RU2818444C1 - Установка и способ очистки воздуха в помещении - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к области очистки воздуха и поддержания уровня концентрации диоксида углерода, не превышающих предельно допустимые концентрации ПДК в воздухе закрытых помещений. Установка очистки воздуха в помещении включает резервуар абсорбера, снабженный в основании воздуходувкой, а в верхней, противоположной основанию части, средством вывода очищенного воздуха и распылителем абсорбента, между которыми и основанием расположена решетка для размещения насадки. Установка также включает десорбер, снабженный электронагревателем, биореактор, представляющий собой ёмкость, выполненную с возможностью размещения в ней взвеси фитопланктона и снабженную в основании патрубком для подачи воздуха и ультрафиолетовыми лампами на стенках ёмкости. Установка содержит теплообменник и трубопровод для абсорбента, соединяющий теплообменник с распылителем абсорбера, трубопровод для отработанного абсорбента, соединяющий основание абсорбера с десорбером, трубопровод для подачи углекислого газа, соединяющий десорбер с биореактором. Причем биореактор снабжен размещенным внутри куполом, выполненным с возможностью погружения краёв во взвесь фитопланктона. Трубопровод для подачи концентрированного углекислого газа выполнен с возможностью подачи углекислого газа под купол. Также предложен способ очистки воздуха в помещении посредством установки, включающий а) подачу загрязненного воздуха посредством воздуходувки в основание абсорбера, а диэтаноламин посредством распылителя в верхнюю часть абсорбера; б) выведение очищенного воздуха через верхнюю часть абсорбера, а отработанного диэтаноламина через основание абсорбера посредством трубопровода на регенерацию в десорбер; в) нагрев отработанного диэтаноламина в десорбере до температуры 65-70°С, с выделением газообразного углекислого газа и регенерированного диэтаноламина; г) выведение из десорбера отдельно концентрированного углекислого газа и регенерированного диэтаноламина. При этом диэтаноламин охлаждают и подают на этап а). Также способ включает д) подачу концентрированного углекислого газа под купол биореактора на поглощение фитопланктоном с дальнейшим фотосинтезом под воздействием УФ-излучения с выделением кислорода и е) выведение кислорода через верхнюю часть биореактора. Группа изобретений позволяет непрерывно поддерживать оптимальный состав воздуха в помещении без дополнительного проветривания или вентиляции помещения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к способу и установке очистки воздуха и поддержания уровня концентрации диоксида углерода, не превышающих предельно допустимые концентрации ПДК в воздухе в помещениях, герметичных жилых помещениях, ограниченных пространствах разного рода.

Как известно, воздушная среда, составляющая земную атмосферу, представляет собой смесь газов. Сухой атмосферный воздух содержит 20,95% - кислорода, 78,09% - азота, 0,03% - диоксида углерода (углекислый газ, углекислота).

Химический состав воздушной среды жилых помещений определяется газовым составом атмосферного воздуха и загрязнениями, характерными для этой категории воздушной среды. К ним относятся: загрязнения антропогенного происхождения, токсичные вещества, выделяемые в воздух из полимерных строительных и отделочных материалов (фенол, формальдегид, стирол, трибутил-фосфат и т.д.), загрязнения, вызванные сжиганием газа, стиркой, мытьем и приготовлением пищи. Поэтому в значительной мере состояние воздушной среды в жилых помещениях определяется степенью благоустройства, уровнем санитарного состояния помещения, эффективностью вентиляции, численностью населения и т.д. Одним из основных показателей химического состава воздуха является концентрация диоксида углерода. По этому показателю судят о степени чистоты воздуха в жилых и общественных зданиях. Скопление его в воздухе закрытых помещений указывает на санитарное неблагополучие (скученность, плохая вентиляция). При вдыхании большого количества диоксида углерода происходит нарушение окислительно-восстановительных процессов в организме. При увеличении содержания его во вдыхаемом воздухе до 4% отмечаются головная боль, шум в ушах, сердцебиение, возбужденное состояние; при 8% наступает смерть.

