СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕГЕНЕРИРУЕМОГО ПОГЛОТИТЕЛЯ CO2 Российский патент 2022 года по МПК B01D43/00 B01D53/04 B01D53/86 A61L9/20 A62B11/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для очистки воздуха и поддержания стандартных уровней концентрации диоксида углерода (CO₂) в воздухе для дыхания в зданиях и помещениях различного типа, транспортных средствах, герметичных обитаемых объектах, ограниченных пространствах разного рода.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно, что при дыхании человек потребляет кислород из воздуха и заменяет кислород диоксидом углерода или углекислым газом со скоростью около 5 мл/с. Увеличение содержания углекислого газа в воздухе для дыхания сверх допустимой концентрации вызывает у людей, находящихся в помещении, чувство усталости и может быть опасно для здоровья. Особенно быстрый рост концентрации вредных для жизнедеятельности человека примесей происходит в атмосфере гермообъектов, таких как подводные лодки, космические станции и др. Обычно углекислый газ, образующийся при дыхании, удаляется при помощи вентиляции путем удаления воздуха, содержащего углекислый газ, и подачи свежего кислородсодержащего воздуха для его замены. Вместе с тем, значительная часть вредных веществ может поступать в помещение вместе с приточным воздухом, если состояние наружной атмосферы не соответствует экологическим нормам, а приточная система не оборудована средствами очистки воздуха.

Кроме этого, воздух в помещении также часто содержит болезнетворные бактерии, вирусы, споры, а также механические загрязнители, к которым относятся пыль, аэрозоли, дым, в частности, табачный, пыльца растений и аллергены, которые также следует удалять из воздуха в помещении с помощью вентиляции или иным способом.

Из патента РФ 2352382, опубл. 20.04.2009, известен способ очистки воздуха, включающий фильтрацию дисперсных частиц и стерилизацию воздуха от микроорганизмов и бактерий, а также последовательное предварительное удаление молекулярных примесей в зоне коронного разряда и их разложение на фотокатализаторе. Фотокаталитическая очистка воздуха состоит в разложении и окислении токсичных воздушных примесей под воздействием ультрафиолетового излучения, при этом размер разлагаемых частиц, достигающий 0,001 мкм, сопоставим с размерами молекул. Принцип уничтожения разных загрязнителей этой методикой заключается в окислении веществ и их разложении на CO₂ и воду. В указанном методе заключительную очистку осуществляют в порах активированного угля и диоксида титана с их непрерывной реактивацией от адсорбированных молекулярных примесей и органических дисперсных частиц.

Способ позволяет осуществлять высокоэффективную фильтрацию дисперсных частиц и стерилизация воздуха от микроорганизмов и бактерий, при этом содержание озона и примесей окислов азота в очищенном воздухе не превышает ПДК за счет их адсорбции угольным адсорбентом.

Однако способ не позволяет производить высокоэффективную очистку воздуха от неорганических токсичных газов, в частности, в невозможности избирательно поглощать из воздуха продукты разложения бактерий и СО₂ при его избытке.

Следует отметить, что в качестве источников вышеупомянутого ультрафиолетового излучения в последнее время находят применение эксиплексные лампы, кпак это известно, например из публикации Э.А. Соснин, О.C. Жданова, “Вирулицидные и бактерицидные эксиплексные лампы барьерного разряда”, Квантовая электроника, 50:10 (2020), 984-988.

В закрытых помещениях с людьми, таких как спасательные камеры, водолазные устройства или подводные лодки, исторически использовались две химические технологии для очистки воздуха от СО₂: с использованием гидроксида лития и натровой извести, как это известно, например, из патента РФ 2444387, опубл. 10.03.2012. Обе эти технологии имеют как достоинства, так и недостатки.

Из патента US9399192, опубл. 26.07.2016, известен способ высокоэффективного удаления диоксида углерода из выхлопных газов, включающий этап абсорбции диоксида углерода жидким поглотителем диоксида углерода, и этап выделения диоксида углерода путем нагревания поглотителя. В варианте реализации способа поглотитель диоксида углерода содержит аминовое соединение, в частности, диэтаноламин в количестве от 20,0% по массе до 70,0% по массе в амине и воду.

Недостатком является использование жидкого сорбента, что затрудняет его использование для очистки воздуха в помещениях.

