RU115661U1 - PHOTOCATALYTIC AIR CLEANER - Google Patents

Abstract

Фотокаталитический очиститель воздуха, включающий фотокаталитический вертикально расположенный элемент с нанесенным широкозонным полупроводниковым фотокатализатором и выполненный в виде трубы, внутри которой установлен источник ультрафиолетового излучения и резистивный нагреватель, отличающийся тем, что очиститель дополнительно снабжен двухзонным электростатическим фильтром с коронирующими электродами и осадителем, выполненным из пористого диэлектрического материала, и расположенным перед фотокаталитическим элементом по ходу воздуха, низкооборотным электронно-регулируемым вентилятором, установленным над фотокаталитическим элементом, и фильтром с катализатором разложения пероксидов и озона, расположенным за вентилятором по направлению воздушного потока, а фотокаталитический элемент с внешней стороны покрыт теплоизолирующим материалом. Photocatalytic air purifier, including a photocatalytic vertically arranged element with a wide-gap semiconductor photocatalyst applied and made in the form of a tube, inside which an ultraviolet radiation source and a resistive heater are installed, characterized in that the purifier is additionally equipped with a two-zone electrostatic filter with corona electrodes and a precipitator made of porous dielectric material, and located in front of the photocatalytic element in the air flow, a low-speed electronically controlled fan mounted above the photocatalytic element, and a filter with a catalyst for the decomposition of peroxides and ozone, located behind the fan in the direction of the air flow, and the photocatalytic element is covered with a heat-insulating material from the outside.

Description

Полезная модель относится к экологии, а именно к устройствам, которые очищают воздух в помещениях от молекулярных органических и биологических загрязнителей - вредных химических веществ, запахов, токсичных газов, аллергенов, вирусов, бактерий, спор грибов и т.д.The utility model relates to ecology, namely to devices that clean indoor air from molecular organic and biological pollutants - harmful chemicals, odors, toxic gases, allergens, viruses, bacteria, fungi spores, etc.

Устройства, очищающие воздух в помещении, должны удалять из атмосферы:Devices that purify indoor air must remove from the atmosphere:

Аэрозоли - твердые и жидкие частицы с размерами от 50 нм и выше, включая бытовую и техногенную пыль.Aerosols - solid and liquid particles with sizes from 50 nm and above, including household and industrial dust.

Все виды газообразных загрязнений, включающие органические газы, а так же NOх, СJ, NH3, Н2S и др. неорганические газы.All types of gaseous pollution, including organic gases, as well as NOx, CJ, NH3, H2S and other inorganic gases.

Первые две задачи решаются с помощью инерционных пылеулавителей типа циклон, скруберов и механических фильтров различных классов (Е.А.Штокман. Очистка воздуха. Москва: изд-во АСВ, 1999, стр.81-103, 110-118) Эти же задачи решаются фильтрующими устройствами, способными к 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, стр. 616).The first two tasks are solved using inertial dust collectors such as cyclones, scrubbers and mechanical filters of various classes (E.A. Shtokman. Air purification. Moscow: ASV publishing house, 1999, pp. 81-103, 110-118) These same problems are solved filtering devices capable of filtering air from dispersed impurities by unipolar charging of aerosol particles with positive gas ions in the corona discharge zone and their subsequent collection in an electrostatic precipitator under the influence of an external electric field. (V. Straus. Industrial gas purification. Moscow: Chemistry. 1981, p. 616).

Недостатками описанных выше устройств для очистки воздуха от аэрозольных загрязнений является: - для инерционных пылеулавителей повышенный уровень шума, создаваемый высокой скоростью воздушного потока, - для электростатических устройств недостатком является неэффективная очистка воздуха от нанодисперсных примесей; для фильтров с высоким классом очистки H11-U16 и выше, недостатком является высокое сопротивление воздушному потоку.The disadvantages of the above devices for air purification from aerosol pollution are: - for inertial dust collectors, the increased noise level created by the high speed of the air flow, - for electrostatic devices, the disadvantage is the ineffective air purification from nanodispersed impurities; for filters with a high cleaning class H11-U16 and higher, the disadvantage is the high resistance to air flow.

Задача очистки воздуха от газообразных загрязнений обычно решается с помощью адсорбционных, абсорбционных и каталитических устройств для очистки воздуха.(John D. Spengler, John F. McCarthy, Jonathan M. Samet, Indoor Air Quality Handbook, McGraw-Hill Professional, USA, 2000. р.205-315).The task of purifying air from gaseous contaminants is usually accomplished using adsorption, absorption, and catalytic devices for air purification (John D. Spengler, John F. McCarthy, Jonathan M. Samet, Indoor Air Quality Handbook, McGraw-Hill Professional, USA, 2000. p.205-315).

Недостатками этих устройств для очистки воздуха является ограниченная емкость адсорбентов, их селективность, а для термокаталитических устройств - высокие энергозатраты, необходимые для предварительного нагрева воздушного потока.The disadvantages of these devices for air purification is the limited capacity of the adsorbents, their selectivity, and for thermocatalytic devices - the high energy consumption required for preheating the air flow.

При комнатных температурах основным применяемым устройством для очистки воздуха является фотокаталитические очистители воздуха, реализующие явление фотокатализа. При фотокатализе на поверхности широкозонного полупроводника (TiO₂, ZnS) под действием света образуются электронно-дырочные пары которые взаимодействуют с поверхностными ОН группами и атмосферным кислородом разделяются пространственно по реакциям (1-3):At room temperatures, the main device used for air purification is photocatalytic air purifiers that realize the phenomenon of photocatalysis. During photocatalysis on the surface of a wide-gap semiconductor (TiO ₂ , ZnS) under the influence of light, electron-hole pairs are formed which interact with surface OH groups and atmospheric oxygen are spatially separated by reactions (1-3):

Радикал ОН^* быстрo реагирует с электронно-донорными молекулами. Энергии активации таких реакций близки к нулю.The radical OH ^* quickly reacts with electron-donor molecules. The activation energies of such reactions are close to zero.

