Urządzenia AIRsteril wykorzystują  jednocześnie różne technologie w celu skutecznej i bezpiecznej sterylizacji powietrza i powierzchni. Jest to zarówno promieniowanie UV-C, zimna plazma oraz ozon. Utlenianie fotokatalityczne jest jednym z procesów wykorzystywanych w AIRsteril . Utlenianie fotokatalityczne, czy też fotokataliza, umożliwiło konstruktorom opracowanie urządzeń o niezwykłych parametrach i skuteczności w sterylizacji powietrza i powierzchni. 

Trzeba również zaznaczyć, iż utlenianie fotokatalityczne jest jedną z 6 technologii zastosowanych w AIRsteril, zaś swoją skuteczność i wyjątkowość urządzenia te zawdzięczają synergii różnych rozwiązań technologicznych.  Poniżej przybliżamy zjawisko utleniania fotokatalitycznego i fotokatalizy w urządzeniach AIRsteril.

Co to jest kataliza

Każdy z nas spotkał się z pojęciem "katalizy" czy "katalizatora". W języku codziennym funkcjonuje ono jako synonim czynnika, który przyspiesza pewne procesy lub też je wywołuje. Sama definicja "katalizy" określa to zjawisko jako

przyśpieszenie szybkości reakcji chemicznej pod wpływem dodania do układu niewielkiej ilości katalizatora, który sam nie ulega trwałym przekształceniom, lecz tylko tworzy z innymi substratami związki lub kompleksy przejściowe.

Jak działa katalizator

Mówiąc w uproszczeniu katalizator obniża ilość energii potrzebnej do uruchomienia czy aktywacji reakcji chemicznych. Dzieje się tak poprzez zmianę ścieżki kinetycznej reakcji. W efekcie przyspieszeniu ulega zarówno reakcja prowadząca do produktu, jak i reakcja biegnąca w kierunku przeciwnym, prowadząca do odtworzenia substratów.

Jaką funkcję pełni katalizator w AIRsteril

Podstawowym zadaniem urządzeń do sterylizacji jest dezaktywacja/rozkład patogenów. W tym celu potrzebna jest energia, która w celowy sposób będzie działać na patogeny i uszkadzać ich struktury komórkowe.  Katalizator sprawia, iż ilość potrzebnej energii jest mniejsza, a dodatkowo proces niszczenia patogenów przebiega szybciej. Dzięki temu AIRsteril może działać z wykorzystaniem znacznie mniejszych ilości energii (UV-C, ozon, zimna plazma) w porównaniu do innych urządzeń. Zwiększa to zarówno skuteczność  jak i  bezpieczeństwo  urządzenia.

Dowiedz się więcej o AIRsteril

Co to jest fotokataliza

Fotokataliza jest zjawiskiem, do którego potrzebny jest katalizator oraz światło.  W AIRsteril katalizatorem jest płytka pokryta di-tlenkiem tytanu (TiO₂, umieszczona wewnątrz urządzenia, która jest  aktywowana światłem UV-C.  Fotokatalizator, czyli płytka  z  TiO_2,  absorbuje światło, a następnie aktywny już dwutlenek tytanu (TiO2) reaguje z organicznymi zanieczyszczeniami i szkodliwymi cząsteczkami gazów.

Jak działa di-tlenek tytanu TiO₂

To właśnie aktywność di-tlenku tytanu sprawia iż fotokatalizator pochłania światło i generuje rodniki hydroksylowe (OH), aniorodniki tlenowe (O₂^•ˉ) oraz nadletlenki wodoru (H₂O₂),. Te aktywne formy tlenu usuwają nieprzyjemne zapachy oraz niszczą  struktury wirusów, bakterii i grzybów.

Fotokataliczne utlenianie (PCO)

W AIRsteril zachodzi reakcja PCO (photocathalic oxidation - fotokatalityczne utlenianie) za pomocą lamp UV-C.  Co ważne, długości fali są dobrane tak, aby przy bardzo małej energii potrzebnej do uruchomienia procesu był on jak najbardziej wydajny. Urządzenie AIRsteril wykorzystuje dwie długości promieniowania UV-C, o długości 185 nm i 254 nm.

W czasie PCO, w obecności światła fotokatalizator wytwarza dziury (h+) elektronowe (e-), które reagują z organicznymi zanieczyszczeniami i szkodliwymi cząsteczkami gazów, dezaktywują przy tym wirusy, bakterie, grzyby.

Wykorzystanie utleniania fotokatalitycznego w medycynie

Obecnie dzięki sile światła UV-C można przekształcić złożoną i toksyczną substancję organiczną (np. formaldehyd) w prostą i bezpieczną substancję nieorganiczną (tj. wodę i dwutlenek węgla. W całym tym procesie oczyszczania nie powstaje więcej zanieczyszczeń. Trwa on milisekundy. Nanocząstki di-tlenku tytanu w środowisku wodnym wykazują nie tylko właściwości przeciwbakteryjne, ale i działanie antywirusowe.

