Forskning på Lawrence Berkeley National Laboratory viser, at fotokatalytisk oxidation (PCO) reducerer VOC’er i indeluften, men kan producere formaldehyd som et biprodukt.
En meget lovende ny teknologi til reduktion af flygtige organiske forbindelser (VOC’er) i indendørs miljøer er fotokatalytisk oxidation (PCO). Ved denne proces udsættes ultraviolet lys for en katalysator som f.eks. titandioxid for at producere primært hydroxylradikaler (OH). Disse hydroxylradikaler er ekstremt reaktive og kan oxidere eller “nedbryde” typiske VOC’er i indendørs miljøer. Formålet med denne undersøgelse, der blev udført af A.T. Hodgson, D.P. Sullivan og W.J. Fisk med titlen “Evaluation of ultra-violet photocatalytic oxidation (UVPCO) for indoor air applications: conversion of volatile organic compounds at low part-per-billion concentrations” (LBNL-58936) var at afgøre, om denne proces kunne anvendes til at reducere VOC’er indendørs i et sådant omfang, at “acceptabel indendørs luftkvalitet i kontorbygninger kunne opnås med mindre energi ved at kombinere effektive luftrensningssystemer til VOC’er med partikelfiltrering end ved udelukkende at satse på ventilation”.”
Forskerne påpeger, at de fleste af undersøgelserne af denne teknologi er blevet udført i laboratoriemiljøer. Langt de fleste af disse undersøgelser har anvendt relativt store koncentrationer af blot nogle få VOC’er primært for bedre at forstå PCO-processen. Denne undersøgelse var designet til at simulere lave VOC-koncentrationer, som ville blive fundet i virkelige indendørs miljøer.
Theoretisk set vil alle VOC’er blive nedbrudt til kuldioxid og vand. I mange tilfælde har reaktionerne for at opnå denne sluttilstand imidlertid mange faser, kan være komplekse og kan producere relativt stabile mellemprodukter som biprodukter. Spørgsmålet er, om den fotokatalytiske oxidationsproces kan reagere hurtigt og fuldstændigt nok med VOC’er til at neutralisere dem og ikke skabe skadelige VOC’er som utilsigtede biprodukter.
For at teste dette skabte forskerne tre udfordrende VOC-blandinger. Den ene var en kombination af 27 VOC’er, der almindeligvis findes i kontorbygninger. Den anden var en blanding af tre almindeligt anvendte rengøringsmidler – et rengøringsmiddel baseret på fyrreolie, et rengøringsmiddel med 2-butoxyethanol og et rengøringsmiddel baseret på appelsinolie (dvs. d-limonene). Det tredje bestod af en blanding af VOC’er, der almindeligvis udledes fra byggeprodukter som f.eks. malede vægplader, komposittræ, tæpper og vinylgulve. Luftstrømningshastigheder og VOC-koncentrationer blev varieret med hver blanding for at skabe i alt ni eksperimenter. Der blev foretaget målinger af de indgående VOC’er og VOC’er fra udstrømningen i en enkelt passage. Der blev også gennemført andre forsøg med kun en blanding af formaldehyd og acetaldehyd og PCO-anordningen.
Generelt varierede effektiviteten af omdannelserne af udfordringens VOC’er alt efter typen af VOC og luftstrømmenes hastighed. Interessant nok havde koncentrationen af udfordringens VOC’er ikke den store effekt. Selv om koncentrationerne øgedes to eller tre gange, forblev Clean Air Delivery Rate (CADR) nogenlunde den samme. For VOC’erne fra rengøringsprodukterne varierede reaktionseffektiviteten mellem 20 % og 80 %. For VOC-blandingen af byggevarer varierede reaktionseffektiviteten mellem ubetydelige og op til 80 %. Aldehydblandingens omdannelseseffektivitet varierede mellem 18 % og 49 %. Generelt set var effektiviteten af konverteringerne i følgende rækkefølge: alkoholer og glykolethere var mest effektive, derefter aldehyder, ketoner og terpenkulbrinter, derefter aromatiske og alkankulbrinter og til sidst halogenerede alifatiske kulbrinter. Generelt blev konverteringshastighederne bestemt til at være meget opmuntrende, og forfatterne til undersøgelsen påpeger, at dette blev opnået ved et meget lavt tryktab, hvilket understøtter, at PCO’er kan føre til energibesparelser.
