FOTOCATALISI


La fotocatalisi, tra i vari processi di ossidazione avanzata è quello che ha trovato più largo impiego, si tratta di una reazione chimica che imita la fotosintesi clorofilliana degli alberi nell’assorbire e trasformare le sostanze inquinanti in elementi non nocivi.

Se proviamo a scendere nel dettaglio di questa rivoluzionaria scoperta troviamo che il suo funzionamento ricalca proprio quanto di più semplice esista in natura. La fotocatalisi infatti imita, come dicevamo, la ben nota fotosintesi clorofilliana nel trasformare le sostanze ritenute dannose per l’uomo. Il processo chimico che sta alla sua base è infatti una ossidazione che si avvia grazie all'azione combinata della luce (solare o artificiale) e dell’aria.

La fotocatalisi viene sempre più usata come metodo per ripulire l’aria e le acque e i motivi per i quali questo processo sta prendendo sempre più piede sono i seguenti:

  • degrada in maniera significativa gli inquinanti recalcitranti presenti nell’aria e nelle acque
  • l’inquinante viene mineralizzato a CO2 e H2O e non trasferito in un’altra fase
  • è economico e non richiede rigenerazione
  • non è selettivo, può eliminare più inquinanti di diversa natura
  • sfrutta luce UV e acqua (nel caso dell’aria l’umidità)

Come funziona

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
    È ovvio che se in una reazione chimica un elemento si ossida perdendo elettroni dovrà esistere un altro elemento che si riduce, acquistando elettroni.
    Pertanto le reazioni di ossidazione e riduzione devono avvenire contemporaneamente. Si parla perciò di ossidoriduzione o reazione Redox. Si definisce la specie che si ossida riducente nei confronti dell’altra specie e invece si dice ossidante la specie chimica che si riduce.
  • 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.
  • 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. Il fotocatalizzatore fa diminuire l’energia di attivazione di una determinata reazione e così facendo accelera la velocità di quella stessa reazione. Le sostanze in grado di eseguire tali processi sono i semiconduttori.

Ciò è quanto avviene nella fotocatalisi. Se non ci fossero sostanze cataliticamente attive, l’ossidazione della maggior parte degli idrocarburi procederebbe piuttosto lentamente.

Diversi studi da tempo hanno portato alla realizzazione di materiali in grado di “mangiare” gli inquinanti atmosferici organici e inorganici, sfruttando proprio il processo della fotocatalisi. I migliori catalizzatori usati nella fotocatalisi per ossidare sostanze nocive fino a completa mineralizzazione sono, come dicevamo, i semiconduttori solidi. Tra i semiconduttori il biossido di Titanio (TiO2) è uno dei materiali fotocatalizzatori più usato per la preparazione di svariati prodotti.

In un sistema fotocatalitico eterogeneo le particelle del semiconduttore (fotocatalizzatore), in stretto contatto con un mezzo della reazione liquida o gassosa, vengono eccitate dalla luce solare e quest’eccitazione promuove una serie di reazioni a catena come le reazioni Redox e le trasformazioni molecolari.

I semiconduttori (ossidi di metallo o solfuri come ZnO, TiO2 e ZnS) hanno una struttura elettronica particolare, caratterizzata da una banda di valenza completa (VB) e una banda di conduzione vuota (CB).

È proprio grazie a questa loro struttura che riescono a comportarsi da sensibilizzatori per processi Redox foto‐indotti. La differenza di energia che c’è tra il livello di energia più basso della banda di valenza ed il livello di energia più alto della banda di conduzione è detto “Energy gap” (Eg). Questa differenza di energia (Eg) non è altro che la minima energia di luce richiesta per poter rendere un materiale un buon conduttore. Se un semiconduttore come il TiO2 viene irradiato con fotoni di energia maggiore alla sua Eg, un elettrone della sua banda di valenza è in grado di superare il gap energetico e vien così promosso alla banda di conduzione
TiO2 + hv > h+ + e‐

Le vacanze degli ossidi dei metalli semiconduttori hanno la caratteristica di avere un forte potere ossidante e di poter così ossidare un donatore che perde un elettrone.

