[go: up one dir, main page]

RU2747332C1 - Photoactive cuvette - Google Patents

Photoactive cuvette Download PDF

Info

Publication number
RU2747332C1
RU2747332C1 RU2020117372A RU2020117372A RU2747332C1 RU 2747332 C1 RU2747332 C1 RU 2747332C1 RU 2020117372 A RU2020117372 A RU 2020117372A RU 2020117372 A RU2020117372 A RU 2020117372A RU 2747332 C1 RU2747332 C1 RU 2747332C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photoactive
singlet oxygen
disinfection
zinc
silver
Prior art date
Application number
RU2020117372A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Константинович Евстропьев
Игорь Викторович Багров
Александра Сергеевна Матросова
Владимир Витальевич Демидов
Валерий Михайлович Киселев
Константин Владимирович Дукельский
Николай Валентинович Никоноров
Артем Сергеевич Саратовский
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "НПО ГОИ им. С.И. Вавилова")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "НПО ГОИ им. С.И. Вавилова") filed Critical Акционерное общество "Научно-производственное объединение Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "НПО ГОИ им. С.И. Вавилова")
Priority to RU2020117372A priority Critical patent/RU2747332C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2747332C1 publication Critical patent/RU2747332C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/30Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation
    • C02F1/32Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation with ultraviolet light
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F9/00Multistage treatment of water, waste water or sewage
    • C02F9/20Portable or detachable small-scale multistage treatment devices, e.g. point of use or laboratory water purification systems

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Disinfection, Sterilisation Or Deodorisation Of Air (AREA)

Abstract

FIELD: purification and disinfection of air.
SUBSTANCE: invention relates to a technology for purification and disinfection of air and aqueous media and optical elements of medical equipment. A photoactive cell is proposed, which is a flow-through device made in the form of a tubular structure made of quartz glass, formed by through channels of a capillary type, on the surface of which a photoactive layer is applied, having a thickness of 0.1-2.0 mcm and consisting of nanoparticles of zinc and magnesium oxides and silver additives with the following ratio of components, wt. %: ZnO 79.5-99; MgO 0.9-20; Ag 0.01-1.00.
EFFECT: increased ability of the flow cell to photogenerate reactive singlet oxygen, which actively decomposes organic contaminants and pathogens, is achieved by applying a layer of zinc and magnesium oxide nanoparticles containing a modifying additive of silver to the inner surface of the quartz capillary elements.
1 cl, 3 dwg, 2 tbl, 15 ex

Description

Изобретение относится к технологии очистки и обеззараживания воздуха и водных сред и оптическим элементам медицинской техники, в частности является проточной кюветой, способной к фотогенерации химически активного синглетного кислорода, активно разлагающего органические загрязнения и болезнетворные микроорганизмы.The invention relates to a technology for purification and disinfection of air and aqueous media and optical elements of medical equipment, in particular, it is a flow cell capable of photogeneration of reactive singlet oxygen, which actively decomposes organic pollution and pathogens.

Фотохимическая очистка воды широко используется для разложения органических загрязнений, дезинфекции помещений и обеззараживания жидких сред (Басов Л.Л., Москвичев И.Ю., Чихачев К.С. Способ фотохимической очистки воды и устройство для его осуществления; Патент РФ №2636076, опубликованный 20.11.2017 по индексам МПК C02F 9/12, C02F 1/32, C02F 1/78, B01D 19/00, C02F 1/66, B01D 36/00; Boltenkov I.S., Kolobkova E.V., Evstropiev S.K. Synthesis and characterization of transparent photocatalytic ZnO-Sm2O3 and ZnO-Еr2О3 coatings. // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2018, V. 367, P. 458-464; Evstropiev S.K., Dukelskii K.V., Karavaeva A.V., Vasilyev V.N., Kolobkova E.V., Nikonorov N.V., Evstropyev K.S. Transparent bactericidal ZnO nanocoatings. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2017, V. 28, №7, Article 102; doi: 10.1007/s10856-017-5909-4). Наиболее часто для фотохимической очистки и обеззараживания воды, воздуха, поверхности твердых тел используется УФ облучение. Антибактериальное действие и разложение органических загрязнений в растворах под действием УФ излучения связано с образованием под его действием химически активных форм кислорода (синглетный кислород, гидроксил-радикалы, пероксид-радикалы) (Y. Li, W. Zhang, J. Niu, Y. Chen, Mechanism of photogenerated reactive oxygen species and correlation with the antibacterial properties of engineered metal-oxide nanoparticles. ACS Nano, 2012, V. 6, P. 5164-5173), (Киселев B.M., Евстропьев С.К., Стародубцев A.M. Фотокаталитичнеская деградация и сорбция метиленового синего на поверхности оксидов металлов в водном растворе красителя. // Оптика и спектроскопия, 2017, Т. 123, №5, С. 798-805).Photochemical water purification is widely used for the decomposition of organic pollutants, disinfection of premises and disinfection of liquid media (Basov L.L., Moskvichev I.Yu., Chikhachev KS Method for photochemical water purification and a device for its implementation; RF Patent No. 2636076, published 20.11.2017 according to IPC indices C02F 9/12, C02F 1/32, C02F 1/78, B01D 19/00, C02F 1/66, B01D 36/00; Boltenkov IS, Kolobkova EV, Evstropiev SK Synthesis and characterization of transparent photocatalytic ZnO-Sm 2 O 3 and ZnO-Er 2 O 3 coatings. // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2018, V. 367, P. 458-464; Evstropiev SK, Dukelskii KV, Karavaeva AV, Vasilyev VN, Kolobkova EV, Nikonorov NV, Evstropyev KS Transparent bactericidal ZnO nanocoatings. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2017, V. 28, No. 7, Article 102; doi: 10.1007 / s10856-017-5909-4). Most often, UV irradiation is used for photochemical cleaning and disinfection of water, air, and the surface of solids. The antibacterial action and decomposition of organic contaminants in solutions under the action of UV radiation is associated with the formation under its action of chemically active forms of oxygen (singlet oxygen, hydroxyl radicals, peroxide radicals) (Y. Li, W. Zhang, J. Niu, Y. Chen , Mechanism of photogenerated reactive oxygen species and correlation with the antibacterial properties of engineered metal-oxide nanoparticles.ACS Nano, 2012, V. 6, P. 5164-5173), (Kiselev BM, Evstropyev S.K., Starodubtsev AM Photocatalytic degradation and sorption of methylene blue on the surface of metal oxides in an aqueous solution of a dye. // Optics and Spectroscopy, 2017, T. 123, No. 5, pp. 798-805).

