SE528686C2 - Sätt och anordning för fotokatalytisk oxidation av organiska ämnen i luft - Google Patents

Description

25 30 35 528 686 2 Enligt uppfinningen regleras luftens relativa fuktighet (RHM) och/eller den fotokataly- tiska ytans temperatur (TM) till att ligga inom l förväg fastställda godtagbara kombi- nationer av RHM. och Tka. för etablering och vidmakthållande av 0,2-8 monolager vattenmolekyler på den fotokatalytíska ytan.

Etableringen av ett vattenlager på fotokatalysatoms yta är en förutsättning för att fotokatalysatorn skall undgå att deaktiveras. Etableringen av ett tu_nt (0,2-8 ML) vattenlager optimerar dessutom den fotokatalytíska nedbrytningsprocessen.

Uppfinningen avser även en anordning som i sin enklaste form innefattar en sensor 3 för mätning av luftens relativa fuktighet, RHM; en fotokatalytisk yta 5 över vilken luften strömmar, en ljuskälla 6 för bestrålning av den fotokatalytíska ytan med aktiverande ljus, och en tempereringsanordning 7 för inställning av den fotokatalytíska ytans temperatur, That; samt en styrenhet 9 för styrning av den fotokatalytíska ytans temperatur, Tm, till att ligga inom i förväg fastställda godtagbara kombinationer med RHM för etablering och vidmakthållande av 0,2-8 monolager vattenmolekyler på den fotokatalytíska ytan.

Enligt en annan utföringsfomw tillämpas en integrerad reglering av RHM och Th, varvid anordningen innefattar en luftkonditloneringsenhet 10 i vilken luftens relativa fuktighet, RHM, regleras; en reaktor 11, innefattande en fotokatalytisk yta 5 över vilken den konditlonerade luften från luftkonditioneringsenheten 10 strömmar, en ljuskälla 6 för bestrålning av den fotokatalytíska ytan med aktiverande ljus och en tempereringsanordning 7 för inställning av den fotokatalytíska ytans temperatur (Talk samt en styrenhet 12 för integrerad styming av luftkonditioneringsenheten 10 och den fotokatalytíska reaktom 11 för reglering av RHM och/eller Th, till att ligga inom i förväg fastställda godtagbara kombinationer av RHM och Th.. för etablering och vidmakthållande av 02-8 monolager vattenmolekyler på den fotokatalytíska ytan.

Titandioxid (T iOg) föredras som fotokatalytiskt aktivt material, men även andra liknande halvledande metalloxíder kan användas, inkluderande dopade metalloxider, binära och tertiära oxider. Fotokatalysatom kan vara i formen av en beläggning på ett substrat av ett annat material, i ren kristallin form eller pulverform innehållande blandningar av olika faser (polymorfer) och andra metalloxider. 10 15 20 25 30 35 528 686 3 De organiska substanser som kan oxideras med fotokatalysatom enligt uppfinningen är alla föreningar som innehåller kol (C), väte (H) och eventuellt syre (O) eller kväve (N). De kan även innehålla elektronegativa element såsom fosfor (P), klor (Cl), fluor (F) och (S).

Det uppfunna förfarandet bygger på att undvika de reaktioner på fotokatalysatom som ger upphov till att stabila ytbundna föreningar bildas, vilka inaktiverar fotokataly- satom. Genom att reglera fuktigheten i reaktionsmiljön och temperaturen på kataly- satom så att det etableras 0,2-8 monolager vatten på katalysatorytan, undviker man att det bildas nedbrytningsprodukter som är koordinerade med ytatomer och bildar starka ytbindningar. I fallet TiOz kan sådana ytatomer vara underkoordinerade metallatomer såsom 5-faldigt koordinerade Ti atomer beroende på ytans stniktur och som har en effektiv laddning som skiljer sig från bulk TiOz genom att vara mindre positivt laddad. Exempel på sådana stabila nedbrytningsprodukter är bryggbundet format (HCOO), karbonat (C03), fosfat (P04), sulfat (S04) eller halogenider (t.ex.M- F; i fallet då F är ett ingående element). Dessa är generella produkter som bildas på ytan av fotokatalysatom i totaloxidatíon av C,H,A,O,Bw (A, B=Cl, S, F eller P) föreningar, och som binder starkt till underkoordinerade metallatomer på ytan av fotokatalysatom såsom visas i exempel 3 och Figur 3 nedan. Genom att reglera RHhmi den reaktionsmiljö som fotokatalysatom befinner sig ioch/eller styra tempe- raturen på fotokatalysatom (T m) till i förväg fastställda godtagbara kombinationer av RHM, och Th, kan man bygga upp eller bibehålla det tunna lagret av vatten på ytan.

