УСТРОЙСТВО ОЧИСТКИ ВОЗДУХА
AIR CLEANER

Изобретение относится к области очистки и стерилизации воздуха бытовых, хозяйственных и производственных помещений, а именно к устройствам для стерилизации, дезодорации и очистке воздуха от вирусов, бактерий, паров и аэрозолей органических и неорганических соединений, в том числе фенола, кетонов, альдегидов, оксида углерода, аммиака и озона.
Из уровня техники известно устройство для стерилизации и тонкой фильтрации газа, включающее источник питания, установленные поперек потока фильтр очистки, ионизатор с коронирующим и некоронирующим электродами, осадитель из токопроводящих элементов в виде пластин и фильтр тонкой очистки, при этом фильтр грубой очистки выполнен из высокопористого электретного материала и снабжен размещенными с двух сторон поперек потока разноименно заряженными фильтрующими элементами из высокопористого материала, причем второй по потоку токопроводящий фильтрующий элемент электрически соединен с одним из электродов ионизатора, другой электрод которого снабжен перегородкой, установленной поперек потока и выполненной из токопроводящего фильтрующего материала, а осадитель снабжен диэлектрическим фильтрующим элементом из высокопористого электретного материала, размещенным между токопроводящими элементами (см. патент РФ на изобретение №2026751. «Устройство для стерилизации и тонкой фильтрации газа». Дата подачи 13.05.1992 г., опубликовано 20.01.1995 г.).
Кроме того, известно устройство для очистки газовых выбросов, в котором осадительные электроды с каталитическим покрытием выполнены с возможностью прямого пропускания электрического тока или с вмонтированными в них теплогенерирующими элементами для нагрева каталитического покрытия до температуры, необходимой для каталитической обработки газового потока (см. патент РФ на изобретение №2286201. «Способ очистки газовых выбросов и устройство для его осуществления». Дата подачи 20.01.2004 г., дата публикации заявки 27.06.2005 г.).
Известно устройство для очистки воздуха, относящееся к реакторам, предназначенным для очищения аэрозольных частиц, которые переносятся в потоке текучей среды, проходящем через реактор. Реактор включает в себя плазменную камеру, выполненную с возможностью приема потока текучей среды и служащую для обработки частиц холодной плазмой, содержащей достаточно высокую концентрацию активных частиц, способных очистить, по меньшей мере, некоторые частицы, проходящие через камеру. Катализатор, расположенный в плазменной камере ниже по потоку, служит для того, чтобы повысить превращение активных частиц, которые содержаться в потоке текучей среды, перед выходом потока из реактора. Кроме того, реактор содержит каталитический электрод, на который нанесен каталитический материал. В течение работы реактора к электроду может прикладываться потенциал с целью притягивания заряженных частиц. В некоторых вариантах осуществления реактора каталитический электрод включает в себя металлическую рамку, которая служит в качестве проводящего электрода и нанесенный на рамку каталитический материал, например, такой как диоксид марганца (см. патент на изобретение US 7,771,672 В2. «AIR PURIFICATION DEVICE». Дата подачи 18.04.2006 г., дата публикации 21.06.2007 г.).
Известно устройство электростатической очистки аэрозолей, состоящее из объемного генератора (1) хаотического электростатического поля (Е), локально усиленного, чтобы подвергать текучую среду (U), загружаемую партиями аэрозоля (Р, р), воздействию электростатического поля (Е), высоко изменяющегося по амплитуде и ориентации локально. Генератор (1) включает в себя: индуцируемый электростатический модуль (2), состоящий из пористого диэлектрического материала (md), двух пористых электродов с электростатической индукцией (4, 5), источник (6) электрического тока и устройство для повышения давления текучей среды. Электростатический модуль (2) состоит из системы (Rxyz) трехмерных сеток, имеющей, по меньшей мере, локально трехмерную периодичность (или псевдопериодичность), по меньшей мере, в трех направлениях. Каждая сетка системы состоит из выпуклой наружу и вогнутой внутрь элементарной ячейки, утопленной заподлицо в ее центре, для включения компактного элементарного пустого ячеистого объема (VI), т.е. с поперечными измерениями (dx1, dy1, dz1) одинакового порядка величины в этих трех направлениях. Преимущественно он состоит из множества физически и электрически взаимосвязанных ребер в форме додекаэдрического массива. Генератор (1) применим для фильтрации воздуха и в химии (см. патент на изобретение US 6,805,732 B1. «ELECTROSTATIC TREATMENT OF AEROSOLS DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING SAME». Дата подачи заявки РСТ 23.11.2000 г., дата публикации заявки РСТ 31.05.2001 г.).
