Устройство для очистки и стерилизации воздуха
AIR CLEANING AND STERILIZING DEVICE

Изобретение относится к области устройств для очистки воздуха от мелкодисперсных механических частиц, включая грибки, споры, бактерии и др. микроорганизмы, а от также вирусов и прионов, и его стерилизации. Подобные устройства используются как отдельные устройства, обеспечивающие очистку и дезинфекцию воздуха в отдельном помещении с высокой патогенной нагрузкой, так и как часть комплексных устройств обработки воздуха.
Из уровня техники, относящейся к области техники заявляемого решения, известны различные технические устройства, базирующиеся на различных физических или химических процессах очистки и стерилизации.
Наибольшее распространение и опыт использования имеют устройства, использующие для этого процессы и устройства, объединенные не совсем точным термином «кварцевание». В них для дезинфекции используется ультрафиолетовое (УФ) излучение. В зависимости от используемой длины волны процесс реализуется различными устройствами.
Излучение открытых кварцевых облучателей с длиной волны менее 200 нм разрушает бактерии и структуру молекул вирусов, как находящяхся в воздухе помещения, так и на поверхности предметов. Излучение в этом диапазоне ведет параллельно к образованию озона (03), являющегося мощным окислителем и довершающим разрушение биологических структур. Такие облучатели [Кварцевые лампы и облучатели, сайт «DEZAR PRO», [электронный ресурс], URL:https://dezar.pro/articles/quartz (дата доступа 04.06.2020)], широко используются в больницах, врачебных кабинетах, детских учреждениях и т.п. Недостатком таких устройств является резкое падение их эффективности по мере удаления от источника УФ-излучения, необходимость длительного воздействия для достижения эффекта дезинфекции, вредное влияние УФ-излучения на кожу и зрение человека. И, главное, негативное влияние озона на людей. Поэтому после достаточно длительной стерилизации необходимо проветривание помещения, замена насыщенного озоном воздуха на необработанный, что вообще снижает ее ценность.
Этот недостаток преодолен в УФ-устройствах, называемых рециркуляторами. В них источник УФ-излучения помещен в непрозрачный корпус, через который встроенный вентилятор прокачивает дезинфицируемый воздух [Марина Гесс, «Бег по кругу: рециркулятор воздуха», сайт «TION» [электронный ресурс], URL:https://tion.ru/blog/recirkulyator/ (дата доступа 04.06.2020)]. При этом в большинстве таких устройств используются УФ-лампы из специального стекла, вырезающие часть спектра излучения с длиной менее 250 нм. Это сводит к приемлемому уровню генерацию озона и вредного облучения людей в обслуживаемом помещении. Ввиду малого объема облучаемого пространства возрастает плотность потока излучения и, соответственно, его поражающая способность. Вместе с тем, длительность воздействия излучения на протекающий в рециркуляторе воздух мала, и требуется многократная его циркуляция для получения кумулятивного эффекта воздействия на биологические объекты в воздухе. Снижает эффективность устройств и понижение концентрации озона.
Отдельной группой УФ-устройств для дезинфекции воздуха являются каталитические окислители. В них используется длинноволновое УФ-излучение ок. 900 нм, которое относительно безопасно для биологических объектов, не генерирует озон, но активирует катализатор (TiO2), на котором происходит окисление атомарным кислородом всей биологии. Такие устройства также требуют рециркуляции, в противном случае размеры панелей катализатора становятся неприемлемо большими.
Однако общим недостатком этих групп устройств является отсутствие очистки воздуха как собственно от упомянутых биологических объектов с различной степенью их повреждения, так и от механических частиц и взвешенных капелек влаги. Последние являются основными носителями вирусов и бактерий и при этом способны экранировать их от облучения.
