FOTOKATALYYSI

Sovellukset

Fotokatalyysiin perustuvaa hapetusta eli fotokatalyyttistä oksidaatiota (PCO, Photocatalytic oxidation) käytetäänkin laaja-alaisesti jäte- ja juomavesien puhdistuksessa. Se on havaittu tehokkaaksi menetelmäksi vaikeasti käsiteltävien jätteiden, kuten mikro-organismien ja teollisuusmyrkkyjen puhdistuksessa. Myös ydinvoimateollisuus hyödyntää fotokatalyysiä mm. putkistojen puhdistamiseen. Fotokatalyysiä voidaan käyttää myös jonkin muun puhdistusmenetelmän kanssa täydentävänä systeeminä.

gallery/basil-2053350_960_720

Fotokatalyyttinen puhdistustekniikka on suosittu etenkin orgaanisten jätteiden puhdistamiseen vedestä, sillä suurin osa alifaattisista ja aromaattisista orgaanisista yhdisteistä voidaan mineralisoida täydellisesti hiilidioksidiksi ja harmittomiksi epäorgaanisiksi anioneiksi. Myös erilaisia monimutkaisia tuholaistorjuntaan käytettäviä orgaanisia myrkkyjä voidaan tuhota täydellisesti fotokatalyyttisen hajottamisen avulla. Fotokatalyysiä voidaan käyttää myös epäorgaanisten haitta-aineiden hapettamiseen vähemmän haitalliseksi. Esimerkiksi sulfiitti ja sulfidi voidaan hapettaa sulfaatiksi, fosfiitti fosfaatiksi, nitriitti nitraatiksi, syanideja syanaateiksi ja edelleen nitraatiksi ja karbonaatiksi. Tutkimukset ovat osoittaneet, että fotokatalyysiä voidaan käyttää myös teollisen jäteveden puhdistukseen, jossa on paljon sekä orgaanisia yhdisteitä että epäorgaanisia komponentteja.


Titaanidioksidipinnoitteen likaa hajottavaa ominaisuutta on tutkittu paljon ja sitä käytetään hyväksi jo monissa kaupallisissa sovelluskohteissa. Ainoastaan Japanissa TiO2-fotokatalyysiteknologian kaupallistaminen kuluttajille on kasvanut alle 10 vuodessa yli 30 miljardin Japanin jenin (n. 267 M€) markkinaksi 90-luvun puolivälistä alkaen ja tahti on vain kiihtynyt tästä. Kaupalliset tuotteet, joissa käytetään TiO2-fotokatalyysiteknologiaa, voidaan jakaa viiteen kategoriaan: ulkoiset rakennusmateriaalit, sisustusmateriaalit, teiden rakennusmateriaalit, puhdistuslaitokset ja kotitaloustarvikkeet.

 

Titaanioksidin fotokatalyyttiset ominaisuudet saadaan käyttöön integroimalla esimerkiksi nanokokoisia TiO2-partikkeleita pinnoitteisiin. Tällä tavoin käsiteltyjen pinnoitteiden pintaan jäävät orgaaniset aineet, kuten erilainen lika, hajoaa UV-säteilyn vaikutuksesta ja on helppo puhdistaa. TiO2-pinnoitteet ovat myös voimakkaasti hydrofiilisiä UV-säteilyn ansiosta, josta johtuen pinnat ovat helposti puhdistettavia. Esimerkiksi itsepuhdistuvissa ikkunoissa lika ja mikrobit hajoavat fotokatalyysin seurauksena ja sadevesi huuhtelee ikkunat puhtaaksi. Myös antibakteerisissa pinnoissa ja maaleissa sekä siivousvälineissä hyödynnetään titaanidioksidin fotokatalyyttistä aktiivisuutta. Elintarviketeollisuudessa sekä lääke- ja sairaalateollisuudessa laitteiden, pintojen, putkistojen ja instrumenttien tulee olla erityisen puhtaita niin kemikaaleista kuin mikrobeistakin. Elintarviketeollisuudessa itsepuhdistuvien ja desinfioivien pintojen avulla voidaan lisätä elintarviketurvallisuutta, lääke- ja sairaala-alalla lisätään potilasturvallisuutta.

 

Ilmansaasteet ovat merkittävä ympäristöä kuormittava tekijä etenkin kaupunki- ja teollisuusympäristöissä. Haihtuvat orgaaniset yhdisteet (Volatile Organic Compounds, VOC) muodostavat suuren osan teollisuudesta johtuvista ilmansaasteista, aiheuttaen mm. ilman laadun heikkenemistä, kasvihuoneilmiön kiihtymistä ja otsonikatoa. Sisäilmassa haihtuvilla orgaanisilla yhdisteillä saattaa olla myös monenlaisia haittavaikutuksia niille altistuville henkilöille, kuten silmien ja limakalvojen ärsytysoireita ja päänsärkyä.