Ион радикал O2 - реагирует с молекулами воды. Энергия активация этой реакции (5) довольно велика и приблизительно равна 40 кДж\моль для всех известных фотокаталитических реакций.Ion radical O2 - reacts with water molecules. The activation energy of this reaction (5) is quite large and approximately equal to 40 kJ / mol for all known photocatalytic reactions.

Именно эта реакция, которую так же можно назвать реакцией возврата катализатора к исходному состоянию, отвечает за положительную энергию активации всех известных реакций фотокаталитического окисления (Савинов Е.Н. «Фотокаталитические методы очистки воды и воздуха», Соросовский образовательный журнал, том 6, №11, 2000).It is this reaction, which can also be called the reaction of the catalyst returning to its initial state, that is responsible for the positive activation energy of all known photocatalytic oxidation reactions (Savinov E.N. “Photocatalytic methods of water and air purification”, Soros Educational Journal, vol. 6, No. 11 , 2000).

Во множестве устройств реализующих на практике явление фотокатализа для очистки воздуха от газообразных электронно-донорных загрязнителей температура носителя катализатора близка к комнатной или несколько выше, но всегда одинакова на всей поверхности фотокатализатора. Например, в очистители воздуха (US 6607702 В1, опубл. 19.08.2003) реализовано семь ступеней очистки, одна из которых фотокаталитическая. При этом все ступени очистки, включая фотокаталитическую, находятся при одинаковой температуре. Также устроен фотокаталитический очиститель воздуха, описанный в патенте на изобретение (RU 2352382, опубл. 20.04.2009)., включающий механический фильтр грубой очистки, грубоволокнистый электростатический фильтр, фотокаталитческий фильтр, фильтр из активированного угля, лампу мягкого ультрафиолетового излучения.In many devices implementing the phenomenon of photocatalysis in practice for purifying air from gaseous electron-donor pollutants, the temperature of the catalyst carrier is close to room temperature or slightly higher, but always the same on the entire surface of the photocatalyst. For example, in air purifiers (US 6607702 B1, publ. 08/19/2003) seven stages of purification are implemented, one of which is photocatalytic. Moreover, all stages of purification, including photocatalytic, are at the same temperature. Also arranged photocatalytic air purifier described in the patent for the invention (RU 2352382, publ. 04/20/2009)., Including a mechanical coarse filter, coarse fiber electrostatic filter, photocatalytic filter, activated carbon filter, a soft UV lamp.

Общим недостатком таких устройств является генерация на выходе из устройства продуктов неполного окисления органических молекул, а именно: формальдегида, ацетальдегида и уксусной кислоты. Эти вещества плохо улавливаются активированным углем и поэтому при непрерывной работе в замкнутом помещении могут накапливаться. Так в условиях экспериментов описанных в (A.T.Hadgson, D.P. Sallivan, W.J.Fisk., Отчет Берклевской Национальной Лаборатории США, LBNL - 58936, 20.09.2005) концентрация формальдегида в помещении в результате работы рециркуляционного фотокаталитического устройства увеличивалась в 2 раза, ацетальдегида в 2,5 раза и уксусной кислоты в 1,5 раза по сравнению с первоначальной концентрацией этих веществ.A common disadvantage of such devices is the generation at the outlet of the device of products of incomplete oxidation of organic molecules, namely formaldehyde, acetaldehyde and acetic acid. These substances are poorly captured by activated carbon and therefore can accumulate during continuous operation in a closed room. So, under the experimental conditions described in (ATHadgson, DP Sallivan, WJFisk., Report of the Berkevsk National Laboratory of the USA, LBNL - 58936, 09/20/2005) the formaldehyde concentration in the room as a result of the operation of the recirculating photocatalytic device increased 2 times, acetaldehyde 2, 5 times and acetic acid 1.5 times compared with the initial concentration of these substances.

Указанного недостатка лишены фотокаталитические конвекционные очистители воздуха, представляющие собой трубу круглого или прямоугольного сечения расположенную вертикально. В центре трубы устанавливается источник ультрафиолетового (УФ)-света, например люминесцентная лампа. Тепло выделяемое лампой заставляет воздух двигаться по трубе, создавая естественную тягу.The indicated drawback is deprived of photocatalytic convection air purifiers, which are a pipe of circular or rectangular cross section located vertically. An ultraviolet (UV) light source, such as a fluorescent lamp, is installed in the center of the pipe. The heat generated by the lamp causes air to move through the pipe, creating natural traction.

Наиболее близким техническим решением по совокупности заявляемых признаков и выбранным за прототип является фотокаталитический очиститель воздуха конвективного типа (полезная модель RU 100189)., содержащий вертикально расположенный фотокаталитический элемент выполненный в виде трубы с нанесенным широкозонным полупроводниковым фотокатализатором (диоксид титана), внутри которого установлена ультрафиолетовая лампа и резистивный нагреватель для создания дополнительной тяги.The closest technical solution for the totality of the claimed features and chosen for the prototype is a convective type photocatalytic air purifier (utility model RU 100189)., Containing a vertically located photocatalytic element made in the form of a pipe with a wide-band semiconductor photocatalyst (titanium dioxide) coated with an ultraviolet lamp and resistive heater for extra traction.

В этом устройстве на фотокаталитической поверхности существует температурный градиент 15°С\м, направленный снизу вверх. Повышенная температура в верхней части устройства приводит к увеличению скорости фотоокисления, не только исходных химических загрязнителей, концентрация которых по мере прохождения воздуха по трубе уменьшается, но и нежелательных полупродуктов, т.е. формальдегида, ацетальдегида и уксусной кислоты. В обычных реакторах с постоянной температурой фотокатализатора, концентрация этих полупродуктов увеличивается. При правильно подобранных параметрах фотокаталитического конвекционного очистителя концентрация всех загрязняющих воздух органических соединений, включая промежуточные продукты, на выходе из очистителя меньше, чем на входе. Таким образом, известное устройство позволяет на выходе сократить количество продуктов неполного окисления органических загрязнений, включая промежуточные продукты.In this device, on a photocatalytic surface, there is a temperature gradient of 15 ° C \ m directed from the bottom up. The increased temperature in the upper part of the device leads to an increase in the rate of photooxidation, not only of the initial chemical pollutants, the concentration of which decreases as the air passes through the pipe, but also of undesired intermediates, i.e. formaldehyde, acetaldehyde and acetic acid. In conventional reactors with a constant photocatalyst temperature, the concentration of these intermediates increases. With the right parameters for the photocatalytic convection purifier, the concentration of all air polluting organic compounds, including intermediate products, is lower at the outlet of the purifier than at the inlet. Thus, the known device allows to reduce the number of products of incomplete oxidation of organic pollutants, including intermediate products.