Кроме того, известен электростатический фильтр, снабженный улучшенным диэлектриком, составляющим диэлектрическую подкладку, сформированную из нетканых волокон высокой пористости, имеющих поры, при этом отношение площади пор фильтрующей перегородки к общей площади фильтрующего элемента составляет 97%. Диэлектрическая подкладка прослаивается между парой пористых электродов. Волокна, формирующие подкладку, имеют максимальную поперечную толщину, которая составляет меньше, чем 100 микрон, причем отношение длины к максимальной толщине >10. Поры предпочтительно статистически по существу одинаково калибруются и простираются в трех измерениях. В различных предпочтительных вариантах осуществления устройства отношение площади пор фильтрующей перегородки к общей площади фильтрующего элемента диэлектрической подкладки превышает 99%. Подкладка, преимущественно, имеет извилистость, по меньшей мере, равную 2. Максимальная поперечная ширина волокон находится предпочтительно в диапазоне от 0,1 до 50 микрон. Во многих вариантах реализации волокна, которые формируют диэлектрическую подкладку, выполняются либо из полиэфира, либо из полипропилена. В некоторых вариантах реализации поперечное сечение волокон будет иметь, по меньшей мере, одну (и предпочтительно две или более) отдельную область малого поперечного радиуса кривой вдоль его периметра (см. патент на изобретение US №7,279,028 В2. «ELECTROSTATIC FILTER». Дата подачи 18.04.2006 г., дата публикации 21.06.2007 г.).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является система очистки воздуха «ТИОН», в которой применяется комплекс фильтров: предварительный фильтр, служащий для механической очистки воздуха от пыли; электростатический фильтр, состоящий из осадительной и предназначенной для заряда частиц зарядительной секций, при этом на осадительной секции, изготовленной из диэлектрического материала, осуществляется осаждение заряженных частиц и очистка воздуха от всех механических загрязнений, а в качестве материала для осадительной секции используют получаемый методом экструзии полипропилен; фотокаталитический фильтр, разрушающий вирусы, бактерии и очищающий воздух от молекулярных органических веществ, распадающихся до углекислого газа и воды; адсорбционно-каталитический фильтр, очищающий воздух от молекулярных соединений. Зарядительная секция и фотокаталитический фильтр выполнены в виде металлических пластин, подключенных к источнику питания, причем пластины зарядительной секции заземлены. В данной системе процесс очистки воздуха осуществляется за один проход (см. http://www.tion.info/technology, размещено в Интернет 2010 г.).
Недостатки данного устройства обусловлены громоздкостью конструкции, в которой внутреннее пространство условно разделено на отдельные, удаленные друг от друга секции, в каждой из которых проходит отдельный процесс, что приводит к снижению общего (синергетического) эффекта очистки воздуха, а также степени очистки воздуха.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание компактной конструкции, обладающей повышенной эффективностью стерилизации и фильтрации воздуха или газа и снижающей уровень образования озона.
Заявленный результат достигается тем, что устройство очистки воздуха, включающее механический фильтр, источник УФ-облучения, металлические электростатический и фотокаталитический фильтры, осадитель электростатического фильтра из диэлектрического материала, адсорбционно-каталитический фильтр, согласно изобретению дополнительно содержит сорбционный фильтр, осадитель электростатического фильтра, электростатический и фотокаталитический фильтры собраны между собой в единый комбинированный многослойный элемент, каждый слой которого изготовлен из высокопористого материала с нанесенным на его поверхность фотокаталитическим наноструктурированным покрытием, при этом электростатический и фотокаталитический фильтры, между которыми размещен осадитель, выполнены из пенометалла, а источник УФ-облучения расположен непосредственно вблизи электростатического фильтра.
В качестве механического фильтра используют, например, НЕРА-фильтр.
Адсорбционно-каталитический фильтр изготовлен из материала на основе оксидов щелочных металлов или оксида марганца.
В качестве пенометалла для изготовления электростатического и фотокаталитического фильтров используют, например, никель, или медь, или нержавеющую сталь, или титан, а осадитель выполнен из пенополиуретана.
Сорбционный фильтр изготовлен из активированного угля или цеолитов.
