Устройство для фотокаталитической очистки воздуха

Изобретение относится к области фотокаталитической очистки газов, в т.ч. воздуха, и может быть применено в различных устройствах очистки воздуха модульного типа, в которых возможно перед модулем фотокаталитической очистки устанавливать модуль, генерирующий коронный разряд. Описан способ очистки кислородсодержащих газов, в том числе воздуха, окислением с помощью фотокатализатора на основе диоксида титана, при котором исходную газовую смесь, содержащую разлагаемые вещества, непосредственно перед подачей в секцию фотокаталитической очистки прогоняют через коронный разряд, в котором происходит ее насыщение ионами. Описано устройство для очистки кислородсодержащих газов, в том числе воздуха, путем фотокаталитического окисления газовой смеси, содержащей окисляемые вещества, которое содержит фотокаталитическую секцию, состоящую из воздухопроницаемого носителя с нанесенным фотокатализатором из диоксида титана и ультрафиолетовых ламп, непосредственно перед фотокаталитической секцией расположен коронатор, т.е. зона коронного разряда, насыщающая очищаемый воздух ионами. Технический результат - увеличение скорости окисления. 2 н.п., 7 з.п. ф-лы, 9 пр., 1 ил.

Изобретение относится к области фотокаталитической очистки газов, в т.ч. воздуха, и может быть применено в различных устройствах очистки воздуха модульного типа.

Фотокаталитическая очистка газов и устройства для ее проведения хорошо известны. Например, в свидетельстве на полезную модель (RU 8634, B01J 19/10) описан фотокаталитический очиститель воздуха - светильник, в котором фотокатализатор нанесен на пористый светопропускающий материал. Таким образом, органические примеси, содержащиеся в воздухе, при прохождении через пористый фильтр адсорбируются на фотокатализаторе и разлагаются под действием ультрафиолетового света. Недостатком такого изобретения являются: 1) небольшая скорость очистки и 2) возможность потери активности катализатора (дезактивация) в случае мощного залпового выброса загрязнителя за счет блокирования поверхности молекулами окисляемого субстрата.

Для того, чтобы не допустить возможной дезактивации, а так же увеличить скорость очистки воздуха, предложен способ фотокаталитической очистки газов (RU 2259866 B01D 53/86, B01J 21/06), при котором исходную газовую смесь, содержащую окисляемые вещества, насыщают парами пероксида водорода, а затем подают в фотокаталитический фильтр. Скорость фотопроцессов при этом увеличивалась до 2 раз за счет дополнительного образования ОН радикалов при разложении пероксида водорода в фотокаталитической фильтре. Недостатками являются: 1) не слишком выраженный эффект увеличения скорости фотопроцесса;

2) технические трудности при насыщении воздуха парами пероксида водорода и 3) опасность при работе с высококонцентрированными водными растворами пероксида водорода.

Одновременно известен способ очистки воздуха и соответствующие устройства, использующие свойства коронного разряда. Например, в заявке RU 93038257, A61L 9/015, описаны способ и устройство для дезодорации, при которых очистка воздуха происходит за счет деструктивного окисления озоно-воздушной смесью в высокочастотном электрическом токе высокой напряженности при наличии, в том числе, коронного разряда с одновременным воздействием светового излучения, спектр которого смещен в ультрафиолетовую область. К недостаткам такого способа относится: 1) низкая скорость разложения органики; 2) токсические интермедиаты окисления, которые могут образовываться в результате разложения органических примесей в высокочастотном электрическом токе и 3) загрязнение очищаемого воздуха озоном.

В свидетельстве на полезную модель (RU 24634, A61L 9/16, A61L 9/22, A61L 9/014, В03С 3/08) предлагается устройство для очистки и ионизации воздуха, состоящее из аэрозольного фильтра, генератора коронного разряда, электростатического фильтра и вентилятора, в котором проблема устранения озона решается путем установки катализатора разложения озона и поглотителя продуктов озонирования после электростатического фильтра.

