CC BY
5
Исследование влияния на эффективность очистки приточного воздуха в
клапанах приточной системы вентиляции интенсивности ультрафиолетового излучения совместно с послойно расположенными
сорбентами
2 1 2 2 Н.А. Литвинова , В.Н. Азаров , А.Ф. Шаповал , Р.Я. Брюханова
1 Волгоградский государственный технический университет, Волгоград 2Тюменский индустриальный университет, Тюмень
Аннотация: Данная статья посвящена исследованию влияния фотокаталитического окисления совместно с последовательными послойно расположенными слоями сорбентов (шунгит, целит) на эффективность очистки приточного воздуха помещений от загрязнителей автотранспорта. Исследования проведены с помощью разработанного приточного вентиляционного клапана с очисткой воздуха.
Ключевые слова: интенсивность ультрафиолетового излучения, шунгит, цеолит, диоксид титана, предел адсорбции, приточный воздух, клапан вентиляционный.
Применяются на сегодняшний день два способа очистки воздуха: от пылевых дисперсных частиц с использованием противопылевых фильтров, от газообразных загрязнителей - с помощью химических и физических методов очистки воздуха [1 - 3]. Способ очистки фотокаталитический более эффективен для очистки воздуха от органических веществ, которые содержатся в выбросах от автотранспорта [4]. Под действием УФ-излучения, катализаторы способствуют распаду загрязняющих веществ до простых соединений: воды и углекислого газа [4 - 6]. Исследования в лабораторных условиях доказали, что окисление загрязнителей в большинстве случаев происходит под воздействием А - диапазона ультрафиолетового излучения
[7 - 9].
Загрязнение твердыми частицами пыли разной дисперсности атмосферного воздуха и воздуха помещений изучено многими авторами [8 -10]. На сегодняшний день необходимо исследовать последовательное расположение слоев сорбентов (шунгита, цеолита, активированного угля) совместно с фотокаталитическим фильтром разной длины волны УФ© Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона», 2007-2022
излучения для очистки приточного воздуха в приточных клапанах систем вентиляции.
Цель работы - исследование влияния интенсивности ультрафиолетового излучения от расстояния от пластины диоксида титана до источника УФ-ламп на эффективность очистки приточного воздуха в вентиляционных клапанах приточной вентиляции с очисткой воздуха.
Задачи: 1. Провести натурные исследования без сорбентов и с сорбентами в определенной их последовательности величины интенсивности УФ-излучения различной длины волны внутри клапана приточной вентиляции. 2. Установить закономерность последовательного расположения слоёв сорбентов совместно с фотокаталитическим фильтром в клапанах приточной вентиляции. 3. Получить зависимость интенсивности УФ-излучения от расстояния от УФ-ламп до пластины диоксида титана внутри конструкции клапанов на эффективность очистки приточного воздуха. 3. Изучить пределы сорбции различных сорбентов от температуры и концентрации загрязнителей в наружном воздухе от автотранспорта.
Приборы и методы исследования
По результатам многолетних экспериментальных данных получена зависимость величины интенсивности УФ-излучения с длиной волны 365 нм от расстояния от УФ-ламп до пластины пористой диоксида титана TiO2 совместно с послойно расположенными сорбентами (шунгит, цеолит) для повышения качества очистки приточного воздуха помещений от концентраций загрязнителей: оксида углерода (II), алифатических углеводородов (С1-С5), фенола, формальдегида в клапанах приточной вентиляции зданий с очисткой воздуха от выбросов передвижных источников, расположенных рядом с зданием.
Представлен клапан приточной вентиляции с очисткой наружного воздуха от внешних источников выброса: Клапан приточной принудительной
вентиляции с очисткой воздуха. Литвинова Н.А. Патентообладатель ФГБОУ ТИУ. Патент на изобретение №2 744 623 С 1. заявл.: 17.06.2020; опубл.: 12.03.2021. Бюл. № 8. 7 с (рис.1).