RHM kan regleras genom att en exakt mängd vatten tillförs luften eller att luften torkas och/eller att luftens temperaturjusteras. Det tunna vattenlagret (i) förhindrar en de-hydroxylering av metalloxidytan, (ii) förhindrar att CxHyOz, 00,, POX, 80,, samt halogenföreningar binder starkt till katalysatorytan. (ii) möjliggör att excitoner (elektron-hålpar) från fotokatalysatom och radikaler som bildas på densamma effektivt kan nå reaktantema utan att de rekombineras.

Det tunna vattenlagret skall vara mellan 0.2 och 8 monolager (ML). Speciellt föredras mellan 0.3 och 6 ML, och i synnerhet mellan 0.4 och 3 ML för att verka optimalt. Ett monolager motsvarar 145-10” HzO-molekyler per m2 på TiOZ och är det antal H20- molekyler som krävs för att täcka hela ytan. Denna mängd vatten inkluderar även vatten som spjälkas till OH grupper och som återbildar M-OH ytföreningar och 10 15 20 25 30 35 528 essä 4 därmed hindrar de-hydroxylering och medföljande reduktion av ytan (och t.ex. expo- nering av underkoordinerade metallatomer).

Eftersom mängden vatten som finns på ytan påverkas av temperaturen på fotokata- lysatorytan, så kan man anpassa fuktigheten till temperaturen på fotokatalysatom eller vice versa. Med kännedom om de termodynamiska parametrama för systemet HzO/metalloxid, samt sublimationsenergin för H20, kan man räkna fram lämpliga kombinationer av RHM och Th. vilka motsvarar det inten/all som ger ett önskat tunt vattenlager på katalysatom och en optimerad fotokatalytisk aktivitet. Exempel 1 nedan visar hur en sådan beräkning kan göras för systemet HzOfflOz och ett diagram konstrueras över godtagbara kombinationer av RHM, och Th.. Så till exem- pel så ska man för en TiOz-katalysator reglera den relativa luftfuktigheten (RHM) mellan 0.01% till 5%, speciellt mellan 0.05% och 4%, och i synnerhet mellan 0.1 % till 2%, när katalysatorn (T h.) arbetar vid rumstemperatur och har en omgivande luft med temperaturen 298 K och ett lufttryck på 1013 mbar. Vid en högre katalysator- temperatur så bör RH ligga mellan högre värden. Så till exempel så bör RH ligga mellan 1% till 60 % vid 360 K, speciellt mellan 2% till 50 %, och i synnerhet mellan 3% till 40% under samma förutsättningar i övrigt. Det noteras att vid rumstemperatur behöver man normalt torka luften för att optimera den fotokatalytiska aktiviteten, medan man vid förhöjd katalysatortemperatur kan behöva befukta luften.

Sättet enligt uppfinningen ger möjlighet att optimera den fotokatalytisk nedbrytning av organiska föreningar (CxHyAzOvBw (A, B=Cl, S, F eller P) vid en förhöjd temperatur på katalysatom enligt följande princip. Vid den fotokatalytiska oxidationen bildas primärt mellanprodukter som reagerar vidare genom termiskt aktiverade reaktions- steg. En förhöjd katalysatortemperatur ökar väsentligt hastigheten i dessa termiskt aktiverade reaktionssteg. Temperaturen på fotokatalysatom får dock inte överstiga en temperatur som omöjliggör upprätthållandet av en koncentration av vatten på fotokatalysatorytan på minst 0.2 ML. Företrädesvis skall vattenlagret vara minst 0.3 ML och helst minst 0.5 ML. Detta medför att en övre temperaturgräns existerar som är beroende av totaltrycket över fotokatalysator ytan. Speciellt så får ej fotokataly- satom vara varmare än 440 K vid ett lufttryck på 1 atm, företrädesvis ej högre än 400 K och helst ej högre än 390 K, för att uppnå den synergiska effekten av termisk ned- brytning och optimal fotokatalytisk nedbrytning genom ett bibehållet tunt vattenlageri jämvikt med gasfas. 10 15 20 25 30 35 528 686 5 Bestrålningen av katalysatom görs med ljus som har en energi som överstiger den optiska bandgapsenergin för fotokatalysatom. För TiOz är detta 3.2 eV eller 388 nm (antas-modifikation) respektive 3.0 eV eller 414 nm (rutll-modifikation). En fotokata- lysator av TiOz kan belysas med UV lampor som emitterar våglängder inom området 300-400 nm (UVA). Lämplig irradians (belyst effekt per areaenhet) är 5 W/mz till 500 Wlmz, speciellt mellan 10 W/m* till 300 W/mz. Dessa lampor kan vara så kallade BLB UV lampor (black-light bulbs), andra gasurladdningslampor eller ljusdioder som emitterar UVA ljus enligt ovan. Det noteras att vännen från UVA lampan vid rätt geometrisk design även kan användas för att värma fotokatalysatorn för att på så sätt optimera den fotokatalytiska aktiviteten. Det fotokatalytiska skiktet kan i ett sådant fall vara anordnat som en tunn film på ljuskällan och TK.. regleras genom reglering av ljuskällans effekt eller elektrisk kompletteringsvärmning av ljuskällans hölje. Filmen måste vara tunnare än penetrationsdjupet för det aktiverande ljuset.