В заявке на изобретение (RU 2004101745, B01D 53/86) также предлагается использовать каталитические блоки для восстановления диоксида азота и озона, образовавшихся в результате работы электростатического фильтра. К недостаткам обоих изобретений относится низкая скорость окисления органических соединений.

В способе очистки газовых выбросов (RU 2286201, B01D 53/32, B01D 53/86, B01J 19/08) предлагается проводить очистку воздуха путем каталитического окисления органических веществ и продуктов их разложения обработкой электрическим полем с одновременной каталитической обработкой газового потока каталитическим покрытием, размещенным на осадительных электродах. К недостаткам указанного способа относится то, что данный способ применим только к промышленным высококонцентрированным выбросам, и не подходит для использования в бытовых и индивидуальных целях.

Наиболее близким к настоящему способу является способ высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей (RU 2352382, B01D 53/32, B01D 53/86, В03С 3/017, A61L 9/20), в котором предложена стадийная схема очистки воздуха, согласно которой вначале грубодисперсные частицы улавливают механическим фильтром грубой очистки. Затем частицы униполярно заряжают положительными газовыми ионами в зоне коронного разряда и осаждают на поверхности и в объеме электростатического грубоволокнистого фильтра, который поляризован внешним электрическим полем, вектор напряженности которого коллинеарен вектору скорости воздушного потока. Затем частицы подвергают фотоокислению под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны более 0,3 мкм на поверхности фотокаталитического фильтра. Заключительная сорбция окислительного газа и кислородсодержащих молекулярных соединений происходит в порах фильтра из активированного угля.

Основным недостатком такого способа является наличие осадительной зоны после зоны коронного разряда, но до зоны фотокаталитического фильтра, поскольку в этом случае заряженные ионы разряжаются в осадительной зоне и не долетают до фотокаталитического фильтра и, таким образом, не ускоряют фотокаталитические процессы.

Изобретение решает задачу повышения эффективности очистки воздуха от молекулярных примесей.

Задача решается способом фотокаталитической очистки газов, в том числе воздуха, окислением с помощью фотокатализатора на основе диоксида титана, при котором исходную газовую смесь, содержащую разлагаемые вещества, непосредственно перед подачей в секцию фотокаталитической очистки пропускают через зону коронного разряда, в котором происходит ее насыщение ионами.

В качестве фотокатализатора в предлагаемом изобретении используют чистый диоксид титана в модификации анатаз с удельной поверхностью более 50 м² /г или такой же диоксид титана, но модифицированный металлами d-элементами или их оксидами, нанесенный на воздухопроницаемый носитель, в качестве которого могут быть использованы, например, пенокерамические или стеклокерамические блоки.

Задача решается за счет введения в зону фотокаталитического фильтра положительно или отрицательно заряженных аэроионов, которые получаются при прохождении воздушного потока через зону коронного разряда, расположенную после электростатического фильтра непосредственно перед фотокаталитическим фильтром. Коронный разряд получают на коронаторе, заряженном положительно или отрицательно относительно земли. Более предпочтительным является отрицательный заряд коронатора, так как в этом случае могут образовываться активные кислородсодержащие анионы, такие как O₂^-, которые могут ускорять фотокаталитические процессы. Кроме того, отрицательный коронный разряд является более стабильным и позволяет закачивать в корону большую энергию и, как следствие, генерировать большее количество активных заряженных частиц.

Задача решается также устройством для фотокаталитической очистки газов, в том числе воздуха, путем фотокаталитического окисления газовой смеси, содержащей окисляемые вещества, которое содержит фотокаталитическую секцию, состоящую из воздухопроницаемого носителя с нанесенным фотокатализатором из диоксида титана и ультрафиолетовых ламп, непосредственно перед фотокаталитической секцией расположена зона коронного разряда, т.е. коронатор, насыщающая очищаемый воздух ионами.

Коронатор состоит из параллельных заземленных пластин, между которыми на равном расстоянии расположены коронирующие проволоки.

Потенциал на коронирующих проволоках секции коронного разряда варьируется в пределах от 6,5 до 15 кВ.

