Forschungsergebnisse des Lawrence Berkeley National Laboratory zeigen, dass photokatalytische Oxidation (PCO) flüchtige organische Verbindungen (VOC) in Innenräumen reduziert, aber Formaldehyd als Nebenprodukt erzeugen könnte.
Eine sehr vielversprechende neue Technologie zur Reduzierung flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) in Innenräumen ist die photokatalytische Oxidation (PCO). Bei diesem Verfahren wird ein Katalysator wie Titandioxid ultraviolettem Licht ausgesetzt, um hauptsächlich Hydroxylradikale (OH) zu erzeugen. Diese Hydroxylradikale sind äußerst reaktiv und können typische flüchtige organische Verbindungen in Innenräumen oxidieren oder „abbauen“. Das Ziel dieser Studie von A.T. Hodgson, D.P. Sullivan und W.J. Fisk mit dem Titel „Evaluation of ultra-violet photocatalytic oxidation (UVPCO) for indoor air applications: conversion of volatile organic compounds at low part-per-billion concentrations“ (LBNL-58936) war es, festzustellen, ob dieses Verfahren zur Reduzierung von VOC in Innenräumen in einem Maße eingesetzt werden kann, dass „eine akzeptable Innenraumluftqualität in Bürogebäuden mit weniger Energieaufwand erreicht werden kann, indem wirksame Luftreinigungssysteme für VOC mit Partikelfilterung kombiniert werden, als wenn man sich ausschließlich auf die Lüftung verlässt.“
Die Forscher weisen darauf hin, dass die meisten Studien zu dieser Technologie in Laborumgebungen durchgeführt wurden. Bei der großen Mehrheit dieser Untersuchungen wurden relativ hohe Konzentrationen einiger weniger flüchtiger organischer Verbindungen verwendet, um den PCO-Prozess besser zu verstehen. In dieser Studie wurden niedrige VOC-Konzentrationen simuliert, wie sie in realen Innenräumen anzutreffen sind.
Theoretisch werden alle VOCs zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut. In vielen Fällen sind die Reaktionen, die zu diesem Endzustand führen, jedoch mehrstufig, können komplex sein und relativ stabile Zwischenprodukte erzeugen. Die Frage ist, ob der photokatalytische Oxidationsprozess schnell genug und vollständig genug mit den flüchtigen organischen Verbindungen reagieren kann, um sie zu neutralisieren und keine schädlichen flüchtigen organischen Verbindungen als unbeabsichtigte Nebenprodukte zu erzeugen.
Um dies zu testen, stellten die Forscher drei VOC-Mischungen her. Eine war eine Kombination aus 27 VOCs, die üblicherweise in Bürogebäuden vorkommen. Die zweite war eine Mischung aus drei häufig verwendeten Reinigungsmitteln – einem Reiniger auf Kiefernölbasis, einem Reiniger mit 2-Butoxyethanol und einem Reiniger auf Orangenölbasis (d. h. d-Limonen). Das dritte Produkt bestand aus einer Mischung von VOC, die üblicherweise von Bauprodukten wie gestrichenen Wandplatten, Verbundholz, Teppichböden und Vinylböden emittiert werden. Die Luftströmungsgeschwindigkeiten und VOC-Konzentrationen wurden mit jeder Mischung variiert, so dass insgesamt neun Experimente durchgeführt wurden. Gemessen wurden die VOC-Emissionen beim Einlass und die VOC-Emissionen beim Auslass in einem Durchgang. Andere Experimente wurden nur mit einem Formaldehyd- und Acetaldehyd-Gemisch und dem PCO-Gerät durchgeführt.
Im Allgemeinen variierte die Effizienz der Umwandlung der flüchtigen organischen Verbindungen je nach Art der flüchtigen organischen Verbindungen und der Geschwindigkeit des Luftstroms. Interessanterweise hatte die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen keinen nennenswerten Einfluss. Trotz einer Erhöhung der Konzentration um das Zwei- bis Dreifache blieb die Clean Air Delivery Rate (CADR) etwa gleich. Bei den Reinigungsmittel-VOCs schwankten die Reaktionswirkungsgrade zwischen 20 % und 80 %. Bei der Bauprodukt-VOC-Mischung schwankten die Reaktionswirkungsgrade zwischen unbedeutend und bis zu 80 %. Die Umwandlungseffizienz der Aldehydmischung lag zwischen 18 % und 49 %. Im Allgemeinen verlief die Effizienz der Umsetzungen in der folgenden Reihenfolge: Am effektivsten waren Alkohole und Glykolether, dann Aldehyde, Ketone und Terpenkohlenwasserstoffe, dann aromatische und Alkankohlenwasserstoffe und schließlich halogenierte aliphatische Kohlenwasserstoffe. Im Allgemeinen waren die Umwandlungsraten sehr ermutigend, und die Autoren der Studie weisen darauf hin, dass dies bei einem sehr geringen Druckabfall erreicht wurde, was die These stützt, dass PCOs zur Energieeinsparung führen könnten.
