На данной странице предлагаем в деталях рассмотреть такую технологию нейтрализации ЛОС и запахов как фотокаталитическая очистка воздуха, а также ознакомиться с типами, принципами работы, особенностями и характеристиками фотокаталитических фильтров ФКФ / ФКО для ЛОС и запахов.

Несмотря на промышленную подоплеку, наш обширный и подробный материал будет полезен и интересен как случайным пользователям, желающим разобраться в тонкостях технологиии фотокаталитической воздухоочистки, так и представителям предприятий и производств, планирующим внедрение новой или замену устаревшей аппаратуры.

Задать вопрос или запросить консультацию

Фотокаталитическая фильтрация выбросов: общие сведения и нейтрализуемые загрязнители

Фотокаталитическая очистка воздуха – это физико-химический процесс нейтрализации нежелательных примесей, (в основном ЛОС и запахов), который протекает на специальном материале (катализаторе) в условиях его облучения ультрафиолетовым светом. Вредные примеси при этом окисляются до CO₂ и H₂O.

Фильтрация органических загрязнителей  методом фотокатализа реализуется не только в бытовых и околобытовых приборах, автомобильной и малой вентиляции. Если мобильные (или еще более компактные) аппараты или встроенные в системы воздухоочистки модули применяются, как правило, для нейтрализации запахов, бактерий, вирусов и аллергенов, то промышленные фотокаталитические фильтры (оборудование) – аббр. «ФКФ» или «ФКО» – показывают не меньшую, (а зачастую большую), эффективность как в разрезе бактерицидной обработки потоков, так и в разложении огромного разнообразия производственных летучих (ЛОС) и газообразных загрязнителей, включая едкие, дурнопахнущие, (в малых и умеренных концентрациях, до ≈ 500 мг. / м³).

Наиболее распространенные поллютанты, в отношении которых фотокатализ показывает исключительную эффективность, укажем списком в таблице ниже.

Этимология и определение термина

Фотокаталитический фильтр – это воздухоочистной аппарат, одновременно реализующий 2 фундаментальных метода воздействия на загрязнители – УФ-свет и каталитическое разложение органических примесей. Это отражено и в самом названии:

1. Фото- (от др.-греч. «phōtos») – «свет». Стойщий первым корень «фото-» указывает на то, что именно свет в фильтрах данного класса является основным источником энергии, запускающим реакцию очистки.
2. Каталитический (от др.-греч. «katalysis», что значит «растворение», «прекращение»). Корень указывает на протекание в фильтрах класса ФКФ каталитических реакций. Каталитическая реакция – это процесс запуска и / или ускорения превращения одних соединений в другие при помощи катализатора – специального компонента, (чаще металлосодержащего), который сам в ходе реакции не меняет своего химического состава и не расходуется.

Принцип работы фотокаталитических фильтров

Физико-химические принципы, на которых базируется работа и бытовых, и индустриальных фотокаталитических воздухоочистителей, фундаментально схожи:

1. УФ-облучение. Кванты ультрафиолетового излучения «атакуют» поверхность полупроводникового катализатора (чаще всего диоксида титана в форме анатаза, нанесенного на развитую – сетчатую, пористую или сотовую – подложку), благодаря чему на поверхности катализатора образуются носители заряда – свободные электроны и положительно заряженные «дырки».
2. Образование радикалов. Свободные электроны и «дырки» вступают в реакцию с парами воды и кислородом, неизбежно присутствующими в очищаемом воздухе. Вода и кислород превращаются в сильнейшие, короткоживущие окислители — гидроксил-радикалы •OH и супероксид-анионы •O₂^—. В условиях жесткого УФ-излучения из кислорода воздуха также может образовываться озон O₃, об этом ниже на странице. Также ознакомьтесь с оборудованием для очистки воздуха озоном.
3. Минерализация (деструкция) загрязнителей. Реакционные радикалы активно взаимодействуют с молекулами органических (и не только) загрязнителей, проходящих через контактную зону рабочей камеры. Радикалы разрушают углеродные связи, каскадно расщепляя органику на безопасные компоненты – углекислый газ и водяной пар.