Tjockleken på en TiOZ-beläggning på ljuskällan bör t.ex. vara mindre än 2 mikrome- ter och företrädesvis mindre än 1 mikrometer.

Sättet enligt uppfinningen kan tillämpas i många olika sammanhang där luft skall renas från organiska ämnen. Fotokatalysatorn kan installeras ialla slutna utrymmen med kontrollerbar luftcirkulation. Detta inkluderar befintliga ventilationssystem; fristå- ende luftrenare; mobila luftreningsanläggningar, i alla typer av fordon, såsom bilar, lastbilar, flygplan och fartyg där styming av RH och temperatur och luftströmmar (hastighet och flödestyp) är möjlig. Avläsning av RH kan ske med befintliga kommer- siella RH mätare. Styrning av RH kan göras med temperatur där tillförsel av värme kan ske genom värmeväxling, och/eller spiralvännning, eller genom att befukta luften med befintliga luftfuktare, som kan vara insprutningssystem, eller vattenbad. l många fall kan RH vara för hög och en torkning av luften måste då göras innan den passe- rar över fotokatalysatom. Detta kan lätt göras med torkmedel, speciellt hygrosko- piska material såsom kiselgel, aktiverad lera och aluminiumsilikat, vilka har en stor inre area.

När koncentrationen organiska föreningar i luften varierar över tiden kan ett adsorp- tionsfilter användas för att utjämna belastningen på fotokatalysatorn. Filtret kan vara dimensionerat för att endast adsorbera en delmängd av de organiska substansema eller också leds endast ett delflöde av luften via filtret. Under perioder av låg kon- centration av organiska substanser i luften kan filtret desorberas i en kontrollerad takt och de temporärt adsorberade substansema ledas till fotokatalysatom. 10 15 20 25 30 35 528 686 Luften kan även filtreras genom ett partikelfilter innan den bringas i kontakt med katalysatorn för att undvika att den fotokatalytiska ytan förorenas av damm och andra fasta partiklar.

Styming av katalysatortemperaturen kan samordnas med en styming av RH och vice versa. Detta åstadkoms genom att RHM och Th, styrs i ett integrerat reglersystem.

Styming och justering av RH och temperatur kan även ske i fier steg innan luften exponeras över fotokatalysatom. Luftströmningshastigheten kan styras genom fläk- tar, genom återl strypnings- och expansionsventiier på lämpliga positioner.

Sättet enligt uppfinningen kan med fördel kombineras med olika beläggningsmetoder och tekniker, inkluderande multiskiktsbeläggningar för att uppnå en hög fotokataly- tisk aktivitet. Speciellt så kan antistatiska skikt mellan fotokatalysatom och substratet användas med polarisation av skikten (genom elektrisk kontaktering och spännings- matning) för att koncentrera partiklar på fotokatalysatom och öka uppehållstiden för dessa och därmed effektiviteten för den absoluta fotokatalytiska reningen. Speciellt så kan antireflektiva skikt användas för brytningsindexmatchning och styra absorp- tionen av det aktiverande ljuset. Elektrokroma skikt kan t.ex. användas för att absor- bera ljus och således öka temperaturen på siktet och genom värmeledning kan den absorberade värmen överföras till det fotokatalytiska skiktet.

Exempel på fotokatalytiska reaktorsystem där uppfinningen kan implementeras kan vara fotokatalytiska fönsterkonstruktioner, luftrenare, membranstrukturer, vågledare (optiska fiberkonstruktioner), etc. Fotokatalytiska material finns tillgängliga i form av pulver och beläggningar på glas, papper, polymera filmer, kakel, etc., vilket möjliggör olika geometrier på reaktorkonstmktioner beroende på tillämpning.

