RU2352382C1 - Способ высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области неорганической химии и может быть использовано при очистке газов и стерилизации воздуха. Грубодисперсные частицы улавливают механическим фильтром грубой очистки 1. Затем частицы униполярно заряжают положительными газовыми ионами в зоне коронного разряда и осаждают на поверхности и в объеме электростатического грубоволокнистого фильтра 4. Фильтр 4 поляризован внешним электрическим полем, вектор напряженности которого коллинеарен вектору скорости воздушного потока. Затем частицы подвергают фотоокислению под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны более 0,3 мкм на поверхности фотокаталитического фильтра 6. В качестве фотокаталитического фильтра 6 используют чистый диоксид титана с кристаллической структурой анатаза или диоксид титана, содержащий один или несколько переходных металлов, например платину или палладий, нанесенный на грубопористую структуру. В качестве окислительного газа используют озон, который образуют в цилиндрическом конденсаторе 2 с центральным коронирующим проволочным электродом 3. Заключительная сорбция окислительного газа и кислородсодержащих молекулярных соединений происходит в порах фильтра 7 из активированного угля, 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области неорганической химии и может быть использовано при очистке газов и стерилизации воздуха от дисперсных и молекулярных примесей.

Известен способ фильтрации воздуха от дисперсных примесей путем униполярной зарядки аэрозольных частиц положительными газовыми ионами в зоне коронного разряда и последующего их улавливания в электростатическом осадителе под действием внешнего электрического поля (В. Страус. Промышленная очистка газов. Москва: Химия, 1981, гл. X 616 с.) [1].

Недостатком способа является неэффективная очистка воздуха от молекулярных и субмикронных (размер d<1 мкм) дисперсных примесей.

Известен способ очистки воздуха от запахов и других следовых примесей (формальдегид, окислы азота, фенол, толуол, озон и т.п.) путем пропускания воздушного потока через фильтры с гранулированным активированным углем при скорости 10-50 см/сек (В.Страус. Промышленная очистка газов. Москва: Химия, 1981, гл. III, 616 с.) [2].

Недостатком способа является неэффективная очистка воздуха от дисперсных примесей, забивка пор гранулированного адсорбента фильтратом дисперсных частиц и сложный процесс реактивации угля при температуре до 600°С.

Известен также способ улавливания кислых запахов пероксидов с двумя и/или тремя атомами кислорода в порах активированного угля, допированного металлическими частицами железа, меди и/или платины из растворов их комплексных солей при скорости течения воздуха до 50 см/сек (В. Страус. Промышленная очистка газов. Москва: Химия, 1981, гл.III, 616 с.) [3].

Недостатком этого способа является забивка пор активированного угля фильтратом дисперсных примесей, использование высоких температур для реактивации адсорбента и неэффективная очистка воздуха от дисперсных микрозагрязнений.

Известен также способ каталитической очистки воздуха от органических примесей путем его смешивания с озоновоздушной смесью с последующей подачей в реактор с катализатором на основе активированного угля. Соотношение озон : кислород воздуха в смешанном потоке отработанного воздуха и озоновоздушной смеси 1:2-4. Соотношение озон : органические загрязнения 1:2-10 (Патент РФ № 2051733, кл. B01D 53/86, опубл. 10.01.1996) [4].

Недостатком способа является забивка пор катализатора дисперсными примесями, использование специального озонатора для создания значительных концентраций озона, существенно превышающих ПДК, а также необходимость непрерывного поддержания повышенной температуры от 50 до 100°С активированного угля для эффективного разложения органических примесей на его поверхности.

Известен также способ очистки газовых выбросов от органических соединений методом ионизации, включающий окисление молекулярных примесей путем пропускания газовоздушной смеси через работающее в автоматическом режиме устройство для ионизации (Патент РФ № 2174042, кл. B01D 53/32 опубл. 27.09.2001) [5].

Недостатком способа является неэффективная очистка воздуха от дисперсных примесей.

Известен также способ уменьшения вредных примесей компонентов и загрязняющих примесей в выхлопных двигателях, включающий образование озона под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны 185 нм, введение озона в поток рабочего газа и последующее разложение загрязняющих примесей в каталитическом преобразователе (Патент РФ № 2168053, кл. F02M 27/06, 19.12.96, дата опубл. 27.05.2001 [6]).

Недостатком способа является неэффективная очистка газов от дисперсных примесей.

Известен также способ очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающий захват дисперсных частиц механическим фильтром грубой очистки, зарядку тонкодисперсных аэрозольных частиц в зоне плазменного разряда, их улавливание с помощью электростатического рулонного фильтра и последующее окисление органических примесей на поверхности фотокаталитического фильтра с вкраплениями частиц диоксида титана (TiO₂) в присутствии мягкого ультрафиолетового излучения с длиной волны более 0,3 мкм («Взгляд "DAIKIN" на чистоту и свежесть воздуха», «Мир Климата», январь 2004, № 22, Журнал Ассоциации Предприятий Индустрии Климата России) [7].

