УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА Российский патент 2020 года по МПК B01D53/32 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству и способу очистки воздуха. В частности, настоящее изобретение относится к устройству, которое может поглощать, окислять и устранять практически все загрязнения, которые обычно содержатся в воздухе в замкнутых пространствах.

Уровень техники

Воздух в замкнутых пространствах может содержать следы загрязнений различных типов, например пыль (PM2.5, PM1.0), дым и смог, включающий в себя химические или биологические загрязняющие вещества.

В частности, газообразные загрязнители, которые можно обнаружить в воздухе в помещениях, включают в себя монооксид углерода, оксиды азота (NO, NO₂), озон, летучие органические вещества (ЛОВ), такие, например, как моноциклические соединения ароматического ряда (толуол и другие вещества, к которым относятся бензол, этилбензол, толуол, ксилол), альдегиды и кетоны (формальдегид, ацетальдегид, ацетон, этил-метил-кетон).

Все эти загрязнители воздействуют на находящихся в этих помещениях посредством загрязняющих веществ на различных уровнях. Воздействие может быть разным в зависимости от типа и концентрации загрязняющих веществ, а также от времени воздействия, варьируясь от простого ощущения так называемого "спертого воздуха" до раздражения слизистых оболочек или аллергических реакций. Более того, длительное воздействие особенно вредных загрязняющих веществ может привести к возникновению патологий у лиц, находящихся в помещениях с загрязненным воздухом.

Для решения этих задач было разработано несколько технологий очистки воздуха.

Первый пример очистки воздуха существующего уровня техники заключается в фильтровании через слой активированного угля.

Такая технология, по сути, состоит в том, чтобы поток воздуха проходил через фильтр, содержащий активированный уголь; благодаря пористости, активированный уголь может поглощать большинство загрязняющих веществ, в частности органические загрязняющие вещества. Такой тип фильтрования с помощью активированного угля по существу основан на "физическом" воздействии фильтра, причем, проходя внутри фильтра, воздух проходит через активированный уголь, который, в свою очередь, захватывает частицы загрязняющих веществ, благодаря своей пористости.

Однако такой тип фильтрования имеет недостатки или невозможен в присутствии твердых частиц, имеющих микрометрические размеры, что сокращает пористость и общую поверхность пор активированного угля.

Более того, необходимо периодически устранять загрязнители, поглощенные активированным углем, чтобы "регенерировать" его и сделать снова пригодным к использованию. Удаленные из активированного угля загрязнители должны быть соответствующим образом утилизированы. Процесс регенерации активированного угля и утилизации устраненных загрязняющих веществ приводит к существенным потерям энергии и высокой стоимости.

Хотя фильтры с активированным углем можно регенерировать, через несколько циклов фильтрования и регенерации они становятся "отработавшими". Если фильтр отработал, то его необходимо заменить на новый фильтр.

Другая технология очистки воздуха существующего уровня техники представляет собой так называемую электрофильтрацию или электростатическое осаждение.

Такая технология позволяет отделять твердые частицы или капли жидкости, взвешенные в воздухе. Она основана на прохождении воздуха через неоднородное электрическое поле.

Устройство, применяемое для реализации такой технологии, известное как электростатический фильтр (или электрофильтр), создает разность потенциалов между двумя электродами (обычно называемыми разрядным электродом и собирающим электродом), расположенными друг напротив друга, чтобы создавать интенсивное электрическое поле. Вокруг разрядного электрода происходит эмиссия электрических зарядов, которые могут ионизировать также газ-носитель для "лавинного эффекта". Поток воздуха (или газа-носителя), который проходит через электроды, ионизируется, создавая "электрический ветер", то есть поток ионов (электрических зарядов), которые движутся в направлении электрода с противоположным знаком.

Перемещаясь, ионы сталкиваются с загрязняющими частицами, содержащимися в воздухе, которые электрически заряжаются при ударе или при поглощении, увеличивая свою плотность электрического заряда. Интенсивно заряженные частицы эффективно притягиваются к собирающему электроду, где их удерживают.

Проблема электростатических фильтров известного типа заключается в их значительных размерах и, прежде всего, в том, что процесс электростатической фильтрации генерирует большое количество раздражающих веществ, таких как озон и оксиды азота.

Другим способом очистки воздуха существующего уровня техники является фотокатализ.

Фотокатализ основан на присутствии материала, известного как фотокатализатор, который изменяет свою энергетическую структуру при стимуляции светом подходящей длины волны, создавая пару электрон-дырка на поверхности материала. "Активированный" фотокатализатор способен инициировать реакции, которые приводят к окислению частиц загрязнителей. Поэтому фотокаталитические процессы позволяют устранять загрязняющие вещества, например органические загрязнители, посредством их минерализации (то есть превращения их в неопасные соединения, такие как, например, CO₂ и H₂O).

Однако в процессе фотокаталитического окисления могут образовываться промежуточные продукты реакции, вредные для здоровья человека.

Известны устройства, сочетающие вышеупомянутые технологии, которые осуществляют последовательные этапы фильтрации, причем каждый этап состоит в применении конкретной выбранной технологии. Система очистки, состоящая из отдельных последовательных процессов, выполнена в виде последовательных обработок, например потока воздуха, которые по существу независимы друг от друга.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить устройство и способ очистки воздуха, которые преодолевают ограничения, содержащиеся в технологиях существующего уровня техники, и повышают эффективность, обеспечивая положительное синергетическое взаимодействие.

Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать устройство, которое обеспечивает совместное использование различных технологий очистки воздуха.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать устройство и способ, которые сочетают высокую эффективность очистки с уменьшенной выработкой и последующим уменьшенным высвобождением в воздух соединений, которые потенциально опасны для здоровья человека.

Дополнительная задача настоящего изобретения заключается в создании высокоэффективного устройства очистки воздуха в закрытых помещениях.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы создать устройство и способ очистки воздуха посредством совместного действия нескольких разных технологий.

