Фотокаталитический фильтр что это такое

Одна из моделей очистителей

Несмотря на сравнительно недавнее появление, фотокаталитические очистители уже успели получить самые разнообразные отзывы. В отличие от традиционных систем фильтрации воздуха, фотокаталитический очиститель не держит в себе собранные из воздуха источники загрязнения, а тут же ее уничтожает.

Связано действие таких воздухоочистителей с явлением фотокатализа – так называют ускорение химических реакций совместным действием вещества-усилителя (катализатора) и потока света видимого или ультрафиолетового спектра. В воздухоочистителях, чье действие основано на фотокатализе, в качестве катализатора реакций выступает диоксид титана (TiO₂).

В обычном своем состоянии диоксид титана является веществом, не обладающим заметной химической активностью. Он настолько инертен, что одна из областей его широчайшего применения – использование в качестве пищевой добавки (Е171). В частности, используется для придания естественного белого цвета «порошковому» молоку.

Фотокатализатор диоксид титана незаменим для очистки воздуха

Зато, будучи облученным интенсивным лучом ультрафиолетового спектра, диоксид титана становится мощнейшим окислителем. Одним из важных свойств окислителей является их способность разлагать органические вещества на воду и углекислый газ. Почему это свойство так важно в отношении очистки воздуха?

Дело в том, что подавляюще большинство находящихся в воздухе загрязнений имеют органическую природу. Основная масса летающей в воздухе пыли – отшелушившиеся остатки омертвевшего верхнего слоя кожи (эпидермиса), частицы волос, шерсти, ворса по большей части состоят из органики. Органическим веществом является никотин, растворенные в воздухе органические вещества, попадая на рецепторы носа, воспринимаются нами как запах.

Преимущества и недостатки

Таким образом, фотокаталитические очистители воздуха могут буквально аннигилировать не только загрязнения, но и запахи, и вредные химические примеси вроде никотина и табачных смол. Более того, фотокаталитический очиститель является эффективным обеззараживателем воздуха. Действие фотокатализаторов губительно не только для мертвой органики, но и для живой – бактерий, спор грибов и даже вирусов, против которых традиционные фильтры практически бесполезны.

Описание работы фотокаталитического очистителя

В качестве фильтра фотокаталитических очистителей воздуха выступает особый материал, называемый пористым стеклом. Он, подобно губке впитывает (адсорбирует) взвешенные в воздухе примеси. На поверхность стекла методом нанонапыления нанесен слой диоксида молекулярной толщины. Столь тонкий слой является полностью проницаемым для света (что является необходимым условием для фотокатализа) и не уменьшает адсорбирующих свойств пористого стекла. Поверхность фотокаталитического фильтра облучается ультрафиолетовым лучом большой мощности. Задержанные порами стекла частички органики в среде диоксида титана под действием ультрафиолетового излучения разлагаю

Фотокаталитические методы очистки воды и воздуха

Рассмотрены принципы действия фотокатализаторов в процессах глубокого окисления органических соединений в воде и воздухе. Описаны области применения фотокатализаторов: очистка воды и воздуха от органических примесей, создание самоочищающихся стекол и покрытий, создание незапотевающих стекол и зеркал.

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития науки фотокатализ определяют как «изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ (фотокатализаторов), которые поглощают кванты света и участвуют в химических превращениях участников реакции, многократно вступая с ними в промежуточные взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий» [1]. Рассмотрим это определение на примере реакции дегидрирования этилового спирта в водных растворах

C2H5OH -> C2h5O + h3↑

При комнатной температуре эта реакция не идет. Она может идти под действием света с длиной волны меньше 205 нм, которая соответствует краю поглощения этанола. Но это жесткий ультрафиолет, который практически отсутствует в солнечном спектре, достигающем поверхности Земли. В присутствии же фотокатализаторов, например гетерополикислот 12-го ряда типа h4[PW12O40] или мелкодисперсного TiO2, эта реакция идет с высоким квантовым выходом под действием света, соответствующего спектру поглощения гетерополикислоты (λ < 350 нм) или TiO2 (λ < 400 нм). А света с такими длинами волн много в солнечном спектре. И таким образом, в данном случае фотокатализаторы возбуждают химическую реакцию или, как говорят, расширяют спектр действия системы, то есть область длин волн света, при облучении которым идет реакция.

Фотокатализ играет важнейшую роль в живой природе. Так, процесс фотосинтеза, обеспечивающий жизнь на Земле, фотокаталитический. В процессах очистки воды и воздуха от органических примесей в качестве фотокатализатора используют исключительно TiO2.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ TiO2 КАК ФОТОКАТАЛИЗАТОРА

TiO2 – полупроводниковое соединение. Согласно современным представлениям, в таких соединениях.