Uppfinningen skall i det följande belysas med exempel och utföringsforrner i anslut- ning till bifogade figurer.

Fig 1 visar en grafisk presentation av godtagbara kombinationer av RHlufl och TM i enlighet med uppfinningen för en TiOz-katalysator som matas med ett luftflöde med en temperatur av 25°C och ett tryck av 1013 mbar. 10 15 20 25 30 35 528 686 7 Fig 2 visar kurvor över omsättning av propan i luft som funktion av Th, för olika nivåer på Rl-llufl för en Ti02-katalysator.

Fig 3 visar FT-IR spektra efter fotokatalytisk nedbrytning av en halogenerad kolförening på en Ti02-katalysator i torr luft respektive RHM. enligt uppfinningen.

Fig 4 visar schematiskt en enkel applikation av uppfinningen för luftrening med aktiv reglering av Th, och mätning av RHM..

Fig 5 visar schematiskt en utföringsform för installation i ett lufttransportsystem.

F ig 6 visar en detaljvy av en utföringsform av en rörfomad fotokatalytisk reaktor enligt fig 5.

Fig 7 visar schematiskt en applikation av uppfinningen i ett luftreningssystem med integrerad reglering av Tka, och RHM, .

Exempel 1.

Detta exempel visar hur man för systemet H20/Ti02 räknar fram lämpliga kombina- tioner av RHM. och Th. som ger ett önskat tunt vattenlager på en Ti02-katalysator.

Givet att vattnets adsorptionsenergi, Ea, på fotokatalysatom är känd eller kan mätas (på Ti02 är den känd och ca 12 kcal/moi), kan vattnets ytkoncentration i jämvikt med en gasfas atmosfär innehållande vattenånga (givet av RHM) uppskattas. Vi använ- der följande beteckningar: k., = Hastigheten varmed H20 molekyler lämnar katalysatorytan vo = preexponentiell faktor e 1013 s* v å Antalet H20 molekyler som träffar katalysatorytan per tidsenhet ka = Hastigheten varmed H20 molekyler träffar katalysatorytan so = Sannolikheten att en H20 molekyl fastnar på katalysatorytan Ed = Desorptionsenergin för H20 molekyler från katalysatorytan NH20 = Antalet H20 molekyler per m2 på fotokatalysatom PH2° = Partialtryck av H20 i den omgivande gasen (luften) M = Molmassan för H20 = 18 g/mol R = Allmänna gaskonstanten = 8.314 J/mol K T = Temperaturen på omgivande gas (luft) 10 15 20 25 30 35 528 686 TM = Fotokatalysatoms temperatur Man kan anta att ka: s0*v för H20, så att vid jämvikt gäller att antalet molekyler som lämnar (desorberar) och adsorberar katalysatorytan per tidsenhet måste vara lika. viz. (1) K== kd Vidare kan man anta att följande uppskattningar gäller för vatten (E.i=E,): (2) =v.,*exp(-E.,/T.ß.)* Nm och (s) v = PH2°*s.,/~1(21=MR13 Genom att kombinera ekv. 1-3, samt förutsättningen att 0.4<6H2°<3 ML, där 1 ML är definierat som 1.15*10'° H20 molekyler/mf, fås det önskade parameterrum (Pgzo, TW) som ger de optimala fotokatalytiska förutsättningama (det är antaget att s°=1i dessa beräkningar). På motsvarande sätt kan till exempel den omgivande tempera- turen också anpassas till ett önskat värde. l Figur 1 visas kurvan för RHM, som funktion av TM där fotokatalysatom hålls i en i omgivande atmosfär vid 298 K och 1013 bar då mättnadstrycket för H20 är 3172 Pa.

Det streckade området med de heldragna linjerna visar den övre respektive undre gränsen för den teoretiskt optimerade RHiuf, vs. Th, kurvan uträknad enligt ovan med den givna förutsättningen att vid 380 K så är fotokatalysatoms jämviktstäckning 1 ML samt att 10 energi. Det rutiga området med de streckade linjema visar den övre respektive undre gränsen för den teoretiskt optimerade RHM vs. Th, kurvan uträknad enligt ovan med den givna förutsättningen att vid 380 K så är fotokatalysatoms jämviktstäckning 2 ML samt att 10 Tm=367 K för att upprätthålla 2 ML på ytan (RH|.,fl=100%).

Exempel 2.