Диаметр коронирующей проволоки может варьироваться в пределах от 0,05 до 10 мм.

Расстояние между заземленными пластинами может варьироваться в пределах от 10 до 200 мм.

На коронирующие проволоки может подаваться положительный или отрицательный потенциал.

На Фиг.1 представлен пример возможной конструкции фотокаталитического очистителя воздуха, в котором фотокаталитические реакции ускоряются заряженными ионами, образующимися в коронном разряде. Принцип действия данного устройства состоит в следующем. Загрязненный воздух вначале поступает в зону электростатического фильтра (1), состоящего из зоны заряжения и зоны осаждения, в которой происходит отделение пыли и аэрозолей. Далее воздух поступает в зону коронного разряда (2) в которой воздух насыщается заряженными аэроионами и, в том числе ионами О₂^-. В зоне фотокаталитической очистки (3), состоящей из проницаемых носителей, покрытых фотокатализатором, и ультрафиолетовых ламп, происходит очистка воздуха на молекулярном уровне. В завершении очистки воздух поступает в зону (4) в которой может происходить доочистка воздуха от заряженных частиц и других короткоживущих соединений на угольном или каталитическом фильтре.

В случае если поступающий для очистки воздух не содержит пыль в значительных количествах возможно использование устройства, аналогичного изображенному на Фиг.1, но без ступени (1). Ступень (4) так же может не использоваться, если речь идет, например, об очистке промышленных газов. Таким образом, основным является использование рядом стоящих секций коронного разряда (2) и фотокатализа (3), совместное использование которых способно приводить к значительному ускорению процессов очистки.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами разложения паров ацетона, толуола и ацетальдегида в камере объемом 3,3 м³.

В камеру устанавливают фотокаталитический очиститель воздуха, изображенный на Фиг.1, в конструкции которого присутствуют только секция коронного разряда (2), фотокаталитическая секция (3) и вентилятор, который обеспечивает прохождение воздуха через секции со скоростью 150 м²/ч. Расстояние между заземленными пластинами в секции (2) - 50 мм, диаметр коронирующей проволоки - 1 мм. Камера дополнительно оснащена вентилятором производительностью 300 м²/ч для эффективного перемешивания. Концентрацию паров органических веществ и продукта окисления - СО₂ в камере измеряют ИК-Фурье спектрофотометром Vector 22 (Bruker), оснащенным многопроходной газовой кюветой объемом 0,7 л. Полный ток коронного разряда составляет ~1 мА

при отрицательном потенциале на проволоках - 10 кВ. Фотокаталитический фильтр содержит две люминесцентные УФ лампы производства Philips электрической мощностью 80 Вт каждая. Лампы были окружены цилиндрическим проницаемым для воздуха носителем с осажденным фотокатализатором TiO ₂ Hombikat UV 100 с величиной удельной поверхности 50 м ²/г.

Пример 1 (сравнительный).

В камеру вводят 1 мл жидкого ацетона и дожидаются его полного испарения. Через 15 мин включают фотокаталитический очиститель воздуха, секция коронного разряда при этом не включена, а фотокаталитическая секция включена. Скорость разложения паров ацетона измеренная по скорости накопления СO₂ за первые 60 мин процесса составила 0,97 ppm/мин.

Пример 2 (сравнительный).

Аналогичен примеру 1, с тем исключением, что фотокаталитический очиститель работает в режиме, при котором секция коронного разряда была включена, а фотокаталитическая секция была выключена. Скорость разложения паров ацетона измеренная по скорости накопления СO ₂ за первые 60 мин процесса составляет 0,85 ppm/мин.

Пример 3.

Аналогичен примеру 1, с тем исключением, что фотокаталитический очиститель работает в режиме, при котором обе секции были включены. Скорость разложения паров ацетона измеренная по скорости накопления СО₂ за первые 60 мин процесса составляет 3,71 ppm/мин.

