устройство для очистки воздуха в жилых и производственных помещениях от вредных примесей

Формула изобретения

1. Устройство для очистки воздуха в жилых и производственных помещениях, отличающееся тем, что содержит воздушные камеры с газодиффузионными катодами, через которые проходит очищаемый воздух, воздушные камеры с газодиффузионными анодами, в которые подается продувочный воздух, и электролитные камеры с жидким или мембранным электролитами, расположенные между катодом и анодом, электростатический блок с генератором озона, подающим озон в воздушные камеры с газодиффузионными катодами, а также механический и/или электростатический фильтры, очищающие воздух от механических примесей перед подачей его в воздушные камеры.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве мембранного электролита используется пористая матрица, пропитанная электролитом.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве пористой матрицы используется асбестовая матрица.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электролит содержит соль угольной кислоты.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве электролита применен водный раствор карбоната калия.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электролит содержит вещество, окисленная и восстановленная форма которого может присутствовать в нем в относительно высоких концентрациях как в катодной, так и в анодной зоне.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в качестве электролита применен водный раствор смеси n-бензохинона, гидрохинона и карбоната калия.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве мембранного электролита используется анионообменная мембрана.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве катода/анода используется двухслойный газодиффузионный электрод с гидрофобным запорным слоем, обращенным в сторону воздушной камеры, и активным слоем, обращенным в сторону электролитной камеры.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве анода/катода используется двухслойный газодиффузионный электрод с гидрофильным запорным слоем, обращенным в сторону электролитной камеры, и активным слоем, обращенным в сторону воздушной камеры.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве обращенного в сторону воздушной камеры слоя катода используется углерод с удельной поверхностью не менее 60-80 м ²/г с каталитически активными включениями.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что имеет возможность подачи на газодиффузионные электроды электрического напряжения переменной силы и направленности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области инженерного оборудования зданий и сооружений и может быть применено с целью снижения уровня вентиляции для поддержания стандартных уровней концентрации вредных веществ в помещениях.

В помещении, в котором находятся люди или сельскохозяйственные животные, происходит непрерывное снижение качества воздуха вследствие изменения уровня концентрации различных газов, выделяемых людьми и животными в процессе жизнедеятельности. Источником выделения примесей являются неметаллические материалы конструкции и оборудования, различные пищевые и косметические продукты, а также отходы жизнедеятельности животных. Значительная часть вредных веществ поступает в помещение вместе с приточным воздухом, если состояние наружной атмосферы не соответствует экологическим нормам, а приточная система не оборудована средствами очистки воздуха.

Известно устройство LJNIQFRESH для очистки воздуха от вредных веществ и регулирования содержания углекислого газа в помещении, содержащее кассетный фильтр с поглотителем углекислого газа LJNIQFRESH, комбинированный угольный фильтр, гипоаллергенный фильтр Хепа Н11, модуль забора воздуха и модуль регенерации. Устройство UNIQFRESH позволяет повысить качество воздуха в помещении либо снизить требуемый уровень вентиляции без снижения качества воздуха в помещении.

Недостатком данного устройства является периодичность его работы и высокие энергетические затраты на регенерацию абсорбента, существенный уровень шума из-за высокого аэродинамического сопротивления кассетного фильтра с поглотителем углекислого газа, необходимость регулярной замены угольного и гипоаллергенного фильтров («Абсорбер углекислого газа UniqFresh» компании Alfaintek.

http://www.alfaintek.com/assets/files/Uniqfresh%20Presentation.pdf

http://www.alfaintek.com/ru/production/home-appliance/uniqfresh#id15

http://www.alfaintek.com/ru/production/home-appliance/uniqfresh/about)

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности непрерывного удаления углекислого газа и других газофазных примесей из помещения для поддержания концентрации данных веществ в воздухе помещения в пределах санитарных норм при невысоких материальных и энергетических затратах.

Поставленный технический результат достигается тем, что устройство содержит воздушные камеры с газодиффузионными катодами, через которые проходит очищаемый воздух, воздушные камеры с газодиффузионными анодами, в которые подается продувочный воздух, и электролитные камеры с жидким или мембранным электролитами, расположенные между катодом и анодом.

