CH717554A2 - Élément filtrant pour la purification et la désinfection de l'air et de l'eau. - Google Patents

Élément filtrant pour la purification et la désinfection de l'air et de l'eau. Download PDF

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CH717554A2
CH717554A2 CH00736/20A CH7362020A CH717554A2 CH 717554 A2 CH717554 A2 CH 717554A2 CH 00736/20 A CH00736/20 A CH 00736/20A CH 7362020 A CH7362020 A CH 7362020A CH 717554 A2 CH717554 A2 CH 717554A2
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Abstract

La présente invention concerne un élément filtrant (10) pour le nettoyage de l'air et/ou de l'eau, comprenant un matériau photocatalytique semi-conducteur (14) et une source d'énergie lumineuse (15) pour rayonner une lumière prévue pour activer des réactions photocatalytiques du matériau photocatalytique semi-conducteur (14). La source d'énergie lumineuse (15) est configurée comme un support (16) pour le matériau photocatalytique semi-conducteur (14). L'élément filtrant (10) peut être incorporé dans une unité de filtration.

Description

Domaine technique de l'invention
[0001] La présente invention concerne un élément filtrant pour la purification et la désinfection de l'air et de l'eau, en particulier à un élément filtrant photocatalytique pour l'élimination des polluants organiques et inorganiques. En particulier, la présente invention concerne un élément filtrant photocatalytique comprenant des nanofibres représentant une activité photocatalytique et avec une source d'énergie lumineuse incorporée utilisée pour le nettoyage de l'air et/ou de l'eau des contaminants tels que des produits chimiques polluants, microorganismes ou des résidus pharmaceutiques. En particulier, l'élément filtrant peut éliminer de nombreux types d'agents pathogènes organiques en suspension dans l'air, incluant des virus, des bactéries, des mycotoxines, des champignons, des spores et des particules allergènes. Un tel élément filtrant peut être accueilli comme une unité de filtration dans un nettoyeur d'air et/ou d'eau fourni avec un boîtier résistant à la lumière. Une telle unité de filtration peut être fournie dans un conduit de circulation d'air, un appareil respiratoire personnel tel qu'un masque anti-smog ou tel qu'un dispositif de filtrage autonome.
Art antérieur
[0002] Des filtres appliquant une photocatalyse comme principe de base sont bien connus. Un élément filtrant comprenant un matériau photocatalytique semi-conducteur tel que des nanofibres chargées ou dopées avec des photocatalyseurs en forme de nanoparticules utilise irradiation incidente dans les UV ou la région visible du spectre pour un mécanisme de transfert de charge. Sur une irradiation de lumière, une absorption de photon a lieu dans le matériau semi-conducteur et excite un électron de la bande de valence à la bande de conduction si l'énergie des photons est égale ou est plus grande que la bande passante du matériau photocatalytique semi-conducteur. En particulier, des électrons sont excités de la bande de valence du semi-conducteur photosensible, laissant un trou derrière eux, à la bande de conduction. Ces porteurs de charge photo-induits procèdent en formant des intermédiaires réactifs, en particulier les espèces oxydantes et réductrices ainsi que les radicaux hydroxyles et les radicaux super oxydes, qui attaquent les produits chimiques absorbés ou diffusés sur la surface des photocatalyseurs pendant la durée de vie de l'intermédiaire réactif. Une autre réaction ayant lieu en l'absence d'un piégeur approprié existe en recombinaison d'une paire d'électrons et de trous produisant de l'énergie thermique. Cependant, uniquement les molécules en contact direct avec la surface photocatalytique participeront aux réactions photocatalytiques.
[0003] Des nanoparticules utilisées comme photocatalyseurs tels que dioxyde de titane (TiO2) et/ou trioxyde de tungstène (WO3) dans les moyens filtrants présentent des propriétés caractéristiques définies comme une grande surface spécifique, grande stabilité, faible toxicité, voies de synthèse simples, bonne absorptivité, mobilité électronique et bon rapport coût-efficacité.
