ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2019 года по МПК F21V8/00 A61L9/20 

Изобретение относится к области фотокаталитического обеззараживания и очистки окружающей среды, например, воды или воздуха и может найти применение в лечебно-профилактических, административных, общественных, офисных, жилых помещениях.

Фотокаталитические технологии очистки воды и воздуха в последние годы заняли прочную нишу среди разных способов очистки. Когда фотокаталитический материал подвергается облучению светом, имеющим энергию, превышающую ширину запрещенной зоны такового, в результате фотовозбуждения в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне появляются дырки. Вследствие этого данные электроны и дырки диффундируют к поверхности фотокаталитического материала и приходят в контакт с кислородом и влагой или водой, приводя к тому, что эти электроны поглощаются и действуют как восстановители с образованием супероксидных анионов. С другой стороны, дырки окисляют влагу или воду с образованием гидроксильных радикалов. В результате эти продукты проявляют стерилизующее действие и способность разлагать органические соединения.

Из уровня техники известно фотокаталитическое устройство (см. патент RU 2273914 С1, H01J 61/35, C02F 1/32, опубл. 10.04.2006) для обработки воды ультрафиолетовым излучением, состоящее из источника УФ-излучения, заключенного в прозрачный для УФ-излучения защитный чехол, на внешнюю поверхность которого нанесен слой фотокаталитического покрытия на основе двуокиси титана. Такое устройство повышает эффективность обеззараживания и улучшает органолептические свойств обрабатываемой среды за счет образования при фотокатализе гидроксильных и кислородных активных радикалов, разрушающих как микроорганизмы, так и органические и неорганические соединения.

Недостатком известного устройства является низкое значение отношения полезной площади фотокатализатора к полезному реакционному объему реактора.

Известно фотокаталитическое устройство для очистки воздуха (см. патент US 6771866, F21V 8/00, G02B 6/02, опубл. 06.02.2003), взятое за прототип. В устройстве используется в качестве излучающей поверхности оптическое волокно с нанесенным на него фотокатализатором. При этом оптические волокна прикреплены к массивной, прозрачной для ультрафиолетового излучения подложке, которая служит проводником излучения от источника излучения к волокну с фотокатализатором. Используются волокна различной формы - U-образной, с двумя концами, прикрепленными к излучающей подложке, спиралевидной, ветвистой, и случайной. Входной поток воздуха с примесями проходит последовательно через отверстия в прозрачной подложке, фильтр и обтекает фотокаталитические волокна, контактируя с фотокатализатором, при этом происходит реакция окисления/восстановления примесей, и затем поток воздуха покидает устройство.

Недостатком прототипа является рассеивание и уменьшение интенсивности ультрафиолетового излучения, передаваемого фотокатализатору, из-за поглощения по мере прохождения по оптическому волокну.

Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании оптоволоконного фотокаталитического устройства, эффективность работы которого не будет зависеть от его протяженности.

Технический результат, достигаемый при решении технической проблемы, заключается в исключении рассеивания и снижения интенсивности излучения, передаваемого фотокатализатору, на всей протяженности оптического волокна с одновременным уменьшением габаритных размеров. Также заявляемое фотокаталитическое устройство расширяет арсенал технических средств, предназначенных для обеззараживания и очистки окружающей среды.

Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что фотокаталитическое устройство содержит полое оптическое волокно, выполненное c возможностью прохождения тока вдоль волокна и заполнения по меньшей мере одной полости газом, способным ионизироваться под воздействием электрического поля, создаваемого током, проходящим вдоль волокна, до степени ионизации, при которой газ излучает свет, при этом по меньшей мере часть волокна содержит фотокаталитический материал.

Техническая проблема решается, а технический результат достигается также в следующих частных вариантах реализации фотокаталитического устройства.

Ток может проходить по проводнику, выполненному в виде провода.

Полое оптическое волокно может быть выполнено с капиллярной структурой, а ток может проходить по проводнику, сформированному заполнением капилляра расплавом металла.

Полое оптическое волокно может быть выполнено с капиллярной структурой, а ток может проходит по проводнику, сформированному осаждением токопроводящей пленки внутри капилляров.

Полое оптическое волокно может быть выполнено с капиллярной структурой, а проводник может быть сформирован в капилляре, заполненном газом, способным ионизироваться под воздействием электрического поля, создаваемого током, проходящим по проводнику, до степени ионизации, при которой газ излучает свет.

Полое оптическое волокно может быть выполнено из токопроводящего материала с возможностью прохождения тока по самому оптическому волокну.

Фотокаталитический материал может быть нанесен по меньшей мере на часть поверхности оптического волокна.

Фотокаталитический материал может быть добавлен в материал оптического волокна.

Полость, предназначенная для заполнения газом, может быть выполнена открытой и с возможностью протекания через нее газа.

