CC BY
140
rj^r: г: гсшгш?тптгг /91
-3 (66),2012 / fcl
The operation efficiency of the device of organic compounds neutralization by the photocatalytic method, made on the basis of baked spherical TiO2, is investigated.
А. С. ПАНАСЮГИН, БНТУ, H. Д. ПАВЛОВСКИЙ, ГГМУ
УДК 541.183
очисткд воздуха промышленных предприятии от органических загрязнении с использованием фотокаталитического метода
Экологическая ситуация последних лет имеет стойкую тенденцию к ухудшению. Опасные для человека и окружающей среды соединения присутствуют в выбросах автотранспорта и промышленных предприятий. Даже деревянная мебель, при производстве которой использовались клея и лакокрасочные материалы, может стать причиной накапливания в производственных помещениях газообразных загрязнителей, концентрации которых многократно превышают допустимые нормы по фенолу, формальдегиду, производным бензола, эфирам уксусной кислоты, предельным и непредельным углеводородам и т. д.
Токсичные загрязнители воздуха оказывают на организм человека отрицательное воздействие. Это приводит к снижению иммунитета, нарушению обменного и энергетического баланса внутри клеток организма, что непосредственно проявляется в повышенной утомляемости, раздражительности, головных болях, повышенной восприимчивости к различным инфекциям и при длительном воздействии приводит к различным хроническим заболеваниям. Причина такой ситуации - усиление комплексного воздействия на организм человека и окружающую среду целого ряда химических соединений промышленного и бытового происхождения, представленных даже в сравнительно небольших концентрациях. Новый подход к решению проблемы очистки воздуха дало открытие фотокаталитического метода.
Сущность метода состоит в окислении токсичных примесей на поверхности фотокатализатора под действием ультрафиолетового излучения. Реакция протекает при комнатной температуре и при этом токсичные примеси не накапливаются на фильтре, а разрушаются до безвредных компонентов чистого воздуха.
В процессах очистки воздуха от органических примесей в качестве фотокатализатора используют исключительно ТЮ2.
ТЮ2 - полупроводниковое соединение. Согласно современным представлениям, в таких соединениях электроны могут находиться в двух состояниях: свободном и связанном. 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 X < 390 нм. Таким образом, при поглощении света в объеме частицы ТЮ2 рождаются свободный электрон и электронная вакансия (в физике полупроводников такая электронная вакансия называется дыркой). Электрон способен реагировать с кислородом, рождая последовательность реакций:
е +О2 ^ О2 О2 - +е ^ О22- ^ О- + О-, О22- + 2Н+ ^ Н2О2.
При этом могут образовываться такие мощные окислители, как О- и ОН- радикалы:
О- + е ^ О2-, Н2О2 + е ^ ОН + ОН-, О- + Н+ ^ ОН.
Для полупроводниковых частиц как фотокатализаторов обычно рассматривают несколько стадий процесса: поглощение света - рождение электрон-дырочных пар; диффузия электронов и дырок к поверхности полупроводника; объемная рекомбинация электронов и дырок; поверхностная рекомбинация электронов и дырок; полезные реак-
И//хгг^ г: глгт(тг;/7гггггггт
/ 3 (66), 2012-
ции электронов и дырок с адсорбированными молекулами.
Важным преимуществом устройств является отсутствие сменных фильтров, так как при фотокаталитическом методе очистки токсичные примеси не накапливаются в фильтре, а разлагаются до безопасных компонентов оксиды азота, фенол, формальдегид.
В работе [1] нами была изучена принципиальная возможность и эффективность применения фотокаталитических устройств очистки воздуха для помещений «малых объемов» до 150 м3.
В качестве модельной смеси ЛОС при выполнении экспериментов использовали смесь этанол/ этилацетат в соотношении 6:1. Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что при оптимальных условиях, когда суммарная концентрация летучих органических соединений (ЛОС) находится в пределах 50-70 мг/м3, эффективность очистки может достигать 99,7%.
Цель данной работы - изучение эффективности работы устройства нейтрализации органиче-
ских соединений, встречающихся в промышленных выбросах фотокаталитическим методом, изготовленного на основе спеченного сферического ТЮ2.
Экспериментальная часть. В качестве тестовых реагентов был выбран ряд наиболее типичных соединений, встречающихся в промышленных выбросах. Характеристики растворителей, входящих в состав исходной тестовой смеси ЛОС и ее состав, приведены в табл. 1, 2.
Исследование эффективности работы фотокаталитического устройства очистки воздуха проводили на стенде, схема которого приведена на рис. 1.