[0004] Le dioxyde de titane est le semi-conducteur photosensible le plus largement étudié en raison de son activité photocatalytique supérieure par l'absorption du rayonnement électromagnétique proche de la région UV, ses propriétés optiques et électriques, non-toxicité, excellente stabilité physique et chimique, faible coût et grande disponibilité. Des nanoparticules de TiO2peuvent être utilisées avec différentes compositions de phase, cristallinités telles que l'anatase et/ou le rutile et surfaces montrant une variation des propriétés et des performances photocatalytiques. Un exemple d'une nanoparticule photocatalytique est la P25 de Degussa (Evonik), utilisée comme semi-conducteur sensible à la lumière dans la photocatalyse pour le traitement des polluants environnementaux. La P25 est un biphasé de TiO2avec une haute activité photocatalytique contenant plus de 80% en poids de structure cristalline anatase avec une petite quantité de structure cristalline rutile (15% en poids) et une petite quantité de phase amorphe avec une taille de particules d'environ 20 nm. Des nanoparticules de P25 intégrés dans des nanofibres présentent des efficacités catalytiques élevées attribuées à leurs compositions de phase.
[0005] Cependant, plusieurs inconvénients de l'utilisation des nanoparticules de dioxyde de titane sont connus. Par exemple, le dioxyde de titane présente une forte probabilité de recombinaison conduisant à de faibles taux de transformations chimiques souhaitées par rapport à l'énergie lumineuse absorbée. En outre, le TiO2a une grande énergie de bande passante et nécessite donc une lumière ultraviolette pour la photoactivation. En outre, le TiO2présente une faible capacité d'absorption des polluants organiques non polaires. Pour surmonter ces inconvénients, plusieurs stratégies et modifications du TiO2ont été employées. Il s'agit notamment d'étendre la longueur d'onde de la photoactivation du TiO2à la région visible du spectre, empêchant la recombinaison électron/trou et/ou d'augmenter l'affinité d'adsorption du TiO2envers les polluants organiques. Des modifications de TiO2pour améliorer ses propriétés photocatalytiques comprennent le dopage métallique et non métallique, sensibilisation des colorants, modification des surfaces, fabrication de composites avec d'autres matériaux, immobilisation et stabilisation sur des structures de support. Des exemples sont des nanoparticules de TiO2chargées avec des points quantiques de carbone (CD) utilisés pour former un composite présentant une photoactivité élevée et d'autres bonnes propriétés pour le nettoyage environnemental. Des composites de TiO2-Ag sont connus pour présenter des taux de recombinaison des paires d'électrons plus faibles que le TiO2. Le TiO2sur la zéolite sont connus comme des photocatalyseurs. D'autres modifications du TiO2ou d'autres nanoparticules photocatalytiques sont connues.
[0006] Le composite photocatalytique peut comprendre une pluralité de supports tels qu'un matériau nanofibreux sous forme d'une maille, en particulier comme une maille non tissée, portant ou dopés par des nanoparticules photocatalytiques. Les nanofibres et les méthodes pour les produire sont bien connues. Par exemple, un milieu nanofibreux ou une membrane nanofibreuse peuvent être fabriqués par un traitement en solution à partir d'un électrofilage à base d'aiguilles, d'un électrofilage à base de nanospider et d'un filage forcé/centrifuge. Les nanofibres ou la membrane nanofibreuse sont décorées de nanoparticules par exemple via un procédé de photodéposition. Une autre méthode utilise des nanoparticules dispersées dans une solution polymère liquide, qui seront ensuite transformées en nanofibres électrofilées. Différents types de nanoparticules peuvent être utilisés, de sorte qu'ils diffèrent en termes de composition photocatalytique, de propriétés multifonctionnelles, de résistance et de flexibilité.
[0007] L'efficacité des filtres photocatalytiques est liée à l'activité photocatalytique des photocatalyseurs incorporés. Par exemple, des efforts sont faits pour améliorer l'efficacité photocatalytique en réduisant l'écart d'énergie entre les bandes de conduction et de valence, en augmentant la surface de contact entre le photocatalyseur, le polluant cible et la lumière. En outre, plusieurs stratégies pour améliorer l'activité photocatalytique sont développées, par exemple l'augmentation de la capacité d'adsorption de la lumière des photocatalyseurs intégrés, l'amélioration de l'activité de la lumière visible, le retard de la recombinaison de la paire électron-trou et l'augmentation de la surface du photocatalyseur. Ces améliorations sont liées directement ou indirectement à l'utilisation de matériaux nanofibreux décorés ou dopés avec des nanoparticules photocatalytiques.
