УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ОЗОНА И АЭРОЗОЛЕЙ

Полезная модель относится к области создания средств очистки воздуха от озона и аэрозолей и может быть использована в помещениях с работающим озонаторным и продуцирующим озон (УФ-лампы, копировальная техника) оборудованием, а также для дезактивации избыточного озона при очистке и дезинфекции высокими концентрациями озона. Для применения полезной модели нет ограничений по содержанию в воздухе аэрозолей.
2
2
В устройствах для очистки воздуха от аэрозолей широкое распространение получили микроволокнистые фильтрующие материалы из различных полимеров. Например, известен фильтрующий материал ФПП из волокон перхлорвинила, имеющих диаметр 1-10 мкм, с поверхностной плотностью 20-80 г/м и стандартным аэродинамическим сопротивлением 3-50 Па при скорости потока воздуха 1 см/с [RU, 2182510, B01D 39/16, 2002], известен также фильтрующий материал из волокон сополимера стирола с акрилонитрилом ФПСАН, имеющих диаметр 1-10 мкм, с поверхностной плотностью 20-80 г/м и аэродинамическим сопротивлением 3-60 Па при скорости потока воздуха 1 см/с [RU, 2182511, B01D 39/16, 2002].
Устройства для очистки воздуха от озона - дезактиваторы (конверторы) преимущественно содержат разлагающие озон материалы: металлические и металлооксидные катализаторы [US, 6375905, 2002; US, 6577828, 2003], активированный уголь [US, 5976471, 1999]. Катализаторы дорогие и требуют периодической регенерации, активированный уголь необратимо дезактивируется под воздействием озона, кроме того, применение указанных материалов вызывает сложности в условиях небольших допустимых перепадов давлений. В дезактиваторах также используют озоно-связывающие полимерные материалы, например, полифенилсульфид [US, 5837036, 1998], полиарелин тиоэфира [US, 5423902, 1995] или комбинированные фильтры из различных активных по отношению к озону материалов [US, 5891402, 1999].
Дезактиваторы озона могут входить в комплект с генераторами озона [US, 5961919, 1999] или продуцирующего озон прибора [US, 6577828, 2003, US, 5164778, 1992], либо являются автономным оборудованием [US, 7826763, 2010; US, 6576199, 2003]. Указанные приборы часто комплектуются датчиками озона [US, 5164778, 1992, US, 5866798, 1999, US, 5961919, 1999], т.к. при работе озонаторного оборудования требуется контроль содержания озона в воздухе [ГОСТ З 51706 - 2001. Оборудование озонаторное. Требования безопасности.].
В зависимости от условий работы созданы дезактиваторы (конверторы) озона различных конструкций. Например, известно устройство каталитического типа для использования в самолетах [US, 6576199, 2003]. Конвектор имеет форму узкого диска, благодаря чему достигается минимальный перепад давлений. Внутренняя металлическая поверхность конвертора анодируется, затем покрывается слоем оксида металла для получения развитой поверхности. На оба слоя наносится озоно-разрушающий металлический катализатор (палладий, никель). Благодаря пористому оксидному слою создается извилистый поток воздуха, тем самым, увеличивая за счет улучшения массообмена и конверсию озона.
Наиболее близкую конструкцию к заявленной полезной модели имеет устройство [US, 6577828, 2003], предназначенное для использования в копировальной технике. Устройство имеет вид герметичного цилиндрического корпуса, в верхней крышке которого расположен вход для газа, в основании - выход нейтрализованного газа. Внутри находится экранирующий кожух из инертного к озону тонкопористого политетрафторэтилена, в который засыпан катализатор (гопкалит) в форме мелких гранул. Кожух улавливает и отфильтровывает частицы размером более 1 мкм, препятствуя отравлению катализатора. Предложенная конструкция позволяет получить равномерный массоперенос и равномерную скорость потока. В результате увеличивается продолжительность жизни катализатора и появляется возможность использовать меньший размер частиц катализатора. Дополнительным преимуществом устройства является достижение минимального перепада давлений.
