Способ озонирования воздуха жилого помещения и устройство для его осуществления

Способ и устройство предназначены для очистки и улучшения озонно-ионного состава воздуха жилых помещений. Способ включает ввод озонированного в озонаторе газа в объем воздуха жилого помещения, при этом озонированный газ очищают, обогащают отрицательно заряженными частицами и вводят в объем воздуха жилого помещения дозировано и в заданной области данного объема. Устройство содержит озонатор, при этом дополнительно введен очиститель и обогатитель озонированного газа отрицательно заряженными частицами, вход которого соединен с выходом озонатора, а выход соединен при помощи канала отвода с областью ввода озонированного газа в объем воздуха жилого помещения. Технический результат - улучшение озонно-ионного состава воздуха. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Техническое решение относится к методам озонирования воздуха помещений и может быть использовано для очистки и улучшения озонно-ионного состава воздуха жилых помещений.

Обычно в воздухе жилых помещений содержатся различные токсичные примеси, а концентрация полезных ионов озона не превышает нескольких единиц в см³, в то время как в воздухе курортов концентрация таких ионов составляет около 2-5 тысяч единиц в см³ [1, 2].

Установлено, что озонирование воздуха способствует очистке данного воздуха [2, 3]. Обычно озон синтезируют либо непосредственно в объеме помещения (например, ультрафиолетовыми облучателями [3]), либо вводят в этот объем непосредственно из озонатора [2, 3] (прототип). В обоих случаях озон синтезируют за счет возбуждения молекул кислорода. Однако при этом генерируются и токсичные примеси - молекулы кислорода в синглетно возбужденном состоянии (синглетный кислород, являющийся чрезвычайно реакционноспособным и аномально долгоживущим в воздухе [4]) и окислы азота, которые загрязняют обрабатываемый воздух помещений. Более того, попав в объем обрабатываемого воздуха, окислы азота инициируют каталитический распад озона и вторичное загрязнение данного воздуха синглетным кислородом [4]. Еще одним недостатком прототипа является отличие соотношения озона и его ионов в озонированном газе от оптимального значения в тысячи раз. Таким образом, известные способы озонирования воздуха не позволяют создать и поддерживать в воздухе помещений улучшенный озонно-ионный состав, характерный для воздуха курортов.

Решаемой технической задачей изобретения является разработка способа и устройства для создания и поддержания в воздухе жилых помещений улучшенного озонно-ионного состава.

Решение технической задачи в способе озонирования воздуха жилого помещения, включающем ввод озонированного в озонаторе газа в объем воздуха жилого помещения, достигается тем, что озонированный газ очищают, обогащают отрицательно заряженными частицами и вводят в объем воздуха жилого помещения дозировано и в заданной области данного объема.

Озонированный газ может быть очищен и обогащен отрицательно заряженными частицами путем осуществления интенсивного взаимодействия данного газа с водой.

Интенсивное взаимодействие озонированного газа с водой может быть осуществлено путем пропускания данного газа через объем воды.

Пропускание озонированного газа через объем воды может быть осуществлено во время нахождения этой воды в уплотненном и сжатом слое частиц сорбента.

Объем воды, через которую пропускают озонированный газ, может быть подвержен вибрированию.

Озонированный газ может быть введен в объем воздуха жилого помещения в нижней части данного помещения.

В области ввода озонированного газа в объем воздуха жилого помещения может быть создан воздушный поток.

Решение технической задачи в устройстве озонирования воздуха жилого помещения, содержащем озонатор, достигается тем, что дополнительно введен очиститель и обогатитель озонированного газа отрицательно заряженными частицами, вход которого соединен с выходом озонатора, а выход соединен при помощи канала отвода с областью ввода озонированного газа в объем воздуха жилого помещения.

Очиститель и обогатитель озонированного газа отрицательно заряженными частицами может быть выполнен в виде смесителя воды и озонированного газа.

Смеситель воды и озонированного газа может быть выполнен в виде заполненной водой контактной емкости, в нижней части которой помещен барботер, соединенный с выходом озонатора.

В объеме воды может быть помещен уплотненный и сжатый слой частиц сорбента.

Слой частиц сорбента и барботер могут быть размещены в объеме воды в сменном патроне с дырчатыми крышкой и днищем.

