Технологии компании TIOKRAFT

"Я никогда не забуду тот момент, когда я понял,
что смог искусственно сымитировать
фотосинтез растений."

Акира Фудзисима

В 1972 году аспирант Токийского университета Акира Фудзисима (Akira Fujishima) и его научный руководитель профессор Кениши Хонда (Kenichi Honda) занимались поиском новых технологий получения водорода. Результатом их труда стала статья в престижном журнале «Nature». В статье впервые был описан процесс разложения воды на поверхности кристаллов диоксида титана (TiO2) под действием солнечного света.

Процесс был назван фотокатализ. В 1985 году, опять-таки в Японии, только поступивший в аспирантуру Токийского университета Такехиро Мацунага (Takehiro Matsunaga) сообщил миру о бактерицидных способностях TiO2. С тех пор на тему фотокатализа написаны сотни научных работ.

Так что же это такое – фотокатализ? По-простому - это ускорение химической реакции, связанное совместным действием катализатора и света.

На представленном видео вы можете наблюдать явление фотокатализа на практике.

В течении 6 часов нанесенные на фотокаталитический элемент табачные смолы под действием УФ-излучения полностью разлагаются на воду и углекислый газ.

Удаление табачных смол с поверхности фотокаталитического элемента под действием
УФ-излучения

Рассмотрим детально реакцию фотокатализа:

TiO2 - полупроводник. В таких соединениях электроны могут находиться в двух состояниях: свободном и связанном. Обычное состояние электрона – связанное, то есть он связан с ионом кристаллической решетки вещества, образуя при этом прочную химическую связь.

Для того, чтобы «вырвать» электрон из кристаллической решетки необходимо приложить не менее 3,2 электронвольт (эВ) энергии (для сравнения кинетическая энергия летящего комара примерно триллион эВ). На нашу радость, именно такое количество энергии несет квант света с длиной волны меньше 390 нМ. Итак, квант света «выбивает» электрон из решетки, образуя электронную вакансию, а проще – «дырку».

Электрон и дырка активно двигаются внутри частицы TiO2. В результате движения они либо рекомбинируются (встречают друг друга , «женятся»
и возвращаются в связанное состояние), либо вырываются на поверхность и тут же захватываются ею.

И «дырка» и электрон невероятно химически активны. Вся поверхность катализатора является мощнейшим полем окисления. Соприкасаясь
с поверхностью катализатора кислород, получая в подарок свободный электрон, рождает окислительный радикал О-, который способен разрушить (окислить) любое органическое соединение. «Дырка», в свою очередь, сама вступает в реакцию с первым же встреченным ею на поверхности органическим соединением. «Дырка» вырывает из структуры соединения недостающий ей электрон, тем самым разваливая сами соединения на воду
и углекислый газ.

Каждый раз на смену «отработавшим» парам электрон –«дырка» на поверхность катализатора поднимается, как пузырьки в бокале шампанского, все новая и новая свободная пара. Процесс окисления будет идти до тех пор, пока свет подает на катализатор.

Фотокаталитический фильтр
минерализует органические молекулярные примеси, в основном, до углекислого
газа и воды

Наши технологические достижения:

Катализатор. Наибольшей фотокаталитической активностью обладает TiO2 c кристаллической модификацией анатаза, содержащий минимальное количество примесей. Мы применяем в наших приборах именно такой катализатор в виде ультрадисперсного порошка собственного производства. Размер частиц около 40 нм. Именно в таком состоянии катализатор высокоактивен и имеет максимальную поверхность для реакции.

Носитель (конструктивный элемент , на поверхность которого нанесен TiO2) . Требования к материалу носителя весьма суровые: он не может быть сделан из органических материалов, т.к. под действием ультрафиолета любое органическое вещество разлагается, он должен пропускать ультрафиолет, а значит должен быть прозрачен, и наконец, он должен иметь при малых собственных размерах огромную поверхность для контакта катализатора и воздуха. Мы умеем делать такие носители, получая по собственной запатентованной технологии пластины или трубки из спеченных кварцевых шариков диаметром 1 мм.

кварцевые шарики
диаметром 1 мм.




Чем технология  ТИОКРАФТ лучше других?