[0008] Les nanofibres telles que les nanofibres creuses et les nanofibres solides, selon leurs caractéristiques structurelles, ont généralement un diamètre compris entre 10 et 500 nm. Les structures de nanofibres dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière visible et ultraviolette de 390 nm peuvent générer de nouveaux matériaux fonctionnels. Ils sont transparents aux rayonnements électromagnétiques et permettent donc d'irradier correctement l'ensemble du volume de la structure tridimensionnelle nanofibreuse en améliorant l'activité photocatalytique. Alors qu'une fine couche de nanofibres permet d'obtenir une bonne transmission optique, une couche plus épaisse favorise la diffusion de la lumière et améliore l'efficacité lumineuse. Dans les tapis désordonnés, les non-tissés, etc., l'environnement inhomogène à l'échelle microscopique causé par l'orientation aléatoire des nanofibres renforce les effets de diffusion de la lumière.
[0009] Dans les systèmes photocatalytiques, la recombinaison des paires électron-trou représente une limite d'efficacité car les électrons de la bande de conduction se recombinent rapidement. Pour l'efficacité d'un photocatalyseur lié à un processus d'interface, il est important de faire en sorte que les molécules acceptant les électrons et celles à décomposer soient proches les unes des autres. La capacité à capturer les particules est censée être due à la combinaison de l'interception des particules à l'échelle nanométrique par les nanofibres et du mouvement bownien ou la „marche aléatoire“ des particules. L'augmentation de la capacité de capture peut être obtenue en augmentant l'aire de surface fournie, par exemple en réduisant le diamètre de la nanofibre et/ou en augmentant la densité de tassement et/ou en fournissant un flux de turbulence pour une diffusion efficace du milieu dans le système réactionnel. Dans le cas d'une structure tridimensionnelle constituée de plusieurs couches de nanofibres ou de nanofils, les nanoparticules photocatalytiques dopées ne sont distantes des particules capturées que de quelques microns. Par conséquent, l'interaction avec les électrons générés par les nanoparticules photocatalytiques augmente significativement de plusieurs ordres de grandeur.
[0010] De manière générale, une valeur indiquant l'activité photocatalytique est la surface spécifique exprimée en rapport surface/poids en m<2>/g ou en rapport surface/volume en m<2>/m<3>. Des nanoparticules photocatalytiques ou des nanocomposites ont une surface spécifique très élevée. Par exemple, des nanoparticules de TiO2avec une structure cristalline anatase ont une surface spécifique allant jusqu'à 145 m<2>/g. Pour préparer un milieu photocatalytique tel qu'une membrane photocatalytique, une étape importante consiste à fixer les nanoparticules photocatalytiques ou les nanocomposites sur un support approprié tel qu'une membrane ou une maille. Diverses méthodes ont été étudiées, telles que le revêtement par immersion, le revêtement par centrifugation, l'électrofilage, le dépôt physique et la précipitation par immersion. En particulier, la technique d'électrofilage offre une voie idéale pour construire un milieu de filtration en nanofibres, qui est une structure en réseau de nanofibres hautement poreuses avec une taille et une distribution de la taille des pores contrôlables, ainsi que des pores d'écoulement interconnectés. En raison de la surface spécifique élevée du TiO2, une structure de nanofibres photocatalytiques résultant de 1 ml ou 1 g de solution polymère avec 10% de nanoparticules de TiO2peut fournir 14.5 m<2>de surface photocatalytique dans un volume de quelques cm<3>seulement.
[0011] Un autre aspect de l'utilisation d'une structure tridimensionnelle de nanofibres dopées est le fait que seule une source d'énergie lumineuse de faible puissance, qui peut être intégrée dans la structure, est nécessaire pour activer l'activité photocatalytique de ce milieu photocatalytique semi-conducteur, même dans la masse d'une structure de nanofibres photocatalytiques. Théoriquement, l'énergie lumineuse nécessaire pour exciter les électrons d'un matériau photocatalytique semi-conducteur n'a pas de minimum puisqu'un seul photon, tel qu'un photon ultraviolet, peut exciter un électron. Il est donc possible d'utiliser seulement 60 mW d'énergie lumineuse pour 1 cm<2>d'une structure de nanofibres non tissées ayant une capacité photocatalytique de plusieurs m<2>.
Résumé de l'invention
[0012] L'objet de la présente invention est de fournir un élément filtrant amélioré pour la purification et la désinfection de l'air et/ou de l'eau. Un autre aspect de la présente invention est de fournir une unité de filtration pour le traitement de la pollution, qui peut être utilisée dans des appareils personnels et dans des environnements domestiques, de transport et/ou industriels.
