БЫТОВОЙ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ ОЧИСТИТЕЛЬ ВОЗДУХА

Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для высокоэффективной очистки воздуха бытовых помещений от токсичных молекулярных органических соединений, бактерий, вирусов, спор, аллергенов и других подобных микроорганизмов или агентов.
Наиболее эффективным способом удаления молекулярных органических и биологических загрязнителей воздуха в настоящее время признаны технологии, основанные на применении фотокатализа. Сущность метода состоит в окислении веществ кислородом воздуха на поверхности фотокатализатора под действием ультрафиолетового излучения. Реакция протекает при комнатной температуре и при этом токсичные органические загрязнители не накапливаются на фильтре, а минерализуются до безвредных компонентов двуокиси углерода и воды.
Фотокаталитические очистители воздуха по областям применения условно подразделяются на бытовые, кухонные, канальные, профессиональные и специальные. Основные области применения бытовых фотокаталитических очистителей воздуха: городские квартиры, в том числе детские комнаты, спальни, коттеджи, малые офисные помещения, небольшие кафе.
Известен канальный фотокаталитический очиститель воздуха (пат. США №US 2007/0251812 А1, Кл. 204/157.15, опубл. 11.01.2007), имеющий ограждающий корпус, внутри которого продольно-поперечно размещены ультрафиолетовые лампы в кварцевых чехлах, а все пространство между корпусом и лампами засыпано трубчатыми гранулированными телами преимущественно из боросиликатного стекла, покрытыми слоем фотокатализатора.
Недостатком данного устройства является необходимость наличия вентиляционных канальных систем с достаточно высоким напором очищаемого воздуха, чтобы преодолеть сопротивление гранульной засыпки, из-за чего такой тип устройства не пригоден не только для оборудования домашних кухонных помещений, ресторанов, кафе, но и тем более для домашних жилых помещений.
Известен фотокаталитический очиститель воздуха (патент США №2008/0112844 А1, Кл. A61L 9/20, опубл. 15.05.2008), также предназначенный для канальных вентиляционных систем. Данное устройство имеет фотокаталитический фильтр, панель присоединения к вентиляционному каналу и блок управления. Фотокаталитический фильтр выполнен в виде плоских сетчатых панелей с нанесенным на них слоем фотокаталитического диоксида титана. Рядом с панелями установлены фотокаталитические лампы, преимущественно бактерицидного назначения. Основным недостатком данного фотокаталитического фильтра является невысокая эффективность процесса окисления органических загрязнителей, из-за непропорционально большого протока воздуха сквозь фотокаталитический фильтр, объем которого из вентиляционных каналов не согласуется с предельной скоростью фотокаталитического процесса окисления молекулярных загрязнителей, которая определяется фиксированным уровнем мощности используемых ультрафиолетовых ламп. В этом случае возможна, так называемая «закалка» промежуточных продуктов реакций окисления, набегающими потоками воздуха. Такой тип устройства также не пригоден для оборудования кухонных помещений, ресторанов, кафе и тем более домашних помещений.
Известен фотокаталитический очиститель воздуха (патент Российской Федерации №2262455 С1, Кл. В60Н 3/06, опубл. 20.10.2005). В корпусе очистителя расположены: вентилятор, фильтр для улавливания твердых частиц, теплообменник, источник ультрафиолетового излучения из двух ламп и фотокаталитический элемент. Фотокаталитический элемент в этом устройстве представляет собой пакет тонкостенных пластин из пористой пластмассы с плоско-щелевыми каналами, поверхность которых покрыта фотокаталитическим порошком диоксида титана.
Недостатками данного фотокаталитического очистителя воздуха являются невысокая эффективность окисления и обеззараживания воздуха из-за малой глубины проникновения ультрафиолетовых лучей в плоскощелевые каналы, а также ограниченный ресурс непрерывной работы фотокаталитического пластмассового элемента из-за его разрушения вследствие фотокаталитического воздействия. В силу указанных недостатков данное устройство не приемлемо для бытового назначения.
Известна модель фотокаталитического очистителя воздуха (патент Российской Федерации №2259850 С1, Кл. A61L, опубл. 10.09.2005), включающая вентилятор, ультрафиолетовые лампы и четыре фильтра, в том числе фотокаталитический фильтр. Недостатком данной модели является общая невысокая эффективность очистки воздуха от молекулярных химических загрязнителей, поскольку часть воздушного потока выводится из очистителя, минуя фотокаталитический фильтр.
