Fotokatalytische afbraak van VOC’s: Een stap naar schonere lucht

VOC’s: De onzichtbare vervuilers 

Een belangrijke groep van luchtvervuilers bestaat uit vluchtige organische stoffen, ofwel VOC’s. Deze chemische stoffen komen vrij uit dagelijkse producten zoals verf, schoonmaakmiddelen, textiel en bouwmaterialen, maar ook door roken of verbrandingsprocessen. Blootstelling aan VOC’s kan klachten veroorzaken zoals hoofdpijn, vermoeidheid en misselijkheid, en op de lange termijn kan het zelfs tot ernstige aandoeningen leiden, zoals ademhalingsproblemen en hart- en vaatziekten. Bepaalde VOC’s, zoals benzeen en formaldehyde, zijn bovendien kankerverwekkend. 

In mijn onderzoek richtte ik me op het bestrijden van deze VOC’s met behulp van een proces genaamd fotokatalyse. Deze methode biedt een duurzame en efficiënte manier om VOC’s af te breken, zonder de nadelen van traditionele chemische en fysische methoden voor luchtzuivering. Daarbovenop toont het onderzoek de mogelijkheid om aan fotokatalytische luchtzuivering te doen aan de hand van groene, milieuvriendelijke materialen van hernieuwbare oorsprong. 

Hoe werkt fotokatalyse?

Figuur 1: Schets van het mechanisme van fotokatalyse, voor het geval van TiO₂ blootgesteld aan UV-licht. © Joost de Vree

Fotokatalyse maakt gebruik van licht om een katalysator te activeren die schadelijke verbindingen kan afbreken. Voor dit project werd er titaandioxide (TiO₂) als fotokatalysator gebruikt. Wanneer TiO₂ wordt blootgesteld aan UV-licht, gebeurt er een chemische reactie waarbij zeer reactieve zuurstofhoudende componenten (radicalen) worden gevormd. Deze componenten vallen de VOC’s aan die zich op het oppervlak van de katalysator bevinden en breken ze af tot veel minder schadelijke stoffen zoals water en koolstofdioxide. Het proces is geïllustreerd in figuur 1. 

Als lichtbron gebruikte ik UV-LED’s, die de juiste golflengte bieden om de TiO₂-katalysator te activeren. Deze LED’s zijn niet alleen energie-efficiënt, maar ook goedkoop en eenvoudig beschikbaar, waardoor ze een praktische keuze vormen voor deze toepassing. 

Ontwikkeling van groene fotokatalytische membranen 

Figuur 2: Scanning electron microscopy (SEM) afbeelding van de poreuze membraanstructuur, 10000 maal uitvergroot (TiO₂ in PLA membraan, geproduceerd met het oplosmiddel Cyrene™). TiO₂-nanodeeltjes zijn verspreid in deze structuur. © Brent Van Neste

Een belangrijk onderdeel van mijn onderzoek was het ontwikkelen van fotokatalytische membranen die zowel efficiënt als milieuvriendelijk zijn. Het doel van deze membranen is om de fotokatalysator vast te houden, zodat deze vele keren kan hergebruikt worden, maar ook om de katalysator op een dergelijke manier te verspreiden dat zoveel mogelijk van de gebruikte katalysator kan belicht worden ter activatie. Een poreuze membraanstructuur, zoals getoond wordt in figuur 2, is ideaal hiervoor.  

Traditionele fotokatalytische membranen maken vaak gebruik van schadelijke materialen, zoals PFAS-gerelateerde polymeren en giftige oplosmiddelen. In plaats daarvan onderzocht ik milieuvriendelijke alternatieven die biologisch afbreekbaar en hernieuwbaar zijn, en ontwikkelde membranen van biologisch afbreekbare polymeren zoals polymelkzuur (PLA) en polycaprolacton (PCL). 

Met behulp van de non-solvent-geïnduceerde faseseparatiemethode (NIPS) verwerkte ik TiO₂ in deze polymeermembranen. Bij NIPS wordt een polymeeroplossing in een waterbad geplaatst, waardoor een poreuze structuur ontstaat. Wanneer dit membraan weer droog is kunnen VOC’s door het membraan dringen en in contact komen met de TiO₂-deeltjes. Deze structuur is ideaal om contact tussen de VOC’s en de katalysator te bevorderen, wat de fotokatalytische efficiëntie verhoogt.