Другая технология для очистки воздуха от СО₂, известная, например, из патента US 7601189, опубл. 13.10.2009, основана на использовании сухих регенерируемых твердых адсорбентов с иммобилизованным амином. Эти адсорбенты состоят из аминов (первичных, вторичных, третичных или их комбинации), нанесенных на пористую основу из порошкообразного материала.

Метод позволяет повысить качество воздуха в помещении либо снизить требуемый уровень вентиляции без снижения качества воздуха в помещении, поскольку стоимость энергоснабжения более низка по сравнению с влажной очисткой, использующей жидкие амины. Таким образом, твердые сорбенты на основе амина обладают способностью улучшать общую энергетику улавливания CO₂.

Вместе с тем, порошкообразные адсорбенты все еще имеют достаточно высокое аэродинамическое сопротивление и достаточно высокие энергетические затраты при их использовании для очистки воздуха.

Частично этого недостатка лишено использование известного из патента US5462908, опубл. 31.10.1995, поглотителя, представляющий собой композицию из активированного угля и пропитывающего его органического амина, в частности, диэтиламина.

Указанный фильтр предназначен для высокоэффективной очистки дыхательных газов от токсичных соединений типа перфторуглеродов. В то же время, авторами настоящего изобретения показана высокая эффективность использования подобных абсорберов для поддержания стандартных уровней концентрации CO₂ в воздухе для дыхания.

Таким образом, существующие системы очистки воздуха для дыхания обладают как достоинствами, так и недостатками, что обусловливает необходимость их дальнейшего совершенствования.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей и техническим результатом изобретения является расширение арсенала средств очистки воздуха, позволяющих повысить эффективность и качество очистки воздуха для дыхания в замкнутых помещениях с недостаточной вентиляцией.

Сущность изобретения состоит очистке и поддержании в замкнутых пространствах стандартных уровней концентрации CO₂ в воздухе для дыхания за счет его продува через регенерируемый поглотитель диоксида углерода. Поглотитель выполнен в виде гранул активированного угля, импрегнированных водным раствором аминоспирта. Благодаря использованию гранулированного поглотителя и конструктивным особенностям устройства продув осуществляют, по существу, равномерно по объему поглотителя диоксида кислорода при пониженных энергетических затратах. В соответствии с изобретением, в поглотитель CO₂ направляют воздух, предварительно обеззараженный ультрафиолетовым (УФ) облучением. Обеззараженный воздух, поступающий в поглотитель, содержит продукты разложения бактерий и вирусов в виде CO₂ и воды, а также остаточные патогены, которые задерживаются поглотителем. От них поглотитель очищают в процессе регенерации.

С целью дальнейшего повышения качества очищенного и обеззараженного воздуха его ионизируют и обогащают на выходе из поглотителя диоксида кислорода комплексом микроэлементов, входящих в состав морской или горной соли.

Регенерацию и обеззараживание поглотителя диоксида углерода осуществляют его нагревом до температуры не менее 65°С потоком горячего воздуха. Нагретый воздух с избытком СО₂ выводят в вытяжную вентиляцию, либо с помощью компрессора закачивают в газовый баллон.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения циклы очистки воздуха и регенерации поглотителя осуществляют в режиме обратной связи, которую реализуют на сравнении измеряемых концентраций СО₂ на входе и выходе поглотителя.

В вариантах реализации изобретения перед продувом поглотителя воздух предварительно очищают фильтрами, относящимися к группе: механические, каталитические, электростатические.

Вышеупомянутые и другие цели, преимущества и особенности настоящего изобретения станут более очевидными из следующего неограничивающего описания вариантов его осуществления, приведенных в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

Фиг. 1 - схема устройства для очистки воздуха в режиме очистки,

Фиг. 2 - схема устройства для очистки воздуха в поперечном разрезе.

Фиг. 3 - схема устройства для очистки воздуха в режиме регенерации.

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые ссылочные номера.

Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративные материалы частных случаев его реализации.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

В варианте реализации настоящего изобретения, схематично представленном в разрезе на Фиг. 1, устройство для очистки воздуха и поддержания в заданном диапазоне концентрации СО₂ в воздухе ограниченного пространства 1 содержит: корпус 2 с входным отверстием 3 и выходным отверстием 4, расположенные в корпусе поглотитель диоксида углерода 5 и средство, например, компрессор или вентилятор 6 для продува воздуха через поглотитель.

