Analiza zanieczyszczeń powietrza wewnątrz domów, budynków biurowych, a nawet statków kosmicznych wykazuje obecność lotnych związków organicznych (VOCs, ang. volatile organic compounds), które mogą poważnie wpłynąć na zdrowie człowieka. Istniejące ryzyko skłoniło naukowców do opracowania metody pozbycia się takich zanieczyszczeń z powietrza w pomieszczeniach poprzez ich katalityczne przekształcenie w związki nieszkodliwe. Tradycyjnie, katalitycznie czynne metale szlachetne tak jak platyna i pallad, stosowano do wychwytu LZO i innych gazowych zanieczyszczeń. Ze względu na wysokie koszty i ograniczoną dostępność metali z grupy platynowców, naukowcy poszukują tańszych alternatyw. Opracowują substytuty oparte przede wszystkim na tlenkach metali przejściowych.
Rsy.1 Dwutlenek tytanu
Taicheng An (profesor China’s Guangzhou Institute of Geochemistry, specjalista w katalitycznej redukcji emisji LZO) uważa, że: „nawet w ilościach śladowych, długotrwałe narażenie na organiczne związki może niekorzystnie wpływać na zdrowie”. Skutki chorobowe, które mogą obejmować trudności w oddychaniu, objawy grypopodobne, podrażnienie oczu i gardła, czasami nazywane są „syndromem chorego budynku”.
Świadomość społeczna w przypadku takich zanieczyszczeń wzrosła gwałtownie po huraganie Katrina, który nawiedził USA w 2005 roku i doprowadził tysiące ludzi do zamieszkania w przyczepach dostarczonych przez amerykańską FEMA [1]. Szeroko zgłaszane problemy zdrowotne przez mieszkańców przyczep oraz inne incydenty skłoniły naukowców do poszukiwania przyczyn tego zjawiska. Badania przeprowadzone w 2012 przez naukowców z Lawrence Berkeley National Laboratory (USA) pokazują, że nie tylko niski poziom LZO może być szkodliwy, ale także podwyższony poziom CO2. Stężenie 1000 ppm lub wyższe, które jest łatwo osiągalne w zatłoczonych klasach i salach konferencyjnych powoduje zaburzenia widzenia i zmniejsza umiejętność podejmowania decyzji [2].
Rys.2 Komora oczyszczająca stworzona na potrzeby Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, prawa autorskie: Precision Combustion
Naukowcy z Advocate Lutheran General Hospital (USA) ustalili, ze standardowy sprzęt medyczny stosowany w inkubatorach dla wcześniaków, emituje cykloheksanon [3]. Czasami, tak jak w przypadku inkubatorów, stężenie LZO w pomieszczeniu może być zmniejszona poprzez otwarcie okna lub włączenie wentylatora. Nie zawsze jednak tak jest. „Nie można uzyskać świeżego powietrza w przestrzeni kosmicznej” komentuje Jeffrey G. Weissman (manager rozwoju katalizy w Precision Combustion, USA [4]). Weissman i jego zespół opracowali urządzenia oczyszczające powietrze używane na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Sercem tych urządzeń jest nośnik katalityczny, znany jako mikrolit, który jest złożony z wielu warstw metalowej siatki. Jako rezultat charakteru i struktury mikrolit ma większa powierzchnię i jest wolny od typowych ograniczeń cieplnych i masowych, które nękają standardowe monolity ceramiczne. Gazy, w tym zanieczyszczenia, mogą przepływać swobodnie przez mikrolit, który wymaga minimalnego nagrzania do zapoczątkowania katalitycznego utleniania w porównaniu z ceramicznych odpowiednikiem. Weismman zauważa, że utleniacze mikrolitowe cechuje wysoka wydajność procesu, co potwierdza test utlenienia na śladowych ilościowych LZO takich jak: alkohole, aceton, toluen i inne. W ciągu 16 tys. godzin badania trwałości, urządzania w dalszym ciągu pracują bez spadku wydajności. Obecnie firma wykorzystuje swoje mikrolity do badań niskotemperaturowego fotokatalicznego utleniania. W porównaniu z katalizą wywołaną ciepłem, fotokataliza zużywa mniej energii i można dzięki temu uniknąć szkodliwych produktów wynikających z reakcji ubocznych. W testach utleniania etanolu za pomocą promieniowania UV i mikrolitu pokrytego TiO2 Weissman i współpracownicy stwierdzili, że etanol i aldehyd octowy, produkt częściowego utleniania spada poniżej progu wykrywalności (ok. 15 ppm).
