Возвращение фотокатализа

Расскажем о том, что такое фотокатализ и действительно ли с его помощью можно очистить воздух от вредных веществ, вирусов, бактерий, посторонних запахов и аллергенов? А также о том, как американские учёные почти похоронили проект, а российские химики нашли выход из патовой ситуации.

Два слова о фотокатализе

Как это часто бывает, суть самого процесса заложена в его названии, фотокатализ – слово состоящее из двух частей: «фото» (от греч. фотос – свет) и «катализ» (от греч. каталюзис – разложение, разрушение). Вот и получается – свет разрушающий. Учёные же описывают фотокатализ как ускорение химических реакций при возбуждении светом специального вещества – фотокатализатора.

Фотокатализ даёт уникальную возможность полностью окислять органические соединения в мягких условиях, так как все процессы протекают при комнатной температуре. Именно это делает фотокатализ привлекательным для очистки больших объёмов воздуха и воды от малых концентрации (ppm и ppb) органических и неорганических загрязнений. Очистка происходит путём полного окисления молекул-загрязнителей до безвредных воды, углекислого газа, и атмосферного азота.

Исследователи и исследования

Эффект фотокатализа – минерализации газообразных загрязнений на поверхности катализатора под действием мягкого ультрафиолетового излучения – открыт ещё в 20-е годы прошлого века. А в 1970 работы японского учёного А. Фуджишима (А. Fujishima) открыли путь для широкого применения диоксида титана при конверсии солнечной энергии. С этого момента началась разработка большого количества разнообразных фотокатализаторов и устройств на основе фотокатализа.

Пик исследования фотокаталитических превращений для экологических применений пришёлся на вторую половину 90-х годов ХХ века и первую половину 2000-х годов. Тысячи научных работ показали, что практически все органические соединения могут быть полностью окислены на поверхности катализатора (в основном использовалась двуокись титана – TiO2). Кроме того, фотокаталитические процессы уничтожения загрязнителей в воде и воздухе в десятки и сотни раз дешевле процессов адсорбции и сжигания этих загрязнителей.

В сотнях патентах предлагались различные устройства для очистки воздуха от запахов в помещениях, в холодильниках, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Фотокаталитические приборы выпускались как крупными фирмами типа Calgon Carbon (США), Hitachi и Daikin (Япония), так и десятками более мелких компаний по всему свету.

В 2004-2007 гг. В США, в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory) под руководством доктора Дж. Ходжсона (J. Hodgson) были проведены тщательные исследования применимости фотокатализа на TiO2 для очистки от органических загрязнений в воздухе на уровне ppb. На основании этого всестороннего исследования были сделаны два основных вывода.

Первый – фотокатализ действительно очищает воздух от всех типов органических загрязнений. Более того, использование фотокаталитических рециркуляторов вместе с вентиляционными установками может в два раза снизить затраты на кондиционирование (подогрев или охлаждение) приточного воздуха просто за счёт уменьшения его объёма, подаваемого в единицу времени, до уровня устанавливающего концентрацию CO2 в помещении ниже 800 ppm.

А второй вывод поставил под угрозу дальнейшее участие фотокатализа на двуокиси титана в системах очистки воздуха. Учёные выяснили, что в процессе фотокаталитических окислительных превращений относительно безвредные вещества (например, этиловый спирт), прежде чем превратиться в воду и углекислый газ, становятся вредными промежуточными продуктами, такими как ацетальдегид, формальдегид, уксусная кислота. Эти промежуточные продукты слетают с поверхности катализатора, в результате, качество воздуха в помещении не улучшается, а ухудшается.

Казнить нельзя помиловать

После этого вывода авторитетных американских учёных количество публикаций по фотокатализу и количество применений TiO2-фотокатализа в воздухоподготовке жилых и общественных зданий существенно снизилась.

Однако две группы российских специалистов, одна под руководством д.х.н. И.Р. Субботиной из Института Органической Химии им. Н.Д. Зелинского РАН, вторая под руководством д.х.н. Д.В. Козлова из Института Катализа им. Г.К. Борескова СО РАН нашли выход из патовой ситуации.

Естественно, изменить путь полного окисления спиртов через альдегиды и карбоновые кислоты до безопасных CO2 и Н2О невозможно. Но ведь можно сделать так, чтобы эти промежуточные соединения не слетали с поверхности фотокатализатора или же увеличить скорость окисления кислородсодержащих углеводородов до CO2 и H2O.

Путём модификации поверхности TiO2 неметаллами удалось реализовать оба способа. После проведения тщательных исследований вывод российских учёных гласил: в диапазоне исходных концентраций органических загрязнений до ≈10 ppm среди газообразных продуктов фотоокисления простейших альдегидов (ацетальдегида, формальдегида) и карбоновых кислот (уксусной кислоты и муравьиной кислоты) не обнаруживается. Проще говоря, использование фотокатализа полностью безопасно для человека и окружающей среды.

Используем по максимуму

Сегодня проблема загрязнённого воздуха в России одна из самых актуальных. По данным Минприроды, за последние три года в России ухудшилась ситуация с выбросами вредных веществ в атмосферу, что незамедлительно сказалось на здоровье людей. В целом по стране в 2014-2016 годах заболеваемость астмой, ассоциированная с загрязнением воздуха, среди детей выросла в 1,7 раза, среди взрослых — в полтора раза. 15 % городского населения испытывают воздействие высокого и очень высокого уровня загрязнения. Пугающая статистика, не так ли? И при чём здесь фотокатализ?

Вернёмся к исследованию, проведённому под руководством доктора Дж. Ходжсона. Помните, в первом выводе он доказал эффективность фотокатализа при очистке воздуха практически от всех типов органических загрязнений на уровне ppb. А это значит, что у обычных людей появилась уникальная возможность защитить себя от вирусов и бактерий, очистить воздух как от назойливых, неприятных запахов, так и от вредных для здоровья веществ, аллергенов и т.д.

В том же исследовании американские учёные подтвердили, что использование фотокаталитических рециркуляторов вместе с вентиляционными установками может в два раза снизить затраты на кондиционирование (подогрев или охлаждение) приточного воздуха. Поэтому установка подобных систем в любых публичных местах, например, в больницах, ресторанах, детских садах и школах или торговых центрах, становится не просто заботой о людях, но и выгодной сделкой для собственников.

Таким образом, можно ожидать возвращения фотокатализа в массовое использование для очистки и обеззараживания воздуха в любых помещениях.

Статья подготовлена при участии компании Аэролайф. Сайт компании: http://vozdyx.ru