La ricerca del Lawrence Berkeley National Laboratory trova che l’ossidazione fotocatalitica (PCO) riduce i VOC interni ma potrebbe produrre formaldeide come sottoprodotto.
Una nuova tecnologia molto promettente per la riduzione dei composti organici volatili (VOC) negli ambienti interni è l’ossidazione fotocatalitica (PCO). Questo processo espone la luce ultravioletta a un catalizzatore come il biossido di titanio per produrre principalmente radicali idrossili (OH). Questi radicali idrossilici sono estremamente reattivi e possono ossidare o “rompere” i VOC tipici degli ambienti interni. L’obiettivo di questo studio condotto da A.T. Hodgson, D.P. Sullivan e W.J. Fisk intitolato “Evaluation of ultra-violet photocatalytic oxidation (UVPCO) for indoor air applications: conversion of volatile organic compounds at low part-per-billion concentrations” (LBNL-58936) era di determinare se questo processo poteva essere usato per ridurre i VOC’s indoor nella misura in cui “l’accettabile qualità dell’aria indoor negli edifici per uffici poteva essere raggiunta con meno energia combinando efficaci sistemi di pulizia dell’aria per i VOC’s con la filtrazione delle particelle piuttosto che affidandosi solo alla ventilazione.”
I ricercatori sottolineano che la maggior parte degli studi di questa tecnologia sono stati condotti in laboratorio. La grande maggioranza di queste indagini ha impiegato concentrazioni relativamente grandi di pochi COV, principalmente per capire meglio il processo PCO. Questo studio è stato progettato per simulare basse concentrazioni di COV che si troverebbero in ambienti interni reali.
Teoricamente tutti i COV vengono scomposti in anidride carbonica e acqua. Tuttavia, in molti casi le reazioni per ricevere questo stato finale hanno numerose fasi, possono essere complesse e possono produrre sottoprodotti intermedi relativamente stabili. La domanda è se il processo di ossidazione fotocatalitica può reagire abbastanza velocemente e completamente con i COV per neutralizzarli e non creare COV dannosi come sottoprodotti indesiderati.
Per testare questo i ricercatori hanno creato tre miscele di COV. Una era una combinazione di 27 VOC che si trovano comunemente negli edifici per uffici. La seconda era una miscela di tre prodotti di pulizia comunemente usati – un detergente a base di olio di pino, un detergente con 2-butossietanolo e un detergente a base di olio di arancio (cioè d-limonene). Il terzo consisteva in una miscela di VOC comunemente emessi da prodotti per l’edilizia come pannelli murali dipinti, legni compositi, moquette e pavimenti in vinile. Le velocità del flusso d’aria e le concentrazioni di COV sono state variate con ogni miscela per creare un totale di nove esperimenti. Sono state effettuate misurazioni dei COV in entrata e dei COV in uscita a passaggio singolo. Altri esperimenti sono stati condotti solo con una miscela di formaldeide e acetaldeide e il dispositivo PCO.
In generale, le efficienze delle conversioni dei COV di sfida variavano in base al tipo di COV e alla velocità del flusso d’aria. È interessante notare che la concentrazione dei COV di sfida non ha avuto un grande effetto. Nonostante l’aumento delle concentrazioni di due o tre volte, il Clean Air Delivery Rate (CADR) è rimasto più o meno lo stesso. Per i COV dei prodotti di pulizia, le efficienze di reazione variavano tra il 20% e l’80%. Per la miscela di COV dei prodotti per l’edilizia, le efficienze di reazione variavano tra il non significativo e fino all’80%. Le efficienze di conversione della miscela di aldeidi variavano tra il 18% e il 49%. In generale, l’efficienza delle conversioni si è rotta nel seguente ordine: i più efficaci sono gli alcoli e gli eteri glicolici; poi aldeidi, chetoni e idrocarburi terpenici; poi idrocarburi aromatici e alcani; e infine idrocarburi alifatici alogenati. In generale, i tassi di conversione sono stati determinati per essere molto incoraggianti e gli autori dello studio sottolineano che questo è stato raggiunto con una caduta di pressione molto bassa, sostenendo così la proposta che i PCO potrebbero portare alla conservazione dell’energia.
