Fotocatalisi per il disinquinamento dell’aria

Le tecnologie che sfruttano la fotocatalisi si basano sull’attivazione di reazioni chimiche con la luce per mezzo di fotocatalizzatori, con diverse potenziali applicazioni tra cui il disinquinamento attivo e passivo dell’aria e dell’acqua. Prima di un’applicazione su larga scala è però necessario ottimizzare l’efficienza dei fotocatalizzatori e approfondire gli studi su eventuali effetti indesiderati, tra cui il rilascio di inquinanti parzialmente degradati.

Descrizione

Le tecnologie che sfruttano la fotocatalisi si basano sull’attivazione (catalisi) di reazioni chimiche per mezzo della luce. Sono state oggetto negli ultimi anni di intense attività di ricerca in quanto una loro applicazione su larga scala consentirebbe l’implementazione di processi e sistemi sostenibili per il disinquinamento di aria e acqua e per la produzione a basso impatto ambientale di composti chimici.

I sistemi fotocatalitici più promettenti dal punto di vista delle potenziali applicazioni sono quelli in fase eterogenea, dove un fotocatalizzatore solido (tipicamente in forma di nanocristalli adesi ad un supporto meccanico) agisce su una fase liquida o gassosa. Il funzionamento di un fotocatalizzatore a semiconduttore è per certi versi analogo a quello di un pannello solare fotovoltaico, con la differenza che l’energia catturata è utilizzata per promuovere reazioni chimiche invece di produrre corrente elettrica. L’azione fotocatalitica ha inizio con l’assorbimento di un quanto di luce da parte del fotocatalizzatore che causa la promozione di un elettrone da una banda di valenza ad una di conduzione, con la formazione di un elettrone libero e di una lacuna elettronica. Questi possono migrare fino alla superficie del fotocatalizzatore e diventare disponibili per reazioni chimiche di riduzione e di ossidazione. La reazione avviene alla superficie del catalizzatore per interazione con una molecola trasportata dalla fase liquida o gassosa in cui è immerso.

Il fotocatalizzatore attualmente più studiato è il diossido di titanio (TiO₂), già da tempo largamente  utilizzato come pigmento nell’industria delle vernici e nell’industria cosmetica. Può essere prodotto in forme molto attive ed ha una notevole resistenza chimica. Il diossido di titanio è però sensibile esclusivamente alla radiazione ultravioletta, essendo sostanzialmente inattivo se illuminato con radiazione visibile. La sintesi di nuovi catalizzatori sensibili anche nel visibile, basati su ossido di titanio modificato o su altri semiconduttori, è pertanto un attivo campo di ricerca. 

Le tecnologie fotocatalitiche sono molto interessanti dal punto di vista ambientale e della sostenibilità perché permettono potenzialmente di sviluppare sistemi attivi o passivi di disinquinamento di aria e acqua e processi industriali di trasformazione di prodotti chimici, anche di recupero, con tecniche a basso impatto ambientale e, in prospettiva, anche con l’utilizzo diretto dell’energia solare. 

Prima di un’applicazione su larga scala di queste tecnologie è però necessaria una notevole attività di ricerca e sviluppo per per ottimizzare le caratteristiche dei fotocatalizzatori, in particolare per quanto riguarda l’efficienza e l’utilizzo della luce visibile in luogo degli ultravioletti. Su questi fronti di ricerca i laboratori ITC-CNR sono da tempo attivi in particolare sul fronte della misura dell’attività in condizioni ambientali (e quindi vicine alle applicazioni di disinquinamento) con strumentazione allo stato dell’arte per la misura dell’attività in fase gas/solido e liquido/solido. Un ulteriore fronte di ricerca molto importante è relativo alla sicurezza, in particolare per ciò che concerne il potenziale rilascio di sostanze dannose (vedi sotto).

Campo di applicazione

Le tecnologie fotocatalitiche per la degradazione ossidativa controllata di sostanze chimiche hanno potenzialmente diversi campi applicativi, tra cui il controllo e la limitazione delle sostanze inquinanti di aria e acqua e la realizzazione di processi chimici ad elevata sostenibilità.

Nell’ambito delle applicazioni dirette per gli ambienti costruiti la mitigazione dell’inquinamento dell’aria indoor appare senz’altro una possibilità interessante, sia con strategie passive (ad esempio rivestendo ampie superfici come pareti e soffitti con finiture fotocatalitiche) che con approcci attivi (ad esempio implementando moduli di trattamento fotocatalitici in impianti di condizionamento).

I vantaggi potenziali di un sistema attivo di disinquinamento dell’aria sono il migliore controllo, la possibilità di unire diverse tecnologie in cascata (ad esempio un modulo di disinquinamento fotocatalitico seguito da un modulo di filtraggio di eventuali residui) e, nel caso di sistemi fotocatalitici, la possibilità di utilizzare sorgenti di luce specifiche e confinate (ad esempio nella banda UV). Tra gli svantaggi vi sono ovviamente complessità, costo e consumi energetici. 

Allo stato attuale di sviluppo le tecnologie fotocatalitiche hanno però diversi inconvenienti che ne rendono problematica la diffusione, tra cui il basso rendimento, la diffusa necessità di radiazioni UV e la possibilità di rilascio di composti di reazione parziale potenzialmente nocivi.

Prestazioni

I sistemi di disinquinamento fotocatalitico dell’aria sono attualmente in fase di studio, con alcune applicazioni pionieristiche sperimentali.

Per poter essere utilizzati praticamente su larga scala devono dimostrare di operare in sicurezza, cioé senza rilasciare sostanze dannose nell’ambiente stesso (ad esempio particelle di fotocatalizzatore o composti intermedi di degradazione che possano essere nocivi).

Un’altra condizione necessaria è lo sviluppo di sistemi catalitici più efficienti, in particolare per quanto concerne la sensibilità alla luce visibile. Il fotocatalizzatore più comunemente studiato, il diossido di titanio, è infatti attivo solo se illuminato con radiazione ultravioletta, non disponibile in quantità sufficienti negli ambienti indoor (richiedendo pertanto l’uso di sorgenti artificiali specifiche). La disponibilità di fotocatalizzatori economici e affidabili attivi nella banda visibile renderebbe possibile l’ottenimento di efficienze decisamente più elevate di quelle ottenibili con la sola radiazione UV e inoltre permetterebbe l’uso della luce indoor o di sorgenti artificiali più economiche ed efficienti, nonchè della luce solare diretta ove possibile.

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