ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к области очистки воды и воздуха от органических загрязнений и болезнетворных бактерий при помощи фотокаталитической реакции деструкции, т.е. реакции, происходящей под действием ультрафиолетового света в присутствии наноразмерного катализатора, преимущественно диоксида титана.
Известен фотокаталитический элемент - 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 С2, 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, представляюшие собой фотокаталитический элемент, содержащий пористый носитель размером 1-5 мм на поверхность которого нанесен порошок диоксида титана (RU №2151632 С1, 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.
З
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому элементу является фотокаталитческий 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 (А), МПК B01J B01J5/00, заявл. 14.12.1990, опубл. 26.10.1993). Такой фотокаталитический элемент на практике используется в США и Корее для очистки водоемов от разливов нефти. Данный фотокаталитический элемент является дорогостоящим и предполагает многоразовое (до 50 раз) использование, т.е. периодический сбор плавающего фотокаталитического элемента механическими средствами и последующее использование.
Поскольку толщина стенка микросферы составляет 5-10 микрон и часто содержит дефекты в виде трещин и пор, прочность ее весьма ограничена (10-15 Мпа на гидростатическое сжатие) и при сборе элемента с поверхности воды механическими средствами часть микросфер разрушается, вследствие чего теряется герметичность внутреннего пространства и «плавучесть» микросферы, то есть происходят значительные потери фотокаталитического элемента. Кроме этого поверхность микросферы состоит из кристаллов муллита, химически очень стойкого соединения, что затрудняет активацию поверхности микросферы при нанесении на нее нанослоя диоксида титана.
Решаемая полезной моделью техническая задача состоит в создании фотокаталитического элемента на основе микросфер, обладающего повышенной прочностью и герметичностью внутреннего пространства и не теряющего плавучести, т.е. позволяющего его многократное использование.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном фотокаталитическом элементе, содержащем полую микросферу из алюмосиликатного материала и нанесенную на нее наноразмерный слой катализатора, преимущественно диоксида титана, согласно полезной модели, между внешней поверхностью микросферы и слоем катализатора распложен слой неорганического полимера.
Наличие дополнительного слоя из неорганического полимера позволяет повысить герметизацию внутренней полости микросферы за счет герметизации дефектов и создать химически активную поверхность для нанесения слоя диоксида титана, например гель-золь методом.
Сущность полезной модели поясняется чертежом где на: на фиг.1 -изображен фотокаталитический элемент в разрезе; на фиг.2 дана схема использования предлагаемого катализатора; на фиг.3а, б - фотографии микросфер с электронного микроскопа: За - микросфера без слоя неорганического полимера, 3б - микросфера с нанесенным слоем неорганического полимера.
3
Предлагаемый фотокаталитический элемент состоит из полой микросферы 1 с внутренним пространством 2. Микросфера выполнена из алюмосиликатного материала (содержание SiO2-55-60%, А12O3 - 30-40%), размер частиц 10-500 микрон, средняя плотность (с нанесенным катализатором - 0,8 г/см). На внешнюю поверхность микросферы нанесен слой 3 неорганического полимера, например силиката натрия (жидкое стекло), толщиной 1-2 микрона, на котором расположен наноразмерный слой катализатора 4. (толщиной 20-80 нанометров), т.е. слой 3 из неорганического полимера расположен между поверхностью микросферы и слоем катализатора. В качестве катализатора использован, преимущественно, диоксид титана, но могут быть использованы и другие катализаторы: окись цинка, окись железа и т.д. Нанесение нанослоя фотокатализатора осуществляется гель-золь методом и широко известно (например, CN 1018626657 (А), МПК B01J 23/76, опубл. 26.10.2010, Способ получения плавающего фотокатализатора на основе двуокиси титана и ценосфер; статья «Изучение фотокаталитического окисления двуокиси азота с использованием микрошариков с двуокисью титана, Shifu Chen. Desalination 194 (2006)127-134).
Поскольку фотокатализатор нанесен не на поверхность микросферы, а на слой неорганического полимера, происходит герметизация пористой стенки микросферы, что улучшает прочность и плавучесть элемента, кроме того достигается активация наружной поверхности, что упрощает технологию нанесения последующего слоя фотокатализатора.
При работе фотокаталитического элемента его загружают на поверхность водоема, ограниченную по площади плавающими бонами 5. Под действием солнечного света (с ультрафиолетовой частью спектра) в присутствии диоксида титана происходит деструкция органических загрязнений и бактерий, находящихся в воде. По истечении некоторого времени, например, несколько суток, плавающий каталитический элемент 6 собирается с поверхности воды, например насосом с фильтром, боны 5 перемещаются в водоеме на другую позицию, снова загружается фотокаталитический элемент и процесс повторяется.
Заявителем проведены сравнительные испытания предлагаемого каталитического элемента и элемента выбранного в качестве прототипа (без промежуточного слоя неорганического полимера). При испытаниях использованы микросферы, выделенные из золы-унос Троицкой ГРЭС Челябинской области.
В качестве неорганического полимера использовались алюмофосфаты, алюмоборфосфаты, силикаты и т.п. Испытания подтвердили, что эффект обеспечивается при любом неорганическом полимере.
В качестве индикатора присутствия органических загрязнений использовали метиленовый голубой (МГ), обработку воды проводили в дневное время под действием солнечного света. Результаты испытаний сведены в таблицу.
Содержание МГ, мг/л
Содержание элемента, г/л
предлагаемый
известный
предлагаемый
известный
Исходные параметры
10
10
0,5
0,5
Через два часа
6,0
6,0
0.5
0,5
Через четыре часа
1,5
1,6
0,5
0,45
После десятикратного применения, через два часа
6,3
6,9
0,48
0,32
Как видно из таблицы предлагаемый элемент по сравнению с известным не требует периодического пополнения, так как минимальны потери элемента при эксплуатации. Для проведения фотокаталитической очистки при стоимости предлагаемого фотокаталитического элемента 3000 долларов США за тонну можно от его использования получить значительную экономию в процессах водоочистки.