Omsättningen av propan i en gasström som strömmade över en TiOZ-katalysator uppmättes som funktion av Tka. vid RHM = 0, 10 och 21%. Gasströmmen (30 ml/min) bestod av 500 ppm propangas i syntetisk luft och hade temperaturen 318 K och trycket 1013 mbar. Befuktningen av gasen gjordes med insprutning av vatten genom en kapillär i förbindelse med en trycksatt behållare. TIO; i anatas-modifikation belystes med en 150 W Xe lampa. Omsättningen av reaktantema över fotokataly- satom registrerades med en quadropol mass spektrometer. Resultatet visas i figur 2.

Som framgår av figuren minskade omsättningen markant som funktion av ökande 10 15 20 25 30 35 528 686 9 Tka, för RHM, = 0% då RHM låg utanför det i Fig 1 markerade acceptabla intervallet.

En optimering av aktiviteten var möjlig genom reglering av RHm.

Exempel 3.

Detta exempel belyser att uppkomsten av stabila ytbundna föreningar kan undvikas genom reglering av RHM till en nivå som lämpar sig för aktuell katalysatortempera- tur, Th.. FT -IR spektra mättes efter fotokatalytisk nedbrytning av diisopropyl fluoro- fosfat (DFP), CGH14FO3P, på TiOz nanopartiklar (=33 nm; specifik yta ca. 50 mz/g). En hög halt av DFP (11 pg/min) förångades i luft och flödades över en bädd av TiOg metalloxidpartiklar under 20 min och bädden belystes därefter med simulerat solljus (AM1.5) under 60 min. Fotokatalysatom hade en temperatur av 310 K.

Resultatet visas i Figur 3. Det undre spektrumet (1) visar resultatet i torr luft och den övre (2) med en liten mängd vatten tillsatt i luften för justering av RHM till ca 9%.

Resultaten visar entydigt att en mindre mängd ytbundna format, karbonat och fosfat- föreningar binds till fotokatalysatorytan i en miljö av kontrollerad luftfuktighet, vilket är en förutsättning för att undvika deaktivering och minskad verkningsgrad. Vid optime- ring av RHM enligt uppfinningen så reduceras koncentrationen av ytbundna före- ningar (de streckade IR absorptions toppama i kurva 1), samtidigt som vatten adsor- beras på ytan (streckad vertikal linje). Fotoelektron spektroskopi (XPS) visade att även koncentrationen av oorganiskt F (Ti-F föreningar) som byggdes upp i det torra fallet var under detektionsnivå efter reaktion i kontrollerad luftfuktighet. j Utföringsforrner av uppfinningen för användning i luftreningssystem skall beskrivas i det följande i anslutning till fig 4-7.

Detaljer som motsvarar varandra i de olika figurema har givits samma hänvisnings- beteckning.

I många fall kan det vara önskvärt att ha en RH-nivå på luften som är vald för att t.ex. ge ett behagligt inomhusklimat; för att andra reningsfunktioner som t.ex. inakti- vering av mikroorganismer skall fungera optimalt etc. Temperaturen på katalysatom, TW, kan då ofta regleras till en godtagbar kombination med denna givna RH-nivå och ger en optimal nedbrytning av organiska substanser.

Fig 4 visar schematiskt en anordning bestående av en sensor 3 för mätning av luf- tens relativa fuktighet, RHWR; en fotokatalytisk yta 5 över vilken luften strömmar; 10 15 20 25 30 35 528 686 10 en ljuskälla 6 för bestrålning av den fotokatalytiska ytan med aktiverande ljus, och en tempereringsanordning 7 för inställning av den fotokatalytiska ytans temperatur, Tal; - samt en styrenhet 9 för stymlng av den fotokatalytiska ytans temperatur, Tim, lill at! ligga inom i förväg fastställda godtagbara kombinationer med RHM för etablering och vidmakthållande av 0,2-8 monolager vattenmolekyler på den fotokatalytiska ytan. En temperatursensor 8 känner av den fotokatalytiska ytans temperatur och ger infonna- tion till styrenheten 9. Styrenheten mottar även information om aktuell RHM, från fuk- tighetssensom 3 och beräknar med hjälp av inmatade data lämplig Twi för att kataly- satom skall arbeta optimalt och styr tempereringsanordningen 7 för inställning av denna Tk., Den fotokatalytiska ytan 5 är i detta fall anordnat på utsidan av ljuskällan 6 som en tunn film. Ytan 5 värms av ljuskällan 6 och Th, regleras med en effektre- gulator för ljuskällan eller en elektrisk kompletteringsuppvärmning av ljuskällans hölje. Tempereringsanordningen 7 utgörs således i detta fall av ljuskâllan 6 med tillhörande effektregulator eller kompletteringsvärrnare, vilka styrs av reglerenheten 9. Tjockleken på den fotokatalytiska filmen måste vara tunnare än penetrationsdiupet för det aktiverande ljuset som emitteras från ljuskällan. För TIO; måste tjockleken vara mindre än 2 mikrometer och företrädesvis mindre än 1 mikrometer. Ljuskällan kan även vara en optisk vågledare som transmitterar ljus med våglängd som översti- ger den optiska bandgapsenergin för fotokatalysatom.

