ES2240316T3 - Purificador de aire comprendiendo un dispositivo catalitico electrostatico de plasma frio. - Google Patents

Abstract

Purificador de aire que comprende un dispositivo catalítico electrostático de plasma frío, caracterizado porque dicho purificador de aire comprende un marco soporte (6) y una estructura en `sándwich¿, comprendiendo una primera red metálica (5) unida a un generador de alta tensión (7), una primera capa perforada de fibras de poliéster (2), cargada mediante carbones activados, una segunda capa de fibras de poliéster (3) revestida de una delgada capa de dióxido de titanio, una tercera capa de fibra de poliéster (4) revestida de carbón activado y una segunda red metálica (8) conectada a la masa de dicho generador de alta tensión (7).

Description

Purificador de aire comprendiendo un dispositivo catalítico electrostático de plasma frío.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a un purificador de aire, que incluye un dispositivo catalítico electrostático de plasma frío.

Como es conocido, un requisito muy importante en el campo de la purificación de aire es el de proporcionar un purificador de aire específicamente diseñado para eliminar partículas de sustancias contaminantes desde el aire atmosférico.

Los purificadores de aire de la técnica anterior proporcionan convencionalmente para uso en procesos de filtrado, que utilizan los principios de fuerzas mecánicas, aerodinámicas y eléctricas.

En particular, un filtro de aire que utiliza el principio de la fuerza de la gravedad sería muy adecuado para eliminar partículas que tengan un peso comparativamente alto.

En el funcionamiento de dicho dispositivo basado en la fuerza de la gravedad, las partículas contaminantes se depositan en conjuntos de cámaras de sobrepresión o cámaras de depósito.

Otros procesos de filtrado o purificador de aire de la técnica anterior utilizan filtros ciclónicos de agua, en los que se emplea el agua para aumentar el peso de las partículas contaminantes en suspensión.

Otros procesos de filtrado ciclónico en seco se proporcionan, por el contrario, para forzar una corriente de aire de alta velocidad que, al imprimir un movimiento giratorio, hace que dichas partículas de sustancias contaminantes sean separadas bajo el efecto de la fuerza centrífuga.

Otro mecanismo de filtrado es el denominado filtrado de "cribado", que funciona para filtrar partículas que tengan un diámetro mayor que el de las mallas de la red fibrosa que constituye el panel de filtrado.

Otro proceso de filtrado de aire es el denominado proceso inercial o de impacto, en el que la corriente de aire es bruscamente desviada, mientras que las partículas contaminantes, bajo fuerzas inerciales, continúan moviéndose para incidir contra las construcciones de filtro, donde se depositan.

Las partículas más ligeras, que son arrastradas por el flujo o corriente de aire, por el contrario, siguen el contorno o perfil de las fibras de filtro.

Sin embargo, si la trayectoria del movimiento de dichas partículas más ligeras pasa a una distancia menor que el rayo de partículas, entonces, dicha partícula se adherirá a la fibra bajo el efecto de fuerzas electrostáticas elementales, o fuerzas de Van der Vaal, según el denominado mecanismo de parada o interceptación.

Las partículas que tengan un diámetro todavía más pequeño son retenidas en los filtros bajo el efecto de un tipo de mecanismo de difusión, según el cual la partícula es impulsada a lo largo de una trayectoria no uniforme, bajo la acción de fuerzas moleculares brownianas, de modo que dicha partícula acabara por adherirse a una fibra, siempre bajo el efecto de fuerzas electrostáticas.

De este modo, comenzando a partir del entendimiento de que, en la mayor parte de los mecanismos de filtrado están implicadas fuerzas electrostáticas, se han diseñado otros filtros de depuración de aire, desde finales del siglo XIX hasta el momento presente, que son adecuados para restringir el movimiento de las partículas contaminantes pequeñas, debido a la aplicación de campos eléctricos ionizantes e inducidos.

