Generátor aktivních kyslíkových částic

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zařízení pro generaci aktivních kyslíkových částic elektrickým výbojem s přítomností fotokatalyzátoru dioxidu titanu TiO₂.

Dosavadní stav techniky

Aktivní kyslíkové částice, jako je například ozon, atomy kyslíku, peroxid vodíku atd., jsou oxidačním činidlem, které ve styku s plísněmi, spórami nebo s bakteriemi tyto kontaminanty ničí. Vzhledem k těmto vlastnostem se dodáváním výše uvedených aktivních kyslíkových částic do prostoru, ve kterém jsou skladovány nebo přepravovány potraviny, zelenina nebo ovoce, dosahuje prodloužení jejich trvanlivosti. Aktivní kyslíkové částice se také dají použít pro potlačení biokoroze, ničení plísní spor a bakterií na papíru, dřevě, plastových materiálech případně na výrobcích obsahujících tyto materiály.

Aktivní kyslíkové částice, jako je například ozon, atomy kyslíku, peroxid vodíku atd. jsou pro praktické aplikace obvykle generovány elektrickými výboji za atmosférického tlaku. Nejčastěji se jedná o dielektrický bariérový výboj případně o výboj koronový. Aktivní kyslíkové částice jsou generovány plazmachemickými procesy, které jsou spouštěny energetickými elektrony generovanými výbojem. Elektrony disociují molekuly dusíku a kyslíku přítomné ve vzduchu a spouštějí soustavu reakcí vedoucích jak ke generaci, tak i k rozpadu výše uvedených aktivních částic. Výsledná koncentrace těchto aktivních kyslíkových částic je pak dána dynamickou rovnováhou uvedených reakcí.

Vzhledem k tomu, že však generace ozonu i ostatních aktivních kyslíkových Částic samotnými elektrickými výboji již téměř dosáhla teoretických mezí jsou hledány cesty jak tuto generaci zvýšit například optimalizací systému napájení výboje nebo použitím dalších polí aplikovaných na výboj. Jednou z možností je aplikace magnetického pole na generátor ozonu. Je známé řešení podle CZ 19678 kdy je generátor ozonu tvořen válcovou výbojovou komorou, jejíž stěna z vodivého materiálu je uzemněná. V ose této komory je do jejího vnitřního prostoru zaústěna svým hrotem elektricky vodivá dutá centrální elektroda. Druhý konec této duté centrální elektrody je uzpůsoben pro přívod stlačeného pracovního plynu, obvykle vzduchu nebo kyslíku a je přes stabilizační odpor připojena ke svorce záporné polarity vysokonapěťového zdroje. Výstup směsi vzniklého ozonu s pracovním plynem je vytvořen ve stěně válcové výbojové komory. Podstatou tohoto řešení je, že válcová výbojová komora je umístěna mezi dvěma permanentními magnety tak, že vektor magnetické indukce pole vytvořeného těmito permanentními magnety je kolmý na vektor proudové hustoty, orientovaný radiálně mezi dutou centrální elektrodou a vnější válcovou elektrodou tvořenou stěnou válcové výbojové komory. Použití magnetického pole, kdy vektor magnetické indukce je kolmý k vektoru proudové hustoty, vede k intenzifikaci procesů ionizace, ke zvýšení generace elektronů a následně tedy ke zvýšení koncentrace ozonu produkovaného výbojem. Výhodou řešení s použitím magnetického poleje, že se zvýšení koncentrace generovaného ozonu až o 40 % oproti klasickým systémům využívajícím pouze samotný výboj dosáhne bez dalších energetických nároků. Nicméně další zvýšení koncentrace generovaných aktivních kyslíkových Částic by umožnilo snížení energetických nároků kladených na generátor a možnost zvětšení průtoku vzduchu generátorem při zachování požadované koncentrace těchto částic v pracovním prostoru do kterého jsou dodávány.