Во многих работах для ускорения процессов очистки и обеззараживания водных сред в них вводят специальные добавки, выделяющие химически активные формы кислорода, окисляющие органические соединения. Так, патент РФ №2636076 и работа (M.D. Hernandez-Alonso, J.M. Coronado, A. Javier Maira, J. Soria, V. Loddo, V. Augugliaro. Ozone enhanced activity of aqueous titanium dioxide suspensions for photocatalytic oxidation of free cyanide ions. Appl. Catal. B: Environ., 2002, V. 39, №3, P. 257-267) описывают процесс фотолитического озонирования воды. В работе (Ju He, Wanhong Ma, Jianjun He, Jincai Zhao, J.C. Yu, Photooxidation of azo dye in aqueous dispersions of H2О2/α-FеООН. Appl. Catal. B: Environ., 2002, V. 39, №3, P. 211-220) для ускорения фоторазложения органических загрязнений использовались добавки перекиси водорода. Необходимо отметить, что использование таких фоторазлагаемых добавок приводит к удорожанию процессов очистки от органических загрязнений и дезинфекции. Кроме того, перекись водорода является нестабильным соединением, с течением времени самопроизвольно разлагающимся даже при отсутствии света.In many works, to speed up the processes of purification and disinfection of aqueous media, special additives are introduced into them that release reactive oxygen species and oxidize organic compounds. So, RF patent No. 2636076 and work (MD Hernandez-Alonso, JM Coronado, A. Javier Maira, J. Soria, V. Loddo, V. Augugliaro. Ozone enhanced activity of aqueous titanium dioxide suspensions for photocatalytic oxidation of free cyanide ions. Appl. Catal. B: Environ., 2002, V. 39, No. 3, P. 257-267) describe the process of photolytic ozonation of water. In (Ju He, Wanhong Ma, Jianjun He, Jincai Zhao, JC Yu, Photooxidation of azo dye in aqueous dispersions of H 2 O 2 / α-FeOOH. Appl. Catal. B: Environ., 2002, V. 39, No. 3, P. 211-220) hydrogen peroxide additives were used to accelerate the photodegradation of organic pollutants. It should be noted that the use of such photodegradable additives leads to an increase in the cost of cleaning processes from organic contaminants and disinfection. In addition, hydrogen peroxide is an unstable compound that spontaneously decomposes over time even in the absence of light.

Поэтому, в последние десятилетия в качестве добавок, существенно ускоряющих процессы очистки и дезинфекции, используют различные твердые бактерицидные и фотокаталитические материалы [4,7] (Y. Li, W. Zhang, J. Niu, Y. Chen, Mechanism of photogenerated reactive oxygen species and correlation with the antibacterial properties of engineered metal-oxide nanoparticles. ACS Nano, 2012, V. 6, P. 5164-5173), (Киселев B.M., Евстропьев С.К., Стародубцев A.M. Фотокаталитичнеская деградация и сорбция метиленового синего на поверхности оксидов металлов в водном растворе красителя. // Оптика и спектроскопия, 2017, Т. 123, №5, с. 798-805).Therefore, in recent decades, various solid bactericidal and photocatalytic materials have been used as additives that significantly accelerate the cleaning and disinfection processes [4,7] (Y. Li, W. Zhang, J. Niu, Y. Chen, Mechanism of photogenerated reactive oxygen species and correlation with the antibacterial properties of engineered metal-oxide nanoparticles.ACS Nano, 2012, V. 6, P. 5164-5173), (Kiselev BM, Evstropiev S.K., Starodubtsev AM Photocatalytic degradation and sorption of methylene blue on the surface metal oxides in an aqueous solution of a dye. // Optics and Spectroscopy, 2017, T. 123, No. 5, pp. 798-805).