С другой стороны, воздух закрытых помещений всегда содержит аэрозоли и газообразные загрязнители, например пары стирола, являющиеся каталитическими ядами. Поэтому недостатками прототипа является: 1) снижение эффективности очистки воздуха таким устройством из-за покрытия фотокаталитического слоя аэрозолью 2) снижение эффективности очистки воздуха таким устройством из-за отравления фотокатализатора ароматическими органическими соединениями, каталитическими ядами.On the other hand, indoor air always contains aerosols and gaseous pollutants, such as styrene vapors, which are catalytic poisons. Therefore, the disadvantages of the prototype are: 1) a decrease in the efficiency of air purification by such a device due to the coating of the photocatalytic layer with an aerosol; 2) a decrease in the efficiency of air purification by such a device due to poisoning of the photocatalyst by aromatic organic compounds, catalytic poisons.

Задачей настоящего технического решения является разработка конструкции устройства для очистки воздуха, позволяющего, при сохранении его главных положительных характеристик, т.е. минимального уровня шума и отсутствие продуктов неполного окисления органических загрязнений на выходе из устройства, в особенности формальдегида, ацетальдегида и уксусной кислоты, устранить покрытие аэрозолью фотокаталитического слоя и также устранить отравление фотокатализатора ароматическими органическими соединениями, каталитическими ядами.The objective of this technical solution is to develop the design of a device for air purification, allowing, while maintaining its main positive characteristics, i.e. the minimum noise level and the absence of products of incomplete oxidation of organic pollutants at the outlet of the device, in particular formaldehyde, acetaldehyde and acetic acid, eliminate the aerosol coating of the photocatalytic layer and also eliminate the poisoning of the photocatalyst with aromatic organic compounds, catalytic poisons.

Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение эффективности очистки воздуха и увеличения срока службы каталитического слоя.The technical result of the proposed device is to increase the efficiency of air purification and increase the service life of the catalytic layer.

Поставленная задача достигается предлагаемым фотокаталитическим очистителем воздуха включающим фотокаталитический вертикально расположенный элемент, с нанесенным широкозонным полупроводниковым фотокатализатором и выполненный в виде трубы, внутри которой расположен источник ультрафиолетового излучения и резистивный нагреватель, отличительной особенностью которого является, что очиститель дополнительно снабжен двухзонным электростатическим фильтром с коронирующими электродами и осадителем, выполненным из пористого диэлектрического материала и расположенным перед фотокаталитическим элементом по ходу воздуха, низкооборотным электронно-регулируемым вентилятором, установленным над фотокаталитическим элементом, и фильтром с катализатором разложения пероксидов и озона, расположенным за вентилятором по направлению воздушного потока, а фотокаталитический элемент с внешней стороны покрыт теплоизолирующим материалом.The task is achieved by the proposed photocatalytic air purifier comprising a photocatalytic vertically arranged element with a wide-gap semiconductor photocatalyst deposited and made in the form of a tube, inside which there is an ultraviolet radiation source and a resistive heater, the distinctive feature of which is that the purifier is additionally equipped with a two-zone electrostatic filter with corona electrodes and precipitator made of porous dielectric eskogo material and disposed before the photocatalytic element Air course, low-speed electronically controlled fan mounted over the photocatalytic element, and a filter with catalyst decomposition of peroxides and ozone, disposed behind the fan in the direction of air flow, and a photocatalyst element on the outer side is covered with a heat insulating material.

Очиститель воздуха снабжен блоком управления и автоматики вентилятором и двумя датчиками температуры воздуха, расположенными на входе и выходе фотокаталитического элемента.The air purifier is equipped with a control unit and an automatic fan and two air temperature sensors located at the inlet and outlet of the photocatalytic element.

В качестве пористого диэлектрического материала используют, например, полимерный волокнистый материал, например, полипропилен или гидрофобные неорганические волокна.As the porous dielectric material, for example, a polymeric fibrous material, for example polypropylene or hydrophobic inorganic fibers, is used.

В качестве катализатора используют широкозонный полупроводниковый фотокатализатор, например, нанокристаллический TiO₂ анатазной модификацииThe catalyst used is a wide-gap semiconductor photocatalyst, for example, anatase nanocrystalline TiO ₂

В качестве источника УФ излучения используют лампу с длинноволновым диапазоном ультрафиолета А (315-400 нм).As a source of UV radiation using a lamp with a long wavelength range of ultraviolet A (315-400 nm).

Носитель фотокатализатора представляет собой трубу, выполненную из, например, керамики, стекловолокнистого материала, металла, спеченных стеклянных шариков, обернутую по внешнему диаметру теплоизолирующим материалом, например, типа фольгоизол на основе алюминивой фольги и полиэтилена.The photocatalyst carrier is a tube made of, for example, ceramic, fiberglass material, metal, sintered glass balls, wrapped in outer diameter with an insulating material, for example, a type of foil insulation based on aluminum foil and polyethylene.