В обычных условиях при естественной вентиляции помещения и инфильтрации наружного воздуха через поры строительных материалов содержание диоксида углерода в воздухе жилых помещений не превышает 0,2%. При повышении концентрации его в помещении могут отмечаться ухудшение самочувствия человека, снижение работоспособности. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением количества диоксида углерода в воздухе жилых и общественных зданий ухудшаются другие свойства воздуха: повышаются его температура и влажность, появляются газообразные продукты жизнедеятельности человека, так называемые антропотоксины (меркаптан, индол, сероводород, аммиак). Предельно допустимая концентрация диоксида углерода в воздухе жилых и общественных зданий - 0,1%. Эта величина принята в качестве расчетной при определении эффективности вентиляции в жилых и общественных зданиях.

Нормы по вентиляции эксплуатируемых помещений определяются удалением углекислого газа, что приводит к значительным энергозатратам на нагрев/охлаждения приточного воздуха и регулировку влажности. При этом, реальная эффективность системы вентиляции напрямую зависит от содержания СО₂ в наружном воздухе, которое варьируется в зависимости от экологической обстановки и непрерывно растёт.

Таким образом, возникает потребность в обеспечении оптимального состава воздуха в помещении, в котором содержание СО₂ не превышает предельно допустимую концентрацию равную 0,1%, а содержание кислорода в воздухе помещения не менее 20,5%, наиболее предпочтительно 21% при минимизации необходимости дополнительных проветриваний помещений.

Из уровня техники известен документ (RU2773150, опубл. 31.05.2022), в котором раскрывается способ и устройство для очистки воздуха с использованием регенерируемого поглотителя СО₂. Способ очистки воздуха в ограниченном пространстве, включающий продув воздуха через регенерируемый поглотитель диоксида углерода (СО₂-поглотитель), при этом воздух, поступающий в поглотитель диоксида углерода, дополнительно обеззараживают УФ-облучателем с длинами волн излучения более 185 нм, используют поглотитель диоксида углерода, выполненный в виде гранул активированного угля, импрегнированного водным раствором диэтиламина, продув поглотителя диоксида углерода производят равномерно по объему за счет прохождения воздушного потока, как по лабиринтообразному пути между слоями поглотителя диоксида углерода, так и поперек этих слоев. На выходе из поглотителя диоксида углерода очищенный воздух обогащают комплексом микроэлементов, входящих в состав морской либо горной соли, в режиме регенерации СО₂-поглотителя его продувают горячим воздухом, нагреваемым на входе в поглотитель, при этом обеззараживают СО₂-поглотитель за счет его нагрева в процессе регенерации до температуры не менее 65°С, предпочтительно от 65 до 80°С, и выводят выделившийся в процессе регенерации СО2 вне ограниченного пространства.

Устройство для реализации известного способа очистки воздуха содержит средство для продува воздуха через регенерируемый с помощью нагревателя поглотитель диоксида углерода, вверх по потоку от поглотителя диоксида углерода установлен бактерицидный УФ-облучатель с длинами волн излучения более 185 нм, поглотитель диоксида кислорода выполнен в виде гранул активированного угля, импрегнированных водным раствором диэтиламина и размешенных в форме воздухопроницаемых слоев в сетчатом контейнере, в котором воздушный поток по мере прохождения по лабиринтообразному пути производит равномерный по объему продув поглотителя, внизу по потоку от поглотителя диоксида углерода размещена крымская или гималайская соль, предназначенная для генерации целебных микроэлементов в потоке очищенного воздуха.

Основным недостатком известного устройства является то, что импрегнированный активированный уголь, используемый в картридже, может накапливаться на его стенках. Это может привести к снижению поверхности контакта воздуха с абсорбентом и, соответственно, к уменьшению степени поглощения загрязняющих веществ, что негативно сказывается на качестве очистки воздуха. Также следует отметить, что срок службы активированного угля ограничен, и его необходимо периодически заменять, полностью останавливая процесс очистки воздуха в помещении.

Основным недостатком известного способа является необходимость возвращать обратно в атмосферу углекислый газ после регенерации. Если процесс происходит внутри помещения, это означает, что для эффективного использования метода регенерации CO₂ необходимо направлять его в вентиляционную систему или открывать окна в помещении.

Из патента (RU2797838, опубл. 08.06.2023) известен способ утилизации углекислого газа с применением микроводоросли рода Chlorella.

