Фотокатализ, согласно определению представляет собой каталитическую реакцию, включающую поглощение света фотокатализатором способствуя разложению веществ.
Фотокатализатор — это вещество, которое способствует протеканию реакций в присутствии света и не потребляется, т.е после окончания реакции остается неизменным.
Каталитические реакции — реакции, протекающие в присутствии катализаторов.
Катализаторы изменяют химическую реакцию без изменения своего химического состава.
В определении фотокатализа проводится различие между основными процессами. В результате излучения соответствующей длины волны (энергии) происходит фотовозбуждение катализатора и его взаимодействие с реагентом в основном состоянии – это так называемая сенсибилизированная (передающая энергию света) фотореакция.
Однако, если вещества возбуждаются излучением, которое затем взаимодействует с катализатором в основном состоянии, это называется катализируемой фотореакцией.
Фотокатализ предполагает процесс взаимодействия между твердотельным фотокатализатором и жидкой или газовой средой, содержащей реагенты и продукты реакции.
Процессы фотокаталитической реакции являются многообещающим методом удаления неорганических и органических загрязнителей из воздуха внутри помещений благодаря низким затратам, мягким условиям процесса (температура и давление) и возможностью полной минерализации загрязнителей до основных продуктов: CO2 и H2O.
Фотокаталитические материалы и технологии для очистки воздуха основаны на принципе, согласно которому излучение подходящих длин волн может поглощаться многими полупроводниками, что способствует образованию реактивных форм кислорода, способных разлагать загрязняющие воздух вещества.
Оксид титана TiO2 — наиболее часто используемый полупроводник, обладающий фотокаталитической активностью. Оксид вольфрама WO3, цинка ZnO, сульфид цинка ZnS, сульфид кадмия CdS и титанат стронция SrTiO3 немного менее популярны.
Оксид титана TiO2
Титановая руда анатаз — это природная полиморфная модификация минерала, который работает как фотокатализатор в диапазоне UVA (315-400 нм). В форме наночастиц он наиболее фотокаталитически активен и образуется оксид титана TiO2 в реакциях химического разложения. В настоящее время проводится множество исследований, направленных на смещение диапазона переменного излучения в сторону видимого света путем легирования оксида титана TiO2 различными металлами.
На эффективность фотокаталитического окисления загрязняющих веществ в воздухе помещений влияют:
- тип и концентрация загрязняющего вещества;
- химическое взаимодействие и конкуренция между газообразными загрязняющими веществами, приводящие к различным скоростям фотокаталитического разложения; относительная влажность, температура, интенсивность и длина волны источника света;
- появление побочных продуктов.
Использование фотокатализа для очистки воздуха
На практике использование фотокатализа для очистки воздуха в помещениях проявляется в использовании фотокаталитических красок, строительных материалов (бетон, цемент, строительные растворы, плитка, стекло, кремнеземные покрытия) и отделочных материалов (ткани) с добавлением TiO2 и модулей очистки воздуха. Фотокаталитические краски характеризуются содержанием фотокатализатора, который при облучении способствует окислению неорганических (NOx) и газообразнхе органических загрязнителей воздуха. Они также могут обеспечивать самоочищение активности и проявляют бактерицидные свойства. По внешнему виду и способу нанесения они ничем не отличаются от традиционных малярных изделий.
Введение оксида титана TiO2 в бетон выявило его самоочищающиеся свойства и способствовало внедрению экологически чистого материала в инженерные конструкции. Было показано, что фотокатализ обладает способностью обеззараживать воздух в помещениях от различных патогенов, включая бактерии, грибки и даже некоторые группы вирусов. Фотоинфекция может привести к одним из двух исходов является инактивация патогена вследствие повреждения клеточной мембраны или лизис, который относится к нарушению целостности клетки.
Модули очистки могут быть установлены в портативных устройствах – воздухоочистителях или системах вентиляции. Системы фотокаталитических реакторов можно классифицировать в зависимости от их конфигурации. Наиболее популярными типами этих устройств являются пластинчатые, кольцевые, сотовые монолиты и системы с псевдоожиженным слоем. Их эффективность зависит от площади, покрытой фотокатализаторами, количества источников света (УФ-лампы) и потока воздуха.
Ограничения фотокатализатора
Одним из ограничений использования фотокатализа при очистке воздуха является образование потенциальных побочных продуктов реакции. Большинство исследований по фотокаталитическому удалению летучих органических соединений и неорганических соединений проводилось в модельных системах, которые очень упрощены и не отражают реальных условий. Воздух в помещении представляет собой смесь сотен химических веществ, которые взаимодействуют друг с другом.
Следовательно, при нормальных условиях эксплуатации фотокаталитических устройств может происходить образование так называемых нежелательных побочных продуктов реакции. Они могут образовываться либо в виде промежуточных продуктов, либо в виде вторичных выбросов. Что важно, некоторые из этих побочных продуктов фотокатализа могут быть даже более вредными по сравнению с их исходными соединениями. Именно поэтому, по возможности, следует избегать образования таких загрязнений. Промежуточные продукты образуются в результате неполного фотокатализа определенных загрязняющих веществ. Однако вторичные выбросы образуются из-за фотоокисления материала основы, в который встроены фотокатализаторы.
