Фотокатализ – это ускорение химических реакций при возбуждении светом специального вещества – фотокатализатора.
Окислительные фотокаталитические процессы протекают при низкой температуре (комнатной и ниже). Именно это делает фотокатализ на поверхности полупроводников (двуокись титана, окись цинка, смешанные оксиды) привлекательным для очистки больших объёмов воздуха и воды от незначительных по концентрации (миллионные, ppm, и даже миллиардные, ppb, доли) органических и некоторых неорганических загрязнений. Очистка происходит путём превращения молекул-загрязнителей в безобидные воду и углекислый газ, то есть путём полного окисления этих молекул кислородом воздуха.
Пик исследования фотокаталитических превращений для экологических применений пришёлся на вторую половину 90-х годов ХХ века и первую половину 2000-х годов. В тысячах вышедших в это время научных статей было показано, что практически все органические соединения могут быть полностью окислены на поверхности катализатора (в основном TiO2). Кроме того, фотокаталитические процессы уничтожения эко-загрязнителей в воде и воздухе в десятки и сотни раз дешевле процессов адсорбции и сжигания этих загрязнителей на уровне ppb ÷ ppm концентраций.
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 Национальной лаборатории США им. Lawrence Berkeley под руководством доктора 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 практически от всех типов органических загрязнений, появляющихся в помещениях от различных источников, а именно от стройматериалов и мебели, от моющих и дезинфицирующих средств, от газообразных продуктов жизнедеятельности человека (запах кухни и т.п.). Использование фотокаталитических рециркуляторов вместе с фильтровальными 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.
В предыдущем абзаце ключевым является слово «может», поскольку 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.
После этого вывода авторитетных американских ученых 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. Субботиной И.Р. из Института Органической Химии им. Н.Д. Зелинского РАН (ИОХ РАН), другая под руководством д.х.н. Козлова Д.В. из Института Катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (ИК СО РАН) нашли выход из патовой ситуации.
Естественно, изменить путь полного окисления спиртов через альдегиды и карбоновые кислоты до CO2 и Н2О невозможно. 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. Более того, применив смешанный TiO2 - ZnO катализатор удалось снизить или убрать совсем отравляющее воздействие на TiO2 таких веществ, как сложные фенолы и стирол-мономер. Дело в том, что при облучении ZnO в присутствии паров воды и кислорода, проще говоря на воздухе, образуются активные формы кислорода НО2 – радикалы и Н2О2 (перекись водорода). Эти формы кислорода не позволяют блокировать активные центры TiO2 π – сопряженным комплексам фенолов и стирола.
Теперь 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.
Открытие российских учёных позволило вновь говорить о том, что TiO2-фотокатализ – один из самых недорогих, но эффективных методов очистки воздуха.
Суммарная концентрация органических загрязнений выше 1-2 ppm, в течение длительного времени в помещении, где живут люди, существовать не должна. Если загрязнений больше, помещение становится некомфортным и даже необитаемым.
Вернёмся к исследованию, проведённому под руководством доктора J. Hodgson. Помните, в первом выводе он доказал эффективность фотокатализа при очистке воздуха практически от всех типов органических загрязнений на уровне ppb, то есть миллиардных долей. А что это значит для обычных людей? Возможность защитить себя от вирусов и бактерий, очистить воздух от вредных для здоровья веществ, аллергенов и т.д.
Также американские учёные подтвердили, что использование фотокаталитических рециркуляторов вместе с фильтровальными 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 употребление для очистки и обеззараживания воздуха в любых обитаемых помещениях.
Автор статьи: Алексей Николаевич Першин — генеральный директор «Информационно-технологического института», кандидат химических наук и специалист в области гетерогенного катализа, фотокатализа и физической химии быстропротекающих процессов