Фотокаталитический фильтр используется в устройствах, предназначенных для удаления вирусов, бактерий и других загрязнений из воздуха. Фильтр работает благодаря принципу фотокатализа: свет, попадающий на катализатор, ускоряет процесс разложения веществ на более простые соединения.
В этой статье рассмотрим принцип работы фотокаталитического фильтра более подробно, оценим его эффективность, возможные риски для здоровья, а также приведём примеры бытовых устройств, в которых он используется.
Фотокаталитический фильтр: принцип работы
Фотокаталитический фильтр используется в современных устройствах для очистки воздуха от загрязнений органического происхождения: бактерий, вирусов, грибков, различных аллергенов, а также запахов, вызываемых летучими органическими соединениями (ЛОС).
Принцип работы этого фильтра основан на фотокатализе — ускорении химической реакции, которая обусловлена взаимодействием катализатора и ультрафиолетового излучения.
Термин «фотокатализ» происходит от греческих слов «φωτός» (fotos), что означает «свет», и «κατάλυση» (katalysi), что переводится как «разложение». Таким образом, дословно фотокатализ — «разложение под действием света».
В данном случае катализатором выступает фотокатализатор — вещество, которое активируется при воздействии света и в результате стимулирует разложение загрязнителей на простые и безопасные составляющие.
Для работы фотокаталитического фильтра необходимо наличие не только света, но и кислорода. Ультрафиолетовый свет может быть как естественным, так и искусственным — от специальных ламп. В устройствах для очистки воздуха предусмотрены УФ-лампы или УФ-диоды. Кислород присутствует в воздухе и не требует дополнительной подачи.
При попадании света на поверхность фотокатализатора происходит активация его молекул и образование активных кислородных радикалов. Эти радикалы начинают взаимодействовать с загрязнениями в воздухе и провоцируют процессы распада.
В качестве катализатора в фотокаталитическом фильтре используется диоксид титана (TiO₂): вещество нанесено на пластину фильтра. Под воздействием света и при участии диоксида титана загрязнения распадаются на воду и углекислый газ, при этом в таких малых количествах, что это практически не влияет на окружающую среду: молекулы воды моментально испаряются, а объём углекислого газа невелик и сравним с выделением CO₂ комнатными растениями.
Для работы фотокаталитического фильтра необходимы ультрафиолетовый свет и кислород. В результате из воздуха удаляются загрязнения, которые проходят через фильтр, при этом сам фильтр не расходуется и не требует замены. Загрязнения не накапливаются на поверхности фотокатализатора, а разлагаются на безопасные компоненты.
Эффективность фотокаталитического фильтра
В результате фотокатализа уничтожаются частицы размером до 0,001 мкм, что делает фотокаталитический фильтр эффективным для очистки воздуха практически от всех видов загрязнений. К ним относятся мельчайшие микроорганизмы, аллергены, ЛОС.
- Бактерии, плесень и вирусы вызывают различные заболевания и аллергические реакции. Очищение воздуха — одна из основных мер в медицине и быту для профилактики и снижения риска заражений.
- ЛОС и связанные с ними неприятные запахи вредны для человека, могут вызывать головную боль, тошноту и другие симптомы. Подробнее об этом рассказываем в статье «ЛОС: скрытая опасность для вашего ребёнка».
- Аллергены животного и растительного происхождения вызывают обострение у аллергиков и могут стать причиной развития недуга у людей с повышенной чувствительностью организма к внешней среде.
Специалисты в целом положительно оценивают эффективность фотокатализа при очистке и обеззараживании воздуха. Доктор технических наук, профессор, лауреат Премии Правительства РФ в области науки и техники В. Н. Троицкий, имеющий опыт работы заместителем директора по научной работе Института проблем химической физики РАН более 19 лет, отмечает одно из преимуществ фотокаталитического фильтра:
Очистители других типов плохо справляются с примесями, имеющими небольшую молекулярную массу (например, с окисью углерода, в значительных количествах присутствующей в табачном дыму), фотокаталитические же устройства окисляют их наиболее активно
Исследования эффективности фотокаталитического фильтра проводятся с достаточной регулярностью. На результаты большое влияние оказывают следующие факторы:
- вид загрязнителей, на примере которых проводится исследование;
- условия окружающей среды (влажность, температура, скорость потока воздуха);
- интенсивность УФ-излучения;
- плотность покрытия фотокатализатора и другие.
Именно поэтому с определённой точностью указать процент эффективности конкретного фотокаталитического фильтра без тестов невозможно. Однако большинство исследователей сходятся во мнении, что фотокаталитический фильтр показывает продуктивность на уровне 99,9% против вирусов, в том числе вируса гриппа, на 90% — против сигаретного дыма, на 80% — против пыльцы. В некоторых случаях эффективность достигает 100%.