Раскрытие сущности изобретения

Вышеупомянутые задачи и другие задачи, которые будут разъяснены в последующем описании, решены посредством настоящего изобретения, которое относится к устройству для очистки воздуха от загрязняющих веществ, содержащему по меньшей мере один полый корпус, имеющий по меньшей мере одно входное отверстие для воздуха, по меньшей мере одно выпускное отверстие для воздуха и ограничивающий камеру, предназначенную для приема воздуха, который надо очистить. Камера содержит средство генерации электрического поля, по меньшей мере один фотокатализатор, возбуждаемый световым излучением и реализующий фотокатализ, по меньшей мере один источник светового излучения, предназначенный для возбуждения указанного фотокатализатора, и по меньшей мере один адсорбирующий материал (например, материал, содержащий активированный уголь).

Средство генерации электрического поля, фотокатализатор и адсорбирующий материал расположены в камере с возможностью взаимодействия.

Заявитель с удивлением заметил, что, допуская одновременное использование нескольких технологий очистки воздуха, то есть электростатическое осаждение, фотокатализ и адсорбцию на адсорбирующем материале, такое устройство позволяет синергетически взаимодействовать трем технологиям.

Фотокатализ, упомянутый в этом изобретении, предпочтительно представляет собой гетерогенный фотокатализ, то есть такой тип фотокатализа, в котором фотокатализатор и реагент находятся в двух разных фазах. Например, фотокатализатор является твердым, в то время как реагент находится в текучем состоянии (как в случае настоящего изобретения).

В частности, три различные технологии активно взаимодействуют совокупным синергетическим образом, сочетая различные эффекты трех физико-химических процессов (то есть фотокатализ, адсорбцию и электростатическое осаждение), например, внутри одной камеры устройства в соответствии с изобретением.

Действие и одновременная реализация трех технологий создают синергетический эффект, который увеличивает выгоды и ограничивает недостатки всех трех технологий, задействованных при очистке воздуха от загрязняющих веществ.

В соответствии с настоящим изобретением средство генерации электрического поля, по меньшей мере один фотокатализатор и по меньшей мере один адсорбирующий материал расположены внутри камеры очистительного устройства на малом расстоянии, то есть на таком расстоянии, что преимущества электростатического осаждения, фотокатализа и адсорбции взаимно объединяются.

В противном случае, например, упомянутое электрическое поле сталкивается с фотокатализатором, который, будучи активированным посредством подходящего источника света, может производить реакции окисления (например, загрязняющих соединений) на уровне адсорбирующего материала.

Наличие трех элементов (то есть средства генерации электрического поля, фотокатализатора и адсорбирующего материала), расположенных в камере внутри устройства в соответствии с изобретением рядом друг с другом, и последующее синергетическое действие этих трех компонентов позволяют достичь лучшей очистки воздуха от загрязняющих веществ по сравнению с устройствами существующего уровня техники.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения устройство содержит по меньшей мере одну плоскость, которая перпендикулярна поступающему потоку воздуха и в которой находится электрическое поле, фотокатализатор и адсорбирующий материал. В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения три элемента (то есть средство генерации электрического поля, фотокатализатор и адсорбирующий материал) расположены таким образом, что они по существу работают параллельно, то есть на одном этапе очистки воздуха, в отличие от вариантов осуществления существующего уровня техники, в которых очищающие элементы расположены последовательно таким образом, чтобы осуществлять очистку воздуха на последовательных этапах, то есть по существу последовательно.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения электрическое поле, по меньшей мере один фотокатализатор и по меньшей мере один адсорбирующий материал работают одновременно для очистки воздушного потока.

Выражение "работают одновременно" означает, что три элемента, содержащихся внутри корпуса устройства, работают таким образом, что по меньшей мере часть воздуха, содержащегося внутри камеры, одновременно подвержена действию электрического поля, действию фотокатализатора (т.е. фотокатализу) и действию адсорбции (посредством адсорбирующего материала) по крайней мере в течение части времени его нахождения внутри камеры. Как уже упоминалось, помимо непосредственной работы на уровне воздуха, три действия взаимодействуют друг с другом, реализуя свои преимущества и эффективность.

Например, в соответствии с вариантом осуществления настоящего устройства по меньшей мере один адсорбирующий материал подвергается воздействию электрического поля и фотокатализу.

Необходимо отметить, что термин "фотокатализатор" означает по меньшей мере один материал, обладающий по меньшей мере фотокаталитическими свойствами, то есть способный генерировать процесс фотокатализа при воздействии на него светового излучения. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения фотокатализатор также может обладать адсорбирующими и/или проводящими свойствами. В соответствии с возможным вариантом осуществления по меньшей мере один материал, расположенный внутри устройства, представляет собой фотокаталитический материал, а другой материал является адсорбирующим материалом. Также необходимо отметить, что в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения фотокатализатор содержит композиционный материал с фотокаталитическими и адсорбирующими свойствами.

Например, фотокаталитический материал (который может содержать диоксид титана, как показано ниже) наносят на адсорбирующий материал (который может содержать активированный уголь) таким образом, чтобы образовывать композиционный материал с фотокаталитическими и адсорбирующими свойствами.

При наличии адсорбирующего материала и, в частности, при наличии фотокаталитического материала, нанесенного на адсорбирующий материал, дополнительно увеличивается синергетический эффект настоящего устройства, поскольку в дополнение к фотокаталитическому действию на загрязняющие вещества, содержащиеся в воздухе, и на те, которые, например, были адсорбированы на уровне адсорбирующего материала, после надлежащей "активации" воздействием светового излучения, фотокатализатор способен инициировать реакции, которые будут вызывать окисление частиц загрязняющих веществ, содержащихся в воздухе и на уровне адсорбирующего материала. Из-за фотокаталитического действия фотокаталитические и адсорбирующие материалы, предпочтительно образующие композиционный материал, минерализуют и уничтожают загрязняющие вещества при регенерации. Как упоминалось выше, из-за близости фотокатализатора по отношению к адсорбирующему материалу фотокаталитическое действие оказывается также на упомянутом уровне адсорбирующего материала. В виду вышеизложенного, то есть путем устранения загрязняющих веществ, содержащихся в адсорбирующем материале, с помощью фотокатализа также регенерируется адсорбирующий материал.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления по меньшей мере один фотокатализатор содержит TiO₂ (диоксид титана).