Недостатком способа является ограниченная эффективность очистки воздуха от молекулярных и дисперсных примесей. Кроме того, в процессе работы возникает необходимость периодической замены фильтров вследствие постепенного загрязнения фильтратом, поскольку забитый фильтр не только перестает выполнять свою функцию и снижает производительность устройства для осуществления способа, но и сам становится источником загрязнения проходящего через него воздуха.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является способ очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающий улавливание грубодисперсных частиц механическим фильтром грубой очистки, последующее введение в очищаемую воздушную смесь дополнительного окислительного газа и фотоокисление с разложением уловленных примесей под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны более 0,3 мкм на поверхности фотокаталитического фильтра с нанесенным на грубопористую структуру фотокатализатором, в качестве которого используют чистый диоксид титана с кристаллической структурой анатаза или диоксида титана, содержащий один или несколько переходных металлов (платина, палладий), и заключительную сорбцию окислительного газа и кислородсодержащих молекулярных соединений в порах фильтра из активированного угля Патент РФ № 2259866, кл B01D 53/86, опубл 10.09.2005) [8]

Недостатком описанного выше способа является неэффективная очистка воздуха от субмикронных дисперсных частиц и забивка фотокатализатора и активированного угля фильтратом примесей.

Технический результат, получаемый от использования изобретения, заключается в повышении эффективности и в обеспечении непрерывности процесса очистки воздуха от субмикронных дисперсных и молекулярных примесей за счет униполярной зарядки ионами коронного разряда аэрозольных частиц, их высокоэффективной электростатической фильтрации грубоволокнистым фильтром со стерилизацией уловленного фильтрата патогенной флоры (микроорганизмы, бактерии) и уменьшения массовой нагрузки фильтрата примесей на фотокатализатор и активированный уголь, а также в непрерывной реактивации фотокатализатора и активированного угля путем разложения молекулярных и дисперсных примесей на поверхности и в порах фотокатализатора и активированного угля с их одновременной очисткой от адсорбированного фильтрата примесей в присутствии мягкого ультрафиолетового излучения и озона, образованного в коронном разряде.

Указанный технический результат достигают тем, что в способе очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающем улавливание грубодисперсных частиц механическим фильтром грубой очистки, последующее введение в очищаемую воздушную смесь дополнительного окислительного газа и фотоокисление с разложением уловленных примесей под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны более 0,3 мкм на поверхности фотокаталитического фильтра с нанесенным на грубопористую структуру фотокатализатором, в качестве которого используют чистый диоксид титана с кристаллической структурой анатаза или диоксида титана, содержащий один или несколько переходных металлов (платина, палладий), и заключительную сорбцию окислительного газа и кислородсодержащих молекулярных соединений в порах фильтра из активированного угля, в качестве окислительного газа используют озон, который образуют в цилиндрическом конденсаторе с центральным коронирующим проволочным электродом, для чего осуществляют в зоне коронного разряда униполярную зарядку положительными газовыми ионами аэрозольных частиц с последующим их осаждением на поверхности и в объеме электростатического грубоволокнистого фильтра, поляризованного внешним электрическим полем, вектор напряженности которого коллинеарен вектору скорости воздушного потока, а последующее фотоокисление примесей с одновременной очисткой и реактивацией фотокатализатора и активированного угля от уловленного фильтрата инициируют ультрафиолетовым излучением в присутствии озона. Тем, что осуществляют униполярную зарядку частиц положительными газовыми ионами при фиксированном параметре зарядки, определяемом из выражения С×t>2 10^-10 (Ом·м)^-1× сек, где

С - ионная проводимость газа

t - время зарядки частиц,

а также тем, что осаждение униполярно зараженных аэрозольных частиц на поверхности и в объеме электростатического грубоволокнистого фильтра, поляризованного внешним электрическим полем, вектор напряженности которого коллинеарен вектору скорости воздушного потока, осуществляют при фиксированном параметре электростатической фильтрации Э=V_E/V>0,3, где V_E - скорость движения заряженной аэрозольной частицы под действием внешнего электрического поля, а V - скорость течения воздуха через электростатический грубоволокнистый фильтр.

Использование электростатического грубо волокнистого фильтра, поляризованного внешним электрическим полем Е, позволяет осуществлять высокоэффективное осаждение аэрозольных частиц, предварительно заряженных положительными газовыми ионами в зоне коронного разряда цилиндрического конденсатора. Захват частиц происходит на поверхности и по объему грубоволокнистого фильтра за счет кулон-дипольного взаимодействия униполярно заряженных частиц и грубых волокон, поляризованных внешним электрическим полем. Размер волокон варьируют от 10 до 200 микрон, а их плотность упаковки составляет мене 5%. Использование грубоволокнистого электростатического фильтра позволяет существенно уменьшить (в 150-200 раз) его аэродинамическое сопротивление воздушному потоку и существенно увеличить пылемаслоемкость (более чем в 100-150 раз) по сравнению с аналогичными характеристиками высокоэффективных "ПЕРА" фильтров. Это позволяет использовать данный способ для высокоэффективной очистки вентиляционного воздуха с малым газодинамическим напором с кратностью очистки более чем в 10000 раз по частицам с размером более 0,01 мкм. По прототипу кратность очистки столь мелких частиц не превышает 2-3.