Je známé řešení podle US 7 382 087 B2, kdy generátor ozonu na bázi objemového dielektrického výboje je tvořen dvěma rovinnými vodivými elektrodami umístěnými v prostoru generátoru. Na vnitřních stěnách těchto elektrod, případně na další dielektrické vrstvě na stěně alespoň jedné z těchto vodivých elektrod je vytvořena vrstva fotokatalyzátoru. K aktivaci fotokatalyzátoru je použito záření emitované elektrickým výbojem, který vždy hoří v prostoru mezi oběma vodivými elektrodami, případně mezi vodivými elektrodami pokrytými dielektrickou vrstvou nebo vrstvou fotokatalyzátoru. Nevýhoda tohoto řešení spočívá v tom, že se elektrodový systém skládá ze dvou rovinných vodivých elektrod, na kterých je buď přímo nanesen fotokatalyzátor, neboje do prostoru mezi vodivými elektrodami vložena další dielektrická destička, přičemž šířka výbojového prostoru nepřevyšuje 0.6 mm. Tím je omezena hmotnost fotokatalyzátoru, který může být do výbojového prostoru umístěn a současně i velikost plochy tohoto fotokatalyzátoru osvícená ultrafialovým zářením z výboje. Kromě toho je elektrodový systém poměrně složitý.

Ozon a další aktivní kyslíkové částice vznikají také v čističkách vzduchu. Jedná se například o UV Air purifier - air sterilizer (AirSteril AS 500, Čína). U těchto čističek vzduchu je již používán fotokatalyzátor TiO₂ nanesený v tenké vrstvě v prostoru čističky, přičemž kjeho fotoaktivaci je obvykle používána ultrafialová lampa. Nevýhodou tohoto způsobu aktivace je nízká energetická účinnost ultrafialové lampy. U nejnovějších typů čističek vzduchu je již používán elektrický výboj obvykle s koaxiální konfigurací elektrod s tím, že ve výbojovém prostoru je nanesena tenká vrstva fotokatalyzátoru TiO₂. Ultrafialové záření generované elektrickým výbojem pak slouží k aktivaci fotokatalyzátoru a tím i ke zvýšení koncentrace generovaných aktivních kyslíkových částic. Toto řešení se tedy týká zvýšení generace aktivních kyslíkových částic elektrickým výbojem, kterého lze dosáhnout umístěním vhodných katalyzátorů, například dioxidu titanu TiO₂ do prostoru elektrického výboje. Výhodou tohoto řešení je, že se zvýšení koncentrace aktivních kyslíkových částic dosáhne při snížené spotřebě energie, což umožní stavbu kompaktnějších a účinnějších generátorů uvedených druhů částic v porovnání se stávajícím stavem. Nicméně i zde by další zvýšení koncentrace generovaných aktivních kyslíkových částic umožnilo snížení energetických nároků kladených na generátor a možnost zvětšení průtoku vzduchu generátorem při zachování požadované koncentrace těchto částic v pracovním prostoru do kterého jsou dodávány.

Podstata technického řešení

Zvýšení koncentrace aktivních kyslíkových částic generovaných elektrickým výbojem v porovnání se stávajícím stavem umožňuje generátor aktivních kyslíkových částic podle předkládaného řešení.

Generátor aktivních kyslíkových částic s povrchovým dielektrickým bariérovým výbojem je tvořený výbojovou komorou s rovinným nebo koaxiálním systémem elektrod, kde jedna strana výbojové komory je opatřena vstupem vzduchu a protilehlá strana je opatřena výstupem směsi vzduchu, aktivních kyslíkových částic a dalších produktů výboje. První vodivá vysokonapěťová elektroda je vytvořená v případě rovinného systému elektrod na jedné ploše dielektrické destičky umístěné v prostoru výbojové komory a v případě koaxiálního systému elektrod je vytvořena na vnější straně válce z dielektrického materiálu směřující do prostoru výbojové komory. Druhá elektroda je uzemněná vodivá elektroda a je vytvořená v případě rovinného systému elektrod na druhé ploše dielektrické destičky a v případě koaxiálního systému elektrod je vytvořena na vnitřní straně válce z dielektrického materiálu. Koaxiálně s tímto válcem je umístěn druhý válec sloužící jako stěna výbojové komory. Ve výbojovém prostoru výbojové komory je přítomen fotokatalyzátor TiO₂. Podstatou tohoto provedení je, že fotokatalyzátor TiO₂ je ve formě 3-rozměmých objektů rovnoměrně rozprostřen alespoň v jedné vrstvě alespoň na části povrchu stěny výbojové komory obrácené směrem do výboje.

