Fotocatalisi

Il processo fotocatalitico porta realmente il verificarsi di tre realtà:

  • antinquinamento
  • antisporcamento
  • antibattericità

Queste proprietà sono il semplice frutto dell’ossidazione delle sostanze che entrano a contatto con una superficie fotocatalitica. Se sono sostanze inquinanti (Biossido di azoto, Biossido di Zolfo, Monossido di carbonio, particolato fine) si può parlare di reazione antinquinamento, se sono sostanze sporcanti (nerofumo, coloranti) possiamo parlare di reazione antisporcamento, se sono batteri, muffe, funghi e microrganismi, possiamo parlare di reazione antibatterica.

I processi fotocatalitici sono divenuti recentemente oggetto di ricerca poiché risultano particolarmente vantaggiosi sotto diversi punti di vista. Essi sfruttano la capacità da parte di alcuni materiali, tipicamente semiconduttori quali il biossido di titanio, di svolgere un’attività catalitica innescata semplicemente grazie alla loro esposizione ad una radiazione luminosa sufficientemente energetica (lampada UV). Per questo la fotocatalisi sta trovando impiego in numerosi ambiti, tra cui quello dell’ossidazione dei COV (composti organici volatili) contenuti in aria. Essa, infatti, permette di degradare questi composti prevalentemente in acqua e anidride carbonica, operando a temperatura prossima a quella ambiente ed eliminando il consumo di combustibile di supporto necessario per l’ossidazione termica o catalitica tradizionale.

Cosa è la Fotocatalisi: definizioni e materiali coinvolti

La fotocatalisi è il fenomeno naturale in cui una sostanza, detta fotocatalizzatore, attraverso l’azione della luce (naturale o artificiale) modifica la velocità di una reazione chimica; il processo chimico che sta alla sua base è un’ossidazione che si avvia grazie all’azione combinata della luce e dell’umidità dell’aria: i due elementi (luce ed aria), a contatto con il rivestimento del catalizzatore, attivazione la reazione catalitica.

Per comprendere meglio come funziona il processo della fotocatalisi definiamo prima alcuni concetti:

Reazione di ossidazione: è una reazione in cui una specie chimica, atomo o ione perde elettroni ed il suo numero di ossidazione aumenta Fe>Fe2++2e‐ (n.b. e‐ è il simbolo dell’elettrone che ha carica negativa).

Reazione di riduzione: è una reazione in cui una specie chimica, atomo o ione acquista elettroni. Il suo numero di ossidazione diminuisce 2H+ + 2e‐>H2.

Le reazioni di ossidazione e riduzione devono avvenire contemporaneamente. Si parla perciò di ossidoriduzione o reazione Redox.

Catalizzatore: è una sostanza in grado di aumentare la velocità di una reazione chimica. Ha la capacità di abbassare l’energia di attivazione e permettere quindi ad un maggior numero di molecole di reagire tra loro. Non partecipa attivamente alla reazione chimica e al termine di questa rimane inalterato. Il Biossido di titanio (TiO2) è uno dei materiali più studiati per applicazioni fotocatalitiche date le sue eccellenti proprietà; alternativamente è utilizzato il triossido di Tungsteno (WO3). Si tratta infatti di un materiale non tossico, stabile chimicamente, ottenibile da precursori poco costosi e facilmente accessibili, attivo nella degradazione di svariati compostiorganicitra cui i COV

Fotochimica: è una branca della chimica che studia le reazioni chimiche che si generano dall’interazione di una radiazione elettromagnetica (luce visibile / UV) con la materia

Fotocatalizzatore: è una sostanza in grado di promuovere una reazione chimica mediante l’assorbimento di una radiazione elettromagnetica: Le sostanze in grado di eseguire tali processi sono i semiconduttori

Processo di Fotocatalisi

Essenziale per la fotocatalisi è la presenza nell’ambiente di reazione di molecole d’acqua e di ossigeno. La loro presenza porta infatti alla formazione di specie molto reattive, che contribuiscono a migliorare l’attività del fotocatalizzatore TiO2 nella degradazione di composti organici volatili. Infatti i principali responsabili dell’ossidazione fotocatalitica dei composti organici sono proprio i radicali OH∙, generati dalla riduzione delle molecole d’acqua adsorbite sulla superficie del foto catalizzatore. La presenza di ossigeno è importante anche perché svolge la funzione di accettore di elettroni, contribuendo a ridurre la tendenza alla ricombinazione con le buche fotogenerate.

Effetti sulla sanificazione

L’effetto battericida e virucida per l’azione fotocatalitica è dovuto alla formazione di specie Reattive all’ossigeno (Ros) come O2- (superossido), H2O2 (perossido di idrogeno – acqua ossigenata) e · OH (idrossile).

Miliardi di queste specie altamente ossidanti sono create in miliardesimi di secondo e lavorano per disgregare la materia a livello molecolare. Il risultato è una efficace decomposizione delle sostanze inquinanti organiche e inorganiche (quali ad esempio gli ossidi di azoto, l’anidride solforosa, il monossido di carbonio) organiche (quali ad esempio i composti organici volatili come il benzene, il toluoene, l’etilbenzene, formaldeide, l’acetaldeide, il metanolo, l’etanolo, etc.) ed infine di microorganismi come virus, batteri e muffe.

Con la fotocatalisi il trattamento dell’aria avviene per contatto senza alcuna emissione di sostanze nell’ambiente, ciò permette di raggiungere gli obiettivi di sanificazione in massima sicurezza per le persone.

L’abbattimento di batteri, virus ed altre sostanze avviene con un meccanismo di ossidazione che produce solo piccolissime quantità di acqua e anidride carbonica.