Fotokatalyysi matkalla tieteiskirjallisuudesta ... - Terveyskirjasto

PääkirjoitusMatti HannukselaFotokatalyysi matkallatieteiskirjallisuudestakäytäntöönItsepuhdistuvat lasit ja kaakelit sekävesien puhdistus ovat jo nykypäivää– sisäilman laadun parantaminenodottaa nurkan takanaFotokatalyysi tarkoittaa prosessia, jossa ultraviolettisäteilyntai näkyvän valon energiallatapetaan mikro‐organismeja bakteereistaleviin ja homeisiin ja hajotetaan orgaanisia aineitayksinkertaisiksi, haitattomiksi yhdisteiksi(Blake 2001). Sen avulla voidaan myös hapettaaepäorgaanisia aineita vähemmän haitallisiksi.Prosessissa tarvitaan katalyytti, jona on viimeaikoina käytetty etenkin titaanidioksidia (TiO 2).Muita fotokatalyyttejä ovat esimerkiksi titaanioksinitridi,sinkkioksidi, alumiinirautaoksidi jaeri metalleihin yhdistetty titaanidioksidi (Blake2001). Titaanidioksidi absorboi ultraviolettisäteilyäja muodostaa vesihöyrystä hydroksyyliradikaalejaja peroksidi‐ioneja. Hydroksyyliradikaalitovat voimakkaita hapettajia. Titaanidioksidinfotokatalyysi on mahdollista vainalle 388 nm:n ultraviolettisäteilyllä. Sen sijaantitaanioksinitridi ja osa titaanidioksidin yhdisteistäabsorboivat myös näkyvää valoa.Brittielokuvassa The man with the white suitvuodelta 1951 Alec Guinness näytteli vaatimatontakeksijää Sidney Strattonia, joka onnistuikehittämään itsepuhdistuvan, kulumattoman pukukankaan.Tieteistarinasta käytäntöön alettiinpäästä 1970‐luvun loppupuolella, jolloin titaanidioksidinfotokatalyyttinen ominaisuus huomattiin.Sidney Strattonin keksimä vaatteiden kulumattomuuson edelleen haave, mutta itsepuhdistuvatkuidut ovat jo käytössä telttakankaissa.Valkoisen paidan tai puvun puhdistajaksi ei titaanidioksidipinnoitteestaole, sillä puhdistuminenon kirkkaassakin auringonvalossa hidasta.Fotokatalyysiä käytetään jo moneen tarkoitukseen,joista tärkeimpiä on lueteltu taulukossa.Melkein kaikki fotokatalyysiä koskevat tutkimukseton julkaistu yhdeksän viime vuodenaikana. Suurin osa niistä koskee laboratoriomittakaavankokeita, mutta joukossa on jo käytännönkokemuksiakin. Kaakeleihin, saniteetti­Taulukko. Titaanidioksidin ja muiden fotokatalyyttisten aineiden käyttökohteita ja ‐tapoja.KäyttökohdeItsepuhdistuvat ikkunalasitAuton sivupeili ja alustaBetonielementit ja ‐seinätKosteiden tilojen kaakelitSaniteettikalusteetKatukäytävälaatatIlmanpuhdistimetKatto‐ ja seinäpinnoitteetVedenpuhdistusRuokien pilaantumisen estoKäyttötapalasi päällystetään nanometriluokan TiO 2‐kerroksellaPinnoitus TiO 2‐nanokerroksellatiO 2:ta sekoitetaan betoniinPinnoitus TiO 2‐nanokerroksellaPinnoitus hopeoidulla TiO 2:llatiO 2:ta sekoitetaan pintakerrokseensisällä TiO 2‐pintaiset levyt ja ultraviolettisäteilijätiO 2:ta sekoitetaan pinnoitteeseentiO 2‐pintainen kenno tai TiO 2‐jauhekylmätiloissa fotokatalyysilaiteDuodecim 2006;122:1845–71845

