EA027566B1 - Фотокаталитический элемент для очистки и обеззараживания воздуха и воды и способ его изготовления - Google Patents

Фотокаталитический элемент для очистки и обеззараживания воздуха и воды и способ его изготовления Download PDF

Info

Publication number
EA027566B1
EA027566B1 EA201500592A EA201500592A EA027566B1 EA 027566 B1 EA027566 B1 EA 027566B1 EA 201500592 A EA201500592 A EA 201500592A EA 201500592 A EA201500592 A EA 201500592A EA 027566 B1 EA027566 B1 EA 027566B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
titanium dioxide
dioxide powder
photocatalytic element
photocatalytic
sintered glass
Prior art date
Application number
EA201500592A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201500592A1 (ru
Inventor
Игорь Львович БАЛИХИН
Виктор Иванович БЕРЕСТЕНКО
Игорь Анатольевич ДОМАШНЕВ
Евгений Николаевич КАБАЧКОВ
Евгений Николаевич КУРКИН
Владимир Николаевич Троицкий
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Красное Поле"
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научный центр Российской академии наук в Черноголовке (НЦЧ РАН)
Общество С Ограниченной Ответственностью "Тиокрафт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Красное Поле", Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН), Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научный центр Российской академии наук в Черноголовке (НЦЧ РАН), Общество С Ограниченной Ответственностью "Тиокрафт" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Красное Поле"
Publication of EA201500592A1 publication Critical patent/EA201500592A1/ru
Publication of EA027566B1 publication Critical patent/EA027566B1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J35/39—Photocatalytic properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/8668—Removing organic compounds not provided for in B01D53/8603 - B01D53/8665
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/88—Handling or mounting catalysts
    • B01D53/885—Devices in general for catalytic purification of waste gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/06—Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
    • B01J21/063—Titanium; Oxides or hydroxides thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/60—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/60—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B01J35/61—Surface area
    • B01J35/615—100-500 m2/g
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/60—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B01J35/64—Pore diameter
    • B01J35/657—Pore diameter larger than 1000 nm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0215—Coating
    • B01J37/0217—Pretreatment of the substrate before coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/72—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation
    • C02F1/725—Treatment of water, waste water, or sewage by oxidation by catalytic oxidation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L9/00—Disinfection, sterilisation or deodorisation of air
    • A61L9/16—Disinfection, sterilisation or deodorisation of air using physical phenomena
    • A61L9/18—Radiation
    • A61L9/20—Ultraviolet radiation
    • A61L9/205—Ultraviolet radiation using a photocatalyst or photosensitiser
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207—Transition metals
    • B01D2255/20707—Titanium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/80—Type of catalytic reaction
    • B01D2255/802—Photocatalytic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/90—Physical characteristics of catalysts
    • B01D2255/92—Dimensions
    • B01D2255/9202—Linear dimensions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/90—Physical characteristics of catalysts
    • B01D2255/92—Dimensions
    • B01D2255/9205—Porosity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/90—Physical characteristics of catalysts
    • B01D2255/92—Dimensions
    • B01D2255/9207—Specific surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/70—Organic compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/602
    • B01D2257/704—Solvents not covered by groups B01D2257/702 - B01D2257/7027
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/90—Odorous compounds not provided for in groups B01D2257/00 - B01D2257/708
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/91—Bacteria; Microorganisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/06—Polluted air
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/45—Gas separation or purification devices adapted for specific applications
    • B01D2259/4508—Gas separation or purification devices adapted for specific applications for cleaning air in buildings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/45—Gas separation or purification devices adapted for specific applications
    • B01D2259/4533—Gas separation or purification devices adapted for specific applications for medical purposes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/80—Employing electric, magnetic, electromagnetic or wave energy, or particle radiation
    • B01D2259/804—UV light
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/06—Silicon, titanium, zirconium or hafnium; Oxides or hydroxides thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
    • B01J35/51—Spheres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/50—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their shape or configuration
    • B01J35/56—Foraminous structures having flow-through passages or channels, e.g. grids or three-dimensional monoliths
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
    • B01J37/0201—Impregnation
    • B01J37/0207—Pretreatment of the support
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/06—Washing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/08—Heat treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/04—Disinfection
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2305/00—Use of specific compounds during water treatment
    • C02F2305/10—Photocatalysts