Атмосферный воздух пропускали через слой смесевого растворителя, помещенного в скруббер 4, представляющий собой закрытый сосуд, оснащенный входящим и выходящим патрубками. Изменяли объемный расход воздуха, для чего использовали компрессор 1 с вариатором 2, что обеспечивало при изменении скорости вращения лопастей компрессора получение газовоздушной смеси с различными исходными концентрациями смесе-вого растворителя. Применяя игольчатый кран 3, проводили дозирование исходной смеси через ин-жекционную насадку 7 в елочный смеситель 8, где использовали компрессор 5 с вариатором 6. После разбавления в елочном смесителе получали рабочие газовоздушные смеси, которые поступали на очистку и нейтрализацию в фотокаталитическое устройство очистки воздуха. Рабочая газовоздушная смесь поступала в корпус фотокаталитического устройства 10, попадала во внутреннюю по-
Т а б л и ц а 1. Химический состав исходной смеси ЛОС
Концентрация компонентов летучей фазы, % Содержание в 1 кг смесевого растворителя, г Название
7,12 71,2 Ацетон
15,1 151,0 Бутанол
11,9 119,0 Бутилацетат
49,68 496,8 Толуол
9,9 99,0 Этанол
6,3 63,0 Этилцеллозольв
Т а б л и ц а 2. Характеристики растворителей, входящих в состав тестовой смеси ЛОС
Адсорбат Брутто-формула Температура кипения, °С Молярная масса М, г/моль Плотность р, г/см3
Ацетон СН3СОСН3 56,5 58,08 0,795
Н-бутанол С4Н9ОН 117 74,12 0,8098
Бутилацетат СН3СООС4Н9 125 116,16 0,88
Толуол С6Н5СН3 110,8 92,14 0,86694
Этанол С2Н5ОН 78,4 46,07 0,7893
Этилцеллозольв С2Н5ОСН2СН2ОН 135,1 90,12 0,931
Рис. 1. Схема стенда для испытания эффективности работы фотокаталитической установки очистки воздуха: 1, 5 - компре-сор; 2, 6 - вариатор; 3 - игольчатый кран; 4 - скруббер; 7 - инжекторная насадка; 8 - елочный смеситель; 9, 11 - патрубок для отбора проб и измерений; 10 - корпус фотокаталитического устройства; 12 - пористый каталитический элемент на основе оксида титана; 13 - УФ-излучатель
дгггг^ г: ктгг^гп'г, /оо
-3 (66), 2012 / ЛЛЗ
5,%
Концентрация бутилацетата на входе в реаетор, мг/м3 Концентрация толуола на входе в реактор, мг/м3
в, % 8, %
Рис. 2. Зависимость степени конверсии паров ЛОС от исходной концентрации для различных расходов газовоздушной смеси: а - ацетона; б - бутанола; в - бутилацетата; г - толуола; д - этанола; е - этилцеллозольва: 1 - 56 л/ч; 2 - 72; 3 - 115;
4 - 165; 5 - 246 л/ч
лость трубчатого фотокаталитического элемента, изготовленного на основе спеченного сферического ТЮ2 12, где под действием сферического УФ-излучателя, расположенного соосно фотокаталити-
ческому элементу, происходила нейтрализация органических загрязнений воздуха. Для контроля эффективности работы фотокаталитического устройства через патрубки 9 и 11 осуществляли контроль
24/
г: гшшгггта
3 (66), 2012-
входящих и выходящих концентраций ЛОС в устройство.
При определении концентрации органических веществ использовали газовый хроматограф серии «Цвет» с пламенно-ионизационным детектором на капиллярной колонке (d = 0,5 мм, l = 60 м), заполненной карбоваксом-20, в качестве газа-носителя -азот марки «ОСЧ». Интерпретацию полученных хроматограмм производили с использованием программы «Мультихром» по методике [2].
Для определения скорости движения газового потока в реакторе использовали дифференциальный микроманометр Testo 512 и датчик скорости движения воздуха Testo 425 (Германия).
Полноту окисления паров органических веществ при проведении опытно-промышленных испытаний контролировали с помощью газоанализатора фирмы Dager MSI 150 EURO (Германия) по СО и СО2.
Измерения выполняли согласно методикам [3-5].
Глубину реакции окисления смеси паров ЛОС оценивали по степени конверсии согласно формуле:
S = ((Cнач-Cвых.)/Cнач.)x100%o, где S - степень конверсии; Снач. - начальная концентрация органических веществ в газовой смеси; Свых - концентрация органических веществ на выходе из каталитического реактора.