За счёт применения излучения ионизированного газа, размещенного внутри полого оптического волокна и ионизированного по всему объему посредством прохождения подаваемого электрического тока вдоль волокна, отпадает необходимость во внешнем источнике излучения и, как следствие, исключается рассеивание и снижение интенсивности излучения, передаваемого фотокатализатору, на всей протяженности оптического волокна. Благодаря этому фотокаталитическое устройство может масштабироваться до необходимых размеров, т.к. за увеличением протяженности устройства не будет следовать необходимость повышения габаритов и мощности источника излучения.

За счёт того, что в устройстве вместо источников излучения используется электрический ток, ионизирующий газ посредством электрического поля до степени ионизации, при которой газ излучает свет, предложенное изобретение позволяет уменьшить собственные габаритные размеры.

Для удобства размещения проводника и газа внутри полого оптического волокна оно может быть выполнено с капиллярной структурой, и при этом содержать капилляры, внутри которых размещен проводник, например, сформированный заполнением капилляра расплавом металла, или сформированный осаждением токопроводящей пленки внутри капилляров.

Работу заявленного фотокаталитического устройства можно пояснить на следующем примере. Для наглядности, в качестве одного из возможных вариантов осуществления фотокаталитического устройства можно выбрать полое оптическое волокно с капиллярной структурой, по меньшей мере часть полостей которого заполнены азотом. Также внутри капилляров полого оптического волокна размещен проводник. На внешнюю поверхность оптического волокна нанесен фотокаталитический материал, например, диоксид титана. На проводник подается ток, после чего азот, находящийся внутри полостей оптического волокна ионизируется до такой степени ионизации, при которой он начинает излучать свет в ультрафиолетовом спектре. При этом излучение имеет энергию, превышающую ширину запрещенной зоны фотокаталитического материала (диоксида титана). Диоксид титана подвергается облучению ультрафиолетовым излучением и в результате фотовозбуждения в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне появляются дырки. Далее электроны и дырки диффундируют к поверхности фотокаталитического материала и приходят в контакт с кислородом и водой, приводя к тому, что электроны поглощаются и действуют как восстановители с образованием супероксидных анионов, а дырки окисляют воду с образованием гидроксильных радикалов. В результате осуществляется обеззараживание и очистка окружающей среды (воздуха, воды).

Раскрытое фотокаталитическое устройство расширяет арсенал технических средств, предназначенных для обеззараживания и очистки окружающей среды.

Изобретение относится к области фотокаталитического обеззараживания и очистки окружающей среды, например воды или воздуха, и может найти применение в лечебно-профилактических, административных, общественных, офисных, жилых помещениях. Фотокаталитическое устройство содержит полое оптическое волокно, выполненное c возможностью прохождения тока вдоль волокна и с возможностью заполнения по меньшей мере одной полости газом, способным ионизироваться под воздействием электрического поля, создаваемого током, проходящим вдоль волокна, до степени ионизации, при которой газ излучает свет, при этом по меньшей мере часть волокна содержит фотокаталитический материал. Технический результат - исключение рассеивания и снижения интенсивности излучения, передаваемого фотокатализатору, на всей протяженности оптического волокна с одновременным уменьшением габаритных размеров. 8 з.п. ф-лы.

1. Фотокаталитическое устройство, содержащее полое оптическое волокно, выполненное c возможностью прохождения тока вдоль волокна и с возможностью заполнения по меньшей мере одной полости газом, способным ионизироваться под воздействием электрического поля, создаваемого током, проходящим вдоль волокна, до степени ионизации, при которой газ излучает свет, при этом по меньшей мере часть волокна содержит фотокаталитический материал.

2. Устройство по п.1, в котором ток проходит по проводнику, выполненному в виде провода.

3. Устройство по п.1, в котором полое оптическое волокно выполнено с капиллярной структурой, а ток проходит по проводнику, сформированному заполнением капилляра расплавом металла.

4. Устройство по п.1, в котором полое оптическое волокно выполнено с капиллярной структурой, а ток проходит по проводнику, сформированному осаждением токопроводящей пленки внутри капилляров.

5. Устройство по п.1, в котором полое оптическое волокно выполнено с капиллярной структурой, а проводник сформирован в капилляре, заполненном газом, способным ионизироваться под воздействием электрического поля, создаваемого током, проходящим по проводнику, до степени ионизации, при которой газ излучает свет.

6. Устройство по п.1, в котором полое оптическое волокно выполнено из токопроводящего материала с возможностью прохождения тока по самому оптическому волокну.

7. Устройство по п.1, в котором фотокаталитический материал нанесен по меньшей мере на часть поверхности оптического волокна.

8. Устройство по п.1, в котором фотокаталитический материал добавлен в материал оптического волокна.

9. Устройство по п.1, в котором полость, предназначенная для заполнения газом, выполнена открытой и с возможностью протекания через нее газа.