Контактная емкость может быть снабжена крышкой и каналом отвода, соединяющим пространство непосредственно под данной крышкой с областью ввода озонированного газа в воздух жилого помещения.

Барботер может быть выполнен в виде длинной пористой трубки, свернутой в плоскую спираль.

В верхней и нижней частях контактной емкости могут быть выполнены патрубки для залива и слива воды, закрывающиеся крышками.

Озонатор может быть помещен в озонаторном отсеке, выполненном внутри контактной емкости.

Озонаторный отсек может быть помещен в нижней части контактной емкости и снабжен каналом, соединяющим данный отсек с верхней частью контактной емкости.

Озонатор может быть выполнен с возможностью вибрирования и помещен в озонаторном отсеке без жесткого контакта с ним, а контактная емкость может быть снабжена амортизирующими опорными ножками.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

В бытовых озонаторах озонобразующим газом является воздух. При этом основными загрязнителями, вносимыми в озонированный газ озонатором, являются окислы азота (NO, N₂O, NO₂, NO₃, N₂O₅) и синглетный кислород [4, 5]. В присутствие озона происходит весьма быстрая конверсия всех окислов азота в азотный ангидрид N₂O₅ [5]. Поскольку в воде N₂О₅ легко растворяется с образованием азотной кислоты HNO₃, смешивающейся с водой в любом отношении, растворимость N₂O₅ (а значит, и других окислов азота) в воде является очень высокой. Поэтому при взаимодействии с водой озонированный газ очищается от всех окислов азота, причем степень этой очистки со временем не ухудшается.

Иначе происходит поглощение озона. Газы, как правило, хорошо растворимы в воде только в том случае, если вступают с водой в химическое взаимодействие (например, как N₂O₅). Озон вступает в химическое взаимодействие только с примесями в воде и поэтому характеризуется относительно малой растворимостью в чистой воде. Поэтому происходит быстрое (в течение 10-15 минут) насыщение воды озоном и соответственно быстрое возрастание концентрации озона в озонированном газе, взаимодействовавшем с водой.

Время жизни синглетного кислорода в водной среде снижается в сотни миллионов раз по сравнению со временем его жизни в газовой среде [4]. Поэтому при взаимодействии газа с водой происходит эффективное тушение синглетного кислорода, содержащегося в составе данного газа.

При соприкосновении газа и воды в тонком (порядка диаметра молекулы) слое между ними возникает двойной диэлектрический слой. При образовании и разрушении данного слоя (например, при пропускании газа через слой воды) диэлектрик с меньшей диэлектрической постоянной, то есть газ, заряжается отрицательно. Поэтому взаимодействующий с водой газ обогащается частицами отрицательной полярности - ионами паров воды [1]. Часть этих ионов при взаимодействии с гораздо более электроотрицательным озоном, обладающим очень сильным сродством к электрону, трансформируется в отрицательные ионы озона по механизму

где О₃ - озон, М^- - отрицательный ион пара воды, О₃ ^- - ион озона, М - частица пара воды. Поскольку процесс ионизации озона сопровождается освобождением значительной избыточной энергии (О₃+е→О₃ ^--50 ккал/моль), трансформация [1] является энергетически выгодной (любая энергетическая система стремится перейти в состояние с наименьшей потенциальной энергией). Поэтому вероятность данной трансформации очень высока. Отсюда также следует, что ионы озона, во-первых, более устойчивы по сравнению с озоном. Это позволяет им донести отрицательный электрический заряд до крови и уменьшить ее вязкость (именно этим объясняется лечебное действие ионов озона), улучшить насыщение ее растворенным кислородом (растворимость ионов озона в десять раз больше, чем кислорода). При этом уменьшается риск инфарктов и инсультов, клетки крови получают возможность пройти сквозь самые узкие капилляры и улучшить питание и дыхание участков тела и т.д. Во-вторых, отсутствие избыточной энергии означает отсутствие у иона озона токсичных свойств, что качественно отличает его от высокотоксичного озона. Таким образом, при взаимодействии с водой озонированный газ обогащается отрицательными ионами озона (за счет механизма (1)) и становится менее токсичной. Это способствует улучшению озонно-ионного состава данного озонированного газа.