В качестве фотокаталитического покрытия используют наноструктурированное фотокаталитическое покрытие на основе диоксида титана, в том числе модифицированного платиной, или палладием, или золотом, наносимое, например, в виде суспензии, или напылением, или другим способом.
Электростатический и фотокаталитический фильтры выполнены из высокопроницаемых материалов, имеющих как одинаковый размер пор, так и различный, причем в этом случае материал фотокаталитического фильтра имеет меньший размер пор.
Для усиления и эффективности процесса и в зависимости от объема предназначенного для очистки воздуха устройство может быть оснащено дополнительными источниками УФ-облучения и многослойными конструкциями.
Возможно радиальное расположение конструктивных элементов, равноудаленных от центральной оси, в качестве которой используют источник УФ-облучения.
Объединение осадителя электростатического фильтра, электростатического и фотокаталитического фильтров в единый комбинированный многослойный элемент, а также расположение в непосредственной близости от него источника УФ-облучения позволяет проводить в одну стадию очистку всего проходящего обработку объема воздуха, при этом одновременно протекают различные физико-механические и химические процессы, в том числе направленное электроосаждение аэрозолей и загрязнений, ультрафиолетовое облучение, усиливающее фотокаталитические окислительно-восстановительные реакции на поверхности катализатора, воздействие озона и радикалов, генерируемых электрическим полем, неоднородным на микроуровне. Одновременное протекание разнородных процессов в компактном пространстве оказывает существенное синергетическое и промотирующее взаимное влияние их друг на друга.
Помимо этого, наличие в заявляемой конструкции комбинированного многослойного элемента, каждый слой которого изготовлен из высокопористого материала с нанесенным на его поверхность фотокаталитическим покрытием, позволяет одновременно осуществлять несколько физико-химических процессов, в том числе создание электрического поля, генерацию озона и свободных радикалов, каталитические реакции на поверхности. Многослойный элемент обладает высокой проницаемостью как для очищаемой воздушной среды, так и для УФ-излучения.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности, как «новизна».
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности, как «изобретательский уровень».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где
Фиг.1 - общая схема устройства очистки воздуха;
Фиг.2 - общая схема устройства очистки воздуха с радиальным расположением конструктивных элементов.
Устройство очистки воздуха состоит из корпуса 1 с входным отверстием, в котором поперек движения потока воздуха установлены механический фильтр грубой очистки 2, по меньшей мере, один источник УФ-облучения 3.1, по меньшей мере, один электростатический фильтр, например, 4.1, каталитический фильтр 5, преимущественно основного (щелочного) типа, и сорбционный фильтр 6, выполненный, например, из активированного угля или цеолитов.
Устройство может быть дополнительно оснащено, по меньшей мере, еще одним источником УФ-облучения 3.2 и электростатическим фильтром 4.2.
2
Механический фильтр грубой очистки 2, в частности НЕРА-фильтр, выполнен из многослойного фильтрующего материала, в том числе нетканого полотна, ткани, бумаги и т.п., и предназначен, в основном, для очистки потока воздуха от механических примесей, пыли и включений, в том числе шерсти животных, пуха. Источник УФ-облучения 3.1 представляет собой или ультрафиолетовую лампу, или матрицу, состоящую из светодиодов, установленных вдоль электростатического фильтра 4.1, представляющего собой многослойную конструкцию, состоящую из двух электростатических электродов 4.1.1 и 4.1.2, между которыми размещен осадитель электростатического электрода 4.1.1, выполненный в виде диэлектрической пластины 4.1.3, при этом один из электродов, например 4.1.1, подключен к отрицательному полюсу источника питания 7 и может быть заземлен, а другой электрод 4.1.2 подключен соответственно к положительному полюсу. Полярность электродов при необходимости может быть изменена на обратную с целью создания потоков ионного ветра. Электроды 4.1.1 и 4.1.2 очищают воздух от вирусов, бактерий, молекулярных органических веществ, разрушая их до углекислого газа и воды. Электроды 4.1.1 и 4.1.2 изготовлены из высокопористого пенометалла, например никеля (Ni), поверхность которого покрыта фотокаталитическим наноструктурированным покрытием на основе диоксида титана (TiO), при этом нанесение каталитического наноструктурированного покрытия на поверхность второго электрода необязательно. Пенометалл, используемый для изготовления каждого из электродов 4.1.1 и 4.1.2, может быть выполнен как с одинаковым размером пор, так и различным, причем в этом случае материал фотокаталитического фильтра имеет меньший размер пор.
