Lawrence Berkeleyn kansallisessa laboratoriossa tehdyssä tutkimuksessa todettiin, että fotokatalyyttinen hapetus vähentää sisäilman haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC), mutta sen sivutuotteena voi syntyä formaldehydiä.
Uusi lupaava tekniikka haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC-yhdisteiden) vähentämiseksi sisäympäristössä on fotokatalyyttinen hapetus (PCO). Tässä prosessissa ultraviolettivalo altistetaan katalysaattorille, kuten titaanidioksidille, tuottaen pääasiassa hydroksyyliradikaaleja (OH). Nämä hydroksyyliradikaalit ovat erittäin reaktiivisia ja voivat hapettaa tai ”hajottaa” tyypillisiä VOC-yhdisteitä sisäympäristöissä. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli, että A.T. Hodgson, D.P. Sullivan ja W.J. Fiskin tekemässä tutkimuksessa ”Evaluation of ultra-violet photocatalytic oxidation (UVPCO) for indoor air applications: conversion of volatile organic compounds at low part-per-billion concentrations” (UVPCO) (LBNL-58936) pyrittiin selvittämään, voitaisiinko tätä prosessia käyttää sisäilman VOC-yhdisteiden vähentämiseen siinä määrin, että ”toimistorakennusten hyväksyttävä sisäilman laatu voitaisiin saavuttaa vähemmällä energiankulutuksella yhdistämällä tehokkaat VOC-yhdisteiden puhdistusjärjestelmät hiukkassuodatuksen kanssa, kuin tukeutumalla pelkästään ilmanvaihtoon.”
Tutkijat huomauttavat, että suurin osa tätä tekniikkaa koskevista tutkimuksista on tehty laboratorio-olosuhteissa. Suurimmassa osassa näistä tutkimuksista on käytetty suhteellisen suuria pitoisuuksia vain muutamia VOC-yhdisteitä ensisijaisesti PCO-prosessin ymmärtämiseksi paremmin. Tämä tutkimus suunniteltiin simuloimaan alhaisia VOC-pitoisuuksia, joita esiintyy todellisissa sisäympäristöissä.
Teoriassa kaikki VOC:t hajoavat hiilidioksidiksi ja vedeksi. Monissa tapauksissa tämän lopputilan saavuttamiseen tähtäävissä reaktioissa on kuitenkin useita vaiheita, ne voivat olla monimutkaisia ja tuottaa suhteellisen pysyviä välituotteita. Kysymys kuuluukin, voiko fotokatalyyttinen hapetusprosessi reagoida tarpeeksi nopeasti ja täydellisesti VOC-yhdisteiden kanssa neutraloidakseen ne eikä synnyttää haitallisia VOC-yhdisteitä tahattomina sivutuotteina.
Testatakseen tämän tutkijat loivat kolme haastavaa VOC-seosta. Yksi oli yhdistelmä 27:stä toimistorakennuksissa yleisesti esiintyvästä VOC-yhdisteestä. Toinen oli seos kolmesta yleisesti käytetystä puhdistusaineesta – mäntyöljypohjaisesta puhdistusaineesta, 2-butoksietanolia käyttävästä puhdistusaineesta ja appelsiiniöljypohjaisesta (ts. d-limoneeni) puhdistusaineesta. Kolmas koostui rakennustuotteista, kuten maalatuista seinälevyistä, puukomposiiteista, matoista ja vinyylilattioista, yleisesti vapautuvien VOC-yhdisteiden seoksesta. Ilman virtausnopeuksia ja VOC-pitoisuuksia vaihdeltiin kunkin seoksen kanssa yhteensä yhdeksän kokeen luomiseksi. Tuloilman VOC-pitoisuudet ja ulosvirtauksen VOC-pitoisuudet mitattiin. Muita kokeita tehtiin myös pelkällä formaldehydin ja asetaldehydin seoksella ja PCO-laitteella.
Yleisesti ottaen haasteena olevien VOC-yhdisteiden muuntamisen tehokkuus vaihteli VOC-tyypin ja ilmavirran nopeuden mukaan. Mielenkiintoista oli, että haasteellisten VOC-yhdisteiden pitoisuudella ei ollut suurta vaikutusta. Vaikka pitoisuudet kasvoivat kaksi- tai kolminkertaisiksi, puhtaan ilman siirtonopeus (CADR) pysyi suunnilleen samana. Puhdistusaineiden VOC-yhdisteiden reaktiotehokkuudet vaihtelivat 20 ja 80 prosentin välillä. Rakennustuotteen VOC-seoksen reaktiotehokkuudet vaihtelivat merkityksettömän ja jopa 80 prosentin välillä. Aldehydiseoksen muuntotehokkuudet vaihtelivat 18 prosentista 49 prosenttiin. Yleisesti ottaen muunnosten tehokkuus jakautui seuraavassa järjestyksessä: tehokkaimpia olivat alkoholit ja glykolieetterit, sitten aldehydit, ketonit ja terpeenihiilivedyt, sitten aromaattiset ja alkaanihiilivedyt ja lopuksi halogenoidut alifaattiset hiilivedyt. Yleisesti ottaen muuntumisnopeudet todettiin hyvin rohkaiseviksi, ja tutkimuksen tekijät korostavat, että tämä saavutettiin hyvin pienellä painehäviöllä, mikä tukee väitettä, jonka mukaan PCO:t voivat johtaa energiansäästöön.