Doch es gab auch einen negativen Aspekt dieser Experimente. Die Forscher stellten fest, dass aufgrund der unvollständigen Zersetzung der flüchtigen organischen Verbindungen im Zuluftstrom eine Nettoproduktion von Formaldehyd, Acetaldehyd, Ameisensäure und Essigsäure auftrat. Besonders besorgniserregend war, dass die Auslasskonzentrationen von Formaldehyd und Acetaldehyd das 3,4- bzw. 4,6-fache der Einlasskonzentrationen betrugen. Sowohl Formaldehyd als auch Acetaldehyd sind als wichtige Schadstoffe in Innenräumen anerkannt. Formaldehyd ist als Karzinogen für den Menschen eingestuft. Staatliche Richtlinien empfehlen, die Konzentrationen von Formaldehyd und Acetaldehyd in Innenräumen auf einem sehr niedrigen Niveau zu halten.
Während die Exposition gegenüber flüchtigen organischen Verbindungen bei PCO-Geräten Formaldehyd und Acetaldehyd erzeugt, baut das PCO-Gerät diese Verbindungen auch ab. Es stellt sich also die Frage, ob dies zu einem Nettoanstieg dieser Verbindungen in Innenräumen führt oder nicht. Anhand von Modellrechnungen, die auf den Ergebnissen der Studie beruhen, kommen die Autoren zu dem Schluss, dass die Formaldehyd- und Acetaldehydkonzentrationen in Innenräumen beim Betrieb eines PCO-Geräts in einem Bürogebäude etwa um das Dreifache ansteigen würden (je nach Konzentration und Art der VOC).
Zusammenfassend stellen die Forscher fest, dass die Effizienz der VOC-Umwandlung mit dem PCO-Gerät zwar für die groß angelegte Behandlung der Luft in bewohnten Gebäuden von Vorteil sein kann, dass aber der Anstieg von Formaldehyd und Acetaldehyd weiter erforscht und besser quantifiziert werden muss. Es muss daran gearbeitet werden, entweder die Produktion von Formaldehyd und Acetaldehyd zu verringern oder die Technologie mit einer Art Wäscher zu kombinieren, um die giftigen Nebenprodukte herauszuziehen, bevor sie wieder in den bewohnten Raum gelangen.
Diese Forschung wird fortgesetzt, wie aus dem Protokoll der Sitzung des Federal Interagency Committee on Indoor Air Quality vom 7. Februar 2007 hervorgeht. Der Vertreter des Energieministeriums (das der größte Sponsor dieser Forschung ist) fasste die oben genannten Ergebnisse zusammen und erklärte, dass Experimente mit verschiedenen Arten von Sorptionsmittelwäschern durchgeführt werden, die dem PCO-Gerät nachgeschaltet sind. Erste Ergebnisse zeigen, dass ein Natriumpermanganat-Chemisorbent ein beträchtliches Potenzial hat.
Ein anderer Ansatz besteht darin, die Produktivität der Reaktionen von VOCs und Hydroxylradikalen und anderen ROS zu verbessern. Die Schwierigkeit dabei ist, dass es unwahrscheinlich ist, dass die Reaktionen jemals vollständig sind und keine Nebenprodukte erzeugen. In denselben CIAQ-Protokollen wurde darauf hingewiesen, dass alle 10 getesteten VOC Formaldehyd erzeugen. Ein weiteres Problem sind die Luftgeschwindigkeit und die Expositionszeit in der Nähe des PCO. Die Tests, die im LBNL durchgeführt wurden, erfolgten mit zwei Geschwindigkeiten. Die prozentualen Anteile der VOCs, die abgebaut wurden, nahmen mit zunehmender Geschwindigkeit deutlich ab. Dies ist logisch, da die VOCs für einen kürzeren Zeitraum mit den ROSs in Kontakt kommen. Problematisch ist jedoch, dass die „hohe“ Drehzahl nur 340 cfm betrug. Die meisten Systeme für Wohngebäude erzeugen mindestens 1.000 cfm, während gewerbliche Systeme in der Regel für 2.000 cfm ausgelegt sind. Bei diesen höheren Geschwindigkeiten müsste man von einem noch geringeren Prozentsatz an Reaktionen und einem höheren Anteil an Nebenprodukten ausgehen, doch müssten weitere Untersuchungen durchgeführt werden, um dies zu bestätigen.
Weitere Arbeiten müssen auch zum Einsatz der photokatalytischen Oxidation (PCO) in Bereichen durchgeführt werden, in denen geraucht wird. Die Reduzierung der wahrnehmbaren Gerüche in Häusern mit Rauchern oder an Orten wie Bars und Kasinos ist sehr verlockend. Allerdings enthält Zigarettenrauch über 1.000 verschiedene Chemikalien. Es mangelt an guten Forschungsergebnissen, um festzustellen, was aus den Reaktionen mit diesen mehr als 1.000 Chemikalien und den Hydroxylradikalen und anderen reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) aus den PCO-Geräten entsteht. Angesichts der Ergebnisse, die wir mit Zigarettenrauch und Ozon (einer anderen ROS) gesehen haben, und der Ergebnisse der oben genannten detaillierten Studie kann man mit ziemlicher Sicherheit davon ausgehen, dass Formaldehyd eines der Nebenprodukte ist. Welche anderen Nebenprodukte, die Mengen dieser Nebenprodukte und die mögliche Produktion von ultrafeinen Partikeln sind allesamt unbeantwortete Fragen.
Was mir dies zeigt, ist die Komplexität der Innenraumluft und die Gefahr, Annahmen über die Ergebnisse chemischer Reaktionen zu treffen. Was man will, bekommt man oft nicht. Die PCO-Technologie ist zwar sehr vielversprechend, aber meiner Meinung nach ist noch nicht entschieden, ob sie für bewohnte Innenräume allgemein empfohlen werden sollte.