На Фиг.1 приведена схема заявляемой полезной модели фото каталитического очистителя воздуха: 1 - фильтр с катализатором разложения пероксидов и озона 2 - вентилятор; 3 - термоизоляционный слой; 4 - фотокатализатор; 5 - источник УФ излучения (ультрафиолетовая лампа); 6 - резистивный нагреватель; 7 - двухзонный электростатический фильтр; 8 - осадитель 9 - коронирующие электроды; 10 - датчики температуры; 11 - блок питания и автоматики.Figure 1 shows a diagram of the inventive utility model photo of a catalytic air purifier: 1 - filter with a catalyst for the decomposition of peroxides and ozone 2 - fan; 3 - thermal insulation layer; 4 - photocatalyst; 5 - a source of UV radiation (ultraviolet lamp); 6 - resistive heater; 7 - dual-zone electrostatic filter; 8 - precipitator 9 - corona electrodes; 10 - temperature sensors; 11 - power supply and automation.

Предложенный фотокаталитический очиститель воздуха работает следующим образом: поток воздуха поступает на очистку в двухзонный электростатический фильтр большой емкости, где задерживаются аэрозольные частицы с размером выше 50 нм и генерируется озон, препятствующий отравлению фотокатализатора летучими ароматическими углеводородами, далее поток воздуха поступает в фотокаталитический элемент, где очищается от газообразных загрязнителей, а затем поступает в каталитический фильтр, где полностью очищается от пероксидов и озона.The proposed photocatalytic air purifier works as follows: the air stream is sent to a large-capacity two-zone electrostatic filter for cleaning, where aerosol particles larger than 50 nm are trapped and ozone is generated, which prevents the photocatalyst from being poisoned by volatile aromatic hydrocarbons, and then the air stream enters the photocatalytic element, where it is cleaned from gaseous pollutants, and then enters the catalytic filter, where it is completely cleaned of peroxides and ozone.

Принцип работы предлагаемого фотокаталитического очистителя воздуха заключается в том, что блок управления вентилятором и мощностью резистивного нагревателя снабженный двумя датчиками температуры воздуха, расположенными на входе и выходе фотокаталитического элемента задает такие обороты вентилятора и мощность нагревателя, чтобы градиент температуры в фотокаталитическом элементе поддерживался в диапазоне 14°С/м до 20°С/м.).The principle of operation of the proposed photocatalytic air purifier is that the fan and resistive heater power control unit equipped with two air temperature sensors located at the inlet and outlet of the photocatalytic element sets such fan revolutions and heater power so that the temperature gradient in the photocatalytic element is maintained in the range of 14 ° S / m to 20 ° C / m.).

Таким образом, отличительной особенностью работы настоящего очистителя воздуха является организация обратной связи между объемным расходом воздуха, проходящего через очиститель, и градиентом температуры (диапазон от 14°С/м до 20°С/м.), возникающим в вертикально расположенном фотокаталитическом реакторе, за счет тепла, выделяемого источником УФ излучения и тепла выделяемого резистивным нагревательным элементом. Такая связь достигается путем управления числом оборотов вентилятора со скоростю вращения в диапазоне от 0 до 1400 об./мин и мощностью резистивного нагревателя от измерителя разности температур воздуха на входе и выходе фотокаталитического элемента.Thus, a distinctive feature of the operation of this air purifier is the organization of feedback between the volumetric flow rate of air passing through the purifier and the temperature gradient (range from 14 ° C / m to 20 ° C / m.) Arising in a vertically located photocatalytic reactor, the heat generated by the UV radiation source and the heat generated by the resistive heating element. Such a connection is achieved by controlling the fan speed with a rotation speed in the range from 0 to 1400 rpm and the power of the resistive heater from the meter of the difference in air temperature at the inlet and outlet of the photocatalytic element.

Таким образом предложен фотокаталитический очиститель воздуха содержащий 4 основных элемента: а) электростатический фильтр, содержащий коронирующие электроды и осадитель - диэлектрический гидрофобный фильтр заряженных аэрозолей; б) теплоизолированный фотокаталитический вертикально расположенный элемент, выполненный в виде трубы, с нанесенным широкозонным полупроводниковым фотокатализатором с источником УФ излучения и резистивным нагревателем, установленными внутри трубы; в) низкооборотный электронно-управляемый вентилятор, установленный над фотокаталитическим элементом и подающий воздушный поток на д) каталитический фильтр, предназначенный для разложения озона и пероксидов.Thus, a photocatalytic air purifier containing 4 main elements is proposed: a) an electrostatic filter containing corona electrodes and a precipitant — a dielectric hydrophobic charged aerosol filter; b) a thermally insulated photocatalytic vertically arranged element made in the form of a pipe, with a wide-gap semiconductor photocatalyst deposited with a UV source and a resistive heater installed inside the pipe; c) a low-speed electronically controlled fan mounted above the photocatalytic element and supplying air flow to e) a catalytic filter designed for the decomposition of ozone and peroxides.

Предлагаемая полезная модель соответствует критерию «новизна», так как в известной научно-технической и патентной литературе отсутствует полная совокупность признаков, характеризующих предлагаемую полезную модель, а также критерию «промышленная применимость», так предлагаемая полезная модель может найти применение для очистки воздуха в помещениях от молекулярных органических и биологических загрязнителей, а также от аэрозолей.The proposed utility model meets the criterion of "novelty", since the well-known scientific, technical and patent literature does not contain a complete set of features characterizing the proposed utility model, as well as the criterion of "industrial applicability", so the proposed utility model can be used for cleaning indoor air from molecular organic and biological pollutants, as well as from aerosols.

Приведенные ниже примеры испытания иллюстрируют работу очистителя воздуха в 3-х различных режимах, позволяющих очищать воздух от всех загрязняющих компонентов в сравнении с прототипом - конвекционным очистителем воздуха.The following test examples illustrate the operation of the air purifier in 3 different modes, allowing you to clean the air from all polluting components in comparison with the prototype - convection air purifier.

На Фиг.2 показана кинетика фотоокисления этилового спирта и выделения углекислого газ при работе фотокаталитического очистителя воздуха конвекционного типа (прототипа).Figure 2 shows the kinetics of the photooxidation of ethyl alcohol and the emission of carbon dioxide during the operation of the photocatalytic convection type air purifier (prototype).