Диоксид титана (TiO₂) является предпочтительным материалом, поскольку, помимо того, что он является фотокаталитическим материалом, он также может вступать в реакцию с озоном. В частности, необходимо отметить, что TiO₂ может уменьшить присутствие озона при активации световым излучением.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления устройства в соответствии с изобретением средство генерации электрического поля содержит по меньшей мере один первый электрод и один второй электрод.

В частности, средство генерации электрического поля, содержащееся в устройстве, генерирует электрическое поле, которое позволяет осуществлять электростатическое осаждение (или электрофильтрацию) загрязняющих веществ, содержащихся в воздухе.

Для реализации такой технологии между двумя электродами создается разность потенциалов.

В частности, один электрод выступает в качестве "разрядного" электрода (например, первый электрод), а второй электрод выступает в качестве "собирающего" электрода.

Разрядный электрод представляет собой электрод, на который подается электрический потенциал, тогда как собирающий электрод представляет собой электрод, к которому направляются частицы загрязняющих веществ, подлежащих электрофильтрации, таким образом, отделяя их от воздушного потока.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения устройство также содержит проводящий материал. Например, по меньшей мере один фотокатализатор содержит композиционный материал с проводящими свойствами, либо фотокатализатор расположен на по меньшей мере одном проводящем элементе.

Например, проводящий материал может быть нанесен на по меньшей мере часть адсорбирующего материала (например, таким образом, чтобы сформировать композитный материал с проводящими свойствами), или по меньшей мере часть адсорбирующего материала и/или фотокаталитического материала может быть нанесена на проводящий элемент, например электрод (представляющий собой, например, пластину из металлического материала). Возможны другие варианты осуществления изобретения, в которых фотокаталитический материал наносят на проводящий материал и/или на адсорбирующий материал.

Преимущественно, в дополнение к вышеупомянутым эффектам касательно фотокаталитического и адсорбирующего материала, если используют материал с проводящими свойствами, также можно получить материал, способный участвовать в генерации электрического поля в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии с возможным вариантом осуществления настоящего изобретения адсорбирующий материал и/или фотокаталитический материал (например, образующий композиционный материал) могут представлять собой собирающий электрод (то есть второй электрод). Кроме того, или в качестве альтернативы, фотокаталитический материал и/или адсорбирующий материал может быть расположен на опорном элементе, который выступает в качестве электрода, например, выполненном из металла (например, металлической пластине). Другой электрод электрофильтра (разрядный электрод) обычно представляет собой металлический провод.

В связи с наличием фотокатализатора такой электрофильтр выполнен так, что помимо электрофильтрации загрязняющих веществ, содержащихся в воздухе, он также объединяет действия и эффекты электроосаждения с фотокаталитическим действием фотокатализатора.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения по меньшей мере часть по меньшей мере адсорбирующего материала расположена по существу радиально относительно направления воздушного потока, подаваемого в полый корпус устройства в соответствии с изобретением. Необходимо отметить, что если фотокаталитический материал и/или проводящий материал наносят на адсорбирующий материал, то нанесение могут осуществлять только на часть материала, при этом дополнительная часть адсорбирующего материала лишена фотокаталитического материала и/или проводящего материала, предпочтительно расположенного радиально относительно воздушного потока. В соответствии с возможным вариантом осуществления, первый адсорбирующий материал может быть использован для нанесения фотокаталитического материала и/или проводящего материала (чтобы в итоге получить композиционный материал), а второй адсорбирующий материал может быть расположен радиально относительно потока воздуха

В любом случае радиальное расположение по меньшей мере части упомянутого по меньшей мере одного адсорбирующего материала позволяет снизить негативные эффекты воздействия электрического поля и фотокатализатора, а также концентрацию загрязняющих веществ в газообразной фазе.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, упомянутый адсорбирующий материал состоит из нескольких стенок (фильтров) адсорбирующего материала, расположенных радиально относительно направления потока воздуха, подаваемого в устройство.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, упомянутые стенки (фильтры) из адсорбирующего материала предпочтительно расположены перед выпускными отверстиями; другими словами, фильтры из адсорбирующего материала расположены параллельно направлению потока воздуха.

Вышеупомянутое расположение фильтров позволяет потоку воздуха перемещаться внутри камеры устройства, облегчая процесс очистки, но ограничивая при этом потерю давления.

Предпочтительно, средство генерации электрического поля, фотокаталитический материал и фильтры, выполненные из адсорбирующего материала, расположены внутри камеры устройства друг рядом с другом, предпочтительно на стороне полого корпуса внутри камеры напротив стороны, на которой расположены выпускные отверстия.

В соответствии с другими вариантами осуществления настоящего изобретения перемещение потока воздуха (или потоков воздуха) может быть механическим и/или немеханическим. Перемещение потока воздуха внутри устройства может быть получено механически с помощью вентилятора. В любом случае в устройстве может отсутствовать механическое перемещение, если оно расположено в специальных местах, где перемещение воздушных потоков уже обеспечено (например, в ОВКВ каналах, или при встраивании в вентиляторные теплообменники).

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления стенки (фильтры) из адсорбирующего материала внутри камеры устройства контактируют с боковыми стенками полого корпуса, ограничивая пространство между стенками. Предпочтительно, выпускные отверстия для выхода воздуха расположены на боковых стенках полого корпуса устройства в соответствии с изобретением, в соответствии с пространствами, ограниченными стенками (фильтрами) из адсорбирующего материала.