Поглотитель диоксида углерода 5 выполнен гранулированным, что обусловливает снижение энергетических затрат на его продув и на функционирование устройства в целом.

Поглотитель диоксида углерода 5 предпочтительно выполнен в виде гранул активированного угля, импрегнированного водным раствором амина, а именно диэтиламина. Наряду с высокоэффективным поглощением CO₂, такой поглотитель обеспечивает комплексную очистку воздуха от пыли, пыльцы, аллергенов, дыма и запахов.

В состав устройства также входит нагреватель 7, применяемый для регенерации поглотителя 5, и УФ безозоновый облучатель 8 с длиной волны 240-260 нм для обеззараживания воздуха, содержащий одну или более УФ-ламп.

Для повышения качества очистки и обеззараживания воздуха УФ-облучатель 8 установлен вверх по потоку от поглотителя диоксида кислорода так, чтобы продукты разложения болезнетворных бактерий, вирусов и спор, а также остаточные количества патогенов направлялись в поглотитель диоксида углерода для их абсорбции.

При выполнении устройства в предложенном виде достигаются высокоэффективные обеззараживание, фильтрация и очистка воздуха от избытка СО₂, что обеспечивает высокое качество очистки воздуха.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения, вниз по потоку от поглотителя диоксида углерода 5 размещена, например, в сетчатом контейнере, крымская или гималайская соль 9, предназначенная для генерации целебных микроэлементов в потоке очищенного воздуха. Это придает синергетический эффект достигаемому качеству очистки воздуха, наделяя его не только чистотой и обеззараживанием, но и целебными свойствами.

На выходе из поглотителя диоксида углерода могут быть установлены дополнительные УФ безозоновые облучатели.

Для высокоэффективного функционирования устройства поглотитель диоксида углерода 5 предпочтительно размещен в картридже 10.

В варианте реализации картридж 10 содержит первую и вторую торцевые стенки, первая из которых с входным отверстием, к которому подсоединен вентилятор 6. На торцевых стенках картриджа 10 закреплены вложенные друг в друга с зазорами сетчатые или решетчатые частично прозрачные контейнеры, например, с кольцевым поперечным сечением. заполненные гранулами поглотителя диоксида кислорода.

Фиг. 2, на которой показано поперечное сечение устройства для очистки воздуха, иллюстрирует вариант размещения поглотителя 5 в виде трех концентрических слоев в картридже с контейнерами, имеющими концентрические сетчатые стенки 11.

Возвращаясь к Фиг. 1, можно видеть, что потоки воздуха (обозначены стрелками) распространяются, как в параллельных, так и в перпендикулярных слоям поглотителя 5 направлениях. Воздушный поток, попадая в картридж 10, проходит лабиринтообразный путь, частично продавливаясь сквозь гранулы поглотителя, что обеспечивает равномерный по объему продув поглотителя воздухом и равномерную поглощающую нагрузку на гранулы поглотителя. В результате достигается полное эффективное использование поглотителя, не требующее высоких энергетических затрат на его продув.

Устройство для очистки воздуха может дополнительно содержать фильтр 15, относящийся к группе: механический, каталитический, электростатический. Фильтры предпочтительно установлены вверх по потоку от поглотителя диоксида кислорода для его защиты от механических и других не регенерируемых загрязнений, что позволяет продлить время жизни устройства в целом.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения устройство содержит контроллер или электронную управляющую систему с функцией поддержания в воздухе замкнутого пространства 1 концентрации CO₂ в заданном диапазоне, в том числе автоматического включения циклов очистки воздуха и регенерации поглотителя диоксида углерода.

На Фиг. 1 устройство показано в режиме очистки воздуха. Для управления режимами работы устройства внутри его корпуса 2 установлены заслонки 12, управляющие потоком воздуха, при этом корпус 2 имеет патрубок 13 выпуска CO₂, который оснащен заслонкой 14. В режиме очистки воздуха нагреватель 7 отключен, заслонки 12, управляющие потоком воздуха открыты, патрубок 13 выпуска CO₂ закрыт заслонкой 14.

