ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЙ ОЧИСТИТЕЛЬ ВОЗДУХА

Полезная модель относится к экологии, а именно к устройствам, которые очищают воздух в помещениях от молекулярных органических и биологических загрязнителей - вредных химических веществ, запахов, токсичных газов, аллергенов, вирусов, бактерий, спор грибов и т.д.
Устройства, очищающие воздух в помещении, должны удалять из атмосферы:
Аэрозоли - твердые и жидкие частицы с размерами от 50 нм и выше, включая бытовую и техногенную пыль.
Все виды газообразных загрязнений, включающие органические газы, а так же NOх, СJ, NH3, Н2S и др. неорганические газы.
Первые две задачи решаются с помощью инерционных пылеулавителей типа циклон, скруберов и механических фильтров различных классов (Е.А.Штокман. Очистка воздуха. Москва: изд-во АСВ, 1999, стр.81-103, 110-118) Эти же задачи решаются фильтрующими устройствами, способными к фильтрации воздуха от дисперсных примесей путем униполярной зарядки аэрозольных частиц положительными газовыми ионами в зоне коронного разряда и последующего их улавливания в электростатическом осадителе под действием внешнего электрического поля. (В. Страус. Промышленная очистка газов. Москва: Химия. 1981, стр. 616).
Недостатками описанных выше устройств для очистки воздуха от аэрозольных загрязнений является: - для инерционных пылеулавителей повышенный уровень шума, создаваемый высокой скоростью воздушного потока, - для электростатических устройств недостатком является неэффективная очистка воздуха от нанодисперсных примесей; для фильтров с высоким классом очистки H11-U16 и выше, недостатком является высокое сопротивление воздушному потоку.
Задача очистки воздуха от газообразных загрязнений обычно решается с помощью адсорбционных, абсорбционных и каталитических устройств для очистки воздуха.(John D. Spengler, John F. McCarthy, Jonathan M. Samet, Indoor Air Quality Handbook, McGraw-Hill Professional, USA, 2000. р.205-315).
Недостатками этих устройств для очистки воздуха является ограниченная емкость адсорбентов, их селективность, а для термокаталитических устройств - высокие энергозатраты, необходимые для предварительного нагрева воздушного потока.
2
При комнатных температурах основным применяемым устройством для очистки воздуха является фотокаталитические очистители воздуха, реализующие явление фотокатализа. При фотокатализе на поверхности широкозонного полупроводника (TiO, ZnS) под действием света образуются электронно-дырочные пары которые взаимодействуют с поверхностными ОН группами и атмосферным кислородом разделяются пространственно по реакциям (1-3):
*
Радикал ОН быстрo реагирует с электронно-донорными молекулами. Энергии активации таких реакций близки к нулю.
Ион радикал O2 - реагирует с молекулами воды. Энергия активация этой реакции (5) довольно велика и приблизительно равна 40 кДж\моль для всех известных фотокаталитических реакций.
Именно эта реакция, которую так же можно назвать реакцией возврата катализатора к исходному состоянию, отвечает за положительную энергию активации всех известных реакций фотокаталитического окисления (Савинов Е.Н. «Фотокаталитические методы очистки воды и воздуха», Соросовский образовательный журнал, том 6, №11, 2000).
Во множестве устройств реализующих на практике явление фотокатализа для очистки воздуха от газообразных электронно-донорных загрязнителей температура носителя катализатора близка к комнатной или несколько выше, но всегда одинакова на всей поверхности фотокатализатора. Например, в очистители воздуха (US 6607702 В1, опубл. 19.08.2003) реализовано семь ступеней очистки, одна из которых фотокаталитическая. При этом все ступени очистки, включая фотокаталитическую, находятся при одинаковой температуре. Также устроен фотокаталитический очиститель воздуха, описанный в патенте на изобретение (RU 2352382, опубл. 20.04.2009)., включающий механический фильтр грубой очистки, грубоволокнистый электростатический фильтр, фотокаталитческий фильтр, фильтр из активированного угля, лампу мягкого ультрафиолетового излучения.