Для фотообработки воздуха и водных сред широко используются различные проточные устройства, достоинствами которых являются высокая производительность и эффективность (Патент РФ №2636076; Фотохимический реактор для обработки воды и система очистки воды. Описание полезной модели к патенту РФ №110084, опубл. 10.11.2011 по индексам МПК C02F 9/12, C02F 1/32, C02F 103/04). Проточные устройства, обеспечивающие УФ обработку крови, описаны в авторских свидетельствах СССР №1042758 «Способ ультрафиолетового облучения крови и устройство для его осуществления», приоритет 17.02.1982, и №1437938 «Устройство для ультрафиолетового облучения крови», приоритет 21.11.1986, опубликованных по индексу МПК A61N 5/06). В проточных устройствах, изготовленных из кварцевого стекла и описанных в этих авторских свидетельствах отсутствует какой-либо бактерицидный или фотокаталитический компонент и эффект от УФ обработки осуществляется за счет воздействия излучения на кислородные соединения, содержащиеся в крови.Various flow-through devices are widely used for photo processing of air and aqueous media, the advantages of which are high productivity and efficiency (RF Patent No. 2636076; Photochemical reactor for water treatment and water purification system. Description of the utility model to RF patent No. 110084, publ. 10.11.2011 on IPC indices C02F 9/12, C02F 1/32, C02F 103/04). Flow-through devices providing UV treatment of blood are described in USSR author's certificates No. 1042758 "Method for ultraviolet irradiation of blood and a device for its implementation", priority 17.02.1982, and No. 1437938 "Device for ultraviolet irradiation of blood", priority 21.11.1986, published by IPC index A61N 5/06). In flow-through devices made of quartz glass and described in these copyright certificates, there is no bactericidal or photocatalytic component and the effect of UV treatment is carried out due to the effect of radiation on oxygen compounds contained in the blood.

Существенно более стабильными фотогенераторами синтглетного кислорода, обеспечивающими удаление органических загрязнений и высокую антибактериальную активность являются наночастицы оксидных полупроводников [2,4,7]. Под действием света эти оксидные материалы способны выделять химически активные формы кислорода, воздействующие на болезнетворные микроорганизмы и окисляющие органические загрязнения.Nanoparticles of oxide semiconductors are significantly more stable photogenerators of synthlet oxygen, which ensure the removal of organic impurities and high antibacterial activity [2,4,7]. When exposed to light, these oxide materials are capable of releasing reactive oxygen species that attack pathogens and oxidize organic contaminants.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является проточный генератор синглетного кислорода, который может использоваться для очистки и дезинфекции воздуха, описанный в работе [9] (Багров И.В., Белоусова И.М., Гренишин А.С, Киселев В.М., Кисляков И.М., Соснов Е.Н. Генератор синглетного кислорода газопроточного типа на базе пористых фуллеренсодержащих структур // Опт. и спектр. 2012. Т. 112. №6. С. 1009). Существенным недостатком этого генератора является использование в качестве фотоактивного элемента фуллерена, обладающего низкой фотостойкостью и слабой адгезией к материалу проточной кюветы, что определяет низкую стабильность и малый временной ресурс использования таких устройств.The closest to the proposed technical solution is a flow-through generator of singlet oxygen, which can be used for cleaning and disinfecting air, described in [9] (IV Bagrov, IM Belousova, AS Grenishin, VM Kiselev. , Kislyakov IM, Sosnov EN Singlet oxygen generator of gas-flow type based on porous fullerene-containing structures // Opt. Spectrum 2012. T. 112. No. 6. P. 1009). A significant drawback of this generator is the use of fullerene as a photoactive element, which has a low photostability and weak adhesion to the flow cell material, which determines the low stability and low time resource of such devices.

Задачей изобретения является разработка эффективной фотоактивной проточной кюветы, содержащей фотостойкие оксидные наночастицы и позволяющей осуществлять УФ обработку воздуха и жидких сред для их дезинфекции и очистки от органических загрязнений.The objective of the invention is to develop an effective photoactive flow cell containing photostable oxide nanoparticles and allowing UV treatment of air and liquid media for their disinfection and cleaning from organic contaminants.

Технический результат изобретения - повышение способности проточной кюветы к фотогенерации химически активного синглетного кислорода, активно разлагающего органические загрязнения и болезнетворные микроорганизмы, достигается за счет нанесения на внутреннюю поверхность кварцевых капиллярных элементов слоя наночастиц оксидов цинка и магния, содержащих модифицирующую добавку серебра.The technical result of the invention is to increase the ability of the flow cell to photogenerate chemically active singlet oxygen, which actively decomposes organic contaminants and pathogens, is achieved by applying a layer of zinc and magnesium oxide nanoparticles containing a modifying additive of silver to the inner surface of the quartz capillary elements.

Задача изобретения решается при применении слоев фотоактивных оксидных наночастиц, осажденных на внутреннюю поверхность капиллярных каналов фотоактивной проточной кюветы - генератора синглетного кислорода. Проточная кювета изготовлена из кварцевого стекла, что обеспечивает высокую прозрачность ее стенок в УФ и видимом спектральных диапазонах, что позволяет использовать всю световую энергию источника излучения.The problem of the invention is solved by using layers of photoactive oxide nanoparticles deposited on the inner surface of the capillary channels of a photoactive flow cell - a singlet oxygen generator. The flow cell is made of quartz glass, which ensures high transparency of its walls in the UV and visible spectral ranges, which makes it possible to use all the light energy of the radiation source.