в г
Рис. 1. - Устройство вентиляционного клапана для исследования зависимости УФ-излучения от расстояния до пористой пластины диоксида
титана совместно с загрузками фильтров сорбентами: а - вертикальный разрез; б - вид сверху: 1 - воздуховод; 2 - наружная стена; 3 - решетка для
защиты от механических загрязнений; 4 - оголовок; 5 - щели воздухораспределителя; 6 - фильтр шунгит (фракции 1-2 мм); 7 - фильтр цеолит (фракции 1-3 мм); 8 - сетка из диоксида титана (ТЮ2); 9 - 2 УФ-лампы 365 нм (УФ-А); 10 - вентилятор; 11- регулятор оборотов с механическим и автоматическим выключателем (программатор); 12 - изолон
фольгированный
Для проведения экспериментальных исследований проводился эксперимент нескольких вариантов последовательности слоев сорбентов
совместно с фотокаталитическим фильтром разной длины волны УФ-А диапазона и на различных расстояниях от источников УФ-излучения (ламп) до пластины ТЮ2: I эксперимент - 1 ультрафиолетовая лампа и сетка с отверстиями менее 1 мм диоксид титана; II эксперимент - 2 ультрафиолетовые лампы и сетка диоксид титана (менее 1 мм); III эксперимент - адсорбент шунгит, сетка диоксид титана (менее 1 мм), 2 ультрафиолетовые лампы; IV эксперимент - адсорбент активированный уголь, сетка диоксид титана (менее 1 мм), 2 ультрафиолетовые лампы; V эксперимент - адсорбент цеолит, сетка диоксид титана (менее 1 мм) и 2 ультрафиолетовые лампы; VI эксперимент - последовательные слои толщиной до 2 см адсорбентов: шунгит, цеолит, сетка диоксид титана (менее 1 мм), 2 ультрафиолетовые лампы; VII эксперимент - последовательные слои адсорбентов: активированный уголь, цеолит, 2 ультрафиолетовые лампы. Ультрафиолетовые источники излучения (лампы) выбраны для экспериментальных исследований от 6 до 12 Вт.
Величина УФ-излучения разной длины волны (А, В, С) измерялась экспериментально внутри приточного устройства (клапана) с помощью сертифицированного поверенного прибора УФ-метра. Концентрации загрязнителей измерялись газоанализаторами ГАНК и testo-341.
Опытные испытания вентиляционного клапана с очисткой атмосферного воздуха проводили в закрытых помещениях проектируемых строящихся зданиях (объем 90 м ). Проектируемые здания выбраны рядом с магистралями с высокой интенсивностью движения автотранспорта свыше 2750 авт./час.
Измерения концентраций загрязнителей проводились в часы пик при наибольшей загруженности магистрали автотранспортом с 8 до 9 часов; с 13 до 14 часов, с 17 до 19 часов, при неблагоприятной скорости ветра (1 -2 м/с) и направлении.
Результаты и их обсуждение
Среднесуточные измеренные концентрации загрязнителей снаружи и внутри помещений с 1 по 7 эксперимент представлены на рис. 2 - рис.3.
Рис.2. - Среднесуточные концентрации загрязнителей в холодный период года до и после очистки воздуха в клапане (1-7 эксперимент)
Рис.3. - Среднесуточные концентрации загрязнителей в теплый период года до и после очистки воздуха в клапане (1 по 7 эксперимент)
Нормативные среднесуточные концентрации достигаются только для 6 экспериментального исследования (рис.2-3): последовательные слои
толщиной до 2 см адсорбентов: шунгит, цеолит, сетка диоксид титана (менее 1 мм), 2 ультрафиолетовые лампы (12 Вт).
По результатам экспериментальных исследований с 2017 по 2021 гг. «влияния фотокаталитического окисления загрязнителей на качество очистки поступающего воздуха в помещения совместно с сорбентами» фиксировались концентрации в атмосферном воздухе у зданий и внутри помещений после очистки: фенола С6Н5ОН, формальдегида СН2O, углеводородов алифатических СхНу(С1-С5), оксида углерода (II) ТО в различные сезоны года.
