СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕГЕНЕРИРУЕМОГО ПОГЛОТИТЕЛЯ CO2
2
METHOD AND DEVICE FOR AIR PURIFICATION USING A REGENERATED CO ABSORBER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
2
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для очистки воздуха и поддержания стандартных уровней концентрации диоксида углерода (CO) в воздухе для дыхания в зданиях и помещениях различного типа, транспортных средствах, герметичных обитаемых объектах, ограниченных пространствах разного рода.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно, что при дыхании человек потребляет кислород из воздуха и заменяет кислород диоксидом углерода или углекислым газом со скоростью около 5 мл/с. Увеличение содержания углекислого газа в воздухе для дыхания сверх допустимой концентрации вызывает у людей, находящихся в помещении, чувство усталости и может быть опасно для здоровья. Особенно быстрый рост концентрации вредных для жизнедеятельности человека примесей происходит в атмосфере гермообъектов, таких как подводные лодки, космические станции и др. Обычно углекислый газ, образующийся при дыхании, удаляется при помощи вентиляции путем удаления воздуха, содержащего углекислый газ, и подачи свежего кислородсодержащего воздуха для его замены. Вместе с тем, значительная часть вредных веществ может поступать в помещение вместе с приточным воздухом, если состояние наружной атмосферы не соответствует экологическим нормам, а приточная система не оборудована средствами очистки воздуха.
Кроме этого, воздух в помещении также часто содержит болезнетворные бактерии, вирусы, споры, а также механические загрязнители, к которым относятся пыль, аэрозоли, дым, в частности, табачный, пыльца растений и аллергены, которые также следует удалять из воздуха в помещении с помощью вентиляции или иным способом.
2
Из патента РФ 2352382, опубл. 20.04.2009, известен способ очистки воздуха, включающий фильтрацию дисперсных частиц и стерилизацию воздуха от микроорганизмов и бактерий, а также последовательное предварительное удаление молекулярных примесей в зоне коронного разряда и их разложение на фотокатализаторе. Фотокаталитическая очистка воздуха состоит в разложении и окислении токсичных воздушных примесей под воздействием ультрафиолетового излучения, при этом размер разлагаемых частиц, достигающий 0,001 мкм, сопоставим с размерами молекул. Принцип уничтожения разных загрязнителей этой методикой заключается в окислении веществ и их разложении на CO и воду. В указанном методе заключительную очистку осуществляют в порах активированного угля и диоксида титана с их непрерывной реактивацией от адсорбированных молекулярных примесей и органических дисперсных частиц.
Способ позволяет осуществлять высокоэффективную фильтрацию дисперсных частиц и стерилизация воздуха от микроорганизмов и бактерий, при этом содержание озона и примесей окислов азота в очищенном воздухе не превышает ПДК за счет их адсорбции угольным адсорбентом.
2
Однако способ не позволяет производить высокоэффективную очистку воздуха от неорганических токсичных газов, в частности, в невозможности избирательно поглощать из воздуха продукты разложения бактерий и СО при его избытке.
Следует отметить, что в качестве источников вышеупомянутого ультрафиолетового излучения в последнее время находят применение эксиплексные лампы, кпак это известно, например из публикации Э.А. Соснин, О.C. Жданова, “Вирулицидные и бактерицидные эксиплексные лампы барьерного разряда”, Квантовая электроника, 50:10 (2020), 984-988.
2
В закрытых помещениях с людьми, таких как спасательные камеры, водолазные устройства или подводные лодки, исторически использовались две химические технологии для очистки воздуха от СО: с использованием гидроксида лития и натровой извести, как это известно, например, из патента РФ 2444387, опубл. 10.03.2012. Обе эти технологии имеют как достоинства, так и недостатки.
Из патента US9399192, опубл. 26.07.2016, известен способ высокоэффективного удаления диоксида углерода из выхлопных газов, включающий этап абсорбции диоксида углерода жидким поглотителем диоксида углерода, и этап выделения диоксида углерода путем нагревания поглотителя. В варианте реализации способа поглотитель диоксида углерода содержит аминовое соединение, в частности, диэтаноламин в количестве от 20,0% по массе до 70,0% по массе в амине и воду.
Недостатком является использование жидкого сорбента, что затрудняет его использование для очистки воздуха в помещениях.