Je výhodné je-li fotokatalyzátor TiO₂ alespoň na části povrchu stěny výbojové komory obrácené směrem do výboje rozprostřen alespoň po povrchu, rovnajícím se povrchu, který zabírá v dané oblasti výboj.

Všeobecně lze říci, že použitím fotokatalyzátoru TiO₂ se kombinuje několik výhod, které jsou významné pro účinnou generaci aktivních kyslíkových částic. Především je využit proces generaCZ 302409 B6 ce těchto částic samotným elektrickým výbojem, dále je využito ultrafialové záření generované výbojem pro aktivaci fotokatalyzátoru a současně se také využívá synergie mezi oběma těmito procesy. Další výhodou je, že je fotokatalyzátor TiO₂ snadno komerčně dostupný, netoxický, chemicky stabilní a je odolný proti korozi.

Výhodou navrhovaného řešení je, že umístěním fotokatalyzátoru TiO₂ ve formě válečků, kuliček nebo jiných geometrických tvarů, například jehlánků či malých kuželů, na stěnu výbojové komory obrácenou směrem do výboje dojde ke zvětšení plochy fotokatalyzátoru v porovnáním se situací kdy tato elektroda nebo stěna výbojové komory jsou pokryty pouze tenkou vrstvou tohoto katalyzátoru. V důsledku toho je výtěžnost generace aktivních kyslíkových částic mnohem vyšší.

Vzhledem k US 7 382 087 je v navrhovaném řešení použita pouze jedna dielektrická destička na jejíž protilehlých stranách jsou umístěny elektrody, což představuje jisté zjednodušení. Kromě toho v uvedeném řešení může být šířka výbojového prostoru až několik mm a tedy může být použit fotokatalyzátor ve formě třírozměrných objektů, válečků, kuliček, jehlánků, malých kuželů a podobně, o rozměrech až několik mm, případně může být fotokatalyzátor rozložen v několika vrstvách. Tím se dosáhne zvětšení plochy fotokatalyzátoru osvícené ultrafialovým zářením z výboje.

Přehled obrázků na výkrese

Příklady uspořádání generátoru aktivních kyslíkových Částic s elektrickým výbojem s použitím fotokatalyzátoru TiO₂ podle předkládaného řešení jsou schematicky naznačeny na přiložených výkresech. Na obr. 1 je uvedeno řešení pro rovinnou konfiguraci elektrod a na obr. 2 je naznačeno řešení pro koaxiální konfiguraci elektrod.

Příklady provedení technického řešení

Navrhované technické řešení se týká jak rovinné, tak i koaxiální konfigurace elektrod. Vodivé elektrody jsou vytvořeny z obou stran destičky/válce z dielektrického materiálu a fotokatalyzátor TiO₂ ve formě válečků, kuliček nebo jiných geometrických tvarů, je umístěn na stěnách výbojové komory obrácených směrem do výboje.