Исследования показывают, что фотокаталитический фильтр инактивирует микроорганизмы, такие как грибы аспергилл чёрный («чёрная плесень»), пеницилл лимонно-жёлтый и бактерии сенной палочки, в среднем на 80%. При этом споры аспергилла чёрного считаются одними из самых выносливых в мире. Ещё более примечательно то, что в результате фотокатализа эпидермальный стафилококк уничтожается на 100%.
Удивителен и тот факт, что фотокаталитический фильтр предположительно способен справиться даже со спорами сибирской язвы. Об этом говорит профессор и директор «Исследовательского центра чистой энергии» Университета Южной Флориды Йоги Госвами. В середине 1990-х годов профессор разработал систему очистки воздуха в помещении, функционирующую на основе фотокатализа. Система предназначалась для избавления от проблемы «синдрома больного здания» и была нацелена в первую очередь на уничтожение пылевых клещей и спор плесени. Однако тесты проводились и на материале бактерий, которые являются близким родственником сибирской язвы.
В отличие от других фильтров, которые механически задерживают загрязнения, фотокаталитический фильтр действует на молекулярном уровне, разлагая загрязнения на простые соединения. Это позволяет достичь более высокой степени очистки воздуха, в частности, от биологических загрязнителей. Особенно эффективен фотокаталитический фильтр против вирусов и бактерий.
Может ли фотокаталитический фильтр нанести вред здоровью
Фотокаталитическая фильтрация — это инновационный метод, который становится всё более популярен в разных сферах жизни. Однако, как и в случае с любой другой технологией, принцип действия фотокаталитического фильтра может вызывать вопросы, связанные с негативными последствиями.
В открытом доступе встречаются материалы, авторы которых указывают на опасность, которую якобы представляют собой фотокаталитические фильтры. В статьях отмечают тот факт, что при их использовании могут образовываться опасные химические соединения: формальдегид, озон и другие вредные вещества. При этом ни в одной из статей не приводится статистических данных или других конкретных доказательств негативного влияния фотокаталитического фильтра на окружающую среду и здоровье человека.
Впервые в научной среде этот вопрос был поставлен американскими учёными А. Т. Ходгзоном, Д. П. Силиваном и У. Д. Фиском: «Оценка возможности применения метода фотокатализа в помещении: преобразование летучих органических соединений при низких концентрациях — ppb (частиц на миллиард частиц)». В эксперименте участвовали 3 группы смесей различных летучих органических соединений, которые подвергались фотокатализу. Учёных, действительно, ввёл в замешательство тот факт, что в ряде случаев продуктом распада ЛОС являлся формальдегид.
Отметим, что в эксперименте участвовали искусственно созданные смеси ЛОС, именно поэтому данные эксперимента не позволяют утверждать, что работа любого фотокаталитического фильтра в любых условиях сопровождается выделением формальдегида.
Кроме того, в описанном случае формальдегид является промежуточным продуктом распада ЛОС: образуясь, формальдегид незамедлительно вступает в реакцию с катализатором и разлагается на конечные продукты распада — воду и углекислый газ.
В целом фотокаталитические фильтры безопасны для здоровья, если они используются правильно. Устройства, имеющие в своём составе этот вид фильтров, должны быть установлены в соответствии с рекомендациями производителя и использоваться с учётом инструкций. Необходимо учитывать, что если в устройстве установлена УФ-лампа, то её нужно заменять ежегодно или 1 раз в 2 года. Если в устройстве установлены УФ-диоды, то их менять не нужно, они рассчитаны на весь срок службы прибора.
В каких сферах применяется фотокаталитический фильтр
Фотокатализ — это естественный процесс, который широко распространён в природе. Фотосинтез — преобразование солнечной энергии в клетках растений — яркий пример природного фотокатализа, при котором катализатором является хлорофилл.
Специфика процесса фотокатализа находит применение также в различных сферах человеческой деятельности. В промышленности — в качестве дешёвого и экологичного способа производства свободного водорода, для изготовления самоочищающихся поверхностей: стен, крыш, пластин, стёкол, зеркал. Наибольшее распространение фотокаталитические фильтры получили в сфере производства систем очистки воды и воздуха, которые используют в промышленности и в быту: фотокаталитическими фильтрами могут быть оснащены системы вентиляции, кондиционеры, очистители воздуха.
Примеры применения фотокаталитических фильтров
- В промышленности: очистка воздуха от ЛОС при производстве химических веществ, резины, пластмасс и других материалов. В оборонной промышленности — для обезвреживания воздуха в камерах, где происходит деактивация боевых отравляющих веществ.