Предпочтительно, по меньшей мере один адсорбирующий материал в соответствии с настоящим изобретением содержит активированный уголь.

Дополнительный объект настоящего изобретения для очистки воздуха от загрязнений содержит следующие этапы:

а) электростатическое осаждение упомянутых загрязнений посредством электрического поля,

б) фотокатализ упомянутых загрязнений посредством по меньшей мере одного фотокатализатора,

в) адсорбция упомянутых загрязнений на по меньшей мере одном адсорбирующем материале, причем действия, выполняемые на этапах а), б) и в), выполняют так, чтобы обеспечить взаимодействие.

Как упоминалось выше, одновременное комбинированное применение электростатического осаждения, фотокатализа и адсорбции дает неожиданный синергетический эффект, так как три технологии взаимодействуют друг с другом, повышая эффективность.

Малое расстояние и особое "параллельное" расположение элементов внутри камеры устройства, что позволяет реализовать электростатическое осаждение, фотокатализ и адсорбцию, в дополнение к возможности непосредственного взаимодействия этих трех технологий, таковы, что воздух, содержащийся внутри камеры устройства, будет одновременно подвержен воздействию электростатического осаждения, фотокатализу и адсорбции по меньшей мере в течение части времени его нахождения внутри камеры. Предпочтительно, воздух, содержащийся внутри камеры устройства, будет одновременно контактировать со средством генерации электрического поля, фотокатализатором и адсорбирующим материалом по меньшей мере в течение части времени его нахождения внутри камеры.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением этапы а), б) и в) выполняют одновременно.

Иными словами, осуществление трех процессов электростатического осаждения, фотокатализа и адсорбции происходит на одном этапе очистки воздуха.

Предпочтительно, способ в соответствии с изобретением дополнительно содержит дополнительный этап г) регенерации упомянутого по меньшей мере одного адсорбирующего материала, причем упомянутый этап г) выполняют одновременно с этапами а), б) и в), и/или дополнительно содержит этап д) сокращения количества озона, причем этап д) выполняют одновременно с этапами а), б) и в) или одновременно с этапами а), б), в) и г).

Как уже отмечалось, адсорбирующий материал, например активированный уголь, представляет собой некоторый объем для захвата и удержания частиц загрязнений. Тем не менее, загрязнения, поглощенные активированным углем, необходимо удалять, чтобы регенерировать активированный уголь и сделать его снова пригодным к использованию.

Из-за взаимодействия различных технологий, содержащихся в устройстве в соответствии с изобретением, регенерация адсорбирующего материала, например активированного угля, предпочтительно и преимущественно может выполняться одновременно с процессом очистки воздуха (или фильтрацией).

В частности, электрофильтр увеличивает эффективность адсорбции на активированном угле, тогда как фотокатализ окисляет загрязняющие вещества, поглощенные активированным углем, и регенерирует его.

Аналогично, из-за взаимодействия различных технологий, содержащихся в устройстве в соответствии с изобретением, также предпочтительно и преимущественно осуществлять удаление озона, получаемого в процессе электрофильтрации (т.е. при электростатическом осаждении), одновременно (т.е. "непрерывно") с процессом очистки воздуха. Фактически, озон, получаемый в процессе электроочистки, может быть поглощен адсорбирующим материалом, например активированным углем, и одновременно может быть сокращен фотокаталитически посредством фотокатализатора. Фотокаталитический процесс может происходить как на уровне озона, содержащегося в воздухе, так и озона, поглощенного фильтрами с активированным углем.

Настоящее изобретение отличается несколькими преимуществами по сравнению с существующим уровнем техники.

Изобретение использует комбинированный синергетический эффект различных физико-химических процессов (фотокатализ, адсорбция, электростатическое осаждение) внутри одного реактора, используя усиленное взаимодействие между упомянутыми процессами, усиливая их преимущества и устраняя их недостатки.

Фактически, использование различных технологий (т.е. фотокатализа, адсорбции и электростатического осаждения), которые действуют одновременно, а не последовательно, в процессе очистки воздуха, создает синергетическое взаимодействие трех методологий, которые синергетически воздействуют не только непосредственно на воздух, но также взаимно друг на друга.

В частности, предпочтительная конфигурация элементов внутри камеры устройства такова, чтобы эти три технологии активно взаимодействовали для улучшения общих результатов очистки воздуха.

В частности, например, синергетический эффект электрического поля, индуцированного на гетерогенном фотокатализе, повышает эффективность каталитического процесса, уменьшает образование озона электрофильтром, благодаря применению фотокатализа, с использованием, например, TiO₂, и генерирует "активированные" химические вещества, заключая их внутри устройства, благодаря увеличению адсорбирующих свойств, вызванных синергией между процессами.

В дополнение к этим преимуществам связь гетерогенного фотокатализа и электрического поля, индуцированного на адсорбирующем материале, например активированном угле, создает повышенное взаимодействие, как правило, с загрязняющими веществами, предпочтительно в газообразной или парообразной фазе, и увеличение адсорбирующей способности адсорбирующего материала и регенерацию материала, благодаря окислению, обеспечиваемому фотокатализом.

Следовательно, в настоящем изобретении раскрыто устройство и способ, в которых синергетическое применение трех технологий очистки воздуха, то есть фотокатализа, адсорбции и электростатического осаждения, дает несколько преимуществ по сравнению с существующим уровнем техники.

Емкость и срок службы адсорбирующего материала увеличиваются за счет эффекта регенерации, полученного локально реакциями окисления, вызванными электрическим полем и фотокаталитическим действием.

Более того, промежуточные продукты реакций фотокаталитического окисления поглощаются адсорбирующим материалом, а озон, полученный под действием электрического поля, разрушается совместным действием фотокаталитического материала и активированного угля.