Сравнение примеров 1-3 показывает, что секция коронного разряда и фотокаталитическая секция по отдельности дают приблизительно одинаковый вклад в скорость разложения паров ацетона. При одновременной работе обеих секций скорость окисления возрастает практически в 4 раза, что говорит о значительном влиянии коронного разряда на скорость фотокаталитической очистки воздуха.

Пример 4 (сравнительный).

В камеру вводят 1 мл жидкого толуола и дожидаются его полного испарения. Через 15 мин включают фотокаталитический очиститель воздуха, секция коронного разряда при этом не включена, а фотокаталитическая секция включена. Скорость разложения паров толуола измеренная по скорости накопления СO₂ за первые 60 минут процесса составляет 0,48 ppm/мин.

Пример 5 (сравнительный).

Аналогичен примеру 4, с тем исключением, что фотокаталитический очиститель работает в режиме, при котором секция коронного разряда была включена, а фотокаталитическая секция была выключена. Скорость разложения паров толуола измеренная по скорости накопления СO ₂ за первые 60 мин процесса составиляет0,51 ppm/мин.

Пример 6.

Аналогичен примеру 4, с тем исключением, что фотокаталитический очиститель работает в режиме, при котором обе секции были включены. Скорость разложения паров толуола измеренная по скорости накопления СО₂ за первые 60 мин процесса составляет 1,87 ppm/мин.

Сравнение примеров 4-6 показывает, что секция коронного разряда и фотокаталитическая секция по отдельности дают приблизительно одинаковый вклад в скорость разложения паров толуола, как и в случае с разложением паров ацетона. При одновременной работе обеих секций скорость окисления возрастает более чем в 3 раза, что говорит о значительном влиянии коронного разряда на скорость фотокаталитической очистки воздуха.

Пример 7 (сравнительный).

В камеру вводят 1 мл жидкого ацетальдегида и дожидаются его полного испарения. Через 15 мин включают фотокаталитический очиститель воздуха, секция коронного разряда при этом не включена, а фотокаталитическая секция включена. Скорость разложения паров ацетальдегида измеренная по скорости накопления СО₂ за первые 60 мин процесса составляет 1,71 ppm/мин.

Пример 8 (сравнительный).

Аналогичен примеру 7, с тем исключением, что фотокаталитический очиститель работает в режиме, при котором секция коронного разряда была включена, а фотокаталитическая секция была выключена. Скорость разложения паров ацетальдегида измеренная по скорости накопления СО ₂ за первые 60 мин процесса составляет 1,2 ppm/мин и при этом наблюдали образование побочного продукта - угарного газа.

Пример 9. Аналогичен примеру 7, с тем исключением, что фотокаталитический очиститель работает в режиме, при котором обе секции были включены. Скорость разложения паров ацетальдегида измеренная по скорости накопления СО₂ за первые 60 мин процесса составляет 6,35 ppm/мин.

Сравнение примеров 7-9 показывает, что секция коронного разряда с меньшей скоростью разлагает пары ацетальдегида, чем фотокаталитическая секция и при этом образуется побочный токсический продукт - угарный газ. При одновременной работе обеих секций скорость окисления возрастает более чем в 5 раза, что говорит о значительном влиянии коронного разряда на скорость фотокаталитической очистки воздуха.

1. Устройство для фотокаталитической очистки воздуха путем фотокаталитического окисления газовой смеси, содержащей окисляемые вещества, содержащее фотокаталитическую секцию, состоящую из воздухопроницаемого носителя с нанесенным фотокатализатором из диоксида титана и ультрафиолетовых ламп, отличающееся тем, что непосредственно перед фотокаталитической секцией расположена зона коронного разряда, насыщающая очищаемый воздух ионами, состоящая из параллельных заземленных пластин, между которыми на равном расстоянии расположены коронирующие проволоки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что потенциал на коронирующих проволоках зоны коронного разряда варьируется в пределах от 6,5 до 15 кВ.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр коронирующей проволоки может варьироваться в пределах от 0,05 до 10 мм.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между заземленными пластинами может варьироваться в пределах от 10 до 200 мм.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на коронирующие проволоки может подаваться положительный или отрицательный потенциал.