Высокий уровень очистки (отделения от воздуха) мелкодисперсных частиц демонстрируют устройства, использующие высоковольтные электростатические эффекты. Суть этих эффектов состоит в создании неоднородного электрического поля между двумя электродами, имеющими резко различающуюся по величине наружную поверхность. Напряженность электрического поля вблизи малого коронирующего электрода (иглы) очень высока. В зоне этого электрода образуется облако свободных носителей заряда. Эти заряды электризуют механические частицы, ионизируют компоненты воздуха, и они начинают двигаться силами поля ко второму электроду. По мере удаления от него напряженность поля падает, что препятствует дуговому разряду. На втором электроде происходит рекомбинация, заряженные частицы отдают заряд и частично осаждаются на этом электроде, называемом осадительным. При этом поток заряженных частиц в расположенной между электродами зоне очистки заставляет попутно двигаться и незаряженные частицы с образованием так называемого электронного ветра.
Диапазон размеров частиц, подверженных процессу электризации, весьма велик. В ионизаторах воздуха, например, в люстре Чижевского [Панов В.И., «Люстра Чижевского - прибор долголетия», с. 41-43, изд. дом «Питер», 2017 г.], электроны коронного разряда отдаются молекулам компонентов воздуха, в частности, кислороду. Эти молекулы имеют простое симметричное строение, и для их ионизации требуется более высокая напряженность поля. Чем более сложное строение имеет молекула, чем она крупнее, тем проще сообщить ее ионизировать, тем больший заряд она может принять. И тем большие силы будут действовать на нее в электрическом поле в зоне очистки, тем энергичнее она будет двигаться к осадительному электроду. Еще проще транспортировка крупных частиц (известен простой школьный опыт с «прыжками» кусочков бумаги к наэлектризованной расческе).
Технические устройства, построенные на этом принципе, выполняют, как правило, функцию электрофильтров крупных генераторов дымовых продуктов сгорания и т.п. Они используются в котельных, ТЭЦ, химических производствах для тонкой очистки отбросных газов от сажи и иных мелкодисперсных твердых или жидких, капельных продуктов [Полина Бурмага, «Как очищаются выбросы ТЭЦ», сайт СГК Online [электронный ресурс], URL: https://sibgenco.online/news/element/battery-cyclones-versus-electrostatic-precipitators/ (дата доступа 04.06.2020); «Электрофильтры типа УГТ», сайт «Атмосфера. Производство газоочистного оборудования» [электронный ресурс], URL: http://atmosfera-yar.ru/gas_equipment/electrofilters/elektrofiltry_tipa_ugt/, (дата доступа 04.06.2020)].
Особенности и технические решения таких фильтров касаются, в основном, технических решений по удержанию загрязнений, принесенных к осадительному электроду, и последующего их удаления [Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.X., Охотников М.В., Нусенкис А. А., Электростатический фильтр для очистки дымовых газов котельных малой и средней мощности, Вестник УГАТУ, 2017 г., Т. 21, №3 (77), с. 67-70].
Поиск таких оптимальных решений связан с принципиальными недостатками таких фильтров: после рекомбинации на осаждающем электроде частицы, потерявшие заряд, могут неконтролируемо уноситься потоком воздуха из фильтра, снижая его эффективность. Другая часть загрязнений, осевшая на осадительном электроде, нарушает его электропроводность, активную площадь, что зачастую требует разработки методов очистки электрода (например, техническое решение по иностранному патенту на изобретение № KR20130024589A, приоритет от 31.08.2011 г., правообладатель ZIHOM СО LTD.).
Несмотря на эти недостатки, возможности селективной транспортировки в электростатическом поле микрообъектов от простейших молекул компонентов воздуха (O2, CO2, N2, H2O) до относительно крупных механических частиц пыли открывает перспективы для построения на этом принципе стерилизаторов воздуха.
Вирусы и бактерии, построенные из тысяч молекул, лежат в промежутке между этими примерами и подбором напряженности поля могут быть транспортированы избирательно. При этом еще более крупные частицы пыли, капельной влаги, которые также являются носителями вирусов и бактерий, тем более будут вовлечены в процесс транспортировки.