Generátor aktivních kyslíkových částic s rovinným systémem elektrod v uspořádání podle Obr. 1 je tvořen výbojovou komorou 1, ve které je na jedné ploše destičky 2 z dielektrického materiálu vytvořena vysokonapěťová vodivá elektroda 3, která je připojena k jedné svorce střídavého nebo pulzního vysokonapěťového zdroje 8. Na druhé ploše destičky 2 z dielektrického materiálu je vytvořena uzemněná vodivá elektroda 4. Na stěně výbojové komory I obrácené směrem do výboje je umístěn fotokatalyzátor TiO₂ 5 ve formě 3-rozměmých objektů, například válečků, kuliček, jehlánků, malých kuželů nebo jiných geometrických tvarů. Jedna strana výbojové komory i je opatřena vstupem vzduchu 6 a protilehlá strana je opatřena výstupem 7 pro směs vzduchu, aktivních kyslíkových částic a dalších produktů výboje. Vzduch ve výbojové komoře 1 proudí prostorem mezi destičkou 2 z dielektrického materiálu, na které je vytvořena vysokonapěťová vodivá elektroda 3 a stěnou výbojové komory 1 s tím, že elektrický výboj hořící v tomto prostoru generuje aktivní kyslíkové částice a aktivuje fotokatalyzátor TiO₂ 5.

Generátor aktivních kyslíkových částic s koaxiálním systémem elektrod v uspořádání podle obrázku Obr. 2 je tvořen válcovou výbojovou komorou 1, ve které je na vnější stěně koaxiálně vloženého válce 20 z dielektrického materiálu vytvořena vysokonapěťová vodivá elektroda 30, která je připojena k jedné svorce střídavého nebo pulzního vysokonapěťového zdroje 8. Na vnitřní stěně válce 20 z dielektrického materiálu je vytvořena vodivá uzemněná elektroda 40. Na vnitřní stěně výbojové komory i je umístěn fotokatalyzátor TiO₂ 5 ve formě 3-rozměrných objektů například válečků, kuliček, nebo jiných geometrických tvarů. Vzduch ve výbojové komoCZ 302409 B6 ře | proudí prostorem mezi válcem 20 z dielektrického materiálu a vnitřní stěnou výbojové komory I s tím, že elektrický výboj hořící v tomto prostoru generuje aktivní kyslíkové částice a aktivuje katalyzátor TiO₂ 5. Vzduch do válcové výbojové komory I vstupuje jedním z čel válce, tedy vstupem 6 a protilehlým čelem válce, výstupem 7 směs vzduchu, aktivních kyslíkových částic a dalších produktů výboje vystupuje.

V obou uvedených příkladech je fotokatalyzátor TiO₂ 5 na příslušných površích umístěn alespoň v jedné vrstvě.

Pro ověření navrhovaného řešení zvýšení koncentrace aktivních kyslíkových částic generovaných elektrickým výbojem v kombinaci s fotokatalyzátorem TiO₂ ve formě válečků bylo postaveno experimentální zařízení na bázi koronového výboje přičemž jako modelová částice sloužil ozon. Bylo změřeno, že pro elektrický výboji bez použití katalyzátoru byla koncentrace generovaného ozonu 164 ppm při příkonu do výboje 5,06 W a pro výboj v s použitím katalyzátoru vzrostla tato koncentrace na 718 ppm při snížení příkonu do výboje na 4,8 W.

Průmyslová využitelnost

Kombinací dielektrického bariérového nebo koronového elektrického výboje s fotokatalyzátorem TiO₂ ve formě válečků, kuliček, jehlánků, malých kuželů nebo jiných geometrických tvarů lze dosáhnout zvýšení koncentrace generovaných aktivních kyslíkových částic prostřednictvím aktivace katalyzátoru při snížené spotřebě elektrické energie dodávané do výboje. Další významnou výhodou návrhu je, že generátor ozonu je velmi jednoduchý, snadno regulovatelný a zařízení nepotřebuje další zdroj energie. Uvedené výhody umožní konstrukci menších, výkonnějších mobilních a kompaktních zdrojů aktivních kyslíkových částic pro celou řadu aplikací například v potravinářském průmyslu, dopravě, v lékařství, v zařízeních pro zvyšování kvality vzduchu v klimatizovaných prostorách, v ozonizátorech pro čištění vody, v zařízeních pro dekontaminaci a sterilizaci látek atd.