Общим недостатком таких устройств является генерация на выходе из устройства продуктов неполного окисления органических молекул, а именно: формальдегида, ацетальдегида и уксусной кислоты. Эти вещества плохо улавливаются активированным углем и поэтому при непрерывной работе в замкнутом помещении могут накапливаться. Так в условиях экспериментов описанных в (A.T.Hadgson, D.P. Sallivan, W.J.Fisk., Отчет Берклевской Национальной Лаборатории США, LBNL - 58936, 20.09.2005) концентрация формальдегида в помещении в результате работы рециркуляционного фотокаталитического устройства увеличивалась в 2 раза, ацетальдегида в 2,5 раза и уксусной кислоты в 1,5 раза по сравнению с первоначальной концентрацией этих веществ.
Указанного недостатка лишены фотокаталитические конвекционные очистители воздуха, представляющие собой трубу круглого или прямоугольного сечения расположенную вертикально. В центре трубы устанавливается источник ультрафиолетового (УФ)-света, например люминесцентная лампа. Тепло выделяемое лампой заставляет воздух двигаться по трубе, создавая естественную тягу.
Наиболее близким техническим решением по совокупности заявляемых признаков и выбранным за прототип является фотокаталитический очиститель воздуха конвективного типа (полезная модель RU 100189)., содержащий вертикально расположенный фотокаталитический элемент выполненный в виде трубы с нанесенным широкозонным полупроводниковым фотокатализатором (диоксид титана), внутри которого установлена ультрафиолетовая лампа и резистивный нагреватель для создания дополнительной тяги.
В этом устройстве на фотокаталитической поверхности существует температурный градиент 15°С\м, направленный снизу вверх. Повышенная температура в верхней части устройства приводит к увеличению скорости фотоокисления, не только исходных химических загрязнителей, концентрация которых по мере прохождения воздуха по трубе уменьшается, но и нежелательных полупродуктов, т.е. формальдегида, ацетальдегида и уксусной кислоты. В обычных реакторах с постоянной температурой фотокатализатора, концентрация этих полупродуктов увеличивается. При правильно подобранных параметрах фотокаталитического конвекционного очистителя концентрация всех загрязняющих воздух органических соединений, включая промежуточные продукты, на выходе из очистителя меньше, чем на входе. Таким образом, известное устройство позволяет на выходе сократить количество продуктов неполного окисления органических загрязнений, включая промежуточные продукты.
С другой стороны, воздух закрытых помещений всегда содержит аэрозоли и газообразные загрязнители, например пары стирола, являющиеся каталитическими ядами. Поэтому недостатками прототипа является: 1) снижение эффективности очистки воздуха таким устройством из-за покрытия фотокаталитического слоя аэрозолью 2) снижение эффективности очистки воздуха таким устройством из-за отравления фотокатализатора ароматическими органическими соединениями, каталитическими ядами.
Задачей настоящего технического решения является разработка конструкции устройства для очистки воздуха, позволяющего, при сохранении его главных положительных характеристик, т.е. минимального уровня шума и отсутствие продуктов неполного окисления органических загрязнений на выходе из устройства, в особенности формальдегида, ацетальдегида и уксусной кислоты, устранить покрытие аэрозолью фотокаталитического слоя и также устранить отравление фотокатализатора ароматическими органическими соединениями, каталитическими ядами.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение эффективности очистки воздуха и увеличения срока службы каталитического слоя.
Поставленная задача достигается предлагаемым фотокаталитическим очистителем воздуха включающим фотокаталитический вертикально расположенный элемент, с нанесенным широкозонным полупроводниковым фотокатализатором и выполненный в виде трубы, внутри которой расположен источник ультрафиолетового излучения и резистивный нагреватель, отличительной особенностью которого является, что очиститель дополнительно снабжен двухзонным электростатическим фильтром с коронирующими электродами и осадителем, выполненным из пористого диэлектрического материала и расположенным перед фотокаталитическим элементом по ходу воздуха, низкооборотным электронно-регулируемым вентилятором, установленным над фотокаталитическим элементом, и фильтром с катализатором разложения пероксидов и озона, расположенным за вентилятором по направлению воздушного потока, а фотокаталитический элемент с внешней стороны покрыт теплоизолирующим материалом.