На Фиг.3 показана кинетика фотоокисления этилового спирта и выделение углекислого газа при высоких концентрациях аэрозолей.Figure 3 shows the kinetics of photooxidation of ethyl alcohol and the release of carbon dioxide at high concentrations of aerosols.

На Фиг.4 показана кинетика уменьшения концентрации аэрозолей, при объемной скорости воздуха через прибор, 6,5 м³/час,Figure 4 shows the kinetics of reducing the concentration of aerosols, with a volumetric air velocity through the device, 6.5 m ³ / hour,

Пример 1. сравнительный (при работе конвекционного очистителя-прототипа, в воздухе не содержащим аэрозоля).)Example 1. comparative (when using a convection cleaner-prototype in the air containing no aerosol).)

Конвекционный очиститель воздуха, состоящий из цилиндрического носителя катализатора, с катализатором ТiO₂ (анатаз 100%) и помещенной в центр цилиндра источник УФ излучения люминесцентная лампа PhilipsCleo36W. Внутренний диаметр носителя составляет 80 мм, внешний 90 мм, длина 440 мм. По внешнему диаметру носитель был обернут теплоизолирующим материалом, типа фольгоизол на основе алюминиевой фольги и полиэтилена, толщиной 10 мм.Convection air purifier, consisting of a cylindrical catalyst support, with a TiO ₂ catalyst (100% anatase) and a UV source, PhilipsCleo36W fluorescent lamp, placed in the center of the cylinder. The inner diameter of the carrier is 80 mm, the outer 90 mm, length 440 mm. The outer diameter of the carrier was wrapped with a heat-insulating material, such as foil isol based on aluminum foil and polyethylene, 10 mm thick.

Очиститель помещался в измерительный бокс объемом 3 м³. В атмосфере бокса, с помощью шприц-дозатора и испарителя задавалась концентрация этилового спирта - 40 мг/м³. После перемешивания воздуха в боксе вентилятором в течении 15 минут, включался очиститель воздуха. В ходе эксперимента определяли концентрацию исходного вещества (C₂H₅(OH)), ацетальдегида и углекислого газа, как промежуточного и конечного продуктов фотокаталитического окисления этилового спирта, соответственно. Концентрацию органических соеденений определяли с помощью газового хроматографа Цвет 600М, с концентрированием пробы на сорбционной трубке с адсорбентами Теnах-ТА и Карбосив S-III 60\80 меш, производства компании Супелко, США.The cleaner was placed in a measuring box with a volume of 3 m ³ . In the atmosphere of boxing, using a syringe dispenser and an evaporator, the concentration of ethyl alcohol was set at 40 mg / m ³ . After mixing the air in the box with a fan for 15 minutes, the air purifier was turned on. During the experiment, the concentrations of the starting material (C ₂ H ₅ (OH)), acetaldehyde, and carbon dioxide were determined as the intermediate and final products of the photocatalytic oxidation of ethyl alcohol, respectively. The concentration of organic compounds was determined using a Tsvet 600M gas chromatograph, with the sample concentrated on a sorption tube with Tenax-TA and Karbosiv S-III 60/80 mesh adsorbents, manufactured by Supelko, USA.

Концентрацию альдегидов определяли отбирая воздух на пробоотборники по МУК 4.1.1045-01. Концентрацию углекислого газа определяли с помощью прибора «Тест 1.2» производства ООО «Боиэр», РФ, с селективным NDIR детектором.The concentration of aldehydes was determined by taking air to the samplers according to MUK 4.1.1045-01. Carbon dioxide concentration was determined using the Test 1.2 instrument manufactured by Boyer LLC, RF, with a selective NDIR detector.

Кроме вышеуказанных параметров в эксперименте определяли шум, испытываемых устройств, в диапазоне звуковых частот 60 Гц - 12 кГц. Измерения уровня шума производились с помощью прибора Октава 110А, производства ООО «Эко-Интех», РФ.In addition to the above parameters, the experiment determined the noise of the tested devices in the audio frequency range 60 Hz - 12 kHz. Noise measurements were made using the Octave 110A instrument, manufactured by Eco-Intech LLC, RF.

Концентрацию аэрозолей в воздухе определяли с помощью фотометра ФАН-А, производства РФ. В качестве источника аэрозолей использовалось трансформаторное масло нагретое до температуры 60°С. При данной температуре образуются жидкие аэрозоли с размерами частиц 0,1-0,25 мкм. В ряде случаев использовали генератор твердых гигроскопичных аэрозолей KJ, производства ООО «Инготек», РФ.The concentration of aerosols in the air was determined using a FAN-A photometer manufactured by the Russian Federation. A transformer oil heated to a temperature of 60 ° C was used as a source of aerosols. At this temperature, liquid aerosols are formed with particle sizes of 0.1-0.25 microns. In some cases, the KJ solid hygroscopic aerosol generator manufactured by Ingotech LLC, RF, was used.

На Фиг.2 показана кинетика уничтожения паров спирта конвекционным очистителем воздуха. Начальная скорость фотоокисления составляет 0,2 мг/мин. Объемная скорость потока воздуха 6 м³/час. Шумов при работе конвекционного очистителя воздуха нет. Разница температур на входе и выходе из конвекционного очистителя воздуха составляет 7°С. За 180 минут в объеме испытательного бокса концентрация паров этилового спирта снижается до 0.Figure 2 shows the kinetics of the destruction of alcohol vapor convection air purifier. The initial photooxidation rate is 0.2 mg / min. The volumetric air flow rate is 6 m ³ / h. There is no noise during operation of the convection air purifier. The temperature difference at the inlet and outlet of the convection air purifier is 7 ° C. After 180 minutes in the volume of the test box, the concentration of ethyl alcohol vapor is reduced to 0.

Необходимо отметить, что в таких условия эксперимента, ацетальдегида в газовой фазе в измеряемых количествах не обнаруживается.It should be noted that under such experimental conditions, acetaldehyde in the gas phase is not detected in measured quantities.

Пример 2. сравнительный (при работе конвекционного очистителя-прототипа, в воздухе, содержащим аэрозоль).)Example 2. comparative (when using a convection cleaner-prototype, in air containing an aerosol).)