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области очистки и обеззараживания воздуха и воды. Фотокаталитический элемент состоит из спеченных стеклянных шариков с объемной долей пор от 20 до 40% и размером пор от 0,1 до 0,5 мм, на поверхность которых нанесен порошок диоксида титана, имеющий удельную поверхность 150-400 м/г, в количестве 0,5-2% по отношению к массе фотокаталитического элемента. При этом поверхность стеклянных шариков имеет рельефную форму с глубиной рельефа 0,5-10 мкм. Способ изготовления фотокаталитического элемента предусматривает спекание стеклянных шариков при температуре на 5-20°С выше температуры начала размягчения стекла, модифицирование поверхности шариков химическими травителями и нанесение порошка диоксида титана на поверхность шариков из водной суспензии с рН 2,9±0,1. Изобретение обеспечивает получение фотокаталитического элемента, характеризующегося прочным сцеплением и удержанием порошка диоксида титана на поверхности носителя в потоке очищаемой среды и обладающего высокой фотокаталитической активностью.

Description

Изобретение относится к области очистки и обеззараживания воздуха и воды, в частности к конструкции и способу изготовления фотокаталитического элемента, которые могут быть использованы в качестве основного функционального узла в устройствах молекулярной и комплексной очистки с использованием фотокатализа.
Фотоактивированная каталитическая окислительная деструкция органических загрязнителей на диоксиде титана под действием ультрафиолетового света является перспективным методом очистки и обеззараживания воздуха и воды. Метод отличается высокой эффективностью, экономичностью, экологической чистотой, позволяя уничтожать практически любые загрязнители органической природы, полностью минерализуя их до воды и углекислого газа. Главным функциональным узлом фотокаталитических устройств очистки, обеспечивающим их эффективность и долговечность, является фотокаталитический элемент, представляющий собой конструкцию, объединяющую нанокристаллический катализатор и носитель заданной формы, установленную в зоне действия УФ-излучения.
Фотокаталитический элемент может быть использован в составе устройств для очистки и обеззараживания воздуха в медицинских учреждениях, детских садах, школах, офисах, кинотеатрах, жилых помещениях и т.п. для эффективной борьбы с распространением респираторных инфекций, удаления токсичных загрязнителей и неприятных запахов.
Известен способ получения фотокаталитического материала (ИиПеб §1а1е8 Ра1еи1; Ра1еи1 ЫитЬег: 5919726; Эа1с о£ Ра1еи1: 1и1. 6, 1999), согласно которому на первом этапе на субстрат из какого-либо материала (металл, цемент, глина, песок, гравий, керамика, пластик, дерево, камень, стекло и т.п.) наносится любым способом (распылением, кистью и др.) подслой толщиной от 0,05 до 2 мкм, содержащий гель кремнезема с размером частиц примерно от 20 до 50 мкм, который закрепляется термообработкой при температуре от 100 до 900°С в течение 3-30 мин. На втором этапе подслой обрабатывается тетрахлоридом титана в жидком или парообразном состоянии (возможно добавление водяного пара). На третьем этапе производится термообработка полученного материала при температуре 150-500°С в кислородсодержащей атмосфере в течение 1-10 мин, в результате чего на поверхности образуется слой диоксида титана анатазной модификации. Благодаря наличию подслоя из кремнезема образующийся диоксид титана закрепляется на субстрате и сохраняет фотокаталитические свойства. Метод рекомендуется в основном для производства строительных материалов с фотокаталитическим эффектом очистки и обеззараживания воздуха (керамической плитки, стеновых панелей и т.п.).
В тестах на бактерицидную активность суспензию клеток (0,5 мл) наносили на полученную керамическую плитку. Плитку помещали на чашку Петри и накрывали крышкой из кварцевого стекла. Инкубация проводилась в стерильном боксе при люминесцентном освещении в 1200 лк при 25°С в течение 3 ч. Результаты представлены в табл. 2. Для сравнения, плитка без слоя оксида титана была также проверена. Лучший из испытанных образцов показал снижение концентрации живых клеток §1арВу1ососси8 аигеик с 3100 до 135 и К1еВ81е11арпеишоша с 1725 до 400.
Главным недостатком данного способа получения фотокаталитического материала является сложный и экологически опасный технологический процесс, связанный с использованием тетрахлорида титана - вещества с высокой летучестью и токсичностью. Кроме того, при нанесении слоя диоксида титана в результате гидролиза Т1С14 выделяется токсичный и коррозионно агрессивный хлористый водород.
Бактерицидная активность полученных образцов материалов недостаточна для их применения в устройствах очистки и обеззараживания воздуха.
