Устройство для очистки воздуха в обитаемых герметичных объектах от вредных примесей
Изобретение относится к системам регенерации воздуха в обитаемых герметичных объектах, например, таких, как космические корабли, орбитальные станции, подводные лодки, герметичные подводные и подземные объекты. Устройство содержит воздушные камеры с каталитически активными газодиффузионными катодами, через которые проходит очищаемый воздух, воздушные камеры с каталитически активными газодиффузионными анодами, из которых отводится газовая смесь с удаленными вредными примесями, и электролитные камеры с жидким или мембранным электролитом, расположенные между катодом и анодом. Обеспечивается возможность непрерывного удаления углекислого газа и газофазных примесей из герметичного жилого помещения. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к системам регенерации воздуха в таких обитаемых гермообъектах, как космические корабли, орбитальные станции, подводные лодки, герметичные подводные и подземные объекты и т.п.
В атмосфере гермообъектов происходит быстрый рост концентрации вредных для жизнедеятельности человека примесей. Источником выделения примесей является сам человек, неметаллические материалы конструкции и оборудования, а также различные пищевые и косметические продукты. Наибольшее внимание уделяется проблемам нейтрализации углекислого и угарного газа, фреона, водорода, водяных паров, углеводородов и т.п.
На подводных лодках ВМС Великобритании углекислый газ удаляется с помощью установок трех различных типов. В первой его поглощение осуществляется натровой известью (смесь гидроокиси натрия и гидроокиси кальция) без последующей регенерации. Во второй для этих целей используется моноэтаноламин, который после завершения процесса поглощения подвергается регенерации при повышенной температуре. Принцип действия установок третьего типа основан на применении молекулярных фильтров, регенерирующихся при повышенной температуре или при пониженном давлении (А. Соколов. Системы очистки воздуха на подводных лодках ВМФ Великобритании. "Зарубежное военное обозрение", 01'1996).
На подводных лодках ВМФ США углекислый газ обычно удаляется газоочистителями CO2. В чрезвычайных ситуациях могут также использоваться контейнеры с гидратом окиси лития. В газоочистителях для удаления CO2 используется раствор моноэтаноламина (MEA). Процесс очистки производится в поглотителе при соприкосновении воздуха с рециркулирующим MEA, а также при контакте выделяемого пара и СО2 с ниспадающим MEA в отпарной секции котла. Так как моноэтаноламин является коррозийным и токсичным веществом, необходимо соблюдать чрезвычайную осторожность, чтобы он не попал в воздух (R.W. Trent Кондиционирование воздуха на подводных лодках. Журнал "АВОК", 2003 год, №5).
В космических кораблях для связывания углекислоты применяют патроны с гидроокисью лития либо осуществляют очистку атмосферы от вредных микропримесей при помощи адсорбентов - активированных углей с широким диапазоном размеров микропор, позволяющими сорбировать большое количество примесей органической и неорганической природы с разными молекулярными массами. Для регенерации активированного угля обычно применяют термоотдувочный, термовакуумный и термовытеснительный способы (Ю.Д. Губернский и др. Качество воздуха и энергоэффективность систем вентиляции общественных зданий АВОК, 2001, №1, с.49; Злотопольский В.М. и др. Низкотемпературный способ регенерации поглотителя вредных примесей в системах очистки атмосферы обитаемых объемов. Изв. РАН. Энерг., vol: 2006, num: 1, 98-107, 01 2006).
Недостатками известных устройств являются большой расход и сложность регенерации хемосорбентов, токсичность моноэтаноламина, высокие энергетические затраты на регенерацию угольного адсорбента и непрерывное снижение его поглотительных характеристик, пожароопасность системы регенерации и необходимость дополнительной системы концентрирования углекислого газа с целью его последующей утилизации.
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности непрерывного удаления углекислого газа и других газофазных примесей из герметичного жилого объекта для поддержания концентрации данных веществ в воздухе объекта в пределах санитарных норм при невысоких материальных и энергетических затратах.
Поставленный технический результат достигается тем, что устройство содержит воздушные камеры с каталитически активными газодиффузионными катодами, через которые проходит очищаемый воздух, воздушные (газовые) камеры с каталитически активными газодиффузионными анодами, из которых отводится газовая смесь с удаленными вредными примесями, и электролитные камеры с жидким или мембранным электролитами, расположенные между катодом и анодом.
В качестве мембранного электролита предпочтительно используется пористая матрица, пропитанная щелочным электролитом, например асбестовая матрица.
В качестве мембранного электролита может быть использована анионообменная мембрана.
В качестве катода/анода предпочтительно используется двухслойный газодиффузионный электрод с гидрофильным запорным слоем, обращенным в сторону электролитной камеры, и активным слоем, обращенным в сторону воздушной камеры. Также может быть использован двухслойный газодиффузионный электрод с гидрофобным запорным слоем, обращенным в сторону воздушной камеры, и активным слоем, обращенным в сторону электролитной камеры.
Устройство предпочтительно содержит электрохимический кислородо-водородный генератор, выделяющий кислород в атмосферу герметичного помещения и подающий водород в воздушные (газовые) камеры с каталитически активными газодиффузионными анодами.
