ФОТОКАТАЛИЗ

Очиститель воздуха с фотокаталитическим фильтром

• Преимущества и недостатки
• Выбор очистителя

Процесс очистки воздуха практически всегда сопряжен с его фильтрацией.

Обычно с помощью насосов или вентиляторов поток воздуха «прогоняется» через фильтры различного принципа действия, где и задерживаются, содержащиеся в воздухе загрязнения.

Несмотря на простоту и эффективность такой тип очистки (так называемая механическая очистка) имеет ряд значительных недостатков.

Во-первых, фильтр необходимо периодически чистить и регулярно заменять, что само по себе причиняет некоторое неудобство. Во-вторых, вовремя не вычищенный фильтр сам в свою очередь становится дополнительным источником загрязнения. Этих недостатков лишен фотокаталитический очиститель воздуха.

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).

[attention type=yellow]

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.

[/attention]

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.

[attention type=red]

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.

[/attention]

Задержанные порами стекла частички органики в среде диоксида титана под действием ультрафиолетового излучения разлагаются на углекислый газ и воду, которая тут же испаряется, увеличивая влажность воздуха.

Благодаря этому фотокаталитические фильтры не нуждаются в очистке – их просто не от чего очищать, они не держать загрязнения в себе.

Также фотокаталитические очистители выгодно отличаются от традиционных низким уровнем энергопотребления. Ведь львиная доля потребляемой традиционными очистителями энергии уходит на «прогон» воздуха через плотный фильтр. «Сопутствующим» преимуществом низкой мощности насоса является его малая шумность.

Такой воздух вряд ли под силу очистителю

Главным недостатком фотокаталитической очистки воздуха является ее полная бесполезность против загрязнений неорганического характера. Например, если у вас в квартире затянувшийся ремонт, и вы не хотите дышать цементной пылью, традиционная «мойка воздуха» принесет вам намного больше пользы, чем самый совершенный фотокаталитический очиститель.

Другой проблемой является излишняя стерилизация воздуха от микроорганизмов. Фотокатализ одинаково губителен как для опасных бактерий и вирусов, так и для безвредных.

На взрослых это не окажет большого влияния, зато отсутствие контактов с микромиром может воспрепятствовать развитию нормального иммунитета у детей.

Поэтому особо увлекаться фотокаталитической очисткой воздуха детских комнат не рекомендуется.

Выбор очистителя

Если вы, рассмотрев отзывы и взвесив различные варианты, решили купить фотокаталитический очиститель, рекомендуем вам обратить внимание на следующие моменты:

1. Выбирайте очиститель исходя из площади помещения, для которого вы хотите его использовать. Это поможет вам избежать как повышенных затрат энергии, так и низкой эффективностью очистки.
2. Примите во внимание характер загрязнения. Если загрязнение в помещении, в котором планируется использовать очиститель, имеет неорганический характер, то лучше купить очиститель-«комбайн», совмещающий различные методы очистки.
3. Также немаловажен и объем возможных загрязнений. Принцип работы фотокаталитического очистителя таков, что он физически не может иметь большую пропускную способность при приемлемой площади фильтра. Фотокатализ отлично справляется с никотином и табачными смолами, но для того, чтоб заметно очистить курительную комнату в доме, или зал для курящих в баре или ресторане, фотокаталитическому очистителю понадобится фильтр площадью с хороший обеденный стол. В таком случае вам понадобится устройство, сочетающее в себе фотокатализ с НЕРА-фильтром.

Как видите, несмотря на все преимущества, фотокаталитические очистители не лишены и недостатков. Это устройство, несомненно, будет вам полезно, однако чудес ждать не стоит.

Электрокатализ и фотокатализ

Благодаряхимической модификации каталитическиактивных электродных поверхностейсоздается возможность управленияхимическими процессами, происходящимина границе раздела жидкий раствор –электроды. Химическая модификацияэлектродов стимулирует вполне определенныереакции.

Она осуществляется в результатетехнологической операции осаждениятонкопленочных слоев, широко применяемойдля формирования рабочих элементовинтегральных схем.

Например, нанесенныйтонкопленочный слой рутения в качествекаталитического покрытия существенносокращает потребление энергии впроизводстве хлора и щелочи.

Электрохимическаяячейка может содержать один или дваполупроводниковых электрода, поглощающихэлектромагнитное излучение. В результатевозникает фотокатализ, стимулирующийокислительно-восстановительные процессына границе раздела электрод– раствор.Подобный эффект наблюдается на границераствор–частица. Фотокаталитическиепроцессы представляют не только научный,но и практический интерес.

Например, наповерхности диоксида титана происходитдеструкция (разрушение структуры)токсичных веществ в стоках, в частности,в стоках цианидов. Известна идеяфотокаталитического использованиясолнечной энергии для производствакислорода и водорода из воды. А водородкак экологически чистое топливо (приего сгорании образуется вода) мог бызаменить истощающееся и загрязняющееатмосферу нефтяное топливо.

Искусственные ферменты

Ферменты– естественные биологические катализаторы,представляющие собой сложнейшиемолекулярные системы.

Современныеэкспериментальные средства позволяютне только определить состав подобногорода систем, но и управлять их молекулярнойтопологией, что очень важно при созданииискусственных ферментов.