Более того, что касается предпочтительного расположения элементов внутри камеры устройства, можно указать дополнительное преимущество, обеспечиваемое "электрическим" перемещением потока загрязняющих веществ. Фактически, в то время как поток носителя (очищаемый воздух) параллелен адсорбирующим поверхностям, благодаря чему они не вызывают сопротивления его движению, из-за воздействия электрического поля поток загрязняющих веществ перпендикулярен адсорбирующей поверхности, таким образом повышая эффективность удаления путем адсорбции без потери давления, то есть сопротивления прохождению потока воздуха-носителя. Таким образом, перемещение воздушного потока таково, что потребляют меньше энергии, и создают меньше помех (шума, вибрации).

Краткое описание чертежей

Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из последующего описания, которое является всего лишь иллюстративным, а не ограничивающим, со ссылкой на сопровождающие чертежи.

На фиг. 1 показан вид в плане возможного варианта выполнения устройства в соответствии с изобретением (устройство на фиг. 1 показано с той стороны, с которой в устройство подают воздух);

на фиг. 2 - вид сбоку того же самого варианта выполнения устройства в соответствии с изобретением, показанного на фиг. 1 (устройство показано перпендикулярно относительно разрядного электрода (в данном случае провода));

на фиг. 3 - второй вид сбоку того же самого варианта выполнения устройства в соответствии с изобретением, показанного на фиг. 1 и фиг. 2 (устройство показано параллельно относительно разрядного электрода (в данном случае провода));

на фиг. 4 - схема синергетических связей между различными технологиями очистки, полученных с помощью устройства и способа в соответствии с изобретением.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показано устройство 1 очистки воздуха в соответствии с настоящим изобретением.

Упомянутое устройство 1 образовано полым корпусом 70, который ограничивает камеру 60 (см., например, фиг. 2), пригодную для приема очищаемого воздуха.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, полый корпус устройства содержит горизонтальную "верхнюю" сторону (то есть стенку) 70а и горизонтальную "нижнюю" сторону 70b, параллельную горизонтальной "верхней" стороне. Полый корпус также содержит "боковую" сторону 70с, например, в случае полого корпуса, имеющего по существу цилиндрическую форму, или он может содержать более одной боковой стороны, чтобы получить полый призматический корпус. По меньшей мере одна боковая сторона (стенка) по существу перпендикулярна двум горизонтальным сторонам и подходит для соединения горизонтальных "верхней" и "нижней" сторон. В соответствии с возможным вариантом осуществления, показанным, например, на прилагаемых чертежах, полый корпус 70 имеет форму параллелепипеда, у которого есть две параллельные верхние и нижние стороны (стенки) 70a, 70b и четыре боковые стороны (стенки) 70c.

В частности, в соответствии с вариантом осуществления, показанным на чертежах, полый корпус 70 содержит четыре боковые стенки 70с, которые проходят между верхней и нижней стенками 70а, 70b квадратной формы.

Как упоминалось выше, форма полого корпуса 70 устройства не ограничена этим вариантом осуществления. Фактически, возможны другие формы полого корпуса 70, например призматическая и цилиндрическая форма, при условии, что внутри полого корпуса образована камера, предпочтительно одна камера, предназначенная для приема потока очищаемого воздуха.

Как подробно показано ниже, одна из двух горизонтальных сторон, например "верхняя" сторона 70а, содержит по меньшей мере одно входное отверстие 40, предпочтительно несколько входных отверстий, которые позволяют подавать внутрь очищаемый воздух.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения такая "верхняя" сторона оснащена вентилятором 41 или аналогичным средством для принудительной подачи воздуха внутрь полого корпуса, который предпочтительно расположен внутри камеры, и более предпочтительно внутри камеры в соответствии с входными отверстиями для воздуха. Таким образом, воздух может быть введен в устройство, благодаря вентилятору, который создает входящий поток воздуха.

В частности, как показано на фиг. 1-3, поток воздуха, который надо очистить, создают путем извлечения воздуха вентилятором 41 из пространства и подачи его в устройство 1 через соответствующие входные отверстия 40, выполненные на стороне 70а полого корпуса 70 устройства 1, где расположен вентилятор 41.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, по меньшей мере одна боковая сторона (стенка), предпочтительно все боковые стороны, полого корпуса устройства имеют по меньшей мере одно выпускное отверстие 50, предпочтительно несколько выпускных отверстий, через которые воздух может выйти наружу.

Ввиду вышеизложенного, воздух подают в устройство в соответствии с входящим потоком воздуха, который по существу перпендикулярен верхней и нижней сторонам 70а, 70b, и он выходит из устройства через выпускные отверстия 50 в боковой стенке 70с в соответствии с одним или несколькими исходящими потоками; причем упомянутые исходящие потоки являются по существу перпендикулярными, предпочтительно перпендикулярными и радиальными, относительно входящего потока.

Внутри устройства 1 выполнено средство 20 генерации электрического поля, фотокатализатор 10, источник 11 светового излучения и адсорбирующий материал 30.

В частности, в соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг.1, средство 20 генерации электрического поля содержит металлическую проволоку 20а, которая проходит через камеру внутри устройства 1 и натянута между двумя опорами 21. Упомянутая металлическая проволока 20а выступает в качестве разрядного электрода для запуска процесса электрофильтрации (то есть электростатического осаждения) воздуха, подаваемого в устройство 1.

Хотя это не показано на чертежах, устройство содержит подходящий источник питания для подачи необходимого напряжения на металлическую проволоку.

В соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг.1, металлическая проволока 20а (то есть разрядный электрод) расположена между источником 11 светового излучения и фотокатализатором 10.

На фиг. 1 показан вариант осуществления, в котором источник 11 светового излучения представляет собой УФ-лампу 11a, которая удерживается на месте внутри камеры с помощью опорного средства 12. В соответствии с возможным вариантом осуществления фотокатализатор содержит композиционный материал 10а, обладающий фотокаталитическими и адсорбирующими свойствами. В частности, в соответствии с возможным вариантом осуществления, фотокатализатор 10 представляет собой лист композиционного материала 10а, содержащий фотокаталитический материал (например, диоксид титана TiO₂), нанесенный на по меньшей мере часть адсорбирующего материала (например, активированного угля).