- В медицине: очистка воздуха от вирусов, бактерий в больницах, стационарах, операционных, лабораториях.
- В бытовых условиях: очистка воздуха от загрязнений в квартирах, домах, офисах и других помещениях.
Очистители воздуха с фотокаталитическим фильтром
Приборы с фотокаталитическим фильтром, которые достаточно часто используют в быту, — воздухоочистители. Основные компоненты этих устройств:
- вентилятор, который обеспечивает циркуляцию воздуха, его прохождение через фотокаталитический фильтр и возвращение очищенного воздуха в помещение;
- фотокаталитический фильтр, притягивающий загрязнения и разлагающий их на безопасные компоненты под воздействием света;
- ультрафиолетовая лампа, которая необходима для активации катализатора и запуска процесса очищения.
Воздухоочиститель с фотокаталитическим фильтром работает по следующей схеме.
- Вентилятор притягивает загрязнённый воздух в устройство.
- Ультрафиолетовая лампа активирует фильтр, это служит началом процесса фотокатализа.
- Фотокаталитический фильтр разлагает загрязнения на безопасные компоненты: воду, углекислый газ.
- Очищенный воздух выходит из устройства через выходное отверстие.
Для эффективной очистки воздуха следует придерживаться рекомендаций производителей подобных устройств: плотно закрывать окна на время работы воздухоочистителя, чтобы пресечь попадание загрязнённого потока уличного воздуха в помещение. В противном случае производительность прибора будет стремиться к нулю, так как очищенный комнатный воздух будет постоянно смешиваться с загрязнённым.
При этом отказ от проветривания чреват негативными последствиями: повышением концентрации углекислого газа, который человек выделяет при дыхании. Высокий уровень CO₂ в помещении вызывает головную боль, снижение концентрации и другие проблемы, о которых мы говорим в статье «Влияние углекислого газа на человека».
Бытовые воздухоочистители с фотокаталитическим фильтром эффективно справляются с загрязнениями, однако только в том случае, если помещение не проветривается. Отметим, что это крайне вредно для воздухообмена: растёт концентрация углекислого газа, вследствие чего воздух становится душным и несвежим, а состояние присутствующих в помещении ухудшается.
Приточный очиститель воздуха с фотокаталитическим фильтром
Для создания здорового микроклимата в помещении — со свежим, чистым, обеззараженным воздухом — необходимо не только фильтровать внутренний воздух, но и проветривать и одновременно очищать воздух на входе, перед поступлением в помещение. Обычный воздухоочиститель этого сделать не может.
Необходим прибор, объединяющий в себе функции приточной вентиляции и воздухоочистителя с фотокаталитическим фильтром, — приточный воздухоочиститель AIRNANNY A7 Forever.
Прибор забирает свежий воздух с улицы, очищает его от загрязнений, пропуская через систему фильтров, и подаёт в комнату. Помимо этого, приточный воздух можно подогреть, если устройство используется в холодное время года, и увлажнить при необходимости.
Многоступенчатая система фильтрации AIRNANNY A7 Forever обеспечивает максимальную защиту от загрязнений:
- префильтр очищает воздух от крупной пыли;
- HEPA-фильтр H11 улавливает мельчайшие взвешенные частицы, аллергены;
- фотокаталитический фильтр удаляет органические загрязнения, включая бактерии, вирусы, ЛОС, а также разлагает аллергены растительного и животного происхождения на более мелкие составные части.
Основное отличие AIRNANNY A7 Forever от обычного воздухоочистителя состоит в том, что этот прибор обеспечивает одновременно приток и очищение воздуха. Тогда как использование простого очистителя воздуха фактически налагает запрет на проветривание.
AIRNANNY A7 Forever выполняет несколько функций по обеспечению здорового микроклимата в помещении:
- проветривает и налаживает воздухообмен — скорости притока 146 м³/час достаточно, чтобы обеспечить свежим воздухом до 5 человек, одновременно находящихся в помещении;
- очищает и приточный воздух, и воздух, находящийся в помещении;
- обеззараживает воздух;
- мягко увлажняет и подогревает приточный воздух при необходимости.
AIRNANNY A7 Forever — наглядный пример использования принципа фотокатализа в быту. Благодаря наличию фотокаталитического фильтра прибор очищает и обеззараживает воздух в естественных условиях, кроме этого, устройство налаживает микроклимат в помещении, обеспечивая проветривание, комфортную температуру и влажность.
Если понравилась статья, ставьте лайк и подписывайтесь!
Хотите узнать больше о том, как создать комфортный микроклимат в доме или офисе? — заходите в блог.
Оригинал статьи в нашем блоге.