Способ очистки от газообразных загрязнителей приточного воздуха помещений
METHOD FOR CLEANING SUPPLY AIR FROM GASEOUS POLLUTANTS

Изобретение относится к способам очистки от газообразных загрязнителей приточного воздуха помещений зданий, в частности очистки воздуха помещений жилых и административных зданий в различных приточных системах (установках) вентиляции зданий, в приточных клапанах зданий, находящихся вблизи с автомагистралями высокой интенсивности движения автотранспорта, а также в районах с повышенным загрязнением атмосферного воздуха от внешних источников выброса.
Известен способ очистки воздуха от оксида углерода (патент на изобретение № RU (11) 2 274 485(13) C2 МПК B01D 53/86 (2006.01), B01D 53/04 (2006.01), опубл. 2006.04.20, авторы: Ерохин Сергей Николаевич, Симаненков Станислав Ильич, Симаненков Эдуард Ильич, Путин Сергей Борисович, Гладышев Николай Федорович), включающий его пропускание через слой адсорбента, а затем через слой катализатора окисления оксида углерода на основе окислов марганца и меди, отличающийся тем, что адсорбент, через который пропускают очищаемый воздух, охлаждают, после катализатора воздух пропускают через подогреваемый адсорбент, после чего изменяют направление воздушного потока на противоположное, с одновременным охлаждением адсорбента на входе потока и подогревом адсорбента на выходе, при этом адсорбент охлаждают и подогревают с помощью термоэлектрических элементов, в которых осуществляют переключение направления электрического тока синхронно с изменением направления потока воздуха. Изобретение относится к сорбционно-каталитической очистке воздуха от загрязняющих веществ и может быть использовано для очистки приточной вентиляции помещений в случае забора воздуха в местах его высокого загрязнения выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания, а также салонов и кабин наземного транспорта от оксида углерода.
Недостатком данного способа является то, что адсорбент необходимо подогревать с помощью термоэлектрических элементов. Данный способ не является эффективным для очистки приточного воздуха помещений от газообразных органических загрязнителей.
Известен способ очистки газовых выбросов и устройство для его осуществления (патент на изобретения RU 2323769 C1 МПК B01D 53/00(2006.01), опубл. 2008.05.10, авторы: Золотушкин Андрей Аронович, Сержантов Виктор Геннадиевич). Изобретение относится к охране окружающей среды и может быть использовано для нейтрализации токсичных вредных продуктов при очистке выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей. Изобретение позволяет расширить температурный режим при очистке газовых выбросов в атмосферу и увеличить скорость реакции разложения вредных веществ. Способ очистки газовых выбросов, заключающийся в сорбции и совместном одновременном окислении-восстановлении газов путем последовательного пропускания их через по меньшей мере два слоя сорбента, отличающийся тем, что перед процессом окисления-восстановления газов осуществляют предварительную подготовку сорбента, в качестве которого используют смесь глауконита и шунгита, путем сорбирования ими из отходов гальванического производства окислов тяжелых металлов в течение не менее 3 ч, насыщенные сорбенты промывают водой от несорбированных окислов металлов, при этом в качестве первого слоя сорбента используют смесь природных глауконита и шунгита, а в качестве второго слоя используют смесь предварительно подготовленных глауконита и шунгита. Способ, отличающийся тем, что толщина первого и второго слоев сорбента одинаковая; тем, что применяют смесь глауконита и шунгита различного фракционного состава; тем, что смесь предварительно подготовленных глауконита и шунгита содержит в своем составе сорбированные окислы тяжелых металлов, являющиеся катализаторами, в том числе и смесевые, окисления-восстановления токсичных и вредных продуктов; тем, что используют смесь природных глауконита и шунгита и соответственно смесь предварительно подготовленных глауконита и шунгита в пропорции 1:1.
Недостатком данного способа является то, что необходимо предварительно подготовить сорбент, способ не является достаточно эффективным для очистки воздуха от газообразных органических загрязнителей от автотранспорта.