Х И М И Я

электроны могут находиться в двух состояниях: свободном и связанном. В первом состоянии электроны движутся по кристаллической решетке, образованной катионами Ti4+ и анионами кислорода O2−. Во втором состоянии – основном электроны связаны с каким-либо ионом кристаллической решетки и участвуют в образовании химической связи. Для перевода электрона из связанного состояния в свободное необходимо затратить энергию не менее 3,2 эВ. Эта энергия может быть доставлена квантами света с длиной волны λ < 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, и, двигаясь в частице полупроводника, часть из них рекомбинирует, а часть выходит на поверхность и захватывается ею. Схематически процессы, происходящие на частице TiO2, изображены на рис. 1.

Захваченные поверхностью электрон и дырка являются вполне конкретными химическими частицами. Например, электрон – это, вероятно, Ti3+ на поверхности, а дырка (электронная вакансия) локализуется на решетчатом поверхностном кислороде, образуя О−. Они чрезвычайно реакционноспособны. В терминах окислительно-восстановительных потенциалов реакционная способность электрона и дырки на поверхности TiO2 характеризуется следующими величинами: потенциал электрона ∼ −0,1 В, потенциал дырки ∼ +3 В относительно нормального водородного электрода. Иными словами, электрон способен реагировать с кислородом, рождая последовательность реакций:

Рис. 1. Схематическое изображение процессов, идущих на полупроводниковой частице

O− + e -> O2−,

h3O2 + e -> OH + OH−,

O− + H+ -> OH

При этом могут образовываться такие мощные окислители, как O− и OH⋅ -радикал. Вторым возможным маршрутом реакций электрона являются реакции

e + H+ -> H

(или e + h3O -> OH− + H⋅ ),

H + H -> h3↑

Но второй маршрут реализуется только в водных растворах и при низких концентрациях кислорода. Основным же каналом исчезновения электрона являются реакции с кислородом.

Дырка реагирует либо с водой h + h3O -> OH + H+,

либо с любым адсорбированным органическим (в некоторых случаях и неорганическим) соединением

h + CxHyOz -> CxHy–1Oz + H

OH -радикал или O также способны окислить любое органическое соединение. И таким образом, поверхность TiO2 под светом становится сильнейшим окислителем.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ ФОТОКАТАЛИЗАТОРА

Эффективность фотокатализатора определяется квантовым выходом реакции и спектром действия фотокатализатора. Квантовый выход фотореакции есть отношение числа образующихся молекул продукта к числу поглощенных квантов света. Для полупроводниковых частиц как фотокатализаторов обычно рассматривают несколько стадий процесса: а) поглощение света – рождение электрон-дырочных пар, б) диффузия электронов и дырок к поверхности полупроводника, в) объемная рекомбинация электронов и дырок, г) поверхностная рекомбинация электронов и дырок, д) полезные реакции электронов и дырок с адсорбированными молекулами.

Квантовый выход реакции Φ можно представить следующим образом:

Φ = ηiηr,

где ηi – доля носителей тока, достигших поверхности, ηr – доля носителей тока, достигших поверхности и вступивших в полезную реакцию (избежавших поверхностной рекомбинации).

Для вычисления ηi необходимо использовать уравнения, описывающие движения случайно блуждающих частиц. В самом общем случае упомянутые уравнения довольно сложны и не имеют решения в квадратурах. Однако в простых случаях, когда частицы можно считать сферическими, в их объеме отсутствуют электрические поля и скорости процессов рекомбинации и полезной реакции линейны по концентрациям электронов и дырок, решения получены. Несмотря на упрощения, эти решения дают ясное качественное понимание основных закономерностей обсуждаемых процессов. В частности, если размер частицы становится сравним или меньше длины свободного пробега носителя тока (расстояние, которое успевает пройти электрон или дырка до рекомбинации), то ηi приближается к единице.

Из эксперимента известно, что для частиц TiO2 с радиусом r0 ∼ 25 Å все носители тока выходят на поверхность. Однако на практике не всегда самыми активными являются порошки TiO2 с мелкими частицами. Это можно объяснить анализируя фактор ηr:

ηr = Vr/(Vsr+Vr)

Здесь Vsr – скорость поверхностной рекомбинации, Vr – скорость полезной реакции. Фактор ηr может вносить определяющий вклад в Φ.

Обе скорости Vr и Vsr могут заметно изменяться в зависимости от структуры поверхности, то есть от строения и энергетики центров адсорбции и захвата носителей тока. В свою очередь, упомянутые свойства поверхности зависят от кристаллической структуры образца (для TiO2 наиболее распространены две кристаллические модификации – рутил и анатаз), метода синтеза, последующей процедуры обработки и т.д. или, как говорят, от предыстории образца.

К сожалению, к настоящему моменту нет надежных корреляций, связывающих активность с каким-либо свойством поверхности. Из практики известно, что наибольшей фотокаталитической активностью обладают образцы TiO2 с кристаллической модификацией анатаза и не содержащие большого числа примесей. И приготовление активного TiO2 – предмет опыта. Тем не менее 

практически все, кто занимается прикладным фотокатализом, обладают оригинальными методиками синтеза высокоактивного TiO2. А образцы серии Degussa P-25 и Hombikat UV-100 являются продуктами крупнотоннажного производства, высокоактивны как фотокатализаторы и недороги. Это дает возможность использовать фотокатализ на TiO2 в практике.