Экспериментально было установлено, что максимальная эффективность осаждения наблюдается для случая, когда вектор напряженности внешнего электрического поля коллинеарен - лежит в одной плоскости с вектором скорости воздушного потока через грубоволокнистый электростатический фильтр. Значение кратности очистки воздуха от частиц с размером более 0,01 мкм определяется параметром электростатической фильтрации Э=V_E/V. Эксперименты с каплями и твердыми аэрозолями показали, что высокоэффективный захват униполярно заряженных частиц с размером более 0,01 мкм грубоволокнистым фильтром, поляризованными внешним электрическим полем, имеет место при величине параметра электростатической фильтрации Э=V_E/V>0,3. В случае когда линейная скорость воздушного потока через грубоволокнистый электростатический фильтр существенно превышает скорость движения частицы под действием внешнего электрического поля и параметр Э=V_E/V<0,3, эффективность электростатического осаждения частиц резко падает. В отсутствие процесса зарядки частиц и/или внешнего электрического поля эффективность очистки также резко уменьшается (более чем в 1000 раз).

Скорость движения частиц V_E под действием внешнего электрического поля пропорциональна величине их заряда, поэтому необходимо создавать условия электризации аэрозолей для уменьшения флуктуации (величины дисперсии) зарядов аэрозольных частиц одинакового размера (А.А.Кирш, А.В.Загнитько. Измерение флуктуации зарядов аэрозольных частиц. Ж. Физической химии, 1980, том 54, № 5, с.1284, [9]; А.А.Кирш, А.В.Загнитько. Зарядка субмикронных аэрозольных частиц униполярными ионами в электрическом поле. Ж. Физической химии, 1982, том 56, № 4, с.959) [10]. Осуществление униполярной зарядки аэрозольных частиц в цилиндрическом конденсаторе с центральным коронирующим электродом при величине параметре зарядки Ct>2×10^-10 (Ом·м)^-1 × сек позволяет не только эффективно заряжать дисперсные примеси размером более 0,01 мкм, но и существенно уменьшить величину флуктуации зарядов частиц, обусловленную стохастической природой захвата униполярных газовых ионов. Этот результат был установлен авторами в процессе экспериментального изучения униполярной зарядки ионами и электронами аэрозольных частиц диаметром более 0,01 мкм (А.А. Кирш, А.В.Загнитько. Измерение флуктуации зарядов аэрозольных частиц. Ж. Физической химии, 1980, том 54, № 5, с.1284, [9]; А.А. Кирш, А.В.Загнитько. Зарядка субмикронных аэрозольных частиц униполярными ионами в электрическом поле. Ж. Физической химии, 1982, том 56, № 4, с.959 [10]).

При C×t<2×10^-10 (Ом·м)^-1 × сек существенно возрастает величина дисперсии распределения зарядов на частицах фиксированного размера (А.А. Кирш, А.В.Загнитько. Измерение флуктуации зарядов аэрозольных частиц. Ж. Физической химии, 1980, том54, № 5, с.1284, [9]; А.А. Кирш, А.В.Загнитько. Зарядка субмикронных аэрозольных частиц униполярными ионами в электрическом поле. Ж. Физической химии, 1982, том56, № 4, с.959 [10]). Наличие значительных флуктуации зарядов частиц существенно влияет на эффективность их электростатического захвата на волокнах поляризованного грубоволокнистого фильтра, поскольку электрофоретическая скорость заряженной частицы V_E=µqE определяется величиной ее заряда q и напряженности электрического поля Е. Здесь µ - электрическая подвижность частицы с зарядом один электрон (табличное значение). В результате в случае широкого распределения зарядов на частицах фиксированного размера существует значительная доля неэффективно (слабо) заряженных частиц, для которых величина параметра электростатической фильтрации Э<0,3. Следовательно, необходимо создавать условия для максимального уменьшения дисперсии распределения зарядов на частицах фиксированного размера путем их зарядки при величине параметра C×t>2×10^-10 (Ом·м)^-1 × сек.

Величина С практически постоянна во внешней области цилиндрического конденсатора с коронирующим проволочным электродом, поэтому данная геометрия используется для осуществления униполярной зарядки аэрозольных частиц (Н.А.Капцов. Электрические явления в газах. Москва-Ленинград: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1947, 808 с. [11]).

При подаче положительного напряжения на центральный коронирующий проволочный электрод возможно образование окислов азота, однако их концентрация существенно меньше концентрации окислов азота в случае использования отрицательного напряжения. Кроме того, положительная корона более стабильна по сравнению с отрицательной. Поэтому для зарядки дисперсных частиц используются положительные газовые ионы.

Высокоэффективная очистка воздуха от дисперсных примесей (более чем в 10000 раз) при малом газодинамическом сопротивлении (менее 100-150 Па) позволяет существенно уменьшить по сравнению с прототипом массовую нагрузку и скорость забивки фильтратом дисперсных примесей ультрадисперсных гранул фотокатализатора и пор активированного угля. Это обуславливает непрерывность процесса очистки и повышение его эффективности.