Actualmente, dichos campos electrostáticos han sido idealmente utilizados en entornos industriales, en los que deben procesarse grandes cantidades de gas o aire, con un bajo consumo de potencia y un alto rendimiento de filtrado.

Además, en los últimos años, dichos filtros electrostáticos han sido también ampliamente utilizados para depurar aire en entornos interiores, entornos de trabajo y domésticos y todo ello debido a su gran rendimiento en la captación de la denominada "fracción respirable" del polvo atmosférico que comprende partículas que tienen un diámetro menor que 6 \mum, que pueden llegar hasta las regiones pulmonares más profundas, con consecuencias muy peligrosas.

A este respecto, debe señalarse que el alto coste y gran tamaño de los filtros electrostáticos antes citados ha impedido su aplicación en las campanas extractoras de las cocinas, sistemas de aire acondicionado, compartimientos de pasajeros en vehículos a motor o entornos similares.

Un gran inconveniente intrínseco de la técnica anteriormente revelada, que es sustancialmente no eliminable, es el requisito de utilizar adicionalmente paneles de granos de absorción incluyendo, por ejemplo, granos de carbón activado o granos impregnados de materiales reactivos químicos para proporcionar así una acción de filtrado uniforme sobre las fracciones contaminantes no de partículas.

Dicha adición de una etapa de filtrado implicaría un muy alto coste y un aumento del consumo y esto se debe también a las grandes pérdidas de carga introducidas en el sistema.

Los filtros electroestáticos convencionales, no obstante su alto rendimiento (actualmente, tienen un rendimiento de filtrado igual o mayor que el 99%, según la norma de la Prueba de Penetración DOP) tienen los inconvenientes siguientes: un rendimiento operativo exclusivamente limitado a las partículas, un alto coste, gran tamaño y complejidad de construcción así como dificultades para reparación y mon-
taje.

Un filtro electrostático convencional, tal como es conocido, comprende decenas o centenas de elementos, que deben ser montados de forma manual por un operador experto, lo que requiere varias horas de trabajo con un gran incremento del coste.

Además, la reparación de dicho filtro electrostático, que debe realizarse de forma frecuente y periódica, exige lavar los componentes por máquinas lavadoras especiales incluyendo toberas móviles o máquinas de ultrasonidos.

Los dispositivos catalíticos de tratamiento de gases, que operan con un plasma frío, son conocidos a partir de los documentos WO - A - 9943419 y US - A -
5746051.

Resumen de la invención

En consecuencia, el objetivo de la presente invención es superar los inconvenientes antes mencionados y, en particular, proporcionar un filtro electrostático que tenga un rendimiento igual o mayor que el de una célula de filtro electrostático convencional.

Dentro del alcance del objetivo anteriormente mencionado, un objeto principal de la presente invención es proporcionar un depurador de aire que tenga un alto rendimiento de filtrado al filtrar las fracciones contaminantes, que comprenda fracciones de partículas y también fracciones contaminantes de diferentes naturalezas.

No obstante, otro objeto de la invención es un filtro electrostático que funcione con un consumo de potencia comparativamente bajo y que se pueda montar y reparar en un periodo de tiempo comparativamente corto y que, además, sea muy fiable y seguro en su funcionamiento.

Según un aspecto de la presente invención, el objetivo y los objetos antes mencionados, así como otros objetos adicionales, que se harán más evidentes a continuación, son conseguidos por un depurador de aire que comprende un dispositivo catalítico electrostático, que opera basándose en las propiedades del plasma frío.

Breve descripción de los dibujos

Otras características y ventajas de la presente invención se harán más evidentes a continuación a partir de la siguiente revelación detallada de la realización preferida, aunque no exclusiva, de un depurador de aire que comprende un dispositivo catalítico electrostático de plasma frío y que se ilustra, a modo de ejemplo indicativo, pero no limitativo, en las Figuras de los dibujos adjuntos, en donde:

La Figura 1 es una vista en perspectiva de un depurador de aire según la presente invención;

La Figura 2 es una vista lateral en sección transversal del depurador de aire según la invención;

La Figura 3 ilustra el principio de funcionamiento del depurador de aire electrostático según la invención;

La Figura 4 es una vista en despiece en 3 dimensiones, que ilustra una realización modificada del depurador de aire según la presente invención, incluyendo un cartucho intercambiable.

