Oczyszczanie spalin samochodowych przez światło słoneczne. Jak to działa?

Bez kategorii

Większość osób zdaje sobie sprawę z tego, że spaliny samochodowe mogą być oczyszczane dzięki montowanym w pojazdach katalizatorom oraz filtrom cząstek stałych. Ze względu na powszechnie występujący w naszym kraju smog wiemy także, że z zanieczyszczeniami powietrza możemy sobie radzić, dzięki mechanicznej filtracji. Powietrze przepuszczane przez porowaty materiał jest oczyszczane, ponieważ zawieszone w nim pyły mają większe rozmiary niż otwory w materiale, z którego zrobiony jest filtr.

Obie te metody są jednak mało skuteczne i nie wiele mogą pomóc w sytuacji, w której mamy do czynienia z wysoką koncentracją niebezpiecznych substancji. Znakomitym rozwiązaniem tego problemu mogą być jednak nanopowłoki, które umożliwiają efektywne zachodzenie oczyszczającego procesu katalizy.

Na czym polega fotokataliza?

Fotokataliza to proces, który prowadzi do utleniania różnych związków pod wpływem promieniowania ultrafioletowego oraz odpowiednio dobranego katalizatora, który umożliwia zajście całej reakcji. W efekcie fotokatalizy różne złożone związki chemiczne mogą zostać rozłożone do postaci wody, dwutlenku węgla oraz anionów nieorganicznych.

Do przeprowadzenia całej reakcji potrzebny jest więc odpowiedni katalizator oraz odpowiednia ilość światła. Substancją, która sprawdza się najlepiej w tej roli, jest dwutlenek (ditlenek) tytanu, czyli TiO2. Problemem jest jednak to, że jest on w stanie pochłaniać tylko i wyłącznie promieniowanie UV. Promieniowanie UV jest wprawdzie obecne również w świetle widzialnym, jednak jego udział jest stosunkowo niewielki i nie przekracza 5%. Oznacza to, że do skutecznego wzbudzenia procesu potrzebne jest albo doświetlanie urządzeniem emitującym UV, albo zwiększenie możliwości pochłaniania światła, przez stosowanie różnych domieszek. To drugie rozwiązanie jest bardziej ekonomiczne, w związku z czym powierzchnia dwutlenku tytanu jest modyfikowana różnymi innymi pierwiastkami.

Zaletą stosowania fotokatalizy jest fakt, że ma ona bardzo dobrą wydajność. Rozmieszczenie powłoki zawierającej zmodyfikowany dwutlenek tytanu na dużej, dobrze oświetlonej powierzchni, np. na elewacji budynku może przynieść znakomite rezultaty. Po aktywacji powłoki, czyli naświetleniu jej przez czas potrzebny do zgromadzenia odpowiedniej ilości energii i zajścia reakcji, może ona oczyszczać powietrze w całej okolicy, a efektywność procesu zależy jedynie od tego, jak aktywny będzie katalizator i jak dużą dawkę promieniowania UV otrzyma.

Jak przebiega proces fotokatalizy?

Pod wpływem odpowiedniej ilości promieniowania ultrafioletowego zmodyfikowany dwutlenek tytanu pochłania fotony, które wybijają elektrony ze znajdującej się najdalej od jadra atomowego powłoki walencyjnej. Umożliwia to, w półprzewodniku, jakim jest ditlenek tytanu ich przeskoczenie, z pasma podstawowego do oddzielonego niewielkim pasmem zabronionym pasma przewodnictwa. Elektrony przechodzące do pasma przewodnictwa, mogą połączyć się z tlenem, prowadząc do powstania jego aktywnych form – anionorodnika ponadtlenkowego O2. Po oddaniu elektronu w dwutlenku tytanu powstają dziury elektronowe naładowane dodatnio. Prowadzi to do połączenia z wodą zawartą w powietrzu oraz powstania rodników wodorotlenowych.

Rodniki wodorotlenowe ze względu na brak jednego elektronu są niezwykle aktywne chemicznie i łatwo wchodzą w reakcje z innymi związkami. Są w stanie łączyć się m.in. z unoszącymi się w zanieczyszczonym powietrzu lotnymi związkami organicznymi m.in. (WWA) benzoapirenem, bifenylem czy naftalenem, czyli wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi znajdującymi się w spalinach samochodowych czy szkodliwymi tlenkami azotu. Doprowadza to do rozkładu bardziej złożonych substancji na coraz prostsze związki.

Warto pamiętać, że właściwości dwutlenku tytanu są wzmacniane dzięki jego rozdrobnieniu. Postać nano oznacza bowiem, że większa liczba atomów może brać udział w reakcji, ze względu na większą ich liczebność na powierzchni.