бренды

климат-рейтинги

Применение фотокаталитической очистки (ФКО) воздуха в вентиляции и кондиционировании.

Чистота воздуха и пыль.

В современных системах вентиляции и кондиционирования (СВК) воздуха жилых и производственных помещений большое внимание уделяется очистке входящего и циркулирующего воздуха. Чаще всего для этого применяются фильтры классов EUR3 до EUR9 для улавливания пыли с размерами от 0,1 мкм (EUR9) и выше. Емкость этих фильтров по весу пыли в больших системах достигает десятков килограмм. Увеличение емкости фильтров преследует очевидную цель: увеличить, насколько это возможно, период между сменой этих фильтров.

С точки зрения физхимика пыль – это мелкодисперсные частицы, размерами от 0,1 мкм с очень развитой поверхностью, до 100 м2 на 1 г пыли. На эту поверхность адсорбируются различные вредные вещества из воздуха. Но не только адсорбируются (прилетают), но и десорбируются (улетают). Другими словами, поверхность пыли находится с молекулярными газовыми загрязнителями в равновесии. Это равновесие, т.е. сколько вредных молекул сидит на поверхности пыли, а сколько свободно летает, зависит от природы поверхности и вещества – загрязнителя, а также от температуры.

Раньше и в городах, и в деревнях ее убирали влажными тряпками. Хозяйка каждый день убирает пыль, а вместе с ней вредные молекулы.

А если вместо хозяйки это делает пылевой фильтр большой емкости? Он собирает самую мелкую пыль на своей поверхности и хранит долго, несколько месяцев, до смены пылевого фильтра. Параметры, определяющие равновесие пыль – газовая фаза, не меняются, пыль из квартиры не выносится, а вот количество вредных молекул в воздухе этой квартиры возрастает, поскольку сам пылевой фильтр становится источником грязного воздуха.

Чистить воздух от пыли нужно. Поскольку частицы пыли при дыхании приносят содержащиеся на их поверхности молекулярные загрязнители в концентрированном виде. Нужно чистить и саму пыль, задержанную фильтрами, точнее не пыль, а поток воздуха, проходящий сквозь нее и несущий десорбированные с ее поверхности вредные вещества.

Фотокатализ и летучие загрязнители.

На современном этапе развития науки фотокатализ определяют как "изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ (фотокатализаторов), которые поглощают кванты света и участвуют в химических превращениях участников реакции, многократно вступая с ними в промежуточные взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий".

Схема ФКО

Фотокатализ играет важнейшую роль в живой природе. Так, процесс фотосинтеза, обеспечивающий жизнь на Земле, фотокаталитический. В процессах очистки воздуха от органических примесей в качестве фотокатализатора используется исключительно ТiО₂.

ТiО₂ – полупроводниковое соединение. Согласно современным представлениям, в таких соединениях при поглощении кванта света с 390 нм свободные электроны и вакансии (дырки) разделяются и выходят на поверхность наночастиц катализатора.

Захваченные поверхностью электрон и дырка являются вполне конкретными химическими частицами. Например, электрон – это, вероятно, Тi₃+ на поверхности, а дырка (электронная вакансия) локализуется на решетчатом поверхностном кислороде, образуя О- и ОН- радикалы. Они чрезвычайно реакционноспособны и могут окислять любые органические соединения, а также СО, NO_x, H₂S, NH₃.

Практическое применение.

Фотокаталитические системы очистки воздуха стали находить коммерческое применение с 1994 года сначала на специальных производствах – уничтожение следов нитроглицерина в цехах по производству взрывчатых веществ, штат Флорида, США, затем в пищевой индустрии – уничтожение этилена в хранилищах фруктов и овощей и, наконец, в офисных и бытовых помещениях. В России этот метод впервые реализован в серии приборов АЭРОЛАЙФ.

Причины достаточно быстрого внедрения ФКО в практику воздухоочистки следующие:

• Высокая эффективность удаления молекулярных загрязнений;
• Системы ФКО могут работать при комнатной температуре и ниже (до -18°С);
• Системы ФКО наиболее пригодны для удаления небольших (единицы мг/м³) концентраций загрязнителей;
• Не требуют для своей работы дополнительных химических реактивов;
• Не выделяют во время работы окислов азота (NО_х);
• В них используется относительно недорогой, главное, абсолютно экологически безопасный катализатор (TiO₂ или Pt(Pd)/TiO₂);
• Системы допускают масштабирование и могут обрабатывать потоки воздуха от 20 м³/час до 10000 м³/час и выше.

       Таблица 1.

Вещество	К, мг/минoВт при 20°С
1. Аммиак	0,6
2. Ацетон, формальдегид, метанол, этанол	0,25
3. Производные бензола	0,02
4. Окись углерода*	0,15
5. Окислы азота**	0,55
6. Озон	1,5
7. Пиридин, органические амины	0,65
8. Трихлорэтилен	0,8
* угарный газ фотоокисляется только на катализаторе, содержащем Pt или Pd; ** дана скорость уничтожения NОх в присутствии СО или СnНm

Эффективность деструкции (K) различных химических загрязнений в системах ФКО представлена в Таблице 1.

К= [кол. загрязнителя, мг] / [ед. времени, мин] o [эл. мощ. ламп УФ-диапазона, Вт]

Практически во всех ФКО используются газоразрядные лампы низкого давления с излучением в УФ-А диапазоне (320 нм - 400 нм). Этим обстоятельством, в основном, определяются габариты установки.

Для расчета параметров ФКО установки в приточно-рециркуляционной системе вентиляции необходимо знать:

• а) воздушный поток наружного воздуха (м³/час);
• б) концентрации загрязнителей на входе, чаще всего это СО, NО_х, формальдегид, фотохимический озон (мг/м³) (С_внеш);
• в) мощности источников загрязнений, находящихся внутри помещения (С_внутр).

Первые два параметра обычно известны. Третий параметр требует тщательного измерения и зависит от назначения помещения (кухня, производство, офис с курящими). Приведем пример из жизни.

Пример.

• Салон красоты (наращивание и крашение ногтей) на первом этаже жилого дома.
• Концентрация внутри салона
• Суммарно альдегиды 50 мг/м³ мин Мощность ФКО установки для уничтожения
• Ксилол, толуол 10 мг/м³ мин паров растворителей должна быть
• Объем помещения 400 м³ Р = 4500 Вт, габариты 3,2 м³

       Таблица 2. Обработка выбросов воздуха после сушки химических продуктов

Технология	Капитальные затраты, $	Затраты на эксплуатацию, $/год
Адсорбция углем	64000-312000	132000-2250000
Сжигание	178000-432000	69000-156000
Фотокатализ	179000	30000
Скорость потока = 142 м3/мин, t=27°С, влажность 60%, содержание вредных веществ = 25 ppm (метанол, этанол), 50 ppm (дихлорметан).

Приточно-вытяжная вентиляция все равно необходима, однако, жильцы верхних этажей запаха органики чувствовать не будут. Этот пример показывает, что чистота воздуха в помещениях дело довольно энергозатратное. Но все-таки ФКО здесь оказывается дешевле других методов очистки воздуха от летучей органики.

В общем виде это утверждение иллюстрирует Таблица 2, составленная ведущим американским специалистом в области фотокатализа проф. Дж. Оллисом.

Бактерицидное действие воздухоочистителей серии АЭРОЛАЙФ будет рассмотрено в дальнейших публикациях.

© Першин А.Н., директор Информационно- Технологического института
Статья предоставлена журналом "Мир климата"