Gli elettroni che invece sono promossi alla banda di conduzione possono ridurre le molecole dell’accettore di elettrone grazie al loro forte potere riducente. In questo modo le vacanze h+ possono reagire con l’acqua assorbita sulla loro superficie formando un radicale ossidrile altamente reattivo (•OH). Le vacanze ed i radicali ossidrili sono entrambi fortemente ossidanti e come tali possono essere usati per ossidare la maggior parte dei contaminanti organici
H2O+h+ > •OH+H+

L’ossigeno dell’aria, invece, agisce come accettore di elettroni reagendo con gli elettroni della banda di conduzione e formando così lo ione super‐ossido
O2+e‐ > • O2‐

Gli ioni super‐ossido sono delle particelle fortemente reattive in grado di ossidare materiali organici

Nel TiO2 gli elettroni e le vacanze non si ricombinano immediatamente, ma originano reazioni di fotocatalisi a catena. Infatti, contrariamente ai metalli, i semiconduttori mancano di un continuo di stati energetici interbande per assistere la ricombinazione delle coppie elettronbuca. Proprio ciò assicura allo stato eccitato un tempo di vita sufficientemente lungo per permettere all’elettrone foto‐eccitato (e‐) ed alla buca(h+) di interagire con le specie chimiche assorbite sulla superficie del semiconduttore. Alla fine i materiali organici si decompongono in anidride carbonica ed acqua analogamente a quanto avviene nella fotosintesi dove l’anidride carbonica e l’acqua, grazie all’energia solare, vengono convertite in glucosio e ossigeno. In conclusione la fotocatalisi è quindi un metodo catalitico applicato a reazioni fotochimiche, condotto mediante l'ausilio di un catalizzatore il quale esplica la sua azione quando irradiato con una radiazione di opportuna lunghezza d'onda.

Per cui nella fotocatalisi eterogenea è necessario:
semiconduttore/H2O/radiazioni UV

Grazie al processo fotocatalitico avviene la decomposizione delle sostanze organiche ed inorganiche (assimilabili a tutte le polveri sottili – PM10), dei microbi, degli ossidi di azoto, degli aromatici policondensati, del benzene, dell’anidride solforosa, del monossido di carbonio, della formaldeide, dell’acetaldeide, del metanolo, dell’etanolo, del benzene, dell’etilbenzene, del mexilene, del monossido e del biossido di azoto. Poiché in natura nulla si crea e nulla si distrugge, anche la reazione fotocatalitica presenta dei residui che derivano dalla sua azione ossidante. Generalmente i composti che derivano dalla trasformazione degli inquinanti sono: Sali minerali e calcare, prodotti in quantità minima (parti per miliardo) invisibili e innocui.

Le sostanze inquinanti e tossiche infatti vengono trasformate, attraverso il processo di fotocatalisi, in nitrati di sodio (NaNO3), carbonati di sodio (Ca(NO3))2 e calcare (CaCo3), innocui e misurabili in ppb (parti per miliardo). Possiamo quindi dedurre che i residui della fotocatalisi possono essere ritenuti assolutamente trascurabili. Il risultato è una sensibile riduzione degli inquinanti tossici prodotti dalle automobili, dalle fabbriche, dal riscaldamento domestico e da altre fonti.

Confronto tra fotocatalizzatori

Tra i fotocatalizzatori quello che ha trovato maggiormente impiego finora è il Biossido di titanio – TiO2:

  • è una polvere cristallina di colore bianco
  • particolarmente efficace se irradiato da raggi UV
  • economico
  • molto efficiente nei processi fotocatalitici
  • viene utilizzato come colorante (E171) per diversi prodotti (es. prodotti alimentari, dentifrici, vernici), è disponibile pertanto in grande quantità.

Il biossido di titanio può esistere in forma amorfa oppure in tre diverse forme cristalline.