kalusteisiin sekä ikkuna‐, auton‐ ja junanlaseihintitaanikerros kiinnitetään polttamalla. Kerros onniin ohut, ettei se estä näkyvän valon kulkua.Lasien ja kaakeleiden titaanidioksidipinnoitteentehon sanotaan perustuvan toisaalta lasin pintaantarttuneiden orgaanisten ilmansaasteidenfotokatalyysiin, toisaalta sade‐ ja pesuveden toisenlaiseenkäyttäytymiseen titaanipinnalla. Vesi,joka normaalisti pisaroituu lasin pinnalla, leviääohueksi kalvoksi lian ja pinnoitteen väliin, japilkkoutuneen lian poistuminen tehostuu. Selityslienee ainakin osittain oikea. Titaani-hopeapinnoitettusaniteettiporsliini tappaa bakteereja sitätehokkaammin, mitä suurempi titaanidioksidinmäärä on (Machida ym. 2005). Toisaalta itsepuhdistuvinamyydään myös saniteettikalusteita,joiden pinta on tehty sileäksi ilman fotokatalyyttiä(www.villeroy-boch.com). Helpon puhdistuvuudenkerrotaan perustuvan pinnan sileyteen.Mitä titaanidioksidi vessanpytyssä tekisikään,jollei siinä ole ultraviolettisäteilijää.Katupinnoitteissa ja sementissä katalyytti onsekoitettu massaan (Frazer 2001). Eräs merkittäväviime vuosien rakennuskohde on ollut roomalainenbetonikirkko Dives in Misericordia.Kirkko valmistui vuonna 2003 ja ainakin toistaiseksise hohtaa valkoisena (kuva). Sen uskotaanhohtavan valkoisena vielä vuosikymmenienkinkuluttua. Syksyllä 2002 eräässä Milanonesikaupungissa päällystettiin vilkkaasti liikennöitykatu titaanioksidipinnoitteella. Katuilmantypen oksidien määrä pieneni marraskuun hämärässä13 %, ja kesällä vähenemä oli 50–60 %(www.italcementigroup.com/newsite/). Typpioksiditmuuttuvat vastaaviksi hapoiksi ja huuhtoutuvatsadevesien mukana pois.Huono sisäilma on monen työpaikan, koulunja kodin ongelma. Ongelman takana voiolla vesivahinko siihen liittyvine bakteeri‐ ja homekasvustoineentai vain puutteellinen ilmanvaihto.Pikaratkaisuksi huonoon ilmanvaihtoonesitetään tavallisesti ilmanpuhdistimen hankkimista.HEPA‐suodattimilla (high efficiencyparticulate air) saadaan ilmasta pois yli 99 %hiukkasista, sillä suodattimen reikien koko on0,3 μm. HEPA‐suodatin ei kuitenkaan poistakaasuja, joihin tehoaa fotokatalyysi. Fotokatalysaattorillavarustettuja ilmapuhdistimia on jomarkkinoilla ainakin Yhdysvalloissa. Niidenhintahaarukka on 200–400 dollaria. Autoihintarkoitettujen puhdistimien hinta on noin 100dollaria. Laitteen rakenne saattaa vaikuttaa äkkiseltäänyksinkertaiselta. Sellainen se ei välttämättäole, sillä fotokatalysaattori pitäisi valitapoistettavien kaasujen mukaan (Mo ym. 2005,Zuo ym. 2005).Toisenlaista ratkaisua huonoon sisäilmaantarjoaa titaanidioksidia sisältävä Maxit Airfresh‐sisäkattopinnoite (www.heidelbergcement.com).Laboratorio‐oloissa idea toimii, mutta käytännönkokemuksia ei ole. Ongelmaksi Suomessamuodostunee ultraviolettisäteilyn puute 5–6 pimeimmänkuukauden aikana, eikä sisätiloissavoida käyttää UV‐säteilijöitä energianlähteenä.Oma käyttöalueensa ovat hedelmien ja kasviksiensäilytystilat. Jääkaapissa tai kylmävarastossatoimiva katalysaattori poistaa ilmasta etaania,hedelmissä syntyvää kaasua, joka nopeuttaaniiden kypsymistä ja pilaantumista. Pieni muttajulkisuuden kannalta tärkeä käyttökohde onmyös avaruussukkulan sisäilma.Ympäristöterveydenhuollossa