Как упомянуто выше, в соответствии с возможным вариантом осуществления устройство содержит проводящий материал. Например, фотокатализатор 10 может содержать композиционный материал, обладающий проводящими свойствами.

Необходимо отметить, что материал фотокатализатора может быть нанесен на проводящий материал (например, графит) и/или на адсорбирующий материал.

В соответствии с возможным вариантом осуществления фотокатализатор 10, содержащий композиционный материал, обладающий фотокаталитическими, адсорбирующими и проводящими свойствами (схематически обозначенный на фигурах ссылочной позицией 10а), может соответствовать собирающему электроду для процесса электрофильтрации.

Как известно, хотя и не показано на прилагаемых чертежах, собирающий электрод также соответствующим образом подключен к источнику питания, который обеспечивает необходимое напряжение для создания разности потенциалов между двумя (разрядным и собирающим) электродами. В соответствии с другим вариантом осуществления, если фотокатализатор не обладает проводящими свойствами, то композиционный материал с адсорбирующими и фотокаталитическими свойствами может быть расположен на электроде, например на пластине из металлического материала, выступающей в качестве электрода.

Адсорбирующий материал 30 можно видеть в варианте осуществления, показанном на фиг.1; в частности, можно видеть несколько стенок (фильтров) из адсорбирующего материала 30, которые расположены радиально относительно направления воздушного потока, поступающего в устройство 1.

В частности, такой адсорбирующий материал 30 расположен радиально относительно оси, перпендикулярно пересекающей две горизонтальные, верхнюю и нижнюю, стороны устройства 1; в соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг. 1, такая ось перпендикулярна металлической проволоке 20а и плоскости, на которой расположена пластина адсорбирующего, фотокаталитического и проводящего материала 10а.

Такое множество стенок (фильтров) адсорбирующего материала 30 ограничивает несколько пространств 31 внутри камеры устройства 1, которые предназначены для пропускания воздушного потока между стенками адсорбирующего материала 30. Затем поток воздуха выходит из устройства 1, проходя через выпускные отверстия 50, выполненные на боковых стенках 70с полого корпуса 70 устройства 1. В соответствии с возможным вариантом осуществления, как показано на прилагаемых чертежах, стенки (фильтры) адсорбирующего материала расположены таким образом, чтобы быть перпендикулярными верхней и нижней сторонам (стенкам) 70а, 70b.

В соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг. 1, боковые стенки 70с расположены перпендикулярно стороне полого корпуса 70 устройства 1, на которой выполнен вентилятор 41, то есть относительно стороны полого корпуса, через которую вводят воздушный поток. В соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг. 1, выпускные отверстия 50 выполнены в боковых стенках 70с полого корпуса 70 устройства 1 в соответствии с пространствами 31, образованными стенками адсорбирующего материала 30.

Как показано выше, воздух, который надо очистить, извлекают с помощью вентилятора 41 из пространства и подают его в устройство 1 через соответствующие входные отверстия 40, выполненные на стороне (стенке) 70а полого корпуса 70 устройства 1, на которой расположен вентилятор 41.

Воздушный поток перемещают к фотокатализатору и, в частности, к адсорбирующему, фотокаталитическому и проводящему материалу 10а, который подвергается воздействию как электрического поля, генерируемого металлической проволокой 20а (на которую подают электрический потенциал), так и ультрафиолетового излучения из УФ-лампы 11a.

Как упомянуто выше, в соответствии с возможным вариантом осуществления изобретения адсорбирующий, фотокаталитический и проводящий материал 10а соответствует собирающему электроду электрофильтра (разрядный электрод которого представляет собой металлическую проволоку 20а).

Таким образом, электрическое поле, генерируемое электродами (т.е. в данном случае металлическая проволока 20а и адсорбирующий, фотокаталитический и проводящий материал 10а) вызывает сбор загрязнителей на адсорбирующем, фотокаталитическом и проводящем материале 10а. Наличие электрофильтра обеспечивает генерацию озона и повышение эффективности удаления загрязняющих веществ. Процесс фотокатализа адсорбирующим, фотокаталитическим и проводящим материалом 10а, который активируется с помощью УФ-лампы 11а, окисляет загрязняющие вещества (более того, диоксид титана (TiO₂) также уменьшает присутствие озона), частично регенерируя адсорбирующий, фотокаталитический и проводящий материал 10а.

Адсорбирующий материал 30, расположенный радиально по отношению к адсорбирующему, фотокаталитическому и проводящему материалу 10а, удерживает и ограничивает первичные и вторичные загрязняющие вещества внутри устройства 1. Выпускные отверстия 50 выполнены в боковых стенках полого корпуса 70, чтобы выпускать очищенный воздух.

На фиг. 2 показан вид сбоку устройства 1 в соответствии с изобретением, показанного на фиг. 1. Устройство 1 показано сбоку, перпендикулярно металлической проволоке 20а, которая представляет собой разрядный электрод электрофильтра.

На фиг. 2 показана камера 60, которая предназначена для приема воздушного потока, подлежащего очистке, ограниченная полым корпусом 70 устройства 1.

Как упомянуто выше, поступающий поток 42 воздуха создают путем извлечения воздуха вентилятором 41 из пространства и подачи его в камеру 60 через соответствующие входные отверстия 40, выполненные на стороне 70а полого корпуса 70 устройства 1, на которой расположен вентилятор 41.

Со ссылкой на фиг. 2, камера 60 содержит УФ-лампу 11а с соответствующим опорным средством 12, часть пластины адсорбирующего, фотокаталитического и проводящего материала 10а; более того, часть металлической проволоки 20а (то есть разрядного электрода электрофильтра) расположена между этими частями.

На фиг. 2 также показано несколько стенок адсорбирующего материала 30; упомянутые стенки расположены в радиальном направлении относительно входящего воздушного потока 42.