2
2
Известен способ очистки воздуха от токсичных компонентов и фильтрующий модуль для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов (патент на изобретение RU 2172641 (13) C1 МПК D 53/02, 53/04, 53/86, 35/01, опубл. 2001.08.27, авторы: Кумпаненко И.В., D Лосев В.В., Шеляпин И.П., Васильев Н.П., Романчук Э.В., Замараев Б.К., Дейкун М.М., Ермаков А.И., Довидчук А.Н.). Изобретение относится к сорбционно-каталитической очистке воздуха от загрязняющих веществ и может быть использовано для систем очистки от токсичных компонентов выхлопных газов. Предложены способ очистки воздуха от токсичных компонентов, включающий пропускание очищаемого воздуха через фильтр, улавливающий твердые частицы и аэрозоли, и через слой сорбента в фильтрующем модуле, через слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, при этом очищаемый воздух перед подачей в фильтрующий модуль нагревают до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину ΔT = 5-30°, и фильтрующий модуль для очистки воздуха от газообразных токсичных компонентов, включающий цилиндрический корпус и расположенный в нем слой сорбента (активированного угля) и слой окислительно-восстановительного катализатора на основе окислов марганца и меди, при этом слой катализатора выполнен в виде полого цилиндра, а слой сорбента, поглощающего углеводороды и другие органические соединения, размещен внутри цилиндрического каталитического слоя, и оба слоя установлены коаксиально с корпусом. Изобретение относится к сорбционно-каталитической очистке воздуха от загрязняющих веществ и может быть использовано для очистки приточной вентиляции помещений в случае забора воздуха в местах его высокого загрязнения выхлопными газами бензиновых и дизельных двигателей внутреннего сгорания. Главными загрязнителями воздуха для рассматриваемых объектов с концентрациями, существенно превышающими ПДК, являются окись углерода СО, оксиды азота NO и NO, углеводороды и другие органические соединения, двуокись серы SO, а также аэрозоли и частицы сажи и пыли.
Недостатком данного способа является то, что данный способ очистки требует экономических и энергетических затрат, так как фильтрующий модуль нагревают до температуры, превышающей температуру окружающего воздуха на величину ΔT = 5-30° , также данный способ не достаточно эффективен по органическим газообразным загрязнителям.
2
2
2
2
Наиболее близким к предлагаемому способу очистки воздуха от газообразных веществ является способ очистки воздуха, описанный в исследовании в г. Алмате (Казахстан) по очистке выхлопных газов автотранспорта с помощью коксуской шунгитистой породы (Мусина У.Ш., Оразова Д.Т., Бижанова Г.З, Нурдилданова Б.Е. Очистка выхлопных газов автотранспорта с помощью коксуской шунгитистой породы // Вестник КазНТУ (ҚазҰТУ ХАБАРШЫСЫ). 2012. №3 (91). С. 62-66. Алмата. - Режим доступа: https://official.satbayev.university/download/.../ВЕСТНИК-2012%20№3.pdf ҚазҰТУ ХАБАРШЫСЫ. ВЕСТНИК КазНТУ. №3 (91). АЛМАТЫ. 2012), заключающийся в пропускании загрязненного воздуха через шунгит. Объектом исследования являлись коксуские шунгиты двух видов: карбонатный (ТК) и сланцевый (ТС) разного фракционного состава (1-2,5 мм и 3,5-5,0 мм)), представляющие собой твердый сырьевой материал черного цвета без специфического запаха, добываемые на территории Казахстана и вырабатываемые ТОО «ГР «Коксу». Исследования выполнены на немодифицированных образцах шунгита различной степени дисперсности, обладающие незначимой сорбционной способностью, но обладающими особенными физико-химическими свойствами, позволяющими эффективно очищать газовые выбросы. Установка состояла из насоса-пробоотборника, индикатора, подсоединённого к адсорберу, наполненного шунгитом и тонким слоем колец Рашига, с помощью резинового шланга малого диаметра. Для экспериментальных исследований были отобраны пробы выхлопных газов автомобилей: ToyotaV6 (1997 года выпуска) и «Меrsedes» (1990 г. выпуска), заправленных бензином марки Ecoforce А-92 АЗС«Helios». Для изучения способности шунгита удалять газы, при каждом опыте засыпались свежие партии образцов шунгитов в различной последовательности. Выявлены соотношения материалов и последовательность их засыпки, оптимальные для достижения максимальной степени очистки. Измерение процентного содержания газов (CO, CO, HS, SO, NO+NO) в составе выхлопного газа, проводилось с помощью аспиратора и индикаторных трубок. Из выхлопной трубы производился отсос выброса с помощью аспиратора (не менее 10 откачиваний). Результаты исследований показали, что активнее проявляет себя к анализируемым газам (оксиду углерода (II), диоксиду углерода (IY), диоксиду азота (IY), оксиду азота (II)) карбонатный шунгит. При использовании смеси карбонатный + силикатный шунгит более активна фракция 3,5-5 мм. Эффект очистки, например, от диоксида углерода колеблется в пределах 20,0-100 %. Причем последовательность засыпки слоев, при которых получены наилучшие результаты - карбонатный, затем сланцевый.