Для всех проведенных экспериментальных исследований проведен расчет эффекта очистки атмосферного воздуха и представлен в таблице 1.
Таблица №1
Эффект качества очистки от загрязнителей в атмосферном воздухе в холодный (х) и теплый (т) периоды
№ эксперимента Эффект очистки атмосферного воздуха, %
СО СхНу (С1-С5) С6Н5ОН СН2O
х т х т х т х т
I 22,45 16,42 27,91 28,65 26 25,27 24 22,22
II 38,78 38,91 36,63 38,59 38 38,99 32 33,33
III 89,59 88,51 86,63 87,13 84 86,93 84 88,89
IV 56,25 50,16 28,90 29,41 32,69 31,88 83,27 78
V 81,66 58,97 36,99 37,06 42,31 38,86 61,54 54,29
VI 99,88 80,84 90,17 91,18 96,35 96,51 93,27 95,71
VII 88,29 93,81 78,03 78,82 87,5 89,08 82,69 82,86
Максимальное качество очистки атмосферного воздуха от загрязнителей достигается для 6 эксперимента 90,2-99,9% для всех исследуемых периодов года (таблица 1). Измерения интенсивности УФ-излучения на расстояниях от УФ-ламп до пластины диоксида титана представлены на расстояниях 1 см; 1,5 см; 3 см; 5 см.
Результаты экспериментальных исследований УФ-излучения внутри разработанного приточного устройства представлены в таблице 2.
Таблица №2
Экспериментальные исследования величины интенсивности УФ-излучения
(Вт/м ) от УФ-ламп внутри приточного устройства
Количество УФ-ламп Расстояние от источника излучения до пластины диоксида титана, см УФ-излучение, Вт/м
УФ-А УФ-В УФ-С
1 5 6,3 0,053 0,56
1 5 6,4 0,055 0,59
1 3 5,07 0,044 0,111
1 3 5,05 0,082 0,55
1 1,5 4,2 0,045 0,506
1 1,5 2,09 0,017 0,099
1 1 3,8 0,034 0,406
1 1 1,08 0,016 0,094
2 5 8,6 0,072 0,68
2 5 8,2 0,073 0,67
2 3 6,55 0,054 0,222
2 3 6,45 0,053 0,275
2 1,5 5,44 0,049 0,605
2 1,5 5,43 0,050 0,606
С ростом расстояния от источника УФ-излучения (1 лампа, 6 Вт) до пластины диоксида титана увеличивается интенсивность УФ-излучения: 1,16,3 Вт/м2 УФ-А; 0,016-0,053 Вт/м2 УФ-В; 0,034-0,56 Вт/м2 УФ-С. С ростом расстояния от источника УФ-излучения (2 лампы, 12 Вт) до пластины диоксида титана увеличивается интенсивность УФ-излучения: 5,4-8,6 Вт/м УФ-А; 0,05-0,072 Вт/м2 УФ-В; 0,61-0,68 Вт/м2 УФ-С (таблица 2). Оптимальным является расстояние 5 см при интенсивности 8,6 Вт/м для
УФ-А излучения, что позволяет достигнуть наибольший эффект очистки поступающего воздуха в помещение до 99,88%.
По результатам обработки экспериментальных данных установлены зависимости (1) - (4) эффективности очистки приточного воздуха (Э^ от газообразных загрязнителей от интенсивности УФ-излучения и расстояния до пористой пластины ТЮ2:
Эсо = 12,43 + 4,301 + 8,56-Я, (1)
Эуглеводороды (С1-С5) = 13,40 + 4,9Ы + 7,62^, (2)
Эфенол = 18,653-0,5041 + 16,076-Я, (3)
Эформальдегид = 12,805-0,521 -I + 16,470 -Я, (4)
где I - интенсивность УФ-А излучения, Вт/м ; Я - расстояние от источника УФ-излучения до пластины диоксида титана, м.