На виде сбоку устройства 1 показано радиальное положение стенок (фильтров) адсорбирующего материала 30.

Для ясности на фиг. 2 показаны выпускные отверстия 50, чтобы выпускать очищенный воздух, которые выполнены на боковых стенках 70c устройства в соответствии с пространствами между двумя стенками адсорбирующего материала 30.

На фиг. 2 схематично показан выходящий поток 51, который выходит из отверстий 50 на боковых стенках полого корпуса 70 устройства 1 в соответствии с изобретением.

В таком варианте осуществления поток воздуха, который был очищен внутри устройства 1, выходит из устройства перпендикулярно и радиально относительно направления подачи.

На фиг. 3 показан второй вид сбоку того же варианта выполнения устройства 1 в соответствии с изобретением, показанного на фиг. 1 и на фиг. 2. Устройство показано параллельно металлической проволоке 20а, которая образует разрядный электрод (для реализации процесса электростатического осаждения).

Также на фиг. 3 показана камера 60, которая предназначена для приема воздушного потока, подлежащего очистке, ограниченная полым корпусом 70 устройства 1.

На этой же фигуре также показан вентилятор 41 и входные отверстия 40 для подачи воздуха внутрь камеры 60 устройства 1.

Камера 60 содержит УФ-лампу 11а с соответствующим опорным средством 12, пластину адсорбирующего, фотокаталитического и проводящего материала 10а (только небольшие части которого видны на фиг. 3) и металлическую проволоку 20а (то есть разрядный электрод электрофильтра), расположенную между УФ-лампой 11а и пластиной адсорбирующего, фотокаталитического и проводящего материала 10а. Металлическая проволока 20а проходит через камеру внутри устройства 1 будучи натянутой между двумя опорами 21 (видна только одна опора 21). Металлическая проволока 20а показана в виде точки, так как точка наблюдения расположена поперек металлической проволоки 20а.

Несколько стенок адсорбирующего материала 30 расположено радиально относительно направления входящего воздушного потока 42, не показанного на фиг. 3.

Как и на фиг. 2, для ясности на фиг. 3 также показаны выпускные отверстия 50, которые используются для выпуска очищенного воздуха. Выпускные отверстия 50 выполнены в боковых стенках устройства в соответствии с пространствами 31 (не показаны на фиг. 3) между двумя стенками адсорбирующего материала 30.

В соответствии с вариантом выполнения устройства 1 в соответствии с изобретением, как показано на фиг. 1, 2 и 3, выпускные отверстия 50, используемые для выпуска очищенного воздуха, выполнены на четырех боковых стенках 70c устройства 1. Однако возможны и другие конфигурации.

В заключение, в устройстве 1 и в способе в соответствии с настоящим изобретением вентилятор 41 или аналогичное средство для принудительной подачи воздуха внутрь устройства создает воздушный поток, который входит в камеру 60, ограниченную полым корпусом 70, через входные отверстия 40.

Воздушный поток достигает фотокатализатора и, в частности, адсорбирующего, фотокаталитического и проводящего материала 10а. В этом случае адсорбирующий, фотокаталитический и проводящий материал соответствует собирающему электроду электрофильтра, так что электрическое поле индуцирует сбор загрязняющих веществ на указанном адсорбирующем, фотокаталитическом и проводящем материале и на стенках адсорбирующего материала.

Как упоминалось ранее, разрядным электродом электрофильтра является, например, металлическая проволока 20а.

Наличие электрофильтра обеспечивает генерацию озона и повышает эффективность удаления загрязняющих веществ. Процесс фотокатализа с помощью фотокатализатора, который активируется с помощью подходящего источника света, например УФ-лампы 11а, окисляет загрязняющие вещества, по меньшей мере частично регенерируя адсорбирующий, фотокаталитический и проводящий материал, а также стенки (фильтры) адсорбирующего материала (например, состоящего из активированного угля).

Предпочтительно, адсорбирующий, фотокаталитический и проводящий материал 10а сокращает присутствие озона, вырабатываемого под действием электрического поля. Адсорбирующий материал 30, например стенки из активированного угля, заключает первичные загрязняющие вещества (загрязняющие вещества, которые поступают непосредственно в пространство вследствие процесса, который их создает) и вторичные загрязняющие вещества (то есть побочные продукты реакций, происходящих с первичными загрязняющими веществами) внутри устройства.

На фиг. 4 схематично показаны синергетические связи между различными технологиями, реализованными устройством в соответствии с изобретением.

Три блока, обозначенные "ЭСО", "Фотокатализатор" и "Адсорбирующий материал", схематично показывают три технологии очистки, используемые одновременно в соответствии с изобретением, то есть электростатическое осаждение (блок "ЭСО"), фотокатализ ("Фотокатализатор") и адсорбцию ("Адсорбирующий материал").

Непрерывные линии обозначают действия отдельных технологий, в то время как прерывистые линии показывают соединения, создаваемые между действиями различных технологий, схематично показывающие, как электростатическое осаждение ("ЭСО"), фотокатализ ("Фотокатализатор") и адсорбция ("Адсорбирующий материал") оказывают некоторые воздействия, которые синергетически взаимодействуют с действиями других технологий.

Например, на фиг. 4 эффекты электростатического осаждения ("ЭСО") дают устранение частиц, увеличение адсорбирующей способности материала (то есть адсорбирующего материала) и образование озона.

Эффекты фотокатализа ("Фотокатализатор") дают окисление загрязняющих веществ и разрушение озона.

Эффекты третьей технологии, то есть адсорбции ("Адсорбирующий материал"), дают поглощение загрязняющих веществ и поглощение озона.