Новая фотоактивная кювета представляет собой проточное устройство, выполненное в виде емкости трубчатой структуры из кварцевого стекла, образованной сквозными каналами капиллярного типа, на поверхность которых нанесен фотоактивный слой, имеющий толщину 0,1-2,0 мкм и состоящий из наночастиц оксидов цинка и магния и добавки серебра при следующем соотношении компонентов, масс. %: ZnO 79,5-99; MgO 0,9-20; Ag 0,01-1,00.The new photoactive cell is a flow-through device made in the form of a tubular silica glass container formed by through capillary-type channels, on the surface of which a photoactive layer is applied, having a thickness of 0.1-2.0 μm and consisting of nanoparticles of zinc and magnesium oxides and silver additives with the following ratio of components, wt. %: ZnO 79.5-99; MgO 0.9-20; Ag 0.01-1.00.

Представленные чертежи иллюстрируют сущность изобретения:The presented drawings illustrate the essence of the invention:

На Фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая структуру и принцип действия фотоактивной кюветы, где цифрой 1 обозначен корпус кюветы, 2 - кварцевые капилляры, образующие сквозные каналы, 3 - фотоактивные слои, нанесенные на внутренние стенки кварцевых капилляров 2.FIG. 1 is a diagram illustrating the structure and principle of operation of a photoactive cell, where 1 denotes the cell body, 2 - quartz capillaries forming through channels, 3 - photoactive layers deposited on the inner walls of quartz capillaries 2.

На Фиг. 2 представлена микрофотография сечения фотоактивной кюветы.FIG. 2 shows a micrograph of a cross-section of a photoactive cell.

На Фиг. 3 представлен спектр люминесценции фотоактивной кюветы под действием излучения с длиной волны λ=370 нм.FIG. 3 shows the luminescence spectrum of a photoactive cell under the action of radiation with a wavelength of λ = 370 nm.

Диаметр каналов кюветы может варьироваться в широких пределах в зависимости от агрегатного состояния обрабатываемой среды, а также характера и степени ее загрязненности, и предпочтительно составляет 0,05÷10 мм. На внутреннюю поверхность каналов нанесен слой наночастиц оксидов цинка и магния, содержащих модифицирующую добавку серебра.The diameter of the channels of the cuvette can vary within wide limits depending on the state of aggregation of the medium being treated, as well as the nature and degree of its contamination, and is preferably 0.05 ÷ 10 mm. A layer of zinc and magnesium oxide nanoparticles containing a modifying additive of silver is deposited on the inner surface of the channels.

Толщина слоя наночастиц, наносимых на внутреннюю поверхность каналов, составляет предпочтительно 0,1÷2,0 мкм. При толщине слоя наночастиц, превышающей 2,0 мкм, эффективность фотоактивного действия кюветы снижается за счет сильного поглощения света каналами, наиболее близко расположенными к световому источнику. При толщине фотоактивного слоя, наносимого на внутреннюю поверхность каналов фотоактивной кюветы, менее 0,1 мкм эффективность генерации кислорода недостаточна для эффективного удаления органических загрязнений.The thickness of the layer of nanoparticles applied to the inner surface of the channels is preferably 0.1–2.0 μm. When the thickness of the nanoparticle layer exceeds 2.0 μm, the efficiency of the photoactive action of the cell decreases due to the strong absorption of light by the channels closest to the light source. When the thickness of the photoactive layer applied to the inner surface of the channels of the photoactive cell is less than 0.1 μm, the oxygen generation efficiency is insufficient to effectively remove organic contaminants.

Генерация химически активных форм кислорода осуществляется на поверхности фотоактивных частиц [2,4,7]. Поэтому существенное значение для эффективной генерации синглетного кислорода имеет величина удельной поверхности фотоактивного слоя и размер составляющих его нанокристаллов. Экспериментально установлено, что оптимальный размер нанокристаллов составляет 15÷70 нм. При размере кристаллов менее 15 нм существенным становится влияние квантоворазмерного эффекта - увеличение ширины запрещенной зоны оксида цинка, что приводит к сужению спектрального интервала внешнего излучению, приводящего к генерации на его поверхности химически активных форм кислорода. При увеличении размера нанокристаллов более 70 нм эффективность генерации синглетного кислорода снижается из-за уменьшения удельной поверхности частиц слоя.The generation of reactive oxygen species is carried out on the surface of photoactive particles [2,4,7]. Therefore, the specific surface area of the photoactive layer and the size of its constituent nanocrystals are essential for the efficient generation of singlet oxygen. It has been experimentally established that the optimal size of nanocrystals is 15–70 nm. When the crystal size is less than 15 nm, the effect of the quantum size effect becomes significant - an increase in the band gap of zinc oxide, which leads to a narrowing of the spectral range of external radiation, leading to the generation of reactive oxygen species on its surface. With an increase in the nanocrystal size over 70 nm, the efficiency of singlet oxygen generation decreases due to a decrease in the specific surface area of the layer particles.

Figure 00000001
Figure 00000001

Введение в состав пленкообразующего раствора растворимого полимера - поливинилпирролидона обеспечивает высокую адгезию раствора к поверхности кварцевого стекла.The introduction into the composition of the film-forming solution of a soluble polymer - polyvinylpyrrolidone provides high adhesion of the solution to the surface of quartz glass.