[0013] Ces objectifs sont atteints selon l'invention en améliorant l'interaction à une interface entre le photocatalyseur, la molécule cible à détruire et la lumière. Par conséquent, l'élément filtrant fournit un système qui intègre les technologies photocatalytiques et les technologies d'illumination. De plus, selon un agencement amélioré entre une source d'énergie lumineuse et le matériau photocatalytique semi-conducteur, il est possible de mettre à disposition une unité avec un haut rendement énergétique et une grande compacité, un faible poids, une bonne portabilité et une large applicabilité.
[0014] La solution est basée sur un nouvel agencement d'un matériau photocatalytique semi-conducteur tel que des nanofibres dopées avec des nanoparticules photocatalytiques ou au moins partiellement revêtues d'un film photocatalytique et d'une source d'énergie lumineuse, rayonnant des ondes lumineuses dans la région ultraviolette ou visible selon le type de matériau photocatalytique appliqué. Selon l'invention, la source d'énergie lumineuse pour rayonner de la lumière ultraviolette ou visible est au moins partiellement configurée comme un support pour le matériau photocatalytique semi-conducteur. Selon l'invention, un support peut être une structure d'une pluralité de micro ou nanofibres comprenant des guides d'ondes optiques ou peut être une structure d'une pluralité de micro ou nanofibres photocatalytiques présentant une activité photocatalytique ainsi que l'émission de la lumière.
[0015] La réaction du photocatalyseur, qui utilise la lumière comme source d'énergie d'activation, peut se produire à la fois en phase liquide et en phase gazeuse. La technologie utilisant la réaction de photocatalyse avec la lumière pour la réaction d'oxydoréduction des molécules organiques et/ou inorganiques est adaptée à une décomposition non spécifiée. L'un des facteurs déterminant l'activité photocatalytique du photocatalyseur semi-conducteur est ses propriétés d'absorption de la lumière. Le processus photocatalytique a lieu lorsque la lumière (photons) ayant une énergie égale ou supérieure à l'écart de bande du semi-conducteur photocatalyseur est absorbée par la nanoparticule photocatalytique. Le transfert de photons peut être défini comme l'irradiation efficace du photocatalyseur par la lumière. Selon la façon dont la source de lumière est configurée pour irradier le photocatalyseur, on peut distinguer différents types de dispositifs ou d'unités, tels que des lampes à l'intérieur ou à l'extérieur du dispositif ou des guides d'ondes conduisant la lumière à partir de lampes à l'extérieur du dispositif et/ou émettant la lumière. Par conséquent, si l'unité est prévue pour utiliser la lumière naturelle, des lampes supplémentaires peuvent être utilisées pour améliorer les performances de l'appareil. Les considérations importantes pour améliorer les dispositifs photocatalytiques tels que l'élément filtrant comprennent le transfert de masse de la molécule cible vers la surface du catalyseur, la maximisation de la surface éclairée du catalyseur, l'augmentation de la quantité d'irradiation de la surface par volume de réaction qui détermine la vitesse de transfert des photons et l'amélioration de la vitesse cinétique de la réaction. La plupart des matériaux photocatalytiques connus nécessitent une énergie d'activation élevée, qui se trouve principalement dans la lumière ultraviolette et n'existe pas dans la lumière visible. Par conséquent, l'invention concerne la conception d'une configuration améliorée d'un élément filtrant photocatalytique adapté à l'utilisation de la lumière ultraviolette et/ou de la lumière visible, permettant une énergie suffisante des photons afin d'atteindre la surface totale du catalyseur.
[0016] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément filtrant comprend une structure d'au moins une pluralité de nanofibres photocatalytiques dopées avec ou comprenant des nanoparticules photocatalytiques ou revêtues au moins partiellement d'un film photocatalytique. Cette structure peut se présenter sous la forme d'une structure en réseau tridimensionnel, par exemple une maille non tissée ou une membrane.
[0017] Cette structure peut avoir une influence sur les performances de l'élément filtrant en raison du transport sélectif des molécules à détruire, des produits et/ou des réactifs à travers la structure, en particulier une membrane. En plus de fournir un moyen efficace de réaliser la récupération, la régénération et la réutilisation du catalyseur par l'immobilisation du matériau photocatalytique dans ou sur une membrane, la membrane peut également définir le volume de réaction en confinant le catalyseur, les polluants et les intermédiaires de dégradation dans le volume de réaction. Dans un système avec des photocatalyseurs immobilisés dans ou sur la membrane, la membrane photocatalytique agit à la fois comme une barrière sélective pour les contaminants à dégrader afin de les maintenir dans le volume de réaction et comme un support pour le photocatalyseur. Cependant, dans le cas d'une membrane photocatalytique immobilisée, le contact photocatalyseur/réactifs peut être entravé par la limitation du transfert de masse due aux propriétés de la membrane.