На Фиг. 3 устройство показано в режиме регенерации поглотителя диоксида кислорода. В этом режиме нагреватель 7 включен, заслонки 12, управляющие потоком воздуха закрыты, заслонка 14 патрубка 13 выпуска CO₂ открыта. Выпуск нагретого воздуха и вместе с ним диоксида углерода и частиц, высвобождаемых из поглотителя диоксида углерода 5 осуществляется через патрубок 13 в наружный воздух вне замкнутого пространства 1. Скорость потоков воздуха (показанных стрелками) снижена. В остальном части устройства в этом варианте осуществления являются такими же, как в вышеописанных вариантах осуществления (Фиг. 1, Фиг. 2), имеют на Фиг. 3 те же номера позиций, и их подробное описание опущено.

Способ очистки воздуха и поддержания в заданном диапазоне концентрации диоксида углерода в воздухе ограниченного пространства 1 осуществляют с помощью устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, следующим образом.

С помощью вентилятора 6 производят продув воздуха через регенерируемый поглотитель диоксида углерода 5, Фиг. 1. Используют гранулированный поглотитель диоксида углерода 5, импрегнированный водным раствором амина, предпочтительно диэтиламина. Продув, показанный на Фиг. 1 стрелками, производят, по существу, равномерно по объему поглотителя. Поглощение избыточного диоксида углерода происходит за счет химического связывания диоксида углерода при прохождении воздушного потока через гранулированный поглотитель диоксида углерода 5, размещенный в несколько слоев в катридже 10 с сетчатыми стенками 11.

Воздух, поступающий в поглотитель диоксида углерода 5 дополнительно обеззараживают УФ-облучателем 8, установленным вверх по потоку. Соответственно, продув поглотителя 5 диоксида кислорода осуществляют воздухом, содержащим продукты разложения бактерий, вирусов и спор в виде СО₂, воды и азота, которые вместе с остаточными патогенами задерживаются поглотителем 5.

УФ-облучение производят безозоновым УФ-излучением с длиной волны более 185 нм, включающим диапазон длин волн около 254 нм с максимальным бактерицидным действием. УФ-облучение производят лампами, выбранными из группы, включающей в себя: ртутные лампы низкого давления, и KrCl-, KrBr-, XeBr-эксиплексные лампы.

На выходе из поглотителя диоксида углерода 5 очищенный воздух обогащают комплексом микроэлементов, входящих в состав морской либо горной соли 9. После комплексной очистки и подготовки воздух через выходное отверстие 4 корпуса 2 поглотителя направляется в ограниченное пространство 1.

Для улучшения качества очистки воздуха в вариантах реализации изобретения также могут применяться установленные перед входом в вентилятор 6 устройства 15 для предварительной очистки воздушного потока, например, механический HEPA-фильтр не ниже 12 класса. Для тонкой очистки воздуха также могут быть использованы электростатический фильтр, а также каталитический фильтр.

Регенерацию поглотителя диоксида углерода 5 обеспечивают его продувом потоком воздуха, разогретого до температуры не менее 65°С, предпочтительно от 65 до 80°С, Фиг. 3. В процессе регенерации поглотитель диоксида углерода 5 обеззараживают в процессе его нагрева, поскольку большинство бактерий погибает уже при температуре 60-70°С. Обогащенный СО₂ поток воздуха выводят через патрубок 13 выпуска CO₂ в тракт утилизации, например, в вытяжную вентиляцию, либо с помощью компрессора - в газовый баллон.

Циклы очистки воздуха и регенерации поглотителя осуществляют с помощью контроллера в режиме обратной связи, которую реализуют на сравнении измеряемых концентраций СО₂ на входе и выходе поглотителя 5. Очистку воздуха производят при достижения заданной верхней границы концентрации СО₂ (около 1000 ppm) в воздухе ограниченного пространства 1 и прекращают очистку воздуха при достижения заданной нижней границы концентрации СО₂ (около 400 ppm). Регенерацию производят при снижении скорости очистки ниже заданного определенного предела.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ.

Изобретение предназначено для очистки воздуха и поддержания стандартных уровней CO₂ в воздухе для дыхания в зданиях и помещениях различного типа, транспортных средствах, герметичных обитаемых объектах, ограниченных пространствах разного рода. Кроме этого, оно может применяться для высокоэффективной очистки дыхательных газов от токсичных соединений типа перфторуглеродов и иных газообразных кислотных оксидов.