Descripción de las realizaciones preferidas

Haciendo mención de las referencias numéricas de las Figuras antes citadas, el depurador de aire según la presente invención, que ha sido generalmente indicado por la referencia numérica 1, comprende un marco de soporte, generalmente indicado por el número de referencia 8, incluyendo, a través de su profundidad total, una construcción en "sándwich", que comprende una red metálica 5, acoplada a un generador de alta tensión 7, con una capa perforada de fibra de poliéster 2 cargada con carbón activado, una capa de fibra de poliéster 3, recubierta por una delgada película de dióxido de titanio (TiO_{2}), una capa de fibra de poliéster 4, recubierta por un revestimiento de carbón activado y una red metálica 8 acoplada a la masa de dicho generador de alta tensión.

Los elementos 5 y 2 forman un electrodo de un dispositivo para generar un fuerte flujo de electrones libres, iones inestables y moléculas, de un tipo fuertemente reactivo.

El flujo antes mencionado se denomina de "plasma frío" o "plasma no térmico", para distinguirle de un plasma de estado térmico en el que la ionización molecular se induce por la energía térmica producida por un incremento de la temperatura.

El plasma frío o no térmico, por el contrario, se genera por una energía electromagnética, es decir, aplicando una diferencia potencial muy pulsada con respecto a un electrodo de referencia que comprende las etapas 4 y 8 y que está eléctricamente acoplada a masa.

Dicha diferencia de potencial proporcionará por inducción, un campo eléctrico que tiene una correspondiente amplitud o intensidad y una orientación opuesta, que opera para realizar un proceso ionizante.

La capa 3 mencionada es atravesada por el flujo antes citado y al estar dispuesta entre los dos electrodos citados, tendrá una doble función de colector múltiple y de reactor catalítico.

La fracción de partículas contaminantes, que está en suspensión en el aire, sometida a dicho plasma frío, asumirá una carga electrostática que le permite ser atraída por las fibras de poliéster de la capa 3 que tiene una carga electrostática de signo opuesto.

Dependiendo de la cantidad de carga adquirida que, a su vez, depende de las características físico- geométricas y químicas de las partículas individuales, estas últimas serán atraídas por las fibras de la capa 3 o las fibras de la capa 4 siguiente.

Entonces, en su recorrido, correspondiente a la capa 3, las sustancias orgánicas volátiles están sometidas a un proceso de oxidación.

De hecho, el plasma frío está caracterizado por la presencia de electrones energéticos muy acelerados que, al impactar contra las moléculas de aire a la temperatura ambiente, formarán radicales oxidantes OH^{-} y O^{-}, que pueden reaccionar directamente con las sustancias contaminantes para formar otras sustancias oxidantes tales como O_{3}, OOH, O_{2} -.

Además, se genera grandes cantidades de fotones que tienen una longitud de onda en la gama del espectro de UV desde 160 a 220 nm y que proporcionan dos efectos importantes.

El primero de dichos efectos es la actuación de las propiedades fotocatalíticas del dióxido de titanio, debido al paso de los electrones desde la banda de valencia a la banda conductora, para lo cual es suficiente la energía de un fotón de 3,2 eV, que es una longitud de onda menor que 387 nm.

En particular, los fotones generados dentro del plasma son adecuados para activar o energizar el dióxido de titanio, formando así, después de una serie de reacciones que implican transferencias de cargas, nuevos radicales oxidantes libres.

Una consecuencia directa de lo anterior es que las moléculas contaminantes, que pasan a través de un entorno saturado por especies químicas muy oxidantes, se descomponen con rapidez.