Создание коронного разряда в зоне цилиндрического конденсатора позволяет не только эффективно осуществлять униполярную зарядку частиц и далее их осаждать на волокнах поляризованного внешним электрическим полем грубоволокнистого фильтра, но и одновременно вводить в воздушный поток озон, который обладает сильными окислительными свойствами (В.В.Лунин. Физическая химия озона. - Москва: МГУ, 1992) [12]. В результате в зоне коронного разряда имеет место предварительная стерилизация воздуха, а на волокнах грубоволокнистого электростатического фильтра - его заключительная стерилизация от уловленной патогенной флоры (микроорганизмы, бактерии и вирусы) за счет из озонирования.

Высокоэффективная очистка воздуха путем униполярной зарядки частиц и их последующего осаждения на волокнах электростатического грубоволокнистого фильтра, поляризованного внешним электрическим полем, существенно снижает массовую нагрузку и скорость забивки фотокатализатора и активированного угля. Это обуславливает обеспечение непрерывности процесса очистки воздуха и повышение эффективности улавливания дисперсных и молекулярных примесей.

Кроме того, в процессе фотоокисления органических и неорганических молекулярных примесей (фенол, формальдегид, ацетон и т.п.) в присутствии озона на поверхности катализатора на основе диоксида титана имеет место интенсивная очистка его ультрадисперсных гранул от уловленных молекулярных и дисперсных примесей. Из практики известно, что наибольшей фотокаталитической активностью обладают образцы TiO₂ с кристаллической модификацией анатаза и не содержащие большого числа примесей. Органические молекулы из воздушного потока адсорбируются на поверхности фотокатализатора, нанесенного на грубопористую структуру (фотокаталитический фильтр), и окисляются до углекислого газа и воды под действием ультрафиолетового излучения лампы. На поверхности TiO₂ могут быть окислены и минерализованы до CO₂ и Н₂O практически любые органические соединения Например, от ламп дневного света за 1 час на его поверхности может разрушиться слой толщиной 0,006 микрон таких органических соединений, как, например, жирные кислоты, выделяющиеся при жарке продуктов (Фотокаталитическая очистка и обработка воды и воздуха. Под редакцией Д.Ф.Олиса и Ал-Екаби, Нью-Йорк: издательство Элзивир, 1993 [11]; Photocatalytic Purification and Treatment of Water and Air, Editer by D.F. Oilis and H.Al-Ekabi, New York, Elsevier, 1993) [13].

На практике имеет место неполное фотоокисление с разложением молекулярных и дисперсных примесей на поверхности диоксида титана на воду и углекислый газ, так как скорость поступления различных примесей может превышать скорость их разложения (Фотокаталитическая очистка и обработка воды и воздуха. Под редакцией Д.Ф. Олиса и Ал-Екаби, Нью-Йорк: издательство Элзивир, 1993[13]; Photocatalytic Purification and Treatment of Water and Air, Editer by D.F. Oilis and H.Al-Ekabi, New York, Elsevier, 1993) [13]. В результате фотокатализатор и активированный уголь постепенно забиваются фильтратом, вследствие чего постепенно падает эффективность очистки воздуха. В этом случае в способе по прототипу необходимо заменять фотокатализатор и активированный уголь.

В заявленном способе в присутствии озона и ультрафиолетового излучения на поверхности фотокатализатора происходит интенсивное образование пероксидов - веществ, содержащих пероксогруппы -O-O-, связанные с атомами углерода (В.Л.Антоновский, С.Л.Хурсан. Физическая химия органических пероксидов. МНТЦ «Академкнига», 2003, 391 с.) [14]. Например, пероксиды фракции жирных кислот, ацетила, метилэтилкетона, бензоила, диалкилпероксиды, пероксид водорода и т.п.в зависимости от типа молекулярных и дисперсных примесей в потоке фильтруемого воздуха [14]. Это очень активные соединения. Они легко разлагаются на радикалы в том числе с образованием ОН- и O-радикалов, которые способны окислить любое органическое соединение. Кроме того, сам озон частично распадается на катализаторе TiO₂ в присутствии ультрафиолетового излучения с длиной волны более 0,3 микрон с частичным образованием триплетного кислорода (O₃→O+O₂) и/или с образованием ионов O^-1(О₃+е→О^-1+O₂), которые обладают сильными окислительными свойствами. Таким образом, поверхность TiO₂ под светом в присутствии озона становится сильнейшим окислителем (Фотокаталитическая очистка и обработка воды и воздуха. Под редакцией Д.Ф.Олиса и Ал-Екаби, Нью-Йорк: издательство Элзивир, 1993 [13]; Photocatalytic Purification and Treatment of Water and Air, Editer by D.F. Oilis and H.Al-Ekabi, New York, Elsevier, 1993) [13]. Кроме того, процессы улавливания и разложения различных примесей происходят на развитой поверхности пор активированного угля в присутствии мягкого ультрафиолетового излучения с поглощением озона и кислородсодержащих соединений (фотопероксидов). В результате наряду с фотокаталитическим разложением абсорбируемых примесей с поверхности диоксида титана и пор активированного угля одновременно удаляются адсорбированные молекулы примесей и осевших дисперсных частиц путем их разложения в процессе окисления пероксидами, радикалами (том числе ОН- и O-) и ионами O^-1. Таким образом, в зоне коронного разряда имеет место предварительная очистка воздуха от молекулярных примесей, на фотокатализаторе их основное разложение, а заключительная очистка происходит в порах активированного угля. Содержание озона и примесей окислов азота в очищенном воздухе не превышает ПДК за счет их адсорбции угольным адсорбентом. Это обуславливает непрерывную реактивацию катализатора и активированного угля и непрерывность процесса очистки воздуха, а также повышение эффективности улавливания дисперсных и молекулярных примесей по сравнению с прототипом.