Прототип конвекционного очистителя воздуха испытывали так же как в Примере 1. В испытательном боксе создавали концентрацию аэрозолей трансформаторного масла равную 10⁸ частиц/см³. Результаты представлены на Фиг.3.The prototype of the convection air purifier was tested in the same way as in Example 1. In a test box, a transformer oil aerosol concentration of 10 ⁸ particles / cm ^{3 was created} . The results are presented in figure 3.

Из кинетики накопления CO₂ в боксе видно, что углекислый газ образуется только из спирта, поскольку его концентрация через 200 минут в 2 раза превышает стехиометрическую. Начальная скорость окисления спирта в 3 раза ниже, чем в Примере 1. Кроме того в боксе наблюдается накопление ацетальдегида.From the kinetics of CO ₂ accumulation in the box, it is seen that carbon dioxide is formed only from alcohol, since its concentration in 200 minutes is 2 times higher than the stoichiometric. The initial rate of alcohol oxidation is 3 times lower than in Example 1. In addition, an accumulation of acetaldehyde is observed in the box.

Этот пример показывает, что в случае конвекционного очистителя воздуха жидкие окисляемые аэрозоли масла отравляют катализатор и приводят к выделению вредного полупродукта окисления спирта -ацетальдегида.This example shows that in the case of a convection air purifier, liquid oxidizable oil aerosols poison the catalyst and lead to the release of a harmful alcohol-acetaldehyde oxidation intermediate.

Пример 3.Example 3

Испытания заявленного фотокаталитического очистителя воздуха. Испытания проводились по схеме описанной в Примере 1. Частота вращения вентилятора выбиралась так, чтобы разница температур на входе и выходе из фотокаталитического реактора составляла 7°С, т.е. была такой же как в прототипе. В эксперименте по фотоокислению спирта, в отсутствии жидких аэрозолей трансформаторного масла, кинетика окисления спирта и выделения СО₂ оказалась такой же как показанная на Фиг.2. После создания в боксе концентрации жидких и твердых аэрозолей в 100 раз превышающих концентрацию аэрозолей в Примере 2, скорость фотокаталитического окисления спирта заявленным фотокаталитическим очистителем воздуха оказалась такой же, как в прототипе. Выделения промежуточных продуктов реакции в газовую фазу не наблюдалось.Tests of the claimed photocatalytic air purifier. The tests were carried out according to the scheme described in Example 1. The fan speed was chosen so that the temperature difference at the inlet and outlet of the photocatalytic reactor was 7 ° C, i.e. was the same as in the prototype. In the experiment on the photooxidation of alcohol, in the absence of liquid aerosols of transformer oil, the kinetics of the oxidation of alcohol and the emission of CO ₂ turned out to be the same as that shown in FIG. 2. After creating in the box the concentration of liquid and solid aerosols 100 times higher than the concentration of aerosols in Example 2, the rate of photocatalytic oxidation of alcohol by the claimed photocatalytic air purifier was the same as in the prototype. Isolation of intermediate reaction products into the gas phase was not observed.

Это означает, что аэрозоли трансформаторного масла захватывались электростатическим фильтром достаточно эффективно. Кинетика уменьшения концентрации аэрозолей, при объемной скорости воздуха через прибор, 6,5 м³/час, показана на Фиг.4. В процессе эксперимента отбор проб воздуха производился непрерывно, воздух возвращался обратно в испытательный бок, скорость прокачки воздуха через кювету фотометра составляла 100 см³/сек.This means that aerosols of transformer oil were captured by the electrostatic filter quite efficiently. The kinetics of decreasing the concentration of aerosols at a volumetric air velocity through the device of 6.5 m ³ / h is shown in FIG. 4. During the experiment, air sampling was carried out continuously, air was returned back to the test flank, the air pumping speed through the photometer cuvette was 100 cm ³ / s.

Математический расчет показывает, что эффективность захвата аэрозолей при малом расходе воздуха составляет 99,995%. Отдельно, при выключенном измерительном оборудовании, измерялся шум создаваемый прибором в октавном диапазоне 60 Гц - 12 кГц. Результаты представлены в таблице 1.A mathematical calculation shows that the efficiency of aerosol capture at low air flow is 99.995%. Separately, with the measuring equipment turned off, the noise generated by the device was measured in the octave range of 60 Hz - 12 kHz. The results are presented in table 1.

Таблица 1Table 1 Шум к окружению заявляемого очистителя воздуха при скорости потока воздуха 7 м³/часThe noise to the environment of the inventive air purifier at a flow rate of 7 m ³ / hour   СуммарноIn total 63 Гц63 Hz 125 ГЦ125 Hz 250 ГЦ250 Hz 500 ГЦ500 Hz 1 кГц1 kHz 2 кГц2 kHz 4 кГц4 kHz 8 кГц8 kHz Уровень шума дБ.Noise level dB. 2121 2121 20twenty 20twenty 00 00 00 00 00

Как следует из представленных в таблицы 1 данных низкочастотные шумы очень малы, а высокочастотные шумы практически отсутствуют.As follows from the data presented in table 1, low-frequency noise is very small, and high-frequency noise is practically absent.

Этот пример показывает, что заявляемый воздухоочиститель может удалять из воздуха газообразные и аэрозольные загрязнения с высокой эффективностью, практически не создавая шума.This example shows that the inventive air purifier can remove gaseous and aerosol contaminants from the air with high efficiency, practically without creating noise.