Технической задачей данной полезной модели является разработка недорогого, портативного устройства для эффективной очистки воздуха от озона и аэрозолей с контролем степени очистки воздуха. В зависимости от конфигурации такое устройство может быть использовано как для очистки воздуха от сравнительно невысоких концентраций озона, превышающих предельно допустимую концентрацию в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з.) не более чем в 2÷5 раз, так и для дезактивации избыточного озона при очистке и дезинфекции высокими (уровень %) концентрациями озона.
2
2
Поставленная задача решается использованием устройства, состоящего из корпуса и фильтрующего элемента, включающего активные и инертные к озону материалы в виде полимерных микроволокон. Указанные слои закреплены в сменной кассете, легко вставляемой в корпус устройства. Корпус и кассеты имеют круглую, квадратную или любую другую форму в сечении, причем корпус устройства может быть как герметичным со штуцерами для входа и выхода газа, так и выполненным из сетки. Устройства с различными конфигурациями корпусов приведены на фиг.1-3. Поступающий в устройство воздух проходит сначала через слои активных к озону микроволокон полистирола или сополимера полистирола с акрилонитрилом, или полисульфона, или их различных комбинаций, затем через слой инертных или малоактивных к озону микроволокон фторопласта 42 или полиакрилонитрила или стекловолокна, или полипропилена, или хлорированного полиэтилена или хлорированного поливинилхлорида или их комбинаций. Количество слоев активных к озону материалов определяется концентрацией озона в воздухе и может составлять 4-20 при очистке воздуха с невысоким содержанием озона, и 20-100 слоев при очистке воздуха с высокими концентрациями озона, причем микроволокна активных по отношению к озону материалов имеют диаметр от 0,5 до 10 мкм. Толщина каждого слоя материала равна 0,2-1 мм с поверхностной плотностью 25-80 г/м и плотностью упаковки 3-6%. Инертный слой на выходе из корпуса должен исключить попадание в воздух твердых продуктов деструкции волокон активного к озону слоя, если они попадут в поток проходящего через фильтр потока воздуха. Наличие инертного слоя необходимо при очистке воздуха с высокими (уровень %) концентрациями озона, но он может отсутствовать в устройствах очистки воздуха с небольшим, в 2-5 раз, превышением ПДКр.з. по озону. Инертный слой содержит 1 слой инертного или малоактивного к озону материала с поверхностью плотностью 20-60 г/м и диаметром волокон 1-10 мкм.
Поставленная задача решается также использованием активных и инертных к озону слоев фильтрующего элемента для улавливания из воздуха аэрозолей.
Дополнительно устройство содержит полупроводниковый сенсор для контроля степени очистки воздуха от озона [Обвинцева Л.А., Жерников К.В., Сухарева И.П. и др. // Журн. Прикл. Химии, 2010, №9, т.83, с.1545-1551; Беликов И.Б., Жерников К.В., Обвинцева Л.А., Шумский Р.А. // Приборы и техника эксперимента, 2008, №6, с.139-140].
Поставленная задача решается также контролированием цвета активных озоно-связывающих материалов с целью определения степени их отработки. Исходные активные и инертные к озону микроволокна имеют белый цвет. Отработанные волокна активного слоя изменяют свой цвет: содержащие полистирол, желтеют, содержащие полисульфон, приобретают грязно-желтый цвет. [Климук А.И., Обвинцева Л.А., Кучаев В.Л. и др. // Рос. Хим. Журн. (Журн. Рос. Хим. Об-ва им.Д.И.Менделеева), 2008, №5, т.52, с.102-111; Обвинцева Л.А., Дмитриева М.П., Климук А.И. и др. // Журн. Прикл. Химии, 2010, №6, т.83, с.1015-1019]. Такой контроль используется при очистке воздуха, содержащего высокие (%) концентрации озона; под воздействием небольших (2-5 ПДКр.з.) концентраций озона изменение цвета волокон не наблюдали. Для контроля цвета активного к озону материала на корпусе устройства предусмотрено прозрачное окно, фиг.1.
р.з.
3
Пример 1. Применение устройства для очистки воздуха, содержащего 2-5 ПДК озона (200-500 мкг/м).