С научной точки зрения исследование природы фотокаталитического эффекта, механизма действия фотокатализаторов чрезвычайно интересно. В 1998 году ежемесячно выходило около 150 публикаций, посвященных фотокатализу. Помимо чисто прикладных работ растет число публикаций, в которых сообщается об исследовании фотокаталитических процессов различными физическими методами in situ. Наиболее плодотворны здесь методы ЭПР (электронного парамагнитного резонанса)- и ИК (инфракрасной)-спектроскопии, которые позволяют регистрировать промежуточные продукты превращения органических соединений на поверхности TiO2 и в некоторых случаях идентифицировать захваченные электрон и дырку. Однако до сих пор невозможно ответить на вопрос, почему близкие по свойствам (близкий размер частиц, одинаковая кристаллическая модификация) образцы TiO2 могут сильно различаться по фотокаталитической активности.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ TiO2 КАК ФОТОКАТАЛИЗАТОРА

Очистка воздуха от органических примесей

К настоящему моменту уже показано, что на поверхности TiO2 могут быть окислены (минерализованы) до СО2 и h3O практически любые органические соединения [2]. Если в состав соединений входят азот или атомы галогена Х, то в продуктах реакции будут наблюдаться HNO3 и HX. Единственным известным примером соединения, которое не подвергается на поверхности TiO2 окислению под действием света, является тетрахлорметан, но уже трихлорэтилен разрушается на TiO2 под действием света с квантовым выходом, превышающим единицу. Это связано с тем, что на поверхности TiO2 может образовываться атомарный Cl, который, десорбируясь с поверхности, стимулирует цепной процесс разложения исходного трихлорэтилена.

На практике любой фотокаталитический очиститель воздуха включает в себя пористый носитель с нанесенным TiO2, который облучается светом и через который продувается воздух. Так, на рис. 2 показано устройство бытового фотокаталитического очистителя воздуха, разработанного Информационно-технологическим институтом (Москва) и Институтом катализа Сибирского отделения РАН.

Органические молекулы из потока адсорбируются на поверхности фотокатализатора, нанесенного на пористое стекло (фотокаталитический фильтр), и окисляются до углекислого газа и воды под действием света от УФ-лампы. Эффективность действия такого устройства демонстрируется следующим опытом. Очиститель помещают в замкнутый объем (около 190 л), туда же добавляют ацетон. Наблюдение ведут по убыли ацетона и накоплению СО2. Кинетические кривые этого процесса представлены на рис. 3.

Фактически фотокатализ дает уникальную возможность глубоко окислять органические соединения в мягких условиях, а простота самих устройств позволяет надеяться на прекрасные перспективы использования

Рис. 2. Фотокаталитический очиститель воздуха

фотокатализа на практике. В настоящее время к широкому выпуску фотокаталитических очистителей воздуха приступили такие известные фирмы, как “Toshiba”, “Sharp”, “TOTO”. В России также готовится выпуск оригинальных фотокаталитических очистителей воздуха.

Помимо описанных устройств можно использовать активный TiO2 и для покрытия стен помещений. В этом случае вся поверхность помещения работает как очиститель воздуха. На поверхности TiO2 под действием света не только разрушаются органические молекулы, но и гибнут вредные микроорганизмы, даже обладающие высокой сопротивляемостью к ультрафиолету.

Самоочищающиеся стекла

TiO2 – соединение, прозрачное для видимого света, поэтому тонкие пленки из TiO2, нанесенные на стекло, незаметны для глаза. А само стекло, покрытое такой плен-

Рис. 3. Кинетические кривые исчезновения ацетона и накопления СО2 в замкнутом объеме 190 л с фотореактором, аналогичным изображенному на рис. 2

кой, способно самоочищаться под действием света от органических загрязнений за счет фотокаталитического процесса окисления.

Под действием естественного света или света от ламп дневного света за 1 ч на поверхности может разрушиться слой толщиной 60 Å таких органических соединений, как, например, жирные кислоты, выделяющиеся при жарке продуктов. Выпуск таких стекол будет налажен в ближайшее время.

Незапотевающие зеркала и стекла

Запотевание стекла связано с плохой смачиваемостью поверхности, то есть образованием на поверхности слоя мелких капелек воды, рассеивающих свет. Поверхность стекла или зеркала чаще всего плохо смачивается из-за загрязнения органическими веществами, которые попадают на них из воздуха или при касании, например руками. Тонкая прозрачная пленка фотоактивного TiO2 под действием света разрушает органические загрязнители, поверхность хорошо смачивается, и вода, попадающая на такую поверхность, не собирается в капельки, а растекается по поверхности, а затем испаряется. В группе автора этой статьи было приготовлено зеркало, ровно половина которого была покрыта пленкой TiO2. Глазом наличие такой пленки обнаружить невозможно. Было интересно наблюдать, как с одной половины зеркала запотевание исчезает в течение секунды, а на второй половине долго сохраняется, если подышать на это охлажденное зеркало. Вероятно, выпуск таких зеркал и стекол также будет освоен в ближайшем будущем.