[0018] Dans un processus photocatalytique, le photocatalyseur lui-même est le composant clé. Les propriétés du photocatalyseur et sa concentration dans le volume de réaction ont un rôle important sur la performance photocatalytique. L'utilisation de nanoparticules photocatalytiques hétérogènes dopées permet d'obtenir des réactions photocatalytiques en plusieurs étapes et donc d'augmenter les performances photocatalytiques.
[0019] En outre, les propriétés de transport de la membrane comme la perméabilité et la sélectivité sont affectées par la structure, l'épaisseur et la composition de la membrane et de la couche de nanoparticules photocatalytiques. Le transport de masse à travers la membrane, en particulier le débit à travers la membrane, est un paramètre clé. Le débit détermine les temps de contact entre le photocatalyseur et les contaminants en tant que réactifs ainsi que le transfert de masse des contaminants vers les sites catalytiques et des produits de dégradation à partir de ceux-ci. Par conséquent, le transfert de masse doit être suffisamment rapide pour éviter de limiter la réaction, tandis que le temps de contact doit être approprié pour contrôler la sélectivité de la réaction. Dans la conception des structures photocatalytiques, non seulement la sélection d'un matériau de membrane approprié est importante pour assurer la stabilité mécanique, thermique et chimique, la photostabilité et la transparence, les propriétés de transport de la membrane et l'incorporation du photocatalyseur, mais aussi l'épaisseur de la structure photocatalytique. L'augmentation de l'épaisseur de la structure photocatalytique pourrait apporter de meilleurs résultats en termes de capacité d'adsorption et de performance photocatalytique en raison de la génération d'un plus grand nombre de paires électron-trou. Cependant, au-delà d'une certaine valeur, l'épaisseur de la structure photocatalytique a des effets négatifs sur le débit à travers la membrane, la vitesse des processus de recombinaison des porteurs et l'intensité de la lumière entrant dans la structure photocatalytique. Par exemple, la structure peut comprendre une pluralité de nanofibres faites d'un matériel optique, dopées avec ou comprenant des nanoparticules photocatalytiques ou revêtues au moins partiellement d'un film photocatalytique. Le matériel optique peut être du poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA). Pour assurer le transport des photons, les nanofibres ont un diamètre supérieur à la longueur d'onde du rayonnement stimulant. Dans un mode de réalisation, le matériau photocatalytique semi-conducteur et la source d'énergie lumineuse peuvent être fournis sous la forme d'une structure intégrée dans laquelle une pluralité de nanofibres de PMMA constitue un composite photocatalytique avec une activité photocatalytique. En outre, la structure intégrée peut comprendre une pluralité de nanofibres photocatalytiques et une pluralité de micro- ou nanofibres optiques incorporées.
[0020] Alternativement, une pluralité de nanofibres polymères dopées avec ou incluant des nanoparticules photocatalytiques ou revêtues au moins partiellement d'un film photocatalytique et fournies sous la forme d'une maille non tissée ou d'une structure à film mince peuvent être appliquées sur divers substrats de support, par exemple des membranes ou des structures en verre, en plastique et/ou en polymère fournissant non seulement le support pour le matériau semi-conducteur mais fonctionnant comme source d'énergie lumineuse.
[0021] Dans un mode de réalisation, le substrat peut être constitué d'un matériel optique tel que le poly(méthyl-méthacrylate) (PMMA), également connu sous le nom d'acrylique, de verre acrylique ou de plexiglas. Le matériel optique peut être conçu sous la forme d'une structure réticulaire fournissant un support avec des caractéristiques définies et/ou un système de livraison de fibres optiques pour transmettre et/ou émettre de la lumière. Alternativement, dans le cas de nanofibres à revêtement photocatalytique, le matériel optique peut être conçu comme des fibres de verre.
[0022] Selon un mode de réalisation, la source d'énergie lumineuse peut comprendre des fibres à émission latérale ou à lueur ou des guides d'ondes optiques fibreux de telle sorte que la lumière s'échappe progressivement le long des fibres en créant une lueur uniforme. La source d'énergie lumineuse reçoit des photons d'une source lumineuse de lumière visible ou ultraviolette, qui peut être disposée à l'intérieur ou à l'extérieur d'une unité de filtration comprenant l'élément filtrant photocatalytique. Cette structure combinant des activités photocatalytiques et d'illumination montre une efficacité de photodégradation élevée même avec une structure d'une certaine épaisseur en surmontant la pénétration limitée de la lumière.