Tymczasem w Guangzhou, An i współpracownicy również pracują nad fotokatalizą LZO z TiO2. Opracowali procedurę syntezy kryształów TiO2, w której dobrali odpowiednią wartość NH4F, który reaguje z prekursorami tytanu, czego wynikiem jest bardziej aktywny katalitycznie kryształ. Taka manipulacja strukturalna maksymalizuje utlenianie styrenu w fazie gazowej [5]. Styren jest emitowany z różnych materiałów budowalnych i spoiw. Może być obecny w dużych ilościach w fabrykach tworzyw sztucznych, które posiadają słabą wentylację. Zespół Guangzhou rozpoczął badanie nad korzyściami łączenia foto- i termo- katalizy. Badacze stosując związek perowskitu lantanu typu LaBO3 (gdzie B reprezentuje metal przejściowy) ustalili, że do utleniania styrenu idealnie nadają się: LaMnO3, LaNiO3 i LaFeO3, a połączenie foto- i termo- katalizy jest bardziej skuteczne niż każda z tych metod osobno.
Richard Q. Long i jego zespół rozwijają tanie, ale bardzo aktywne katalizatory, które mogą być przydatne w oczyszczaniu powietrza w piekarni i innych wewnętrznych przestrzeniach roboczych. Długie badania naukowca nad katalizą i ogniwami paliwowymi (NexTech Materials, USA) opisują katalizatory jako mieszane kompozyty tlenków metali przejściowych składających się z mikrometrowych rozmiarów cząstek otoczonych piano podobną powłoką porowatych nanocząsteczek. Kompozyty te utleniają LZO, w tym propan, buten i toluenu, do CO2 i H2O bardziej wydajnie i przy niższych temperaturach, niż platyna. Badania Long’a pokazują również, że tlenki są stabilne przez 860 godzin testów. Ponadto tolerują typowe zanieczyszczenia LZO takie jak krzem i fosfor, lepiej niż katalizatory metali szlachetnych.
Chuan Shi (Dalian University of Technology, China) również wykorzystał to podejście 2 w 1 do katalitycznej redukcji ilości LZO w powietrzu w budynkach biurowych. Zamiast łączenia cząstek dwóch rozmiarów, Shi wykorzystuje katalitycznie tlenki Co-Mn charakteryzujące się dwiema funkcjami: przechowywania i utleniania. Poprzez użycie KIT-6 tj. porowatej postaci krzemionki Shi i współpracownicy byli wstanie stworzyć trójwymiarowy, porowaty materiał tlenku Co-Mn. W czasie pierwszej części cyklu, w temperaturze pokojowej, katalizator częściowo utlenia formaldehyd i wyłapuje go na powierzchni tlenku. Potem, gdy katalizator musi być oczyszczony, naukowcy podnoszą na krótko temperaturę, co powoduje utlenienie formaldehydu pośrednio do CO2 i H2O. Desorpcja z powierzchni jednocześnie regeneruje sam katalizator [6].
Rys.3 Dwutlenek manganu
MnO2 jest kolejnym przykładem taniego materiału, który funkcjonuje również jako katalizator spalania LZO. Badanie przeprowadzone przez Eric M. Gaigneaux, Víctor G. Baldovino-Medrano i współpracwaników (Catholic Univeristy of Leuven, Belgia) pokazują, ze MnO2 sprawdza się dobrze w usuwaniu licznych LZO, w tym: n-heksanu, metanotiolu i trymetyloaminy. Naukowcy badają obecnie, jak rożne aspekty produkcji katalizatora mogą mieć wpływ na wydajność MnO2 w komercyjnych reaktorach chemicznych. Sądząc po ostatnich badaniach, istnieje kilka obiecujących metali szlachetnych jako alternatywnych katalizatorów do oczyszczania powietrza.
- http://www.fema.gov
- Health Perspect 2012: http://ehp.niehs.nih.gov/1104789/
- Perinatol 2014: http://www.nature.com/jp/journal/v34/n8/full/jp201465a.html
- http://www.precision-combustion.com
- Today 2014: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920586113005609
- http://www.nextechmaterials.com/energy/
- http://cen.acs.org/articles/92/i44/Cleaning-Indoor-Air-Alternatives-Precious.html
Opracował: Łukasz Kurach
Korekta: Maciej Bielak-Wolanin
