3.11. Фотокаталитические воздухоочистители

Современное понятие «фотокатализ» звучит как «изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ  фотокатализаторов, которые в результате поглощения ими квантов света способны вызывать химические превращения участников реакции, вступая с последними в промежуточные химические взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий».

Сущность метода состоит в окислении веществ на поверхности катализатора под действием мягкого ультрафиолетового излучения диапазона А (с длиной волны немногим более 300 нм). Реакция протекает при комнатной температуре, и при этом токсичные примеси не накапливаются на фильтре, а разрушаются до безвредных компонентов воздуха  до двуокиси углерода, воды и азота.

Любой фотокаталитический очиститель воздуха включает в себя пористый носитель с нанесенным ТiО₂-фотокатализатором, который облучается светом и через который продувается воздух.

TiO₂ (двуокись титана) полупроводниковое соединение, в котором электроны могут находиться в двух состояниях: в свободном и связанном. В первом случае, электроны движутся по кристаллической решетке, образованной катионами Ti₄+ и анионами кислорода О₂-. Во втором случае, в основном электроны связанны с каким-либо ионом кристаллической решетки и участвуют в образовании химической связи. Для перевода электрона из связанного в свободное состояние необходимо затратить энергию не менее 3,2 эВ. Эта энергия может быть доставлена квантами света с длинной волны l <390 нм. Таким образом, при поглощении света в объеме частицы TiO₂ рождаются свободный электрон и электронная вакансия. В физике полупроводников такая электронная вакансия называется дыркой.

Электрон и дырка достаточно подвижные образования. Двигаясь в частице полупроводника, часть из них рекомбинирует, а часть выходит на поверхность и захватывается ею. Схематически происходящие процессы показаны на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Принцип действия полупроводникового фотокатализатора

Захваченные поверхностью электрон и дырка являются вполне конкретными химическими частицами. Например, электрон  это вероятно, Ti₃₊ на поверхности, а дырка локализуется на решетчатом поверхностном кислороде, образуя О-, Таким образом на поверхности оксида образуются чрезвычайно реакционноспособные частицы. В терминах окислительно-восстановительных потенциалов реакционная способность электрона и дырки на поверхности TiO₂ характеризуется следующими величинами: потенциал электрона ~ – 0.1 эВ, потенциал дырки ~ +3 эВ относительно нормального водородного электрода.

При этом могут образовываться такие мощные окислители, как О- и ОН-радикалы. Основным же каналом исчезновения электрона являются реакции с кислородом. Дырка реагирует либо с водой: либо с любым адсорбированным органическим (в некоторых случаях и неорганическим) соединением OH – радикал или О- также способны окислить любое органическое соединение. Таким образом, поверхность TiO₂ под действием света становиться сильнейшим окислителем.

Вредные органические и неорганические загрязнители, бактерии и вирусы, адсорбируются на поверхности фотокатализатора ТiО₂, нанесенного на пористый носитель  фотокаталитический фильтр. Под действием света от УФ лампы, диапазона А, они окисляются до углекислого газа и воды, OH-радикал или О- также способны окислить любое органическое соединение. И таким образом, поверхность TiO₂ под действием света становится сильнейшим окислителем.

Эффективность действия фотокаталитического очистителя можно продемонстрировать следующим опытом. Очиститель помещается в замкнутый объем (около 190 л), туда же добавляется ацетон, аммиак и угарный газ. Наблюдение ведется по убыли ацетона и накоплению СО₂. Кинетические кривые этого процесса представлены на рис. 3.18.

Схема, поясняющая принцип работы и конструкцию фотокаталитического воздухоочистителя представлена на рис. 3.19.

Внешний вид фотокаталитического прибора «Севеж-45» представлен на рис. 3.20.

Рис. 3.19. Схема работы фотокаталитического воздухоочистителя «Севеж-45»

Рис. 3.20. Фотокаталитический воздухоочиститель «Севеж-45», серии «Аэролайф»

3.12. Малошумная местная приточно-очистительная вентиляция «Sonair A+» фирмы «Innosource»

Одной из современных систем очистки, воздухообмена и поддержания равномерного температурного баланса в жилых и бытовых помещениях является система Sonair A+ (рис. 3.21), важным достоинством которой является малая шумность. Установка может работать в трех режимах [9]:

1. Очистка наружного воздуха. Наружный воздух, через воздуховод в стене и сетку против насекомых, засасывается центробежным малошумным вентилятором и, проходя через фильтры, очищаясь, попадает в помещение (закрыта заслонка перед вентилятором, перекрывая подачу внутреннего воздуха).

2. Приток наружного воздуха, смешивание его с внутренним и очистка. Центробежный вентилятор засасывает и внешний и внутренний воздух, в камере вентилятора происходит смешивание, обмен теплом, а затем фильтрация.

3. Очистка воздуха в помещении, без притока внешнего воздуха (закрыта заслонка перед воздуховодом), т.е. работа в режиме внутреннего воздухоочистителя.

Скорость притока или циркуляции воздуха изменяется регулятором скорости вентилятора на лицевой панели установки. Приборы «Sonair А+» комплектуются тремя видами фильтров, обеспечивающими как грубую, так и тонкую очистку угольными фильтрами.