Использование фотокатализа для очистки воды от органических примесей

Так же, как и в воздухе, в воде органические примеси, попав на поверхность частички TiO2, могут быть окислены до СО2 и Н2О. К настоящему времени показано, что в облучаемых суспензиях TiO2 этому процессу подвержены практически любые органические соединения. Однако, как правило, характерные времена полного окисления составляют несколько часов, это частично связано с существенно более медленной диффузией органических молекул в воде, чем в воздухе. Типичный коэффициент диффузии в воде составляет около 10−5 см2/с, что по крайней мере на четыре порядка меньше, чем в воздухе при нормальных условиях. По этой причине проточные реакторы с нанесенным TiO2 малоэффективны. Использование суспензии TiO2 технологически считается не совсем удобным, так как требует последующего удаления TiO2 из потока. В принципе эти проблемы решаются, однако до сих пор неизвестны примеры практического использования проточных фотокаталитических реакторов с гетерогенным катализатором из TiO2.

Наиболее перспективно использование TiO2 для очистки сточных вод в накопительных резервуарах и отстойниках. Показано, что пестициды, используемые в сельском хозяйстве, в водоемах разрушаются в течение нескольких месяцев. Добавление небольших количеств безвредного TiO2 позволяет сократить это время до нескольких дней без использования искусственных источников света, так как процесс идет под действием солнечного света.

Существующие проточные реакторы для очистки воды от органических примесей используют гомогенные фотокатализаторы типа солей железа, при этом в воду добавляется и окислитель – перекись водорода. В общих чертах механизм действия такой системы можно описать следующим образом:

Fe2+ + h3O2 -> Fe3+ + OH− + OH,

Fe2+ + OH -> Fe3+ + OH−,

OH + h3O2 -> HO2 + h3O,

HO2 + Fe3+ -> Fe2+ + H+ + O2,

OH + органическое соединение  продукты окисления.

Раствор перекиси водорода и соли железа называют реагентом Фентона. Как видно, в ходе процесса разложения перекиси водорода образуется OH˙ -радикал, который является сильнейшим окислителем. Эта частица и ответственна за окисление органических соединений в растворе. Под действием света скорость процесса окисления может увеличиться в десятки и даже сотни раз; система носит название “Фото-Фентон”. И хотя механизм действия света еще окончательно не понят, система уже нашла практическое применение из-за простоты, высокой эффективности и экономичности. В частности, технологическое оборудование для очистки сточных вод по методу “Фото-Фентон” поставляется фирмой “Calgon Carbon Oxidation Technologies”, USA.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Фотокаталитические технологии очистки воды и воздуха находятся еще на пороге широкого практического использования. Несомненно, что они будут совершенствоваться, но и сейчас уже ясны достоинства, обусловливающие их привлекательность и перспективы. Это простота, экономичность, возможность использования солнечного света. Последнее крайне важно для будущего, когда энергосберегающие технологии, безусловно, будут иметь преимущество.

ЛИТЕРАТУРА

Пармон В.Н. Фотокатализ: Вопросы терминологии // Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии / Ред. К.И. Замараев, В.Н. Пармон. Новосибирск: Наука, 1991. С. 7–17.

Photocatalytic Purification and Treatment of Water and Air / Ed.by D.F. Ollis, H. Al-Ekabi. Elsevier, 1993.

Рецензент статьи Г.В. Лисичкин

* * *

Евгений Николаевич Савинов, доктор химических наук, профессор кафедры физической химии Новосибирского государственного университета, зав. группой фотокатализа на полупроводниках Института катализа СО РАН. 

Область научных интересов – фотокатализ на дисперсных полупроводниках, фотокаталитические технологии очистки воды и воздуха от органических примесей, фотофизика и фотохимия нанополупроводников, кинетика фотопроцессов в микрогетерогенных средах. Автор и соавтор более 90 научных публикаций, шести авторских свидетельств и патентов России.

схема работы, достоинства, недостатки и как выбрать

В подавляющем большинстве случаев качественная очистка воздуха предусматривает его фильтрацию. Фильтры могут различаться конструкцией, внешним видом и принципом действия, но суть одна. Нагнетаемый и пропускаемый насосом или вентилятором загрязненный воздух очищается от имеющихся в нем частиц и вредных веществ путем задержки их в фильтре.

Такой процесс является механическим способом очистки воздуха. Он характеризуется высокой эффективностью и простотой работы, но не лишен и недостатков:

• Фильтры нуждаются в регулярной чистке, а в зависимости от типа прибора, еще и в замене фильтрующих элементов. Об этом всегда нужно помнить, для этого требуется время, а иногда и средства.
• Еще один недостаток закономерно вытекает из предыдущего – загрязненный и вовремя не прочищенный фильтр не только не способен обрабатывать воздух, но и сам становится источником его загрязнения.

Этих проблем позволяет избежать фотокаталитический очиститель воздуха, появившийся в соответствующем сегменте рынка совсем недавно.