В качестве мембранного электролита предпочтительно используется пористая матрица, пропитанная электролитом, например асбестовая матрица.

Предпочтительно в качестве электролита применен водный раствор карбоната калия. Предпочтительно электролит содержит вещество, окисленная и восстановленная форма которого может присутствовать в нем в относительно высоких концентрациях как в катодной, так и в анодной зоне. В качестве электролита может быть применен водный раствор смеси n-бензохинона, гидрохинона и карбоната калия. Подачу воздуха в газодиффузионные аноды и катоды осуществляют при помощи воздуходувного устройства. Электролит содержит соль угольной кислоты.

В качестве мембранного электролита может быть применена анионообменная мембрана.

В качестве катода/анода используется двухслойный газодиффузионный электрод с гидрофобным запорным слоем, обращенным в сторону воздушной камеры, и активным слоем, обращенным в сторону электролитной камеры. В качестве анода/катода может быть применен двухслойный газодиффузионный электрод с гидрофильным запорным слоем, обращенным в сторону электролитной камеры, и активным слоем, обращенным в сторону воздушной камеры.

Устройство имеет возможность подачи на газодиффузионные электроды электрического напряжения переменной силы и направленности.

Устройство предпочтительно содержит механический и электростатический фильтры, очищающие воздух от механических примесей перед подачей в воздушные камеры.

Устройство предпочтительно содержит электростатический блок с генератором озона, подающим озон в воздушные камеры с каталитически активными газодиффузионными катодами. При этом в качестве обращенного в сторону воздушной камеры слоя катода предпочтительно используется углерод с каталитически активными включениями (сажа, графит, активированный уголь) с удельной поверхностью не менее 60-80 м²/г.

Использование заявленного изобретения позволяет получать следующий технический результат.

Устройство позволит непрерывно поддерживать в воздухе жилого или производственного помещения содержание углекислого газа на уровне, соответствующем содержанию углекислого газа на открытом воздухе (0,035-0,045% или 350-450 ppm) и ниже.

Устройство позволит кардинально снизить нагрузку на систему вентиляции и вследствие этого снизить затраты на отопление помещения в холодный период года и на кондиционирование помещения в жаркий период года.

Устройство позволит производить глубокую очистку воздуха от газофазных примесей с кислотными свойствами.

Устройство позволит производить полную или частичную очистку воздуха от окиси углерода, аммиака, углеводородов и других органических и неорганических газофазных примесей, не обладающих кислотными свойствами.

Применение механического и электростатического фильтра позволяет осуществлять очистку воздуха от мелкодисперсных твердофазных и жидкостнофазных примесей, в том числе с микробиологическими включениями.

Применение генератора озона позволяет осуществлять инактивацию содержащихся в очищаемом воздухе микроорганизмов, ускорять процесс каталитического и электрокаталитического окисления газофазных соединений, адсорбированных гидрофобным слоем газодиффузионных катодов. Периодическая переполюсовка газодиффузионных электродов с подачей на них повышенного напряжения позволит запустить процесс электрокаталитического окисления газофазных соединений, адсорбированных гидрофобным слоем газодиффузионных катодов.

Устройство обеспечит непрерывное удаление углекислого газа из помещения при меньших габаритах, пониженном уровне энергопотребления и шума по сравнению с прототипом.

Применение в качестве электролита водного раствора смеси n-бензохинона, гидрохинона и гидрокарбоната калия позволит дополнительно снизить затраты электрической мощности на удаление углекислого газа из воздуха помещения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана структурная схема устройства, а на фиг.2 - конструкция единичной электролитической ячейки.

Устройство содержит механический фильтр 1, электростатический блок 2 с генератором озона 3, электростатический фильтр 4, блок электролитических ячеек 5, блок очистки и регенерации отработанного электролита 6.

Ячейка содержит воздушную камеру 7 для очищаемого воздуха, пористый газодиффузионный катод 8, пористую асбестовую матрицу 9, через которую циркулирует раствор электролита, пористый газодиффузионный анод 10 и воздушную камеру 11 для продувочного воздуха.