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

В Таблице 2 приведены данные об относительной интенсивности генерации синглетного кислорода фотоактивными покрытиями различного химического состава. Относительные значения интенсивности генерации синглетного кислорода были определены на основании интенсивности пика люминесценции (λmax=1270 нм) покрытиями. Наибольшая интенсивность пика люминесценции, наблюдаемая в спектрах синтезированных фотоактивных покрытий была принята за 100 относительных единиц (образец 3, Табл. 2). Интенсивности пиков люминесценции синглетного кислорода в спектрах других покрытий была заметно меньше.Table 2 shows data on the relative intensity of singlet oxygen generation by photoactive coatings of various chemical compositions. The relative values of the intensity of the generation of singlet oxygen were determined based on the intensity of the luminescence peak (λ max = 1270 nm) by the coatings. The highest intensity of the luminescence peak observed in the spectra of the synthesized photoactive coatings was taken as 100 relative units (sample 3, Table 2). The intensity of the singlet oxygen luminescence peaks in the spectra of other coatings was noticeably lower.

Границы оптимальных химических составов фотоактивных покрытий, наиболее активно генерирующих синглетный кислород под действием света, были определены нами как соответствующие составам покрытий, в которых относительная интенсивность генерации синглетного кислорода составляет 50 относительных единиц. Технический результат доказан в заявленных диапазонах составляющих компонентов покрытия (Таблица 2, образцы: 2, 3, 4, 7, 8, 9, 12, 13, 14). Для сравнения приведены составы с другими значениями содержания компонентов - образцы: 1, 5, 6, 10, 11, 15, которые не дают достаточной генерации синглетного кислорода.The boundaries of the optimal chemical compositions of photoactive coatings that most actively generate singlet oxygen under the action of light were determined by us as corresponding to the compositions of coatings in which the relative intensity of singlet oxygen generation is 50 relative units. The technical result is proven in the stated ranges of the constituent components of the coating (Table 2, samples: 2, 3, 4, 7, 8, 9, 12, 13, 14). For comparison, compositions with other values of the content of components are shown - samples: 1, 5, 6, 10, 11, 15, which do not give sufficient generation of singlet oxygen.

Оксид цинка является основным компонентом, обеспечивающим выделение синглетного кислорода при УФ облучении. При содержании в нем оксида цинка более 99 масс % эффективность генерации синглетного кислорода снижается из-за формирования крупных кристаллов и уменьшения величины удельной поверхности материала слоя, обеспечивающего генерацию синглетного кислорода.Zinc oxide is the main component responsible for the release of singlet oxygen under UV irradiation. When it contains more than 99 wt% zinc oxide, the efficiency of singlet oxygen generation decreases due to the formation of large crystals and a decrease in the specific surface area of the layer material, which provides the generation of singlet oxygen.

При содержании оксида цинка менее 79,5 масс % эффективность генерации синглетного кислорода снижается из-за уменьшения содержания основного фотоактивного компонента.When the zinc oxide content is less than 79.5 wt%, the efficiency of singlet oxygen generation decreases due to a decrease in the content of the main photoactive component.

При небольших добавках оксида магния в покрытия на основе оксида цинка размер кристаллов ZnO уменьшается [12] и увеличивается их удельная поверхность. Поэтому введение небольших добавок оксида магния увеличивает способность фотоактивного слоя генерировать синглетный кислород под действием УФ излучения. При содержании оксида магния менее 0,9 масс % в фотоактивном слое этот положительный эффект практически не проявляется.With small additions of magnesium oxide to coatings based on zinc oxide, the size of ZnO crystals decreases [12] and their specific surface area increases. Therefore, the introduction of small additions of magnesium oxide increases the ability of the photoactive layer to generate singlet oxygen under the action of UV radiation. When the content of magnesium oxide is less than 0.9 wt% in the photoactive layer, this positive effect is practically not manifested.

При содержании оксида магния более 20 масс % содержание фотоактивных компонентов - оксида цинка и серебра снижается и эффективность генерации синглетного кислорода становится низкой.When the content of magnesium oxide is more than 20 wt%, the content of photoactive components - zinc oxide and silver decreases and the efficiency of generation of singlet oxygen becomes low.

Введение серебра в качестве модифицирующего компонента в состав фотоактивного слоя способствует увеличению его бактерицидных и фотокаталитических свойств. При содержании серебра более 1 масс % в слое происходит образование молекулярных кластеров и наночастиц серебра, сильно поглощающих свет в ближней УФ и видимой частях спектра, что снижает эффективность генерации синглетного кислорода фотоактивной кюветой.The introduction of silver as a modifying component into the composition of the photoactive layer increases its bactericidal and photocatalytic properties. At a silver content of more than 1 wt%, molecular clusters and silver nanoparticles are formed in the layer, which strongly absorb light in the near UV and visible parts of the spectrum, which reduces the efficiency of singlet oxygen generation by a photoactive cell.

При содержании серебра менее 0,01 масс % эффективность генерации синглетного кислорода фотоактивным слоем заметно уменьшается.When the silver content is less than 0.01 wt%, the efficiency of singlet oxygen generation by the photoactive layer is noticeably reduced.

Все заявленные диапазоны концентрации компонентов в фотоактивном слое являются оптимальными для достижения заявленного результата. Конкретный пример выполнения.All the stated ranges of the concentration of the components in the photoactive layer are optimal to achieve the stated result. A specific example of implementation.

