Forskning vid Lawrence Berkeley National Laboratory visar att fotokatalytisk oxidation (PCO) minskar VOC i inomhusluften, men att formaldehyd kan bildas som en biprodukt.
En mycket lovande ny teknik för minskning av flyktiga organiska föreningar (VOC) i inomhusmiljöer är fotokatalytisk oxidation (PCO). Vid denna process exponeras ultraviolett ljus för en katalysator, t.ex. titandioxid, för att i första hand producera hydroxylradikaler (OH). Dessa hydroxylradikaler är extremt reaktiva och kan oxidera eller ”bryta ner” typiska flyktiga organiska föreningar i inomhusmiljöer. Syftet med denna studie som utfördes av A.T. Hodgson, D.P. Sullivan och W.J. Fisk med titeln ”Evaluation of ultra-violet photocatalytic oxidation (UVPCO) for indoor air applications: conversion of volatile organic compounds at low part-per-billion concentrations” (LBNL-58936) var att fastställa om denna process skulle kunna användas för att reducera flyktiga organiska föreningar i inomhusmiljöer i en sådan utsträckning att ”en godtagbar inomhusluftkvalitet i kontorsbyggnader skulle kunna uppnås med mindre energi genom att kombinera effektiva luftreningssystem för flyktiga organiska föreningar med partikelfiltrering än om man enbart förlitar sig på ventilation”.”
Forskarna påpekar att de flesta studier av denna teknik har utförts i laboratoriemiljöer. Den stora majoriteten av dessa undersökningar har använt relativt stora koncentrationer av bara några få VOC främst för att bättre förstå PCO-processen. Den här studien utformades för att simulera låga VOC-koncentrationer som skulle finnas i verkliga inomhusmiljöer.
Teoretiskt sett kommer alla VOC att brytas ner till koldioxid och vatten. I många fall har dock reaktionerna för att erhålla detta sluttillstånd många steg, kan vara komplexa och kan ge upphov till relativt stabila intermediära biprodukter. Frågan är om den fotokatalytiska oxidationsprocessen kan reagera tillräckligt snabbt och fullständigt med VOC för att neutralisera dem och inte skapa skadliga VOC som oavsiktliga biprodukter.
För att testa detta skapade forskarna tre utmanande VOC-blandningar. Den ena var en kombination av 27 VOC som vanligen förekommer i kontorsbyggnader. Den andra var en blandning av tre vanligt förekommande rengöringsmedel – ett talloljebaserat rengöringsmedel, ett rengöringsmedel med 2-butoxietanol och ett rengöringsmedel med apelsinolja (dvs. d-limonen). Den tredje bestod av en blandning av flyktiga organiska föreningar som vanligen släpps ut från byggprodukter, t.ex. målade väggplattor, kompositträ, mattor och vinylgolv. Luftflödeshastigheterna och koncentrationerna av flyktiga organiska föreningar varierades med varje blandning för att skapa totalt nio experiment. Mätningar av inflödet av flyktiga organiska föreningar och av flyktiga organiska föreningar i utflödet vid en enda passage gjordes. Andra experiment genomfördes också med enbart en blandning av formaldehyd och acetaldehyd och PCO-apparaten.
Generellt sett varierade effektiviteten i omvandlingarna av VOC-ämnena beroende på typ av VOC och luftflödets hastighet. Intressant nog hade koncentrationen av VOC:erna ingen större effekt. Trots att koncentrationerna ökade med två eller tre gånger förblev den rena luftleveranshastigheten (CADR) ungefär densamma. För de flyktiga organiska föreningarna från rengöringsprodukterna varierade reaktionseffektiviteten mellan 20 % och 80 %. För byggproduktens VOC-blandning varierade reaktionseffektiviteten mellan obetydlig och upp till 80 %. Aldehydblandningens omvandlingseffektivitet varierade mellan 18 % och 49 %. Generellt sett var omvandlingarna effektiva i följande ordning: alkoholer och glykoletrar är effektivast, därefter aldehyder, ketoner och terpenkolväten, därefter aromatiska kolväten och alkankolväten och slutligen halogenerade alifatiska kolväten. I allmänhet fastställdes omvandlingsgraden vara mycket uppmuntrande och författarna till studien påpekar att detta uppnåddes vid ett mycket lågt tryckfall, vilket stöder påståendet att PCO:er skulle kunna leda till energibesparing.