[0023] La source de lumière est un facteur important dans les systèmes photocatalytiques car elle détermine la conception et l'application de la technologie. Selon un mode de réalisation de l'invention, la lumière est émise par au moins une source lumineuse telle qu'une lampe ultraviolette, un laser ou une diode électroluminescente (LED). Ces dispositifs émettent généralement un rayonnement ultraviolet à ondes longues (315 à 400 nm) ou à ondes courtes (200 à 315 nm). Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la lumière visible peut être utilisée comme source d'énergie lumineuse, notamment lors de l'utilisation de nanoparticules de WO3comme photocatalyseur. L'un des avantages des LED réside dans la possibilité de contrôler la puissance radiante émise avec le courant direct. Normalement, on utilise des lampes à mercure à basse et moyenne pression. Bien que les lampes à basse pression aient une intensité ultraviolette inférieure à celle des lampes à moyenne pression, leur durée de vie nettement plus longue et leur faible consommation d'énergie électrique sont avantageuses.
[0024] Une source d'énergie lumineuse efficace pour la photocatalyse est une source qui a une intensité lumineuse uniforme et des spectres d'émission étroits, qui minimise la perte de chaleur pendant le fonctionnement, qui émet une longueur d'onde qui n'est pas absorbée par le substrat/polluant, qui fournit une illumination maximale du matériau photocatalytique et qui est facilement incorporée dans une unité de filtration pour former une seule unité.
[0025] Dans un mode de réalisation de l'invention, un matériau électroluminescent (EL) est utilisé pour convertir l'énergie électrique en énergie optique, de manière à générer des photons. Dans ce cas, la source d'énergie lumineuse peut être configurée comme une structure de matériau électroluminescent et est adaptée pour supporter le matériau photocatalytique semi-conducteur. Les matériaux électroluminescents sont capables d'émettre de la lumière en réponse à l'application d'un courant électrique ou d'un champ électrique fort. L'apport d'énergie électrique à la couche électroluminescente élève le centre luminescent à son état excité et le relâche à son état fondamental en dissipant l'énergie absorbée, par exemple en émettant un photon. Il est connu que les dispositifs électroluminescents, notamment les dispositifs EL à couche mince utilisant des substances organiques comme matériaux lumineux, émettent une lumière de haute luminance même à de faibles tensions appliquées et présentent donc d'excellents rendements lumineux. En général, un tel élément filtrant comprend une première électrode et une seconde électrode sous la forme d'une maille et entre les couches du matériau électroluminescent et du matériau semi-conducteur photocatalytique. Par exemple, la première électrode ou la seconde électrode peuvent être formées sur la couche électroluminescente.
[0026] Selon un mode de réalisation de l'invention, la première électrode et la seconde électrode, respectivement les plaques de condensateur, sont fournies sous la forme d'une grille à mailles ouvertes présentant une magnitude étonnamment similaire à la capacité d'un condensateur parallèle à plaques pleines, même lorsque la surface de la grille est inférieure de plusieurs ordres de grandeur à la surface de la plaque. Les plaques de condensateur peuvent être formées de brins de filaments isolants électriques qui sont liés entre eux pour former un maillage ouvert. Les revêtements métalliques disposés sur des parties prédéterminées de la maille, tout en maintenant la caractéristique de maille ouverte, peuvent fournir les caractéristiques capacitives. Dans ce cas, la structure nanofibreuse photocatalytique peut adhérer ou non à la première ou à la deuxième électrode. Avantageusement, en chargeant électrostatiquement la maille, les petites particules comme les particules de poussière peuvent être capturées par la maille de manière électrostatique.
[0027] En outre, le diamètre des nanofibres utilisées comme nanofibres photocatalytiques peut être compris entre 70 et 700 nm. Le matériau photocatalytique peut inclure du dioxyde de titane ou un autre composant bien connu présentant des propriétés photocatalytiques sous forme de nanoparticules ou sous forme de revêtement ou dispersé dans le polymère ou sous forme de composé photocatalytique tel que TiO2-Ag, TiO2-W, CdS-TiO2. Les catalyseurs modifiés peuvent être utilisés avec des activités antimicrobiennes et une activité photocatalytique.