Der kom dog et negativt resultat ud af disse forsøg. Forskerne fandt, at der på grund af den ufuldstændige nedbrydning af VOC’erne i den indgående luftstrøm var en nettoproduktion af formaldehyd, acetaldehyd, myresyre og eddikesyre. Det var især bekymrende, at koncentrationerne af formaldehyd og acetaldehyd ved udløbet var henholdsvis 3,4 og 4,6 gange så høje som ved indløbet. Både formaldehyd og acetaldehyd er anerkendt som vigtige indendørs giftige stoffer. Formaldehyd er klassificeret som et kræftfremkaldende stof for mennesker. De statslige retningslinjer anbefaler, at koncentrationerne af formaldehyd og acetaldehyd indendørs holdes på et meget lavt niveau.
Mens VOC-eksponeringen for PCO-enheder skaber formaldehyd og acetaldehyd, nedbryder PCO-enheden også disse forbindelser. Spørgsmålet er så, om dette resulterer i en nettoforøgelse af disse forbindelser i et indeklima. Ved hjælp af modellering baseret på resultaterne af undersøgelsen konkluderer forfatterne, at der vil være en ca. tredobbelt stigning i koncentrationerne af formaldehyd og acetaldehyd indendørs med en PCO i en kontorbygning (afhængigt af koncentrationer og typer af VOC’er).
Forfatterne konkluderer, at selv om VOC-konverteringsvirkningerne med PCO-enheden kan være fordelagtige for storstilet behandling af luften i beboede bygninger, skal stigningerne i formaldehyd og acetaldehyd undersøges yderligere og kvantificeres bedre. Der skal arbejdes på enten at reducere produktionen af formaldehyd og acetaldehyd eller at kombinere teknologien med en eller anden form for skrubber for at fjerne de giftige biprodukter, inden de bringes tilbage i beboelsesrummene.
Denne forskning fortsætter, som det fremgår af referatet af mødet den 7. februar 2007 i Federal Interagency Committee on Indoor Air Quality. Repræsentanten for energiministeriet (som er den største sponsor af denne forskning) opsummerede ovenstående resultater og erklærede, at der udføres forsøg med flere typer sorbentmedievaskere nedstrøms PCO-anordningen. De første resultater viser, at et kemisorbent af natriumpermanganat har et betydeligt potentiale.
En anden fremgangsmåde er at forbedre produktiviteten af reaktionerne mellem VOC’erne og hydroxylradikalerne og andre ROS. Vanskeligheden ved dette er, at det er usandsynligt, at reaktionerne nogensinde vil være totale og ikke producere nogen biprodukter. I samme CIAQ-protokol blev det påpeget, at alle 10 af de testede VOC’er producerede formaldehyd. Et andet problem er lufthastigheden og eksponeringstiden i nærheden af PCO’en. De test, der blev udført på LBNL, blev udført ved to hastigheder. Der blev set betydelige fald i procentdelen af de VOC’er, der blev nedbrudt, efterhånden som hastigheden blev øget. Dette er logisk, da VOC’erne ville være i nærvær af ROS’erne i kortere tid. Det, der gør dette problematisk, var, at den “høje” hastighed kun var 340 cfm. De fleste boligsystemer producerer mindst 1 000 cfm, mens kommercielle systemer generelt er normeret til 2 000 cfm. Ved disse højere hastigheder må man antage endnu lavere procentdele af reaktioner og højere niveauer af biprodukter, selv om der skal foretages yderligere forskning for at bekræfte dette.
Der skal også arbejdes videre med brugen af fotokatalytisk oxidation (PCO) i områder, hvor der er rygere. Reduktionen af mærkbare lugte for huse med rygere eller steder som barer og kasinoer er meget tiltalende. Cigaretrøg indeholder imidlertid over 1.000 forskellige kemikalier. Der mangler god forskning til at afgøre, hvad der kommer fra reaktionerne med disse mere end 1 000 kemikalier og hydroxylradikalerne og andre reaktive oxygenarter (ROS) fra PCO-apparaterne. I betragtning af de resultater, vi har set med cigaretrøg og ozon (en anden ROS), og resultaterne af ovennævnte detaljerede undersøgelse, er det en ret sikker antagelse, at formaldehyd er et af biprodukterne. Hvilke andre biprodukter, niveauet af disse biprodukter og den mulige produktion af ultrafine partikler er alle ubesvarede spørgsmål.
Det, som dette illustrerer for mig, er kompleksiteten af indendørs luft og farerne ved at gøre antagelser om resultaterne af kemiske reaktioner. Det, man ønsker, er ofte det, man ikke får. Selv om PCO-teknologien er meget lovende, er juryen efter min mening stadig ikke klar over, om den bør anbefales generelt til indendørs beboede rum.