Известен фотокаталитический фильтр для очистки воздуха (ИиПеВ §1а1е8 Ра1еи1; Ра1еи1 ШтВсг: И8 6491883 В2; Эа1с о£ Ра1еи1: Эсс. 10, 2002). Фильтр состоит из нанесенного на материал основы покрытия толщиной от 5 до 60 мкм, в состав которого входят частицы, пропускающие ультрафиолетовый свет (такие как стеклянные частицы или волокна) с размером в минимальном измерении от 0,2 до 50 мкм в количестве от 5 до 60 вес.%;
частицы фотокаталитического ТЮ2 средним размером от 0,001 до 0,02 мкм в количестве от 20 до 80 вес.%;
частицы диоксида кремния средним размером от 0,002 до 0,2 мкм в количестве от 10 до 60 вес.%; опционально глинистый минерал в количестве от 2 до 20 вес.%.
Покрытие обладает хорошей адгезией к материалу основы и способно пропускать в объем ультрафиолетовый свет, однако использование мелкодисперсных составляющих, особенно в смеси с глинистым связующим, не позволяют обеспечить хорошую газопроницаемость покрытия и эффективную работу частиц фотокаталитического ТЮ2, находящихся в объеме покрытия. Для создания фотокаталитического элемента для устройств очистки воздуха и воды необходимо иметь материал с высокой открытой пористостью, обеспечивающей беспрепятственную диффузию очищаемой среды к фотокатализатору.
Известна система очистки воздуха для транспортных средств (ИиПеб §1а1е8, Ра1еи1 АррПсаПои РиЪНсаВои, РиВ. Νο.: И8 2012/0128539 А1, РиВ. Эа1с: Мау 24, 2012). Устройство состоит из входа и выхода воздуха и объема для протекания воздуха между ними. В объеме установлены один или несколько элементов с реакционной поверхностью и один или несколько источников ультрафиолетового света. Реакционная поверхность содержит каталитический материал и занимает по крайней мере 50% от внутренней
- 1 027566 поверхности устройства. В качестве каталитического материала используется диоксид титана или содержащий его материал. В качестве источников ультрафиолетового света используются люменисцентные трубки или светодиоды. Прокачивание воздуха через объем устройства осуществляется вентилятором. Для увеличения площади и времени контакта воздуха с реакционной поверхностью предлагается использовать различные варианты конструкций закрепленных в корпусе элементов гофрированной, спиральной, звездчатой, пальчиковой формы, а также элементы в виде сыпучего материала (например, коротких стеклянных или пластиковых труб, шариков), заполняющего весь прокачиваемый воздухом объем. Для дополнительного увеличения эффективности очистки воздуха реакционная поверхность элементов может содержать наноцеолиты и/или наносеребро. Использование свободно насыпанных элементов, покрытых катализатором, создает большую реакционную поверхность, контактирующую с очищаемым воздухом, однако возможность перемещения незакрепленных элементов относительно друг друга будет неизбежно приводить к механическому износу каталитического слоя в результате трения и выносу образующейся пыли из устройства, а также к снижению ресурса работы катализатора. Для эффективно работающего устройства необходимо иметь консолидированный фотокаталитический элемент с высокой внутренней пористостью и газопроницаемостью. Катализатор должен быть нанесен на всю поверхность носителя, включая поверхность внутренних пор.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению является фотокаталитический элемент и способ его получения (патент Российской Федерации № 2151632 от 20.10.1998 г.), содержащий пористый носитель заданной формы (преимущественно в виде трубы или пластины), выполненный из 5-10 слоев спеченных стеклянных шариков, и порошок диоксида титана анатазной модификации с удельной поверхностью 100-150 м2/г, нанесенный на поверхность носителя. Способ изготовления такого фотокаталитического элемента включает изготовление носителя заданной формы спеканием стеклянных шариков диаметром 0,1-1,5 мм при температуре ниже температуры размягчения стекла в оболочке из металла, графита или легко разрушаемого материала, охлаждение, извлечение носителя из оболочки, активацию поверхности носителя парами или 1-2% раствором плавиковой кислоты, нанесение на поверхность носителя порошка диоксида титана из водной суспензии порошка, сушку носителя на воздухе.
Данный фотокаталитический элемент и способ его получения имеет следующие недостатки: вследствие спекания стеклянных шариков при температуре ниже температуры размягчения стекла механическая прочность получаемого фотокаталитического элемента недостаточно высока, в связи с чем наблюдается большой процент разрушения фотокаталитических элементов на стадии транспортировки, сборки и эксплуатации фотокаталитических устройств;
недостаточно высокая удельная поверхность применяемого порошка диоксида титана (100-150 м2/г) ограничивает максимально возможную активность фотокаталитического элемента в процессах очистки воздуха и воды;