Схема и принцип работы

В основе работы данного типа воздухоочистителя лежит явление фотокатализа, представляющего собой ускорение тех или иных химических реакций под воздействием специального вещества-катализатора и одновременного с ним воздействия света. Катализатором служит диоксид титана – вещество с минимальной химической активностью, что делает возможным его применение даже в пищевой промышленности. Так, с его помощью порошковое молоко «окрашивают» в белый цвет.

Химическая инертность диоксида титана сводится на нет под воздействием Уф-лучей, превращающих его в сильный окислитель. В таком состоянии он способен разлагать на воду и углекислый газ многочисленные органические вещества, что имеет принципиальное значение для очистки воздуха.

Объясняется это довольно просто — почти все загрязняющие воздух вещества являются именно органическими. К ним относятся витающие в виде пыли омертвевшие частички кожи, волос и ворса. Даже некоторые запахи, которые мы чувствуем, являются растворенной в воздухе органикой. Примером может служить обычный никотин.

В роли фильтра в фотокаталитическом очистителе выступает так называемое «пористое стекло» с превосходными адсорбирующими свойствами, позволяющими легко впитывать имеющиеся в воздухе загрязнения. На этот материал тонким и хорошо светопроницаемым слоем, что обеспечивается нанонапылением, нанесен диоксид титана. Под воздействием мощного УФ-излучения он разлагает на воду и углекислый газ все впитанные «пористым стеклом» вещества. Вода без проблем испаряется, дополнительно увлажняя очищенный воздух.

Достоинства и недостатки

Фотокаталитические очистители воздуха характеризуются рядом особенностей, которые делают их достойными конкурентами привычным фильтрам:

• Благодаря способности разлагать даже растворенные в воздухе вещества органической природы, такие очистители способны избавить воздух от многих неприятных запахов и вредных для наших организмов смол.
• Фотокатализ позволяется бороться не только с мертвыми органическими частицами, но и с живыми, то есть, с бактериями, вирусами, спорами грибов. Традиционные фильтры не способны обеспечить такую степень очистки.
• Фотокаталитические воздухоочистители не накапливают загрязнения внутри себя, поэтому не нуждаются в чистке!
• Они потребляют меньше электроэнергии в отличие от обычных фильтров, так как нагнетающему насосу не нужна большая мощность для прогона воздуха через плотные фильтрационные материалы.

При всех своих достоинствах, очистители на основе фотокатализа имеют и недостатки:

• Они абсолютно бессильны против неорганических загрязнений воздуха. Так, очистить воздух от цементной пыли во время ремонта вам не удастся.
• Такие очистители не различают полезные и вредные микроорганизмы. И если эффективная борьба с вирусами идет на пользу человеческому организму, то гибель полезных может сказаться на иммунитете. Особенно на детском, который находится в стадии своего становления. Именно поэтому специалисты не рекомендуют часто использовать фотокаталитические очистители в детских комнатах.

Как выбрать

Если после ознакомления с принципом работы, достоинствами и недостатками вы решили приобрести фотокаталитический очиститель воздуха, то учтите некоторые нюансы:

• Выбор прибора должен основываться на площади того помещения, в котором он будет эксплуатироваться. Это позволит избежать лишних энергозатрат и снижения эффективности очистки.
• Оцените качество загрязнения воздуха. Если неорганические вещества и частицы преобладают, то выберите другой способ их удаления.
• Большую роль играет и степень загрязнения помещения. Так, в обычной квартире, где периодически курит кто-то из домочадцев, фотокаталитический очиститель вполне справится со своими задачами, а вот в «курилке» бара – вряд ли. Для этого его фильтр должен быть размером с обеденный стол.

Что необходимо знать о бытовом фотокататалитическом очистителе воздуха

Что мы должны знать о воздухоочистителе?

• Соответствует ли объем очищаемого воздуха размеру комнаты.
• Уровень шума.
• Срок службы фильтра и его цена.
• Потребляемая мощность.
• Метод очистки воздуха.
• Общие расходы за 4-хлетний период (включая замену фильтра).

Фотокаталитические воздухоочистители

Преимущества:

• Размер уничтожаемых частиц - до 0,001 мкм.
• Срок службы сменных фильтров фотокаталитического очистителя воздуха Аэролайф составляет от 4 до 7 лет.
• Эффективность чистки в 500 раз выше, чем у угольных фильтров.
• Эффективность очистки имеет стабильно высокий показатель, не зависящий от выработки фильтра, и составляет 95%.
• В процессе фотокатализа вредные примеси не накапливаются в фильтре, а под действием диоксида титана (фотокатализатора) и ультрафиолетового излучения разлагается до абсолютно безвредных компонентов естественной воздушной среды.
• Дезактивируются вирусы и бактерии.
• Не образуется озон.
• Низкий уровень шума.
• Низкий расход потребляемой мощности за счет применения инверторного двигателя.

Недостатки

не выявлены.