Как показано на схеме, способность адсорбирующего материала поглощать загрязняющие вещества увеличивается под действием электрического поля, применяемого при электростатическом осаждении. Электрическое поле создает озон внутри обрабатываемого электростатическим осаждением (электрофильтрацией) воздуха, который одновременно разрушается посредством фотокаталитического действия фотокатализатора и/или поглощается адсорбирующим материалом. Необходимо отметить, что фотокаталитическое действие также может быть реализовано на уровне озона, уже поглощенного адсорбирующим материалом.

Взаимодействия, указанные на схеме на фиг. 4, являются только некоторыми из нескольких синергетических взаимодействий, возникающих между тремя технологиями в изобретении.

Например, дополнительные эффекты применения электрического поля к фотокатализу (в частности, гетерогенному фотокатализу) представляют собой следующее: повышенная эффективность каталитического процесса, генерация "активированных" химических веществ и их заключение внутри устройства в соответствии с изобретением, благодаря адсорбирующим свойствам, которые, в свою очередь, улучшены вследствие синергии между процессами.

Более того, связь фотокатализа (в частности, гетерогенного фотокатализа) и электрического поля, индуцируемого на твердом адсорбирующем материале, оказывает воздействие на большую адсорбирующую способность материала, регенерацию адсорбирующего материала, благодаря окислению загрязняющих веществ, присутствующих на уровне адсорбирующего материала, вызванному фотокатализом.

Изобретение относится к устройству и способу, применяемым для очистки воздуха от загрязняющих веществ. Устройство содержит один полый корпус, ограничивающий камеру, предназначенную для приема потока воздуха, который надо очистить, и содержащий входное отверстие для воздуха, выпускное отверстие для воздуха. Камера содержит средство генерации электрического поля, фотокатализатор, возбуждаемый световым излучением и реализующий фотокатализ, источник светового излучения, предназначенный для возбуждения указанного фотокатализатора, и адсорбирующий материал. Средство генерации электрического поля, фотокатализатор и адсорбирующий материал расположены в камере с возможностью взаимодействия. Изобретение позволяет повысить эффективность удаления загрязняющих веществ посредством адсорбции, не добавляя потери давления при прохождении воздушного потока-носителя. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство (1) для очистки воздуха от загрязняющих веществ, содержащее по меньшей мере один полый корпус (70), ограничивающий камеру (60), предназначенную для приема подлежащего очистке потока воздуха, и содержащий по меньшей мере одно входное отверстие (40) для воздуха, по меньшей мере одно выпускное отверстие (50) для воздуха, причем внутри упомянутой камеры имеются:

- средство (20) генерации электрического поля,

- фотокатализатор (10), возбуждаемый световым излучением и реализующий фотокаталитический процесс,

- источник (11) светового излучения, предназначенный для возбуждения упомянутого фотокатализатора (10), и

- стенки из адсорбирующего материала (30), причем каждая стенка из адсорбирующего материала (30) лежит на плоскости,

при этом упомянутое средство (20) генерации электрического поля, упомянутый по меньшей мере один фотокатализатор (10) и упомянутый по меньшей мере один адсорбирующий материал (30) расположены в упомянутой камере (60) с возможностью совместной работы,

отличающееся тем, что

стенки из адсорбирующего материала (30) расположены радиально вокруг упомянутого фотокатализатора (10), так что плоскости стенок сходятся к фотокатализатору (10), а внутри камеры (60) образовано множество пространств (31) между стенками из адсорбирующего материала (30),

при этом входное отверстие (40) и выпускное отверстие (50) выполнены в полом корпусе (70) так, что поток воздуха имеет возможность поступать внутрь камеры (60) в соответствии со сходимостью плоскостей стенок из адсорбирующего материала (30), проходить через пространства (31) между стенками из адсорбирующего материала (30) и выходить наружу через выпускные отверстия (50) полого корпуса.

2. Устройство (1) по п. 1, в котором упомянутый фотокатализатор (10) содержит композиционный материал, обладающий фотокаталитическими и адсорбирующими свойствами, при этом упомянутый фотокатализатор (10) содержит фотокаталитический материал, нанесенный на по меньшей мере часть адсорбирующего материала.

3. Устройство (1) по п. 1 или 2, в котором упомянутый фотокатализатор (10) содержит композиционный материал, обладающий проводящими свойствами, либо упомянутый фотокатализатор (10) расположен на по меньшей мере одном проводящем элементе.

4. Устройство (1) по любому из пп. 1–3, в котором средство (20) генерации электрического поля содержит по меньшей мере первый электрод и второй электрод, при этом упомянутый фотокатализатор (10) расположен на электроде.

5. Устройство (1) по любому из пп. 1–4, в котором по меньшей мере часть упомянутых стенок из адсорбирующего материала (30) содержит активированный уголь.

6. Способ очистки воздуха от загрязняющих веществ с помощью устройства (1) по любому из пп. 1–5, включающий следующие этапы:

- ввод воздушного потока внутрь камеры через входное отверстие (40) в соответствии со сходимостью плоскостей стенок из адсорбирующего материала (30);

- очистку воздуха, которая включает следующие этапы:

а) электростатическое осаждение упомянутых загрязняющих веществ посредством электрического поля, генерируемого средством (20) генерации электрического поля,

б) фотокатализ упомянутых загрязняющих веществ посредством упомянутого фотокатализатора (10),

в) адсорбцию упомянутых загрязняющих веществ на стенках из адсорбирующего материала (30),

причем действия, осуществляемые на этапах а), б) и в), являются взаимосвязанными;

- пропускание воздушного потока через пространства (31) между стенками из адсорбирующего материала (30);

- выпускание воздушного потока из выпускных отверстий (50) полого корпуса.

7. Способ по п. 6, в котором этапы а), б) и в) выполняют одновременно.

8. Способ по п. 6 или 7, который включает дополнительный этап г), состоящий в регенерации стенок из адсорбирующего материала, причем упомянутый этап г) выполняют одновременно с этапами а), б) и в).

9. Способ по любому из пп. 6–8, который включает дополнительный этап д), состоящий в снижении количества озона, причем этап д) выполняют одновременно с этапами а), б) и в).