Näissä kokeissa oli kuitenkin myös kielteisiä tuloksia. Tutkijat havaitsivat, että koska VOC-yhdisteiden hajoaminen tuloilmavirtaan oli epätäydellistä, syntyi formaldehydiä, asetaldehydiä, muurahaishappoa ja etikkahappoa. Erityisen huolestuttavaa oli, että formaldehydin ja asetaldehydin poistopitoisuudet olivat 3,4 ja 4,6 kertaa suuremmat kuin tulopitoisuudet. Sekä formaldehydi että asetaldehydi on tunnustettu tärkeiksi sisäilman myrkyllisiksi aineiksi. Formaldehydi on luokiteltu ihmisen syöpää aiheuttavaksi aineeksi. Hallituksen ohjeissa suositellaan, että formaldehydin ja asetaldehydin pitoisuudet sisätiloissa pidetään hyvin alhaisina.
Vaikka PCO-laitteille altistuminen VOC-yhdisteille synnyttää formaldehydiä ja asetaldehydiä, PCO-laite myös hajottaa näitä yhdisteitä. Kysymys kuuluukin, johtaako tämä näiden yhdisteiden nettokasvuun sisäympäristössä. Tutkimuksen tuloksiin perustuvan mallinnuksen avulla kirjoittajat päättelevät, että formaldehydin ja asetaldehydin pitoisuudet sisätiloissa kasvaisivat noin kolminkertaisiksi, jos PCO-laite toimisi toimistorakennuksessa (riippuen VOC-yhdisteiden pitoisuuksista ja tyypeistä).
Johtopäätöksenä tutkijat toteavat, että vaikka VOC-yhdisteiden konversiotehokkuus PCO-laitteella voi olla hyödyllistä rakennusten ilman laajamittaisessa käsittelyssä, formaldehydin ja asetaldehydin pitoisuuksien nousua on tutkittava tarkemmin ja se on määriteltävä paremmin. On tehtävä työtä joko formaldehydin ja asetaldehydin tuotannon vähentämiseksi tai tekniikan yhdistämiseksi jonkinlaiseen pesuriin, jolla myrkylliset sivutuotteet saadaan poistettua ennen kuin ne tuodaan takaisin oleskelutiloihin.
Tämä tutkimus jatkuu, kuten sisäilman laatua käsittelevän liittovaltion sisäilmakomitean (Federal Interagency Committee on Indoor Air Quality) 7. helmikuuta 2007 pidetyn kokouksen pöytäkirjasta käy ilmi. Energiaministeriön (joka on tämän tutkimuksen suurin rahoittaja) edustaja teki yhteenvedon edellä mainituista tuloksista ja totesi, että parhaillaan tehdään kokeita, joissa käytetään erityyppisiä sorbenttipesureita PCO-laitteen jälkeen. Alustavat tulokset osoittavat, että natriumpermanganaattikemiorbentillä on huomattava potentiaali.
Toinen lähestymistapa on parantaa VOC-yhdisteiden ja hydroksyyliradikaalien ja muiden ROS:ien reaktioiden tuottavuutta. Vaikeutena tässä on se, että on epätodennäköistä, että reaktiot olisivat koskaan täydellisiä eivätkä tuottaisi sivutuotteita. Samassa CIAQ:n pöytäkirjassa todettiin, että kaikki 10 testattua VOC-yhdistettä tuottivat formaldehydiä. Toinen ongelma on ilman nopeus ja altistumisaika PCO:n lähellä. LBNL:ssä tehdyt testit tehtiin kahdella nopeudella. Nopeuden kasvaessa hajoavien VOC-yhdisteiden prosenttiosuudet vähenivät merkittävästi. Tämä on ymmärrettävää, koska VOC-yhdisteet olisivat ROS-yhdisteiden läsnä ollessa lyhyemmän aikaa. Ongelmalliseksi asian tekee se, että ”korkea” nopeus oli vain 340 cfm. Useimmat kotitalouksien järjestelmät tuottavat vähintään 1 000 cfm, kun taas kaupalliset järjestelmät on yleensä mitoitettu 2 000 cfm:lle. Näillä korkeammilla nopeuksilla olisi oletettava, että reaktioprosentit ovat vielä alhaisemmat ja sivutuotteiden määrät korkeammat, vaikka lisätutkimuksia olisi tehtävä tämän vahvistamiseksi.
Jatkotutkimuksia on tehtävä myös fotokatalyyttisen hapetuksen (PCO) käytöstä alueilla, joissa on tupakoitsijoita. Havaittavien hajujen väheneminen taloissa, joissa on tupakoitsijoita, tai paikoissa, kuten baareissa ja kasinoissa, on hyvin houkuttelevaa. Savukesavussa on kuitenkin yli 1 000 eri kemikaalia. Hyviä tutkimuksia ei ole tehty sen selvittämiseksi, mitä näiden yli 1 000 kemikaalin ja PCO-laitteiden hydroksyyliradikaalien ja muiden reaktiivisten happilajien (ROS) reaktiot aiheuttavat. Kun otetaan huomioon tupakansavusta ja otsonista (toinen ROS) saadut tulokset sekä edellä mainitun yksityiskohtaisen tutkimuksen tulokset, on melko turvallista olettaa, että formaldehydi on yksi sivutuotteista. Mitkä muut sivutuotteet, näiden sivutuotteiden tasot ja ultrapienten hiukkasten mahdollinen tuotanto ovat kaikki avoimia kysymyksiä.
Tämä havainnollistaa minulle sisäilman monimutkaisuutta ja vaaroja, joita liittyy oletusten tekemiseen kemiallisten reaktioiden tuloksista. Se, mitä haluat, on usein se, mitä et saa. Vaikka PCO-teknologia on erittäin lupaava, mielestäni ”tuomaristo ei ole vielä selvillä” siitä, pitäisikö sitä suositella yleisesti sisätiloissa oleviin tiloihin.