Лабораторные эксперименты проводили на установке, представленной на фиг.4. Воздух с заданной концентрацией озона от генератора 1 подавали на фильтродержатель 2 с тестируемыми материалами. О способности материалов поглощать озон судили по изменению сигнала полупроводникового сенсора 3. Лабораторный прототип устройства - фильтродержатель со слоями фильтрующего материала представлен на фиг.5 в увеличенном масштабе.
-1
Результаты тестирования микроволокнистых материалов на основе полистирола ФПС-15-1,5-1,5 и полисульфона ФПСФ-15-1,5 приведены в табл.1, 2. Первое число в обозначении фильтра указывает средний диаметр волокон в десятых долях мкм, второе - сопротивление потоку воздуха в мм водяного столба при скорости потока 1 см·с.
3
3
3
На основании показаний полупроводникового сенсора определено время обработки и количество озона, поглощенного указанными материалами, до того, как они стали пропускать 0,5 ПДКр.з. - 50 мкг/м и ПДКр.з. озона - 100 мкг/м. Представленные данные позволяют заключить, что тонкие слои фильтров ФПС-15-1,5-1,5 и ФПСФ-15-1,5 способны очищать воздух, содержащий 250 мкг/м (2,5 ПДКр.з.), в течение от одного до нескольких дней. Концентрацию озона равную 0,5 ПДКр.з. и ПДКр.з. в воздухе, прошедшем через 4 слоя фильтра ФПС-15-1,5 измерили после 29 час и 41 час, соответственно, табл.1. Такие тонкие фильтры представляют интерес для использования в устройствах очистки воздуха в условиях, когда требуется минимальный перепад давлений.
Увеличение площади фильтра при сохранении толщины и, следовательно, перепада давлений (табл.2) обеспечит быструю очистку воздуха с большой площади. Например, при проведении медицинских процедур, а также в любых помещениях, требующих присутствия людей при работе озонаторного оборудования. Для таких задач оптимальная конструкция корпуса - зонтик, установленный над работающим персоналом или/и пациентами, фиг.3. Корпус с фильтрующим элементом может быть изготовлен в виде легкой насадки на обычный бытовой вентилятор, и это не требует увеличения мощности вентилятора. Включение и выключение вентилятора обеспечивается по сигналу полупроводникового сенсора.
Увеличение толщины фильтра существенно увеличит время его работы. Миниатюрные устройства, фиг.1, могут использоваться в портативных воздухоочистителях, содержащих генератор озона, а объемные аналогичной конфигурации, как элемент составного фильтра в мощных кондиционерах.
Таблица 1.
Характеристики поглощения озона фильтрами ФПС-15-1,5 и ФПСФ-15-1,5. Толщина слоя фильтра 2,4 мм; диаметр 1 см; расход газа 50 см<sup>3</sup>/мин, концентрация озона, подаваемая на фильтры 250 мкг/м<sup>3</sup>.
Фильтр
Время обработки фильтров озоном
Концентрация озона после фильтра, мкг/м<sup>3</sup>
Масса фильтра, г
день
час
ФПС-15-1,5
1<sup>й</sup>
6
-
0,0093
2<sup>й</sup>
6
-
3<sup>й</sup>
6
-
4<sup>й</sup>
6
-
5<sup>й</sup>
5
50
6<sup>й</sup>
6
50
7<sup>й</sup>
1
50
5
100 ПДКр.з.
ФПСФ-15-1,5
1<sup>й</sup>
4
50
0,0078
2<sup>й</sup>
1
50
6
100 ПДКр.з
Таблица 2.
Характеристики поглощения озона фильтрами ФПС-15-1,5 и ФПСФ-15 1,5 при различной толщине и площади образцов. Концентрация озона, подаваемая на фильтры 250 мкг/м<sup>3</sup>.