НЕРА

Преимущества:

• Размер задерживаемых частиц - до 0,03 мкм.
• Стоимость очистителя дешевле, чем фотокаталитического очистителя.
• При установке нового фильтра НЕРА очистка возможна до 95%.

Недостатки:

• Эффективность очистки от пыли достигается только при наличии предварительного фильтра.
• Фильтр быстро загрязняется и нуждается в замене.
• Фильтр НЕРА задерживает микроорганизмы, но не дезактивирует их, и поэтому при определенном накоплении могут возвращаться в воздух.

Угольные фильтры

Преимущества:

• Низкая цена.
• Удаляет запахи.

Недостатки:

• Запахи удаляются достаточно медленно.
• Накопленные загрязнения могут возвращаться обратно в воздух.
• Фильтр быстро загрязняется и нуждается в замене.
• Загрязнения не обезвреживаются, а накапливаются.

Почему фотокаталитический метод очистки воздуха является лучшим на мировом рынке?

Уникальная технология фотокатализа дает высокий уровень очистки, уничтожает вредные вещества не за счет абсорбции (накопление внутри на примере угольного фильтра или НЕРА) а за счет расщепления частиц на молекулярном уровне и соответственно не накапливая их. Принцип действия фотокаталитического фильтра основан на уникальной особенности диоксида титана (фотокатализатора) в присутствии ультрафиолетового света расщеплять токсичные вещества до безвредных составляющих, а так же дезактивировать вирусы и бактерии.

Информация об очистительных особенностях фильтра

Помогает ли фотокаталитический воздухоочиститель при аллергии?
Фотокаталитические воздухоочистители устраняют элементарные аллергены, такие как мелкодисперсная пыль, шерсть домашних животных, пыльцу растений, пылевые клещи, а также токсичные газы.

Будет ли фотокаталитический фильтр служить профилактикой респираторных заболеваний?
Да, так как фотокаталитическая система чистки воздуха дезактивирует вирусы и бактерии.

Устраняют ли фотокаталитические воздухоочистители неприятные запахи, включая табачный дым и выхлопные газы?
Да, за счет уникальной способности диоксида титана (фотокатализатора) под действием ультрафиолетового света расщеплять на молекулярном уровне все загрязнения, включая неприятные запахи (в том числе и табачный дым, и выхлопные газы) до безвредных составляющих.

Образуется ли озон при работе фотокаталитического метода очистки воздуха?
Нет, озон при работе фотокаталитического фильтра не образуется.

Фотокаталитические фильтры очистки воздуха | Аэролайф

Следуя научному определению, фотокатализ – это 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.

Если постараться рассказать просто о сложном физико-химическом процессе, то сущность метода состоит в окислении веществ на поверхности катализатора под действием мягкого ультрафиолетового излучения диапазона А (с длиной волны более 300 нм). Реакция протекает при комнатной температуре, при этом токсичные примеси не накапливаются на фильтре, а разрушаются до безвредных компонентов воздуха: двуокиси углерода, воды и азота.

Вредные органические и неорганические загрязнители, бактерии, вирусы, споры плесени адсорбируются на поверхности фотокатализатора и под действием мягкого ультрафиолета окисляются до углекислого газа, воды и атмосферного азота. Фактически фотокатализ дает уникальную возможность глубоко окислять органические и неорганические соединения в мягких условиях.

Подробно о фотокатализе читайте на странице «Фотокатализ».

Профессиональные и бытовые очистители воздуха Аэролайф

Во всех воздухоочистителях Аэролайф в качестве фотокатализатора используется 100 % диоксид титана, допированный платиной и палладием. Все используемые источники УФ-излучения работают в безозоновой области ультрафиолета – А (320-400 нм). 

Преимущества и недостатки технологии:

• Эффективно удаляют из воздуха все органические, элементорганические и неорганические загрязнители и все виды вирусов, бактерий, спор плесени и грибов.
• В процессе очистки загрязнители не накапливаются на фильтре, а полностью разлагаются до безвредных компонентов воздуха.
• Практически неограниченный ресурс работы фильтра и, соответственно, нулевые эксплуатационные расходы.
• Полная инактивация и уничтожение микробиологических загрязнителей.
• Неселективное уничтожение химических загрязнителей, вирусов и бактерий.
• Низкое динамическое сопротивление при любых расходах воздуха.
• Невысокая скорость очистки.
• При залповых выбросах может происходить проскок загрязнителей.
• Фильтры не предназначены для удаления механических частиц из воздуха.

О фотокатализе для начинающих

Катализ в переводе с греческого слова «каталюзис» означает разложение, или разрушение. Этот термин встречается уже в XVI в. в сочинениях алхимика Либивиуса. Однако, каталитические процессы использовались в практических целях еще со времен глубокой древности, например приготовление теста при хлебопечении, сбраживание виноградного сока при получении вина, приготовлении уксуса и т.д.

Немного из истории фотокатализа 

Что касается фотокатализа, это слово состоит из двух частей фото... (от греч. фотос — свет), соответствующая по значению слову "фотографический и катализ", изменение скорости химических реакций в присутствии веществ (катализаторов), вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с реагирующими веществами, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой химический состав.