активация поверхности носителя описанным способом (обработка парами или 1-2% раствором плавиковой кислоты) не является достаточно эффективным способом увеличения прочности сцепления порошка диоксида титана со стеклянными шариками, особенно для фотокаталитических элементов, используемых в устройствах очистки воды. В процессе эксплуатации фотокаталитических элементов в водных потоках происходит унос части порошка диоксида титана с поверхности носителя и, как следствие, снижение активности и срока службы фотокаталитического элемента;
отсутствие контроля за показателем рН водной суспензии при нанесении порошка диоксида титана на носитель не позволяет устойчиво получать фотокаталитические элементы с максимальной активностью.
Задачей предлагаемого изобретения является создание нового фотокаталитического элемента, для которого характерны увеличенная механическая прочность; увеличенная каталитическая активность; увеличенный срок службы.
Задача достигается тем, что фотокаталитический элемент для очистки и обеззараживания воздуха и воды содержит пористый носитель заданной формы с размером пор от 0,1 до 0,5 мм и объемной долей пор от 20 до 40%, состоящий из спеченных стеклянных шариков, поверхность которых имеет рельеф глубиной от 0,5 до 5 мкм, и порошок диоксида титана с удельной поверхностью 150-400 м2/г, нанесенный на поверхность стекла в количестве 0,5-2% по отношению к массе фотокаталитического элемента.
Также задача решается способом получения фотокаталитического элемента, который включает изготовление носителя путем спекания стеклянных шариков в твердой оболочке, задающей необходимую форму и размер носителя при температуре на 5-20°С выше температуры начала размягчения стекла;
охлаждение носителя и извлечение его из оболочки;
формирование на стеклянной поверхности носителя рельефа глубиной от 0,5 до 5 мкм путем последовательной обработки носителя концентрированной плавиковой кислотой в течение 1-5 мин и концентрированной серной кислотой в течение 1-5 мин;
- 2 027566 промывку носителя водой и высушивание его в сушильном шкафу при температуре 80-120°С; нанесение на стеклянную поверхность спеченных шариков порошка диоксида титана с удельной поверхностью 150-400 м2/г в количестве 0,5-2% по отношению к массе фотокаталитического элемента путем обработки носителя водной суспензией порошка диоксида титана с рН 2,9±0,1.
высушивание готового фотокаталитического элемента в сушильном шкафу при температуре 150200°С.
Спекание стеклянных шариков при температуре на 5-20°С выше температуры начала размягчения стекла позволяет обеспечить высокую механическую прочность носителя при одновременном сохранении высокой открытой пористости (20-40% пор размером 0,1-0,5 мм).
Модифицирование поверхности спеченных стеклянных шариков концентрированными растворами плавиковой и серной кислот позволяет создать на поверхности стекла рельеф глубиной от 0,5 до 5 мкм, который обеспечивает прочное сцепление и удержание порошка диоксида титана на поверхности носителя в потоке очищаемого воздуха или воды. На чертеже приведены микрофотографии поверхности спеченных шариков до (1) и после (2) обработки кислотами. Подобный эффект образования рельефа не достигается при обычной активации поверхности парами или разбавленными растворами плавиковой кислоты.
На фиг. 1 представлена поверхность носителя до (1) и после (2) кислотного модифицирования.
При нанесении порошка диоксида титана на поверхность носителя важнейшим фактором, определяющим конечную активность фотокаталитического элемента, является показатель рН водной суспензии, из которой происходит нанесение. Максимальная активность реализуется при рН 2,9±0,1. С учетом экстремального вида зависимости активности фотокатализатора от рН среды (фиг. 2) при нанесении порошка диоксида титана необходимо строго придерживаться указанной кислотности суспензии (рН 2,9±0,1). Такой прием в совокупности с применением порошка диоксида титана с высокой удельной поверхностью (150-400 м2/г) позволяет получать фотокаталитические элементы с максимальной активностью.
На фиг. 2 приведена зависимость фотокаталитической активности диоксида титана от рН суспензии.
Сущность предлагаемого изобретения характеризуется следующими примерами.
Пример 1.
Стеклянные шарики (фракция 0,8-1 мм) засыпают до заполнения в цилиндрический канал разборной оболочки из нержавеющей стали, имеющий наружный диаметр 86 мм, ширину 6 мм и высоту 420 мм. Оболочку помещают в печь и проводят спекание шариков при температуре на 15°С выше температуры начала размягчения стекла (около 690°С) в течение 1ч 20 мин. После охлаждения до комнатной температуры оболочку разбирают и извлекают полученный носитель в виде пористой стеклянной трубы.
