I sistemi per il trattamento fotocatalitico dei gas

L’utilizzo di sistemi a base di TiO2 per il trattamento di atmosfere inquinate da

sostanze organiche e da ossidi di azoto (PCO) per mezzo di un’ossidazione fotocatalitica è ampiamente documentato in bibliografia.

E’ stato dimostrato che trattando lastrine di vetro ricoperte (figura 8.1) mediante spin coating con un gel di TiO2 calcinato a 700°C, si ha una buona efficienza fotocatalitica

nella rimozione di due inquinanti organici quali tricloetilene e toluene[105]. Fibre di vetro trattate per dip-coating con una soluzione di isopropossido di titanio, etanolo e polietilenglicole, calcinata a 450°C per 2 ore, riescono a degradare in 38 minuti il 60- 73 % di inquinati organici quali benzene, toluene, etibenzene, o-Xilene, se irraggiati con lampada UV-A con un’umidità di 2100 ppmv (figura 8.2).

Fotodegradazione dei BTEX utilizzando T1,T2 e P25 come fotocatalizzatori

Umidità (ppmv) Tipo Conversione %

Benzene Toluene Etil-benzene Orto-xilene

T1 37.4 62.8 72.1 75.2 T2 27.2 52.1 66.1 69.5 2100 P25 29.3 56.7 69.3 72.1 22000 T1 20.6 22.8 27.4 30.7 T2 5.3 6.1 13.2 15.9 P25 8.1 9.5 13.6 18.9

Fig. 8.2. Degradazione di Toluene, Benzene, Etilbenzene e Xilene, con fibre trattate con biossido di titanio per via sol-gel (T1 e T2),e utilizzando particelle micrometriche preformate.

Come possiamo osservare nella figura 8.1, i fotoreattori realizzati presentano camere di reazione estremamente ridotte, questo fatto se da una parte li rende ottimi strumenti da laboratorio dall’altra non riescono a fornire dati consistenti con modelli reali. Una delle ragioni che ci hanno spinto a progettare e sviluppare il sistema fotocatalitico oggetto di questo lavoro è stata infatti l’esigenza di fornire uno strumento che potesse fornire dei dati omogenei e scalabili su materiali e su volumi il più vicino possibile alle reali condizioni di utilizzo.

In commercio si possono trovare delle fibre di vetro trattate con TiO2 da utilizzare in

sistemi per la filtrazione d’aria domestica (Quartzel® Photocatalytic substrates). (Figura 8.3).

In letteratura è riportato che materiali ceramici porosi come quelli a base di α - allumina, ricoperti con TiO2 (figura 8.4) permettono la degradazione di blu di

metilene[112,113,115].

Fig 8.4. Micrografia SEM di materiale ceramico poroso ricoperto con TiO2 a partire da: (a) soluzione

di acetilacetonato di titanio e polivinil pirrolidone; (b) Sol di TiO2.

E’ stato dimostrato che nel caso di materiali porosi, la rugosità dei canali assume un’importanza fondamentale poiché influenza in maniera determinante l’attività fotocatalitica: in regime di flusso laminare a velocità elevate si presentano zone di ristagno del flusso d’aria che comportano un lento trasferimento degli inquinanti sulla superficie del catalizzatore (figura 8.5), per questa ragione, ad elevati flussi in regime laminare, la reazione di fotocatalisi è tanto più efficiente quanto più la superficie è liscia. Si deve quindi valutare attentamente il substrato a seconda delle specifiche del progetto che si vuole sviluppare, sistemi di superfici porose saranno efficienti per trattamenti di ampie superfici in situazioni “statiche”, mentre materiali come l’honeycomb saranno da preferire per il trattamento di masse d’aria in condizioni di flusso elevato e di moti turbolenti come nel caso di filtrazione attiva dell’aria.

Fig 8.5. Formazione di zone di ristagno nei canali di micro-reattori fotocatalitici (a) in caso di flusso laminare a basse velocità; (b) caso flusso laminare ad alte velocità alte velocità.

Sono stati fatti diversi studi per ottenere dei fotocatalizzatori ibridi, nei quali l’azione fotocatalitica fosse coadiuvata dal potere assorbente di materiali porosi come silice, allumina, zeoliti e carboni attivi in modo che l’assorbimento di specie contaminati in prossimità del catalizzatore agevoli la degradazione di quei composti che normalmente non vengono assorbiti sulla superficie del TiO2 o vengono assorbiti in piccole quantità.