Наибольшее влияние на результат эффективности очистки приточного воздуха оказывает фактор Я - расстояние до пластины ТЮ2. Критерий Фишера Fkp=0,77.
Понижение температуры атмосферного воздуха приводит к росту предела адсорбции на шунгите на 0,24 кг/кг для оксида углерода(П) СО, на 0,24-0,38 кг/кг для органических загрязнений в воздушной среде.
Понижение температуры атмосферного воздуха приводит также к росту предела сорбции на цеолите на 0,25 кг/кг для оксида углерода (II) СО; на 0,49 кг/кг для углеводородов СхНу(С1-С5); на 0,51 кг/кг для фенола С6Н5ОН; на 0,01 кг/кг для формальдегида СН20.
Пределы сорбции доказывают построенные обобщенные изотермы адсорбции Фрейндлиха загрязнителей на поверхности сорбентов газа при диапазоне температур: от -32 0С до 0 0С и 0 0С от +32 0С для сорбентов в клапане приточной вентиляции с очисткой воздуха. Изотермы загрязнителей представлены для разных сорбентов на рис.4, а - рис.4, з.
и
ж з
Рис. 4. - Изотермы адсорбции газов на сорбентах внутри фильтров при
температурах наружного воздуха: -32 0С; -11,5 0С; 0 0С; +27,5 0С; +32 0С: а -
СО на сорбенте шунгит; б - СхНу(С1-С5) на сорбенте шунгит; в - С6Н5ОН на
сорбенте шунгит; г - СН20 на сорбенте шунгит; д - СО на сорбенте цеолит; е
- СхНу(С1-С5) на сорбенте цеолит; ж - С6Н5ОН на сорбенте цеолит; з -СН^
на сорбенте цеолит
Заключение
1. Нормативные среднесуточные концентрации достигаются только для 6 экспериментального исследования: последовательные слои толщиной до 2 см адсорбентов: шунгит, цеолит, сетка диоксид титана (менее 1 мм), 2 ультрафиолетовые лампы (12 Вт). Максимальное качество очистки
атмосферного воздуха от загрязнителей достигается 90,2-99,9% для всех исследуемых периодов года.
2. С ростом расстояния от источника УФ-излучения (1 лампа, 6 Вт) до пластины диоксида титана увеличивается интенсивность УФ-излучения: 1,16,3 Вт/м2 УФ-А; 0,016-0,053 Вт/м2 УФ-В; 0,034-0,56 Вт/м2 УФ-С. С ростом расстояния от источника УФ-излучения (2 лампы, 12 Вт) до пластины диоксида титана увеличивается интенсивность УФ-излучения: 5,4-8,6 Вт/м2 УФ-А; 0,05-0,072 Вт/м2 УФ-В; 0,61-0,68 Вт/м2 УФ-С. Оптимальным является расстояние 5 см при интенсивности 8,6 Вт/м для УФ-А излучения, что позволяет достигнуть наибольшего эффекта очистки поступающего воздуха в помещение до 99,88%.
3. По результатам обработки экспериментальных данных установлены зависимости эффективности очистки приточного воздуха (Э^ от газообразных загрязнителей от интенсивности УФ-излучения и расстояния от источника УФ-излучения до пористой пластины ТЮ2. Наибольшее влияние на результат эффективности очистки приточного воздуха оказывает следующий фактор - расстояние до пластины ТЮ2.
4. Понижение температуры атмосферного воздуха приводит к росту предела адсорбции на шунгите на 0,24 кг/кг для оксида углерода (II) СО, на 0,24-0,38 кг/кг для органических загрязнений в воздушной среде. Понижение температуры атмосферного воздуха приводит также к росту предела сорбции на цеолите на 0,25 кг/кг для оксида углерода (II) СО; на 0,49 кг/кг для углеводородов СхНу(С1-С5); на 0,51 кг/кг для фенола С6Н5ОН; на 0,01 кг/кг для формальдегида СН20.