Таким образом, летучие соединения, токсичные газы, микроорганизмы и неприятные запахи не задерживаются и не скапливаются внутри фотокаталитического фильтра, а полностью разрушаются на молекулярном уровне – из агрегата выходит безопасный чистый воздух.

Основные свойства фотокатализаторов

Говоря о реакторном блоке фотокаталитического фильтра, следует сказать, что катализаторы, использующиеся в ФКФ / ФКО, принципиально отличаются от таковых, применяемых в других каталитических установках.

Главным свойством т.н. фотонного катализатора является его способность «активироваться» от ультрафиолетового излучения, поэтому, фактически, температура очищаемого потока не имеет определяющего значения – эффективный полупроводниковый катализатор, такой как, например, диоксид титана, одинаково результативен и при +20°С, и при -20°С.

В отличие от металлов, где электроны нейтрально заполняют весь объем, в полупроводниковых катализаторах, (таких как диоксид титана), электроны жестко закреплены на своих энергетических уровнях. У каждого фотонного катализатора есть три энергетических зоны:

1. Зона валентности (англ. valence band, VB) – нижний энергетический «этаж». Здесь электроны находятся в нормальном состоянии и обеспечивают химические связи катализатора.
2. Зона проводимости (англ. conduction band, CB) – это верхний «этаж», неустойчивая зона. При нормальных условиях эта зона пуста, но если электрон оказывается в зоне проводимости, он обретает способность двигаться.
3. Запрещенная зона (англ. gap) – это высота между «этажами», пространство, где электроны принципиально находиться не могут. Чтобы перепрыгнуть между энергетическими «этажами», электрону нужно передать строго определенный энергетический импульс. Именно его и передает квант света. На месте отсутствующего электрона (e^—) образуется положительно заряженная «дырка» – пустующее место с положительным зарядом (h⁺).

«Дырка» стремится забрать электрон у любой проходящей мимо молекулы, (окисление). А выбитый со своего места электрон отдает заряд другим молекулам (восстановление). Металлы, в отличие от полупроводников, не имеют запрещенной зоны, поэтому выбитые электроны мгновенно возвращаются на свои места (рекомбинируют), трансформируя энергию света в обычное тепло.

Если в фотокаталитической системе установлены лампы жесткого ультафиолета на ≈ 185 нм., генерирующие озон, то озон тоже контактирует с катализатором. Захватывая электроны с катализатора, озон распадается на сверхактивные озонид-радикалы, которые с еще большей эффективностью «выжигают» органику.

Источники ультрафиолета в фотокаталитических установках

Образование активных радикалов на поверхности фотокатализатора невозможно без энергии света, поэтому выбор и расчет характеристик УФ-ламп – один из ключевых этапов проектирования промышленных ФКФ / ФКО-фильтров.

Рассмотрим типы и особенности источников ультрафиолетового излучения, устанавливаемых в фотокаталитические реакторы. Основными характеристиками эмиттеров света являются длина волны, мощность излучения, стабильность и ресурс работы.

Ртутные лампы низкого давления

Электрические разряды в парах ртути генерируют жесткое ультрафиолетовое излучение с максимальными пиками на длине волны ≈ 254 нм. Энергии квантов света от ртутных ламп с запасом хватает для активации титанового фотокатализатора (TiO₂). 

Среди плюсов следует отметить высокий КПД ртутных ламп (до 40% потребленной энергии переходит в УФ-свет), широкую представленность на рынке, доступную стоимость и отработанную технологию.

Среди недостатков – содержание в лампах жидкой ртути (экологический риск при повреждении лампы), чувствительность к температуре обрабатываемого потока, (если воздух слишком холодный, эффективность таких ламп падает), средний срок службы 9 000…12 000 часов.

