней жестко закреплены полые микросферы, которые являются плавучим материалом и не позволяют утонуть оболочке, то есть фотокатализатор продолжает работать.
Сущность полезной модели поясняется чертежом где на: на фиг.1 -изображен фотокатализатор в разрезе; на фиг.2 дана схема использования предлагаемого катализатора.
Предлагаемый фотокатализатор состоит из полых микросфер 1, на поверхности которых нанесен наноразмерный слой 2 фотокаталитического материала, в качестве которого использован, преимущественно, диоксид титана в кристаллической, анатазной форме. Микросферы с фотокаталитическим материалом жестко закреплены на наружной поверхности полого шарика 3, диаметр которого в 50-150 раз превышает средний диаметр навески микросфер.
2
В качестве фотокаталитического материала может быть использован и другой фотокаталитический материал, например, оксиды металлов (2, 3, 4 групп периодической системы Д.И.Менделеева), например оксиды титана, цинка, железа. Полые микросферы могут быть выполнены алюмосиликатными - т.е представляют легкую фракцию золы-унос угольных электростанций. Могут быть использованы и другие типы микросфер, например стеклянные или полимерные. Алюмосиликатные микросферы имеют следующие параметры: химсостав- SiO2 - 55-60%, Al2O3 - 30-40%, Fe2O3 - 2-6% и др., плотность частицы 0,6 г/см, размер частиц 10-500 микрон, средний размер частиц (микросфер), определенный по навеске массой в 3 грамма составляет 110-140 микрон. Нанесение нанослоя фотокатализатора на поверхность микросфер может быть осуществлено гель-золь методом и широко известно (Шелимов Б.Н. Фотохимические процессы па поверхности нанесенных оксидных систем / Б.Н.Шелимов, В.Б.Казанский - Новосибирск, Наука, 1991, с.109-137).
Микросферы 1 жестко закреплены на наружной поверхности полого шарика 3, который произведен из отходов бутылочного стекла по технологии фирмы «Poraver» (Германия). Микросферы закреплены при помощи адгезивного слоя 4, в качестве которого может быть использован тритоксисилан (Attachment of TiO2 Powdwes to Hollow Glass Microbeads, N.B.Jackson J.Electrochem. Soc, Vol.138, No 12, December 1991).
Диаметр полого шарика 3 в 50-150 раз больше среднего диаметра микросфер в навеске. Так для алюмосиликатных микросфер имеющих средний диаметр в навеске равный 120 микрон, диаметр шарика 3 должен лежать в диапазоне 6000-18000 микрон или 6-18 мм. Это соотношение обусловлено существующими технологиями изготовления полых микросфер и полых шариков и при таком соотношении полые шарики располагаются в воде практически в один слой.
При работе фотокатализатора его загружают на поверхность водоема, ограниченную по площади плавающими бонами 5 (фиг.2). Фотокатализатор располагается на поверхности воды в один слой, который полностью находится под действием солнечного света (с ультрафиолетовой частью спектра) и в присутствии диоксида титана и кислорода, происходит деструкция органических загрязнений и бактерий, находящихся в воде. По истечении некоторого времени, например несколько суток, плавающий катализатор собирается с поверхности воды 6, например насосом с фильтром, боны 5 перемещают в водоеме на другую позицию, снова загружают фотокатализатор и процесс повторяется.
Заявителем проведены сравнительные испытания предлагаемого фотокатализатора и фотокатализатора, выбранного в качестве прототипа. При испытании использованы микросферы, выделенные из золы-унос Троицкой ГРЭС, покрытые нанослоем диоксида титана золь-гель методом. Указанные микросферы жестко закреплены на поверхности полых шариков при помощи смолы-тритоксилан. В качестве индикатора присутствия органических загрязнений использовали метиленовый голубой (МГ), фотокатализатор, предлагаемый и известный, в количестве 200 мл помещали на поверхность воды в квадрат плавающих бонов размером 40 см×40 см, скорость ветра на поверхности водоема 4 м/сек, обработку воды проводили в дневное время под действием солнечного света. Результаты испытаний сведены в таблицу:
Содержание МГ, мг/л
Площадь, занимаемая катализатором на пов-ти воды, см<sup>2</sup>
предлагаемый
известный
предлагаемый
известный
Исходные параметры,
10
10
1600
1600
без ветра
через два часа,
ветер 4 м/сек
5.1
6,9
640
80
через четыре часа,
ветер 4 м/сек
0,9
2,5
640
80
после десятикратного
применения, два часа
ветер 3 м/сек
5,3
7,1
780
90
Как видно из таблицы предлагаемый фотокатализатор более эффективен по фотокаталитической активности при обработке поверхностной воды в первую очередь за счет того, что занимает на воде большую площадь (при одинаковом объеме катализаторов), в один слой без наслоения.