En anordning av detta slag kan t.ex. användas i ett rum för rening av inomhusluft varvid luften strömmar över den fotokatalytiska ytan genom konvektion. Anordningen förutsätter att ett lämpligt Tk., kan uppnås på ytan av ljuskällan för att matcha rums- luftens RH. För inomhusluft med en RH av 30-70% är detta oftast möjligt. Rumsluf- tens RH kan dessutom vara reglerad till en lämplig nivå med ett separat RH-regle- rande system vilket gör att Tim endast behöver regleras inom ett begränsat intervall.

Fig 5 visar ett exempel på en anordning lämplig för inbyggnad i ett lufttransporte- rande systen, t.ex. ett cirkulationssystem. Anordningen innefattar ett inlopp 1 och ett utlopp 2 för luft som skall renas från organiska substanser. En fuktighetssensor 3 mäter den inkommande luftens relativa fuktighet, RHW Luften strömmar därefter genom den fotokatalytiska reaktom, som i det visade utförandet består av rör 4, som på insidan har en fotokatalytisk yta 5, t.ex. i fonn av en TiOz-beläggning. En ljuskälla 6, som aktiverar den fotokatalytiska ytan, tex. en UV-lampa, är placerad centralti röret 4. Luften strömmari spalten mellan ljuskällan 6 och den fotokatalytiska ytan 5 och länkas om från rör till rör så att dessa genomströmmas i serie. I figuren visas av 10 15 201 25 30 35 528 686 11 tydlighetsskäl endast tre rör men den fotokatalytiska reaktom kan ha stort antal seriekopplade rör och många parallellt verkande serier av rör. Andra sätt att arran- gera den fotokatalytiska ytan är kända i litteraturen, t. ex. i bikakestrukturer, membran etc, och kan också användas i uppfinningen, liksom den ovan beskrivna varianten med en fotokatalytisk beläggning på ljuskâllan. Verkningsgraden på fotokatalysatom är typiskt i storleksordningen 1 % varför en lång uppehållstid över fotokatalysatom och stor kontaktyta mellan luft och fotokatalysator eftersträvas. Anordningen inne- fattar vidare en tempereringsanordning 7 för inställning av den fotokatalytiska ytans temperatur, Th., och en temperatursensor 8 för mätning av den fotokatalytiska ytans temperatur. Temperatursensorn kan även utgöra en del av tempereríngsanord- ningen, vilket illustreras med en streckad linje i figuren. Tempereringsanordningen har då en termostatfunktion och ställer in den fotokatalytiska ytans temperatur, Th., enligt ett börvärde från styrenheten 9. Styrenheten 9 mottar information om RHM. från sensom 3 och information om Tj., från temperatursensom 8 och reglerar med hjälp av tempereringsenheten 7 den fotokatalytiska ytans temperatur, Tkar, till att ligga inom i förväg fastställda godtagbara kombinationer med RHM för etablering och vidmakthållande av 0,2-8 monolager vattenmolekyler på den fotokatalytiska ytan.

Figur 6 visar i större skala ett snitt genom ett rör 4 med en fotokatalytisk yta 5, en central ljuskälla 6, en tempereringsanordningen 7, en temperatursensor 8 och en styrenhet 9. Tempereringsanordníngen 7 kan vara en elektrisk värmare som omger röret 4, eller ett system som cirkulerar en tempererande vätska genom ett yttre nölje som omger röret 4.

Den ovan beskrivna utföringsfonnen kan förses med ytterligare utrustning såsom partikelfilter, adsorptionsfilter och flödesreglering på samma sätt som den nedan beskrivna utföringsformen enligt figur 7.

Figur 7 visar en utföringsform där en integrerad reglering av RHM och Tka, tillämpas.