При вводе очищенного и обогащенного отрицательно заряженными частицами озонированного газа в воздух жилого помещения происходит:

- улучшение озонно-ионного состава данного воздуха за счет разбавления вводимого газа, в котором концентрации озона и его ионов являются высокими, а соотношение этих концентраций - улучшенным;

- очистка воздуха жилого помещения озоном;

- очистка воздуха жилого помещения парами воды вводимого газа. Они участвуют в очистке воздуха, вступая в химическую связь с окислами азота и осуществляя тушение синглетного кислорода. Преимуществом предложенного способа является и то, что озон и пары воды вводятся совместно. Действительно, при таком вводе пары воды, с одной стороны, удаляют из области концентрированного содержания озона окислы азота, каталитически разлагающие озон, и тем самым повышают эффективность очистки воздуха вводимым озоном и уменьшают выделение синглетного кислорода. С другой стороны, эти пары осуществляют эффективное тушение синглетного кислорода, генерируемого при данной очистке;

- улучшение озонно-ионного состава воздуха помещения за счет следующей трансформации этого состава ионами паров воды. Ионы паров воды, попадая в воздух и поглощаясь частицами аэрозоли (пыли), передают им свой отрицательный заряд. А эти частицы аэрозоля, в свою очередь, передают свой заряд озону по механизму

где О₃ - озон. Т^- - тяжелый отрицательный ион, О₃ ^-- ион озона, Т - частица аэрозоля. Это приводит к улучшению озонно-ионного состава воздуха за счет увеличения полезных ионов озона и одновременного уменьшения вредных тяжелых ионов. Скорость этой трансформации описывается выражением

v=0,056·C·N^-,

где v - скорость ионизации (ион/см³·ч), С - концентрация озона (мкг/м³), N^- - концентрация тяжелых отрицательных ионов (ион/см³). Например, при С=25 мкг/м³ (концентрация озона в атмосферном воздухе), N^-=15000 ион/см³ (характерное значение N^- в воздухе, обогащенном ионами паров воды) в воздухе помещения за 1 сек образуются 5 легких отрицательных ионов озона в 1 см³, что является весьма значительной добавкой в общий баланс ионов озона (подсчитано, что в результате суммарного действия естественных ионизаторов в наружном атмосферном воздухе за 1 сек образуются около 10 легких отрицательных аэроионов в 1 см³).

Таким образом, при реализации предложенного способа возникает возможность эффективной очистки озонированного газа и резкого уменьшения скорости каталитического разложения озона, а значит, и вторичного загрязнения воздуха. При этом возникают новые каналы эффективной ионизации озона - механизмы (1) и (2), позволяющие трансформировать токсичный (но полезный в малых дозах)) озон в его ионы (полезные в любых количествах), и тем самым создать и поддерживать в воздухе жилых помещений улучшенный озонно-ионный состав. Возможность такой трансформации основана на исключительной способности озона присоединять к себе электроны и "отбирать" их у отрицательно заряженных частиц.

В предложенном устройстве озонно-ионный состав оптимизируется регулированием параметров газо-водяного смесителя и интенсивности взаимодействия озонированного газа с водой (например, изменением расхода барботируемого газа), характеристик озонатора и длительности озонирования, выбором места и условий ввода озонированного газа в объем данного воздуха и т.д.

Ввод озонированного газа в нижней части помещения, создание воздушного потока в области данного ввода способствуют более равномерному распределению введенного газа в объеме помещения.

При размещении в объеме воды, взаимодействующей с озонированным газом, слоя частиц сорбента, во-первых, данный газ очищается не только от окислов азота и синглетного кислорода, но и от большинства других вредных примесей вследствие поглощения их сорбентом. Во-вторых, взаимодействие озонированного газа с водой происходит более интенсивно, что улучшает как очистку данного газа, так и обогащение его отрицательными ионами. Это улучшение существенно возрастает при уплотнении и сжатии слоя частиц сорбента, поскольку при этом длительность, поверхность и интенсивность контакта газа с водой и частицами сорбента увеличиваются многократно. Происходит также уменьшение концентрации озона в озонированном газе вследствие поглощения озона сорбентом. Однако это уменьшение будет небольшим, поскольку в совмещенном слое воды и сорбента резко уменьшается поглощение сорбентом озона из пропускаемого через этот слой газа.