El segundo efecto es el de una fuerte acción biocida, debido a la radiación de UV (160 - 220 nm), a la que son muy sensibles la mayor parte de los microorganismos patógenos, debido a las alteraciones nocivas e irreversibles producidas por la radiación de UV en la estructura intracelular. Por ejemplo, una formación de radical libre en citoplasma.

La capa 4, que tiene una baja resistividad eléctrica, opera principalmente como un electrodo de referencia para el campo eléctrico que genera el plasma frío.

Además, dicha capa 4 opera como un múltiple para recoger la partícula electrostáticamente cargada presente en las secciones precedentes del depurador de aire.

Las características de absorbancia conocidas de las sustancias contaminantes en fase gaseosa se suministran a la capa 4 por la presencia del carbón activado, que contribuye a una neutralización de las sustancias contaminantes en fase gaseosa.

El depurador de aire anteriormente descrito se puede fabricar según varias realizaciones modificadas.

Para un uso en entorno industrial y civil, el "sándwich" de capas fibrosas se puede mantener en una construcción flexible, para ajustar mejor los volúmenes de aparatos existentes, para los que el parámetro del espacio es muy crítico, por ejemplo en el campo aeroespacial y de los vehículos a motor.

En la realización ilustrada en la Figura 4, la construcción de "sándwich" de capas fibrosas constituye un cartucho que se puede aplicar y sustituir fácilmente en la forma de un cartucho 10 que se introduce en un marco metálico 9.

El marco metálico 9, que se denomina también "caddy", y que tiene una forma y tamaño exterior idéntico a los del marco antes citado 6 según la invención, comprende, en su lado frontal de entrada de aire, una barrera electrostática de ionización, formada por una rejilla de electrodos equiespaciados 11, acoplados a masa y por una rejilla adicional, entrelazada con la rejilla precedente, de hilos equiespaciados de tungsteno o carbón 12, acoplados a la alta tensión generada por el generador de alta tensión 7.

La parte restante del volumen, en la parte posterior del marco metálico 9, está prevista para alojar en ella el cartucho intercambiable o sustituible 10 antes mencionado.

Esta realización modificada proporciona las mismas características operativas de filtrado de amplio espectro, es decir, partículas, sustancias químicas, gases contaminantes e incluso otras sustancias.

Sin embargo, esta realización modificada permite, al final de la vida operativa del filtro, en lugar de disponer de dispositivo total, sustituir solamente el cartucho intercambiable 10, reconstruyendo así la estructura funcional del depurador de aire, con una sustitución completa de solamente el colector, donde se recoge el residuo contaminante retirado.

A este respecto, debe señalarse que el dispositivo depurador de aire sujeto está caracterizado porque comprende una barrera de ionización de efecto corona, que constituye una parte de un conjunto que coopera para formar un generador de plasma a temperatura ambiente.

Este dispositivo comprende sustancialmente una red metálica, o una red hecha de cualquier otro material electroconductor adecuado, acoplada a un generador de alta tensión específicamente diseñado, que entra en contacto con una capa de material fibroso electroconductor siguiente, comprendiendo, por ejemplo, fibras de poliéster recubiertas de carbón activado, fibras de metálicas, fibras de carbón y otras similares.

Una o más aberturas se han formado a través de la capa de material fibroso mencionadas, cuyas aberturas pueden tener cualquier tamaño y forma deseados; la zona no implicada por dichas aberturas puede permitir, o no, el paso de aire aplicando una película de material plástico u otra película de material
adecuado.

El dispositivo según la invención comprende, además, un colector que incluye una capa de material granular o fibroso suelto, restringido por un marco o que tiene una construcción de consistencia esponjosa, no eléctricamente conductora, constituida por una placa plana o plisada, con la adición de dióxido de titanio (TiO_{2}) de un tipo de rutilo o anatasa o cualquier mezcla adecuada de ambos tipos, con una adición opcional de sustancias adaptadas para extender el margen de longitudes de onda de la radiación electromagnética necesaria para la activación de dicho TiO_{2} tal como compuestos de rutenio y similares.