Далее проводят модифицирование поверхности носителя погружением сначала в концентрированную плавиковую кислоту на 1 мин, затем промывают водой и обрабатывают концентрированной серной кислотой в течение 3 мин, промывают водой и высушивают в сушильном шкафу при температуре 100°С до полного удаления влаги.
Готовят водную суспензию из дистиллированной воды и порошка диоксида титана анатазной модификации с удельной поверхностью 350 м2/г с содержанием диоксида титана 10 мас.%. С помощью капельного добавления разбавленной серной кислоты рН суспензии доводят до значения 2,9±0,1. Погружают в полученную суспензию высушенный носитель, извлекают и высушивают в сушильном шкафу при температуре 150°С. Готовый фотокаталитический элемент содержит пористый трубчатый носитель, состоящий из спеченных стеклянных шариков с модифицированной поверхностью, длиной 420 мм, диаметром 86 мм с толщиной стенки 6 мм;
порошок диоксида титана анатазной модификации с удельной поверхностью 350 м2/г в количестве 12 г на один элемент.
В качестве контрольного образца был изготовлен еще один фотокаталитический элемент, порядок изготовления которого отличался только отсутствием операций по модифицированию поверхности. Рельеф на поверхности шариков отсутствовал. Содержание диоксида титана в готовом фотокаталитическом элементе составило 10 г.
Полученные в примере образцы (основной - № 1 и контрольный - № 2) были испытаны в процессе обеззараживания воды, содержащей культуру кишечной палочки (ЕзсйепсЫа сой). Согласно схеме эксперимента через стенку вертикально установленного фотокаталитического элемента в режиме циркуляции пропускалась вода, содержащая клетки ЕзсйейсЫа сой с расходом 2 л/мин. Внутри трубы была установлена лампа ультрафиолетового света, освещающая внутренюю поверхность фотокаталитического элемента ультрафиолетовым светом с длиной волны 320-405 нм, мощностью в ИК-диапазоне 9 Вт. Через заданные промежутки времени отбирались пробы воды, которые наносились на питательную среду в чашках Петри. Через 48 ч подсчитывалось количество выросших на питательной среде колоний. Кроме того, через 10 ч непрерывного протекания воды контролировался унос порошка диоксида титана потоком воды по изменению веса высушенного фотокаталитического элемента. Результаты измерений приведены в табл. 1.
- 3 027566
Таблица 1
Время обработки, мин Концентрация КОЕ Потеря веса, г
Образец №1 Образец №2 Образец №1 Образец №2
0 10000 10000 0 0
5 Г5950 7250 - -
10 90 750 - -
30 0 50 - -
60 0 0 - -
600 0 0 0,3 2,1
Из результатов испытаний видно, что модифицирование носителя с приданием рельефа поверхности стекла увеличивает захват порошка диоксида титана при нанесении его из суспензии, дает более прочное сцепление катализатора с носителем и увеличивает фотокаталитическую активность фотокаталитического элемента в целом.
Пример 2.
Стеклянные шарики (фракция 0,8-1 мм) засыпают до заполнения в плоский щелевой канал разборной оболочки из нержавеющей стали, имеющий длину 60 мм, ширину 5 мм и высоту 400 мм. Дальнейшие операции по спеканию, модифицированию поверхности носителя и нанесению катализатора проводят так же, как в примере 1.
Г отовый фотокаталитический элемент содержит пористый носитель в виде параллелепипеда с размерами 400x60x5 мм, состоящий из спеченных стеклянных шариков с модифицированной поверхностью;
порошок диоксида титана анатазной модификации с удельной поверхностью 350 м2/г в количестве 2 г на один элемент.
Контрольный образец для тестирования был приготовлен по такой же схеме, за исключением того, что нанесение порошка диоксида титана на носитель проводили из суспензии с рН 4,5. Полученные в примере образцы (основной - № 3 и контрольный - № 4) были испытаны в реакции фотокаталитического окисления паров ацетона в воздухе. Эксперимент проводился в герметичном боксе объемом 300 л, куда помещался реактор с испытуемым образцом, ультрафиолетовая лампа, аналогичная используемой в примере 1, и вентилятор, обеспечивающий движение воздуха. Начальная концентрация паров создавалась испарением соответствующего количества жидкого ацетона и составляла 100 ррт. После включения УФлампы с помощью газовых сенсоров измерялась концентрация ацетона и конечного продукта его окисления (СО2) с течением времени.
Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Таблица 2
Время обработки, мин Концентрация ацетона, ррт Концентрация СО?, ррт
Образец №1 Образец №2 Образец №1 Образец №2
0 100 100 0 0
5 91 93 19 15
10 82 86 41 29
30 53 61 104 84
60 26 39 163 132
120 2 10 216 192
Результаты демонстрируют большую каталитическую активность образца № 1, осаждение диоксида титана на который проводили из суспензии с рН 2,9±0,1.