Пример 4.Example 4

Заявляемый очиститель воздуха при работе вентилятора на повышенных оборотах (1400 об/мин) создает воздушный поток 120 м³/часThe inventive air purifier when the fan is operating at high speeds (1400 rpm) creates an air flow of 120 m ³ / hour

В боксе создавали концентрацию жидких и твердых аэрозолей трансформаторного масла и частиц KJ, равную 5∗10¹⁰ см^-3 и включали прибор на указанные выше обороты вентилятора. После 2 минут работы очистителя воздуха концентрация аэрозолей в камере составляла 3,5∗10⁷ см^-3 Таким образом расчетная эффективность фильтрации аэрозолей за 1 проход составляет 99,96%, что соответствует классу фильтрации Н12 по (Измеренная кинетика фотокаталитического окисления этилового спирта практически совпала с кинетикой представленной на Фиг.2.In the box, a concentration of liquid and solid aerosols of transformer oil and KJ particles equal to 5 * 10 ¹⁰ cm ^{-3 was created} and the device was turned on for the fan speeds indicated above. After 2 minutes of operation of the air purifier, the aerosol concentration in the chamber was 3.5 * 10 ⁷ cm ^-3. Thus, the calculated aerosol filtration efficiency for 1 pass is 99.96%, which corresponds to the H12 filtration class according to (The measured kinetics of the photocatalytic oxidation of ethyl alcohol almost coincided with the kinetics shown in Fig.2.

Этот пример показывает, что заявляемый прибор может эффективно уничтожать залповые выбросы аэрозолей. Такой режим очистки «залповых выбросов» необходим для работы прибора в курительных комнатах, на вытяжной технологической вентиляции объектов общественного питания и т.п. Важно отметить, что аэрозоли не попадают в фотокаталитический блок и не снижают эффективность работы фотокатализатора.This example shows that the inventive device can effectively destroy volley emissions of aerosols. This mode of cleaning "volley emissions" is necessary for the device to work in smoking rooms, on exhaust technological ventilation of public catering facilities, etc. It is important to note that aerosols do not fall into the photocatalytic unit and do not reduce the efficiency of the photocatalyst.

Пример 5.Example 5

Заявляемый очиститель воздуха при работе вентилятора на средних оборотах (700 об/мин) создает воздушный поток 60 м³/час, а также с включенным резистивным нагревателем.The inventive air purifier when the fan is operating at medium speeds (700 rpm) creates an air flow of 60 m ³ / h, as well as with the resistive heater turned on.

В городских помещениях концентрация органических загрязнений суммарно не превышает 10 ppm. Источники органических газообразных загрязнителей находятся внутри помещения и связанны с газовыделением строительных материалов, мебели, лаков, красок и деятельностью человека. Мощность таких источников постоянна и зависит, в основном, от температуры в помещении. Поэтому скорость удаления газообразных загрязнителей должна быть, по крайней мере, не меньше скорости их выделения. Для обеспечения жизнедеятельности человека при концентрации двуокиси углерода в воздухе, приточная система вентиляции должна доставлять не менее 25 м³/час на одного человека. Следовательно при установившейся в помещении сумме концентраций органических загрязнений в диапазоне от 1 до 11 ppm, мощность источников составляет 25 ppm/час. Для существенного снижения концентрации загрязнителей скорость их уничтожения должна быть выше скорости их выделения, т.е. мощности источников. Скорость фотокаталитического окисления зависит только от интенсивности УФ излучения и температуры поверхности фотокатализатора. Кинетика окисления этилового спирта (Фиг.2) показывает, что скорость окисления этого вещества конвекционным очистителем воздуха, при использовании одной УФ-А лампы PhilipsCleoPLL-36W нe меньше мощности источников загрязнения.In urban areas, the concentration of organic pollution does not exceed 10 ppm in total. Sources of organic gaseous pollutants are located indoors and are associated with the gas release of building materials, furniture, varnishes, paints and human activities. The power of such sources is constant and depends mainly on the temperature in the room. Therefore, the rate of removal of gaseous pollutants should be at least not less than the rate of their release. To ensure human life at a concentration of carbon dioxide in the air, the supply ventilation system must deliver at least 25 m ³ / hour per person. Therefore, when the sum of the concentrations of organic pollutants is established in the room in the range from 1 to 11 ppm, the power of the sources is 25 ppm / hour. To significantly reduce the concentration of pollutants, the rate of their destruction should be higher than the rate of their release, i.e. power sources. The rate of photocatalytic oxidation depends only on the intensity of UV radiation and the surface temperature of the photocatalyst. The kinetics of the oxidation of ethyl alcohol (Figure 2) shows that the oxidation rate of this substance by convection air purifier, when using a single UV-A PhilipsCleoPLL-36W lamp is not less than the power of pollution sources.

С другой стороны воздушный поток 6-7 м³/час, создаваемый естественной конвекцией в прототипе, не достаточен для захвата всех выделяемых загрязнителей, если их источники расставлены по помещению.On the other hand, the air flow of 6-7 m ³ / h created by natural convection in the prototype is not sufficient to capture all the pollutants emitted if their sources are located indoors.

Поэтому заявленный очиститель воздуха был испытан при расходе воздуха 50 м³/час с включенным резистивным нагревателем, мощностью 100 Вт.Therefore, the claimed air purifier was tested at an air flow rate of 50 m ³ / h with a resistive heater turned on, with a power of 100 watts.

Вместе с источником УФ-А излучения внутри фотокаталитического блока заявленного очистителя воздуха, выделяется тепловая мощность 136 Вт, которой достаточно для повышения температуры на выходе из блока на ΔТ:Together with the source of UV-A radiation inside the photocatalytic unit of the claimed air purifier, a thermal power of 136 W is released, which is enough to increase the temperature at the outlet of the unit by ΔТ:

Где, Ρ=1,2 кг/м³ - плотность воздуха при температуре 20°СWhere, Ρ = 1.2 kg / m ³ - air density at a temperature of 20 ° C

С=1000 Дж/кг* град - теплоемкость воздухаC = 1000 J / kg * deg - heat capacity of air

N=50 м³/час - объемная скорость воздуха.N = 50 m ³ / h - air volumetric velocity.