[0028] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément filtrant peut être incorporé dans une unité de filtration équipée d'un boîtier et d'une source lumineuse disposée à l'intérieur ou à l'extérieur de ce boîtier, la source lumineuse étant adaptée pour pomper des photons vers la source d'énergie lumineuse. L'unité de filtration comprenant au moins une structure de nanofibres photocatalytiques dopées avec ou comprenant des nanoparticules photocatalytiques ou au moins partiellement revêtues d'un film photocatalytique et une source d'énergie lumineuse. Fournie en tant qu'unité unique, cette unité de filtration est caractérisée par une faible perte de charge. L'élément filtrant, avec sa structure très poreuse, crée une grande surface avec une résistance à l'écoulement extrêmement faible. L'unité de filtration peut être disposée dans des purificateurs d'air, peut être utilisée dans les systèmes de circulation d'air, dispositifs respiratoires personnels et/ou dispositifs de filtrage autonomes pour piéger les polluants et pour transformer les produits chimiques nocifs et les détruire de manière efficace.
Brève description des dessins
[0029] Des modes de réalisation de l'élément filtrant selon l'invention seront expliqués de manière plus précise dans ce qui suit, à titre d'exemple, en se référant aux dessins ci-joints : La figure 1 illustre de manière schématique un élément filtrant selon un premier mode de réalisation de l'invention ; et La figure 2 illustre de manière schématique un élément filtrant selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention
[0030] La figure 1 illustre un élément filtrant 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention. L'élément filtrant photocatalytique 10 inclut une pluralité de nanofibres photocatalytiques 12 (représentées schématiquement) dopées avec ou incluant des nanoparticules photocatalytiques ou revêtues au moins partiellement d'un film photocatalytique. L'élément filtrant 10 peut être formé comme une maille non tissée fournissant une structure en réseau tridimensionnel. Les nanofibres 12 peuvent être prévues comme étant des nanofibres polymères sur lesquelles des nanoparticules photocatalytiques, par exemple du TiO2, sont décorées. Une pluralité de nanoparticules photocatalytiques crée des surfaces photocatalytiques auxquelles des molécules d'eau absorbées depuis un gaz ou une phase liquide peuvent adhérer. En raison de l'hydrophilicité du TiO2l'eau forme une couche adsorbante proche des surfaces photocatalytiques, laquelle définit un processus fondamental se produisant lors de la réaction photocatalytique hétérogène. Du TiO2de taille nanométrique a montré une performance photocatalytique accrue en raison d'un grand rapport surface/volume ou surface/poids. Du TiO2est utilisé de préférence dans la forme de revêtement immobilisé, par exemple préparé à partir du dépôt de nanoparticules de TiO2sur des nanofibres 12 ou à partir du dépôt de nanofibres de TiO2sur un substrat ou un support.
[0031] Une technique possible pour la fabrication des nanofibres tridimensionnelles en forme de réseau de manière rentable est l'électrofilage. Les nanofibres fabriquées 12 ont un diamètre moyen de plus de 100 nm et la structure tridimensionnelle en réseau fonctionne en tant que supports pour des nanoparticules photocatalytiques ou un film photocatalytique.
[0032] En outre, la performance de purification de l'élément filtrant 10 dépend de l'humidité, la source d'énergie lumineuse, la concentration d'entrée des polluants, le type de photocatalyseur et la conception de l'élément filtrant.
[0033] Comme représenté sur la figure 1, une pluralité de nanofibres 12 dopée avec un composé photocatalytique utilisé comme matériau semi-conducteur 14 peut être configurée en forme d'une structure 17 comme une maille non tissée ou une structure tridimensionnelle d'une épaisseur prédéterminée. Cette structure 17 de matériau photocatalytique semi-conducteur 14 peut être déposée sur un substrat ou un support 16 fait d'un matériel optique. Le support peut être vu comme source d'énergie lumineuse 15 de l'élément filtrant 10. Le support 16 peut être fait d'une pluralité de fibres faites d'un matériel optique ou des guides d'ondes optiques telles que les fibres PMMA. Ces fibres PMMA peuvent être de type à lueur latérale émettant des photons ultraviolets pompés par une source lumineuse 18 telle qu'une source lumineuse ultraviolette le long de la longueur des guides d'ondes optiques.