2
Диэлектрическая пластина 4.1.3 выполнена из высокопористого проницаемого материала, например пенополиуретана, на поверхность которого также нанесено наноструктурированное фотокаталитическое покрытие на основе диоксида титана (TiO).
За электродами 4.1.1 (4.1.2) установлен сорбционно-каталитический элемент преимущественно основного типа и предназначенный для утилизации химических полупродуктов, в том числе окислов азота, озона, гидроксильных ионов и т.д., образующихся при плазменных и электрических процессах. В корпусе 1 размещен сорбционный фильтр 6, служащий для очистки воздуха от вредных молекулярных соединений и изготовленный из сорбционного материала, например активированного угля или цеолитов - молекулярных сит.
2
В случае размещения в корпусе дополнительного элекростатического электрода 4.1.2 в качестве покрытия для электродов 4.2.1 и 4.2.2 применяют каталитические слои иного состава, например, гопкалиты (MnO-CuO-AgO), перовскитные и шпинельные структуры (LaAgMnO), прочие оксиднометаллические композиции, платину, палладий и другие благородные металлы, способствующие разложению озона, или используют сорбционные слои, выполненные, например, из активированного угля.
Возможно радиальное расположение конструктивных элементов, равноудаленных от центральной оси, в качестве которой используют источник УФ-облучения.
Осуществление устройства поясняется примерами конкретного выполнения.
Пример 1
Воздух, поступающий в корпус 1 устройства (фиг.1), на первом этапе проходит через фильтр грубой очистки 2, который механически задерживает крупную пыль, пух, шерсть домашних животных и всевозможные включения. Данный фильтр требует периодической очистки или замены в зависимости от условий эксплуатации.
-
+
Далее поток воздуха подвергается ультрафиолетовому облучению, осуществляемому с помощью, по меньшей мере, одного УФ-источника 3.1, расположенного вблизи фотокаталитического электрода 4.1.1. При УФ-облучении происходит диссоциация водяных паров с образованием ионов ОН и Н, а также распад органических веществ на молекулярном уровне. Ультрафиолетовое обеззараживание уничтожает возбудителей таких инфекционных болезней, как тиф, холера, вирусный гепатит, полиомиелит и других. Обеззараживание ультрафиолетом происходит за счет фотохимических реакций внутри микроорганизмов. В отличие от окислительных реакций, в частности озонирования, в случае передозировки УФ-облучения отсутствуют отрицательные эффекты.
Следующим этапом является очистка воздуха от мелкодисперсных аэрозолей, которая происходит на электростатическом электроде и, прежде всего, на первом фотокаталитическом электроде 4.1.1, который генерирует активные химические соединения, вступающие в реакцию в воздухе. Благодаря изготовлению электрода из высокопористого пенометалла увеличивается его активная поверхность. Кроме того, благодаря наличию фотокаталитического покрытия диоксидом титана на поверхности электрода 4.1.1 при подаче высокого напряжения (+4-7 кВ) создается неоднородное электрическое поле, ионизирующее воздух и способствующее более интенсивному протеканию окислительно-восстановительных реакций. Помимо этого, покрытие выполняет функцию коронирующих электродов. Диоксид титана относится к полупроводникам, в которых электроны могут либо свободно перемещаться по кристаллической решетке, либо, участвуя в химической реакции, находиться в связанном состоянии.
При работе фотокаталитического электрода 4.1.1, расположенного вблизи источника УФ-облучения, при поглощении света возможен переход электронов из связанного состояния в свободное с образованием так называемых «дырок». И те электроны, и «дырки», которые не исчезают внутри частицы нанопорошка диоксида титана, а выходят на поверхность электрода, захватываются ею.
+
-
-
-
+
2
2
3
В результате происходящих реакций в зоне, примыкающей к электроду 4.1.1, образуется неравновесная плазма, состоящая из свободных электронов и ионизированных атомов азота (N) и кислорода (О), которые под действием электрического поля перемещаются в направлении электрода 4.1.1, создавая ток, и окисляют любые органические вещества до НО и СО, причем катализатор при этом не расходуется. При этом в значительном объеме образуется атомарный кислород (О) и озон (О), а также продукты электролиза воды ОН и Н, являющиеся сильными окислителями. Ионизированные атомы оседают на частицах аэрозоля, находящихся в воздухе, и заряжают их. Из фотокаталитического электрода не выделяется никаких вредных веществ, так как озон, атомарный кислород и радикалы деактивируются в ходе происходящих процессов.