В качестве основы фотоактивной кюветы была использована капиллярная заготовка длиной 70 мм и диаметром 3 мм, изготовленная из кварцевого стекла. Внутри заготовки располагались открытые с обоих концов трубчатые каналы, имеющих диаметр 0,07÷0,25 мм. Пространственное расположение воздушных каналов показано на микрофотографии торца заготовки, приведенной на Фигуре 2.A capillary blank 70 mm long and 3 mm in diameter, made of quartz glass, was used as the base of the photoactive cell. Inside the workpiece, there were tubular channels open at both ends and having a diameter of 0.07–0.25 mm. The spatial arrangement of the air channels is shown in the micrograph of the blank end shown in Figure 2.

Для нанесения на внутреннюю поверхность каналов был изготовлен пленкообразующий раствор (Таблица 1). Введение в состав пленкообразующего раствора растворимого полимера - поливинилпирролидона обеспечивало высокую адгезию раствора к поверхности кварцевого стекла.For application to the inner surface of the channels, a film-forming solution was prepared (Table 1). The introduction of a soluble polymer, polyvinylpyrrolidone, into the composition of the film-forming solution ensured high adhesion of the solution to the quartz glass surface.

Воздушные каналы заготовки при пониженном давлении были заполнены пленкообразующим раствором и подвергнуты сушке в течение 24 часов при комнатной температуре. По завершению сушки заготовка была помещена в электрическую печь и подвергнута термообработке при температуре 550°С в течение 2 часов. В процессе термообработки происходило полное разложение нитратов металлов и поливинилпирролидона, удаление газообразных продуктов и формирование однородного и прозрачного оксидного покрытия.The air passages of the preform were filled with a film-forming solution under reduced pressure and dried for 24 hours at room temperature. Upon completion of drying, the workpiece was placed in an electric furnace and heat treated at 550 ° C for 2 hours. In the course of heat treatment, there was a complete decomposition of metal nitrates and polyvinylpyrrolidone, removal of gaseous products and the formation of a homogeneous and transparent oxide coating.

Определение способности синтезированных оксидных покрытий к генерации синглетного кислорода осуществлялось путем измерения спектров фотолюминесценции покрытий в ближней ИК области спектра по методике, описанной в [7]. Спектры люминесценции исследовались на спектрометре SDH-IV (SOLAR Laser Systems, Республика Беларусь).The determination of the ability of the synthesized oxide coatings to generate singlet oxygen was carried out by measuring the photoluminescence spectra of the coatings in the near-IR region of the spectrum according to the method described in [7]. The luminescence spectra were studied on an SDH-IV spectrometer (SOLAR Laser Systems, Republic of Belarus).

На Фигуре 3 представлен спектр фотолюминесценции кюветы при возбуждении светом с длиной волны λ=370 нм. В спектре наблюдается довольно интенсивная полоса люминесценции с λmаx=1270 нм, характерная для синглетного кислорода [9]. Проведенные нами эксперименты показали, что разработанная кювета эффективно генерирует синглетный кислород как под действием излучения ближнего УФ диапазона, так и под действием синего света.Figure 3 shows the photoluminescence spectrum of the cuvette upon excitation with light with a wavelength of λ = 370 nm. The spectrum contains a rather intense luminescence band with λ max = 1270 nm, which is characteristic of singlet oxygen [9]. Our experiments have shown that the developed cuvette efficiently generates singlet oxygen both under the action of near-UV radiation and under the action of blue light.

ЛитератураLiterature

1. Басов Л.Л., Москвичев И.Ю., Чихачев К.С. Способ фотохимической очистки воды и устройство для его осуществления. Патент РФ 2636076 (МПК C02F 9/12, C02F 1/32, C02F 1/78, B01D 19/00, C02F 1/66, B01D 36/00, дата приоритета 02.12.2015, дата публикации 20.11.2017).1. Basov L.L., Moskvichev I.Yu., Chikhachev K.S. Method for photochemical water purification and device for its implementation. RF patent 2636076 (IPC C02F 9/12, C02F 1/32, C02F 1/78, B01D 19/00, C02F 1/66, B01D 36/00, priority date 02.12.2015, publication date 20.11.2017).

2. Boltenkov I.S., Kolobkova E.V., Evstropiev S.K. Synthesis and characterization of transparent photocatalytic ZnO-SrmOa and ZnO-Er203 coatings. // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2018, V. 367, P. 458-464.2. Boltenkov I.S., Kolobkova E.V., Evstropiev S.K. Synthesis and characterization of transparent photocatalytic ZnO-SrmOa and ZnO-Er203 coatings. // Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2018, V. 367, P. 458-464.

3. Evstropiev S.K., Dukelskii K.V., Karavaeva A.V., Vasilyev V.N., Kolobkova E.V., Nikonorov N.V., Evstropyev K.S. Transparent bactericidal ZnO nanocoatings. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2017. V. 28. №7. Article 102. doi: 10.1007/s10856-017-5909-4.3. Evstropiev S.K., Dukelskii K.V., Karavaeva A.V., Vasilyev V.N., Kolobkova E.V., Nikonorov N.V., Evstropyev K.S. Transparent bactericidal ZnO nanocoatings. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 2017. V. 28. No. 7. Article 102.doi: 10.1007 / s10856-017-5909-4.

4. Y. Li, W. Zhang, J. Niu, Y. Chen, Mechanism of photo generated reactive oxygen species and correlation with the antibacterial properties of engineered metal-oxide nanoparticles. ACS Nano. 2012. V. 6. P. 5164-5173.4. Y. Li, W. Zhang, J. Niu, Y. Chen, Mechanism of photo generated reactive oxygen species and correlation with the antibacterial properties of engineered metal-oxide nanoparticles. ACS Nano. 2012. V. 6. P. 5164-5173.