Один из способовконструирования искусственных ферментовзаключается в формировании в большихмолекулах профилированных полостей споследующим их заполнением каталитическимисвязывающими центрами.

Искусственныеферменты иногда называют биоимитаторами.К настоящему времени получены биоимитаторыферментов, биологически синтезирующихаминокислоты. Синтезированы ферменты,структурно родственные природномусоединению – витамину В и обладающиевысокой селективностью и дажестереоселективностью.

Полученыбиоимитаторы нескольких ферментов,участвующих в переваривании белков, исоединения, катализирующие расщеплениеРНК, в которые введены каталитическиегруппы, присутствующие в ферментерибонуклеазе. Синтезирован имитаторгемоглобина – переносчик кислорода.Структура активной части гемоглобинаизображена на рис. 6.4.

Интенсивные работыпо созданию искусственных ферментовпродолжаются. В результате появляютсяновые биоимитаторы ферментов.

6.5. Образование земных и внеземных веществ

Геохимическиепроцессы на Земле, происходящие в недрахЗемли и на ее поверхности, представляютсобой превращения сложных соединенийи смесей, состоящих из кристаллическихи аморфных фаз. Многие из них протекаютпри очень высоких давлениях и температурах.

Современные технические средстваэксперимента позволяют воспроизвестив лаборатории условия близкие к условиямвнутри Земли и даже земного ядра.Природные процессы: кристаллизация,частичное растворение, изменениеструктуры минералов (метаморфизм),выветривание и т. п.

– приводят кобразованию рудных отложений или к ихразрушению и рассеянию.

Большойинтерес представляют метеориты: онидают необходимую информацию об эволюциинебесных тел, находящихся на разныхстадиях развития. При этом важную рольиграет анализ изотопного состава многихметаллов и газообразных веществ,найденных в метеоритах.

Химиявнесла существенный вклад в исследованиекосмического пространства они ужевнесли и продолжают вносить.

Без ракетноготоплива и материалов, способных выдержатьогромное давление, высокую температуруи интенсивное космическое излучение,без электрохимических источниковэнергии, без разнообразных химическихсредств для обеспечения питаниякосмонавтов и устранения отходов мысегодня смотрели бы на Луну из нашегопрекрасного далека.

Космос с давних порстал объектом химических исследований.На стыке химии и астрофизики зародиласьновая отрасль естествознания –космохимия, изучающая составкосмических тел, законы распространенностиэлементов во Вселенной.

Первыерезультаты о химическом составе небесныхтел были получены с помощью спектральногоанализа. В химических лабораториях,кроме того, исследовался составметеоритного вещества. Состав метеоритовоказался единообразным, как если бы онипроисходили из одного итого же рудника.

До сих пор ни в одном метеорите не найденэлемент, который не встречался бы наЗемле. С помощью самых точных методованализа в метеоритах обнаружены почтивсе известные на нашей планете элементы.

[attention type=green]

Характерная особенность большинстваметеоритов заключается в том, что онисодержат много чистого железа и оченьмало наиболее распространенного наЗемле кварца. Вещества, которые указывалибы на существование жизни в космосе,пока не найдены, хотя углерод обнаруженв виде крошечных алмазов, графита иаморфного угля.

[/attention]

Относительно недавнопоявилось сообщение об обнаружениибактериоподобной структуры в метеоритес Марса (см. рис. 6.5), что является предметомдальнейшей дискуссии о существованиижизни на данной планете в далекомпрошлом.

Наиболеечасто встречающиеся каменные метеориты,как и большинство земных пород, состоятв основном из силиката магния.

Железныеметеориты содержат до 90% железа. никеля в них составляет 6–20%. Кроме того,метеориты содержат кобальт, медь, хром,фосфор, серу, платину, палладий, серебро,иридий, золото и другие элементы.Встречаются включения газов: водорода,оксида и диоксида углерода.

Прямаягеологическая разведка небесных телначалась 21 июля 1969 г., когда люди впервыеступили на поверхность Луны и отобралипробы лунного грунта. Через год снебольшим прилунилась первая автоматическаястанция «Луна-16», возвратившаяся наЗемлю с образцами лунной породы. Немногопозднее, в ноябре 1970 г.

на Луну доставленасоветская автоматическая станция«Луноход-1», которая, начав свое движениепо Луне с северо-западного Моря дождей,обследовала за 321 сутки около 50 га луннойповерхности. Обследования проводилисьи днем, и ночью при температурах от –140до + 130° С.

Результаты анализа показали,что за исключением несколько повышенногосодержания в них тугоплавких соединенийтитана, циркония, хрома и железа, лунныепороды по своему составу очень похожина земные. Некоторые различия выявилисьне в составе, а в свойствах. Так, например,лунное железо ржавеет медленнее, чемземное.

В верхнем слое лунного грунтаобнаружен удивительный минерал,получивший название реголит;теплопроводность которого значительноменьше теплопроводности лучших земныхтеплопроводных веществ.

Исследовалисьи другие космические объекты. Так, спомощью космического зонда, отправленногок Венере, в результате гамма-спектральногоанализа установлено, что грунт Венерыпо химическому составу соответствуетграниту.

Материя,находящаяся в межзвездном пространстве,состоит из двух компонентов – межзвездногогаза и межзвездной пыли. Наиболеераспространены в космическом пространствеводород (70 масс. %) и гелий (28 масс. %). Вгазовых межзвездных облаках обнаруженоболее 20 химических компонентов.

Нарядус простыми молекулами (СО, Н2,HCN, H2O,NH3)в 200 космических газовых скопленияхнайдены и более сложные химическиесоединения – метанол, изоциановаякислота, формамид, формальдегид,метилацетилен и ацетальдегид.

[attention type=yellow]

Относительнонедавно обнаружены молекулы этиловогоспирта, муравьиной кислоты и другихсоединений.

[/attention]

Исследованиякосмохимии носят преимущественнопознавательный характер, но нельзяисключать, что в будущем они обретутпрактическую значимость. Тем не менееуже получены некоторые важные дляпрактики результаты.

Например, дляхимико-фармацевтической промышленностипредставляет практический интересболее интенсивное развитие бактериальныхкультур в невесомости, чем на Земле.Металлурги могут ожидать разработкисплавов с новыми свойствами.

Весьмаперспективно выращивание в космосебездефектных монокристаллов, особеннооксидов металлов. Следует ожидать, чтов XXI в. появится новая отрасль науки –химия синтеза в космосе.

Фотокаталитические очистители воздуха

Воздухооочистители с функцией фотокатализа считаются самыми современными, эффективными и экономичными, так ли это? Главное преимущество фотокатализа — полное разложение токсичных загрязнений, присутствующих в воздухе, до безопасных воды, кислорода и углекислого газа.

В отличие от них приборы с угольными фильтрами просто задерживают загрязнения в порах фильтра, причем способны захватить отнюдь не все частицы. Фотокаталитические очистители уничтожают частицы размером до 0,001 мкм.

Это газообразные вещества минимального размера, которые присутствуют в воздухе.

Давайте начнем с главного: фотокаталитические воздухоочистители очень эффективно справляются с такими вредными примесями, как табачный дым, летучие химические соединения, угарный газ, выхлопные газы, бактерии, плесень, пылевой клещ и даже вирусы. Например, вирусы настолько малы, что ни один механический фильтр не способен их задержать и уничтожить их можно только химическим путем, что и делает фотокатализ.

Фотокаталитические приборы в 500 раз эффективнее моделей с угольными фильтрами для устранения неприятных запахов и различных газов, не зря они считаются самыми совершенными системами очистки на вредных промышленных производствах, где удаление токсичных газов жизненно необходимо.

Почему же так хорошо известные всем угольные фильтры в целых 500 раз слабее фотокатализа? Уголь впитывает молекулы запахов в микропоры на своей поверхности и со временем теряет свойства, постепенно забиваясь.

Кроме того, угольные поры успевают поглотить далеко не все частички газов и запахов, многие из них настолько легкие, что запросто пролетают мимо. Секрет же фотокаталитического очистителя в выработке активных окислителей, которые вступают с вредными веществами в химическую реакцию, разлагая их на более простые безопасные элементы.

При этом фотокаталитический фильтр будет максимально эффективен в течение всего срока эксплуатации аппарата, т.к. катализатор никак не тратится. Потребуется только каждые 1-2 года заменять ультрафиолетовую лампу.

Для прибора с фотокатализом нет полумер, если он включается, в воздухе не остается никаких загрязнений – ни крупных, ни микроскопических; ни легких (газы, дым), ни тяжелых (бактерии, плесень); и не важно какой химический состав они имеют.

При использовании фотокаталитических очистителей воздуха дома или в офисе воздух освобождается от микроорганизмов и аллергеннов органическогог происхождения, таких как пылевой клещ и плесень, что очень важно для аллергиков.

Окислительные процессы фотокатализа настолько сильны, что уничтожается 99,99% всех находящихся в воздухе вирусов, бактерий и микроорганизмов.

Эффективность устранения запахов с помощью фотокатализа – 85% уже за первые 5 минут работы аппарата, т.е. через несколько минут после его включения Вам не придется больше дышать табачным дымом, формальдегидом и другими токсичными веществами, разрушающими здоровье.

С какими загрязнениями воздуха способен справиться фотокаталитический очиститель воздуха:

• Любые неприятные запахи. Практически все запахи образуются органическими соединениями, поэтому они легко разлагаются и пропадают.
• Дым, в т.ч. табачный, гарь, копоть, смог
• Вредные токсичные вещества: угарный газ, формальдегид, аммиак, окислы азота, сероводород, фенолы, выхлопные газы
• Токсичные органические соединения: хлор, эфиры, углеводороды (например, испарения бытовых чистящих средств)
• Аллергены: фекалии пылевого клеща
• Болезнетворные вирусы, бактерии
• Различные микроорганизмы: плесень, грибок, пылевой клещ

По результатам последних исследований приборы с угольными фильтрами не справляются с легкими соединениями – формальдегидом, окислами азота, окисью углерода — наиболее типичными загрязнениями городского воздуха.

Например, формальдегид, выделяется из мебели, строительных и отделочных материалов. Он ухудшает работу органов дыхания и нервной системы. Угольные фильтры не могут очистить воздух от формальдегида, а фотокаталитические эффективно справляются с любыми токсичными испарениями.

Нера- и угольные фильтры также малоэффективны в борьбе с бактериями, вирусами, микроорганизмами, обитающими в воздухе большинства помещений, провоцирующими возникновение заболеваний.

[attention type=red]

Если в конструкции прибора не предусмотрена ультрафиолетовая лампа, то микроорганизмы задержанные фильтром, зачастую продолжают на нем размножаться. Фотокаталитический очиститель с помощью образовавшихся окислителей повреждает внешнюю оболочку микробов, в результате они погибают, а воздух обеззараживается.

[/attention]

Такие приборы уничтожают даже самые опасные для человека микробы: кишечную палочку, золотистый стафилококк и плесень.

Как работают фотокаталитические воздухоочистители:

Фотокаталитический фильтр состоит из катализатора и ультрафиолетовой лампы, именно их взаимодействие и производит такую мощную очистку.

Ультрафиолетовый свет попадает на поверхность катализатора (в большинстве случает это диоксид титана), при этом образуются натуральные вещества с высокой окислительной способностью (озон и высшие оксиды), которые разлагаютт все попавшие на поверхность катализатора загрязняющие вещества. Кроме того, проникая в воздух помещения, окислители сталкиваются с загрязнениями, взаимодействуют с ними, разлагая на безвредные вещества (в основном воду и углекислый газ). Расщепление происходит на молекулярном уровне. Таким образом, фотокаталитический очиститель нигде ничего не накапливает, Вам не нужно менять сам фильтр, воздух становится чистым совершенно естественными образом, как это происходит в природе.

Фотокатализ – экологически чистый и абсолютно безвредный метод очистки, т.к. он является копированием естественных фотохимических процессов, постоянно очищающих воздух в природе. Фотокатализ был открыт более 20-ти лет назад, но фотокаталитические приборы стали массово производиться не так давно.

В 90-х годах были проведены эксперименты по очистке воздуха:

• В квартирах и тоннелях Японии
• В цехах по производству микроэлектроники в США
• На предприятии по производству взрывчатых веществ в США
• В салонах самолетов «Боинг» и японских автомобилей
• В больницах при лечении аллергии и астмы в США и для уничтожения патогенной микрофлоры.

Тогда была опытным путем доказана эффективность применения фотокатализа.

Преимущества фотокаталитических очистителей воздуха:

• отсутствие сменных фильтров, т.е. дополнительных затрат на содержание прибора. Меняется только уф-лампа 1-2 раза в год. в итоге через годы использования модель с угольным фильтром обойдется вам в ту же или даже большую сумму.
• загрязнения полностью разлагаются, нигде не накапливаются, в фильтрах не размножается патогенная микрофлора, способная стать источником заражения
• фотокатализ — самый эффективный метод устранения легких загрязнений, быстро поднимающихся к потолку – дыма, запахов, токсичных газов
• низкое энергопотребление – нет потребности прогонять воздух через плотные фильтры
• самая высокая эффективность уничтожения микроорганизмов, бактерий, вирусов – 99,99%
• экологичность и безопасность – фотокатализ копирует природные процессы
• эффективное удаление аллергенов – плесени, пылевого клеща и его экскрементов
• минимум обслуживания – требуется пылесосить фильтр примерно раз в полгода

Но как у любой вещи у фотокаталитических воздухоочистителей есть свои плюсы и есть свои минусы. в чем же заключаются их недостатки? Фотокатализ прекрасно справляется с химией, запахами и органическими загрязнениями, но совершенно бессилен от твердых частиц: пыли, пыльцы, шерсти и др. именно поэтому большинство приборов имеет в своем составе также hepa-фильтр.

Выбрать фотокаталитический очиститель воздуха

Фотокатализ. Фотокаталитические методы очистки воздуха и воды

АБС стекольное производство » Фотокатализ. Фотокаталитические методы очистки воздуха и воды

Фотокатализ на современном этапе развития науки определяется как «возбуждение или изменение скорости химических реакций под воздействием света в присутствии фотокатализаторов — веществ, которые поглощают световые кванты и участвуют в химических превращениях, вступая многократно с ними в промежуточные взаимодействия и после каждого цикла таких взаимодействий восстанавливая свой химический состав «.

Фотокатализ играет очень важную роль в живой природе. Так, фотосинтез обеспечивает жизнь на нашей планете Земле. В качестве фотокатализатора в процессах очистки воздуха и воды от органических примесей используется исключительно TiO2 .

Очистка воздуха. Использование на практике TiO2 как фотокатализатора.

Как связаны очистка воздуха и фотокатализ? Любой фотокаталитический воздуха очиститель на практике включает в себя пористый носитель с TiO2, который облучен светом и через который проходит воздух.

Фотокатализ фактически дает возможность в мягких условиях, но при этом глубоко окислять органические соединения, а простота устройства позволяет надеяться на прекрасную перспективу в использовании фотокатализа на практике.

К широкому выпуску фотокаталитических очистителей в настоящее время приступили такие известные фирмы, как «Sharp», «Toshiba» и «TOTO». В России также готовится выпуск фотокаталитических оригинальных очистителей воздуха.

Также помимо описанных устройств использовать можно активный TiO2 и для покрытия стен в помещениях. Вся поверхность помещения в этом случае работает в роли очистителя воздуха. Под действием света на поверхности TiO2  не только разрушаются органические молекулы, но также погибают те вредные микроорганизмы, которые обладают высокой сопротивляемостью к ультрафиолетовому излучению.

Самоочищающиеся стекла

Соединение TiO2 — является прозрачным для видимого света, потому тонкие пленки из TiO2 , которые наносятся на стекло, незаметны для глаз. А само стекло, которое покрыто такой пленкой, может самоочищаться от органических загрязнений под действием освещения за счет процесса окисления (фотокатализ).

Незапотевающие стекла и зеркала

Запотевание стекол связано с плохой смачиваемостью стекольной поверхности, то есть образованием на его поверхности слоя маленьких капелек воды, которые рассеивают свет.

Поверхности зеркала или стекла чаще всего плохо смачиваются из-за загрязнения различными органическими веществами, которые на них попадают из воздуха или при касании, к примеру, руками.

Под действием света прозрачная тонкая пленка фотоактивного TiO2  разрушает органические загрязнители, поверхность при этом хорошо смачивается, и вода, что попадает на такую поверхность, в капельки не собирается, а равномерно растекается по поверхности, и потом испаряется.

Использование процесса фотокатализа для очистки воды

Самым перспективным является использование TiO2 при очистке сточных вод в отстойниках и накопительных резервуарах.

Доказано, что пестициды, которые используются в сельском хозяйстве, разрушаются в водоемах в течение нескольких месяцев.

Добавление маленьких количеств безвредного TiO2 дает возможность сократить этот период до нескольких дней без использования искусственного источника света, так как данный процесс происходит под воздействием солнечного света.

Существуют проточные реакторы, используемые для очистки воды от органических примесей. Такие реакторы используют гомогенные фотокатализаторы, как соли железа, при этом в воду добавляют и окислитель — перекись водорода. Механизм действия такой системы в общих чертах можно описать следующим образом:

[attention type=green]

Раствор соли железа и перекиси водорода называется реагентом Фентона. В ходе процесса разложения водородной перекиси образуется OH-радикал — сильнейший окислитель. Эта частица и является ответственной за окисление органических соединений.

[/attention]

Скорость процесса окисления под действием света может увеличиться в сотни раз; данная система называется «Фото-Фентон». И хотя действие света и его механизм еще окончательно не поняты, система уже нашла применение на практике из-за простоты, экономичности и высокой эффективности.

Оборудование для очистки сточных вод по такому методу, в частности, поставляется компанией «Calgon Carbon Oxidation Technologies».

И в заключение хотелось бы сказать, что очистка воздухаи воды сейчас как никогда нуждаются в новых технологиях. И фотокаталитические технологии по очистке воды и воздуха находятся все время в разработках. Несомненно, что они день за днем совершенствуются, но и сейчас уже есть те достоинства, которые обусловливают их перспективы и привлекательность. 

Коротко о механизме фотокатализа

В 1972 году аспирант Токийского университета Акира Фудзисима (Akira Fujishima) и его научный руководитель профессор Кениши Хонда (Kenichi Honda) занимались поиском новых технологий получения водорода. Результатом их труда стала статья в престижном журнале «Nature». В статье впервые был описан процесс разложения воды на поверхности кристаллов диоксида титана (TiO2) под действием солнечного света.

Процесс был назван «фотокатализ». В 1985 году, опять-таки в Японии, только поступивший в аспирантуру Токийского университета Такехиро Мацунага (Takehiro Matsunaga) сообщил миру о бактерицидных способностях TiO2. С тех пор на тему фотокатализа написаны сотни научных работ.

Так что же это такое фотокатализ? По-простому- это ускорение химической реакции, связанное совместным действием катализатора и света.

Механизм реакции фотокатализа:

TiO2 — полупроводник.  В таких соединениях электроны могут находиться в двух состояниях: свободном и связанном.  Обычное состояние электрона – связанное, то есть он связан с ионом кристаллической решетки вещества, образуя при этом прочную химическую связь.

https://www.youtube.com/watch?v=rMle9hyzczI

Для того, чтобы «вырвать» электрон из кристаллической решетки необходимо приложить не менее 3,2 электронвольт (эВ) энергии  (для сравнения кинетическая энергия летящего комара примерно триллион эВ). На нашу радость, именно такое количество энергии несет квант света с длиной волны меньше 390 нМ. Итак, квант света «выбивает» электрон из решетки, образуя электронную вакансию, а проще «дырку».

Электрон и дырка активно двигаются внутри частицы TiO2. В результате  движения они либо рекомбинируются (встречают друг друга , «женятся» и возвращаются в связанное состояние), либо вырываются на поверхность и тут же захватываются ею.

И «дырка» и электрон невероятно химически активны. Вся поверхность катализатора является мощнейшим полем окисления.

Соприкасаясь с поверхностью катализатора кислород, получая в подарок свободный электрон,  рождает окислительный радикал О-, который способен разрушить (окислить) любое органическое соединение.

«Дырка», в свою очередь, сама вступает в реакцию с первым же встреченным ею на поверхности органическим соединением.  «Дырка «вырывает из структуры соединения недостающий ей электрон, тем самым разваливая само соединения на воду и углекислый газ.

Каждый раз на смену «отработавшим»  парам электрон –«дырка» на поверхность катализатора поднимается, как пузырьки в бокале шампанского, все новая и новая свободная пара.  Процесс окисления будет идти до тех пор, пока свет подает на катализатор.

Наши технологические достижения:

Катализатор. Наибольшей фотокаталитической активностью обладает TiO2 c кристаллической модификацией анатаза, содержащий минимальное количество примесей.

Мы применяем в наших приборах именно такой катализатор в виде ультрадисперсного порошка собственного производства. Размер частиц около 40 нм.

Именно в таком состоянии катализатор высокоактивен и имеет максимальную поверхность для реакции.

[attention type=yellow]

Носитель (конструктивный элемент, на поверхность которого нанесен TiO2). Требования к материалу носителя весьма суровые: он не может быть сделан из органических материалов, т.к.

[/attention]

под действием ультрафиолета любое органическое вещество разлагается, он должен пропускать ультрафиолет, а значит должен быть прозрачен, и наконец, он должен иметь при малых собственных размерах огромную поверхность для контакта катализатора и воздуха.

Мы умеем делать такие носители, получая по собственной запатентованной технологии пластины или трубки из спеченных кварцевых шариков диаметром 1 мм.

Принципиальные схемы работы приборов  «Тиокрафт»

1. Фильтр предварительной очистки – удаляет крупнодисперсную пыль из очищаемого воздуха.

2. Вентилятор – обеспечивает протекание очищаемого воздуха через прибор.

3-4. Электростатический фильтр- задерживает мельчайшие аэрозольные частицы, бактерии, вирусы и споры плесени.

5-6. Фотокаталитический фильтр– минерализует органические молекулярные примеси, в основном, до углекислого газа и воды. Состоит из УФ-ламп, работающих в «мягком» диапазоне излучения (320-405 нм) и фотокаталитических элементов на неорганической основе.

7. Угольно-каталитический фильтр– предотвращает проскок вредных веществ за счет их адсорбции на поверхности угольного адсорбента. Технология совместной работы адсорбционного и фотокаталитического фильтров позволяет сделать адсорбент регенерируемым с увелечением его срока службы до 10 раз.

8. Блок очистки отугарного газа– содержит Pt/Pdкатализатор на нанокристаллическом носителе. Помимо угарного газа удаляет из воздуха низкомолекулярные органические соединения (Опция).

9. Блок питания и сигнализация– включает в себя сенсорную систему автоматического управления (только дляVR400A), задающую режим работы воздухоочистителя в зависимости от уровня концентрации молекулярных органических загрязнений в очищаемом воздухе.

Возвращение фотокатализа

Вывоз, переработка и утилизация отходов с 1 по 5 класс опасности

Работаем со всеми регионами России. Действующая лицензия. Полный комплект закрывающих документов. Индивидуальный подход к клиенту и гибкая ценовая политика.

С помощью данной формы вы можете оставить заявку на оказание услуг, запросить коммерческое предложение или получить бесплатную консультацию наших специалистов.

Расскажем о том, что такое фотокатализ и действительно ли с его помощью можно очистить воздух от вредных веществ, вирусов, бактерий, посторонних запахов и аллергенов? А также о том, как американские учёные почти похоронили проект, а российские химики нашли выход из патовой ситуации.

Два слова о фотокатализе

Как это часто бывает, суть самого процесса заложена в его названии, фотокатализ – слово состоящее из двух частей: «фото» (от греч. фотос – свет) и «катализ» (от греч. каталюзис – разложение, разрушение). Вот и получается – свет разрушающий. Учёные же описывают фотокатализ как ускорение химических реакций при возбуждении светом специального вещества – фотокатализатора.

Фотокатализ даёт уникальную возможность полностью окислять органические соединения в мягких условиях, так как все процессы протекают при комнатной температуре.

Именно это делает фотокатализ привлекательным для очистки больших объёмов воздуха и воды от малых концентрации (ppm и ppb) органических и неорганических загрязнений.

Очистка происходит путём полного окисления молекул-загрязнителей до безвредных воды, углекислого газа, и атмосферного азота.

Исследователи и исследования

Эффект фотокатализа – минерализации газообразных загрязнений на поверхности катализатора под действием мягкого ультрафиолетового излучения – открыт ещё в 20-е годы прошлого века. А в 1970 работы японского учёного А.

Фуджишима (А. Fujishima) открыли путь для широкого применения диоксида титана при конверсии солнечной энергии.

С этого момента началась разработка большого количества разнообразных фотокатализаторов и устройств на основе фотокатализа.

[attention type=red]

Пик исследования фотокаталитических превращений для экологических применений пришёлся на вторую половину 90-х годов ХХ века и первую половину 2000-х годов.

[/attention]

Тысячи научных работ показали, что практически все органические соединения могут быть полностью окислены на поверхности катализатора (в основном использовалась двуокись титана – TiO2).

Кроме того, фотокаталитические процессы уничтожения загрязнителей в воде и воздухе в десятки и сотни раз дешевле процессов адсорбции и сжигания этих загрязнителей.

В сотнях патентах предлагались различные устройства для очистки воздуха от запахов в помещениях, в холодильниках, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Фотокаталитические приборы выпускались как крупными фирмами типа Calgon Carbon (США), Hitachi и Daikin (Япония), так и десятками более мелких компаний по всему свету.

В 2004-2007 гг. В США, в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory) под руководством доктора Дж. Ходжсона (J.

Hodgson) были проведены тщательные исследования применимости фотокатализа на TiO2 для очистки от органических загрязнений в воздухе на уровне ppb.

На основании этого всестороннего исследования были сделаны два основных вывода.

Первый – фотокатализ действительно очищает воздух от всех типов органических загрязнений.

Более того, использование фотокаталитических рециркуляторов вместе с вентиляционными установками может в два раза снизить затраты на кондиционирование (подогрев или охлаждение) приточного воздуха просто за счёт уменьшения его объёма, подаваемого в единицу времени, до уровня устанавливающего концентрацию CO2 в помещении ниже 800 ppm.

[attention type=green]

А второй вывод поставил под угрозу дальнейшее участие фотокатализа на двуокиси титана в системах очистки воздуха.

[/attention]

Учёные выяснили, что в процессе фотокаталитических окислительных превращений относительно безвредные вещества (например, этиловый спирт), прежде чем превратиться в воду и углекислый газ, становятся вредными промежуточными продуктами, такими как ацетальдегид, формальдегид, уксусная кислота. Эти промежуточные продукты слетают с поверхности катализатора, в результате, качество воздуха в помещении не улучшается, а ухудшается.

Казнить нельзя помиловать

После этого вывода авторитетных американских учёных количество публикаций по фотокатализу и количество применений TiO2-фотокатализа в воздухоподготовке жилых и общественных зданий существенно снизилась.

Однако две группы российских специалистов, одна под руководством д.х.н. И.Р. Субботиной из Института Органической Химии им. Н.Д. Зелинского РАН, вторая под руководством д.х.н. Д.В. Козлова из Института Катализа им. Г.К. Борескова СО РАН нашли выход из патовой ситуации.

Естественно, изменить путь полного окисления спиртов через альдегиды и карбоновые кислоты до безопасных CO2 и Н2О невозможно. Но ведь можно сделать так, чтобы эти промежуточные соединения не слетали с поверхности фотокатализатора или же увеличить скорость окисления кислородсодержащих углеводородов до CO2 и H2O.

Путём модификации поверхности TiO2 неметаллами удалось реализовать оба способа.

После проведения тщательных исследований вывод российских учёных гласил: в диапазоне исходных концентраций органических загрязнений до ≈10 ppm среди газообразных продуктов фотоокисления простейших альдегидов (ацетальдегида, формальдегида) и карбоновых кислот (уксусной кислоты и муравьиной кислоты) не обнаруживается. Проще говоря, использование фотокатализа полностью безопасно для человека и окружающей среды.

Используем по максимуму

Сегодня проблема загрязнённого воздуха в России одна из самых актуальных. По данным Минприроды, за последние три года в России ухудшилась ситуация с выбросами вредных веществ в атмосферу, что незамедлительно сказалось на здоровье людей.

В целом по стране в 2014-2016 годах заболеваемость астмой, ассоциированная с загрязнением воздуха, среди детей выросла в 1,7 раза, среди взрослых — в полтора раза. 15 % городского населения испытывают воздействие высокого и очень высокого уровня загрязнения.

Пугающая статистика, не так ли? И при чём здесь фотокатализ?

Вернёмся к исследованию, проведённому под руководством доктора Дж. Ходжсона.

[attention type=yellow]

Помните, в первом выводе он доказал эффективность фотокатализа при очистке воздуха практически от всех типов органических загрязнений на уровне ppb.

[/attention]

А это значит, что у обычных людей появилась уникальная возможность защитить себя от вирусов и бактерий, очистить воздух как от назойливых, неприятных запахов, так и от вредных для здоровья веществ, аллергенов и т.д.

В том же исследовании американские учёные подтвердили, что использование фотокаталитических рециркуляторов вместе с вентиляционными установками может в два раза снизить затраты на кондиционирование (подогрев или охлаждение) приточного воздуха. Поэтому установка подобных систем в любых публичных местах, например, в больницах, ресторанах, детских садах и школах или торговых центрах, становится не просто заботой о людях, но и выгодной сделкой для собственников.

Таким образом, можно ожидать возвращения фотокатализа в массовое использование для очистки и обеззараживания воздуха в любых помещениях.

Статья подготовлена при участии компании Аэролайф. Сайт компании: http://vozdyx.ru

Фотокатализ

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к навигации Перейти к поиску

Фотокатализ — ускорение химической реакции, обусловленное совместным действием катализатора и облучения светом. При фотогенерируемом катализе фотокаталитическая активность зависит от способности катализатора создавать пары электрон-дырка, которые генерируют свободные радикалы, способные вступать во вторичные реакции.

Термин Фотокатализ образован из двух греческих слов — «катализ» (разрушение) и «фотос» (свет). Использование катализа людьми известно с древних времен, например, для изготовления вина и уксуса.

Процесс фотокатализа представляет собой ускорение химических реакций под действием света в присутствии (обычно — на поверхности) фотокатализаторов — веществ, поглощающих кванты света и многократно вступая с участниками химической реакции в промежуточные взаимодействия, восстанавливая cвой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий[1].

Примеры[ | ]

• Процесс природного фотосинтеза H 2 O + C O 2 + h ν = ( C H 2 O ) + O 2 {displaystyle H_{2}O+CO_{2}+hu =(CH_{2}O)+O_{2}} . Хлорофилл выступает в роли фотокатализатора[1].
• Российская технология применения фотокатализа — очистка и обеззараживание воздуха, впервые была применена по заказу Министерства обороны для обезвреживания воздуха камер, в которых деактивируются боевые отравляющие вещества.[2]
• Очистка и обеззараживание воздуха методом фотокатализа[3].

  Фотокатализатор из диоксида титана нанесен на поверхность воздухопропускающего носителя катализатора посредством нанонапыления (обычно используется химическое волокно), либо термической обработки, ставшей доступной при использовании в качестве носителя катализатора пористое стекло.

  Под действием фотокатализа органические соединения, летучие химические вещества, запахи, вирусы и бактерии, формальдегид, ацетальдегид и другие могут разлагаться до безопасных молекул воды (H2O) и углекислого газа (CO2)[4].

• Исследования воздействия фотокатализа на организм человека.

  Решение проблем традиционных бактерицидных «кварцевых» ламп путем замены на необслуживаемые фотокаталитические.

  Ртутные ультрафиолетовые облучатели могут использоваться только при условии отсутствия людей в помещениях — жесткое УФ-излучение (диапазонов B и C, губительных для бактерий) является опасным для организма человека, кроме того при работе таких ламп происходит неконтролируемое выделение озона, а сам фотокатализ при таком диапазоне ультрафиолета может вызывать появление генотоксических хинонов при разложении бисфенола А, в больших количествах содержащегося в пластиковой посуде. Кроме того, в помещении при работе УФ-B и УФ-C не могут находиться люди. Однако, при изменении диапазона излучения на УФ-А, данное вещество (бюсфенол А) не изменяет своей физической структуры, оставаясь твердым телом.[5] Промышленное производство приборов очистки воздуха для безопасной эксплуатации в присутствии людей с использованием безопасного УФ-диапазона А в России началось в 2000 году.

• Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии. Гетерогенные, гомогенные и молекулярные структурно-организованные системы : сборник научных трудов [6][7].
• Расщепление воды на кислород и водород. Интерес к дешевым способам получения свободного водорода растет с ростом экономики и заботой об экологии — новые экологически-чистые виды транспорта в числе прочих, имеют и водородный двигатель.[8]. Эффективный фотокатализатор в ультрафиолетовом диапазоне на основе оксида тантала — NaTaO3 с сокатализатором из оксида никеля. Поверхность кристаллов оксида тантала покрыта бороздами с шагом 3—15 нм методами нанотехнологии. Частицы NiO, на которых выделяется газообразный водород, размещены на краях борозд, газообразный кислород выделяется из борозд.[9]
• Японская технология применения фотокатализа — самоочищающиеся стены, крыши, зеркала[10].
• Titanium dioxide photocatalisys. Akira Fujishima, Tata N. Rao, Donald Tryk. Department of Applied Chemistry, School of Engineering, The University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8656, Japan. Accepted 10 March 2000. // Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 1 (2000) 1–21.
• Окисление органических загрязнителей с использованием магнитных частиц, покрытых наночастицами диоксида титана и активированных магнитным полем под воздействием ультрафиолета[11].
• Использование оксида тантала в самоочищающихся покрытиях. Свободные радикалы[12],генерируемые на Ta5Oх окисляют органические соединения.[13]

См. также[ | ]

• Фотодиссоциация
• Фотоэлектрохимическая ячейка
• Фотокаталитический бетон

Примечания[ | ]

1. ↑ Балашев К.П. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии, Соросовский образовательный журнал, 1998, №8
2. ↑ О применимости фотокатализа для разрушения боевых отравляющих веществ.
3. ↑ Фотокаталитическая очистка воздуха.

   Евгений Николаевич Савинов, доктор химических наук, профессор кафедры физической химии Новосибирскогогосударственного университета, зав. группой фотокатализа на полупроводниках. Институт катализа СО РАН, 1997.

4. ↑ Carp, O.; Huisman, C.L.; Reller, A. Photoinduced reactivity of titanium dioxide.

   Progress in Solid State Chemistry 2004, 32(2004), 33-177.

5. ↑ Образование генотоксических хинонов при облучении бисфенола-А УФ-излучением диапазона «С» 254нм..
6. ↑ Акад. наук СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т катализа ; отв. ред. К. И. Замараев, В. Н.

   Пармон

7. ↑ Детали экземпляра | Электронный каталог
8. ↑ Стратегия развития фотокатализаторов в диапазоне видимого света для разложения воды — Akihiko Kudo, Hideki Kato1 and Issei Tsuji Chemistry Letters Vol. 33 (2004) , No. 12 p.1534
9. ↑ Расщепление воды методом фотокатализа. Получение свободного водорода.

10. ↑ Photocatalysis Applications of Titanium Dioxide Ti02 — TitaniumArt.com
11. ↑ Kostedt, W. L., IV.; Drwiega, J; Mazyck, D. W.; Lee, S.-W.; Sigmund, W.; Wu, C.-Y.; Chadik, P. Магнитно-активированный фотокаталитический реактор для фотокаталитического окисления водных фаз органических загрязнителей.

    Environmental Science & Technology 2005, 39(20), 8052-8056.

12. ↑ Snapcat фотокаталитическое окисление с диоксидом титана (2005). CaluTech UV Air. Проверено 5 декабря 2006. Архивировано 21 февраля 2012 года.
13. ↑ Исследования по очистке поверхностей с помощью фотокатализа.

• Артемьев Ю.М., Рябчук В.К. Введение в гетерогенный фотокатализ. – 1999., СПб.:Изд. С.-Петерб. ун-та. – 304 с.

Ссылки[ | ]