Известен фотокаталитический очиститель воздуха (пат. Российской Федерации №2352382 С1, Кл. A61L 9/20, опубл. 20.04.2009). В данном воздухоочистителе применяется комплексная схема очистки воздуха, основанная на сочетании электростатических, сорбционных, хемосорбционных, каталитических и фотокаталитических методов. В состав очистителя воздуха входят вентилятор, ультрафиолетовые лампы и фильтры четырех типов, включая фотокаталитический фильтр, комбинация которых максимально приближает данное устройство для очистки воздуха от жидко-капельных аэрозолей и запахов кухонного происхождения, а также от табачного дыма и известных молекулярных загрязнителей.
В данном очистителе воздуха фотокаталитический фильтр цилиндрической формы изготовлен на основе грубопористого волокнистого лавсана с плотностью упаковки волокон, не превышающей 5%. Недостатком данного фотокаталитического фильтра является невысокий ресурс работы, поскольку синтетическое волокно (лавсан), из которого изготовлен фильтр, в процессе эксплуатации воздухоочистителя подвергается деградации под действием фотокаталитического окисления, что приводит не только к постепенному разрушению фильтра и ограничению срока его службы, но и к загрязнению очищаемого воздуха продуктами неполного окисления лавсана.
Наиболее близкой моделью фотокаталитического очистителя воздуха бытового назначения является модель очистителей с товарным знаком «АЭРОЛАЙФ», разработанных ООО «Информационно-технологический институт» (http://www.vozdyx.ru/shop/product.php?id=20). Эта модель включает в себя один или два вентилятора, торцевые накладки, фотокаталитический элемент с ультрафиолетовой лампой, подвижный футляр-шторку, пылевой фильтр, платформу, на которой расположены все рабочие элементы очистителя. Данное устройство имеет ряд недостатков, сдерживающих его широкое освоение как бытового воздухоочистителя.
1. Фотокаталитический элемент в очистителях серии «АЭРОЛАЙФ», как правило, изготавливается из лавсана или полипропилена, что ограничивает ресурс непрерывной работы очистителей, поскольку синтетическое волокно (полипропилен или лавсан), из которого изготовлен пористый носитель фотокаталитического элемента, в процессе эксплуатации воздухоочистителя подвергается деградации под действием фотокаталитического окисления, что приводит не только к постепенному разрушению фильтра и ограничению срока его службы, но и к загрязнению очищаемого воздуха продуктами неполного окисления.
2. В данной модели воздухоочистителя футляр, который закрывает все рабочие элементы воздухоочистителя выполнен в виде подвижной шторки, которая в закрытом состоянии позволяет затемнять очиститель в ночное время, а в открытом состоянии выполнять роль дежурного светильника. Однако, опыт показывает, что при многократном использовании подвижной шторки происходит нарушение целостности герметизации фотокаталитического элемента, вмонтированного в торцевые накладки за счет поворотных движений шторки-футляра, и как следствие снижение производительности устройства по очищаемому воздуху.
3. Невысокая эффективность процесса окисления органических загрязнителей, из-за непропорционально большого протока воздуха сквозь фотокаталитический фильтр, объем которого от вентиляторов не согласуется с предельной скоростью фотокаталитического процесса окисления молекулярных загрязнителей, которая определяется фиксированным уровнем мощности используемых ультрафиолетовых ламп. В этом случае возможна, так называемая «закалка» промежуточных продуктов реакций окисления, набегающими потоками воздуха.
4. Нерациональное расходование электроэнергии из-за неконтролируемого времени включения и выключения устройства, независимо от концентрации загрязнителей в помещении.
Задачей полезной модели является устранение вышеназванных недостатков в устройстве.
2
Поставленная задача решается заявляемой полезной моделью бытового фотокаталитического очистителя воздуха, включающего пылевой фильтр, платформу, футляр, один или два вентилятора с торцевыми накладками и фотокаталитический элемент с ультрафиолетовой лампой, который дополнительно содержит нагреватель, датчик пороговой концентрации загрязнителей и индикатор работы ультрафиолетовой лампы, при этом в качестве фотокаталитического элемента используют трубчатые или пластинчатые тела, спеченные из стеклянных шариков диаметром 0.8-1.5 мм, поверхность которых покрыта диоксидом титана анатазной модификации с наноразмерными частицами в диапазоне удельной площади поверхности 150-400 м/г, футляр сделан неподвижным, жестко опирающимся на платформу, а торцевые накладки выполнены в виде воздухопроницаемых светоэкранирующих фланцев с объемным оребрением.