Наиболее совершенное техническое решение по стерилизации воздуха от грибков, спор и иных патогенов изложено в патенте № W09856489A1 Ionisations filter zur reinigung von luft (заявка на российское изобретение №99125116) (приоритет 12.06.1998, заявитель ХЕЛЬТЕР Хайнц (DE)) «ИОНИЗАЦИОННЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА». Оно выбрано в качестве ближайшего аналога.
Данное техническое решение характеризуется тем, что представляет собой ионизационный фильтр для очистки воздуха, загрязненного частицами пыли и другими неорганическими или органическими вредными веществами, содержащий, по меньшей мере, один электрически заряженный коронирующий электрод для производства токопроводящих частиц и, по меньшей мере, один осадительный электрод для улавливания движущихся в электрическом поле между коронирующим и осадительным электродами частиц вредных веществ. Основной отличительной особенностью технического решения является размещение на пути потока осаждаемых частиц вредных веществ дополнительного слоя, обладающего денатурирующими свойствами. При этом под денатурирующим слоем понимается материал, который имеет свободную область массопереноса для микроорганизмов, который готовится таким образом, что контактирующие микроорганизмы погибают через короткое время.
Денатурирующий слой может быть выполнен сильно кислым или сильно щелочным. В качестве веществ с денатурирующим эффектом могут быть использованы соединения меди или другие известные токсичные материалы, которыми соответствующий слой был пропитан или из которых изготовлен. Изобретением предполагается, что обычные частицы пыли и микроорганизмы, проходя через денатурирующий слой, осаждаются на осадительном электроде ионизационного фильтра.
Дополнительно денатурирующие слои могут быть покрыты гигроскопичными веществами, которые связывают влагу из воздуха. Благодаря этому атмосферная влага не проникает в денатурирующий слой и не снижает сильно кислые и/или сильно щелочные свойства денатурирующего слоя. Также денатурирующий слой может быть пропитан активными веществами против образования эндотоксинов, поли- и/или моноклональными антителами.
Недостатками данного технического решения являются то, что денатурирующий слой в процессе работы устройства насыщается заряженными механическим частицами и микроорганизмами. Их рекомбинация происходит лишь после прохождения этого слоя и контакта с осаждающим электродом. Заряженные частицы создают в слое электрический заряд, одноименный с полярностью короны. Это уменьшает напряженность поля короны и ухудшает очистку.
Предложенные в патенте технические решения по улучшению электропроводности материала денатурирующего слоя путем включения в него соответствующих материалов, например электропроводящей проволочной сетки или путем армирования графитом, сложны и только усложняют удаление из этого слоя как механических частиц, потерявших заряд, так и продуктов разложения биологических объектов. Это в свою очередь ведет к ограничению длительности эффективной эксплуатации фильтра, ограничению его производительности, необходимости предварительной очистки воздуха и периодической замены денатурирующего слоя.
Таким образом, прототип не предлагает полноценно непрерывно работающий электрофильтр, так как не предусматривает решения по удержанию и удалению с осаждающего электрода отходов в виде пыли, отмерших микроорганизмов и других частиц. В связи с этим, прототип очевидно ограничен в способах реализации изложенного в нем решения.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно упрощение устройства, повышение его эффективности, увеличение времени эффективной эксплуатации и производительности, расширение возможной области применения.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве осадительный электрод выполнен в виде слоя электропроводной стерилизующей жидкости, а устройство дополнительно оснащено сосудом с запасом электропроводной стерилизующей жидкости и оборудованием для постоянного или периодического удаления загрязненной продуктами разложения биологических частиц и захваченными механическими частицами электропроводной стерилизующей жидкости из упомянутого слоя, ее очистки и дозированной подачи в упомянутый слой.
Для подвода напряжения к слою жидкости, образующему осадительный электрод, предусмотрен металлический токоподвод, причем поверхность токоподвода для формирования жидкого осадительного электрода выполнена гидрофильной или гигроскопичной.