[0034] La figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'élément filtrant 10 de manière schématique. Comme dans le premier mode de réalisation, l'élément filtrant 10 comprend la structure 17 d'une pluralité de nanofibres 12 dopées avec ou incluant des nanoparticules photocatalytiques. La structure 17 du matériau photocatalytique semi-conducteur 14 est en forme d'une maille non tissée et est déposée sur le support 16. Selon le deuxième mode de réalisation, le support 16 est fait de matériau électroluminescent 20, en particulier en forme d'une structure réticulaire. Le matériau photocatalytique semi-conducteur 14 et le matériau électroluminescent 20 forment des couches qui sont agencées entre une première électrode 22 et une deuxième électrode 24, formant des plaques de condensateur d'un dispositif condenseur.
[0035] Dans ce mode de réalisation, la source d'énergie lumineuse est configurée comme une structure de matériau électroluminescent 20 et est adaptée pour soutenir le matériau photocatalytique semi-conducteur 14. Le matériau électroluminescent 20 émet une lumière en réponse à l'application de courant électrique ou un champ électrique fort, en particulier une lumière de haute luminance. Le mode de réalisation de l'élément filtrant 10 représenté sur la figure 2 comprend la première électrode 22 et la deuxième électrode 24 sous forme d'une maille et entre des couches du matériau électroluminescent 20 et le matériau photocatalytique semi-conducteur 14.

Claims (14)

1. Élément filtrant (10) pour la purification et la désinfection de l'air et/ou de l'eau, comprenant – un matériau photocatalytique semi-conducteur (14), – une source d'énergie lumineuse (15) pour rayonner une lumière prévue pour activer des réactions photocatalytiques du matériau photocatalytique semi-conducteur (14), où la source d'énergie lumineuse (15) est configurée comme un support (16) pour le matériau photocatalytique semi-conducteur (14).
2. Élément filtrant (10) selon la revendication 1, dans lequel des nanofibres photocatalytiques (12) sont fournies par nanoparticules photocatalytiques dans ou sur des nanofibres (12) ou par un film photocatalytique revêtu au moins partiellement sur des nanofibres (12), où une pluralité des nanofibres photocatalytiques forme une structure.
3. Élément filtrant (10) selon la revendication 2, dans lequel les nanofibres photocatalytiques (12) sont faites d'un matériel optique.
4. Élément filtrant (10) selon la revendication 2, dans lequel le matériau photocatalytique semi-conducteur (14) est conçu comme une maille non tissée des nanofibres photocatalytiques (12) supportées sur un substrat de la source d'énergie lumineuse (15) faite d'un matériel optique.
5. Élément filtrant (10) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel le matériel optique est un poly(méthylméthacrylate) (PMMA).
6. Élément filtrant (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la source d'énergie lumineuse (15) comprend des fibres lumineuses latérales ou guides d'ondes optiques fibreux, recevant des photons depuis au moins une source lumineuse (18).
7. Élément filtrant (10) selon la revendication 6, dans lequel au moins la source lumineuse (18) est une source lumineuse ultraviolette conçue comme une lampe ultraviolette, un laser ou une diode électroluminescente (LED).
8. Élément filtrant (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la source d'énergie lumineuse (15) est configurée comme une structure de matériau électroluminescent (20) et adaptée comme le support (16) du matériau photocatalytique semi-conducteur (14).
9. Élément filtrant (10) selon la revendication 8, dans lequel le matériau électroluminescent (20) et le matériau photocatalytique semi-conducteur (14) sont agencés comme des couches entre une première électrode (22) et une deuxième électrode (24), qui sont fournies sous forme d'une maille, respectivement.
10. Élément filtrant (10) selon la revendication 2, dans lequel un diamètre des nanofibres (12) sont dans la plage entre 70 et 700 nm.
11. Élément filtrant (10) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau photocatalytique semi-conducteur (14) inclut du TiO2.
12. Élément filtrant (10) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau photocatalytique semi-conducteur (14) inclut composés de nanoparticules comprenant du TiO2ou du AG du W ou du WO3décorés par TiO2.
13. Unité de filtration (100) comprenant un élément filtrant (10) selon l'une des revendications précédentes, comprenant un boîtier et au moins une source lumineuse (18) agencée à l'intérieur ou à l'extérieur du boîtier et adaptée pour pomper des photons dans la source d'énergie lumineuse (15).
14. Unité de filtration (100) selon la revendication 13, dans lequel l'unité de filtration (100) est utilisée dans un système de circulation d'air, dispositif respiratoire personnel et/ou dispositif de filtrage autonome.
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