Фотокаталитические воздухоочистители, принцип действия и конструкция

Современное понятие "фотокатализ" звучит как "изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ - фотокатализаторов, которые в результате поглощения ими квантов света способны вызывать химические превращения участников реакции, вступая с последними в промежуточные химические взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий".

Сущность метода состоит в окислении веществ на поверхности катализатора под действием мягкого ультрафиолетового излучения диапазона А (с длиной волны более 300 нм). Реакция протекает при комнатной температуре, и при этом токсичные примеси не накапливаются на фильтре, а разрушаются до безвредных компонентов воздуха, до двуокиси углерода, воды и азота.

Любой фотокаталитический очиститель воздуха включает в себя пористый носитель с нанесенным TiO₂- фотокатализатором, который облучается светом и через который продувается воздух.

TiCh - полупроводниковое соединение, в котором электроны могут находиться в двух состояниях: в свободном и связанном. В первом случае, электроны движутся по кристаллической решетке, образованной катионами Ti+₄ и анионами кислорода С>2-. Во втором случае, основном электроны связанны с каким-либо ионом кристаллической решетки и участвуют в образовании химической связи. Для перевода электрона из связанного состояния в свободное необходимо затратить энергию не менее 3.2 эВ. Эта энергия может быть доставлена квантами света с длинной волны 1 <390 нм. Таким образом, при поглощении света в объеме частицы ТЮ2 рождаются свободный электрон и электронная вакансия. В физике полупроводников такая электронная вакансия называется дыркой.

Электрон и дырка - достаточно подвижные образования и, двигаясь в частице полупроводника, часть из них рекомбинирует, а часть выходит на поверхность и захватывается ею. Схематически происходящие процессы показаны на рис.3.13.

Рис. 3.13. Принцип действия полупроводникового

фотокатализатора.

Захваченные поверхностью электрон и дырка являются вполне конкретными химическими частицами. Например, электрон - это вероятно, Ti₃+ на поверхности, а дырка локализуется на решетчатом поверхностном кислороде, образуя О-, Таким образом на поверхности оксида образуются чрезвычайно реакционноспособные частицы. В терминах окислительно-восстановительных потенциалов реакционная способность электрона и дырки на поверхности ТЮ₂ характеризуется следующими величинами: потенциал электрона — 0.1 эВ, потенциал дырки ~ +3 эВ относительно нормального водородного электрода.

При этом могут образовываться такие мощные окислители, как О- и ОН - радикал. Основным же каналом исчезновения электрона являются реакции с кислородом. Дырка реагирует либо с водой: либо с любым адсорбированным органическим ( в некоторых случаях и неорганическим) соединением ОН - радикал или О- также способны окислить любое органическое соединение. И таким образом, поверхность ТЮ₂ под действием света становиться сильнейшим окислителем.

Вредные органические и неорганические загрязнители, бактерии и вирусы, адсорбируются на поверхности фотокатализатора ТЮ₂, нанесенного на пористый носитель (фотокаталитический фильтр). Под действием света от УФ лампы, диапазона А они окисляются до углекислого газа и воды, ОН- радикал или О- также способны окислить любое органическое соединение. И таким образом, поверхность TiO₂ под действием света становится сильнейшим окислителем.

Эффективность действия фотокаталитического очистителя можно продемонстрировать следующим опытом. Очиститель помещается в замкнутый объем (около 190 л), туда же добавляется ацетон, аммиак и угарный газ. Наблюдение ведется по убыли ацетона и накоплению СО2. i Кинетические кривые этого процесса представлены на рис.3.14.

Рис. 3.14. Фотокаталитическое окисление ацетона, аммиака и угаоного газа поибооом «Севеж - 45».

Фактически фотокатализ дает уникальную возможность глубоко окислять органические соединения в мягких условиях. Для полноты картины укажем на еще один источник загрязнений - это сам человек, его любимые домашние животные и комнатные растения. На их долю приходится распространение вирусов и бактерий, а также спор грибов т.е. плесень. Любопытно, что в нежилых помещениях вирусы и бактерии не живут. Шведские ученые приняли норматив, по которому на каждого шведа в помещении должно приходиться по 25 куб. метров воздуха. При уменьшении этой величины возрастает вероятность переноса инфекционных заболеваний, не забываем также о пылевых клещах, о которых подробнее в следующем разделе. Также существует одна неприятность, которая уже случилась в Европе и поджидает нас. В Германии, Голландии и других странах результатом борьбы за сохранение тепла в жилых помещениях (утепление стен и герметизации окон стеклопакетами) стало массовое распространение плесени и, как следствие, - всплеск аллергических заболеваний. Проблема приняла государственные масштабы. Причина - в уменьшении воздухообмена и повышении влажности из-за тотальной герметизации. Средство спасения известно: частое проветривание или активная приточная вентиляция. Но если немцы решают свои проблемы централизованно - модернизируют вентиляционную систему своего жилья, а голландцы совмещают местную приточную вентиляцию с воздухоочистителем (система Sonair фирмы Innosource), то российские обладатели стеклопакетов в своих квартирах, офисах и номерах гостиниц вынуждены бороться сами, например с помощью фотокаталитических приборов. Ведь процесс фотокатализа весьма эффективен и для обеззараживания воздуха в помещении, что снижает опасность массового заболевания персонала в период эпидемий гриппа или других опасных бактерий и вирусов. На рис. 3.15 представлена диаграмма влияния работы фотокаталитического фильтра на туберкулезные палочки.