5. M.D. Hernandez-Alonso, J.M. Coronado, A. Javier Maira, J. Soria, V. Loddo, V. Augugliaro. Ozone enhanced activity of aqueous titanium dioxide suspensions for photocatalytic oxidation of free cyanide ions. Appl. Catal. B: Environ. 2002. V. 39. №3. P. 257-267.5. M.D. Hernandez-Alonso, J.M. Coronado, A. Javier Maira, J. Soria, V. Loddo, V. Augugliaro. Ozone enhanced activity of aqueous titanium dioxide suspensions for photocatalytic oxidation of free cyanide ions. Appl. Catal. B: Environ. 2002. V. 39. No. 3. P. 257-267.

6. Ju He, Wanhong Ma, Jianjun He, Jincai Zhao, J.C. Yu, Photooxidation of azo dye in aqueous dispersions of H2O2/α-FeOOH. Appl. Catal. B: Environ., 2002, V. 39, №3, P. 211-220.6. Ju He, Wanhong Ma, Jianjun He, Jincai Zhao, JC Yu, Photooxidation of azo dye in aqueous dispersions of H 2 O 2 / α-FeOOH. Appl. Catal. B: Environ., 2002, V. 39, No. 3, P. 211-220.

7. Киселев B.M., Евстропьев С.К., Стародубцев A.M. Фотокаталитичнеская деградация и сорбция метиленового синего на поверхности оксидов металлов в водном растворе красителя. // Оптика и спектроскопия. 2017. Т. 123. №5. С. 798-805.7. Kiselev B.M., Evstropiev S.K., Starodubtsev A.M. Photocatalytic degradation and sorption of methylene blue on the surface of metal oxides in an aqueous solution of a dye. // Optics and Spectroscopy. 2017.Vol. 123. No. 5. S. 798-805.

8. Зырянов В.В. Фотохимический реактор для обработки воды и система очистки воды. Описание полезной модели к патенту РФ №110084, МПК C02F 9/12, C02F 1/32, C02F 103/04, дата приоритета 02.06.2011, дата публикации 10.11.2011.8. Zyryanov V.V. Photochemical reactor for water treatment and water purification system. Description of the utility model to RF patent No. 110084, IPC C02F 9/12, C02F 1/32, C02F 103/04, priority date 06/02/2011, publication date 11/10/2011.

9. Багров И.В., Белоусова И.М., Гренишин А.С., Киселев В.М., Кисляков И.М., Соснов Е.Н. Генератор синглетного кислорода газопроточного типа на базе пористых фуллеренсодержащих структур // Оптика и спектроскопия. 2012. Т. 112. №6. С. 1009.9. Bagrov I.V., Belousova I.M., Grenishin A.S., Kiselev V.M., Kislyakov I.M., Sosnov E.N. Gas-flow singlet oxygen generator based on porous fullerene-containing structures // Optics and Spectroscopy. 2012. T. 112. No. 6. S. 1009.

10. Попов Ю.В., Кукуй Л.М. Способ ультрафиолетового облучения крови и устройство для его осуществления. А.с. СССР. №1042758. Приоритет 17.02.1982. МПК A61N 5/06.10. Popov Yu.V., Kukui L.M. Method for ultraviolet irradiation of blood and a device for its implementation. A.S. THE USSR. No. 1042758. Priority 02/17/1982. IPC A61N 5/06.

11. Попов Ю.В., Кукуй Л.М., Киричек Б.И., Финкельштейн Б.Б., Сорокина О.Г., Чечин С.Д. Устройство для ультрафиолетового облучения крови. А.с. СССР №1437038. Приоритет 21.11.1986, МПК A61N 5/06.11. Popov Yu.V., Kukui LM, Kirichek BI, Finkelstein BB, Sorokina OG, Chechin SD Device for ultraviolet irradiation of blood. A.S. USSR No. 1437038. Priority 11/21/1986, IPC A61N 5/06.

12. Evstropiev S.K., Soshnikov LP., Kolobkova E.V., Evstropyev K.S., Nikonorov N.V., Khrebtov A.I., Dukelskii K.V., Kotlyar K.P., Oreshkina K.V., Nashekin A.V. Polymer-salt synthesis and characterization of MgO-ZnO ceramic coatings with the high transparency in UV spectral range. // Optical Materials. 2018. V. 82. P. 81-87.12. Evstropiev S.K., Soshnikov LP., Kolobkova E.V., Evstropyev K.S., Nikonorov N.V., Khrebtov A.I., Dukelskii K.V., Kotlyar K.P., Oreshkina K.V., Nashekin A.V. Polymer-salt synthesis and characterization of MgO-ZnO ceramic coatings with the high transparency in UV spectral range. // Optical Materials. 2018. V. 82. P. 81-87.