Способ утилизации СО₂ микроводорослями Chlorella kessleri, включает стадии: подачи CO₂ в фотобиореактор-биофильтр, содержащий микроводоросли Chlorella kessleri; фотосинтеза, в процессе которого происходит поглощение CO₂ клетками микроводорослей Chlorella kessleri; получение биомассы микроводорослей Chlorella kessleri; отличающийся тем, что осуществляется подача воздушной смеси или отработанных газов от энергоустановок с повышенным содержанием СО₂ в диапазоне 15-39%, стадию фотосинтеза осуществляют в температурном режиме 25-30°С, освещенность устанавливают в диапазоне от 2500 до 3000 лк.

Основным недостатком данного способа является ограниченная применимость его в бытовых условиях, так как данный метод предполагает пропускание концентрированного CO₂ через взвесь фитопланктона, и, следовательно, его эффективность невелика в помещениях, где концентрация CO₂ не так высока. Таким образом, данный метод не подходит для обычного бытового использования.

Также следует учесть, что этот метод имеет ограниченные возможности для масштабирования и обработки больших объемов воздуха. В зависимости от уровня загрязнения и требований к очистке воздуха, способы биологической очистки могут быть не эффективными для обработки значительных объемов воздуха.

Техническая проблема, на решение которой направлена настоящая группа изобретений, заключается в недостаточной эффективности очистки воздуха в помещении, а также невозможности поддерживать оптимальный для комфортной жизнедеятельности состав воздуха в закрытом помещении.

Технический результат, достигаемый при использовании заявленной группы изобретений, заключается в непрерывном поддержании оптимального состава воздуха в помещении без дополнительного проветривания или вентиляции помещения.

Техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что установка для очистки воздуха в помещении включает резервуар абсорбера, снабженный в основании воздуходувкой, а в верхней, противоположной основанию части средством вывода очищенного воздуха и распылителем абсорбента, между которыми и основанием расположена решетка, для размещения насадки. Также установка включает десорбер, снабженный электронагревателем, биореактор, представляющий собой ёмкость, выполненную с возможностью размещения в ней взвеси фитопланктона, и снабженную в основании патрубком для подачи воздуха и ультрафиолетовыми лампами в стенках ёмкости.

Кроме того, установка включает теплообменник и трубопровод для абсорбента, соединяющий теплообменник с распылителем абсорбера, трубопровод для отработанного абсорбента, соединяющий основание абсорбера с десорбером, трубопровод для подачи углекислого газа, соединяющий десорбер с биореактором. Причем биореактор снабжен размещенным внутри куполом, выполненным с возможностью погружения краёв во взвесь фитопланктона, а трубопровод для подачи концентрированного углекислого газа выполнен с возможностью подачи углекислого газа под купол.

Совместная работа абсорбера и биореактора позволяет эффективно очищать воздух в помещении от загрязняющих веществ, в частности, углекислого газа, кроме того, увеличивать содержание кислорода в помещения, что благотворно сказывается на состоянии здоровья людей. Так при помощи абсорбера происходит очистка воздуха в помещении и одновременно концентрирование загрязняющего углекислого газа, необходимого для жизнедеятельности фитопланктона, который в процессе фотосинтеза поглощает углекислый газ и выделяет кислород. Таким образом, поддерживается оптимальный состав воздуха в помещении без дополнительного проветривания или вентиляции помещения.

В десорбере за счёт повышения температуры происходит отделение углекислого газа от абсорбента. При этом происходит концентрирование углекислого газа, а регенерированный абсорбент вновь поступает в резервуар абсорбера на орошение загрязненного воздуха. Таким образом, очистка воздуха проходит непрерывно и имеет замкнутый цикл, что позволяет поддерживать постоянно оптимальный состав воздуха в помещении без дополнительного проветривания или вентиляции помещения.

Купол биореактора, является одним из ключевых элементов установки очистки воздуха. Купол служит для дозированного введения концентрированного углекислого газа в биореактор. Благодаря тому, что он выполнен с возможностью вертикального перемещения внутри биореактора, можно регулировать количество поступающего концентрированного углекислого газа в биореактор, тем самым регулировать жизнедеятельность фитопланктона, а, следовательно, и поддерживать оптимальный состав воздуха в помещении без дополнительного проветривания или вентиляции помещения.