Литература
1. Азаров В.Н., Барикаева Н.С., Николенко Д. А., Соловьева Т.В. Об исследовании загрязнения воздушной среды мелкодисперсной пылью с
использованием аппарата случайных функций // Инженерный вестник Дона, 2015, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3350.
2. Ломовцева Е. Е., Ульянова М. А., Гатанова Н.Ц. О пористой структуре гибридных сорбирующих материалов для осушки воздуха // Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2014. № 2. С. 299 - 305.
3. Зайнишев А.В. Особенности процесса управления работой фотокаталитического воздухоочистителя // Безопасность жизнедеятельности. 2015. № 12. С. 11-14.
4. Зайнишев А.В., Полунин Г.А., Юсупов Р.Х., Панферов В.И. Определение гидравлического сопротивления фотокаталитического воздухоочистителя // Техника в сельском хозяйстве. 2014. № 4. С. 17-18.
5. Yiqun H., Zhu T. Health effects of fine particles (PM2.5) in ambient air // Science China Life Sciences. 2015. №58. Pp. 624-626.
6. Rothenberg S. J., Nagy P. A., Pickrell J. A. Surface Area, Adsorption, and Desorption Studies on Indoor Dust Samples // American Industrial Hygiene Association Journal. 1989. №50:1. Pp. 15-23. DOI: 10.1080/15298668991374255.
7. Xing Y.F., Xu Y.H., Shi M.H., Lian Y.X. The impact of PM2.5 on the human respiratory system // J Thorac Dis. 2016. №8 (1). Pp. 69-74. DOI: 10.3978/j.issn.2072-1439.2016.01.19.
8. Samoli E., Analitis A., Touloumi G. Estimating the exposure-response relationships between particulate matter and mortality within the APHEA multicity // Environ Health Pers. №113 (1). Pp. 88-95.
9. Gallego E., Roca F.X, Guardino Х, Rosell M.G. Indoor and outdoor BTX levels in Barce-lona City metropolitan area and Catalan rural areas // Journal of Environmental Sciences. 2008. №20 (9). Pp. 1063-1069.
10. Азаров В.Н., Ребров В.А., Козловцева Е.Ю., Азаров А.В., Добринский Д.Р., Тертишников И.В., Поляков И.В., Абухба Б.А. О
совершенствовании алгоритма компьютерной программы анализа дисперсного состава пыли в воздушной среде // Инженерный вестник Дона, 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y20185/49769.
References
1. Azarov V.N., Barikaeva N.S., Nikolenko D.A., Solov'eva T.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2015, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2015/3350.
2. Lomovceva E. E., Ul'yanova M. A., Gatanova N.C. Vestnik Tambovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2014. № 2. pp. 299 - 305.
3. Zajnishev A.V. Bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti. 2015. № 12. pp. 11-14.
4. Zajnishev A.V., Polunin G.A., YUsupov R.H., Panferov V.I. Tekhnika v sel'skom hozyajstve. 2014. № 4. pp. 17-18.
5. Yiqun H., Zhu T. Science China Life Sciences. 2015. №58. Pp. 624-626.
6. Rothenberg S. J., Nagy P. A., Pickrell J. A. American Industrial Hygiene Association Journal. 1989. №50:1. Pp. 15-23. DOI: 10.1080/15298668991374255.
5. Xing Y.F., Xu Y.H., Shi M.H., Lian Y.X. J Thorac Dis. 2016. №8 (1). Pp. 69-74. DOI: 10.3978/j.issn.2072-1439.2016.01.19.
7. Samoli E., Analitis A., Touloumi G. Environ Health Pers. №113 (1). Pp.
88-95.
9. Gallego E., Roca F.X, Guardino Х, Rosell M.G. Journal of Environmental Sciences. 2008. №20 (9). Pp. 1063-1069.
10. Azarov V.N., Rebrov V.A., Kozlovceva E.Ju., Azarov A.V., Dobrinskij D.R., Tertishnikov I.V., Poljakov I.V., Abuhba B.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y20185/49769.