Эффективность применения фотокатализа в устройствах очистки воздуха определяется, в основном, способностью самого фотокатализатора адсорбировать внутри себя молекулы ЛОС, величиной квантового выхода фотокатализатора (его способностью эмитировать фотоэлектроны к числу упавших фотонов) и количеством фотонов (мощностью) источника излучения необходимого спектра. Влияние вторичных факторов – влажности, температуры, равномерности освещенности фотокатализатора и т.п. можно отнести ко внешним и менее значимым с точки зрения управления ими. 

Большинство работ по изучению фотокатализа сконцентрировано на исследовании фотокатализаторов как таковых, влияния на их эффективность легирующих добавок, спектров излучения и т.п. При этом обычно изучаются фотокаталитические ячейки с нанесенным фотокатализатором в виде тонких слоев на неорганическом носителе (рис.1), т.е. рассматриваются заведомо неэффективные, с точки зрения практического применения, схемы, так как адсорбция ЛОС тонкими слоями катализатора – наименее эффективна.

Снимок экрана 2021-08-19 в 16.26.48.png

Рис.1 Схема протекания фотокаталитических реакций на тонких слоях фотокатализатора

Они плохо адсорбируют загрязнители воздуха.  Кратковременность контактов молекул ЛОС с фотокатализатором приводит к тому, что с поверхности сравнительно легко «отскакивают» промежуточные продукты окисления ЛОС, в числе которых наибольшую озабоченность вызывают формальдегид и ацетоальдегид.  Даже пористая структура керамических носителей, применяемая отдельными исследователями, принципиально ничего не меняет, поскольку хоть и увеличивает размер освещаемой поверхности, но не изменяет саму схему протекания фотокаталитических реакций.

Часто упоминаемый в исследованиях товарный фотокатализатор в виде порошка Degussa P25 (рис.2) также не может считаться оптимальным для адсорбции ЛОС, так как морфология частиц порошка - в виде отдельных сфероидальных частиц -  не предполагает наличия в нем мезопор, которые эффективно задерживают молекулы ЛOC.

Снимок экрана 2021-08-19 в 16.27.00.png

Рис.2 Фотокатализатор Degussа P25



Схема работы фотокатализа в приборах ТИОКРАФТ


Схема работы фотокаталитических ячеек в приборах ТИОКРАФТ принципиально иная (рис.3).

Снимок экрана 2021-08-19 в 16.27.20.png

Рис.3 Схема протекания фотокаталитических реакций в ячейках приборов ТИОКРАФТ

Фотокатализатор - диоксид титана анатазной модификации с очень высокой (350 м2/г) удельной поверхностью и морфологией в виде пористых агломератов (рис.4), равномерно зафиксирован во всем объеме пористого стеклянного носителя из спеченных стеклянных шариков. Плотность его нанесения составляет 1 г/дм2.  В комплексе, этим обеспечивается очень хорошая адгезия VOC при прокачке воздуха через ячейку и создаются условия для наиболее полного протекания реакций фотокаталитической минерализации.

Снимок экрана 2021-08-19 в 16.27.57.png

Рис.4 Фотокатализатор в ячейках приборов ТИОКРАФТ

Материал носителя – кварцевое стекло – прозрачен для излучения фотокаталитического спектра. Благодаря этому, адсорбированные молекулы VOC фотокаталитически минерализируются максимально эффективно во всем объеме носителя.

То же самое происходит с патогенной микрофлорой воздуха. Она застревает в объеме фотокатализатора, поскольку размеры пор в нем сопоставимы с размерами самой микрофлоры, и под действием УФА излучения минерализуется, в основном, до паров воды и углекислого газа. 

Способность фотокаталитических ячеек приборов ТИОКРАФТ фильтровать микрофлору делает их пригодными для обеззараживания воздуха в тех случаях, когда фотокаталитическая молекулярная очистка воздуха становится невозможной вследствие присутствия в нем фтор-хлорсодержащих органических соединений (например севофлурана в операционных). В этих случаях процесс обеззараживания воздуха на фотокаталитических ячейках приборов ТИОКРАФТ  может быть двухстадийным: первая стадия - аккумулирование микрофлоры в объеме фотокатализатора без облучения, вторая – минерализация микрофлоры без дальнейшего ее накопления. Эта уникальная возможность подтверждена Институтом Фризениуса (Bericht Nr.: BS_20210426_RW) и делает возможным обеззараживать воздух приборами ТИОКРАФТ с гарантированным отсутствием полупродуктов окисления ЛОС в воздухе.