Il processo si basa sull’assorbimento fisico dei contaminati, seguito da una diffusione verso i siti fotocataliticamente attivi per la degradazione.

I vantaggi di questi tipi di supporto per i filtri sono:

1. aumento della concentrazione di inquinanti intorno al TiO2 con benefici sulla

velocità di reazione

2. degradazione degli intermedi di fotocatalisi che vengono adsorbiti dai supporti porosi, evitando una fuoriuscita di sottoprodotti con il flusso d’aria

3. possibilità di distruggere inquinanti in piccole concentrazioni

4. utilizzo in continuo del fotocatalizzatore senza de-attivazione: le sostanze vengono ossidate fino a formazione di CO2.

Tra i possibili supporti porosi le zeoliti, oltre ad esplicare la loro funzione adsorbente, aiutano la separazione di carica delle coppie fotogenerate grazie alla generazione di

campi elettrici nella loro struttura. E’ stato dimostrato che biossido di titanio depositato su carbone attivo permette di superare il problema legato all’adsorbimento sui siti attivi di vapore acqueo: filtri combinati (carbone attivo/TiO2) hanno

un’efficienza maggiore per l’abbattimento di NO e toluene rispetto ai convenzionali filtri HEPA o quelli dove il TiO2 è supportato su fibre di vetro (figura 8.6 e 8.7)[114].

Fig. 8.6. Variazione della concentrazione di NO in seguito all’utilizzo di tipo TiO2 su fibre di vetro e

TiO2 su carbone attivo[114].

Fig. 8.7. Confronto tra le efficienze di rimozione di toluene per tre diversi tipi di filtri: AC/Hepa, TiO2/AC e TiO2/ fibra di vetro[114].

Alla luce di quanto detto appare evidente che l’immobilizzazione del biossido di titanio e il mantenimento della sua attività fotocatalitica non costituiscono un problema per la realizzazione di superfici filtranti. Al contrario il punto critico nella

progettazione di un sistema filtrante tipo PCO è la scelta di una configurazione che permetta un irraggiamento UV uniforme su tutta la superficie.

Al fine di illuminare la maggior parte delle particelle foto-attive sono stati sviluppati diversi tipi di reattori, tra i quali: (figura 8.8) reattori piatti, reattori tipo “honeycomb”, reattori “light in tube”.

Fig 8.8. Rappresentazione di alcuni reattori di tipo fotocatalitica: (a) reattori di tipo piatto, (b) reattori tipo honeycomb, (c) reattori tipo light in tube.

Esistono già in commercio filtri per aria con funzione fotocatalitica, Daikin, ad esempio propone, un filtro che permette l’eliminazione e la rimozione del 99.9% di batteri virus e spore (figura 8.9). Brevetti descrivono il metodo con cui è possibile assemblare un filtro fotocatalitico andando a depositare su opportuni supporti (sfere di vetro sinterizzate, brevetto WO2004/030808[118], strutture a nido d’ape, brevetto WO2005,091781[119] o generici materiali di supporto, brevetto JP10211406[120] (figura 8.10).

Fig. 8.9. Filtro MC704VM, Daikin con tecnologia di filtrazione a 7 fasi che prevede l’utilizzo di uno speciale filtro elettrostatico a rullo e di un innovativo filtro fotocatalitico antibatterico attivato da una lampada Inverter.

Fig. 8.10. Esempio di filtro mostrato in patent of JP2001329220 (3 lampada UV, 4 superfici filtranti trattate con biossido di titanio)[106].

Inoltre, alcuni brevetti descrivono il metodo di azione fotocatalitica, secondo cui la generazione di radicali ossidrili ha azione microbiocida, brevetto US 5,933,702; altri brevetti descrivono invece sistemi di filtrazione per ambienti civili nei quali l’utilizzo di dispositivi fotocatalitici permette di superare i problemi legati ai fenomeni di ostruzione che si hanno nei comuni filtri per la depurazione dell’aria (carboni attivi, filtri a ioni, filtra HEPA, ecc..).