Подача воздуха в зону очистки, расположенной между коронирующим и осадительным электродом, и его перемещение в данной зоне осуществляется за счет электронного ветра при движении заряженных частиц в зоне очистки и может быть интенсифицирована с помощью дополнительного рециркуляционного вентилятора.
Технический результат, достигаемый предлагаемым техническим решением, состоит в следующем.
Рекомбинация зарядов механических и биологических частиц, поступающих на жидкий осадительный электрод, происходит сразу при поступлении их в жидкость, непосредственно на поверхности без образования слоя, заряженного одноименно короне. Благодаря этому выход зарядов из коронирующего электрода не снижается и эффективность не падает.
Механические частицы и капельная влага, которые являются также носителями бактерий и вирусов, попадая на поверхность жидкого стерилизующего осадительного электрода, удерживаются в нем силами поверхностного натяжения. При этом биологические объекты на их поверхности разрушаются.
Продукты разрушения биологических объектов и пыль удаляются из зоны очистки вместе с электропроводной стерилизующей жидкостью, образующей осадительный электрод, и отфильтровываются. Вместо загрязненной электропроводной стерилизующей жидкости в зону очистки на подложку-токоподвод периодически или постоянно подается очищенная электропроводная стерилизующая жидкость. Это препятствует нарушению свойств осадительного электрода, увеличивает время эффективной работы устройства, позволяет повысить производительность устройства.
Придание токоподводу гидрофильных или гигроскопических свойств обеспечивает работоспособность устройства при различном пространственном положении жидкого осадительного электрода, что упрощает практическую реализацию устройства.
Технический результат заявляемого решения достигается тем, что устройство для очистки и стерилизации воздуха характеризуется наличием корпуса с каналом, имеющим входное и выходное отверстия для прохода воздуха и установленный внутри канала электрофильтр, включающий источник высокого напряжения, тонкий коронирующий электрод или электроды для передачи электрического заряда механическим и биологическим частицам и молекулам, в том числе бактериям и вирусам, и расположенный на некотором расстоянии осадительный электрод или электроды большой площади, на которых происходит рекомбинация притянутых заряженных механических и биологических частиц, отличающееся тем, что осадительный электрод представляет собой слой электропроводной стерилизующей жидкости, а устройство для очистки и стерилизации воздуха дополнительно оснащено сосудом с запасом электропроводной стерилизующей жидкости и оборудованием для постоянного или периодического удаления загрязненной продуктами разложения биологических частиц и захваченными механическими частицами электропроводной стерилизующей жидкости из упомянутого сосуда, ее очистки и дозированной подачи в упомянутый слой. Также в устройстве для очистки и стерилизации воздуха жидкий осадительный электрод может быть оснащен металлической подложкой-токоподводом, имеющей гидрофильное или гигроскопичное покрытие для удержания электропроводной стерилизующей жидкости. Также в устройстве для очистки и стерилизации воздуха оборудование для постоянного или периодического удаления загрязненной электропроводной стерилизующей жидкости, ее очистки и дозированной подачи может включать в себя последовательно соединенные трубопроводами фильтр для очистки стерилизующей электропроводной жидкости, насос и установленные в верхней части подложки-токоподвода коллекторы-распылители для подачи очищенной жидкости в слой электропроводной стерилизующей жидкости. Также в устройстве для очистки и стерилизации воздуха для прокачки воздуха через канал с электрофильтром в его входном или выходном отверстии может быть дополнительно установлен рециркуляционный вентилятор.
Предлагаемое устройство для очистки и стерилизации воздуха пояснено на рисунках на Фигуре 1 и Фигуре 2. На Фигуре 1 показана общая схема предлагаемого устройства, а на Фигуре 2 схематично показано устройство осадительного электрода.