Очиститель воздуха снабжен блоком управления и автоматики вентилятором и двумя датчиками температуры воздуха, расположенными на входе и выходе фотокаталитического элемента.
В качестве пористого диэлектрического материала используют, например, полимерный волокнистый материал, например, полипропилен или гидрофобные неорганические волокна.
2
В качестве катализатора используют широкозонный полупроводниковый фотокатализатор, например, нанокристаллический TiO анатазной модификации
В качестве источника УФ излучения используют лампу с длинноволновым диапазоном ультрафиолета А (315-400 нм).
Носитель фотокатализатора представляет собой трубу, выполненную из, например, керамики, стекловолокнистого материала, металла, спеченных стеклянных шариков, обернутую по внешнему диаметру теплоизолирующим материалом, например, типа фольгоизол на основе алюминивой фольги и полиэтилена.
На Фиг.1 приведена схема заявляемой полезной модели фото каталитического очистителя воздуха: 1 - фильтр с катализатором разложения пероксидов и озона 2 - вентилятор; 3 - термоизоляционный слой; 4 - фотокатализатор; 5 - источник УФ излучения (ультрафиолетовая лампа); 6 - резистивный нагреватель; 7 - двухзонный электростатический фильтр; 8 - осадитель 9 - коронирующие электроды; 10 - датчики температуры; 11 - блок питания и автоматики.
Предложенный фотокаталитический очиститель воздуха работает следующим образом: поток воздуха поступает на очистку в двухзонный электростатический фильтр большой емкости, где задерживаются аэрозольные частицы с размером выше 50 нм и генерируется озон, препятствующий отравлению фотокатализатора летучими ароматическими углеводородами, далее поток воздуха поступает в фотокаталитический элемент, где очищается от газообразных загрязнителей, а затем поступает в каталитический фильтр, где полностью очищается от пероксидов и озона.
Принцип работы предлагаемого фотокаталитического очистителя воздуха заключается в том, что блок управления вентилятором и мощностью резистивного нагревателя снабженный двумя датчиками температуры воздуха, расположенными на входе и выходе фотокаталитического элемента задает такие обороты вентилятора и мощность нагревателя, чтобы градиент температуры в фотокаталитическом элементе поддерживался в диапазоне 14°С/м до 20°С/м.).
Таким образом, отличительной особенностью работы настоящего очистителя воздуха является организация обратной связи между объемным расходом воздуха, проходящего через очиститель, и градиентом температуры (диапазон от 14°С/м до 20°С/м.), возникающим в вертикально расположенном фотокаталитическом реакторе, за счет тепла, выделяемого источником УФ излучения и тепла выделяемого резистивным нагревательным элементом. Такая связь достигается путем управления числом оборотов вентилятора со скоростю вращения в диапазоне от 0 до 1400 об./мин и мощностью резистивного нагревателя от измерителя разности температур воздуха на входе и выходе фотокаталитического элемента.
Таким образом предложен фотокаталитический очиститель воздуха содержащий 4 основных элемента: а) электростатический фильтр, содержащий коронирующие электроды и осадитель - диэлектрический гидрофобный фильтр заряженных аэрозолей; б) теплоизолированный фотокаталитический вертикально расположенный элемент, выполненный в виде трубы, с нанесенным широкозонным полупроводниковым фотокатализатором с источником УФ излучения и резистивным нагревателем, установленными внутри трубы; в) низкооборотный электронно-управляемый вентилятор, установленный над фотокаталитическим элементом и подающий воздушный поток на д) каталитический фильтр, предназначенный для разложения озона и пероксидов.
Предлагаемая полезная модель соответствует критерию «новизна», так как в известной научно-технической и патентной литературе отсутствует полная совокупность признаков, характеризующих предлагаемую полезную модель, а также критерию «промышленная применимость», так предлагаемая полезная модель может найти применение для очистки воздуха в помещениях от молекулярных органических и биологических загрязнителей, а также от аэрозолей.
Приведенные ниже примеры испытания иллюстрируют работу очистителя воздуха в 3-х различных режимах, позволяющих очищать воздух от всех загрязняющих компонентов в сравнении с прототипом - конвекционным очистителем воздуха.