Расположение источника УФ-облучения 3.1 вблизи электростатического электрода 4.1.1 оказывает синергетический эффект, усиливая и ускоряя процессы, протекающие в данной зоне.
Часть заряженных частиц оседает на поверхности заземленного электрода 4.1.1, а оставшаяся часть попадает на диэлектрическую пластину 4.1.3 и оседает на ней. Причем крупные частицы задерживаются на поверхности диэлектрической пластины благодаря инерционному движению, средние частицы, движущиеся по линиям потока воздуха и прилипающие к поверхности по касательной, оседают благодаря перехвату, а мелкие частицы, которые в ходе хаотического движения выскакивают из потока, оседают благодаря броуновской диффузии.
Необходимо отметить, что осаждение заряженных частиц аэрозоля, а также окислительно-восстановительные процессы протекают более эффективно на имеющей покрытие оксидом титана каталитической поверхности диэлектрической пластины 4.1.3. Это обусловлено, в том числе, слипанием заряженных частиц, их направленным осаждением на каталитическом покрытии. Эффективность задержания аэрозоля соответствует классу H14 и составляет 99,995%.
Кроме того, происходит инактивации бактерий, вирусов, спор плесени за счет находящихся в потоке воздуха озона и атомарного кислорода, которые окисляют клетки микроорганизмов, при этом эффективность разрушения данных клеток эффективна для всех типов микроорганизмов, так как механизм процесса химический.
После осаждения на диэлектрической пластине 4.1.3 оставшиеся в потоке воздуха молекулярные соединения, а также образовавшиеся озон и атомарный кислород проходят вместе с остатками аэрозоля через фотокаталитический фильтр 4.1, с помощью которого воздух очищается на наночастицах диоксида титана от молекулярных соединений, неприятных запахов и остатков вредных микроорганизмов. Механизм происходящих процессов аналогичен тому, который происходит на электроде 4.1.1, однако происходит гораздо интенсивнее и эффективнее за счет поступивших с этого электрода озона и атомарного кислорода. Вследствие этого, разрушение органических веществ в несколько раз выше, чем у обычных фотокаталитических воздухоочистителей.
Заключительные этапы, позволяющие очистить воздух от всех загрязнений, происходят на адсорбционно-каталитическом фильтре основного типа, который осуществляет доулавливание молекулярных соединений, утилизирует химические полупродукты плазменных и электрических явлений. Кроме того, данный фильтр задерживает залповые выбросы вредных веществ высокой концентрации.
Принцип работы данного фильтра - адсорбция, при которой осаждение молекулярных соединений происходит в порах сорбента. В заявляемом изобретении в качестве сорбента применяют материал на основе двуокиси марганца или оксидов щелочных металлов, обеспечивающих более высокую степень очистки воздуха.
Необходимо отметить, что в потоке воздуха, поступающего после фотокаталитического электрода 4.1.2, содержатся пероксиды, способствующие не только улавливанию молекулярных загрязнений, но и самоочищению фильтра. Это происходит за счет вступления пероксидов в реакции с молекулами органических соединений, осажденных на сорбенте. В результате срок службы фильтра и эффективность его работы значительно увеличиваются.
Окончательная очистка воздуха проходит в сорбционном фильтре, в качестве материала для которого используют, например, активированный уголь или цеолиты.
В зависимости от объемов воздуха, предназначенного для очистки, устройство дополнительно может быть оснащено источниками УФ-облучения (3.2) и электростатическими электродами (4.1.2).
Пример 2
Устройство очистки воздуха с радиальным расположением конструктивных элементов (фиг.2), равноудаленных от центральной оси, в качестве которой используют источник УФ-облучения, работает следующим образом. Воздух поступает в корпус (не показан), при этом все процессы, описанные в примере 1, происходят в ограниченном пространстве одновременно.
Преимуществами заявляемого изобретения являются способность одновременного проведения обеззараживания и очистки воздуха от всех типов загрязнений, причем процесс осуществляется за один проход. Помимо этого, устройство разрушает и уничтожает все виды вирусов, бактерий и плесени, причем продукты стерилизации и очистки не накапливаются фильтрами.
Заявляемое техническое решение очищает воздух круглосуточно в присутствии людей и не является источником ультрафиолетового излучения, озона, атомарного кислорода и т.д. Кроме того, данное техническое решение имеет компактную конструкцию, обладающую повышенной эффективностью стерилизации и фильтрации воздуха или газа и снижающую уровень образования озона.