В таблице 2 приведены концентрации загрязнителей поступающих в помещение объемом 50 м³ от различных внутренних источников. Состав загрязнений и их концентрация определялись с помощью накопления их на трубке Тенакс 510 с последующей термодесорбцией и ГХ/МС анализом пробы. Так же в таблице 2 приведены данные по составу и концентрациям загрязнителей при работающем заявляемом очистителе воздуха с производительностью 50 м³/час. В обеих сериях измерений концентрация формальдегида и ацетальдегида измерялась с помощью реакционной ВЭЖХ по МУК 4.1.1045-01. Приток внешнего воздуха с улицы в помещение составлял 30 м³/час.Table 2 shows the concentration of pollutants entering the room with a volume of 50 m ³ from various internal sources. The composition of the contaminants and their concentration was determined by accumulating them on a Tenax 510 tube, followed by thermal desorption and GC / MS analysis of the sample. Also in table 2 shows data on the composition and concentrations of pollutants with the inventive air purifier operating with a capacity of 50 m ³ / h. In both series of measurements, the concentration of formaldehyde and acetaldehyde was measured using reaction HPLC according to MUK 4.1.1045-01. The influx of external air from the street into the room was 30 m ³ / hour.

Таблица 2.Table 2. Очитка воздуха в помещении 50 м³ заявляемым очистителем воздуха.Scum air in the room 50 m ^{3 of the} claimed air purifier. №No. ВеществоSubstance Концентрация, мкг/м³. Без очистителя воздухаConcentration, μg / m ³ . Without air purifier Концентрация, мкг/м³. С работающим очистителем воздухаConcentration, μg / m ³ . With a working air purifier Степень конверсии вещества.The degree of conversion of the substance. 1one ЭтанолEthanol 120±1120 ± 1 42±0,542 ± 0.5 0,650.65 22 Изопропиловый спиртIsopropyl alcohol 75±875 ± 8 18,8±0,318.8 ± 0.3 0,750.75 33 1-Бутанол1-butanol 10±110 ± 1 2,7±0,12.7 ± 0.1 0,730.73 4four ФенолPhenol 4,8±0,14.8 ± 0.1 1,2±0,11.2 ± 0.1 0,750.75 55 МТВЕMTBE 15±215 ± 2 6,9±0,156.9 ± 0.15 0,560.56 66 АцетонAcetone 98±598 ± 5 29,4±529.4 ± 5 0,70.7 77 ГексанальHexanal 5,3±0,25.3 ± 0.2 2,12±0,052.12 ± 0.05 0,60.6 88 ЛимоненLimonene 7,8±0,27.8 ± 0.2 3±0,13 ± 0.1 0,620.62 99 ТолуолToluene 46±146 ± 1 18,4±118.4 ± 1 0,60.6

Средняя величина конверсии органических загрязнителей составляла 66%.The average conversion of organic pollutants was 66%.

В таблице 3 представлены измерения концентраций формальдегида и ацетальдегида в описанных выше условиях опытов с включенным и выключенным очистителем воздуха.Table 3 presents the measurements of the concentrations of formaldehyde and acetaldehyde in the above-described conditions of experiments with the air purifier turned on and off.

Таблица 3.Table 3. Концентрация формальдегида и ацетальдегидаFormaldehyde and acetaldehyde concentration ВеществоSubstance Концентрация, мкг/м³. С выключенным очистителем воздухаConcentration, μg / m ³ . With the air purifier off Концентрация, мкг/м³. С работающим очистителем воздухаConcentration, μg / m ³ . With a working air purifier ФормальдегидFormaldehyde 30±430 ± 4 22±422 ± 4 АцетальдегидAcetaldehyde 10±210 ± 2 2,2±0,52.2 ± 0.5

Из таблицы 3 видно, что прироста концентрации формальдегида и ацетальдегида в воздухе помещения при работающем заявленном очистителе воздуха не наблюдается. Напротив происходит снижение концентрации формальдегида на 26% и снижение концентрации ацетальдегида на 78% по сравнению с исходными значениями.From table 3 it can be seen that there is no increase in the concentration of formaldehyde and acetaldehyde in the room air when the claimed air purifier is running. On the contrary, formaldehyde concentration decreases by 26% and acetaldehyde concentration decreases by 78% compared to the initial values.

Таким образом, как видно из вышеописанных примеров, таблиц и графиков предлагаемый фотокаталитический очиститель воздуха позволяет эффективно очищать воздуха в помещениях от газообразных загрязнителей, любых аэрозольных соединений, при этом не снижается эффективность работы фотокатализатора, так не происходит отравление катализатора аэрозольными загрязнителями. Кроме этого, очиститель практически работает без шума.Thus, as can be seen from the above examples, tables and graphs, the proposed photocatalytic air purifier allows you to effectively purify indoor air from gaseous pollutants, any aerosol compounds, while the photocatalyst does not decrease the efficiency of the catalyst, so the catalyst is not poisoned by aerosol pollutants. In addition, the cleaner works virtually without noise.

Claims (1)

Фотокаталитический очиститель воздуха, включающий фотокаталитический вертикально расположенный элемент с нанесенным широкозонным полупроводниковым фотокатализатором и выполненный в виде трубы, внутри которой установлен источник ультрафиолетового излучения и резистивный нагреватель, отличающийся тем, что очиститель дополнительно снабжен двухзонным электростатическим фильтром с коронирующими электродами и осадителем, выполненным из пористого диэлектрического материала, и расположенным перед фотокаталитическим элементом по ходу воздуха, низкооборотным электронно-регулируемым вентилятором, установленным над фотокаталитическим элементом, и фильтром с катализатором разложения пероксидов и озона, расположенным за вентилятором по направлению воздушного потока, а фотокаталитический элемент с внешней стороны покрыт теплоизолирующим материалом.

A photocatalytic air purifier comprising a photocatalytic vertically arranged element coated with a wide-gap semiconductor photocatalyst and made in the form of a tube inside which an ultraviolet radiation source and a resistive heater are installed, characterized in that the purifier is additionally equipped with a two-zone electrostatic filter with corona electrodes and a precipitator made of porous dielectric material, and upstream of the photocatalytic element near air, with a low-speed electronically controlled fan mounted above the photocatalytic element, and a filter with a catalyst for the decomposition of peroxides and ozone, located behind the fan in the direction of air flow, and the photocatalytic element is coated on the outside with a heat-insulating material.