Недостатком данного способа является то, что эффективность сорбента от органических газообразных веществ не установлена. Возникает необходимость поиска более эффективного способа снижения концентраций газообразных загрязнителей (оксида углерода (II), углеводородов алифатических (С1-С5), фенола, формальдегида) в очищаемом приточном воздухе, поступающего в помещения.
Задачей заявляемого изобретения является эффективный способ очистки от газообразных загрязнителей приточного воздуха помещений, который выражается в следующем техническом решении:
,
снижение в приточном воздухе концентраций газообразных загрязнителей: оксида углерода (II), углеводородов алифатических (С1-С5), фенола, формальдегида до уровня ПДК в помещении за счет последовательного пропускания воздуха через слой сорбента шунгита, слой сорбента силикагеля, слой катализатора на основе диоксида марганцаслой сорбента цеолита в соотношении масс 0,5:0,6:1:0,8 соответственно, определенного фракционного состава, где за единицу взята масса диоксида марганца, без перемешивания их масс.
Технический результат - очистка приточного воздуха от газообразных загрязнителей с получением очищенного внутреннего воздуха помещений, снижение концентраций оксида углерода (II), углеводородов алифатических (С1-С5), фенола, формальдегида до концентраций ПДК в воздухе помещений и эффективностью, представленной в табл. 1, 2, пример 1.
3
3
3
3
Указанный технический результат достигается тем, что загрязненный воздух последовательно пропускают сначала через слой сорбента шунгита, слой сорбента силикагеля, затем через слой катализатора на основе диоксида марганца, далее через слой сорбента - цеолита в соотношении масс 0,5:0,6:1:0,8 соответственно, определенного фракционного состава, где за единицу взята масса диоксида марганца, без перемешивания их масс: первый сорбент - шунгит Зажогинского месторождения, фракциями 1 мм, насыпной плотностью 1800 кг/м, толщиной слоя 20,45 мм; второй сорбент - силикагель технический КСКГ, фракциями 2,8 мм, насыпной плотностью 760 кг/м, толщиной слоя 21,55 мм, третий слой катализатора на основе диоксида марганца, фракциями 0,7-1 мм, насыпной плотностью 1400 кг/м, толщиной слоя 20 мм; четвертый сорбент - цеолит Холинского месторождения, фракциями 1-3 мм, насыпной плотностью 1020 кг/м, толщиной слоя 20,45 мм, при этом скорость пропускания воздуха 2,6-2,7 м/с.
Очистка газообразных загрязнителей приточного воздуха в помещении производилась следующим образом.
Поступающий приточный загрязненный воздух пропускали со скоростью 2,6-2,7 м/с последовательно через слои сорбента шунгита, сорбента силикагеля, далее через слой катализатора на основе диоксида марганца, затем через слой сорбента цеолита массой в соотношении 0,5:0,6:1:0,8 соответственно, с определенным фракционным составом, где за единицу взята масса диоксида марганца, без перемешивания их масс. Сорбенты позволяют очищать поступающий приточный воздух от газообразных загрязнителей: оксид углерода (II), углеводородов алифатических (С1-С5), фенола, формальдегида, катализатор на основе диоксида марганца позволяет окислять оставшийся в приточном воздухе оксид углерода (II) до углекислого газа.
3
Сначала газообразные загрязнители приточного воздуха  поступают на сорбент шунгит Зажогинского месторождения, фракции шунгита 1 мм, насыпная плотность шунгита 1800 кг/м, толщина слоя шунгита 20,45 мм.
3
Затем газообразные загрязнители воздуха поступают на сорбент - силикагель технический КСКГ, фракции силикагеля 2,8 мм, насыпная плотность 760 кг/м, толщина слоя силикагеля технического 21,55 мм.
3
Далее очищаемый приточный воздух поступает на катализатор на основе диоксида марганца, с фракциями 0,7-1 мм, насыпной плотностью 1400 кг/м, толщиной слоя 20 мм. Здесь воздух дополнительно очищается от оксида углерода (II) за счет окисления его до диоксида углерода.
3
Затем очищаемый воздух поступает на сорбент цеолит Холинского месторождения, фракции цеолита 1-3 мм, насыпная плотность 1020 кг/м, толщина слоя цеолита составляет 20,45 мм.