Динамика стерилизации воздуха инфицированного микобактериямитуберкулеза одним прибором Севеж-45

Рис. 3.15. Диаграмма стерилизации воздуха инфицированного туберкулезной палочкой фотокаталитическим прибором «Севеж — 45».

Схема, поясняющая принцип работы и конструкцию фотокаталитического воздухоочистителя представлена на рис. 3.16.

Рис. 3.16. Схема работы фотокаталитического воздухоочистителя «Севеж-45».

Внешний вид фотокаталитического прибора «Севеж-45» представлен на рис.3.17.

Рис.3.17. Фотокаталитический воздухоочиститель «Севеж-45», серии «Аэролайф».

Сравнительные характеристики основных воздухоочистителей на рынке Санкт-Петербурга представлены в табл. 3.7.

Таблица 3.7.

Таблица сравнения основных воздухоочистителей.

3.4.3. Малошумная местная приточно-очистительная вентиляция «Sonair А+» фирмы «Innosource»

Система для очистки, воздухообмена и поддержания равномерного температурного баланса Sonair A+, является незаменимым решением для помещений с повышенными требованиями к защите от пыли и промышленных загрязнений. Sonair A+ обладает отличными звукоизолирующими свойствами, что позволяет производить вентилирование помещения, не принимая во внимание шум улицы и не пользуясь при этом открытыми окнами. Установка Sonair A+ может работать в трех режимах [9]:

1. Очистка наружного воздуха. Наружный воздух, через воздуховод в стене и сетку против насекомых, засасывается центробежным малошумным вентилятором и проходя через фильтры, очищаясь попадает в помещение (закрыта заслонка перед вентилятором, перекрывая подачу внутреннего воздуха).

2. Приток наружного воздуха, смешивание его с внутренним и очистка. Центробежный вентилятор засасывает и внешний и внутренний воздух, в камере вентилятора происходит смешивание, обмен теплом, а затем фильтрация. Схема работы системы в этом режиме представлена на рис. 3. 18.

Рис. 3.18. Схема работы приточно-очистительной системы «Sonair A+».

3. Очистка воздуха в помещении, без притока внешнего воздуха (закрыта заслонка перед воздуховодом), т.е. работа в режиме внутреннего воздухоочистителя.

Скорость притока или циркуляции воздуха изменяется регулятором скорости вентилятора на лицевой панели установки. Приборы «Sonair A+» комплектуются тремя видами фильтров (см рис.3.19):

• G2 фильтр (стандарт), удаляет загрязнения воздуха с размером j частицы более 10 микрометров, что составляет от 50-70 % загрязнений воздуха (пыльца, волосы, насекомые, частицы ткани, ^; песок, частицы пепла и цемента). Этот фильтр рекомендуется как | минимальный стандарт, который нужно использовать.

• F6 фильтр, удаляет загрязнения воздуха с размером частицы более 5 микрометров, что составляет от 95-99 % загрязнений воздуха J (пыльца, «домашняя» пыль, «пылевые» клещи, частицы кожи, I бактерии, частицы цемента, сажи).

• F9 фильтр (активный углерод), удаляет примеси (загрязнения) с| размером частицы более 1 микрометра, что составляет 99 %1 загрязнений воздуха (выхлопные газы транспортных средств, аромат 1 табака, частицы сажи, пары керосина (бензина), пыльца, «домашняя» 1 пыль , «пылевые» клещи, частицы кожи, бактерии, частицы цемента, 1 сажи).

Для поддержания качественной фильтрации воздуха, компания- | производитель "Innosource Netherland" рекомендует производить замену | фильтров каждые 6 месяцев.

Рис. 3.19. Фильтры устанавливаемые в прибор «Sonair A+».

Sonair - это самая безопасная установка подобного вида. Чтобы < понизить опасность и ограничить шанс повреждения, система имеет \ датчик безопасности, который срабатывает, когда передняя панель 1 оказывается открыта. Более того, система защищена от перегрева. В обоих случаях мотор выключается автоматически. Имея марку качества КЕМА (класс2), установка не нуждается в заземлении и может быть приспособлена к любому стенному отверстию. Современный и непретенциозный дизайн системы SONAIR А+ (см. рис.3.20, 3.21), будет модным дополнением при любом интерьере офиса, гостиничного номера, кафе, бара или иного помещения. Системы Sonair A+ исключительно малошумны и обладают высокими звукоизолирующими свойствами для внешнего (уличного) шума, что делает их весьма привлекательными при использовании в офисах и гостиницах [9].

Рис. 3.20. Внешний вид Рис. 3.21. Общий вид конструкции

системы вентиляции Sonair системы вентиляции Sonair

Система Sonair A+ отличается простотой установки, что существенно сказывается на конечной стоимости данного аппарата. Эту систему может установить любой без необходимости привлечения к работам специально обученного персонала.

Не всегда возможно разместить систему Sonair на внутренней части внешней стены. Поэтому, существует несколько вариантов установки, включая использование специального короба-воздуховода или гофрированного трубчатого воздуховода для установки в мансардных помещениях. Варианты установки приборов системы Sonair предсталены на рис. 3.22.

Рис. 3.22. Варианты установки прибора Sonair в гостиничных номерах.

Схема установки системы Sonair на крыше мансард представлена на рис. 3.23.

Рис. 3.23. Схема установки приборов Sonair на мансардных этажах.

Установка таких систем немного увеличивает конечную стоимость, по причине того что появляется необходимость в привлечении к установке квалифицированного персонала.