Устройство для очистки и стерилизации воздуха размещено в корпусе 1, имеющем входное (не показано) и выходное 2 отверстия для прохода очищаемого воздуха. Пространство между входным и выходным (2) отверстиями образует канал, зону очистки воздуха. В нем последовательно установлены коронирующий электрод или электроды 4 и осадительный электрод или электроды 5. Осадительный электрод или электроды 5 представляет собой слой электропроводной стерилизующей жидкости. Указанные электроды 4 и 5 подключены к источнику высокого напряжения 3. В нижней части корпуса 1 размещен сосуд 6 с запасом стерилизующей электропроводной жидкости. Система трубопроводов 7 соединяет сосуд 6 с последовательно соединенными насосом 8 и фильтром 9, обеспечивающими очистку и циркуляцию стерилизующей электропроводной жидкости. Во входном или выходном отверстии 2 дополнительно может быть установлен вентилятор (на схеме не показан) для прокачки очищаемого воздуха через канал.
Устройство осаждающего электрода 5 укрупненно приведено на Фигуре 2. В верхней части каждого электрода расположен коллектор-распылитель 11 с отверстиями или щелью 12, обеспечивающей ламинарный проход стерилизующей электропроводной жидкости. Слой стекающей по подложке-токоподводу 13 жидкости 10 образует собственно осаждающий электрод 5. Поверхность токоподвода 13 имеет гидрофильное или гигроскопическое покрытие 14 для гарантированного контакта с жидкостью и отсутствия сухих зон.
Устройство работает следующим образом. Механические частицы, включая патогены, а также частично молекулы компонентов получают электрический заряд в зоне коронирующего электрода 4 и двигаются в электрическом поле к расположенному далее по ходу осадительному электроду 5. Это движение вынуждает движение остальной массы воздуха вдоль канала и поступление его новой порции в зону коронного разряда. Заряженные механические частицы и молекулы вступают в контакт с жидким осадительным электродом 5, то есть по сути дела со слоем стерилизующей электропроводной жидкости 10, отдают ей свой заряд, но не в состоянии покинуть ее благодаря силам поверхностного натяжения жидкости. Как свободные патогены, так и патогены, находившиеся на поверхностях механических частиц, уничтожаются. При этом благодаря электропроводности жидкости на поверхности осадительного электрода 5 не создается слой заряженных частиц, препятствующих коронированию. Жидкость 10 осадительного электрода 5 стекает в сосуд 6, унося продукты разложения патогенов и захваченные механические частицы. Поверхность жидкости в сосуде 6 может также служить одним из или даже единственным осаждающим электродом 5.
Стерилизующая электропроводная жидкость из сосуда 6 с помощью постоянно или периодически работающего насоса 8 прокачивается через фильтр 9, подается в коллекторы - распылители 11 и через отверстия 12 подается на подложку 13 для образования обновленного очищенного жидкостного слоя осаждающего электрода 5.
Установка дополнительного вентилятора во входное или выходное отверстие 2 корпуса 1 дополняет электронный ветер, создаваемый коронным разрядом, уносит заряженные частицы из короны, чем увеличивает ток разряда и производительность установки.
Новизна и изобретательский уровень предлагаемого изобретения состоит в том, что в устройстве для очистки и стерилизации воздуха, в отличие от аналогов, его осадительный электрод выполнен в виде слоя электропроводной стерилизующей жидкости и одновременно объединяет в себе функции электростатической фильтрации загрязнений из воздуха, химической стерилизации биологических объектов и их удаления из зоны очистки устройства. Предложенное техническое решение представляет собой полноценное устройство, осуществляющее эффективную и непрерывную очистку воздуха с помощью электрофильтра от механических частиц (пыли, частиц вредных веществ) и одновременно его эффективную химическую жидкостную стерилизацию от патогенов (грибков, спор, бактерий, вирусов, прионов и др. микроорганизмов), а также расширяет арсенал устройств и способов очистки, дезинфекции и стерилизации воздуха с использованием электростатического эффекта. Предлагаемое техническое решение реализуемо и как отдельное устройство для очистки и стерилизации воздуха в квартире, больничной палате, врачебном кабинете, так и как часть промышленной системы очистки воздуха для общественных зданий и т.п.
Предложенное устройство для очистки и стерилизации воздуха в настоящее время готовится к промышленному производству.