Изобретение поясняется чертежом, где на Фиг.1. приведена принципиальная схема устройства для осуществления способа высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей. Описанная ниже схема устройства содержит механический фильтр грубой очистки - 1, цилиндрический конденсатор, состоящий из внешнего заземленного цилиндра - 2 и расположенного вдоль его оси центрального коронирующего проволочного электрода - 3, грубоволокнистый электростатический фильтр - 4, заземленную цилиндрическую сетку - 5, фотокаталитический фильтр - 6, фильтр из активированного угля - 7, лампу мягкого ультрафиолетового излучения - 8, цилиндрический заземленный корпус - 9, цилиндрическую высоковольтную сетку - 10, соединенную с высоковольтным источником положительного напряжения - 11, микроамперметр - 12 для измерения тока коронного разряда цилиндрического конденсатора.

На схеме приняты также следующие обозначения: А - микроамперметр, R - радиус внешнего заземленного цилиндра 2, U≤10 кВ - положительное напряжение коронного разряда, TiO₂ - нанесенный на грубопористую структуру фотокаталитического фильтра 6 фотокатализатор, в качестве которого используют чистый диоксид титана с кристаллической структурой анатаза или диоксида титана, содержащий один или несколько переходных металлов (платина, палладий).

Центральный коронирующий проволочный электрод 3 диаметром от 100 до 200 мкм соединен с высоковольтным источником напряжения 11.

Грубоволокнистый электростатический фильтр 4 выполнен цилиндрическим из слоя непроводящих грубых волокон диаметром более 10 микрон, установлен соосно между цилиндрической сеткой 5 и цилиндрической высоковольтной сеткой 10 и поляризован внешним электрическим полем за счет создания разности потенциалов между цилиндрической сеткой 5 и цилиндрической высоковольтной сеткой 10 с помощью микроамперметра 12. Вектор напряженности внешнего электрического поля Е коллинеарен (параллелен или антипараллелен) вектору скорости воздушного потока V через грубоволокнистый электростатический фильтр 4.

Фильтр из активированного угля 7 выполнен в виде кольцеобразного цилиндрического слоя из гранул активированного угля.

Лампа мягкого ультрафиолетового излучения 8 установлена вдоль оси фотокаталитического фильтра 6 и фильтра из активированного угля 7. Длина волны мягкого ультрафиолетового излучения составляет более 0,25 мкм. Излучение облучает фотокаталитический фильтр 6 и 7.

Способ осуществляют следующим образом.

Поток фильтруемого воздуха пропускают последовательно через механический фильтр грубой очистки 1, цилиндрический конденсатор, который состоит из внешнего заземленного цилиндра - 2 и расположенного вдоль его оси центрального коронирующего проволочного электрода - 3, в котором частицы униполярно заряжают положительными газовыми ионами при фиксированном параметре зарядки Ct>2×10^-10(Ом·м)^-1 × сек. Положительные ионы создают в зоне коронного разряда при подачи высокого напряжения U от высоковольтного источника напряжения 11 на центральный коронирующий проволочный электрод 3.

Величину проводимости воздуха, практически постоянную во внешней области коронного разряда цилиндрического конденсатора (R²>>r), рассчитывают по формуле С=I×Ln(R/r)/2πLU, где I - ток коронного разряда, измеряемый с помощью микроамперметра 12, R - радиус внешнего заземленного цилиндра 2 длиной L, r - радиус центрального коронирующего проволочного электрода 3 (Н.А.Капцов, Электрические явления в газах.- Москва-Ленинград: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1947, 808 с. [9]).

Время униполярной зарядки дисперсных частиц определяют по формуле t=L/V, где V=Q/S - линейная скорость течения воздуха с объемным расходом Q через цилиндрический конденсатор площадью поперечного сечения S=πR².

Униполярно заряженные частицы улавливают на поверхности и в объеме грубоволокнистого электростатического фильтра 4, поляризованного внешним электрическим полем, вектор напряженности которого коллинеарен вектору скорости воздушного потока при фиксированном параметре электростатической фильтрации Э=V_E/V>0,3.

Напряженность поляризующего грубоволокнистый электростатический фильтр 4 внешнего электрического поля определяют по формуле плоского конденсатора Е=U/D, где D - расстояние между цилиндрической сеткой 5 и цилиндрической высоковольтной сеткой 10.

Скорость движения униполярно заряженной дисперсной частицы под действием внешнего электрического поля с напряженностью Е рассчитывают по формуле V_E=q×E, где q - заряд частицы. Величину q определяют по формулам униполярной зарядки частиц при известных значениях параметра зарядки Ct (A.A.Кирш, А.В.Загнитько. Измерение флуктуации зарядов аэрозольных частиц. Ж. Физической химии, 1980, том 54, № 5, с.1284, [7]; A.A.Кирш, А.В.Загнитько. Зарядка субмикронных аэрозольных частиц униполярными ионами в электрическом поле. Ж. Физической химии, 1982, том 56, № 4, с.959 [8]).