 

Fotokatalyyttinen ilmanpuhdistus on nousemassa merkittäväksi vaihtoehdoksi perinteisesti käytettyjen ilmanpuhdistustekniikoiden rinnalle ulkoa tulevien epäpuhtauksien poistamiseksi sisäilmasta. Useimmin käytetyt perinteiset tekniikat ovat adsorptio ja mekaaniset suodatustekniikat. Näihin puhdistusmenetelmiin liittyy kuitenkin huonoja puolia ja rajoituksia, joista keskeisimpinä nousee esiin niiden lyhyt käyttöikä ja lopputuotteiden hävittäminen. Vaikka polttamien onkin tehokas tapa päästä eroon haitallisista aineista, se kuluttaa paljon energiaa ja tuottaa sekundäärisiä ilmansaasteita.

 

Fotokatalyyttisen ilmanpuhdistusmenetelmän etuna on sen kyky tuhota herkästi haihtuvat orgaaniset yhdisteet sekä typen ja rikin oksidit täydellisesti. Sisäilman puhdistamien ja terveen sisäilman takaaminen fotokatalyyttisellä oksidaatiolla on todettu tehokkaaksi tavaksi monenlaisissa kohteissa ympäri maailmaa. Fotokatalyyttistä oksidaatiota käyttävät ilmanpuhdistimet eivät kerää ilman epäpuhtauksia suodattimien avulla, vaan ne hajotetaan vaarattomiksi lopputuotteiksi eli hiilidioksidiksi ja vedeksi.

 

Fotokatalyyttinen oksidaatio onkin edullinen, helppo ja ympäristöystävällinen menetelmä puhtaan sisäilman tuottamiseen ja ylläpitoon, koska käyttäjän ei tarvitse huolehtia suodattimen vaihtamisesta tai puhdistamisesta. Menetelmä mahdollistaa hyvin monenlaisten sisäilman epäpuhtauksien samanaikaisen poistamisen, sillä sen avulla pystytään vähentämään tehokkaasti haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC), pienhiukkasia, viruksia, bakteereita ja sieniä. Menetelmä sopiikin hyvin myös vaativiin puhdistuskohteisiin, kuten sairaalat ja elintarviketeollisuus. Erityistä puhtautta vaativissa olosuhteissa voidaan voimakkaiden kemikaalien käyttöä vähentää radikaalisti, koska fotokatalyyttisen oksidaation tuottamat hapettavat ionit tuhoavat epäpuhtaudet niin ilmasta kuin pinnoiltakin. Lisäksi fotokatalyyttireaktori voidaan integroida jo olemassa oleviin ilmanvaihtojärjestelmiin, jolloin ilmaa puhdistavat hapettavat ionit saadaan tehokkaasti leviämään puhdistettavan tilan sisäilmaan ja pinnoille.


Lähteet:

• Ritschkoff, A-C., Mahlberg, R., Hakkarainen, T., Salparanta, L., Mannila, J., Posti, O., Kallio, M., Vesa, A., Löija, M., Iitti, H., Takala, S., Mäntylä, T., Levänen, E., Rakennustuotteiden funktionaaliset pinnat [Functionalization of building material surface properties]. Espoo 2005. VTT Tiedotteita 2294. 45 s.

• Hannuksela, M., Fotokatalyysi matkalla tieteiskirjallisuudesta käyttöön. Duodecim 15/06 (2006)1845–1847.

• Blake D. M., "Bibliography of work on the photocatalytical removal of hazardous materials from water and air. Update number 3 To January 1999." Rep. No. NREL/TP-570-26797 (National Renewable Energy Laboratory, Colorado, USA, 1999).

• Tan, S. S., Zou, L., Hu, E., Photocatalytic reduction of carbon dioxide into gaseous hydrocarbon using TiO2 pellets. Catalysis Today, 115 (2006) 269–273.

• Pore, V., Atomic Layer Deposition and Photocatalytic Properties of Titanium Dioxide Thin Films, Väitöskirja, Helsingin yliopisto, Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Helsinki, 2010.

• Segler, J., Mangaanioksidit fotokatalyytteinä radioaktiivisten dekontaminointiliuosten käsittelyssä, Pro Gradu, Helsingin yliopisto, Kemian laitos, Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Helsinki, 2013.

• Lappalainen, S., Reijula, K., Tähtinen, K., Latvala, J., Hongisto, V., Holopainen, R., Kurttio, P., Lahtinen, M., Rautiala, S., Tuomi, T., Valtanen, A., Ohje työpaikkojen sisäilmasto-ongelmien selvittämiseen, Työterveyslaitos, Helsinki 2016. ISBN 978-952-261-608-1 (PDF).

• Auvinen, J., Wirtanen, L., The Influence of Photocatalytic Interior Paints on Indoor Air Quality, Atmospheric Environment 42(2008)4101-4112.

• Sánchez, B., Sánchez-Muñoz, M., Muñoz-Vicente, M., Cobas, G., Portela, R., Suárez, S., González, A. E., Rodríguez, N., Amils, R., Photocatalytic elimination of indoor air biological and chemical pollution in realistic conditions, Chemosphere, 87(2012)625-30.