Таким образом, фотокатализ – это изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ (фотокатализаторов), которые поглощают кванты света и участвуют в химических превращениях участников реакции, многократно вступая с ними в промежуточные взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий [1].

Эффект фотокатализа - минерализации газообразных загрязнений на поверхности катализатора под действием мягкого ультрафиолетового излучения - открыт еще в 20-е годы прошлого века. Однако наибольшему интересу к фотокатализу способствовали пионерские работы А. Фуджишима в 1970 году, которые открыли путь для широкого применения диоксида титана при конверсии солнечной энергии [2]. С этого момента разработано большое количество разнообразных фотокатализаторов.

Особенности фотокаталитических реакций и фотокатализаторов

Итак, фотокатализом называют изменение скорости химических реакций под действием веществ-катализаторов, активирующихся при облучении квантом света и участвующих в реакции, но не входящих в состав конечных продуктов.

В настоящее время разработано большое многообразие веществ фотокатализаторов, ускоряющих различные реакции синтеза и разложения, протекающих при облучении светом. 

В основном при фотокатализе фотокатализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах и отделены границей раздела, поэтому данный процесс можно отнести к гетерогенному катализу. Примером может служить использование диоксида титана в качестве фотокатализатора в многочисленных исследованиях.

Фотокаталитические реакции имеют характерные отличительные признаки. Прежде всего, фотокатализатор, изменяющий скорость реакции, является не пассивным, а активным участником химической реакции. Фотокатализатор может участвовать в промежуточных стадиях и по окончании реакции он полностью регенерируется, то есть выходит из реакции таким же каким вступил в реакцию. В идеальном случае фотокатализатор должен сохранять свои свойства очень долгое время. Однако во многих случаях состав фотокатализатора в той или иной степени изменяется. Часто фотокатализатор как бы отравляется самой реакцией, и активность его постепенно уменьшается. Примером может служит протекание фотокаталитической реакции на оксиде меди (I), способного к активности при облучении дневным светом, который восстанавливается до чистой меди в ходе реакции и таким образом уменьшается его активность.

Наличие фотокаталитических свойств различных материалов обусловлены особенностями их электронной структуры, а именно существованием в них валентной зоны проводимости. В основном в качестве фотоактивных материалов являются оксиды различных металлов, являющиеся полупроводниками.

Для того, чтобы в полупроводниках появилось достаточное количество электронов проводимости, необходимо перебросить электроны из заполненной зоны в зону проводимости. Для этого электроны должны получить дополнительную энергию и преодолеть так называемую ширину запрещенной зоны. Эту добавочную энергию кристаллы полупроводников получают за счет энергии света. Тогда электрон в результате светового возбуждения переходит из заполненной электронной зоны в зону проводимости (рис. 1), например, для TiO2, и может участвовать в протекании фотокаталитической реакции А в электронной зоне вместо ушедшего электрона появляется образно говоря «пустое место», которое условно называют «дыркой», а более научное название которой пазон. Дырки в свою очередь участвуют в фотокаталитическом процессе, и возникает как бы эстафетная передача электронов, какой-либо электрон занимает освободившееся место, его место занимает другой электрон и т.д.  

Рис. 1. Схема фотогенерирования окислительных агентов на поверхности TiO2

Чем больше ширина запрещенной зоны, тем менее вероятен переброс электрона из электронной зоны в валентную зону. Ширина запрещенной зоны (равная энергии активации электропроводности) зависит от природы твердого тела (полупроводник или изолятор) и может иметь различные значения – от десятых долей до 8-10 эВ (электронвольт).

Классификация фотокатализа

После краткой экскурсии в область электронных представлений о твердых телах возвратимся к классификации процессов фотокатализа. Согласно этой классификации основные фотокаталитические процессы можно условно разделить на два больших класса. При фотоиндуцированном катализе повышение скорости прохождения реакции обеспечивается катализатором, который образуется из ранее неактивного вещества (прекьюсора) под воздействием света. При некоторых условиях подобные реакции могут идти и после прекращения облучения. 

Фотоактивированный катализ схож с катализом фотоиндуцированным (в нем также из прекьюсора образуется катализатор под воздействием света). Однако в процессе протекания основной реакции катализатор снова превращается в прекьюсор. Поэтому для обеспечения катализа необходимо постоянное облучение.

Каталитические фотореакции как разновидность фотокатализа характерны тем, что катализатор в них играет традиционную роль. Под воздействием света же изменяются реагирующие вещества, переходя в так называемое возбужденное состояние. В нем становится возможным их эффективное взаимодействие с катализатором. Соответственно, реакция идет только под воздействием света.

Фотокаталитические реакции весьма распространены в природе. Наиболее ярким примером естественного фотокатализа является фотосинтез. В химической промышленности сегодня фотокатализ применяется весьма широко. С помощью него ускоряются различные реакции окисления, восстановления, полимеризации гидрирования и дегидрирования, осаждения металлов. На основе эффекта фотокатализа производят системы очистки воды воздуха [3].