В заявляемом бытовом фотокаталитическом очистителе воздуха пылевой фильтр и нагреватель вмонтированы в платформу. Нагреватель может быть вмонтирован внутрь трубчатых или пластинчатых тел, из которых образован фотокаталитический элемент.
Технический результат данной полезной модели выражается:
1. В повышении эффективности очистителя по обеззараживанию воздуха и очистке его от молекулярных химических и биологических загрязнителей.
2. В повышении ресурса непрерывной работы фотокаталитического фильтра.
Существенные признаки предлагаемой полезной модели, обеспечивающие достижение технического результата:
2
1. В качестве фотокаталитического элемента предложено использовать трубчатые или пластинчатые тела, спеченные из стеклянных шариков диаметром 0.8-1.5 мм, поверхность которых покрыта диоксидом титана анатазной модификации с наноразмерными частицами в диапазоне удельной площади поверхности 150-400 м/г. Такие спеченные стеклянные элементы помимо того, что они не подвергаются действию фотокаталитических реакций, они также позволяют прочно закреплять на них наноразмерные частицы диоксида титана.
2. Применение неподвижного футляра, жестко закрепленного на платформе, позволяет вмонтировать пылевой фильтр в нижнюю часть платформы, что значительно облегчает регламентную замену фильтра без разборки всего устройства.
3. Опыт показывает, что эффективность работы очистителя, особенно по очистке воздуха от молекулярных органических загрязнителей, значительно повышается при относительно небольшом нагреве очищаемого воздуха (40-60°С), для чего предложенная модель очистителя дополнительно содержит нагреватель в виде ленточного электрического сопротивления, вмонтированного в платформу очистителя, либо в виде проволочной спирали внутри фотокаталитического элемента, введенного в него в процессе спекания стеклянных шариков.
4. Предложенная модель фотокаталитического очистителя воздуха оснащена сенсорным датчиком пороговой концентрации загрязнителей, который позволяет экономно (по электроэнергии) включать прибор, когда сенсор «почувствовал» превышение концентрации загрязнителей, превышающей допустимую, и выключать его, когда достигнута необходимая степень очистки воздуха.
5. Установка торцевых накладок на вентиляторы в виде воздухопроницаемых светоэкранирующих фланцев с объемным оребрением исключает выход ультрафиолетового излучения за пределы очистителя, а для визуализации работы ультрафиолетовой лампы прибор оснащен специальным индикатором.
На фиг.1 представлена схема предложенной полезной модели бытового фотокаталитического очистителя воздуха:
1 - левый вентилятор; 2 - левая торцевая накладка; 3 - фотокаталитический элемент; 4 - ультрафиолетовая лампа; 5 - футляр; 6 - индикатор работы ультрафиолетовой лампы; 7 - правый вентилятор; 8 - правая торцевая накладка; 9 - датчик пороговой концентрации органических загрязнителей воздуха; 10 - нагреватель очищаемого воздуха; 11 - пылевой фильтр; 12 - платформа.
На фиг.2. представлена схема тестирования бытового фотокаталитического очистителя воздуха:
2
1 - герметичный стеклянный бокс объемом 300 л; 2 - фотокаталитическое устройство; 3 - дозатор модельных загрязнителей; 4 - прибор для измерения концентрации СО Klimalogger KL 201; 5 - персональный компьютер.
Осуществление полезной модели характеризуется следующими примерами.
Пример 1.
2
2
2
2
2
-5
Устройство по прототипу («АЭРОЛАЙФ СЕВЕЖ-60») было испытано на стенде, схема которого показана на фиг.2. Эффективность работы устройства оценивалась по скорости накопления СО, образующегося в результате фотокаталитического окисления паров ацетона. Для измерения скорости накопления СО в герметичную камеру (1) объемом 300 л помещалось соответствующее прототипу устройство (2). С помощью дозатора (3) в камеру вводилось 0.8 г ацетона, затем включалось испытываемое устройство и при комнатной температуре наблюдался процесс увеличения концентрации диоксида углерода (СО), образующегося в результате фотокаталитического окисления паров ацетона. Для измерения концентрации СО использовался прибор Klimalogger KL 201 (4), соединенный с персональным компьютером (5). Измеренная за 1 час скорость образования СО для тестируемого устройства составила 8.4·10 моль/мин.
Пример 2.
2
-5
Аналогичен примеру 1, с тем отличием, что в камеру не вводился ацетон. Измеренная за 1 час скорость образования СО для тестируемого устройства составила 0.3·10 моль/мин.
Пример 3.