Ртутные лампы среднего и высокого давления в оборудовании фотокатализа не используются – излучаемая энергия уходит в «бесполезные» для TiO₂ спектры. В этой же связи лампы среднего и высокого давления работают как сверхмощные обогреватели, раскаляясь до +900 °C, (что в условиях фильтрации горючих примесей попросту недопустимо). Вдобавок, активный анатаз от подобного перегрева быстро превращается в неактивную модификацию TiO₂ – рутил. 

Амальгамные лампы

Амальгамные лампы – эволюция ртутных ламп низкого давления, разработанная специально для тяжелых индустриальных условий и объемных потоков воздуха. Жидкая ртуть заменена на амальгаму – твердый сплав индия, висмута и ртути.

Лампы излучают свет на тех же длинах волн – 254 нм.; производятся и двухволновые амальгамные лампы с добавлением длины волны 185 нм. – для генерации озона).

Основное преимущество – высокая мощность, (одна лампа с амальгамным элементом по интенсивности света заменяет до 3–5 ртутных. Помимо прочего, амальгама стабильна в широком диапазоне температур, а срок службы – до 20 000 часов. Следует добавить, что стоят амальгамные лампы дороже ртутных и требуют установки ЭПРА – электронных пускорегулирующих аппаратов.

УФ-светодиоды (UV-LED)

Полупроводниковые источники света, которые все чаще, (но пока с далекой от абсолюта эффективностью), применяются в оборудовании фотокаталитической фильтрации примесей. Свет генерируется на стыках полупроводниковых кристаллов. В разрезе фотокатализа обычно используют светодиоды с λ=365…385 нм.

Среди преимуществ диодов – полное отсутствие ртути и стекла, мгновенное включение и выключение, срок службы до 50 000 часов.

Диодные источники с жестким спектром ультрафиолета (254 нм.) сегодня имеют очень низкий КПД при внушительной стоимости. А светодиоды на 365…385 нм. хоть и эффективны, но требуют модифицированного катализатора – легированного анатаза, (так как чистый диоксид титана при облучении мягким ультрафиолетом работает менее эффективно). Вдобавок, диодные панели боятся перегрева – необходимо обеспечивать активное охлаждение световых матриц.

Озоногенерирующие лампы

ФКО-фильтры могут быть оснащены как лампами мягкого ультафиолета, так и озонообразующими лампами с жестким УФ (185 нм. и короче).

Кванты света с λ=185 нм. на молекулярном уровне расщепляют кислород, превращая его в озон, в результате чего по примесям наносится двойной удар – работают и «собственные» радикалы на поверхности фотокатализатора, и озон, который, заполняя пространство рабочей камеры, активно разлагает органические соединения. Такой подход кратно увеличивает скорость очистки воздуха от многих загрязнителей, включая меркаптаны и сероводород.

Важно: если в фотокаталитическом оборудовании установлены озонообразующие лампы, ФКФ в обязательном порядке должен оснащаться финишным – интегрированным или внешним – угольным или иным адсорбционно-каталитическим фильтром, (для деструкции остаточного озона).

Материалы фотонных катализаторов

Наиболее распространенным полупроводниковым фотонным катализатором сегодня является диоксид титана в модификации анатаз. И хотя, (благодаря дешевизне и химической стабильности), на TiO₂ сегодня приходится около 85-90% рынка фотокатализаторов, диоксид титана имеет определенные особенности. Ширина запрещенной зоны у TiO₂ ≈ 3.2 эВ, что заставляет катализатор «просыпаться» только под воздействием ультрафиолетового излучения с длиной волны короче ≈ 380 нм.

Диоксид титана имеет три основные кристаллические модификации: анатаз, рутил и брукит. Брукит в промышленности почти не применяется (из-за нестабильности и дороговизны синтеза чистой фазы), а между анатазом и рутилом идет определенная технологическая борьба, которую в разрезе фотокатализа выигрывает анатаз – благодаря более низкой скорости рекомбинации электронов, (электроны медленнее возвращаются в «дырку», увеличивая время активного контакта с примесями). Анатаз также демонстрирует большую, чем у рутила, адсорбционную способность, но в реальных установках топового уровня 100%-ый анатаз используется далеко не всегда.