El dispositivo según la invención comprende, además, un segundo colector, que constituye una parte de un conjunto que forma un generador de plasma a temperatura ambiente, incluyendo una capa de material granular o fibroso suelto, restringido por un marco o que tiene una construcción texturada, por ejemplo, una construcción de extrusor o una construcción de tipo esponjoso, eléctricamente conductora, con una adición opcional de TiO_{2} bajo una placa plana o configuración plisada, que entra en contacto con una red metálica o cualquier red deseada hecha de un material electroconductor adecuado, acoplada al polo de tierra de un generador de alta tensión adecuado.

El dispositivo depurador de aire según la presente invención comprende, entre sus propios componentes, una capa de material granular o fibroso suelto, restringida en su movimiento por un marco o que tiene una construcción texturada (por ejemplo, una construcción extruída) o una construcción de tipo esponjoso eléctricamente conductora.

Dicho dispositivo puede comprender también fibras de poliéster recubiertas de carbón activado, fibras metálicas, fibras de carbón y elementos similares, en una placa plana o en una configuración plisada.

El dispositivo depurador de aire según la invención comprende, dicho de otro modo, una construcción específicamente diseñada para generar plasma frío o de temperatura ambiente, incluyendo uno o más arrollamientos de material electroconductor alrededor de los conductos de material dieléctrico, a través de los cuales se dirige el aire a los siguientes flujos de construcción.

Dichos arrollamientos están acoplados a un generador de RF adecuado para generar dicho plasma frío en sustancia de aire o gaseosa.

El dispositivo depurador de aire comprende, además, en particular, una construcción que incluye un marco de material dieléctrico, que soporta una configuración de alambres de material electroconductor (por ejemplo, hechos de tungsteno o carbón) equiespaciados entre sí y acoplados a un generador de alta tensión adecuado, pudiendo estar entrelazadas entre ellos placas de material conductor acopladas a
tierra.

La construcción del dispositivo según la invención puede estar provista, además, de un marco metálico que, a su vez, puede recibir las estructuras mantenidas en un elemento de tipo caja intercambiable que opera como un elemento colector.

De este modo, al final de la vida operativa del dispositivo, dicho elemento de tipo caja se puede retirar y sustituir por otro nuevo, recuperando así las capacidades operativas completas del dispositivo depurador de aire.

Dicho marco metálico está caracterizado por una forma, un tamaño y una disposición de contacto eléctrico adecuados para permitir la fácil sustitución de los filtros electrostáticos comercialmente disponibles en los aparatos acabados, sin necesidad de ninguna modificación de las estructuras de soporte.

Además, se proporciona para depositar, sobre las estructuras de sustancias gaseosas expuestas al aire, una película de dióxido de titanio (TiO_{2}) de un tipo de rutilo o anatasa o en una mezcla según cualquier relación de mezcla deseada, con una adición opcional de sustancias adecuadas para ampliar la gama de longitudes de onda de la radiación electromagnética necesaria para activar dicho TiO_{2} tal como compuestos de rutenio y similares, según el método
siguiente:

a) preparación de una solución al 15% de alcohol polivinílico en agua, sumergiendo el material de partículas que se va a recubrir en esta solución y luego secando a la temperatura ambiente;

b) proporcionar una suspensión al 15% de TiO_{2} en agua;

c) sumergir el material de partículas que se va a recubrir en dicha suspensión y realizando la infiltración del material en exceso;

d) secar con rapidez el material de partículas a través de la exposición a un campo de RF que tiene una frecuencia desde 2 a 4 GHz durante unos segundos.

El método anterior permite obtener un recubrimiento de película de una naturaleza muy reactiva, puesto que no incluye sustancias contaminantes y esto sin dañar el material de soporte aun cuando este último comprende un material que tiene una deficiente resistencia contra la alta temperatura y los disolventes orgánicos, tales como fibras de poliéster.

A partir de la anterior descripción debe ser evidente que la invención consigue completamente el objetivo y objetos previstos.