На Фиг.2 показана кинетика фотоокисления этилового спирта и выделения углекислого газ при работе фотокаталитического очистителя воздуха конвекционного типа (прототипа).
На Фиг.3 показана кинетика фотоокисления этилового спирта и выделение углекислого газа при высоких концентрациях аэрозолей.
3
На Фиг.4 показана кинетика уменьшения концентрации аэрозолей, при объемной скорости воздуха через прибор, 6,5 м/час,
Пример 1. сравнительный (при работе конвекционного очистителя-прототипа, в воздухе не содержащим аэрозоля).)
2
Конвекционный очиститель воздуха, состоящий из цилиндрического носителя катализатора, с катализатором ТiO (анатаз 100%) и помещенной в центр цилиндра источник УФ излучения люминесцентная лампа PhilipsCleo36W. Внутренний диаметр носителя составляет 80 мм, внешний 90 мм, длина 440 мм. По внешнему диаметру носитель был обернут теплоизолирующим материалом, типа фольгоизол на основе алюминиевой фольги и полиэтилена, толщиной 10 мм.
3
3
2
5
Очиститель помещался в измерительный бокс объемом 3 м. В атмосфере бокса, с помощью шприц-дозатора и испарителя задавалась концентрация этилового спирта - 40 мг/м. После перемешивания воздуха в боксе вентилятором в течении 15 минут, включался очиститель воздуха. В ходе эксперимента определяли концентрацию исходного вещества (CH(OH)), ацетальдегида и углекислого газа, как промежуточного и конечного продуктов фотокаталитического окисления этилового спирта, соответственно. Концентрацию органических соеденений определяли с помощью газового хроматографа Цвет 600М, с концентрированием пробы на сорбционной трубке с адсорбентами Теnах-ТА и Карбосив S-III 60\80 меш, производства компании Супелко, США.
Концентрацию альдегидов определяли отбирая воздух на пробоотборники по МУК 4.1.1045-01. Концентрацию углекислого газа определяли с помощью прибора «Тест 1.2» производства ООО «Боиэр», РФ, с селективным NDIR детектором.
Кроме вышеуказанных параметров в эксперименте определяли шум, испытываемых устройств, в диапазоне звуковых частот 60 Гц - 12 кГц. Измерения уровня шума производились с помощью прибора Октава 110А, производства ООО «Эко-Интех», РФ.
Концентрацию аэрозолей в воздухе определяли с помощью фотометра ФАН-А, производства РФ. В качестве источника аэрозолей использовалось трансформаторное масло нагретое до температуры 60°С. При данной температуре образуются жидкие аэрозоли с размерами частиц 0,1-0,25 мкм. В ряде случаев использовали генератор твердых гигроскопичных аэрозолей KJ, производства ООО «Инготек», РФ.
3
На Фиг.2 показана кинетика уничтожения паров спирта конвекционным очистителем воздуха. Начальная скорость фотоокисления составляет 0,2 мг/мин. Объемная скорость потока воздуха 6 м/час. Шумов при работе конвекционного очистителя воздуха нет. Разница температур на входе и выходе из конвекционного очистителя воздуха составляет 7°С. За 180 минут в объеме испытательного бокса концентрация паров этилового спирта снижается до 0.
Необходимо отметить, что в таких условия эксперимента, ацетальдегида в газовой фазе в измеряемых количествах не обнаруживается.
Пример 2. сравнительный (при работе конвекционного очистителя-прототипа, в воздухе, содержащим аэрозоль).)
8
3
Прототип конвекционного очистителя воздуха испытывали так же как в Примере 1. В испытательном боксе создавали концентрацию аэрозолей трансформаторного масла равную 10 частиц/см. Результаты представлены на Фиг.3.
2
Из кинетики накопления CO в боксе видно, что углекислый газ образуется только из спирта, поскольку его концентрация через 200 минут в 2 раза превышает стехиометрическую. Начальная скорость окисления спирта в 3 раза ниже, чем в Примере 1. Кроме того в боксе наблюдается накопление ацетальдегида.
Этот пример показывает, что в случае конвекционного очистителя воздуха жидкие окисляемые аэрозоли масла отравляют катализатор и приводят к выделению вредного полупродукта окисления спирта -ацетальдегида.