Одним из наиболее эффективных фотокаталитических порошков (для напыления на подложку), мировым инженерным сообществом признан Degussa® P25 (альт. название Aeroxide® P25), изготавливаемый немецкой компанией Evonik. Порошок содержит кристаллические фазы в пропорциях: 80% анатаза и 20% рутила, размер частиц ≈ 21 нм.

Рассмотрим также и альтернативные полупроводники, которые используются в современной промышленности для обхода спектральных ограничений и повышения КПД фильтров ФКО / ФКФ:

• Оксид цинка (ZnO). Имеет сопоставимую с TiO₂ ширину запрещенной зоны (3.3 эВ) и для некоторых реакций разложения легкой органики показывает чуть более высокую квантовую эффективность, чем диоксид титана. Главный недостаток – фотокоррозия, (в кислой среде и / или под длительным жестким ультрафиолетом оксид цинка медленно разрушается).
• Оксид вольфрама WO₃. Обладает гораздо более узкой запрещенной зоной 2.4-2.8 эВ и является главным кандидатом для работы в видимом спектре, (от обычных LED-матриц). Впрочем, собственная окислительная способность оксида вольфрама ниже, чем у диоксида титана, потому в чистом виде он используется редко, (чаще в виде композитов TiO₂+WO₃).
• Нитрид углерода (g-C₃N₄). Экспериментальный, многообещающий органический полупроводник, не содержащий металлов. Материал имеет отличную стабильность и идеальную ширину запрещенной зоны ≈ 2.7 эВ, что позволяет «пробуждать» фотокатализатор обычным, мягким светом. На основе нитрида углерода сегодня проектируются гибкие каталитические ткани. Окислительная способность, и как следствие, эффективность в оношении ЛОС у нитрида углерода ниже, чем у анатаза.

Легирование благородными металлами

Пару слов стоит сказать и о легировании наиболее востребованного катализатора – диоксида титана. TiO₂ часто легируется (в «полупроводниковой» терминологии обычно используется слово допируется) благородными металлами – платиной (чаще всего), палладием, серебром. Наночастицы металлов создают на границе фаз дополнительный энергетический барьер – своеобразную ловушку для электронов: положительно заряженные дырки остаются активными (открытыми) в разы дольше, что может увеличить общий КПД установки очистки воздуха до 3…5 раз.

Легирование неметаллами

Применяется и неметаллическое легирование анатаза. Если благородные металлы блокируют быструю рекомбинацию (возврат) электрона, то легирование TiO₂ атомами, например, азота, серы или углерода решает проблему «слепоты» катализатора к видимому спектру.

Внедрение некоторых неметаллов в кристаллическую структуру диоксида титана принудительно сужает запрещенную зону, и катализатор начинает «видеть» не только УФ, но и мягкий свет, что допускает применение в промышленных фотокаталитических реакторах долговечных и безопасных светодиодных матриц.

Заключение: так или иначе, двуокись титана сегодня используется в подавляющем числе фотокаталитических фильтров ФКФ / ФКО – благодаря феноменальной химической стойкости, безопасности (нетоксичности), низкой стоимости и высочайшему окислительному потенциалу. А потребность в ультрафиолете для высокой эффективности очистки воздуха легко решается установкой в реактор мощных и надежных ртутных или амальгамных ламп.

Фильтрация неорганических примесей

Разумно задать вопрос: как фотокаталитический фильтр очищает неорганические соединения, например, сероводород – ведь сера, входящая в H₂S (и высвобождающаяся под жестким излучением или в результате атаки озоном), не может исчезнуть в результате обработки? Есть ли на выходе из фотокаталитического фильтра опасные сернистые соединения?