Claims (3)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Фотокаталитический элемент для очистки и обеззараживания воздуха и воды, состоящий из спеченных стеклянных шариков с нанесенным на них порошком диоксида титана, отличающийся тем, что спеченные стеклянные шарики имеют открытую пористость с размером пор от 0,1 до 0,5 мм при объемной доле пор от 20 до 40%, при этом поверхность спеченных стеклянных шариков имеет рельефную форму с глубиной рельефа от 0,5 до 10 мкм, площадь удельной поверхности порошка диоксида титана составляет 150-400 м2/г при массовой доле порошка диоксида титана 0,5-2% по отношению к массе фотокаталитического элемента.
  2. 2. Способ изготовления фотокаталитического элемента по п.1, включающий спекание стеклянных шариков, модифицирование поверхности спеченных стеклянных шариков, нанесение порошка диоксида титана на модифицированную поверхность спеченных стеклянных шариков, отличающийся тем, что спекание стеклянных шариков осуществляют при температуре на 5-20°С выше температуры начала размягчения стекла, а перед нанесением порошка диоксида титана поверхность спеченных стеклянных шариков подвергают модифицированию химическими травителями, при этом нанесение порошка диоксида титана на поверхность спеченных стеклянных шариков осуществляют из водной суспензии порошка ди- 4 027566 оксида титана с рН 2,9±0,1.
  3. 3. Способ изготовления фотокаталитического элемента по п.2, отличающийся тем, что для модифицирования поверхности спеченных стеклянных шариков химическими травителями используют последовательную обработку концентрированной плавиковой кислотой в течение 1-5 мин и концентрированной серной кислотой в течение 1-5 мин.
EA201500592A 2012-12-20 2012-12-20 Фотокаталитический элемент для очистки и обеззараживания воздуха и воды и способ его изготовления EA027566B1 (ru)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2012/001086 WO2014098641A1 (ru) 2012-12-20 2012-12-20 Фотокаталитический элемент для очистки и обеззараживания воздуха и воды и способ его изготовления

