Фотокатализ: технология эффективной очистки атмосферного воздуха

Фотокатализ: технология эффективной очистки атмосферного воздуха

Свет — мощный источник энергии — сила, лежащая в основе практически всего, что существует на Земле. Свет Солнца противостоит космической тьме, способствует росту на Земле всего живого. Вместе с тем, лучам света присуще ещё одно важное свойство — очистка воздуха. Этот процесс называют фотокатализ, когда посредством световой энергии уничтожается вредное загрязнение. Парадокс: с развитием технологий, объёмы загрязнения атмосферы лишь увеличиваются. Человечеству приходится изыскивать решение проблемы. Замкнутый круг.

Процесс фотокатализа сложный и простой

Процесс фотокатализа осуществляется катализаторами. Системы, подобные каталитическим нейтрализаторам применяются повсеместно:

  • системы очистки выхлопных газов автомобилей;
  • устройства обработки пищевых продуктов;
  • установки промышленных процессов и т.д.

Использование катализаторов особенно важным видится в промышленном производстве. Существует множество разных конструкций таких систем, каждая работает технологически индивидуально. Катализаторы являются неотъемлемой частью производства практически всех химических продуктов. Среди разнообразия конструкций есть и фотокатализаторы.

Как работает фотокаталитический очиститель воздуха?

Фотокаталитические очистители воздуха представляют систему на основе диоксида титана, который «заряжается» ультрафиолетовым светом. Ультрафиолетовое излучение — это коротковолновый спектр, занимающий место на технической шкале сразу за сине-фиолетовой частью электромагнитного спектра. Ультрафиолет выделяет намного больше энергии, чем обычный (видимый) свет. Этой энергии вполне достаточно для возбуждения диоксида титана.

Фотокатализ - типичная конструкция установки очистки воздуха
Типичная конструкция установки фильтрации: 1 – входящий поток; 2 – ультрафиолетовая лампа; 3 – фотокаталитический слой диоксида титана; 4 – пылевой фильтр; 5 – вентилятор; 6 – очищенный поток

Диоксид титана фактически является полупроводником (подобно кремнию). Для применения в катализе нет необходимости использовать большое количество диоксида титана. Достаточно создать тонкое плёночное покрытие (подложку), основа которой обычно изготавливается из керамики или куска металла (обычно из алюминия).

Принцип действия очистительной системы

Работа катализатора на основе диоксида титана, используемого в конструкции очистителя воздуха, выполняется следующим образом:

Под воздействием потока ультрафиолетового света на диоксид титана, электроны (отрицательно заряженные частицы атомов) высвобождаются с плёночной поверхности и взаимодействуют с молекулами воды, присутствующими в составе воздуха. Результатом такого взаимодействия становится разбиение молекул воды на гидроксильные радикалы:

  • высоко реактивные,
  • короткоживущие,
  • незаряженные формы гидроксид-ионов.

В свою очередь, гидроксильные радикалы атакуют более крупные молекулы органических веществ (на основе углерода), разрушая химические связи и превращая тем самым в безвредные вещества (углекислый газ и воду). Фактически имеет место процесс окисления, поэтому очистители воздуха, работающие описанным способом, часто называют очистителями воздуха с ПКО (фотокаталитическое окисление).

Фотокатализ и фотокаталитическое окисление
Типичное исполнение фильтрующего элемента фотокаталитического окисления (ПКО), входящего в состав промышленной системы вентиляции и кондиционирования воздуха

Преимущество фотокаталитических очистителей воздуха видится очевидным, по сравнению с другими технологиями очистки воздуха (например, фильтрами, которые после загрязнения необходимо утилизировать). Фотокаталитические очистители воздуха попросту преобразуют вредные химические вещества, фактически полностью уничтожая. Однако конструкция не лишена недостатков.

Недостатки фотокаталитических очистителей воздуха

Выраженным недостатком процесса очистки таким способом является фактор одновременного производства некоторого количества озона фотокаталитическими очистителями воздуха. Озон — химический варианта кислорода, присутствующий в составе воздуха, рассматривается токсичным загрязнителем воздуха.

Производители фотокаталитических очистителей утверждают, что количество произведенного озона находится в пределах допустимых границ (0,05 частей на миллион). Тем не менее, сам факт производства озона существует и требует учёта этого вещества.

 

Также гидроксильные радикалы, несмотря на фактор естественного присутствия в атмосфере, могут представлять опасность. Среди учёных проходит дискуссия и остаётся неопределенность. А именно — могут ли продукты, произведенные фотокаталитическими очистителями воздуха, представлять существенный риск для здоровья человека? Ответа пока что не дано. Наконец, конструкция требует наличия как минимум одного вентилятора, что тоже не всегда удобно.

Практическая система фотокаталитической очистки

Учитывая такой момент, что фотокатализ устраняет только некоторые химические формы загрязнения воздуха и не решает проблему очистки от твёрдых частиц, на практике используются комплексные системы.

Другими словам: фотокаталитические очистители воздуха конструктивно сочетают активированные ультрафиолетом катализаторы на основе диоксида титана с другими технологиями очистки и фильтрации. Таким способом образуется комплексная система фильтрации, способная справиться с высокими уровнями загрязнений воздуха.

Фотокатализ - современная установка бытового назначения - состав элементов
Современная установка домашнего фотокатализа: 1, 2, 3 – панель управления и сенсоры; 4 – вход грязного воздуха; 5 – предварительный моющийся фильтр; 6 – электростатический плазменный массив; 7 – карбонный фильтр; 8 – HEPA фильтр; 9 – фильтр фотокаталитического окисления; 10 – ультрафиолетовый свет

Исполнение типичного очистителя предусматривает пропускание поступающего потока через серию различных этапов очистки. Каждый этап обеспечивает фильтрацию различного вида переносимого по воздуху загрязнителя. Относительно грубый предварительный фильтр улавливает:

  • крупные частицы домашней пыли,
  • волосы и шерсть домашних животных.

Этот фильтр, как правило, изготовлен из полипропиленовой сетки, покрытой катехинами (натуральное вещество — антибактериальный агент и дезодорант).

Следом тонкий HEPA-фильтр удаляет:

  • вирусы,
  • бактерии,
  • споры,
  • плесень.

Плазменным ионизатором придаётся положительный электрический заряд оставшимся частицам пыли и пыльцы. В результате этот вид загрязнений фильтруется отрицательно заряженной металлической сеткой. Фотокатализатор, изготовленный на основе апатита титана (аналогичный, но более эффективный, чем диоксид титана), химически уничтожает оставшиеся органические загрязнители:

  • выхлопные газы,
  • летучие органические соединения и другие.

Заключение

Атмосфера – важная область Земли, благодаря которой существует жизнь. Очевидно – загрязнению атмосферы в немалой степени способствует само общество людей. С одной стороны активно развивается технологическая сторона социума, с другой стороны – это же развитие сопровождается значительным загрязнением окружающей среды. Фотокаталитические системы очистки, безусловно, — «последний крик» технологической революции. Только вот всё более вероятными становятся опасения, что этот «крик» может стать для социума последним.

 



Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *