Как сделать эффективный фотокаталитический фильтр

Для эффективной работы фотокаталитического (ФК) фильтра важны различные факторы. Основные из них:

  • состав и структура фотокатализатора
  • достаточно большая площадь поверхности фотокатализатора
  • эффективное освещение всей поверхности фотокатализатора ультрафиолетовым (УФ) светом с достаточной энергией

Важно: для длительной эффективной работы необходимо поддерживать поверхность фотокатализатора чистой от пыли и загрязнений. Частицы пыли, песка, различные ворсинки могут значительно снизить освещенность фотокатализатора, и, соответственно, упадет эффективность ФК фильтра.

Состав и структура фотокатализатора

Состав и структура обеспечивается на стадии нанесения ФК покрытия на подложку (подложка – какой-либо материал, основа для нанесения покрытия). Каждый производитель покрытия стремится к максимально эффективному составу и структуре, имеет свои технологические секреты и приемы для этого.

Для увеличения поверхности стремятся сделать покрытие максимально пористым. Для возможности работы фотокатализатора в видимом спектре света используют легирование ФК покрытий различными элементами. У нас также есть свои технологические приемы для получения эффективного фотокатализатора.

Площадь поверхности фотокатализатора

Чем больше площадь поверхности освещенного фотокатализатора, тем больше данный катализатор способен разложить органических соединений в единицу времени. Если конструкция ФК фильтра и расположенного в нем источника УФ излучения позволяет освещать всю поверхность фотокатализатора, то площадь этой поверхности будет складываться из следующих составляющих:

1. Площадь всей поверхности подложки (матрицы-носителя), на которую нанесено ФК покрытие. Это можно назвать макроуровнем.

2. Увеличение макроуровня за счет неровной, шероховатой (развитой) поверхности на микроуровне.

Шероховатая поверхность подложки под микроскопом.

3. Увеличение площади на наноуровне. Покрытие фотокаталитического TiO2 представляет собой наноразмерную столбчатую структуру с множеством пор.

Cтолбчатая структура покрытия TiO2 под электронным микроскопом.

Наибольший вклад в площадь дает наноуровень. Поэтому покрытие фотокаталитического TiO2 имеет поверхность в тысячи раз превосходящую по площади поверхность самого носителя – подложки.

Эффективное освещение фотокатализатора

Выбор источника света

Для осуществления фотокатализа на поверхности TiO2 необходим свет с энергией фотона не менее 3,2 эВ (электрон-вольт). Это ультрафиолетовый свет с длиной волны не более 385 нм. Это так называемая «красная граница фотоэффекта» для данного полупроводника, т.е. максимальная длина волны, при которой еще возможен фотоэффект в TiO2.

В любом ФК фильтре не стоит рассчитывать на максимальные характеристики, если длина волны УФ источника света является границей фотоэффекта. Правильным решением будет использовать более коротковолновый свет, фотоны которого обладают большей энергией.
Так фотоны света с длиной волны 385нм обладают энергией 3,22эВ; 360нм – 3,44 эВ; 320нм – 3,875 эВ.

При построении ФК фильтров для обеззараживания в качестве источника УФ света наиболее эффективным будет использование бактерицидных ламп. Такие лампы в спектре свечения имеют доминирующую длину волны 253,7нм, чему соответствует энергия фотонов – 4,887 эВ. Такой энергии более чем достаточно для фотоэффекта в TiO2, и, как следствие, – фотокатализа. При этом эффективное обеззараживание за счет фотокатализа будет дополнено бактерицидными свойствами самого источника УФ света.

Освещение максимальной поверхности достаточной энергией УФ излучения

Выбор правильного УФ источника для освещения фотокатализатора – это только одна часть задачи. Вторая часть – создать условия для освещения максимальной поверхности с достаточной интенсивностью.

Фотокатализатор должен освещаться прямым светом. В большинстве конструкций ФК фильтров не стоит возлагать надежды на освещение отраженным светом. Так как в диапазоне от 250 до 320нм УФ свет слабо отражается от большинства поверхностей. Из металлов только полированный алюминий отражает до 80% в этом диапазоне. Остальные не более 20%.

По данным различных исследований оптимальная интенсивность излучения на поверхности фотокатализатора должна составлять 1,2 – 2мВт/см2. Меньшая интенсивность излучения снижает фотокаталитические способности, большая интенсивность – не дает значительного роста. Это нужно учитывать при выборе количества и мощности источников света в конкретной конструкции ФК фильтра.

Модель ФК модуля

Исходя из всех перечисленных условий мы построили модель ФК фильтрующего модуля. Основой для фотокатализатора служат слои сетки, расположенные на расстоянии друг от друга. Протяженный источник (например, УФ лампа) позволяет освещать прямым светом до 10 — 15 слоев, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.

Через сетки беспрепятственно проходит очищаемая среда (воздух, вода и т.д.). Прямой контакт способствует разложению загрязнений не только в объеме (за счет образующихся из молекул кислорода и воды окислителей), но и на самой поверхности фотокатализатора.
Сетка имеет мелкоячеистую структуру (ячейка 1,5х1,5мм, толщина нити около 0,3мм) из стекловолокна с полимерным покрытием. Для защиты полимерного покрытия от воздействия УФ на сетку наносится защитный металлический слой, а затем слой фотокатализатора. При необходимости и по желанию заказчиков возможно использование другой сетки.

Проведены сравнительные тесты фотокаталитической активности (по разложению органических красителей) между сеткой и другими подложками имеющими сплошную структуру. Тесты проводились в одинаковых условиях и для одинаковых геометрических размеров подложек. При этом площадь поверхности сетки (за счет ячеистой структуры) значительно меньше площади других подложек. Тесты показали: сетка, по меньшей мере, не уступает в активности сплошным подложкам.

Результат сравнительного теста на сетке и алюминии

Это, по всей видимости, можно объяснить объемным эффектом покрытия на сетке и отсутствием такого на сплошной подложке.

ФК ячейки выполненные на базе сеток могут иметь различные формы и размеры. Используя такие ячейки возможно строить различные ФК фильтры и устройства на их основе. Несколько возможных схем построения бактерицидных рециркуляторов воздуха с ФК фильтром:

Рис 1: рециркулятор в виде цилиндрической или квадратной трубы, один цилиндрический ФК элемент, лампа в центре, пылевой фильтр

Рис 2: прямоугольный корпус рециркулятора, 2 ФК элемента, 3 короткие лампы поперек воздушного потока, защитные жалюзи, пылевой фильтр

Рис 3: прямоугольный корпус рециркулятора, 2+2 ФК элемента, 3 короткие лампы поперек воздушного потока, пылевой фильтр

Рис 4: прямоугольный корпус рециркулятора, одна длинная ФК ячейка с разделением потока, 2 длинные или 4 короткие лампы вдоль воздушного потока, пылевой фильтр

Обозначения на рисунках:

1 – корпус рециркулятора;
2 – вентилятор;
3 – лампа или светодиодный источник УФ света;
4 – прямоугольный ФК элемент;
4а – цилиндрический ФК элемент;
4б – прямоугольный ФК элемент с разделением;
5 – предварительный пылевой фильтр;
6 – элементы оптических жалюзи для защиты вентиляторов и пылевого фильтра от УФ;
7 – фланцы цилиндрического ФК элемента для крепления лампы и корпуса;
8 – перегородка воздушного потока.