Устройство предпочтительно содержит механический и электростатический фильтры, очищающие воздух от механических примесей перед подачей в воздушные камеры с каталитически активными газодиффузионными катодами.
Устройство предпочтительно содержит электростатический блок с генератором озона, подающий озон в воздушные камеры с каталитически активными газодиффузионными катодами. При этом в качестве обращенного в сторону воздушной камеры слоя катода предпочтительно используется углерод с каталитически активными включениями (сажа, графит, активированный уголь) с удельной поверхностью не менее 60-80 м2/г.
Устройство предпочтительно содержит блок очистки и регенерации отработанного электролита.
Устройство, применяющееся в космических гермообъектах, предпочтительно содержит блок каталитической конверсии газовой смеси, выходящей из воздушных камер с каталитически активными газодиффузионными анодами.
Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.
Устройство позволит непрерывно поддерживать в воздухе герметичного объекта содержание углекислого газа на уровне, соответствующем содержанию углекислого газа в земной атмосфере (0,035-0,045% или 350-450 ppm), и ниже.
Устройство позволит производить глубокую очистку воздуха от газофазных примесей с кислотными свойствами.
Устройство позволит производить полную или частичную очистку воздуха от водорода, окиси углерода, аммиака, углеводородов и других органических и неорганических газофазных примесей, не обладающих кислотными свойствами.
Применение механического и электростатического фильтра позволит осуществлять очистку воздуха от мелкодисперсных твердофазных и жидкостнофазных примесей.
Применение генератора озона позволит осуществлять инактивацию содержащихся в очищаемом воздухе микроорганизмов, ускорит процесс каталитического и электрокаталитического окисления газофазных соединений, адсорбированных гидрофобным слоем газодиффузионных катодов.
Применение электрохимического кислородо-водородного генератора позволит компенсировать потери кислорода, связанные с процессом дыхания экипажа герметичного объекта и с химическими и электрохимическими процессами, происходящими в газодиффузионных катодах устройства в процессе очистки воздуха от газофазных примесей. Подача водорода в воздушные (газовые) камеры с каталитически активными газодиффузионными анодами позволит снизить затраты энергии на процесс электрохимической очистки вплоть до генерации электрической энергии в блоке электролитических ячеек, исключить потери кислорода с удаляемыми газами.
Применение блока каталитической конверсии газовой смеси, выходящей из воздушных камер с каталитически активными газодиффузионными анодами, позволит снизить количество кислорода, удаляемого в составе веществ газовой смеси, и вернуть его в виде воды в систему водооборота орбитальной станции.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана структурная схема устройства, а на фиг.2 показана конструкция единичной электролитической ячейки.
Устройство содержит механический фильтр 1, электростатический блок 2 с генератором озона 3, электростатический фильтр 4, блок электролитических ячеек 5, электрохимический кислородо-водородный генератор 6, блок очистки и регенерации отработанного электролита 7, блок каталитической конверсии газовой смеси 8.
Ячейка содержит воздушную камеру 9 для очищаемого воздуха, пористый газодиффузионный катод 10, пористую асбестовую матрицу 11, через которую циркулирует раствор электролита, пористый газодиффузионный анод 12 и воздушную камеру 13 для газовой смеси, обогащенной удаляемыми газофазными примесями.
Работа устройства осуществлена следующим образом.
Очищаемый воздух при помощи воздуходувного устройства через механический фильтр 1, который задерживает крупные загрязнители, подают в электростатический блок 2 с генератором озона 3. На электроды зарядителя электростатического блока подается высокое напряжение (10 киловольт), в результате чего в зарядителе непрерывно «горит» коронный разряд, в неравновесной плазме которого заряжаются все частицы загрязнений, находящиеся в потоке воздуха. Здесь же продуцируется озон в высоких концентрациях. Далее воздушный поток проходит через электростатический фильтр, который задерживает заряженные частицы аэрозольных загрязнителей, после чего воздушный поток поступает в катодные воздушные камеры 9 блока электролитических ячеек 5. Озон, проходящий через электростатический фильтр, за счет своей высокой реакционной активности инактивирует задержанные фильтром микроорганизмы.
Проходя сквозь воздушные камеры 9, воздух контактирует с газодиффузионными катодами 10, смоченными электролитом, содержащимся в асбестовой матрице 11.