fotokatalyysinkäyttöalueita ovat yhdyskuntailman puhdistamisenlisäksi vesien puhdistus, jossa voidaan käyttääjauhemaista katalyyttiä tai kiinteitä rakenteita(Parra ym. 2002, Sun ym. 2005). Laitteetvoivat saada energiansa auringosta tai UV‐säteilijästä.Samoja periaatteita voidaan käyttääKuva. Titaanidioksidia fotokatalysaattorina sisältävästä betonistatehty kirkko Dives in Misericordia Roomassa. Se valmistui2003, ja sen odotetaan pysyvän puhtaana fotokatalyysin avulla(lähde: www.italcementigroup.com/newsite/Chiesa_2000.htm).1846M. Hannuksela

myös torjunta‐ainejäämien käsittelyyn esimerkiksiviinitarhoissa (Pichat ym. 2005). EU:ssakäynnistettiin syksyllä 2005 monikansallinen,nelivuotinen projekti uusien fotokatalyyttistentekniikoiden kehittämiseksi (Peterka 2005). Suomikinon siinä mukana.Lopuksi on hyvä tietää, että titaanidioksidiaesiintyy luonnossa kolmena kidemuotona. Neovat anataasi, rutiili ja brokiitti. Rutiili on niistäkovin. Kahta ensimmäistä käytetään valonsuojavoiteisiin,fotokatalyysiin ja maalien pigmentteihin.Scifismiin taipuvaiset voivat ruveta suunnittelemaanjalkahiestä kärsiville miehille ultraviolettikenkiäja anataasisukkia tai kainalohiestäkärsiville rutiilipaitoja LED‐valokaapelien kera.KirjallisuuttaBlake DM. Bibliography of work on the heterogeneous photocatalyticremoval of hazardous compounds from water and air. Updatenumber 4 to October 2001. NREL, Golden, Colorado, s. 1–272.Frazer L. Titanium dioxide: environmental white king? Environ HealthPerspect 2001;109:A174–7.Machida M, Norimoto K, Kimura T. Antibacterial activity of photocatalytictitanium dioxide thin films with photodeposited silver on the surfaceof sanitary ware. J Am Caramic Soc 2005;88:96. doi:10.1111/j.1551-2196.2004.00006.xMo J, Zhang Y, Yang R. Novel insight into VOC removal performance ofphotocatalytic oxidation reactors. Indoor Air 2005;15:291–300.Parra S, Olivero J, Pulgarin C. Relationships between physicochemicalproperties and photoreactivity of four biorecalcitrant phenylureaherbicides in aqueous TiO 2 suspension. Applied Catalysis B: Environmental2002;36:75–85.Peterka F. COST 540 »Phonasum» Photocatalytic technologies andnovel nanosurfaces materials – critical issues. 162. CSO:n kokous,14.–15.6.2005, Bukarest, Romania. www.cost.esf.org/index.php?id=248&action_number=540Pichat P, Vannier S, Dussaud J, Rubis JP. Assessment of solar photocatalysisto purify on-site rinse waters from tractor cisterns used in grapewine pest control: field experimentation. Water Sci Technol2005;52:223–30.Sun B, Smirniotis PG, Boolchand P. Visible light photocatalysis withplatinized rutile TiO 2 for aqueous organic oxidation. Langmuir2005;21:11397–403.Zuo G-M, Cheng Z-X, Chen H, Li G-W, Miao T. Study on photocatalyticdegradation of several volatile organic compounds. doi:10.1016/j.jhazmat.2005.07056Matti Hannuksela, professori,konsultoiva erikoislääkärimatti.hannuksela@pp.fimnet.fiKymenlaakson keskussairaala,ihosairauksien yksikköKotkantie 4148210 Kotka1847