Пример 3.
2
Испытания заявленного фотокаталитического очистителя воздуха. Испытания проводились по схеме описанной в Примере 1. Частота вращения вентилятора выбиралась так, чтобы разница температур на входе и выходе из фотокаталитического реактора составляла 7°С, т.е. была такой же как в прототипе. В эксперименте по фотоокислению спирта, в отсутствии жидких аэрозолей трансформаторного масла, кинетика окисления спирта и выделения СО оказалась такой же как показанная на Фиг.2. После создания в боксе концентрации жидких и твердых аэрозолей в 100 раз превышающих концентрацию аэрозолей в Примере 2, скорость фотокаталитического окисления спирта заявленным фотокаталитическим очистителем воздуха оказалась такой же, как в прототипе. Выделения промежуточных продуктов реакции в газовую фазу не наблюдалось.
3
3
Это означает, что аэрозоли трансформаторного масла захватывались электростатическим фильтром достаточно эффективно. Кинетика уменьшения концентрации аэрозолей, при объемной скорости воздуха через прибор, 6,5 м/час, показана на Фиг.4. В процессе эксперимента отбор проб воздуха производился непрерывно, воздух возвращался обратно в испытательный бок, скорость прокачки воздуха через кювету фотометра составляла 100 см/сек.
Математический расчет показывает, что эффективность захвата аэрозолей при малом расходе воздуха составляет 99,995%. Отдельно, при выключенном измерительном оборудовании, измерялся шум создаваемый прибором в октавном диапазоне 60 Гц - 12 кГц. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Шум к окружению заявляемого очистителя воздуха при скорости потока воздуха 7 м<sup>3</sup>/час
Суммарно
63 Гц
125 ГЦ
250 ГЦ
500 ГЦ
1 кГц
2 кГц
4 кГц
8 кГц
Уровень шума дБ.
21
21
20
20
0
0
0
0
0
Как следует из представленных в таблицы 1 данных низкочастотные шумы очень малы, а высокочастотные шумы практически отсутствуют.
Этот пример показывает, что заявляемый воздухоочиститель может удалять из воздуха газообразные и аэрозольные загрязнения с высокой эффективностью, практически не создавая шума.
Пример 4.
3
Заявляемый очиститель воздуха при работе вентилятора на повышенных оборотах (1400 об/мин) создает воздушный поток 120 м/час
10
-3
7
-3
В боксе создавали концентрацию жидких и твердых аэрозолей трансформаторного масла и частиц KJ, равную 5∗10 см и включали прибор на указанные выше обороты вентилятора. После 2 минут работы очистителя воздуха концентрация аэрозолей в камере составляла 3,5∗10 см Таким образом расчетная эффективность фильтрации аэрозолей за 1 проход составляет 99,96%, что соответствует классу фильтрации Н12 по (Измеренная кинетика фотокаталитического окисления этилового спирта практически совпала с кинетикой представленной на Фиг.2.
Этот пример показывает, что заявляемый прибор может эффективно уничтожать залповые выбросы аэрозолей. Такой режим очистки «залповых выбросов» необходим для работы прибора в курительных комнатах, на вытяжной технологической вентиляции объектов общественного питания и т.п. Важно отметить, что аэрозоли не попадают в фотокаталитический блок и не снижают эффективность работы фотокатализатора.
Пример 5.
3
Заявляемый очиститель воздуха при работе вентилятора на средних оборотах (700 об/мин) создает воздушный поток 60 м/час, а также с включенным резистивным нагревателем.
3
В городских помещениях концентрация органических загрязнений суммарно не превышает 10 ppm. Источники органических газообразных загрязнителей находятся внутри помещения и связанны с газовыделением строительных материалов, мебели, лаков, красок и деятельностью человека. Мощность таких источников постоянна и зависит, в основном, от температуры в помещении. Поэтому скорость удаления газообразных загрязнителей должна быть, по крайней мере, не меньше скорости их выделения. Для обеспечения жизнедеятельности человека при концентрации двуокиси углерода в воздухе, приточная система вентиляции должна доставлять не менее 25 м/час на одного человека. Следовательно при установившейся в помещении сумме концентраций органических загрязнений в диапазоне от 1 до 11 ppm, мощность источников составляет 25 ppm/час. Для существенного снижения концентрации загрязнителей скорость их уничтожения должна быть выше скорости их выделения, т.е. мощности источников. Скорость фотокаталитического окисления зависит только от интенсивности УФ излучения и температуры поверхности фотокатализатора. Кинетика окисления этилового спирта (Фиг.2) показывает, что скорость окисления этого вещества конвекционным очистителем воздуха, при использовании одной УФ-А лампы PhilipsCleoPLL-36W нe меньше мощности источников загрязнения.