TiO2 как фотокатализатор

Диоксид титана полупроводник. Согласно современным представлениям, в таких соединениях электроны могут находиться в двух состояниях: свободном и связанном. В первом состоянии электроны движутся по кристаллической решетке, во втором состоянии — основном электроны связаны с каким-либо ионом кристаллической решетки и участвуют в образовании химической связи. Для перевода электрона из связанного состояния в свободное необходимо затратить энергию не менее 3,2 эВ. Эта энергия может быть доставлена квантами света с длиной волны более 390 нм [4]. При поглощении кванта света в объеме частицы TiO2 образуются свободный электрон (e ) и электронная вакансия – дырка (h+), которые рекомбинируются или мигрируют в полупроводнике, частично локализуясь на структурных дефектах его кристаллической решетки (рис. 1).

Фотокатализ на наночастицах

В последние годы размерные эффекты привлекают большое внимание исследователей, занимающихся проблемами фотокатализа, что связано чрезвычайно высокой активностью наноразмерных частиц по сравнению с массивными материалами, обнаруженной в ряде случаев в реакциях, стимулированных светом.

Повышенная активность наноразмерных фотокатализаторов можно объяснить высокой степенью дисперсности материалов, т.е. число атомов на поверхности или на гранях кристаллов сравнимо с числом атомов, расположенных внутри. Кроме того, при приближении размеров частиц полупроводниковых фотокатализаторов к нескольким нанометрам, длина волны электрона становиться сопоставимой с размером кристалла. В этом случае носители заряда рассматриваются на квантовомеханическом уровне, как частицы в ящике, размеры которого определяются размерами кристалла. Наноразмерные частицы твердого вещества, в которых проявляются квантовые эффекты, называют Q-частицами

[5].

Из-за пространственного ограничения, испытываемого фотогенерированными электронами и дырками в наночастицах полупроводников, носители заряда ведут себя как квантовые частицы в ящике. Проще говоря, чтобы удержаться в частице они должны занимать уровень с более высокой кинетической энергией, чем в объемных материалах. Электроны и дырки в таком состоянии всегда подвергаются кулоновскому притяжению.

Поэтому это состояние обычно называют экситонным, по аналогии с электростатически связанной парой электрон-дырка в объеме твердых тел. Для наноразмерных частиц различия между состояниями энергетических зон и экситонными уровнями не просматриваются. Возрастание кинетической энергии носителей заряда с уменьшением размера частиц оказывается больше кулоновского притяжения. В результате энергия экситонного перехода будет возрастать при снижении размера частиц.

Распределение энергетических уровней в наноразмерной частице полупроводника занимает некоторое промежуточное положение между массивным полупроводником и молекулой. Такое распределение приводит к тому, что наночастицы ведут себя практически как изоляторы. В этом случае весьма вероятно, что при поглощении света число генерированных основных носителей заряда значительно превысить число темновых. Накопление неравновесных носителей в частице ведет к более сильному сдвигу квазиуровня Ферми основных носителей в наночастице при ее освещении, чем в «массивном» полупроводнике.

Другое проявление квантовых эффектов в наноразмерных частицах полупроводников – это «голубой» сдвиг края собственного поглощения света, который является следствием увеличения ширины запрещенной зоны [5].

Практическое использование фотокатализа

На рис. 2 приведена схема практического использования фотокатализа с использованием диоксида титана в качестве фотокатализатора. 

Рис. 2. Схема практического использования фотокатализа на TiO2

Осуществление фотокатализа позволяет окислять органические соединения в мягких условиях до СО2 и Н2О. Кроме того, могут быть получены тонкие пленки из ТiO2, нанесенные на стекло, которое приводит к способности самоочищаться такого стекла под действием света от органических загрязнений за счет процесса фотокаталитического окисления [4]. 

Литература:

Пармон В.Н. Фотокатализ: Вопросы терминологии // Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии / Ред. К.И. Замараев, В.Н. Пармон. Новосибирск: Наука, 1991. 

Fujishima A.,  Honda K. Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode // Nature 238, 37 - 38; doi:10.1038/238037a0

Что такое фотокатализ ? http://www.kakprosto.ru/kak-244805-chto-takoe-fotokataliz

Савинова Е.Н. Фотокаталитические методы очистки воды и воздуха. http://www.aerolifeshop.ru/clean4.html

Артемьев Ю.М., Рябчук В.К. Введение в гетерогенный фотокатализ. – 1999., СПб.:

Изд. С.-Петерб. ун-та. – 304 с. 

Смотрите также

• 
  Технология триз в доу что это такое
• 
  Женские слиперы что это такое
• 
  Рамп стейк что это такое
• 
  Гидрогелевая маска для лица что это такое
• 
  Таргетинг что это такое
• 
  Гигрометр что это такое как им пользоваться
• 
  Асфиксия новорожденных что это такое
• 
  Лошадь мерин что это такое
• 
  Домашний регион мтс что это такое
• 
  Хвн 1 степени что это такое
• 
  Неткол что это такое