ローレンスバークレー国立研究所での研究により、光触媒酸化（PCO）は室内のVOCを削減するが副産物としてホルムアルデヒドを生成しうることが判明しました。
屋内環境における揮発性有機化合物（VOC）を削減するための非常に有望な新技術が、光触媒酸化（PCO）です。 このプロセスは、二酸化チタンなどの触媒に紫外線を照射し、主にヒドロキシルラジカル（OH）を生成するものです。 このヒドロキシルラジカルは非常に反応性が高く、室内環境中の典型的なVOCを酸化または「分解」することができる。 A.T. Hodgson，D.P. Sullivan，W.J. が実施したこの研究の目的は以下の通りです。 Fiskが行った「Evaluation of ultra-violet photocatalytic oxidation (UVPCO) for indoor air applications: conversion of volatile organic compounds at low part-per-billion concentrations」（LBNL-58936）と題する研究の目的は、このプロセスを用いて室内のVOCを削減し、「オフィスビルにおいて許容できる室内空気品質を、換気のみに依存するよりVOC用の効果的な空気清浄システムと粒子ろ過を組み合わせることによってより少ないエネルギーで達成できるかどうか」を判断することでした。”
研究者は、この技術に関する研究のほとんどが実験室環境で実施されたものであると指摘しています。 これらの研究の大部分は、主にPCOプロセスをよりよく理解するために、ほんの数種類のVOCの比較的大きな濃度を使用しています。 この研究は、実際の室内環境で見られるような低濃度の VOC をシミュレートするように設計されています。
理論的には、すべての VOC は二酸化炭素と水に分解されます。 しかし、多くの場合、この最終状態を得るための反応には多くの段階があり、複雑で、比較的安定した中間副産物を生成することがある。 問題は、光触媒酸化プロセスがVOCと十分に速く、完全に反応して中和し、意図しない副産物として有害なVOCを発生させないかどうかです。 1つは、オフィスビルでよく見られる27種類のVOCの組み合わせです。 2つ目は、一般的に使用されている3つの洗浄剤（松脂ベースの洗浄剤、2-ブトキシエタノール使用の洗浄剤、オレンジオイル（すなわちd-リモネン）ベースの洗浄剤）の混合物です。 3つ目は、塗装された壁板、複合木材、カーペット、ビニール床材などの建築製品から一般的に排出されるVOCの混合物である。 空気流速とVOC濃度を混合物ごとに変化させ、合計9つの実験を行った。 吸入したVOCとシングルパスで流出したVOCを測定した。
一般に、VOCの変換効率はVOCの種類と気流の速度によって変化した。 興味深いことに、チャレンジVOCの濃度はあまり影響を与えなかった。 濃度を2～3倍に上げても、清浄空気供給率（CADR）はほぼ同じでした。 清掃用品のVOCの反応効率は20%から80%の間で変化しました。 建築用製品VOC混合物の反応効率は、有意でないものから最大80%の間で変化しました。 アルデヒド混合物の変換効率は、18%から49%の間であった。 一般に、変換効率は次の順序で分解され、最も効果的なのはアルコールとグリコールエーテル、次にアルデヒド、ケトン、テルペン炭化水素、次に芳香族とアルカン炭化水素、最後にハロゲン化脂肪族炭化水素であった。 一般に、変換率は非常に有望であり、この研究の著者は、これが非常に低い圧力損失で達成されたことを指摘し、PCOがエネルギー節約につながるという命題を支持するものであると述べています。 研究者たちは、入口空気流のVOCの分解が不完全なため、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ギ酸、酢酸が純生産されることを発見したのです。 特に懸念されたのは、ホルムアルデヒドとアセトアルデヒドの出口濃度が、それぞれ入口濃度の3.4倍と4.6倍であったことである。 ホルムアルデヒドとアセトアルデヒドはどちらも重要な室内有害物質として認識されている。 ホルムアルデヒドはヒトの発がん性物質に分類される。 政府のガイドラインでは、ホルムアルデヒドとアセトアルデヒドの室内濃度を非常に低いレベルに保つことを推奨しています。
PCO装置へのVOC曝露がホルムアルデヒドとアセトアルデヒドを生成する一方で、PCO装置はこれらの化合物も分解しています。 そこで、室内環境におけるこれらの化合物の純増加につながるかどうかが問題になります。 研究結果に基づくモデリングを使用して、著者らは、オフィスビルで PCO を稼働させると、室内のホルムアルデヒドとアセトアルデヒドの濃度が約 3 倍になると結論付けています (VOC の濃度と種類に依存します)。 ホルムアルデヒドとアセトアルデヒドの生成を減らすか、あるいはこの技術をある種のスクラバーと組み合わせて、有害な副生成物が居住空間に戻される前に除去するための研究が必要です。 エネルギー省 (この研究の最大のスポンサー) の担当者は上記の結果を要約し、PCO 装置の下流で数種類の吸着媒体スクラバーを使って実験が行われていると述べました。 最初の結果は、過マンガン酸ナトリウムの化学吸着剤がかなりの可能性を秘めていることを示しています。
もうひとつのアプローチは、VOCとヒドロキシルラジカルやその他の活性酸素の反応の生産性を向上させることです。 この場合の難しさは、反応が完全に行われ、副産物が生じないということはあり得ないということである。 同じCIAQの議事録で、試験した10種類のVOCのすべてがホルムアルデヒドを発生させるという指摘がありました。 もうひとつの問題は、PCO付近の気流速と暴露時間です。 LBNLで行われたテストでは、2つの速度で行われました。 風速を上げると、分解される揮発性有機化合物の割合が大幅に減少することが確認されました。 これは、活性酸素の存在する時間が短くなるため、VOCが分解されるのは当然といえる。 厄介なのは、「高速」回転数がわずか340CFMであったことだ。 一般家庭用では最低でも1,000cfm、業務用では2,000cfmが主流である。 このような高い速度では、反応の割合がさらに低くなり、副生成物のレベルも高くなると考えなければなりませんが、これを確認するにはさらに研究を進める必要があります。 喫煙者のいる家や、バーやカジノのような場所に対して、識別できる臭いが減るというのは非常に魅力的なことです。 しかし、タバコの煙には1,000種類以上の化学物質が含まれています。 この1,000種類以上の化学物質とPCOデバイスのヒドロキシルラジカルなどの活性酸素との反応から何が生まれるのか、きちんとした研究が行われていないのが現状です。 タバコの煙やオゾン（これも活性酸素の一種）、そして上記の詳細な研究結果を考慮すると、ホルムアルデヒドが副産物の一つであると考えるのは、かなり安全な推測と言えるでしょう。
これが私に示しているのは、室内の空気の複雑さと、化学反応の結果について仮定することの危険性です。 望むものが得られないことはよくあることです。 PCO技術は非常に有望ですが、私の考えでは、屋内の居住空間に普遍的に推奨されるべきかどうかについては、「審査はまだ終わっていない」のです
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