Вибрирование воды, находящейся в слое частиц сорбента и взаимодействующей с озонированным газом, улучшает массообмен между ними и усиливает образование и разрушение двойных слоев. Все это улучшает очистку и озонно-ионный состав данного газа.

На чертеже изображен пример реализации предложенного устройства для осуществления заявленного способа озонирования воздуха жилого помещения. Устройство содержит озонатор 1, очиститель и обогатитель озонированного газа отрицательно заряженными частицами, выполненный в данном случае в виде смесителя 2 воды и озонированного газа, вход 3 которого соединен с выходом 4 озонатора 1, а выход 5 соединен при помощи канала отвода 6 с областью ввода озонированного газа в объем воздуха жилого помещения. В данном примере смеситель 2 воды и озонированного газа выполнен в виде заполненной водой 7 контактной емкости 2, в нижней части которой помещен барботер 8, соединенный с выходом 4 озонатора 1. В контактной емкости 2 помещен уплотненный и сжатый слой частиц сорбента 9. В данном примере барботер 8 (выполненный в виде длинной, пористой и свернутой в плоскую спираль трубки) и слой частиц сорбента 9 размещены внутри контактной емкости 2 в сменном патроне 10 с дырчатыми крышкой 11 и днищем 12. Контактная емкость 2 снабжена крышкой 13 и каналом отвода 6, соединяющим пространство непосредственно под данной крышкой 13 с областью ввода озонированного газа в объем воздуха жилого помещения. В верхней и нижней частях контактной емкости 2 выполнены патрубки для залива и слива воды, закрывающиеся крышками 14, 15. Озонатор 1 помещен в озонаторном отсеке 16, выполненном внутри контактной емкости 2. В данном примере озонаторный отсек 16 помещен в нижней части контактной емкости 2 и снабжен каналом 17, соединяющим данный отсек 16 с верхней частью контактной емкости 2. Озонатор 1 выполнен с возможностью вибрирования и помещен в озонаторном отсеке 16 без жесткого контакта с ним, а контактная емкость 2 снабжена амортизирующими опорными ножками 18.

Рассмотрим осуществление предлагаемого способа с помощью устройства, изображенного на чертеже. Озонатор 1 через воздушный фильтр 19 забирает воздух, озонирует и продавливает его через пористые стенки барботера 8 и совмещенные слои воды 7 и частиц сорбента 9. При этом озонированный газ 20 очищается от токсичных компонентов и обогащается отрицательными ионами, в том числе и ионами озона. Далее очищенный и обогащенный ионами озонированный газ 20 по каналу отвода 6 выводится из контактной емкости 2 и вводится в объем воздуха жилого помещения в заданной области данного объема. Месторасположение данной области и количество вводимого газа определяются из условия, при котором содержание озона во вдыхаемом воздухе не превышает нормы.

При размещении озонатора 1 внутри контактной емкости 2: гасятся вибрации и шумы, характерные для бытовых озонаторов, причем эти вибрации и шумы улучшают очистку и обогащение полезными ионами озонированного газа 20 (то есть негативная особенность работы бытовых озонаторов используется в данном случае с пользой); предлагаемое устройство становится более компактным и комфортным; улучшается охлаждение корпуса озонатора 1.

Пример 1. Через объем воды 7 в контактной емкости 2 диаметром 16,4 см и высотой 33 см пропускался воздух с расходом 2-6 л/мин, озонированный в озонаторе 1 с производительностью 5 мг О₃/час. При этом пропускании концентрация окислов азота уменьшилась в восемь раз и всегда была меньше фонового уровня (менее 20 мкг/м³), концентрация озона уменьшилась в установившемся режиме на 20%. При непрерывном введении данного газа в помещение с объемом 60 м³ на высоте менее 0,3 метра от уровня пола содержание озона во вдыхаемом воздухе составляло около 22 мкг/м³. При этом во вдыхаемом воздухе, по сравнению с наружным воздухом, содержание легких отрицательных ионов увеличилось примерно в десять раз и составляло около 1000 ион/см³.