Трубопровод трубопровод для подачи концентрированного углекислого газа, соединяющий десорбер с биореактором выполняет не только роль доставки концентрированного углекислого газа под купол биореактора, но и является своеобразными охладителем. За время транспортировки по трубопроводу концентрированный углекислый газ охлаждается за счёт разницы температур углекислого газа и окружающей среды.

Предпочтительно, что применяемая в абсорбере насадка может быть выбрана из группы: кольца Рашига, кольца Палла, кольца Берком, сетчатые кольца или прядильные колонны. Также предпочтительно, что бы насадка была уложена на решетку правильными рядами, сдвинутыми относительно друг друга. Именно такие виды насадки и такое расположение на решетке позволяет равномерно распределять стекающий абсорбент, что значительно увеличивает площадь соприкосновения загрязненного воздуха и абсорбента, что приводит к повышению степени поглощения загрязняющих веществ абсорбентом, а, следовательно, позволяет поддерживать оптимальный состав воздуха без дополнительного проветривания и вентиляции.

Также техническая проблема решается, а технический результат достигается за счёт того, что способ очистки воздуха в помещении, посредством установки по п. 1 включает следующие этапы: а) подают загрязненный воздух посредством воздуходувки в абсорбер установки очистки воздуха по п. 1, а в верхнюю противоположную основанию часть абсорбера посредством распылителя подают диэтаноламин, который является абсорбентом. На этапе б) выводят очищенный воздух через верхнюю часть абсорбера, а отработанный диэтаноламин через основание абсорбера посредством трубопровода направляют на регенерацию в десорбер. Затем на этапе в) нагревают отработанный диэтаноламин до температуры 65-70 °С, с выделением углекислого газа и регенерированного диэтаноламина. Далее на этапе г) выводят из десорбера отдельно концентрированный углекислый газ и регенерированный диэтаноламин, при этом диэтаноламин охлаждают и направляют на этап а). На этапе д) направляют концентрированный углекислый газ под купол биореактора на поглощение фитопланктоном с дальнейшим фотосинтезом под воздействием ультрафиолетового излучения с выделением кислорода. На последнем этапе е) выводят кислород через верхнюю часть биореактора.

К загрязняющим веществам, можно отнести углекислый газ, сернистый ангидрид и формальдегид. Все эти вещества поглощаются диэтаноламином. Таким образом применение диэтаноламина позволяет эффективно очищать воздух в помещении не только от углекислого газа. Следует отметить, что такие загрязняющие вещества как сернистый ангидрид и формальдегид не выделяются из диэтаноламина в процессе десорбции.

Далее настоящее изобретение поясняется следующим чертежом.

На фиг. 1 изображено устройство очистки воздуха в помещении.