Работа устройства осуществлена следующим образом.

Очищаемый воздух при помощи воздуходувного устройства через механический фильтр 1, который задерживает крупные загрязнители, подают в электростатический блок 2 с генератором озона 3. На электроды зарядителя электростатического блока подается высокое напряжение (10 киловольт), в результате в зарядителе непрерывно «горит» коронный разряд, в неравновесной плазме которого заряжаются все частицы загрязнений, находящиеся в потоке воздуха. Здесь же продуцируется озон в высоких концентрациях. Далее воздушный поток проходит через электростатический фильтр 4, который задерживает заряженные частицы аэрозольных загрязнителей, после чего воздушный поток поступает в катодные воздушные камеры 7 блока электролитических ячеек 5. Озон, проходящий через электростатический фильтр, за счет своей высокой реакционной активности инактивирует задержанные фильтром 4 микроорганизмы.

Проходя сквозь воздушные камеры 7, воздух контактирует с газодиффузионными катодами 8, смоченными электролитом, содержащимся в асбестовой матрице 9.

При подаче на электроды электрического напряжения в катодной зоне будет протекать основная электрохимическая реакция:

O₂+2Н ₂O+4e 4OH^-

в результате которой электролит в газодиффузионном катоде 10 приобретет сильные щелочные характеристики (рН электролита повысится). Содержащиеся в очищаемом воздухе газофазные химические соединения с выраженными кислотными свойствами, такие как углекислый газ, сероводород, окислы серы, окислы азота, фтористый водород, хлористый водород, уксусная кислота и т.п., вступят в химическое взаимодействие с щелочным электролитом, образуя воду и анионы соответствующих кислот:

4OН^-+2СO₂ 2СО₃ ^2-+2H₂O

2OH^- +H₂S S^2-+2H₂O

2OH^- +N₂O₃ 2НO₂ ^-+H₂O

Содержащиеся в очищаемом воздухе органические и неорганические газофазные примеси, не обладающие кислотными свойствами (формальдегид, фенол, сероуглерод, окись углерода, аммиак и т.п.), будут адсорбироваться на высокоразвитой углеродной поверхности обращенного в сторону воздушной камеры гидрофобного слоя каталитически активного катода. В результате комплексного воздействия адсорбции и электрохимического взаимодействия в присутствии катализаторов и сильных химических окислителей - кислорода и озона - адсорбированные соединения будут окисляться либо до простых веществ (воды, углекислого газа, азота) либо до анионов органических и неорганических кислот, растворимых в щелочном электролите. При этом катодная поверхность, занятая адсорбированными соединениями, будет непрерывно самоочищаться. Также на катоде будет осуществляться электрохимическая реакция:

О₃+Н₂O+2е O₂+2OН^-

в результате которой содержание высокотоксичного озона в воздухе на выходе из блока электролитических ячеек 5 снизится до допустимых значений.

В воздушных камерах 7 также будет осуществляться влагообмен между протекающим потоком воздуха и электролитом, при этом обмен влагой, в зависимости от концентрации водного раствора электролита и влажности протекающего воздуха, будет идти в прямом или обратном направлениях. При очень низкой влажности воздуха в помещении проходящий воздух будет увлажняться за счет испарения части влаги из циркулирующего электролита, при высокой влажности циркулирующий электролит будет поглощать избыточную влагу из воздуха, нормализуя влажность очищаемого воздуха.

Часть воздушного потока после генератора озона 3 или электростатического фильтра 4 подается в анодные воздушные камеры 11 блока электролитических ячеек 5.