Скорость течения воздуха через грубоволокнистый электростатический фильтр 4 рассчитывают по формуле V=Q/S_ЭФ, где S_ЭФ - геометрическая площадь грубоволокнистого электростатического фильтра.

Кратность очистки воздуха К=N₀/N по частицам размером более 0,01 мкм составляет не менее 10000 раз, а по прототипу менее 2-3 (N₀ и N - счетные концентрации частиц до и после фильтрующего устройства соответственно).

В зоне цилиндрического конденсатора с внешним заземленным цилиндром 2 и центральным коронирующим проволочным электродом 3 воздушный поток насыщают добавками озона (О₃), который образуется при коронировании центрального коронирующего проволочного электрода 3 и является сильным окислителем. В результате имеет место непрерывная стерилизация грубоволокнистого электростатического фильтра 4 от уловленных патогенных примесей (микроорганизмы, бактерии и вирусы) и непрерывная очистка волокон от фильтрата органических и неорганических дисперсных частиц в процессе их озонирования.

В результате имеет место высокоэффективная очистка воздуха с его обеззараживанием от патогенной флоры и уменьшается массовая нагрузка дисперсной фазы на катализатор и активированный уголь, что поддерживает непрерывность процесса фильтрации.

После грубоволокнистого электростатического фильтра 4 поток очищенного воздуха пропускают через фотокаталитический фильтр 6 и далее через фильтр из активированного угля 7. На поверхности фотокатализатора TiO₂ под действием мягкого ультрафиолетового излучения в присутствии озона происходит интенсивное разложение органических молекулярных и дисперсных примесей, адсорбированных на частицах TiO₂.

Кинетика процесса разложения органических примесей существенно зависит от концентрации фотопероксидов и радикалов ОН-, O-, а также от мощности мягкого ультрафиолетового излучения и концентрации озона. Оптимальную мощность ультрафиолетового излучения варьируют от 2 до 10 мВт на 1 см² геометрической поверхности фотокаталитического фильтра 6 с осажденным фотокатализатором ультрадисперсного диоксида титана с размером частиц от 0,005 до 0,1 мкм, а содержание озона в воздушном потоке составляет от 10^-5 до 10^-4% по объему в зависимости от объемного расхода воздуха и величины напряжения U центрального коронирующего проволочного электрода 3.

В результате имеет место эффективная очистка воздуха от молекулярных примесей на поверхности фотокатализатора и реактивация TiO₂ за счет интенсивного удаления адсорбированных молекулярных и органических дисперсных примесей с поверхности частиц диоксида титана в присутствии интенсивного ультрафиолетового излучения и озона, образованного в коронном разряде.

На выходе из устройства воздушный поток пропускают через фильтр из активированного угля 7 для повышения эффективности улавливания молекулярных примесей и адсорбции озона и кислородсодержащих соединений, а также для реактивации активированного угля от фильтрата примесей за счет их разложения под действием ультрафиолетового излучения в присутствии озона, пероксидов и радикалов ОН- и O-.

В результате кратность очистки воздуха составляет К≥5×10⁴ от дисперсных частиц размером более 0,01 мкм при малом сопротивлении (<150 Па), эффективность удаления молекулярных примесей превышает 95%, имеет место непрерывная стерилизация воздуха от уловленной патогенной флоры (микроорганизмы, бактерии и вирусы) озоном, его содержание на выходе ниже ПДК (<1 мг/м³), а также обеспечивается непрерывность процесса очистки воздушного потока за счет непрерывного удаления фильтрата примесей с поверхности фильтров и реактивации фотокатализатора и активированного угля от фильтрата дисперсных и молекулярных примесей. Пример.

Механический фильтр грубой очистки 1 был изготовлен из волокон полипропилен [-СН(СН₂)-СН₂-]_n диаметром более 10 мкм. Его газодинамическое сопротивление составляло менее 1 Па при скорости течения воздуха 1 см/сек через 1 см². Кратность очистки воздуха К=1,3 от наиболее проникающих частиц диаметром 0,2-0,3 мкм.

Диаметр центрального коронирующего проволочного электрода 3 составлял 200 микрон. Положительное напряжение коронного разряда варьировали от 8 до 10 кВ.

Цилиндрический грубоволокнистый электростатический фильтр 4 толщиной 13 мм, был выполнен на основе волокон полипропилен [-СН(СН₂)-СН₂-]_n диаметром более 10 мкм, сопротивлением 10¹⁷ Ом/см и величиной относительной диэлектрической проницаемости 2-2,5. Его начальное газодинамическое сопротивление составляло менее 1 Па при скорости течения воздуха 1 см/сек через

1 см². Кратность очистки воздуха К=1,3 от наиболее проникающих частиц диаметром 0,2-0,3 мкм.

Цилиндрический фотокаталитический фильтр 6 был изготовлен на основе грубопористого волокнистого лавсана. Плотность упаковки волокон не превышала 5%. При нанесении в ультразвуковой ванне катализатора использовали деионизованную водную суспензию диоксида титана (порошок с размером частиц от 0,005 до 0,1 мкм) с величиной водородного показателя рН 5,5-8. Активировали катализатор TiO₂ кипячением в разбавленном водном растворе серной кислоты (0,1-10% H₂SO₄) и/или в автоклаве при повышенной температуре и давлении в щелочной среде.