Testen en analyseren van de membranen 

Tijdens mijn experimenten evalueerde ik de fotokatalytische prestaties van deze groene membranen door hun vermogen om ethanol af te breken—een veelvoorkomende VOC binnenshuis. Hoewel ethanol hier als modelvoorbeeld gebruikt werd, is fotokatalyse ook geschikt om ontelbaar veel andere VOC’s af te breken.  

Figuur 3: Schematische illustratie van de fotokatalyseopstelling gebruikt voor de afbraak van ethanol. © Brent Van Neste

Ik gebruikte een op maat gemaakte, luchtdichte opstelling, uitgerust met UV-LED’s en een massaspectrometer, om de afbraakproducten te identificeren en monitoren. Een schematische illustratie van de opstelling is te zien in figuur 3. Deze opstelling maakte het mogelijk om de afbraak van VOC’s nauwkeurig te meten en gaf een gedetailleerd beeld van de structurele en functionele eigenschappen van de membranen, zoals de tijd vereist om een bepaalde concentratie aan ethanol in de lucht af te breken.  

De membranen werden ook gekarakteriseerd op vlak van, onder andere, hun poreuze structuur (zie figuur 2), hun resistentie tegen hoge temperaturen en de hoeveelheid ethanol die ze op zich kunnen laten adsorberen. Daarnaast onderzocht ik de herbruikbaarheid van de membranen, aangezien duurzame oplossingen het meeste effect hebben wanneer ze efficiënt hergebruikt kunnen worden. De combinatie van PLA of PCL met groene oplosmiddelen zoals Cyrene™ en dimethylcarbonaat (DMC) in het fabricageproces bleek effectief. Deze oplosmiddelen zijn hernieuwbaar en niet giftig, wat ze ideaal maakt voor het maken van veilige, duurzame membranen. In figuur 4 wordt de afname van de ethanoldruk als functie van de UV-belichtingstijd getoond. Dit bevestigt dat ethanol (hier een concentratie van 6886 parts per million) via hernieuwbare, biodegradeerbare fotokatalysemembranen al kan afgebroken worden in 6 tot 7 minuten aan UV-belichting.  

Figuur 4: Ethanoldruk in de opstelling als functie van de UV-belichtingstijd. De initiele 6886 parts per million concentratie aan ethanol wordt binnen 6 tot 7 minuten reeds volledig afgebroken. © Brent Van Neste

Conclusie: Op weg naar een gezondere, duurzamere toekomst

Dit onderzoek benadrukt het potentieel van fotokatalytische technologie als een duurzame oplossing voor het verbeteren van de luchtkwaliteit, met name deze in huis of op de werkvloer. Door de ontwikkeling en het testen van deze biologisch afbreekbare membranen draagt mijn onderzoek zijn steentje bij tot de groeiende behoefte om schadelijke VOC’s te verminderen en een veilige binnenomgeving te creëren. De resultaten tonen aan dat met de juiste materialen en opstelling fotokatalyse effectief schadelijke VOC’s kan afbreken, zonder de ecologische nadelen van traditionele methoden. 

In een bredere context sluit dit onderzoek aan bij wereldwijde inspanningen om duurzame praktijken en groene chemie te bevorderen. Naarmate de vraag naar milieuvriendelijke en gezondheidsgerichte oplossingen groeit, tonen hernieuwbare materialen zoals PLA en groene oplosmiddelen veelbelovend potentieel, niet alleen voor luchtzuivering, maar ook voor toepassingen in andere milieuvriendelijke innovaties. 

Dit onderzoek maakt een deel uit van een paper door Milani et al., gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Sustainable Systems in september 2024. Het wetenschappelijk artikel met titel “Assessing the Stability and Photocatalytic Efficiency of a Biodegradable PLA-TiO2 Membrane for Air Purification” is te vinden via https://doi.org/10.1002/adsu.202400594.