Пример 1.
3
2
Экспериментальную установку разметили в наружной стене в герметичном помещении объемом 32,4 м индивидуального жилого здания. Экспериментальная установка представляла собой воздуховод, диаметром 100 мм, в которую помещались фильтры с различными слоями сорбентов и катализатором (диоксидом марганца MnO).
Приточный воздух пропускали со скоростью 2,6-2,7 м/с.
В качестве загрязнителя воздушной среды выбрали двигатель внутреннего сгорания легкового автомобиля объемом 190 л/с, загрязненный приточный воздух подавали в экспериментальную установку по герметичному металлическому трубопроводу диаметром 900 мм от выхлопной трубы легкового автомобиля на холостом ходу.
3
3
3
3
Использовали воздух, загрязненный от выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания следующего состава: среднесуточные концентрации оксида углерода (II) 55 мг/м, углеводородов алифатических (С1-С5) 9,5 мг/м, фенола 0,014 мг/м, формальдегида 0,011 мг/м.
Для изучения способности шунгита, силикагеля, диоксида марганца, цеолита удалять газообразные загрязнители, при каждом варианте исследований засыпались свежие партии образцов сорбентов и катализатора в определенной последовательности. В процессе эксперимента снаружи и внутри помещения измерялась концентрация газообразных загрязнителей: оксида углерода (II), углеводородов алифатических (С1-С5), фенола, формальдегида, с помощью сертифицированных газоанализаторов ГАНК 4 и testo 341, фиксировались значения скорости воздушного потока, температура и влажность воздушной среды.
В экспериментальном исследовании оценивались шесть вариантов очистки приточного воздуха с определенным последовательным расположением фильтров со слоями сорбентов и катализатора, с определенным фракционным составом и массой, без перемешивания их масс:
3
1 - фильтр со слоем активированным углем марки АР-В: фракции 2,8 мм, насыпная плотность 600 кг/м, масса 20,55 г, толщина слоя 22,69 мм;
3
2 - фильтр со слоем шунгита Зажогинского месторождения: фракции 1 мм, насыпная плотность шунгита 1800 кг/м, масса шунгита 9,45 г, толщина слоя 20,45 мм;
3
3 - фильтр со слоем цеолита Холинского месторождения: фракции 1-3 мм, насыпная плотность 1020 кг/м, масса 16,38 г, толщина слоя 20,45 мм;
2
3
3
4 - два последовательно расположенных фильтра: первый - со слоем катализатора (диоксидом марганца - MnO): фракции 0,7-1 мм, насыпная плотность 1400 кг/м, масса 20 г, толщина слоя 20 мм, второй - со слоем сорбента силикагелем техническим (марки КСКГ): фракции 2,8 мм, насыпная плотность силикагеля 760 кг/м, масса 12,18 г, толщина слоя 21,55 мм.
3
3
3
3
5 - четыре фильтра в следующем порядке: первый - со слоем шунгита Зажогинского месторождения: фракции 1 мм, насыпная плотность шунгита 1800 кг/м, масса 9,45 г, толщина слоя 20,45 мм; второй - со слоем силикагеля технического (марки КСКГ): фракции 2,8 мм, насыпная плотность силикагеля 760 кг/м, масса 12,8 г, толщина слоя 21,55 мм, затем третий - со слоем катализатора диоксидом марганца: фракции 0,7-1 мм, насыпная плотность 1400 кг/м, масса 20 г, толщина слоя 20 мм; четвертый - со слоем цеолита Холинского месторождения: фракции 1-3 мм, насыпная плотность 1020 кг/м, масса 16,38 г, толщина слоя 20,45 мм.
3
3
3
3
6 - четыре фильтра: первый - со слоем активированным углем АР-В: фракции 2,8 мм, насыпная плотность 600 кг/м, масса 20,55 г, толщина слоя 22,69 мм; второй - со слоем силикагелем техническим (марки КСКГ): фракции 2,8 мм, насыпная плотность силикагеля 760 кг/м, масса 12, 8 г, толщина слоя 21,55 мм; третий - со слоем катализатора диоксидом марганца: фракции 0,7-1 мм, насыпная плотность 1400 кг/м, масса 20 г, толщина слоя 20 мм; четвертый - со слоем цеолитом Холинского месторождения: фракции 1-3 мм, насыпная плотность 1020 кг/м, масса 16,38 г, толщина слоя 20,45 мм.