В соответствии с настоящим изобретением установка очистки воздуха в помещении 1 включает резервуар абсорбера 2, снабженный в основании воздуходувкой 3, а в верхней, противоположной основанию части средством вывода очищенного воздуха 4 и распылителем абсорбента 5, между которыми и основанием расположена решетка 6, для размещения насадки 7. Основание резервуара абсорбера 2 соединено трубопроводом для отработанного абсорбента с десорбером 9, который снабжен электронагревателем 10. Десорбер 9 трубопроводом для абсорбента соединён с теплообменником 13, а также трубопроводом для подачи концентрированного углекислого газа 16 соединен с биореактором 19. Трубопровод для подачи концентрированного углекислого газа 16 снабжен насосом 17 для подачи концентрированного углекислого газа под купол 18 биореактора 19. Биореактор 19 представляет собой ёмкость, выполненную с возможностью размещения в ней взвеси фитопланктона 20. Биореактор 19 снабжен размещенным внутри куполом 18, выполненным с возможностью погружения краёв во взвесь фитопланктона 20 и с возможностью вертикального перемещения внутри биореактора 19. Купол 18 занимает не более 1/3 поверхности биореактора 19. Остальная верхняя часть биореактора 19 выполнена открытой. Крепление купола 18 осуществляется таким образом, чтобы его можно было легко снять и установить обратно, например, для обслуживания или замены среды внутри биореактора 19. Крепится колпак 18 к биореактору 19 при помощи болтов, клапанов (на чертеже не показаны). Кроме того, для предотвращения попадания воды, в которой находится фитопланктон, в десорбер 9, используется обратный клапан (на чертеже не указан), установленный на конце трубопровода 16. Стенки биореактора 19 с внешней стороны обеспечены ультрафиолетовыми лампами 21. Благодаря ультрафиолетовым лампам 21 фотосинтез, а, следовательно, и очистка воздуха может проводится в любое время суток, что также обеспечивает круглосуточную непрерывную очистку воздуха в помещении, а следовательно и оптимальный состав воздуха в помещении без дополнительного проветривания или вентиляции помещения. В нижней части биореактора 19 расположен штуцер ввода воздуха 22. При необходимости, в нижней части биореактора 19, над штуцером подачи воздуха 22 может располагаться рассекатель воздуха 23, который позволяет обеспечить равномерный поток воздуха и распределять воздух в взвеси фитопланктона 20 по всему объему биореактора 19. Подаваемый воздух необходим для жизнедеятельности фитопланктона. Установку размещают в помещении, в котором необходимо очищать воздух. Размеры установки могут быть адаптированы в соответствии с размером помещения, в котором проводят очистку воздуха. Минимальный размер резервуара абсорбера 2 составляет 30 см в длину, 30 см в ширину и 50 см в высоту. Биореактор 19 имеет форму цилиндра с диаметром 30 см и высотой 70 см и выполнен из прозрачного материала.

Раскрытие способа и работы установки очистки воздуха в помещении

Установку для очистки воздуха 1 размещают в помещении, в котором необходимо обеспечивать непрерывную круглосуточную очистку воздуха, а, следовательно, и оптимальный состав воздуха без дополнительного проветривания или вентиляции помещения.

На этапе а) подают загрязненный воздух посредством воздуходувки 3 в резервуар абсорбера 2 установки очистки воздуха 1, а в верхнюю противоположную основанию часть емкости абсорбера 2 посредством распылителя 5 подают диэтаноламин 8, который является абсорбентом. Взаимодействие загрязненного воздуха с диэтаноламином 8 приводит к поглощению загрязняющих веществ диэтаноламином 8 из загрязненного воздуха. Диэтаноламин 8 способен поглощать такие вредные вещества как углекислый газ, сернистый ангидрид, формальдегид. Для увеличения площади соприкосновения диэтаноламина 8 с загрязненным воздухом, резервуар абсорбера 2 снабжена решеткой 6, на которой упорядоченно расположена насадка 7. В качестве насадки 7 могут использоваться кольца Рашига, кольца Палла, кольца Беркома, сетчатые кольца или прядильные колонны. Применение упорядоченно расположенной насадки 7 значительно увеличивает площадь соприкосновения загрязненного воздуха с диэтаноламином 8, который равномерно распределен по насадке 7, что приводит к повышению степени поглощения загрязняющих веществ диэтаноламином 8, а, следовательно, позволяет поддерживать оптимальный состав воздуха без дополнительного проветривания и вентиляции.

Далее на этапе б) в помещение выводят очищенный воздух 4 через верхнюю часть емкости абсорбера 2, а отработанный диэтаноламин 8 через основание емкости абсорбера 2 посредством трубопровода направляют на регенерацию в десорбер 9.

В десорбере 9 осуществляют этап в), на котором нагревают отработанный диэтаноламин 8 до температуры 65-70°С, с выделением углекислого газа 11, который концентрируется в верхней части десорбера 9 и регенерированного диэтаноламина 12, который находится в нижней части десорбера 9.

На этапе г) выводят из десорбера 9 отдельно концентрированный углекислый газ 11 и регенерированный диэтаноламин 12, при этом регенерированный диэтаноламин 12 охлаждают в теплообменнике 13 до температуры 20-22°С и посредством насоса 14, по трубопроводу подачи абсорбента 15 направляют на этап а). Таким образом, очистка воздуха имеет замкнутый цикл абсорбента.

