Badania przeprowadzone w Lawrence Berkeley National Laboratory wykazały, że utlenianie fotokatalityczne (PCO) redukuje lotne związki organiczne (VOC) w pomieszczeniach, ale może wytwarzać formaldehyd jako produkt uboczny.
Bardzo obiecującą nową technologią redukcji lotnych związków organicznych (VOC’s) w środowiskach wewnętrznych jest utlenianie fotokatalityczne (PCO). Proces ten polega na naświetlaniu światłem ultrafioletowym katalizatora, takiego jak dwutlenek tytanu, w celu wytworzenia przede wszystkim rodników hydroksylowych (OH). Te rodniki hydroksylowe są niezwykle reaktywne i mogą utleniać lub „rozkładać” typowe lotne związki organiczne w środowisku wewnętrznym. Celem badania przeprowadzonego przez A.T. Hodgsona, D.P. Sullivana i W.J. Fisk zatytułowane „Evaluation of ultra-violet photocatalytic oxidation (UVPCO) for indoor air applications: conversion of volatile organic compounds at low part-per-billion concentrations” (LBNL-58936) było określenie, czy proces ten można wykorzystać do redukcji LZO w pomieszczeniach do tego stopnia, że „akceptowalną jakość powietrza wewnętrznego w budynkach biurowych można osiągnąć przy mniejszym zużyciu energii, łącząc skuteczne systemy oczyszczania powietrza z LZO z filtracją cząstek stałych, niż polegając wyłącznie na wentylacji.”
Badacze zwracają uwagę, że większość badań tej technologii przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych. Znaczna większość tych badań dotyczyła stosunkowo dużych stężeń tylko kilku lotnych związków organicznych (VOC), głównie w celu lepszego zrozumienia procesu PCO. Badanie to zostało zaprojektowane w celu symulowania niskich stężeń LZO, które można znaleźć w rzeczywistych środowiskach wewnętrznych.
Teoretycznie wszystkie LZO zostaną rozłożone na dwutlenek węgla i wodę. Jednakże, w wielu przypadkach reakcje prowadzące do uzyskania tego stanu końcowego mają wiele etapów, mogą być złożone i mogą wytwarzać stosunkowo stabilne pośrednie produkty uboczne. Pytanie brzmi, czy proces fotokatalitycznego utleniania może reagować wystarczająco szybko i całkowicie z VOC’s, aby je zneutralizować i nie tworzyć szkodliwych VOC’s jako niezamierzonych produktów ubocznych.
Aby to sprawdzić, badacze stworzyli trzy trudne mieszaniny VOC. Jedna z nich była kombinacją 27 lotnych związków organicznych powszechnie występujących w budynkach biurowych. Druga była mieszaniną trzech powszechnie stosowanych środków czyszczących – środka czyszczącego na bazie oleju sosnowego, środka czyszczącego wykorzystującego 2-butoksyetanol oraz środka czyszczącego na bazie oleju pomarańczowego (tj. d-limonenu). Trzeci składał się z mieszaniny lotnych związków organicznych (VOC) powszechnie emitowanych z produktów budowlanych, takich jak malowane płyty ścienne, drewno kompozytowe, wykładziny dywanowe i podłogi winylowe. Prędkości przepływu powietrza i stężenia LZO były zróżnicowane dla każdej mieszaniny w celu stworzenia w sumie dziewięciu eksperymentów. Dokonano pomiarów wlotowych LZO i jednoprzebiegowych LZO na wylocie. Inne eksperymenty przeprowadzono również z mieszaniną formaldehydu i acetaldehydu oraz urządzeniem PCO.
Ogólnie, skuteczność konwersji wyzwań VOC’s różniła się w zależności od rodzaju VOC i prędkości przepływu powietrza. Co ciekawe, stężenie badanych lotnych związków organicznych nie miało większego wpływu. Pomimo dwu- lub trzykrotnego zwiększenia stężenia, współczynnik dostarczania czystego powietrza (CADR) pozostał mniej więcej taki sam. Dla produktów czyszczących VOC wydajność reakcji wahała się pomiędzy 20% a 80%. W przypadku mieszaniny lotnych związków organicznych produktów budowlanych wydajność reakcji wahała się od nieznacznej do 80%. Wydajność konwersji mieszaniny aldehydów wahała się między 18% a 49%. Ogólnie rzecz biorąc, efektywność konwersji rozkładała się w następującej kolejności, przy czym najbardziej efektywne były alkohole i etery glikolu; następnie aldehydy, ketony i węglowodory terpenowe; następnie węglowodory aromatyczne i alkanowe; i wreszcie chlorowcowane węglowodory alifatyczne. Ogólnie rzecz biorąc, wskaźniki konwersji zostały określone jako bardzo zachęcające, a autorzy badania wskazują, że zostało to osiągnięte przy bardzo niskim spadku ciśnienia, wspierając w ten sposób tezę, że PCO mogą prowadzić do zachowania energii.
