Fotokataliza - skuteczna metoda oczyszczania powietrza

Fotokatalityczne systemy oczyszczania powietrza stanowią obecnie dynamicznie rozwijający się trend, który z powodzeniem stosować można na stacjach paliw czy w obiektach sportowych np. w siłowniach. Wspomniane rozwiązanie idealnie sprawdza się w usuwaniu niepożądanych zapachów np. w toaletach publicznych, szpitalach czy nawet w układach klimatyzacji samochodowej. Dzięki połączeniu fotokatalitycznego mechanizmu uzdatniającego zanieczyszczone powietrze, w szybki, efektywny i ekologiczny sposób, możemy oczyścić powietrze z nieprzyjemnych zapachów, drobnoustrojów (bakterii i grzybów) wpływając tym samym na komfort oraz zdrowie przebywania w pomieszczeniach.

A czym jest sama fotokataliza? Ujmując najprościej, przyspiesza reakcje chemiczne zachodzące przy udziale światła. Jednym z najbardziej znanych fotokatalizatorów jest dwutlenek tytanu (TiO₂). Oczywiście, znanych jest również wiele innych odpowiedników, jednak ze względu na swoje unikatowe właściwości to właśnie TiO₂ jest tym najbardziej efektywnym w działaniu i co za tym idzie, najczęściej stosowanym rozwiązaniem.

Od samego początku

Początek badań nad fotokatalizą sięga lat siedemdziesiątych XX wieku, kiedy to naukowcy odkryli unikatowe zjawisko fotokatalitycznego oczyszczania. Dodatkowo, pojawienie się nanotechnologii i jej gwałtowny rozwój w ostatnich latach pozwoliło na zastosowanie fotokatalizy w przemyśle. Dzięki zmniejszeniu wielkości cząstek TiO₂ nawet do kilku nanometrów udało się uzyskać lepsze właściwości fotokatalityczne. 

Na czym polega fotokataliza?

TiO₂ jest półprzewodnikiem. Światło padające na jego nanocząstki powoduje przemieszczenie się elektronów z powłoki walencyjnej do pasma przewodnictwa. Dzięki temu na powierzchni TiO₂ powstają elektrony, które łącząc się z tlenem z powietrza tworzą aktywne formy tlenu oraz dziury elektronowe. Te z kolei po połączeniu z parą wodną oraz wodą tworzą rodniki wodorotlenowe. W zależności od panujących warunków, dziury (h⁺), rodniki OH, O₂ˉ, H₂O₂ lub O₂ odgrywają główną rolę w mechanizmie reakcji fotokatalitycznej.

Powstający rodnik wodorotlenowy posiada bardzo silne właściwości utleniające, dzięki czemu może rozkładać wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia organiczne, taki jak przykładowo: oleje, tłuszcze, spaliny samochodowe, gazy o niepożądanym zapachu oraz nawet mikroorganizmy, grzyby czy bakterie.

Zastosowanie unikatowej zdolności TiO₂

TiO₂ może poprzez fotokatalizę rozkładać zanieczyszczenia wody i powietrza. Końcowymi produktami takiej degradacji są dwutlenek węgla, woda i ewentualnie proste aniony nieorganiczne. Dodatkowo, najczęściej występujące - zanieczyszczenia w postaci oleistej  cechują się właściwościami hydrofobowymi. Dzięki hydrofilowości TiO₂, powierzchnie nim pokryte będą samoistnie oczyszczane za pomocą opadów atmosferycznych. Efekt ten wykorzystać można choćby do pokrywania szyb samochodowych czy elewacji budynków.

Niemniej proces fotokatalizy można zastosować nie tylko do usuwania zanieczyszczeń z powierzchni stałych, takich jak np. okna, ale również zabijania drobnoustrojów lub oczyszczania powietrza i usuwania nieprzyjemnych zapachów.

Jak długo działa TiO₂

Powierzchnie pokryte TiO₂ uzyskują pełnię możliwości dopiero po pewnym czasie tj. po zaabsorbowaniu odpowiedniej dawki energii świetlnej niezbędnej do aktywacji powłoki. Czas ten wynosi na ogół kilkadziesiąt godzin. Proces przebiega nieustannie nawet podczas pochmurnej pogody, ponieważ chmury tylko w pewnym stopniu osłabiają promieniowanie UV. Podobnie dzieje się w nocy, gdy oddaje nagromadzoną w ciągu dnia energię.

Efektywność działania TiO₂

Dwutlenek tytanu ma jedną poważną wadę - pochłania tylko promieniowanie ultrafioletowe. Zatem efekt fotokatalityczny może zajść tylko podczas naświetlania takim właśnie światłem.

Jednym z kierunków badań jest uzyskanie fotokatalizatorów na bazie TiO₂, które byłyby aktywne również podczas naświetlania światłem widzialnym. Cel ten można osiągnąć domieszkując dwutlenek tytanu lub modyfikując jego powierzchnię różnymi związkami organicznymi, jonami i kompleksami metali np.: Au, Cr, Fe, Mn, Mo, Nb, V, Pd, Ru.

Ponadto efektywność urządzeń fotokatalitycznych do oczyszczania powietrza zależy od trzech podstawowych parametrów: aktywności fotokatalizatora, rozwinięcia powierzchni, na której będzie zachodziła reakcja fotokatalityczna (nośnik fotokatalizatora), jak również typu oraz mocy źródła promieniowania.

Opracowane przez naukowców rozwiązanie, bazujące na opracowanym TiO₂ cechuje się dużą efektywnością. Około 20 minut pracy fotokatalizatora wystarcza do pełnego oczyszczenia powietrza w średniej wielkości sali do fitnessu, poprawiając komfort ćwiczących tam osób.

Kto pracuje nad tym rozwiązaniem?

Nad efektywnymi systemami oczyszczania powietrza pracuje obecnie firma 45stages przy współpracy z Wydziałem Chemicznym Politechniki Warszawskiej oraz firmą YLIA sp. z o.o. Jej trzon naukowy stanowią: dr inż. Barbara Ostrowska (Manager ds. Technologii) i dr inż. Michał J. Woźniak (Manager ds. B+R). Obydwoje są absolwentami Wydziału Inżynierii Materiałowej PW.