Возможный скепсис оправдан, но в результате очистки воздуха от сероводорода методом фотокатализа на выходе образуются ничтожные количества соединений серы:

• Фильтры ФКФ ставятся на удаление прежде всего запахов, (содержание дурнопахнущих примесей в воздухе – единицы мг. или даже доли мг. / м³). Человек чувствует запах H₂S при концентрации ≈ 0.01 мг. / м³, и когда фотокаталитическая установка разрушает такое микроскопическое количество сероводорода, объем оксидов серы на выходе настолько мизерный, что они смешиваются с общим потоком воздуха, и конечная концентрация близко не подходит к границам ПДК.
• При жестком фотокатализе, (особенно в условиях образования озона при длине волны УФ-излучения ≈ 185 нм.), сера из SO₂ окисляется дальше – до серного ангидрида SO₃. А поскольку в воздухе всегда есть некоторое количество водяного пара, ангидрид мгновенно превращается в микроаэрозоль серной кислоты H₂SO₄, которая, обладая высокой полярностью, оседает на поверхности катализатора TiO₂.

Впрочем, сероводород, (как и другие неорганические примеси) в малых концентрациях, (например, в вентиляционных выбросах животноводческой фермы или КНС), не представляют опасности для катализатора – со временем он может покрыться легким налетом солей серы, но периодическая промывка каталитической матрицы обычной чистой водой легко удаляет сульфаты и полностью регенерирует установку ФКО.

Характеристики фотокаталитического оборудования ECOSORB

• К производству предлагаем как фирменные одноступенчатые фильтры ФКФ / ФКО собственного бренда ECOSORB, так и многоступенчатые комплексы (монолитные или модульные), объединяющие фотокаталитический реактор, сорбционный блок (активированный уголь / озонодеструктор) и – если требуется – любые другие системы сухой и мокрой пред- и постобработки среды.
• Исполнения под длины волн 185, 254, 365…385 нм., а также би-волновой УФ, подбор и установка в фильтр наиболее эффективных, соответствующих типу излучения фотокатализаторов.
• КПД очистки до 99.99% – обеспечивается глубокая фильтрация производственных эмиссий от ЛОС и запахов, (а также опасных микроорганизмов размером до 0.001 мкм, что недоступно даже для наиболее продвинутых HEPA-фильтров).
• Допустимые концентрации примесей – от долей мг. до 300-500 мг. / м³, пиково до 1000 мг. / м³;
• Производительность оборудования – от десятков единиц до 50 000 м³ / час;
• Низкое сопротивление – аэродинамически просчитанная конструкция, сотовые, пенометаллические или сетчатые подложки фотокатализатора и катализатора / адсорбента минимизируют потери давления, позволяя обойтись штатными вентиляторами предприятия.
• Самоочищение фотокатализатора – свойство супергидрофильности TiO₂ обеспечивает исключительно длительный срок службы.
• Экономия и безопасность – ФКФ работает без каких-либо вспомогательных агентов / реагентов и не образует никаких отходов, потребляя электричество только для работы ламп, что в разрезе очистки воздуха от ЛОС и запахов эксплуатационно дешевле РТО, КТО и даже газоконверторов.
• Чрезвычайно стойкие и долговечные конструкционные материалы.
• Неприхотливость и простота обслуживания – не требуется какой бы то ни было подогрев, периодичность замены ламп до 2 лет, периодически требуется промывка каталитических блоков / сеток обычной водой.
• Надежность, долговечность, чрезвычайно низкие операционные траты, эстетичный вид и стоимость от прямого изготовителя «ПЗГО».

Изготовление и внедрение аппаратуры

Занимаемся проектированием, изготовлением и внедрением в России и СНГ всех типов пылегазоочистного оборудования. Стаж работы более 30 лет, свыше 300 выполненных проектов. Полностью собственное, современное производство, запатентованные технологии. КПД фильтрации примесей любой природы – до 99.99%. Не стесняйтесь задать любой вопрос.

По любым вопросам, связанным с производством и монтажом на Вашем предприятии современных, высокоэффективных фотокаталитических фильтров ФКФ / ФКО, пожалуйста, обращайтесь в «ПЗГО» удобным способом или заполняйте Опросник Заказчика.

Быстро и бережно доставим оборудование до любой точки России, СНГ, Евразии, осуществим профессиональный монтаж или пропатронируем шефмонтаж, обучим штат. Полная документация. Гарантия.

«ПЗГО» – дышите легко!