3
С другой стороны воздушный поток 6-7 м/час, создаваемый естественной конвекцией в прототипе, не достаточен для захвата всех выделяемых загрязнителей, если их источники расставлены по помещению.
3
Поэтому заявленный очиститель воздуха был испытан при расходе воздуха 50 м/час с включенным резистивным нагревателем, мощностью 100 Вт.
Вместе с источником УФ-А излучения внутри фотокаталитического блока заявленного очистителя воздуха, выделяется тепловая мощность 136 Вт, которой достаточно для повышения температуры на выходе из блока на ΔТ:
3
Где, Ρ=1,2 кг/м - плотность воздуха при температуре 20°С
С=1000 Дж/кг* град - теплоемкость воздуха
3
N=50 м/час - объемная скорость воздуха.
3
3
3
В таблице 2 приведены концентрации загрязнителей поступающих в помещение объемом 50 м от различных внутренних источников. Состав загрязнений и их концентрация определялись с помощью накопления их на трубке Тенакс 510 с последующей термодесорбцией и ГХ/МС анализом пробы. Так же в таблице 2 приведены данные по составу и концентрациям загрязнителей при работающем заявляемом очистителе воздуха с производительностью 50 м/час. В обеих сериях измерений концентрация формальдегида и ацетальдегида измерялась с помощью реакционной ВЭЖХ по МУК 4.1.1045-01. Приток внешнего воздуха с улицы в помещение составлял 30 м/час.
Таблица 2.
Очитка воздуха в помещении 50 м<sup>3</sup> заявляемым очистителем воздуха.
№
Вещество
Концентрация, мкг/м<sup>3</sup>. Без очистителя воздуха
Концентрация, мкг/м<sup>3</sup>. С работающим очистителем воздуха
Степень конверсии вещества.
1
Этанол
120±1
42±0,5
0,65
2
Изопропиловый спирт
75±8
18,8±0,3
0,75
3
1-Бутанол
10±1
2,7±0,1
0,73
4
Фенол
4,8±0,1
1,2±0,1
0,75
5
МТВЕ
15±2
6,9±0,15
0,56
6
Ацетон
98±5
29,4±5
0,7
7
Гексаналь
5,3±0,2
2,12±0,05
0,6
8
Лимонен
7,8±0,2
3±0,1
0,62
9
Толуол
46±1
18,4±1
0,6
Средняя величина конверсии органических загрязнителей составляла 66%.
В таблице 3 представлены измерения концентраций формальдегида и ацетальдегида в описанных выше условиях опытов с включенным и выключенным очистителем воздуха.
Таблица 3.
Концентрация формальдегида и ацетальдегида
Вещество
Концентрация, мкг/м<sup>3</sup>. С выключенным очистителем воздуха
Концентрация, мкг/м<sup>3</sup>. С работающим очистителем воздуха
Формальдегид
30±4
22±4
Ацетальдегид
10±2
2,2±0,5
Из таблицы 3 видно, что прироста концентрации формальдегида и ацетальдегида в воздухе помещения при работающем заявленном очистителе воздуха не наблюдается. Напротив происходит снижение концентрации формальдегида на 26% и снижение концентрации ацетальдегида на 78% по сравнению с исходными значениями.
Таким образом, как видно из вышеописанных примеров, таблиц и графиков предлагаемый фотокаталитический очиститель воздуха позволяет эффективно очищать воздуха в помещениях от газообразных загрязнителей, любых аэрозольных соединений, при этом не снижается эффективность работы фотокатализатора, так не происходит отравление катализатора аэрозольными загрязнителями. Кроме этого, очиститель практически работает без шума.