Активированный уголь для цилиндрического фильтра из активированного угля 7 изготовлен пиролизом кокоса и допирован металлическими частицами железа, меди и/или платины из растворов их комплексных солей (тип "Galcon-carbon"). Удельная площадь поверхности пор составляла 10-100 м²/г. Ее в первую очередь необходимо было реактивировать от примесей ароматических соединений (бензол и его производные) и высококипящих примесей углеводородных молекул. Наличие озона и пероксидов в присутствии мягкого ультрафиолетового излучения позволяло эффективно удалять с развитой поверхности пор активированного угля молекулярные примеси и органические дисперсные частицы путем их разложения.

Потребляемая мощность использованной лампы мягкого ультрафиолетового излучения 8 составляла 36 Вт (производитель: компания Philips, тип: PL-L 36 W, длина - 400 мм). Мощность мягкого ультрафиолетового излучения с длиной волны от 0,3 до 0,46 мкм составляла около 9 Вт. Мощность излучения, поступающего на катализатор, варьировали от 2 до 10 мтт на 1 см² геометрической поверхности пористой структуры с осажденным фотокатализатором ультрадисперсного диоксида титана.

Испытания проводились на модельных аэрозольных частицах турбинного масла ТПК 22 диаметром от 0,2 до 0,3 мкм с массовой концентрацией около 0,1 г/м³. Частицы выбранного диапазона размеров являются наиболее проникающими через грубоволокнистый электростатический фильтр 4. Наряду с улавливанием дисперсной фазы воздух очищался от примесей паров ацетона с концентрацией около 10^-4-10^-3% по объему.

Параметр униполярной зарядки дисперсных частиц C×t=3×10^-10(Ом·м)^-1 × сек. Параметр электростатической фильтрации Э=V_E/V=0,45-0,55 при напряженности внешнего электрического поля, поляризующего волокна грубоволокнистого электростатического фильтра 4, равной Е=5 кВ/см. Оптимальная мощность мягкого ультрафиолетового излучения составляла 5-10 мВт на 1 см² геометрической поверхности фотокаталитического фильтра 6 и фильтра из активированного угля 7.

В результате было установлено, что кратность очистки воздуха составляла К=5×10⁴ от наиболее проникающих дисперсных частиц турбинного масла размером 0,2-0,3 мкм при сопротивлении 80-100 Па, а эффективность удаления паров ацетона из воздушного потока превышала 95%. Кроме того, имела место непрерывная стерилизация воздуха от уловленной патогенной флоры (микроорганизмы, бактерии и вирусы) ее озонированием, а содержание озона на выходе ниже было ниже ПДК (<1 мг/м³). Концентрация оксидов азота (NO и NO₂) также была ниже ПДК(<1-2 /мг/м³).

При воздействии ультрафиолета и озона наблюдалось окисление и фотовосстановление адсорбированных молекул с образованием фотопероксидов, а также образование триплетного кислорода и ионов O^-, которые также инициировали образование пероксидов и разложение фильтрата примесей. В результате в течение 6 месяцев наблюдалась непрерывная и эффективная очистка фотокатализатора и активированного угля от органических дисперсных частиц и молекулярных адсорбированных примесей при объемном расходе воздуха 25-30 м³/час. Процесс очистки фотокаталитического фильтра 6 и фильтра из активированного угля 7 контролировали по величине их газодинамического сопротивления ΔP_6,7 и путем периодического измерения эффективности очистки воздуха от паров ацетона. В результате значение ΔP_6,7 увеличилось менее чем на 5%, а эффективность очистки практически не уменьшалась. В случае отключения высокого напряжения от источника положительного напряжения 11 для прекращения процесса электризации дисперсных частиц и образования озона наблюдалось существенное возрастание сопротивления (почти на 300%) и значительное уменьшение эффективности улавливания паров ацетона (в два раза) после эксплуатации устройства в течение трех месяцев.

Таким образом, в отличие от прототипа в разработанном способе имеет место высокоэффективная фильтрация дисперсных частиц и стерилизация воздуха от микроорганизмов и бактерий, а также последовательное предварительное удаление молекулярных примесей в зоне коронного разряда, далее их высокоффективное разложение на фотокатализаторе и, наконец, заключительная очистка в порах активированного угля с непрерывной реактивацией диоксида титана и активированного угля от адсорбированных молекулярных примесей и органических дисперсных частиц. Содержание озона и примесей окислов азота в очищенном воздухе не превышает ПДК за счет их адсорбции угольным адсорбентом.

Достигнутые при осуществлении заявленного способа высокоэффективной очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей фильтрационные параметры существенно превышают аналогичные характеристики аналогов и прототипа. Газодинамическое сопротивление устройств для осуществления заявленного способа не превышает 150 Па и существенно меньше сопротивления волокнистых НЕРА фильтров (ГОСТ Р 51251-99. Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка [15]), Это позволяет использовать заявленный способ для высокоэффективной очистки и обеззараживания воздуха в системах локальной и общеобменной вентиляции.