Результаты и их обсуждение
На рис. 2 приведена зависимость степени конверсии паров ЛОС от исходной концентрации для различных расходов газовоздушной смеси.
В ходе проведенных исследований установлено, что при линейной скорости подачи загрязненного воздуха 0,5-1,1 м/с через внутренний объем пористого каталитического элемента (объемная скорость фильтрации 50-70 л/ч) и концентраций индивидуальных сорбатов 20-170 мг/м3 эффективность очистки от веществ, свойства которых приведены в табл. 1, 2, может достигать 93,2-99,7%.
На рис. 3 показана зависимость степени конверсии паров смесевого растворителя. Оптимальными условиями проведения процесса являются линейная скорость подачи загрязненного воздуха 0,5-1,1 м/с через внутренний объем пористого каталитического элемента (объемная скорость фильтрации 50-70 л/ч) и концентрация паров смесевого растворителя 300-370 мг/м3. Степень конверсии достигает 94,8-99,1 %.
Сумарная концентрация органических веществ на входе в реактор, мг/м3
Рис. 3. Зависимость степени конверсии паров ЛОС от их исходной суммарной концентрации для различных расходов газовоздушной смеси: 1 - 56 л/ч; 2 - 72; 3 - 115; 4 - 165; 5 - 246 л/ч
При увеличении линейной скорости подачи загрязненного воздуха от 1,2 до 4,4 м/с через внутренний объем пористого каталитического элемента (объемная скорость фильтрации 70- 246 л/ч) заметно снижается степень конверсии с 99,4 до 5-8%.
Данное обстоятельство обусловлено тем, что при уменьшении времени нахождения смеси в реакторе происходит снижение степени очистки воздуха из-за неполного протекания процесса конверсии.
Схожие тенденции наблюдались при проведении исследований по определению окислительной активности адсорбентов-катализаторов на основе высококремнеземистых цеолитов [6] и эффективности катализаторов Pd/y-Al2Oз на ячеистых носителях для нейтрализации ЛОС [7].
Недостаток фотокаталитического метода - необходимость наличия устройств механического удаления пыли, поскольку межгранульное пространство значительно меньше, чем у адсорбентов-катализаторов, и не идет ни в какое сравнение с катализаторами на ячеистых носителях, где пространство, открытое для циркуляции очищаемого воздуха, может достигать 85% от объема материала.
В заключение следует отметить, что органами Госсанэпиднадзора установки данного типа рекомендованы для очистки воздуха в жилых и административных помещениях, торговых залах, предприятиях общественного питания, больницах и т. д. при условии предварительной оценки количественного и качественного состава загрязняющих веществ и объема очищаемого воздуха.
Литература
1. П а н а с ю г и н А. С., М и х а л а п Д. П., П а н а с ю г и н С. А. Фотокаталитические очистители воздуха. Экологические аспекты // Химресурс. 2009. № 4. С. 32-35.
2. Методика определения концентраций паров органических растворителей в газовых выбросах промышленных предприятий // МВИ. МН 1820-2002.
_аггг^ г:п^шгпт11 /or
-3 (66), 2012 / fcU
3. Методика выполнения измерений содержания кислорода, оксида углерода, оксида азота, диоксида азота, диоксида серы, влажности и скорости потока дымовых газов топливосжигающих установок с помощью электронных газоанализаторов типа «Testo» и «Dager» // МВИ. МН 1936-2003.
4. Методика выполнения измерений концентраций вредных веществ в газах, скорости воздуха (газа), дифференциального давления, влажности, температуры приборами фирм «Testo» и «Dager» MSI 150 // МВИ. МН 1003-2004.
5. Методика выполнения измерений концентраций и выбросов загрязняющих веществ, скорости газов, температуры, влажности, давления электронными переносными приборами // МВИ. МН 1003-2007.
6. П а н а с ю г и н А. С., Р а т ь к о А. И., Б о н д а р е в а Г. В. Окислительная активность адсорбентов-катализаторов на основе высококренеземных цеолитов // ЖПХ. 2002. Т. 75. № 11. С. 1860-1863.
7. Л о м о н о с о в В. А., П а н а с ю г и н А. С., С м о р ы г о О. Л., М и к у ц к и й В. А. и др. Катализаторы Pd/y-Al2O3 на ячеистых носителях для нейтрализации ЛОС // Катализ в промышленности (ЖКП). 2010. Т. 2. № 6. С. 55-61.