При соединении электродов в электрическую цепь с потреблением или генерацией электрической энергии в катодной зоне будет протекать основная электрохимическая реакция:
в результате которой электролит в газодиффузионном катоде 10 приобретет сильные щелочные характеристики (pH электролита повысится). Содержащиеся в очищаемом воздухе газофазные химические соединения с выраженными кислотными свойствами, такие как углекислый газ, сероводород, окислы серы, окислы азота, фтористый водород, хлористый водород, уксусная кислота и т.п., вступят в химическое взаимодействие с щелочным электролитом, образуя воду и анионы соответствующих кислот:
Содержащиеся в очищаемом воздухе органические и неорганические газофазные примеси, не обладающие кислотными свойствами (водород, формальдегид, фенол, сероуглерод, окись углерода, аммиак и т.п.), будут адсорбироваться на высокоразвитой углеродной поверхности обращенного в сторону воздушной камеры гидрофобного слоя каталитически активного катода. В результате комплексного воздействия адсорбции и электрохимического взаимодействия в присутствии катализаторов и сильных химических окислителей - кислорода и озона, адсорбированные соединения будут окисляться либо до простых веществ (воды, углекислого газа, азота) либо до анионов органических и неорганических кислот, растворимых в щелочном электролите. При этом катодная поверхность, занятая адсорбированными соединениями, будет непрерывно самоочищаться. Также на катоде будет осуществляться электрохимическая реакция:
в результате которой содержание высокотоксичного озона в воздухе на выходе из блока электролитических ячеек 5 снизится до допустимых значений.
Для компенсации потерь кислорода, связанных с процессом дыхания экипажа герметичного объекта, а также для компенсации потерь кислорода, связанных с химическими и электрохимическими процессами, проходящими в катодных зонах блока электролитических ячеек 5, предусмотрен электрохимический кислородно-водородный генератор 6, разлагающий воду на кислород и водород. Кислород направляется в атмосферу герметичного объекта, а водород подается в анодные воздушные камеры 13 блока электролитических ячеек 5.
В анодной зоне будет протекать основная электрохимическая реакция:
в результате которой электролит в газодиффузионном аноде 12 приобретет сильные кислотные характеристики (pH электролита снизится). Анионы кислот, образовавшиеся в катодной зоне электролитической ячейки из поглощенных газофазных веществ, в результате диффузии, а также под действием электростатических сил мигрируют через матричную или анионообменную мембрану в анодную зону, где вступают во взаимодействие с образующимися протонами.
Образующиеся слабые кислоты (углекислота, сероводород, уксусная кислота и т.п.) полностью или частично переходят в газовую фазу и заполняют воздушные камеры 13 блока электролитических ячеек 5. Смесь водорода с выделившимися из электролита газами выводят из блока электролитических ячеек 5, после чего удаляют из герметичного объекта (из подводной лодки или подземного сооружения) либо компримируют и используют, например, в качестве дополнительного рабочего тела системы ориентации орбитальной станции. Предпочтительно перед удалением с орбитальной станции данную смесь направляют в блок каталитической конверсии газовой смеси 8, в котором углекислый газ и другие кислородсодержащие вещества гидрируются с образованием углеводородов и воды. Воду после конденсации отделяют и возвращают в систему водооборота станции.
Анионы сильных кислот, образовавшиеся в катодной зоне электролитической ячейки из поглощенных газофазных веществ, не выделяются из электролита в анодной зоне электролитической ячейки. Данные анионы накапливаются в электролите, постепенно изменяя его рабочие характеристики, поэтому предусматривают непрерывный или периодический отвод части электролита из блока электролитических ячеек 5 с заменой его на новый либо регенерированный электролит. Регенерацию выведенного электролита осуществляют в блоке очистки и регенерации электролита 7. В данном блоке осуществляют также отделение от электролита воды, образовавшейся в результате электрохимических и химических реакций, происходящих в блоке электролитических ячеек 5. Отделившуюся воду возвращают в систему водооборота герметичного объекта.
1. Устройство для очистки воздуха в обитаемых герметичных объектах, отличающееся тем, что устройство содержит воздушные камеры с каталитически активными газодиффузионными катодами, через которые проходит очищаемый воздух, воздушные камеры с каталитически активными газодиффузионными анодами, из которых отводится газовая смесь с удаленными вредными примесями, и электролитные камеры с жидким или мембранным электролитом, расположенные между катодом и анодом.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит электрохимический кислородо-водородный генератор, выделяющий кислород в атмосферу герметичного помещения и подающий водород в воздушные камеры с каталитически активными газодиффузионными анодами.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит механический и электростатический фильтры, очищающие воздух от механических примесей перед подачей в воздушные камеры с каталитически активными газодиффузионными катодами.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит электростатический блок с генератором озона, подающий озон в воздушные камеры с каталитически активными газодиффузионными катодами.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит блок каталитической конверсии газовой смеси, выходящей из воздушных камер с каталитически активными газодиффузионными анодами.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит блок очистки и регенерации электролита.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве мембранного электролита используется пористая матрица, пропитанная щелочным электролитом.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в качестве пористой матрицы используется асбестовая матрица.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве мембранного электролита используется анионообменная мембрана.
10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве катода/анода используется двухслойный газодиффузионный электрод с гидрофобным запорным слоем, обращенным в сторону воздушной камеры, и активным слоем, обращенным в сторону электролитной камеры.
11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве анода/катода используется двухслойный газодиффузионный электрод с гидрофильным запорным слоем, обращенным в сторону электролитной камеры, и активным слоем, обращенным в сторону воздушной камеры.
12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве обращенного в сторону воздушной камеры слоя катода используется углерод с удельной поверхностью не менее 60-80 м2/г с каталитически активными включениями.