Для осуществления заявленного способа изготовлен ряд устройств очистки и стерилизации вентиляционного воздуха с расходом от 100 до 10000 м³/час при начальном сопротивлении менее 100 Па и кратностью улавливания не менее 50000 по частицам с размером более 0,01 мкм (класс очистки воздуха Н10 согласно ГОСТ Р 51251-99. Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка [15]). Эффективность очистки улавливания молекулярных примесей составляет более 95% (относительно паров ацетона). Устройства обеспечивают непрерывный режим очистки воздуха за счет непрерывного разложения-удаления фильтрата молекулярных и дисперсных примесей и реактивации фотокатализатора и угольного фильтра.

Источники информации

1. 2. 3. В. Страус. Промышленная очистка газов. Москва: Химия, 1981, глава X, 616 с.

4. П.Т.Полуэктов, В.Т.Филь, Л.А.Власова, Л.Д.Кудрявцев, А.В.Молодыка, Е.В.Воробьев, B.C.Ненахов, Е.И.Кривошеева. Способ каталитической очистки отработанного воздуха от органических примесей методом озонирования. Патент РФ, №2051733, от 1996.01.10, кл. B01D 53/86, B01D 53/44.

5. Воропай Л.М. Гительман Е.Б. Мальцева С.Б. Груздева С.В. Сафонов В.В. Шорни В.А. Способ очистки газовых выбросов от органических соединений методом ионизации, патент РФ, № 2174042 от 27.09.2001, кл. B01D 53/32.

6. Р.Н.Миллер, Р.П.Карен, Д.Э.Экчиан. Способ и устройство для уменьшения вредных компонентов и загрязняющих примесей в выхлопных газах двигателей. Патент US от 12.19.96, страна публикации РФ, № 2168053, кл. F02M 27/06, F02B 51/06.

7. Взгляд "DAIKIN" на чистоту и свежесть воздуха», статья в Ж. «Мир Климата», январь 2004, № 22, Журнал Ассоциации Предприятий Индустрии Климата России.

8. Д.В.Козлов, А.В.Воронцов, А.А.Першин, Способ фотокаталитической очистки газов, патент РФ, № 2259866 от 2005.09.10, кл. B01D 53/86, B01J 21/06 (прототип).

9. А.А.Кирш, А.В.Загнитько, Измерение флуктуации зарядов аэрозольных частиц. Ж. Физической химии, 1980, том 54, № 5, с.1284.

10. А.А.Кирш, А.В.Загнитько. Зарядка субмикронных аэрозольных частиц униполярными ионами в электрическом поле. Ж. Физической химии, 1982, том 56, № 4,с.959.

11. А.Капцов, Электрические явления в газах. Москва-Ленинград: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1947, 808 с.

12. В.Лунин. Физическая химия озона, Москва, МГУ, 1992.

13. Photocatalytic Purification and Treatment of Water and Air, Ed. by D.F. Oilis, H. Al-Ekabi., New York, Elsevier, 1993.

14. В.Л.Антоновский, С.Л.Хурсан. Физическая химия органических пероксидов, МНТЦ «Академкнига», 2003, 391 с.

15. ГОСТ Р 51251-99. Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка.

Claims (3)

1. Способ очистки воздуха от дисперсных и молекулярных примесей, включающий улавливание грубодисперсных частиц механическим фильтром грубой очистки, последующее введение в очищаемую воздушную смесь дополнительного окислительного газа и фотоокисление с разложением уловленных примесей под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны более 0,3 мкм на поверхности фотокаталитического фильтра с нанесенным на грубопористую структуру фотокатализатором, в качестве которого используют чистый диоксид титана с кристаллической структурой анатаза или диоксида титана, содержащий один или несколько переходных металлов (платина, палладий), и заключительную сорбцию окислительного газа и кислородсодержащих молекулярных соединений в порах фильтра из активированного угля, отличающийся тем, что в качестве окислительного газа используют озон, который образуют в цилиндрическом конденсаторе с центральным коронирующим проволочным электродом, для чего осуществляют в зоне коронного разряда униполярную зарядку положительными газовыми ионами аэрозольных частиц с последующим их осаждением на поверхности и в объеме электростатического грубоволокнистого фильтра, поляризованного внешним электрическим полем, вектор напряженности которого коллинеарен вектору скорости воздушного потока, а последующее фотоокисление примесей с одновременной очисткой и реактивацией фотокатализатора и активированного угля от уловленного фильтрата инициируют ультрафиолетовым излучением в присутствии озона.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют униполярную зарядку частиц положительными газовыми ионами при фиксированном параметре зарядки, определяемом из выражения
С·t>2·10^-10 (Ом·м)^-1 · с,
где С - ионная проводимость газа;
t - время зарядки частиц.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осаждение униполярно заряженных аэрозольных частиц на поверхности и в объеме электростатического грубоволокнистого фильтра, поляризованного внешним электрическим полем, вектор напряженности которого коллинеарен вектору скорости воздушного потока, осуществляют при фиксированном параметре электростатической фильтрации Э=У_E/V>0,3, где V_E - скорость движения заряженной аэрозольной частицы под действием внешнего электрического поля, а V - скорость течения воздуха через электростатический грубоволокнистый фильтр.