En particular, el hecho a señalar es que se proporciona un depurador de aire electrostático, caracterizado por el uso de una barrera de plasma frío, es decir, a la temperatura ambiente, específicamente diseñado para obtener un filtrado de amplio espectro óptimo de las sustancias contaminantes.

Este depurador de aire tiene un muy alto rendimiento de filtrado, muy bajos costes de fabricación y servicio y un muy pequeño consumo de energía.

Claims (11)

1. Purificador de aire que comprende un dispositivo catalítico electrostático de plasma frío, caracterizado porque dicho purificador de aire comprende un marco soporte (6) y una estructura en "sándwich", comprendiendo una primera red metálica (5) unida a un generador de alta tensión (7), una primera capa perforada de fibras de poliéster (2), cargada mediante carbones activados, una segunda capa de fibras de poliéster (3) revestida de una delgada capa de dióxido de titanio, una tercera capa de fibra de poliéster (4) revestida de carbón activado y una segunda red metálica (8) conectada a la masa de dicho generador de alta tensión (7).

2. Purificador de aire según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha red metálica (5) y dicha capa de fibra de poliéster (2) constituyen un primer electrodo de dicho dispositivo catalítico electrostático de plasma frío.

3. Purificador de aire según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha tercera capa de fibra de poliéster (4) y dicha segunda red metálica (8) constituyen un segundo electrodo de referencia conectado eléctricamente a dicha masa del generador de alta tensión (7).

4. Purificador de aire según la reivindicación 3, caracterizado porque dicha segunda capa de fibra de poliéster (3) está entrelazada entre dichos primero y segundo electrodos (5,2; 4,8).

5. Purificador de aire según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho purificador de aire presenta una estructura exterior flexible.

6. Purificador de aire según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho purificador de aire comprende un marco metálico (9) que tiene las mismas dimensiones y forma que el marco de soporte (6) y que comprende, en uno de sus lados frontales de entrada de aire, una barrera electrostático ionizante formada por un primer electrodo de rejilla (11) que tiene electrodos conectados a dicha masa y un segundo electrodo de rejilla, entrelazado espacialmente con dicho primer electrodo de rejilla, comprendiendo hilos de tungsteno o carbono (12) conectados al generador de alta tensión (7).

7. Purificador según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho marco metálico (9) aloja un cartucho intercambiable (10) que tiene dicha estructura de "sándwich".

8. Purificador según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho purificador de aire comprende, además, un generador de plasma a la temperatura ambiente, al menos un primer colector formado por una capa de material fibroso sin cohesión empotrado en un primer marco de mantenimiento del primer colector o texturada o bajo forma esponjosa, no eléctricamente conductora, bajo una configuración de placa plana o plisada, con la adición del dióxido de titanio de tipo anatasa o rutilo o de sus mezclas, con una adición posible de compuestos del rutenio y un segundo múltiple colector que constituye una parte de dicho generador de plasma frío y que comprende una capa de fibras sin cohesión empotrada dentro de un marco de mantenimiento del segundo colector o texturada o de forma alveolar eléctricamente conductora, con la adición de dióxido de titanio, bajo una configuración de placa plana o plisada, en contacto con una red metálica u otro material eléctricamente conductor, conectado a dicha masa del generador de alta tensión.

9. Purificador de aire según la reivindicación 8, caracterizado porque dicho purificador de aire comprende dos primeros colectores, estando dispuesta entre ellos la capa de fibras sin cohesión.

10. Purificador de aire según la reivindicación 8, caracterizado porque dicho generador de plasma de temperatura ambiente comprende uno o varios arrollamientos de material eléctricamente conductor enrollados alrededor de conductos de material dieléctrico, a través de los cuales circula un gas o aire, estando dichos arrollamientos conectados a un generador de RF, para formar un plasma en dicho gas o aire.

11. Purificador de aire según las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque dicho generador de plasma está dispuesto dentro de un marco metálico que aloja también dichos primero y segundo colectores.