Przeprowadzono liczne badania, z których wynika, że fotokataliza TiO2 /UV stanowi narzędzie skutecznie niszczące wiele wirusów, takich jak: wirus opryszczki pospolitej typu 1, wirus zapalenia wątroby typu B, rotawirus A, wirus polio, wirus ptasiej grypy typu H5N2, a także fagów Escherichia coli, np. MS2 i T4 (25.

Albert Einsetein a fotoemisja

Podobną reakcję fotoelektryczną opisał Albert Einstein. Za odkrycie tego efektu w 1922 roku otrzymał nagrodę Nobla (nagroda za rok 1921). Efekt fotoelektryczny, zwany też fotoemisją, to zjawisko fizyczne polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu.

Hipoteza kwantów wyjaśnia, dlaczego energia fotoelektronów jest zależna od częstotliwości światła. Albert Einstein oparł się w swoim odkryciu na obliczeniach matematycznych zakładających, że energia wiązki światła pochłaniana jest w postaci kwantów równych hv gdzie h jest stałą Plancka, a v oznacza częstotliwość fali. Kwant promieniowania pochłaniany jest przy tym w całości. Einstein założył dalej, że usunięcie elektronu z powierzchni metalu (substancji) wymaga pewnej pracy zwanej pracą wyjścia, która jest wielkością charakteryzującą daną substancję (stałą materiałową). Pozostała energia unoszona jest przez emitowany elektron.

Gdzie wykorzystywane jest zjawisko fotoelektryczne (fotoemisja)

Efekt fotoelektryczny jest powszechnie wykorzystywany w fotokomórkach, bateriach słonecznych, fotopowielaczach, noktowizorach, elementach CCD w aparatach cyfrowych, fotodiodach itd. Pochłaniane przez te urządzenia światło wykorzystywane jest do wytwarzania prądu elektrycznego i generowania ładunku, którego ilość można zmierzyć. Odwracając ten proces, wykorzystując światło UV-C możemy dostarczając energii, emitować elektrony.

Wykorzystanie fotoemisji w  AIRsteril

W zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym w AirSteril, nośniki ładunku są przenoszone pomiędzy pasmami energetycznymi, na skutek naświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym (promienie UV-C) o odpowiedniej częstotliwości, dobranej do rodzaju katalizatora, czyli płytek pokrytych nanocząsteczkami di-tlenku tytanu (TiO2). Jest to wykorzystanie kwantowej natury światła opisanej w badaniach Einsteina. Nano-fotokatalizator Tio2 reaguje, jako katalizator w reakcji chemicznej. Działanie utrzymuje się w długim okresie czasu i praktycznie jest on niezużywalny. Właściwości fotokatalityczne nanometrycznych tlenków tytanu, cynku i magnezu zapewnia ich struktura elektronowa. Mają one obsadzone elektronami pasmo podstawowe, zwane również walencyjnym (valence band, VB) i nieobsadzone pasmo przewodnictwa (conduction band, CB). Różnica energii (ΔE) między tymi pasmami, definiowana jako pasmo wzbronione (band gap), to ilość energii, którą trzeba dostarczyć, aby elektron przemieścił się z jednego pasma (VB) do drugiego (CB).

NASA - geneza wykorzystania fotoemisji i utleniania fotokatalitycznego

Technologa wykorzystania fotoemisji w celu oczyszczania powietrza i powierzchni  została opracowana w NASA na potrzeby programu kosmicznego. Chodziło o oczyszczanie powierzchni kabin promów kosmicznych po ich powrocie na ziemię. Czyli dezaktywację ewentualnych związków, substancji chemicznych lub organicznych, bakterii, wirusów także nieznanego pochodzenia, które mogłyby znajdować się w promach kosmicznych po powrocie na ziemię. Ale również, oczyszczanie wnętrz stacji kosmicznej, z którymi poprzez śluzy, dochodziło do kontaktu z wnętrzem promu kosmicznego.

Utlenianie fotokatalityczne staje się interesującą technologią procesową umożliwiającą długi czas pracy misje eksploracji kosmosu. Gdy cele misji wykraczają poza układ Księżyc-Ziemia, szczególne możliwości funkcjonalne stają się coraz ważniejsze dla systemu kontroli środowiska i systemu podtrzymywania życia (ECLS). Funkcje te obejmują bardzo wydajne odzyskiwanie zasobów i minimalne odpowietrzanie za burtę. Cały system ECLS musi zmieścić się w niewielkim pakiecie masy i objętości, wymagać dostarczania minimalnej energii elektrycznej i minimalnej logistyki dla potrzeby wsparcia technicznego. Z definicji system ECLS musi być wysoce wydajny i niezawodny.