Det fanns dock ett negativt resultat av dessa experiment. Forskarna fann att på grund av ofullständig nedbrytning av de flyktiga organiska föreningarna i inloppsluftströmmen uppstod en nettoproduktion av formaldehyd, acetaldehyd, myrsyra och ättiksyra. Särskilt oroande var att koncentrationerna av formaldehyd och acetaldehyd vid utloppet var 3,4 respektive 4,6 gånger högre än koncentrationerna vid inloppet. Både formaldehyd och acetaldehyd är erkända som viktiga giftiga ämnen inomhus. Formaldehyd klassificeras som cancerframkallande för människor. Statliga riktlinjer föreslår att koncentrationerna av formaldehyd och acetaldehyd inomhus ska hållas på mycket låga nivåer.
Medans VOC-exponeringen för PCO-apparater skapar formaldehyd och acetaldehyd, bryter PCO-apparaten också ned dessa föreningar. Frågan blir då om detta resulterar i en nettoökning av dessa föreningar i inomhusmiljön. Med hjälp av modellering baserad på resultaten av studien drar författarna slutsatsen att det skulle bli en ungefär trefaldig ökning av inomhuskoncentrationerna av formaldehyd och acetaldehyd med en PCO i en kontorsbyggnad (beroende på koncentrationer och typer av flyktiga organiska föreningar).
Författarna konstaterar avslutningsvis att även om PCO-enhetens omvandlingseffektivitet av flyktiga organiska föreningar kan vara fördelaktig för storskalig rening av luften i bebodda byggnader, så måste ökningen av formaldehyd och acetaldehyd undersökas ytterligare och kvantifieras bättre. Man måste arbeta för att antingen minska produktionen av formaldehyd och acetaldehyd eller för att kombinera tekniken med någon form av skrubber för att dra ut de giftiga biprodukterna innan de återförs till de bebodda utrymmena.
Denna forskning fortsätter, vilket framgår av protokollet från mötet den 7 februari 2007 med Federal Interagency Committee on Indoor Air Quality. Företrädaren för energidepartementet (som är den största sponsorn för denna forskning) sammanfattade ovanstående resultat och uppgav att experiment genomförs med flera olika typer av sorbentmedier som skrubber nedströms från PCO-anordningen. De första resultaten visar att ett kemisorbent av natriumpermanganat har stor potential.
En annan metod är att förbättra produktiviteten i reaktionerna mellan VOC och hydroxylradikalerna och andra ROS. Svårigheten med detta är att det är osannolikt att reaktionerna någonsin kommer att vara totala och inte producera några biprodukter. I samma CIAQ-protokoll påpekades att alla tio testade flyktiga organiska föreningar producerade formaldehyd. En annan fråga är lufthastigheten och exponeringstiden i närheten av PCO. De tester som utfördes vid LBNL gjordes med två hastigheter. Betydande minskningar av andelen VOC som bröts ner sågs när hastigheten ökade. Detta är logiskt eftersom de flyktiga organiska föreningarna skulle befinna sig i närvaro av de rosenfria ämnena under en kortare tidsperiod. Det som gör detta problematiskt är att den ”höga” hastigheten endast var 340 cfm. De flesta system för bostäder producerar minst 1 000 cfm, medan kommersiella system i allmänhet är dimensionerade för 2 000 cfm. Vid dessa högre hastigheter måste man anta ännu lägre procentsatser av reaktioner och högre nivåer av biprodukter även om ytterligare forskning måste göras för att bekräfta detta.
Fortsatt arbete måste också göras om användningen av fotokatalytisk oxidation (PCO) i områden där man har rökare. Minskningen av märkbara lukter för hus med rökare eller platser som barer och kasinon är mycket tilltalande. Cigarettrök innehåller dock över 1 000 olika kemikalier. Det saknas bra forskning för att fastställa vad som kommer från reaktionerna med dessa drygt 1 000 kemikalier och hydroxylradikalerna och andra reaktiva syrearter (ROS) från PCO-anordningarna. Med tanke på de resultat vi har sett med cigarettrök och ozon (en annan ROS) och resultaten av den ovan nämnda detaljerade studien är det ett ganska säkert antagande att formaldehyd är en av biprodukterna. Vilka andra biprodukter, nivåerna av dessa biprodukter och den eventuella produktionen av ultrafina partiklar är alla obesvarade frågor.
Vad detta illustrerar för mig är inomhusluftens komplexitet och farorna med att göra antaganden om resultaten av kemiska reaktioner. Det man vill ha är ofta det man inte får. PCO-tekniken är visserligen mycket lovande, men jag anser att juryn fortfarande inte vet om den bör rekommenderas generellt för inomhusutrymmen.