ФПС-15-1,5
Толщина фильтра, мм
Диаметр фильтра, см
Масса фильтра, г
Количество озона, поглощенного фильтром до начала пропускания ПДКр.з., мкг
Количество очищенного воздуха, м<sup>3</sup>, содержащего 250 мкг/м<sup>3</sup> озона
2,4
1
0,0093
28,1
0,113
2,4
10
0,93
2813
11
2,4
50 (зонтик)
23,25
70332
280
ФПСФ-15 1,5
Толщина фильтра, мм
Диаметр фильтра, см
Масса фильтра, г
Количество озона, поглощенного фильтром до начала пропускания ПДКр.з., мкг
Количество очищенного воздуха, м<sup>3</sup>, содержащего 250 мкг/м<sup>3</sup> озона
2,4
1
0,0093
7,67
0,03
2,4
10
0,93
767
3,07
2,4
50 (зонтик)
23,25
19182
76,7
6
1
0,0046
360,8
1,44
6
10
4,55
36078
144,3
6
50 (зонтик)
11,5
901952
3607,8
3
Пример 2. Применение устройства для очистки воздуха, содержащего 20-30 мг/м озона (0,5-1,5%).
Лабораторные эксперименты проводили на установке, представленной на фиг.6. Воздух с заданной концентрацией озона от генератора (электролизера) 1 подавали на фильтродержатель 2 с исследуемыми материалами. Концентрацию озона после фильтра определяли методом йодометрического титрования. В таблице 3 приведены характеристики поглощения озона фильтрами при высоких (уровень %) концентрациях озона в воздухе.
Таблица 3.
Характеристики поглощения озона фильтрами при высоких (уровень %) концентрациях озона в воздухе. Диаметр фильтра 0,4 см, расход газа 2 см<sup>3</sup>/мин.
Фильтр
Толщина слоя фильтра, мм
Концентрация озона в воздухе, подаваемом на фильтр, г/м<sup>3</sup>
Масса фильтра, г
Время обработки фильтров озоном, час
Концентрация озона после фильтра г/м<sup>3</sup>
Масса озона, г, поглощенного фильтром за время работы
день
час
ФПСАН-70-0,5
80
30
0,2
1<sup>й</sup>
1,4
-
0,0053
2<sup>й</sup>
7
-
0,0267
3<sup>й</sup>
6
-
0,0226
4<sup>й</sup>
6
-
0,0226
5<sup>й</sup>
6
-
0,0226
6<sup>й</sup>
7
0,09
0,0264
ФПС-15-1,5
60
35
0,2
1<sup>й</sup>
5
-
0,0188
2<sup>й</sup>
7,5
-
0,0283
3<sup>й</sup>
8
0,16
0,0301
4<sup>й</sup>
6
1,01
0,0188
5<sup>й</sup>
4,5
2,34
0,0132
ФПСФ-15-1,5
40
26
0,167
1<sup>й</sup>
3
-
0,0165
2<sup>й</sup>
4
-
0,018
3<sup>й</sup>
5
-
0,212
4<sup>й</sup>
4,4
-
0,014
5<sup>й</sup>
4,5
-
0,0216
6<sup>й</sup>
4
0,76
0,0185
7<sup>й</sup>
4
1,5
0,0196
Пример 3. Применение устройства для улавливания из воздуха аэрозолей.
3
-3
Использован фильтрующий материал ФПС-15-1,5 из полистирола со средним диаметром волокон 1,5 мкм и стандартным сопротивлением 15 Па. Эффективность материала определялась по частицам 0,35 мкм, при скорости воздушного потока 1 см/с. В качестве модельного аэрозоля использовался хлорид натрия. Максимальная счетная концентрация частиц аэрозоля составляет ~2 10 см. Диаметр частиц находится в диапазоне 0,15-0,8 мкм, с преобладанием частиц диаметром 0,3 мкм. Для определения числа частиц в потоке, как до фильтра, так и после него, в установке использовался лазерный аэрозольный спектрометр ЛАС-Р-1001.
Таблица 4.
Характеристики улавливания аэрозолей фильтром ФПС-15-1,5 с различным числом слоев материала.
Число слоев
Стандартное сопротивление, Па
Эффективность в исходном состоянии, %
Эффективность в разряженном состоянии, %
1
15
99
85
2
31
99,9
99
3
47
99,99
99,8
4
62
>99,99
99,98