Anordningen innefattar en luftkonditioneringsenhet 10 i vilken luftens relativa fuktig- het, RHM, och flöde regleras; en reaktor 11, innefattande en fotokatalytisk yta 5 över vilken den konditionerade luften från Iuftkonditioneringsenheten 10 strömmar, en ljuskälla 6 för bestrålning av den fotokatalytiska ytan med aktiverande ljus och en tempereringsanordning 7 för inställning av den fotokatalytiska ytans temperatur, TM; samt 10 15 20 25 30 35 528 686 '12 en styrenhet 12 för integrerad styrning av luftkonditioneringsenheten 10 och den fotokatalytiska reaktom 11 för reglering av RHiufi Och/eller Tre: 'till afi "G98 ifl°m i förväg fastställda kombinationer av RHM. och Th. för etablering och vidmakthållande av 0,2-8 monolager vattenmolekyler på den fotokatalytiska ytan. Reaktom 11 över- ensstämmer med den tidigare beskrivna anordningen enligt fig 5-6 frånsett att styr- ning av Tka, nu är samordnad med en styrning av RHruf..

Luft som skall renas från organiska substanser kommer in genom ett inlopp 13 till luftkonditioneringsenheten 10, passerar genom reaktom 11 och lämnar anordningen vid ett utlopp 14. Luften kan först passera ett mekaniskt filter 15, där damm och andra fasta partiklar avskiljs och därefter kan luften vid behov länkas via ett adsorp- tionsfilter 16 och vid behov även via ett luftavfuktningsfilter 17, som kan bestå av ett hygroskopiskt material t.ex. kiselgel, aktiverad lera och aluminiumsilikat. Adsorp- tionsfiltret 16, som lämpligen är av aktivt kol (AC), har funktionen att genom fysisk adsorption dämpa transient fluktuationer i luftflödet av höga mängder av kemiska föreningar och biologiska föroreningar. Genom att anpassa AC-filtrets dimensioner kan lagom hög genomströmning av luft uppnås utan ytterligare mekaniska fläktar och andra kostnadskrävande installationer. Kolfiltret kan vara mindre än vid normal kolfiltrering pga. det efterföljande fotokatalytiska filtrets reningsverkan. Ett lägre tryckfall kan på så sätt erhållas. AC-filtret behöver dessutom inte regenereras då dess optimerade funktion kan erhållas genom kontrollerad termisk desorption av AC filtret där den ansamlade mängden av föroreningar i lagom mängd flödas över den fotokatalytiska ytan och därmed bryts ner till C02, H20 och eventuellt oorganiska anjoner (mineralsyror). Desorbering kan göras under perioder då koncentrationen av organiska substanser i den inkommande luften är låg. Den termiska desorberingen kan göras med en uppvämningsanordning 18, som också kan styras av styrenheten 12. Sensorer (ej visade) som känner av koncentrationen organiska substanser i luf- ten före och efter adsorptionsfiltret kan ge information till styrenheten 12 för styming av desorptionen och inkopplingen av filtret i luftströmmen.

Luftkonditioneringsenheten 10 innefattar vidare en reglerbar fläkt 19 för reglering av luftflödet genom anordningen; en befuktningsanordning 20, som kan vara av kon- ventionellt utförande t.ex. dimspray; en flödessensor 21 ooh en RH-sensor 3.

Styrenheten 12 mottar information från sensorema 21,3,8 och styr fläkten 19, befuktningsanordningen 19 och tempereringsanordningen 7 så att en lämplig kombi- nation av RHM, och Th. uppnås. Den samtidiga stymingen av luftflödet med hänsyn 528 686 13 till uppehållstid och strömning över den fotokatalytiska ytan gör att fotokatalysatorns funktion ytterligare kan optimeras. Även inkopplingen av luftavfuktningsfiltret 17 kan styras av styrenheten 12 när inkommande luft har för hög RH för att kunna matchas med ett lämpligt TM för optimal oxidation. I det fallet att luften torkats kan även en återfuktning av luften innan den lämnar anordningen vara önskvärd. Detta kan göras med en befuktningsanordning 22 efter reaktom 11.

Claims (21)

10 15 20 25 30 35 528 686 1ll Patentkrav:

1. Sätt för fotokatalytisk oxidation av organiska substanser i luft på en fotokatalytisk yta av halvledande metalloxid, varvid luft innehållande de organiska substansema bringas strömma över den fotokatalytiska ytan och Via" besffålas med aktiverande ljus, kännetecknat av att luftens relativa fuktighet (RI-lm) Och/eller den f Oßkafalyfíska ytans temperatur (fm) regleras så att kombinationen av RHrtm Och Trar bringas falla inom i förväg fastställda godtagbara kombinationer av RHM och Th., för etablering och vidmakthållande av 0,2-8 monolager vattenmolekyler på den fotokatalytiska ytan.

2. Sätt enligt krav 1, kännetecknat av att det aktiverande ljuset har en energi som överstiger den optiska bandgapsenergin för fotokatalysatorn.