2
Другая технология для очистки воздуха от СО, известная, например, из патента US 7601189, опубл. 13.10.2009, основана на использовании сухих регенерируемых твердых адсорбентов с иммобилизованным амином. Эти адсорбенты состоят из аминов (первичных, вторичных, третичных или их комбинации), нанесенных на пористую основу из порошкообразного материала.
2
Метод позволяет повысить качество воздуха в помещении либо снизить требуемый уровень вентиляции без снижения качества воздуха в помещении, поскольку стоимость энергоснабжения более низка по сравнению с влажной очисткой, использующей жидкие амины. Таким образом, твердые сорбенты на основе амина обладают способностью улучшать общую энергетику улавливания CO.
Вместе с тем, порошкообразные адсорбенты все еще имеют достаточно высокое аэродинамическое сопротивление и достаточно высокие энергетические затраты при их использовании для очистки воздуха.
Частично этого недостатка лишено использование известного из патента US5462908, опубл. 31.10.1995, поглотителя, представляющий собой композицию из активированного угля и пропитывающего его органического амина, в частности, диэтиламина.
2
Указанный фильтр предназначен для высокоэффективной очистки дыхательных газов от токсичных соединений типа перфторуглеродов. В то же время, авторами настоящего изобретения показана высокая эффективность использования подобных абсорберов для поддержания стандартных уровней концентрации CO в воздухе для дыхания.
Таким образом, существующие системы очистки воздуха для дыхания обладают как достоинствами, так и недостатками, что обусловливает необходимость их дальнейшего совершенствования.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей и техническим результатом изобретения является расширение арсенала средств очистки воздуха, позволяющих повысить эффективность и качество очистки воздуха для дыхания в замкнутых помещениях с недостаточной вентиляцией.
2
2
2
Сущность изобретения состоит очистке и поддержании в замкнутых пространствах стандартных уровней концентрации CO в воздухе для дыхания за счет его продува через регенерируемый поглотитель диоксида углерода. Поглотитель выполнен в виде гранул активированного угля, импрегнированных водным раствором аминоспирта. Благодаря использованию гранулированного поглотителя и конструктивным особенностям устройства продув осуществляют, по существу, равномерно по объему поглотителя диоксида кислорода при пониженных энергетических затратах. В соответствии с изобретением, в поглотитель CO направляют воздух, предварительно обеззараженный ультрафиолетовым (УФ) облучением. Обеззараженный воздух, поступающий в поглотитель, содержит продукты разложения бактерий и вирусов в виде COи воды, а также остаточные патогены, которые задерживаются поглотителем. От них поглотитель очищают в процессе регенерации.
С целью дальнейшего повышения качества очищенного и обеззараженного воздуха его ионизируют и обогащают на выходе из поглотителя диоксида кислорода комплексом микроэлементов, входящих в состав морской или горной соли.
2
Регенерацию и обеззараживание поглотителя диоксида углерода осуществляют его нагревом до температуры не менее 65°С потоком горячего воздуха. Нагретый воздух с избытком СО выводят в вытяжную вентиляцию, либо с помощью компрессора закачивают в газовый баллон.
2
В предпочтительных вариантах реализации изобретения циклы очистки воздуха и регенерации поглотителя осуществляют в режиме обратной связи, которую реализуют на сравнении измеряемых концентраций СО на входе и выходе поглотителя.
В вариантах реализации изобретения перед продувом поглотителя воздух предварительно очищают фильтрами, относящимися к группе: механические, каталитические, электростатические.
Вышеупомянутые и другие цели, преимущества и особенности настоящего изобретения станут более очевидными из следующего неограничивающего описания вариантов его осуществления, приведенных в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - схема устройства для очистки воздуха в режиме очистки,
Фиг. 2 - схема устройства для очистки воздуха в поперечном разрезе.
Фиг. 3 - схема устройства для очистки воздуха в режиме регенерации.
На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые ссылочные номера.
Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративные материалы частных случаев его реализации.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
2
В варианте реализации настоящего изобретения, схематично представленном в разрезе на Фиг. 1, устройство для очистки воздуха и поддержания в заданном диапазоне концентрации СО в воздухе ограниченного пространства 1 содержит: корпус 2 с входным отверстием 3 и выходным отверстием 4, расположенные в корпусе поглотитель диоксида углерода 5 и средство, например, компрессор или вентилятор 6 для продува воздуха через поглотитель.