Tuttavia, c’è stato un risultato negativo da questi esperimenti. I ricercatori hanno scoperto che a causa della decomposizione incompleta dei VOC nel flusso d’aria in entrata c’era una produzione netta di formaldeide, acetaldeide, acido formico e acido acetico. Particolarmente preoccupante era che le concentrazioni in uscita di formaldeide e acetaldeide erano rispettivamente 3,4 e 4,6 volte le concentrazioni in entrata. Sia la formaldeide che l’acetaldeide sono riconosciute come importanti tossici interni. La formaldeide è classificata come cancerogeno per l’uomo. Le linee guida governative suggeriscono di mantenere le concentrazioni interne di formaldeide e acetaldeide a livelli molto bassi.
Mentre l’esposizione ai COV dei dispositivi PCO crea formaldeide e acetaldeide, il dispositivo PCO decompone anche questi composti. La questione diventa quindi se questo si traduce in un aumento netto di questi composti in un ambiente interno. Utilizzando la modellazione basata sui risultati dello studio, gli autori concludono che ci sarebbe circa un aumento di tre volte nelle concentrazioni interne di formaldeide e acetaldeide con un PCO in funzione in un edificio per uffici (a seconda delle concentrazioni e dei tipi di VOC).
In conclusione, i ricercatori affermano che mentre le efficienze di conversione dei VOC con il dispositivo PCO possono essere utili per il trattamento su larga scala dell’aria negli edifici occupati, gli aumenti di formaldeide e acetaldeide devono essere studiati ulteriormente e meglio quantificati. Bisogna lavorare per ridurre la produzione di formaldeide e acetaldeide o per combinare la tecnologia con un qualche tipo di scrubber per estrarre i sottoprodotti tossici prima che vengano riportati nello spazio occupato.
Questa ricerca continua come si può vedere dal verbale della riunione del 7 febbraio 2007 del comitato federale interagenzie sulla qualità dell’aria interna. Il rappresentante del Dipartimento dell’Energia (che è il principale sponsor di questa ricerca) ha riassunto i risultati di cui sopra e ha dichiarato che gli esperimenti sono stati condotti utilizzando diversi tipi di scrubber di media sorbenti a valle del dispositivo PCO. I risultati iniziali mostrano che un chemisorbente al permanganato di sodio ha un potenziale considerevole.
Un altro approccio è quello di migliorare la produttività delle reazioni dei VOC e dei radicali idrossili e altri ROS. La difficoltà è che è improbabile che le reazioni siano totali e non producano sottoprodotti. In quegli stessi verbali CIAQ è stato fatto notare che tutti e 10 i VOC testati hanno prodotto formaldeide. Un’altra questione è la velocità dell’aria e il tempo di esposizione vicino al PCO. I test che sono stati condotti a LBNL sono stati fatti a due velocità. Diminuzioni significative sono state viste nelle percentuali di VOC che sono stati abbattuti come la velocità è stata aumentata. Questo è ragionevole poiché i VOC sarebbero in presenza dei ROS per un periodo di tempo più breve. Ciò che rende questo problema è che la velocità “alta” era solo 340 cfm. La maggior parte dei sistemi residenziali produce almeno 1.000 cfm, mentre i sistemi commerciali sono generalmente valutati a 2.000 cfm. A queste velocità più alte si dovrebbe assumere percentuali ancora più basse di reazioni e livelli più alti di sottoprodotti, anche se bisognerebbe fare ulteriori ricerche per confermarlo.
Altre ricerche devono essere fatte anche sull’uso dell’ossidazione fotocatalitica (PCO) in aree dove ci sono fumatori. La riduzione degli odori percepibili per le case con fumatori o luoghi come bar e casinò è molto attraente. Tuttavia, il fumo di sigaretta ha più di 1.000 sostanze chimiche diverse. Manca una buona ricerca per determinare cosa viene dalle reazioni con queste 1.000 e più sostanze chimiche e i radicali idrossili e altre specie reattive dell’ossigeno (ROS) dai dispositivi PCO. Dati i risultati che abbiamo visto con il fumo di sigaretta e l’ozono (un altro ROS) e i risultati dello studio dettagliato di cui sopra, è una supposizione abbastanza sicura fare che la formaldeide è uno dei sottoprodotti. Quali altri sottoprodotti, i livelli di questi sottoprodotti, e la possibile produzione di particelle ultrafini sono tutte domande senza risposta.
Quello che mi illustra è la complessità dell’aria interna e i pericoli di fare ipotesi sui risultati delle reazioni chimiche. Ciò che si vuole è spesso ciò che non si ottiene. Mentre la tecnologia PCO è molto promettente, secondo me, la “giuria non ha ancora deciso” se debba essere universalmente raccomandata per gli spazi interni occupati.