Результаты расчета эффективности очистки газообразных загрязнителей при различных вариантах исследования и выбор наилучшего варианта очистки приточного воздуха в летний и зимний период года представлены в таблице 1,2.
Таблица № 1
Расчет эффективности очистки от газообразных загрязнителей при различных вариантах исследования и выбор наилучшего варианта очистки приточного воздуха в летний период
№ варианта исследований
Эффективность очистки воздуха внутри помещения, %
по оксиду углерода (II)
по углеводородам алифатическим (С1-С5)
по фенолу
по формальдегиду
1
2
3
4
5
1активирован-ныйуголь
76,92
29,82
25,27
19,44
77,33
27,64
24,89
28,57
76,36
25
25,26
28,13
2шунгит
88,92
9,36
8,49
11,11
87,69
5,88
12,66
14,29
86,15
6,47
15,79
3,13
3цеолит
56,36
58,48
50
41,67
54,67
58,82
55,04
37,14
51,43
51,25
43,53
28,13
4МО<sub>2</sub>+силика-гель
83,75
40,07
41,18
40
90,59
50
42,14
38
85
48,13
43,16
31,88
5шунгит + +силикагель+ МО<sub>2</sub> +цеолит
93,75
77,41
60,08
69,56
88
80,59
70,12
70,71
87,5
78,50
79,84
71,88
6уголь +силикагель+МО<sub>2</sub>+цеолит
74,74
60
39,65
45
72,5
59,41
39,30
43,43
54,67
56,25
41,26
38,13
Таблица № 2
Расчет эффективности очистки от газообразных загрязнителей при различных вариантах исследования и выбор наилучшего варианта очистки приточного воздуха в зимний период
№ варианта исследований
Эффективность очистки воздуха внутри помещения, %
по оксиду углерода (II)
по углеводородам алифатическим (С1-С5)
по фенолу
по формальдегиду
1
2
3
4
5
1активирован-ныйуголь
77,23
30,41
27,45
33,33
77,73
30,59
27,07
34,29
76,37
26,25
29,47
34,38
2шунгит
93,23
15,20
10,68
13,89
87,85
8,82
14,85
17,14
86,92
6,25
20
12,50
3цеолит
58,18
59,06
50,87
69,44
57,33
56,47
55,81
65,71
54,29
52,5
44,47
59,38
4МО<sub>2</sub>+силика-гель
85
40,78
45,53
38,89
91,76
50,59
43,23
48,57
86,25
48,75
49,47
40,63
5шунгит + +силикагель+ МО<sub>2</sub> +цеолит
95
79,46
64,34
70,50
89,33
84,78
75,52
73,73
91,25
81,51
80,84
75,89
6уголь +силикагель+МО<sub>2</sub>+цеолит
75,79
61,75
41,83
47,78
73,75
61,76
41,49
46,29
57,33
56,88
43,37
41,25
По результатам шести вариантов исследований в летний и зимний периоды года самую высокую эффективность очистки приточного воздуха помещения от газообразных загрязнителей имел пятый вариант исследований: последовательно расположенные слои сорбентов шунгита, силикагеля, слоя катализатора на основе диоксида марганца, слой сорбента цеолит массой в соотношении 0,5:0,6:1:0,8 соответственно, с определенным фракционным составом, где за единицу взята масса диоксида марганца, без перемешивания их масс:
- в летний период года - эффективность очистки приточного воздуха от газообразных загрязнителей пятого варианта исследования следующая: по оксиду углерода (II) - 93,75 %; по углеводородам алифатическим (С1-С5) - 80,59%, по фенолу - 79,84%, по формальдегиду - 71,88%. В зимний период года эффективность очистки 5 варианта несколько увеличивается за счет того, что газообразные загрязнители дольше находятся на поверхностях исследуемых сорбентов: по оксиду углерода (II) - 95%, по углеводородам алифатическим (С1-С5) - 84,78%; по фенолу - 80,84 %, по формальдегиду - 75,89 %. Полученная эффективность очистки приточного воздуха обеспечивает его очистку до ПДК газообразных загрязнителей в помещении.
Следовательно, способ очистки от газообразных загрязнителей приточного воздуха помещений заявляемого изобретения является эффективным и может быть использован для очистки приточного воздуха от газообразных загрязнителей помещений зданий, расположенных в районах с повышенным загрязнением атмосферного воздуха городской среды от внешних источников выброса.