Поглотитель диоксида углерода 5 выполнен гранулированным, что обусловливает снижение энергетических затрат на его продув и на функционирование устройства в целом.
2
Поглотитель диоксида углерода 5 предпочтительно выполнен в виде гранул активированного угля, импрегнированного водным раствором амина, а именно диэтиламина. Наряду с высокоэффективным поглощением CO, такой поглотитель обеспечивает комплексную очистку воздуха от пыли, пыльцы, аллергенов, дыма и запахов.
В состав устройства также входит нагреватель 7, применяемый для регенерации поглотителя 5, и УФ безозоновый облучатель 8 с длиной волны 240-260 нм для обеззараживания воздуха, содержащий одну или более УФ-ламп.
Для повышения качества очистки и обеззараживания воздуха УФ-облучатель 8 установлен вверх по потоку от поглотителя диоксида кислорода так, чтобы продукты разложения болезнетворных бактерий, вирусов и спор, а также остаточные количества патогенов направлялись в поглотитель диоксида углерода для их абсорбции.
2
При выполнении устройства в предложенном виде достигаются высокоэффективные обеззараживание, фильтрация и очистка воздуха от избытка СО, что обеспечивает высокое качество очистки воздуха.
В предпочтительных вариантах реализации изобретения, вниз по потоку от поглотителя диоксида углерода 5 размещена, например, в сетчатом контейнере, крымская или гималайская соль 9, предназначенная для генерации целебных микроэлементов в потоке очищенного воздуха. Это придает синергетический эффект достигаемому качеству очистки воздуха, наделяя его не только чистотой и обеззараживанием, но и целебными свойствами.
На выходе из поглотителя диоксида углерода могут быть установлены дополнительные УФ безозоновые облучатели.
Для высокоэффективного функционирования устройства поглотитель диоксида углерода 5 предпочтительно размещен в картридже 10.
В варианте реализации картридж 10 содержит первую и вторую торцевые стенки, первая из которых с входным отверстием, к которому подсоединен вентилятор 6. На торцевых стенках картриджа 10 закреплены вложенные друг в друга с зазорами сетчатые или решетчатые частично прозрачные контейнеры, например, с кольцевым поперечным сечением. заполненные гранулами поглотителя диоксида кислорода.
Фиг. 2, на которой показано поперечное сечение устройства для очистки воздуха, иллюстрирует вариант размещения поглотителя 5 в виде трех концентрических слоев в картридже с контейнерами, имеющими концентрические сетчатые стенки 11.
Возвращаясь к Фиг. 1, можно видеть, что потоки воздуха (обозначены стрелками) распространяются, как в параллельных, так и в перпендикулярных слоям поглотителя 5 направлениях. Воздушный поток, попадая в картридж 10, проходит лабиринтообразный путь, частично продавливаясь сквозь гранулы поглотителя, что обеспечивает равномерный по объему продув поглотителя воздухом и равномерную поглощающую нагрузку на гранулы поглотителя. В результате достигается полное эффективное использование поглотителя, не требующее высоких энергетических затрат на его продув.
Устройство для очистки воздуха может дополнительно содержать фильтр 15, относящийся к группе: механический, каталитический, электростатический. Фильтры предпочтительно установлены вверх по потоку от поглотителя диоксида кислорода для его защиты от механических и других не регенерируемых загрязнений, что позволяет продлить время жизни устройства в целом.
2
В предпочтительных вариантах реализации изобретения устройство содержит контроллер или электронную управляющую систему с функцией поддержания в воздухе замкнутого пространства 1 концентрации CO в заданном диапазоне, в том числе автоматического включения циклов очистки воздуха и регенерации поглотителя диоксида углерода.
2
2
На Фиг. 1 устройство показано в режиме очистки воздуха. Для управления режимами работы устройства внутри его корпуса 2 установлены заслонки 12, управляющие потоком воздуха, при этом корпус 2 имеет патрубок 13 выпуска CO, который оснащен заслонкой 14. В режиме очистки воздуха нагреватель 7 отключен, заслонки 12, управляющие потоком воздуха открыты, патрубок 13 выпуска CO закрыт заслонкой 14.