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201500592A1 EA201500592A1 (ru) 2015-09-30
EA027566B1 true EA027566B1 (ru) 2017-08-31

Family

ID=50978797

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201500592A EA027566B1 (ru) 2012-12-20 2012-12-20 Фотокаталитический элемент для очистки и обеззараживания воздуха и воды и способ его изготовления

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9925529B2 (ru)
EP (1) EP2937139A4 (ru)
CN (1) CN105073247B (ru)
EA (1) EA027566B1 (ru)
RU (1) RU2647839C2 (ru)
WO (1) WO2014098641A1 (ru)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11819580B2 (en) 2016-10-18 2023-11-21 PurWorld Technologies LLC Method of chemically disinfecting a vehicle
KR20180124569A (ko) * 2017-05-12 2018-11-21 서울바이오시스 주식회사 유체 처리 장치
CN107670656B (zh) * 2017-09-25 2020-08-11 莱恩创科（北京）科技有限公司 一种光催化剂负载方法
KR20190090959A (ko) 2018-01-26 2019-08-05 서울바이오시스 주식회사 유체 처리 장치
CN110124720A (zh) * 2019-05-21 2019-08-16 福州大学 一种在玻璃珠表面负载氮化碳光催化剂的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996037300A1 (en) * 1995-05-26 1996-11-28 University Technologies International Inc. Photocatalyst compound and process for production thereof
RU2151632C1 (ru) * 1998-10-20 2000-06-27 Балихин Игорь Львович Фотокаталитический элемент и способ его получения
RU98134U1 (ru) * 2010-04-15 2010-10-10 Учреждение Российской Академии Наук Институт Проблем Химической Физики Ран (Ипхф Ран) Бытовой фотокаталитический очиститель воздуха

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11216367A (ja) 1998-01-30 1999-08-10 Osaka Prefecture 光触媒材料の製造方法
US6440895B1 (en) * 1998-07-27 2002-08-27 Battelle Memorial Institute Catalyst, method of making, and reactions using the catalyst
US6135838A (en) * 1998-10-07 2000-10-24 Chung Shan Institute Of Science And Technology Method of making UV lamp for air cleaning
JP3818811B2 (ja) 1999-12-27 2006-09-06 日本パーカライジング株式会社 空気浄化用光触媒フィルター
US6783740B2 (en) * 2002-09-30 2004-08-31 Northrop Grumman Corporation Sintered glass bead filter with active microbial destruction
CN100427183C (zh) * 2006-04-26 2008-10-22 哈尔滨工业大学 填充式球载纳米TiO2气体净化组合装置
US20080268229A1 (en) * 2006-08-09 2008-10-30 Daeyeon Lee Superhydrophilic coatings
KR101667196B1 (ko) 2008-11-05 2016-10-18 존슨 컨트롤스 게엠베하 차량용 공기 정화 시스템
RU100189U1 (ru) * 2010-03-04 2010-12-10 Учреждение Российской академии наук Научный центр РАН в Черноголовке (НЦЧ РАН) Фотокаталитический очиститель воздуха конвективного типа

