This post is also available in: English (อังกฤษ)

เทคโนโลยีปัจจุบัน

เทคโนโลยีที่มีอยู่ในปัจจุบันเพื่อทำความสะอาดอากาศภายในอาคาร ได้แก่ การฉายรังสีอัลตราไวโอเลต Ultraviolet Germicidal Irradiation(UVGI) ฆ่าเชื้อโรค การกรองอากาศที่มีอนุภาคประสิทธิภาพสูง High Efficiency Particulate Air (HEPA) การดูดซับคาร์บอน การออกซิเดชั่นทางเคมีโดยโอโซน เครื่องกรองไอออไนเซอร์  และโฟโตคาตาไลติกออกซิเดชั่น

อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีเหล่านี้ส่วนใหญ่ไม่มีประสิทธิภาพอย่างสมบูรณ์ในการย่อยสลายทั้งสารปนเปื้อนทางชีวภาพและ VOCs การฉายรังสีอัลตราไวโอเลตฆ่าเชื้อโรค (UVGI) ด้วยหลอด UVC สามารถใช้ในการฆ่าเชื้อโรคได้ อย่างไรก็ตาม UVC ความยาวคลื่นสั้นที่มีความเข้มสูงก็เป็นอันตรายต่อมนุษย์เช่นเดียวกับจุลินทรีย์ ก๊าซโอโซนที่เป็นอันตรายยังก่อตัวขึ้นในระหว่างกระบวนการ ยิ่งไปกว่านั้น UVGI ยังไม่มีประสิทธิภาพในการย่อยสลายสารปนเปื้อนอินทรีย์

การกรองอากาศที่มีอนุภาคอากาศประสิทธิภาพสูง (HEPA) จะกรองอนุภาคส่วนใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า 0.3 ไมโครเมตรออกทางกายภาพ แต่ตัวกรองเหล่านี้ไม่สามารถกำจัดอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าเช่นโมเลกุล VOCs และไวรัสได้ ข้อเสียเปรียบอีกประการหนึ่งของตัวกรอง HEPA คือการทำงานโดยใช้แรงดันตกค่อนข้างสูงซึ่งหมายถึงการใช้พลังงานที่สูงขึ้น การดูดซับถ่านกัมมันต์เป็นวิธีการทางกายภาพอีกวิธีหนึ่งในการกำจัดสิ่งปนเปื้อนในอากาศ แต่สิ่งเหล่านี้เพียงแค่ถ่ายโอนสารปนเปื้อนในอากาศไปเป็นคาร์บอนและไม่ทำลายสิ่งปนเปื้อน สารดูดซับอิ่มตัวจึงต้องมีการแลกเปลี่ยนหรือสร้างใหม่เป็นระยะ ยิ่งไปกว่านั้นประสิทธิภาพของการดูดซับถ่านกัมมันต์จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นและการดูดซับสิ่งมีชีวิตชนิดที่สองลงในเตียงคาร์บอนอาจนำไปสู่การส่งไปทับซ้อนหรือสะสมบนสายพันธุ์แรก

แล้วเทคโนโลยีอะไรที่สามารถกำจัดอนุภาคที่เล็กกว่า 0.3 ไมโครเมตร ได้

Catalytic Oxidation และ Photocatalysis นั่นเอง

โฟโตคาทาไลซิส Photocatalysis

โฟโตคาทาไลซิส ถูกนำไปใช้กับการบำบัดน้ำเสียเป็นครั้งแรก อย่างไรก็ตามงานวิจัยเกี่ยวกับโฟโตคาทาไลซิสได้ดำเนินการมากมายในการใช้งานใหม่ ๆ สิ่งเหล่านี้รวมถึงพื้นผิวที่ทำความสะอาดตัวเอง สารป้องกันหมอก สารป้องกันแสงสะท้อน สารที่ละลายน้ำได้ยากหรือไอออนที่รวมตัวน้ำ การเปลี่ยนน้ำเป็นก๊าซไฮโดรเจน การเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารไฮโดรคาร์บอน และการฟอกอากาศ 