2
На Фиг. 3 устройство показано в режиме регенерации поглотителя диоксида кислорода. В этом режиме нагреватель 7 включен, заслонки 12, управляющие потоком воздуха закрыты, заслонка 14 патрубка 13 выпуска CO открыта. Выпуск нагретого воздуха и вместе с ним диоксида углерода и частиц, высвобождаемых из поглотителя диоксида углерода 5 осуществляется через патрубок 13 в наружный воздух вне замкнутого пространства 1. Скорость потоков воздуха (показанных стрелками) снижена. В остальном части устройства в этом варианте осуществления являются такими же, как в вышеописанных вариантах осуществления (Фиг. 1, Фиг. 2), имеют на Фиг. 3 те же номера позиций, и их подробное описание опущено.
Способ очистки воздуха и поддержания в заданном диапазоне концентрации диоксида углерода в воздухе ограниченного пространства 1 осуществляют с помощью устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, следующим образом.
С помощью вентилятора 6 производят продув воздуха через регенерируемый поглотитель диоксида углерода 5, Фиг. 1. Используют гранулированный поглотитель диоксида углерода 5, импрегнированный водным раствором амина, предпочтительно диэтиламина. Продув, показанный на Фиг. 1 стрелками, производят, по существу, равномерно по объему поглотителя. Поглощение избыточного диоксида углерода происходит за счет химического связывания диоксида углерода при прохождении воздушного потока через гранулированный поглотитель диоксида углерода 5, размещенный в несколько слоев в катридже 10 с сетчатыми стенками 11.
2
Воздух, поступающий в поглотитель диоксида углерода 5 дополнительно обеззараживают УФ-облучателем 8, установленным вверх по потоку. Соответственно, продув поглотителя 5 диоксида кислорода осуществляют воздухом, содержащим продукты разложения бактерий, вирусов и спор в виде СО, воды и азота, которые вместе с остаточными патогенами задерживаются поглотителем 5.
УФ-облучение производят безозоновым УФ-излучением с длиной волны более 185 нм, включающим диапазон длин волн около 254 нм с максимальным бактерицидным действием. УФ-облучение производят лампами, выбранными из группы, включающей в себя: ртутные  лампы  низкого давления, и KrCl-, KrBr-, XeBr-эксиплексные лампы.
На выходе из поглотителя диоксида углерода 5 очищенный воздух обогащают комплексом микроэлементов, входящих в состав морской либо горной соли 9. После комплексной очистки и подготовки воздух через выходное отверстие 4 корпуса 2 поглотителя  направляется в ограниченное пространство 1.
Для улучшения качества очистки воздуха в вариантах реализации изобретения также могут применяться установленные перед входом в вентилятор 6 устройства 15 для предварительной очистки воздушного потока, например, механический HEPA-фильтр не ниже 12 класса. Для тонкой очистки воздуха также могут быть использованы электростатический фильтр, а также каталитический фильтр.
2
2
Регенерацию поглотителя  диоксида углерода 5  обеспечивают его продувом потоком воздуха, разогретого до температуры не менее 65°С, предпочтительно от 65 до 80°С, Фиг. 3. В процессе регенерации поглотитель диоксида углерода 5 обеззараживают в процессе его нагрева, поскольку большинство бактерий погибает уже при температуре 60-70°С. Обогащенный СОпотоквоздуха выводят через патрубок 13 выпуска CO в тракт утилизации, например, в вытяжную вентиляцию, либо с помощью компрессора - в газовый баллон.
2
2
2
Циклы очистки воздуха и регенерации поглотителя осуществляют с помощью контроллера в режиме обратной связи, которую реализуют на сравнении измеряемых концентраций СО на входе и выходе поглотителя 5. Очистку воздуха производят при достижения заданной верхней границы концентрации СО (около 1000 ppm) в воздухе ограниченного пространства 1 и прекращают очистку воздуха при достижения заданной нижней границы концентрации СО (около 400 ppm). Регенерацию производят при снижении скорости очистки ниже заданного определенного предела.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ.
2
Изобретение предназначено для очистки воздуха и поддержания стандартных уровней CO в воздухе для дыхания в зданиях и помещениях различного типа, транспортных средствах, герметичных обитаемых объектах, ограниченных пространствах разного рода. Кроме этого, оно может применяться для высокоэффективной очистки дыхательных газов от токсичных соединений типа перфторуглеродов и иных газообразных кислотных оксидов.