Группа изобретений относится к средствам очистки воздуха и поддержания стандартных уровней диоксида углерода в воздухе для дыхания в ограниченных пространствах. Способ очистки включает продув воздуха через регенерируемый поглотитель диоксида углерода. Поглотитель выполнен в виде гранул активированного угля, импрегнированных водным раствором диэтиламина. Предпочтительно поглотитель размещен в несколько слоев в картридже с сетчатыми стенками для обеспечения его продува, по существу, равномерно по объему. Воздух дополнительно обеззараживают УФ-излучателем с длинами волн излучения более 185 нм, расположенным вверх по потоку от поглотителя. После поглотителя очищенный воздух обогащают комплексом микроэлементов, входящих в состав морской либо горной соли. Регенерацию и обеззараживание поглотителя производят его нагревом до температуры не менее 65°С потоком горячего воздуха. Концентрацию CO₂ в воздухе ограниченного пространства поддерживают автоматически в заданном диапазоне. Способ осуществляют с помощью устройства для очистки воздуха. Группа изобретений позволяет расширить арсенал средств, позволяющих повысить эффективность и качество очистки воздуха. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ очистки воздуха в ограниченном пространстве, включающий продув воздуха через регенерируемый поглотитель диоксида углерода (СО₂-поглотитель), отличающийся тем, что

воздух, поступающий в поглотитель диоксида углерода, дополнительно обеззараживают УФ-облучателем с длинами волн излучения более 185 нм,

используют поглотитель диоксида углерода, выполненный в виде гранул активированного угля, импрегнированного водным раствором диэтиламина,

продув поглотителя диоксида углерода производят равномерно по объему за счет прохождения воздушного потока, как по лабиринтообразному пути между слоями поглотителя диоксида углерода, так и поперек этих слоев;

на выходе из поглотителя диоксида углерода очищенный воздух обогащают комплексом микроэлементов, входящих в состав морской либо горной соли,

в режиме регенерации СО₂-поглотителя его продувают горячим воздухом, нагреваемым на входе в поглотитель, при этом обеззараживают СО₂-поглотитель за счет его нагрева в процессе регенерации до температуры не менее 65°С, предпочтительно от 65 до 80°С, и выводят выделившийся в процессе регенерации СО₂ вне ограниченного пространства.

2. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором выделяющийся в процессе регенерации СО₂ либо выводят в вытяжную вентиляцию, либо с помощью компрессора закачивают в газовый баллон.

3. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором циклы очистки воздуха и регенерации поглотителя осуществляют в режиме обратной связи, которую реализуют на сравнении измеряемых концентраций СО₂ на входе и выходе поглотителя.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, при котором концентрацию CO₂ в воздухе ограниченного пространства автоматически поддерживают в заданном диапазоне.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что воздух дополнительно очищают фильтрами, относящимися к группе: механические, каталитические, электростатические.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что УФ-облучение производят лампами, выбранными из группы, включающей в себя: ртутные лампы низкого давления, KrCl-, KrBr-, XeBr-эксиплексные лампы.

7. Устройство для реализации способа очистки воздуха по п. 1, содержащее средство для продува воздуха через регенерируемый с помощью нагревателя поглотитель диоксида углерода, отличающееся тем, что

вверх по потоку от поглотителя диоксида углерода установлен бактерицидный УФ-облучатель с длинами волн излучения более 185 нм,

поглотитель диоксида кислорода выполнен в виде гранул активированного угля, импрегнированных водным раствором диэтиламина и размешенных в форме воздухопроницаемых слоев в сетчатом контейнере, в котором воздушный поток по мере прохождения по лабиринтообразному пути производит равномерный по объему продув поглотителя,

внизу по потоку от поглотителя диоксида углерода размещена крымская или гималайская соль, предназначенная для генерации целебных микроэлементов в потоке очищенного воздуха.

8. Устройство по п. 7, в котором поглотитель размещен в картридже или контейнере в виде нескольких воздухопроницаемых слоев, например, концентрических, между которыми имеются зазоры, что обеспечивает потоки воздуха, как в параллельных, так и в перпендикулярных указанным слоям направлениях и, по существу, равномерный по объему продув поглотителя воздухом.

9. Устройство по п. 7 или 8, содержащее контроллер с функцией поддержания в воздухе ограниченного пространства концентрации CO₂ в заданном диапазоне.

10. Устройство по любому из пп. 7-9, дополнительно содержащее один или несколько фильтров, относящихся к группе: механический, каталитический, электростатический.