งานวิจัยล่าสุดแสดงให้เห็นว่าโฟโตคาทาไลซิสเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการยอมรับในการฟอกอากาศ เทคโนโลยีนี้สามารถมีส่วนสำคัญในการลดการใช้พลังงานในอาคารและลดระดับสารปนเปื้อนในอากาศภายในอาคาร  นอกจากนี้ยังสามารถออกซิไดซ์สารปนเปื้อนอินทรีย์ที่มีความเข้มข้นต่ำได้อย่างสมบูรณ์ซึ่งรวมถึง VOCs และจุลินทรีย์ให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นพิษเป็นภัย

 เมื่อเปรียบเทียบกับปฏิกิริยาโฟโตคาตาลิติกที่เกิดในน้ำ กับปฏิกิริยาโฟโตคาตาลิติกที่เกิดในสถานะก๊าซ ปฏิกิริยาที่เกิดในสถานะก๊าซมีข้อดีมากกว่าเช่นแสงยูวีในระดับที่ค่อนข้างต่ำโฟตอนที่ดูดซับโดยอากาศเพียงเล็กน้อยและสารกำจัดอิเล็กตรอนที่เพียงพอ (O2) ดังนั้นการใช้โฟโตคะตะไลซิสเพื่อฟอกอากาศจึงได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก

หลักการ Photocatalysis

สำหรับการฟอกอากาศการโฟโตคะตะไลซิสจะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเซมิคอนดักเตอร์เช่น ไททาเนียมอ๊อกไซต์ TiO2 หรือ ZnO เพื่อดำเนินกระบวนการออกซิเดชั่นที่เกิดจากแสงเพื่อสลายสารปนเปื้อนอินทรีย์และยับยั้งแบคทีเรียและไวรัส

ปฏิกิริยาโฟโตคาตาลิติกโดยรวมอาจเป็น

พลังงานช่องว่างวง band gap energy ของสารกึ่งตัวนำโฟโตคาทาลิสต์มีบทบาทสำคัญในกระบวนการโฟโตคะตะไลติก พลังงานช่องว่างของวง band gap energy คือความแตกต่างของพลังงานระหว่างแถบการนำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์ valence band ในสารกึ่งตัวนำ

เมื่อพลังงานแสงของโฟตอนที่มีพลังงานมากกว่าพลังงาน band-gap ของโฟโตคาทาลิสต์ ถูกดูดซับโดยโฟโตคาทาลิสต์ (ค่าพลังานมีค่า 3.2eV สำหรับ TiO2) อิเล็กตรอนของวงเวเลนซ์ (VB) จะถูกกระตุ้นไปที่แถบการนำไฟฟ้า Conduction Band(CB) เพื่ออำนวยความสะดวกของการเกิดปฏิกิริยากับแสง(โฟตอน)ได้จำนวนมาก พื้นผิวโฟโตคะตะไลติกที่มีพลังงานโฟตอนเพียงพอ นำไปสู่การก่อตัวของหลุมบวก positive hole (h +) ในแถบวาเลนซ์และอิเล็กตรอน (e−) ในแถบการนำไฟฟ้า (CB) หลุมบวกสามารถออกซิไดซ์สารปนเปื้อนอินทรีย์โดยตรงหรือสร้างอนุมูลไฮดรอกซิลที่มีปฏิกิริยามาก (OH •) อนุมูลไฮดรอกซิล (OH •) ทำหน้าที่เป็นสารออกซิแดนท์หลักในระบบโฟโตคะตะไลติก  ซึ่งสามารถออกซิไดซ์สาร อิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้า (CB) อาจรวมตัวอีกครั้งกับหลุม (h+)ในแถบวาเลนซ์ (VB) และผลิตความร้อนหรือลดออกซิเจนที่ดูดซับบนโฟโตคาทาลิสต์และสร้างอนุมูลซูเปอร์ออกไซด์ (O2 * ¯)

อนุมูลซูเปอร์ออกไซด์ superoxide radical (O2 * ¯) สามารถถูกเพิ่มโปรตอนต่อไปเพื่อสร้าง hydroperoxyl radical(HOO•) และนำไปสู่การเกิดออกซิเดชันของสารอินทรีย์

สารปนเปื้อนอินทรีย์จะถูกย่อยสลายไปยังสารตัวกลาง(intermediate ซึงหมายถึงสารที่ไม่เสถียร ที่เกิดขึ้นเพียงชั่วขณะหนึ่งในระหว่างปฏิกิริยา)ก่อนและถูกทำให้เป็นแร่ธาตุเป็น CO2 และ H2O ในที่สุด