Jednakże eksperymenty te miały negatywny wydźwięk. Naukowcy odkryli, że z powodu niepełnego rozkładu lotnych związków organicznych w strumieniu powietrza wlotowego była produkcja netto formaldehydu, aldehydu octowego, kwasu mrówkowego i kwasu octowego. Szczególnie niepokojące było to, że stężenia formaldehydu i acetaldehydu na wylocie były odpowiednio 3,4 i 4,6 razy większe od stężeń na wlocie. Zarówno formaldehyd, jak i aldehyd octowy są uznawane za ważne substancje toksyczne występujące w pomieszczeniach. Formaldehyd jest sklasyfikowany jako czynnik rakotwórczy dla ludzi. Wytyczne rządowe sugerują utrzymywanie stężenia formaldehydu i aldehydu octowego w pomieszczeniach na bardzo niskim poziomie.
Podczas gdy narażenie VOC na urządzenia PCO powoduje powstawanie formaldehydu i aldehydu octowego, urządzenie PCO również rozkłada te związki. Powstaje zatem pytanie, czy powoduje to wzrost netto tych związków w środowisku wewnętrznym, czy też nie. Korzystając z modelowania opartego na wynikach badań, autorzy doszli do wniosku, że nastąpiłby mniej więcej trzykrotny wzrost stężenia formaldehydu i aldehydu octowego w pomieszczeniach z PCO działającym w budynku biurowym (w zależności od stężenia i rodzaju LZO).
W podsumowaniu naukowcy stwierdzają, że podczas gdy wydajność konwersji LZO za pomocą urządzenia PCO może być korzystna dla oczyszczania powietrza na dużą skalę w zajmowanych budynkach, wzrost stężenia formaldehydu i aldehydu octowego wymaga dalszych badań i lepszego określenia ilościowego. Praca musi być wykonana, aby albo zmniejszyć produkcję formaldehydu i aldehydu octowego lub połączyć technologię z jakimś rodzajem płuczki, aby wyciągnąć toksyczne produkty uboczne, zanim zostaną one wprowadzone z powrotem do zajmowanej przestrzeni.
Badania te są kontynuowane, jak można zobaczyć w protokole z 7 lutego 2007 r. spotkania Federalnego Międzyagencyjnego Komitetu ds. Przedstawiciel Departamentu Energii (który jest największym sponsorem tych badań) podsumował powyższe wyniki i stwierdził, że prowadzone są eksperymenty z wykorzystaniem kilku typów płuczek z nośnikami sorbentu za urządzeniem PCO. Wstępne wyniki pokazują, że chemisorbent z nadmanganianu sodu ma znaczny potencjał.
Innym podejściem jest poprawa wydajności reakcji LZO i rodników hydroksylowych oraz innych ROS. Trudność z tym polega na tym, że jest mało prawdopodobne, aby reakcje były kiedykolwiek całkowite i nie wytwarzały żadnych produktów ubocznych. W tych samych protokołach CIAQ zwrócono uwagę, że wszystkie 10 testowanych LZO wytworzyło formaldehyd. Kolejną kwestią jest prędkość powietrza i czas ekspozycji w pobliżu PCO. Testy przeprowadzone w LBNL przeprowadzono przy dwóch prędkościach. Znaczne spadki zaobserwowano w procentach lotnych związków organicznych, które uległy rozkładowi wraz ze wzrostem prędkości. Jest to uzasadnione, ponieważ LZO będą w obecności ROS przez krótszy okres czasu. Co czyni to kłopotliwym było to, że „wysoka” prędkość wynosiła tylko 340 cfm. Większość systemów mieszkalnych produkują co najmniej 1000 cfm, podczas gdy systemy komercyjne są zazwyczaj oceniane na 2000 cfm. Przy tych wyższych prędkościach należałoby założyć nawet niższe procenty reakcji i wyższe poziomy produktów ubocznych, chociaż dalsze badania musiałyby być wykonane, aby to potwierdzić.
Dalsza praca również musi być wykonana na temat wykorzystania Utleniania Fotokatalitycznego (PCO) w obszarach, gdzie masz palaczy. Redukcja wyczuwalnych zapachów w domach, w których przebywają palacze lub w miejscach takich jak bary i kasyna jest bardzo atrakcyjna. Jednak dym papierosowy zawiera ponad 1000 różnych substancji chemicznych. Brakuje dobrych badań, które pozwoliłyby określić, co powstaje w wyniku reakcji tych ponad 1000 substancji chemicznych z rodnikami hydroksylowymi i innymi reaktywnymi formami tlenu (ROS) z urządzeń PCO. Biorąc pod uwagę wyniki, które widzieliśmy z dymu papierosowego i ozonu (inny ROS) i wyniki powyższego szczegółowego badania, jest to dość bezpieczne założenie, aby zrobić, że formaldehyd jest jednym z produktów ubocznych. Jakie inne produkty uboczne, poziomy tych produktów ubocznych i ewentualnej produkcji ultra drobnych cząstek są wszystkie pytania bez odpowiedzi.
Co to ilustruje do mnie jest złożoność powietrza w pomieszczeniach i niebezpieczeństwa podejmowania założeń o wynikach reakcji chemicznych. To, czego się chce, często jest tym, czego się nie dostaje. Chociaż technologia PCO jest bardzo obiecująca, moim zdaniem „ława przysięgłych” nadal nie wie, czy powinna być powszechnie zalecana do stosowania w pomieszczeniach zamkniętych.
.