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996037300A1 (en) * 1995-05-26 1996-11-28 University Technologies International Inc. Photocatalyst compound and process for production thereof
RU2151632C1 (ru) * 1998-10-20 2000-06-27 Балихин Игорь Львович Фотокаталитический элемент и способ его получения
RU98134U1 (ru) * 2010-04-15 2010-10-10 Учреждение Российской Академии Наук Институт Проблем Химической Физики Ран (Ипхф Ран) Бытовой фотокаталитический очиститель воздуха

Also Published As

Publication number Publication date
EP2937139A1 (en) 2015-10-28
RU2647839C2 (ru) 2018-03-21
US20160008804A1 (en) 2016-01-14
CN105073247A (zh) 2015-11-18
CN105073247B (zh) 2017-03-29
WO2014098641A1 (ru) 2014-06-26
EP2937139A4 (en) 2016-12-14
RU2015123582A (ru) 2017-01-23
EA201500592A1 (ru) 2015-09-30
US9925529B2 (en) 2018-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2647839C2 (ru) Фотокаталитический элемент для очистки и обеззараживания воздуха и воды и способ его изготовления
Blount et al. Transparent thin-film TiO2 photocatalysts with high activity
US20030050196A1 (en) Photocatalyst compositions and methods for making the same
JP2775399B2 (ja) 多孔質光触媒及びその製造方法
JP2517874B2 (ja) 酸化チタン薄膜光触媒の製造方法
JP2002517628A (ja) 光触媒コーティングを備える基材
CN106999847A (zh) 改进的空气净化系统和用于除去甲醛的方法
JPH08103631A (ja) 光触媒フィルター及びその製造方法
JPS60118236A (ja) 光酸化触媒成形体
TWI665015B (zh) 具有抗菌效果的光觸媒材料、其製備方法與光觸媒構件
CN107149872A (zh) 光催化净化气体便利贴的制备方法
KR101910569B1 (ko) 혼합 가스에 대한 제거 성능이 우수한 광촉매 필터 및 그 제조방법
RU2151632C1 (ru) Фотокаталитический элемент и способ его получения
WO2021224358A1 (en) A filter and a method for manufacturing thereof
JP4163374B2 (ja) 光触媒膜
KR101891512B1 (ko) 공기 및 수 정화 소독용 광촉매성 요소 및 이의 제조 방법
RU2482912C1 (ru) Способ получения фильтрующе-сорбирующего материала с фотокаталитическими свойствами
RU104460U1 (ru) Очиститель воздуха с фотокаталитическим фильтром
JP2005052713A (ja) 炭素繊維担持多孔質チタン酸化物光触媒とフイルター
Domashnev et al. 12, Patent Application Publication o Pub. No.: US 2016/0008804A1
CN111153658A (zh) 一种利用可见光催化降解甲醛的硅藻泥及其制备方法
JP2002186861A (ja) 多孔質光触媒およびその製造方法
JP2005095722A (ja) 複数の多孔質粘土と二酸化チタンで形成された素焼
CN206545818U (zh) 带空气净化的台灯
JP2006075696A (ja) 光触媒担持シリカスート体とその製造方法、空気清浄装置、排ガス処理装置、排水処理装置及び浄水装置

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM RU

NF4A Restoration of lapsed right to a eurasian patent

Designated state(s): AM AZ BY KZ KG TJ TM RU

PC4A Registration of transfer of a eurasian patent by assignment