Claims (1)

Фотоактивная кювета для очистки и обеззараживания воздуха и водных сред, представляющая собой проточное устройство, выполненное в виде емкости трубчатой структуры из кварцевого стекла, образованной сквозными каналами капиллярного типа, на поверхность которых нанесен фотоактивный слой, имеющий толщину 0,1-2,0 мкм и состоящий из наночастиц оксидов цинка и магния и добавки серебра при следующем соотношении компонентов, мас. %: ZnO 79,5-99; MgO 0,9-20; Ag 0,01-1,00.A photoactive cuvette for cleaning and disinfecting air and aqueous media, which is a flow-through device made in the form of a tubular structure made of quartz glass, formed by through channels of a capillary type, on the surface of which a photoactive layer is applied having a thickness of 0.1-2.0 μm and consisting of nanoparticles of zinc and magnesium oxides and silver additives with the following ratio of components, wt. %: ZnO 79.5-99; MgO 0.9-20; Ag 0.01-1.00.
RU2020117372A 2020-05-14 2020-05-14 Photoactive cuvette RU2747332C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020117372A RU2747332C1 (en) 2020-05-14 2020-05-14 Photoactive cuvette

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020117372A RU2747332C1 (en) 2020-05-14 2020-05-14 Photoactive cuvette

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2747332C1 true RU2747332C1 (en) 2021-05-04

Family

ID=75850958

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020117372A RU2747332C1 (en) 2020-05-14 2020-05-14 Photoactive cuvette

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2747332C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2802301C1 (en) * 2022-11-09 2023-08-24 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Photoactive luminescent material

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1042758A1 (en) * 1982-02-17 1983-09-23 Предприятие П/Я Р-6681 Method and apparatus for ultraviolet irradiation of blood
MD3728G2 (en) * 2007-02-26 2009-05-31 Государственный Университет Молд0 Photocatalytic reactor for water purification from pollutants
US20170056873A1 (en) * 2015-03-13 2017-03-02 The Research Foundation For The State University Of New York Metal oxide nanofibrous materials for photodegradation of environmental toxins

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1042758A1 (en) * 1982-02-17 1983-09-23 Предприятие П/Я Р-6681 Method and apparatus for ultraviolet irradiation of blood
MD3728G2 (en) * 2007-02-26 2009-05-31 Государственный Университет Молд0 Photocatalytic reactor for water purification from pollutants
US20170056873A1 (en) * 2015-03-13 2017-03-02 The Research Foundation For The State University Of New York Metal oxide nanofibrous materials for photodegradation of environmental toxins

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Bagrov I.V. and others. Gas-flow type singlet oxygen generator based on porous fullerene-containing structures. Optics and Spectroscopy, 2012, vol. 112, N6, p. 1009. *
Багров И.В. и др. Генератор синглетного кислорода газопроточного типа на базе пористых фуллеренсодержащих структур. Оптика и спектроскопия, 2012, т.112, N6, с.1009. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2802301C1 (en) * 2022-11-09 2023-08-24 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Photoactive luminescent material
RU2854146C1 (en) * 2024-12-25 2025-12-29 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) Photocatalytic coating for generating singlet oxygen and device for generating singlet oxygen for air disinfection in a room

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Khairnar et al. Hydrothermally synthesized nanocrystalline Nb2O5 and its visible-light photocatalytic activity for the degradation of congo red and methylene blue
Zakaria et al. Ultra-thin silver nanoparticles film prepared via pulsed laser deposition: synthesis, characterization, and its catalytic activity on reduction of 4-nitrophenol
CN108744990B (en) A kind of titanium dioxide nanofiber membrane material modified by silver nanoparticles and its preparation method and application
Li et al. Synthesis of CdWO 4 nanorods and investigation of the photocatalytic activity
WO2007005038A1 (en) Photocatalytic nanocomposites and applications thereof
Dubey et al. Photo/piezo-catalytic performance of 0.5 Ba (Zr0. 2Ti0. 8) O3-0.5 (Ba0. 7Sr0. 3) TiO3 ceramic
El-Sayed et al. Photocatalytic degradation of metronidazole in aqueous solutions by copper oxide nanoparticles
Rudakova et al. Self-cleaning properties of zirconium dioxide thin films
Kamalakkannan et al. Advanced construction of heterostructured InCrO 4–TiO 2 and its dual properties of greater UV-photocatalytic and antibacterial activity
Ge et al. Fabrication and characterization of nano TiO2 thin films at low temperature
Ameta et al. Photocatalytic decomposition of malachite green over lead chromate powder
Cheng et al. Visible-light-driven hierarchical porous CeO2 derived from wood for effective photocatalytic degradation of methylene blue
Heidarineko et al. P-type semiconducting NiO nanoparticles synthesis and its photocatalytic activity
Begum et al. Synthesis of nanocrystalline TiO2 thin films by liquid phase deposition technique and its application for photocatalytic degradation studies
RU2747332C1 (en) Photoactive cuvette
TWI460132B (en) Method of producing titania sol and its applications on self-cleaning and dirt-removing
Joudah Radhi et al. Preparation and characterization of ZnO, WO3/ZnO nanocomposites using hydrothermal method
Shende et al. Visible-light-driven photocatalytic activity of mixed phase CdS-flakes
KR20090081930A (en) OH radical generator
JP4264426B2 (en) Photocatalyst material, photocatalyst filter, photocatalyst filter unit, and photocatalyst purification treatment apparatus
Moafi et al. Semiconductor‐assisted self‐cleaning polymeric fibers based on zinc oxide nanoparticles
US20140242289A1 (en) Method for forming titanium oxide film on surface of molded product composed of glass
CN103894178B (en) Bi 0.5na 0.5tiO 3preparation method and application in photocatalysis
Nong et al. Photocatalytic activity for degradation of sulfamethoxazole by Bivo4 using visible light
CN101367550B (en) Method of preparing multifunctional rutile type nano-titanium dioxide powder