Далее на этапе д) концентрированный углекислый газ 11 по трубопроводу подачи концентрированного углекислого газа 16 посредством насоса 17 направляют под купол 18 биореактора. По мере перемещения по трубопроводу 16, концентрированный углекислый газ 11 охлаждаются до температуры не выше 40°С, что позволяет без предварительного охлаждения в теплообменнике подавать его под купол 18. В биореакторе 2 находится взвесь фитопланктона 20. Фитопланктон может быть выбран из группы Chlorella vulgaris, Nannochloropsis gaditana и Dunaliella salina. Наиболее предпочтительно использовать Chlorella vulgaris. Насыщение углекислым газом происходит только в области покрытия куполом 18, что позволяет регулировать жизнедеятельность фитопланктона, в результате которой проходит фотосинтез под воздействием ультрафиолетового излучения с выделением кислорода. Кроме того, использование купола 18 позволяет подавать высокую концентрацию CO₂ без вреда для фитопланктона. Вырабатываемый кислород через верхнюю часть биореактора 19 выводят в помещение, что приводит к увеличению кислорода.

Для подтверждения достижения заявленного технического результата были проведены эксперименты, которые показали, что при наличии постоянного загрязнения в помещении площадью 100 квадратных метров без проветривания и вентиляции, в присутствии 12 человек в течение 8 часов заявленная установка полностью справляется с удалением загрязняющих веществ, при этом уровень CO₂, не превышал 400 ppm (0,04%), а уровень кислорода не снижался ниже 21%.

Также косвенно об эффективности выделения кислорода в помещение при использовании заявленного способа посредством заявленной установки можно судить о скорости прироста фитопланктона, популяция которого увеличивалась со значительной скоростью.

Таким образом, предложенная установка очистки воздуха в помещении и способ, реализуемый посредством данной установки, позволяет эффективно очищать воздух от загрязняющих веществ, поддерживать оптимальный состав воздуха в помещении без дополнительного проветривания или вентиляции.

Claims (16)

1. Установка очистки воздуха в помещении, включающая

- резервуар абсорбера, снабженный в основании воздуходувкой, а в верхней, противоположной основанию части, средством вывода очищенного воздуха и распылителем абсорбента, между которыми и основанием расположена решетка для размещения насадки;

- десорбер, снабженный электронагревателем;

- биореактор, представляющий собой ёмкость, выполненную с возможностью размещения в ней взвеси фитопланктона и снабженную в основании патрубком для подачи воздуха и ультрафиолетовыми лампами на стенках ёмкости;

- теплообменник; и

- трубопровод для абсорбента, соединяющий теплообменник с распылителем абсорбера, трубопровод для отработанного абсорбента, соединяющий основание абсорбера с десорбером, трубопровод для подачи углекислого газа, соединяющий десорбер с биореактором,

причем биореактор снабжен размещенным внутри куполом, выполненным с возможностью погружения краёв во взвесь фитопланктона, а трубопровод для подачи концентрированного углекислого газа выполнен с возможностью подачи углекислого газа под купол.

2. Установка по п.1, в которой насадка выбрана из колец Рашига, колец Палла, колец Берком, сетчатых колец или прядильных колонн.

3. Установка по п.1, в которой купол выполнен с возможностью вертикального перемещения внутри биореактора.

4. Способ очистки воздуха в помещении посредством установки по п.1, включающий следующие этапы, на которых:

а) подают загрязненный воздух посредством воздуходувки в основание абсорбера, а диэтаноламин посредством распылителя в верхнюю часть абсорбера;

б) выводят очищенный воздух через верхнюю часть абсорбера, а отработанный диэтаноламин через основание абсорбера посредством трубопровода направляют на регенерацию в десорбер;

в) нагревают отработанный диэтаноламин в десорбере до температуры 65-70°С, с выделением газообразного углекислого газа и регенерированного абсорбента;

г) выводят из десорбера отдельно концентрированный углекислый газ и регенерированный диэтаноламин, при этом диэтаноламин охлаждают и подают на этап а);

д) подают концентрированный углекислый газ под купол биореактора на поглощение фитопланктоном с дальнейшим фотосинтезом под воздействием УФ-излучения с выделением кислорода;

е) выводят кислород через верхнюю часть биореактора.