В анодной зоне будет протекать основная электрохимическая реакция:

2Н₂O-4е 4H⁺+O₂

в результате которой электролит в газодиффузионном аноде 10 приобретет сильные кислотные характеристики (рН электролита снизится). Анионы кислот, образовавшиеся в катодной зоне электролитической ячейки из поглощенных газофазных веществ, в результате диффузии, а также под действием электростатических сил мигрируют через матричную или анионообменную мембрану в анодную зону, где вступают во взаимодействие с образующимися протонами:

CO₃ ^2-+2H⁺ CO₂+H₂O

S^2- +2H⁺ H₂S

СН₃СОО^- +Н⁺ СН₃СООН

Образующиеся слабые кислоты (углекислота, сероводород, уксусная кислота и т.п.) полностью или частично переходят в воздушный поток, протекающий через анодные воздушные камеры 11 блока электролитических ячеек 5. Загрязненный воздушный поток по герметичному воздуховоду выводят за пределы помещения.

В результате данных реакций в катодной зоне будет происходить снижение концентрации кислорода и кислых газов в протекающем сквозь катодные воздушные камеры 7 воздухе, которые выделяются в анодных воздушных камерах 11 и удаляются из помещения с продувочным воздухом.

Так как исходное содержание углекислого газа и других кислых газов в очищаемом воздухе согласно стандартов ASHRAE и OSHA не должно превышать 0,1% (1000 ppm), снижение концентрации кислорода в очищенном воздухе, возвращаемом в помещение, несущественно (снижение менее чем на 0,05%) и полностью компенсируется притоком наружного воздуха, обеспечиваемым пониженным уровнем вентиляции.

Анионы сильных кислот, образовавшиеся в катодной зоне электролитической ячейки из поглощенных газофазных веществ с сильно выраженными кислотными свойствами (окислы серы, азота, фтористый и хлористый водород), не выделяются из электролита в анодной зоне электролитической ячейки. Данные анионы накапливаются в электролите, постепенно изменяя его рабочие характеристики, поэтому предусматривают непрерывный или периодический отвод части электролита из блока электролитических ячеек 5 с заменой его на новый либо регенерированный электролит. Регенерацию выведенного электролита осуществляют в блоке очистки и регенерации электролита 6. В данном блоке осуществляют также разбавление электролита водой или его концентрирование с целью нормализации влажности воздуха, протекающего через катодные воздушные камеры 7 блока электролитических ячеек 5.

При наличии в воздухе помещения значительного количества органических и неорганических газофазных примесей, не обладающих кислотными свойствами (формальдегид, фенол, сероуглерод, окись углерода, аммиак и т.п.), осуществляют периодическую кратковременную переполюсовку газодиффузионных электродов в блоке электролитических ячеек 5. При подаче на газодиффузионные катоды 8 сильного положительного, а на газодиффузионные аноды сильного отрицательного потенциала, электрохимические процессы в блоке электролитических ячеек 5 пойдут в обратном направлении. При этом активизируются процессы электрохимического окисления веществ, адсорбированных высокоразвитой углеродной поверхностью обращенного в сторону воздушной камеры гидрофобного слоя каталитически активного катода. Катодная поверхность, занятая адсорбированными соединениями, при этом будет самоочищаться.

Изменив состав электролита в электролитической ячейке, можно снизить потери электрической мощности и избежать снижения концентрации кислорода в очищаемом воздухе, исключив участие кислорода в электрохимических реакциях, происходящих в электролитических ячейках. Для этого в электролит добавляют вещество, окисленная и восстановленная форма которого может присутствовать в нем в относительно высоких концентрациях как в катодной, так и в анодной зоне одновременно. В частности таким веществом может быть хингидрон - эквимолярная смесь n-бензохинона и гидрохинона.

В этом случае при подаче на электроды электрического напряжения в катодной зоне будет протекать реакция:

С ₆Н₄O₂+2Н₂O+2е С₆Н₄(ОН)₂+2OН^-

В анодной зоне будет протекать реакция:

С₆Н₄(ОН)₂+Н₂O-2е С₆Н₄O₂+2Н⁺

Гидрохинон, образующийся в катодной зоне, за счет диффузии сквозь слой электролита будет возвращаться в анодную зону, а n-бензохинон, образующийся в анодной зоне, за счет диффузии будет возвращаться в катодную зону. Данные реакции отличаются пониженной разностью электрохимических потенциалов, в результате снижаются затраты электрической мощности на очистку воздуха от углекислого и других кислых газов.