Пример 2. В контактной емкости 2 из примера 1 в объеме воды 7 был помещен уплотненный и сжатый слой частиц активированного угля марки БАУ-МФ производства ОАО "Сорбент" (г. Пермь). В этом примере, по сравнению с примером 1, концентрация окислов азота в озонированном воздухе уменьшилась в полтора раза, концентрация легких отрицательных ионов во вдыхаемом воздухе увеличилась на 100% и составляла 2000 ион/см³, содержание озона во вдыхаемом воздухе составляло 18 мкг/м³. Отсюда следует, что размещение в объеме воды 7 уплотненного слоя частиц сорбента 9 значительно улучшает озонно-ионный состав вдыхаемого воздуха.

Таким образом, результаты проведенных испытаний подтверждают выводы вышеприведенного анализа.

Список использованной литературы

1. Губернский Ю.Д., Дмитриев М.Т. Состояние воздушной среды в кондиционируемых многоэтажных административных зданиях. "Водоснабжение и санитарная техника", 1975, №4.

2. Губернский Ю.Д., Дмитриев М.Т. Озонно-ионный режим жилых и общественных зданий и его роль в обеспечении воздушного комфорта. "Водоснабжение и санитарная техника", 1979, №1.

3. Дмитриев М.Т., Кретова В.А. Применение озонирования для очистки воздушной среды помещений. "Водоснабжение и санитарная техника", 1987, №9.

4. Шинкаренко Н.В., Алесковский В.Б. Химические свойства синглетного молекулярного кислорода и значение его в биологических системах. "Успехи химии", 1982, том L1, вып.5.

5. Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. - М.: Изд-во МГУ, 1989.

1. Способ озонирования воздуха жилого помещения, включающий ввод озонированного в озонаторе газа в объем воздуха жилого помещения, отличающийся тем, что озонированный газ очищают, обогащают отрицательно заряженными частицами и вводят в объем воздуха жилого помещения дозированно и в заданной области данного объема.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что озонированный газ очищают и обогащают отрицательно заряженными частицами путем осуществления интенсивного взаимодействия данного газа с водой.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что интенсивное взаимодействие озонированного газа с водой осуществляют путем пропускания данного газа через объем воды.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что пропускание озонированного газа через объем воды осуществляют во время нахождения этой воды в уплотненном и сжатом слое частиц сорбента.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что объем воды, через которую пропускают озонированный газ, подвергают вибрированию.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что озонированный газ вводят в объем воздуха жилого помещения в нижней части данного помещения.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в области ввода озонированного газа в объем воздуха жилого помещения создают воздушный поток.

8. Устройство озонирования воздуха жилого помещения, содержащее озонатор, отличающееся тем, что дополнительно введен очиститель и обогатитель озонированного газа отрицательно заряженными частицами, вход которого соединен с выходом озонатора, а выход соединен при помощи канала отвода с областью ввода озонированного газа в объем воздуха жилого помещения.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что очиститель и обогатитель озонированного газа отрицательно заряженными частицами выполнен в виде смесителя воды и озонированного газа.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что смеситель воды и озонированного газа выполнен в виде заполненной водой контактной емкости, в нижней части которой помещен барботер, соединенный с выходом озонатора.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в объеме воды помещен уплотненный и сжатый слой частиц сорбента.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что слой частиц сорбента и барботер размещены в объеме воды в сменном патроне с дырчатыми крышкой и днищем.

13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что контактная емкость снабжена крышкой и каналом отвода, соединяющим пространство непосредственно под данной крышкой с областью ввода озонированного газа в воздух жилого помещения.

14. Устройство по п.10, отличающееся тем, что барботер выполнен в виде длинной пористой трубки, свернутой в плоскую спираль.

15. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в верхней и нижней частях контактной емкости выполнены патрубки для залива и слива воды, закрывающиеся крышками.

16. Устройство по п.10, отличающееся тем, что озонатор помещен в озонаторном отсеке, выполненном внутри контактной емкости.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что озонаторный отсек помещен в нижней части контактной емкости и снабжен каналом, соединяющим данный отсек с верхней частью контактной емкости.

18. Устройство по п.16, отличающееся тем, что озонатор выполнен с возможностью вибрирования и помещен в озонаторном отсеке без жесткого контакта с ним, а контактная емкость снабжена амортизирующими опорными ножками.