3. Sätt enligt krav 1, kännetecknat av att den halvledande metalloxiden är TiOz.

4. Sätt enligt krav 1, kännetecknat av att den fotokatalytiska ytan har en tryckberoende maxtemperatur till vilken reglering kan ske med vidmakthållande av minst 0,2 monolager vattenmolekyler på ytan.

5. Sätt enligt krav 2, kännetecknat av att den fotokatalytiska ytans temperatur regleras till max 440 K när trycket är 1 atm.

6. Sätt enligt krav 2, kännetecknat av att den fotokatalytiska ytans temperatur regleras till max 410 K när trycket är 1 atm.

7. Sätt enligt krav 2, kännetecknat av att den fotokatalytiska ytans temperatur regleras till max 390 K när trycket är 1 atm.

8. Sätt enligt krav 1, kännetecknat av att luften filtreras genom ett partikelfilter innan den bringas strömma över den fotokatalytiska ytan.

9. Sätt enligt krav 1, kännetecknat av att luften torkas innan den bringas strömma över den fotokatalytiska ytan. 10 15 20 25 30 35 528 686 ÅS'

10. Sätt enligt krav 1, kånnetecknat av att en del av de organiska substansema i luften adsorberas i ett adsorptionsfilter innan luften bringas strömma over den fotokatalytiska ytan.

11. Sätt enligt kravet 10, kännetecknat av att de adsorberade organiska substansema desorberas från adsorptionsfiltret och bringas strömma över den fotokatalytiska ytan.

12. Sätt enligt krav 1, kânnetecknat av att den fotokatalytiska ytan vänns genom att anordnas på ett ljusabsorberande skikt, som i sin tur värms genom att exponeras för ljus som absorberas i skiktet.

13. Anordnin för fotokatalytisk oxidation av organiska Substansefi lUfl. kännetecknad av att den innefattar en sensor (3) för mätning av luftens relativa fuktighet. RHm; en fotokatalytisk yta (5) över vilken luften strömmar, en ljuskålla (6) för bestrålning av den fotokatalytiska ytan med aktiverande ljus, och en tempereringsanordning (7) för inställning av den fotokatalytiska ytans temperatur. TM; samt en styrenhet (9) för styming av den fotokatalytiska ytans temperatur, TM, till att ligga inom i förväg fastställda godtagbara kombinationer med RHM för etablering och vidmakthållande av 0,2-8 monolager vattenmolekyler på den fotokatalytiska ytan.

14. Anordning enligt krav 13 lämplig för inbyggnad i ett lufttransporterande system, kännetecknad av ett inlopp (1) och ett utlopp (2) för luft som skall renas från organiska substanser.

15. Anordning för fotokatalytisk oxidation av organiska substanser i luft, kännetecknad av att den innefattar en luftkonditioneringsenhet (10) i vilken luftens relativa fuktighet, RHM, regleras; en reaktor (11), innefattande en fotokatalytisk yta (5) över vilken den konditionerade luften från luftkonditioneringsenheten (10) strömmar, en ljuskålla (6) för bestrålning av den fotokatalytiska ytan med aktiverande ljus och en tempereringsanordning (7) för inställning av den fotokatalytiska ytans temperatur (T m0; samt en styrenhet (12) för integrerad styming av luftkonditioneringsenheten (10) och den fotokatalytiska reaktom (11) för reglering av RHm och/eller Th., så att kombinationen 10 15 20 528 686 /66 av RHM och Th, bringas falla inom i förväg fastställda godtagbara kombinationer av RHM och TM för etablering och vidmakthållande av 02-8 monolager vattenmolekyler på den fotokatalytiska ytan.

16. Anordning enligt kravet 14 eller 15, kännetecknad att den även innefattar ett adsorptionsfilter (16).

17. Anordning enligt kravet 16, kännetecknad av att adsorptionsfiltret år försett med en uppvärmningsanordning (18) för termisk desorption av adsorberade substanser.

18. Anordning enligt kravet 14 eller 15, kännetecknad av att den även innefattar ett filter (15) för avskiljande av fasta partiklar i luften.

19. Anordning enlit kravet 14 eller 15, kännetecknad av att den även innefattar ett luftavfuktningsfilter (17).

20. Anordning enligt kravet 13 eller 15, kännetecknad av att den fotokatalytiska ytan (5) är anordnad som en tunn film på ljuskållan (6).

21. Anordning enligt krav 20, kännetecknad av att filmen är en TiOz-beläggning med en tjocklek under 2 mikrometer, företrädesvis under 1 mikrometer.