  • rutilo, a forma tetragonale. È la forma più utilizzata industrialmente. Può presentare un colore nero (varietà nigrina), bruno rossastro nei cristalli più grandi oppure giallo nei cristalli più sottili.
  • brookite a simmetria rombica bipiramidale. In natura è presente sotto forma di piccoli cristalli tubolari molto appiattiti di colore variabile dal roseo al bruno.
  • anatasio a forma tetragonale distorta. È il polimorfo più stabile a bassi valori di pressione e temperatura. È la forma fotocataliticamente più attiva. L’anatasio si trova sotto forma di piccoli cristalli isolati aventi una colorazione che va dal blu al giallo. (Sono tutte strutture ottaedriche (TiO6) dove il Ti ha numero coordinazione sei).

Esistono diversi materiali che presentano proprietà fotocatalitiche (TiO2, ZnO, SnO2, CdS, ecc.), tuttavia non tutti sono abbastanza efficienti e stabili nel tempo per essere impiegati a tale scopo. Questo perché la capacità di trasferimento di carica di un semiconduttore è governata dalla posizione delle sue bande e dai potenziali di ossido‐riduzione.

Il potenziale di ossido‐riduzione è una misura della tendenza di una specie chimica ad acquisire elettroni, cioè a essere ridotta. Tra due specie che interagiscono tra loro:

  • si ossida la specie a potenziale E più basso (cede elettroni)
  • si riduce la specie a potenziale E più elevato (acquista elettroni)

Il potenziale red‐ox della buca nella banda di valenza deve essere sufficientemente positivo da permettere la funzione di accettore.

Il potenziale red‐ox dell‘e‐ nella banda di conduzione deve essere sufficientemente negativo da permettere la funzione di donatore.

Altri fotocatalizzatori (come ad es. GaP, GaAs, CdSe, CdS o Fe2O3) risultano essere meno stabili all’aria e si degradano più facilmente:

  • ZnO, pur possedendo un’ampiezza di band gap che ben si presta a favorire processi di degradazione fotocatalitica di composti organici in soluzione acquosa, forma uno strato passivante di Zn(OH)2 sulla sua superficie, che ne compromette seriamente le caratteristiche.
  • SnO2 invece ha un band gap troppo elevato

Il biossido di titanio è senza dubbio il fotocatalizzatore che, per innumerevoli motivi, trova più impiego dal punto di vista commerciale ma un suo limite è il fatto che si attiva solo sotto l’illuminazione dei raggi UV e questo è un problema in caso di una bassa percentuale di energia solare. È proprio per superare questo limite che la nostra azienda ha usato un catalizzatore sensibile anche alla luce visibile.

Vantaggi della fotocatalisi

Ora che abbiamo ben chiaro il funzionamento della fotocatalisi possiamo elencare i suoi vantaggi.

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.

Oggi vi è una serie lunghissima di prodotti che utilizzano il concetto della fotocatalisi per migliorare l’ambiente in cui viviamo, e nel contempo essere compatibili con le necessità e lo stile del mondo moderno. Il processo fotocatalitico trova impiego in diverse applicazioni ingegneristiche, per questo motivo molte aziende del settore edilizio e di trattamento aria/acque stanno investendo in questa tecnologia green.

Senza dubbio il processo fotocatalitico, nei prossimi anni, rivestirà sempre più un ruolo determinante nei processi depurativi ecosostenibili.

Sono molti i prodotti che potrebbero potenzialmente essere inseriti nell’uso quotidiano e che darebbero notevoli vantaggi al miglioramento dell’aria che respiriamo (es. Piastrelle con superficie fotocatalitici; cementi e vernici fotocatalitici; impianti depurazione acque).

È proprio in quest’ottica di sfruttare un processo semplice e naturale, come la fotocatalisi, ma allo stesso tempo efficace e largamente consolidato, che nasce l’ultima invenzione della nostra azienda: PAL (Purification Air Lamp).

PAL è una lampada a led che sfrutta il processo della fotocatalisi per sanificare gli ambienti interni, parliamo quindi di un prodotto efficace per l’inquinamento indoor.

 

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