2
2
3
Аналогичен примеру 2, с тем отличием, что помимо измерения концентрации СО, осуществлялся контроль концентрации формальдегида (СНО). Измеренная через 1 час концентрация формальдегида для тестируемого устройства составила 70 мкг/м.
Пример 4.
2
Бытовой фотокаталитический очиститель воздуха, собранный по схеме (фиг.1) данной заявки включает два вентилятора - левый (1) и правый (7) с торцевыми накладками - левая торцевая накладка (2) и правая торцевая накладка (8), фотокаталитический элемент (3) в виде трубчатых или пластинчатых тел, спеченных из стеклянных шариков диаметром 0.8-1.5 мм, поверхность которых покрыта диоксидом титана анатазной модификации с наноразмерными частицами в диапазоне удельной площади поверхности 150-400 м/г, ультрафиолетовая лампа (4); неподвижный футляр (5), на котором размещены индикатор (6) работы ультрафиолетовой лампы в виде узкой полоски из оргстекла, вставленной в прорезь футляра, а также датчик пороговой концентрации органических молекулярных загрязнителей (9). Все указанные составные части очистителя воздуха смонтированы на платформе (12), снизу которой вставляется легко меняемый пылевой фильтр (11), а сверху платформы располагается ленточный электрический нагреватель (10) для подогрева воздуха. В варианте использования трубчатого фотокаталитического элемента нагреватель в виде проволочного сопротивления вмонтирован в трубку, спеченную из стеклянных шариков.
2
-5
Порядок проведения испытаний бытового фотокаталитического очистителя воздуха по данной заявке был аналогичен примеру 1. Измеренная за 1 час скорость образования СО для заявленной полезной модели очистителя воздуха составила 8.2·10 моль/мин.
Пример 5.
2
-7
Аналогичен примеру 4, с тем отличием, что в камеру не вводился ацетон. Измеренная за 1 час скорость образования СО для тестируемого устройства составила менее 5·10 моль/мин.
Пример 6.
2
3
Аналогичен примеру 3, с тем отличием, что помимо измерения концентрации СО, осуществлялся контроль концентрации формальдегида. Измеренная через 1 час концентрация формальдегида для тестируемого устройства составила менее 10 мкг/м.
Как видно из сравнения полученных результатов испытаний, эффективность предложенной полезной модели очистителя воздуха по окислению модельного органического загрязнителя (ацетона) при прочих равных условиях примерно одинакова. Но при этом не происходит выделение формальдегида и следов какого-либо взаимодействия фотокатализатора с материалом фотокаталитического фильтра не обнаружено. Новая полезная модель бытового фотокаталитического очистителя воздуха может быть использована в производстве воздухоочистителей данного класса.
Пример 7.
3
Испытания очистителей воздуха, изготовленных по прототипу и по данной заявке в части обеззараживания воздуха осуществляли в боксе объемом 10 м (1), представленном на фиг.2. Перед каждым новым испытанием, сопровождающимся сменой очистителя воздуха, бокс обрабатывали дезинфицирующим раствором аналита концентрацией 0.33% и облучали переносными бактерицидными лампами открытого типа в течение 1 часа. Испытания начинали через 1 час после завершения подготовительной работы.
3
В качестве модельного загрязнителя использовали аэрозоль бактерии Escherichia coli. Распыление этого загрязнителя проводили с помощью сменного дозатора-распылителя РДЖ-4М (3). С целью замедления оседания аэрозоля бактерий на стены бокса использовали переносной вентилятор, позволяющий поддерживать исходную высокую концентрацию бактерий в воздухе в течение не менее 100 минут на уровне 3000 КОЕ/м (КОЕ - колониеобразующие единицы), что подтверждалось данными предварительных измерений.
Для определения количественного содержания бактерий в воздухе во время работы испытываемого устройства в боксе использовали импактор для отбора проб воздуха (модель «Флора-100») в автоматическом режиме с отбором заданного объема воздуха 33 литра и осаждением содержащихся в нем микроорганизмов на чашку Петри с плотной питательной средой. В таблице приведены сравнительные результаты работы прототипа и устройства, предложенного в данной заявке по обеззараживанию воздуха на примере модельного бактериального загрязнителя.
Таблица.Сравнительные данные по обеззараживанию воздуха.
Фотокаталитическое устройство
Эффективность обеззараживания (%)
Устройство по прототипу
92.3
Предложенное устройство
99.9
Как видно из таблицы, предложенное устройство очистителя воздуха с фотокаталитическим фильтром может найти применение в новой серии устройств фотокаталитической очистки и обеззараживания воздуха и других газов для решения широкого круга бытовых и технических задач.