Wykorzystanie utleniania fotokatalitycznego i fotoemisji w medycynie

Obecnie jesteśmy w stanie przekształcić złożoną i toksyczną substancję organiczną (np. formaldehyd) w prostą i bezpieczną substancję nieorganiczną (tj. wodę i dwutlenek węgla). Tylko dzięki sile światła UV-C zachodzi ten korzystny efekt. W całym tym procesie oczyszczania nie powstaje więcej zanieczyszczeń. Trwa on milisekundy. Nanocząstki di-tlenku tytanu w środowisku wodnym wykazują nie tylko właściwości przeciwbakteryjne, ale i działanie antywirusowe.

Przeprowadzono liczne badania, z których wynika, że fotokataliza TiO2 /UV stanowi narzędzie skutecznie niszczące wiele wirusów, takich jak: wirus opryszczki pospolitej typu 1, wirus zapalenia wątroby typu B, rotawirus A, wirus polio, wirus ptasiej grypy typu H5N2, a także fagów Escherichia coli, np. MS2 i T4.

Fotokataliza i fotoemisja a dezaktywacja wirusa SARS

Zdaniem Knight, procesy zaawansowanego utleniania zachodzące na powierzchniach pokrytych nanometrycznym TiO2 i poddanych działaniu promieniowania UV mogą efektywnie ograniczać rozprzestrzenianie się wirusa SARS. Niespecyficzny charakter reakcji wolnorodnikowych daje podstawy przypuszczać, że fotokataliza TiO2 /UV mogłaby skutecznie ograniczyć szerzenie się również wielu innych wirusów, np.: grypy, świnki, odry, różyczki, ospy czy zapalenia opon mózgowych.

Mazurkova i wsp. wykazali, że na powierzchni pokrytej nano-TiO2 dochodziło do całkowitej inaktywacji wirusa grypy już po 30 sek. od momentu wzbudzenia TiO2 promieniowaniem UV-A. Zdaniem Cho i wsp., sugeruje to wyższą w porównaniu z bakteriami wrażliwość wirusów na procesy fotokatalityczne" (zródło: 1)

Bibliografia:

1. J,Bogdan, A.Jackowska-Tracz, J. Zarzyńska, J. Pławińska-Czarnak: "Znaczenie procesów fotokatalitycznych TiO2/UV, ZnO/UV i MgO/UV w inaktywacji czynników zakaźnych”
2. Azam A., Ahmed A. S., Oves M., Khan M. S., Habib S. S., Memic A.: Antimicrobial activity of metal oxide nanoparticles against gram-positive and gram-negative bacteria: a comparative study. Int. J. Nanomed. 2012, 7, 6003-6009
3. Cho M., Chung H., Choi W., Yoon J.: Different inactivation behaviors of MS-2phage and Escherichia coli in TiO2 photocatalytic disinfection. Appl. Environ. Microbiol. 2005, 71, 270-275.
4. Jay L. Perry1 , Kenneth R. Frederick2 , and Joseph P. Scott3 National Aeronautics and Space Administration, Huntsville, Alabama, 35812, USA, A Comparison of Photocatalytic Oxidation Reactor Performance for Spacecraft Cabin Trace Contaminant Control Applications
5. Fujishima A., Rao T. N., Tryk D. A.: Titanium dioxide photocatalysis. J. Photochem. Photobiol. C 2000, 1, 1-21.
6. Knight H.: Sars wars. Engineer 2003, 292, 27-35
7. Mazurkova N. A., Spitsyna Y. E., Shikina N. V., Ismagilov Z. R., Zagrebel’nyi S. N., Ryabchikova E. I.: Interaction if titanium dioxide nanoparticles with Influenza virus. Nanotechnol. Russia 2010, 5, 417-420.
8. Molen R. G. van der, Garssen J., de Klerk A., Claaus F. H., Norval M., van Loveren H., Koerten H. K., Mommaas A. M.: Application of a systemic herpes simplex virus type 1 infection in the rat as a tool for sunscreen photoimmunoprotection studies. Photochem. Photobiol. Sci. 2002, 1, 592-596
9. Haenle M., Fritsche A., Zietz C., Bader R., Heidenau F., Mittelmeier W., Gollwitzer H.: An extended spectrum bactericidal titanium dioxide (TiO2 ) coating for metallic implants: in vitro effectiveness against MRSA and mechanical properties. J. Mater. Sci.: Mater. Med. 2011, 22, 381-387.
10. Heaselgrave W., Patel N., Kilvingston S., Kehoe S. C., McGuigant K. G.: Solar disinfection of poliovirus and Acanthamoeba polyphaga cysts in water – a laboratory study using simulated sunlight. Lett. Appl. Microbiol. 2006, 43, 125-130