O katalizatorach niektórzy słyszeli w szkole na lekcjach chemii. Potem pojawiły się katalizatory w samochodach. Pojęcie stało się powszechnie znane. Również działanie katalizatora samochodowego nie jest nam obce. W uproszczeniu – jest po to, żeby powietrze było czyste. Wśród naszych produktów właściwości fotokatalityczne posiada produkowana przez PIGMENT farba do wnętrz Titanium IN.

Ale czym tak naprawdę jest fotokataliza? Co to są fotokatalizatory? 

Na te pytania odpowiedział prof. dr hab. inż. Antoni Morawski z Katedry Technologii Chemicznej Nieorganicznej i Inżynierii Środowiska z Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.

– Zgodnie z definicją – fotokataliza to zmiana szybkości reakcji chemicznej lub jej zapoczątkowanie pod działaniem promieniowania ultrafioletowego i/lub widzialnego w obecności substancji (fotokatalizatora), który pochłania promieniowanie i umożliwia przebieg utleniająco-redukcyjnej reakcji chemicznej na powierzchni, np. między tlenem z powietrza a zaadsorbowanymi zanieczyszczeniami, którymi mogą być też  chorobotwórcze mikroorganizmy. Wygenerowane na powierzchni fotokatalizatora rodniki hydroksylowe posiadają wyższy potencjał utleniający niż ozon, co jest ważne w przypadku dezynfekcji.

Czy to jest nowe odkrycie? Może jeszcze nie zostało wystarczająco sprawdzone?

– Zdolność dwutlenku tytanu (TiO2) do działania jako fotokatalizatora jest znana od kilkudziesięciu lat (dokładniej 1921). Ale ta cecha przez wiele lat nie była zbyt doceniana. Zainteresowanie wykorzystaniem właściwości fotokatalitycznych TiO2 pojawiło się ponownie, gdy została opublikowana praca o fotoelektrolizie wody przez Fujishima i Honda w 1972 r. Aktywność ta została wkrótce wykorzystana zarówno do utleniania zanieczyszczeń, oczyszczania ścieków, oczyszczania wody pitnej, uzdatniania wody do przemysłowego mycia warzyw. Do dezynfekcji powietrza zastosowano filtry powlekane dwutlenkiem tytanu. Wiele późniejszych badań wykazało przydatność fotokatalizy do dezynfekcji wody, obejmującej niszczenie bakterii. Odkryto potencjalne możliwości niszczenia komórek rakowych. Natomiast nowością stało się wykorzystanie zalet TiO2 w powłokach malarskich.

A co z wirusami? Teraz jest to taki aktualny temat.

– W ostatnim czasie publikacji na ten temat pojawia się dużo. Przykładowo, w swojej pracy Photocatalytic inactivation of influenza virus by titanium dioxide thin film, Japończycy wykazali dezaktywację wirusa grypy poprzez fotokatalizę przy użyciu nanocząstek TiO₂ (R. Nakano, H. Ishiguro, Y. Yao, J. Kajioka, A. Fujishima, K. Sunada, M. Minoshima, K. Hashimoto, Y. Kubota – „Photochemical and Photocatalytical Science”, 2012).

Podobnie w pracy Extermination of influenza virus H1N1 by a new visible-light-induced photocatalyst under fluorescent light (Sei-Young Choi Bongrae Cho – „Virus Research”, 2018), potwierdzono, że fotokatalizator oparty na TiO₂ z dodatkiem metali przejściowych (żelaza, magnezu i manganu) wykazał działanie przeciwwirusowe wobec wirusa grypy H1N1. W czasie testów wirus został wyeliminowany w ponad 99% w ciągu 30 minut. Jak stwierdzono – „pożądane byłoby użycie tego fotokatalizatora do dezynfekcji w celu zmniejszenia przenoszenia wirusa przez kropelki i aerozole, a także przez kontakt powierzchniowy”. E.A.Kozlov i inni w publikacji Inactivation and Mineralization of Aerosol Deposited Model Pathogenic Microorganisms over TiO₂ and Pt/TiO₂ (Environmental Science and Technology, 2010, 44, 512-51-26) udowodnili, że na czystym TiO₂ po 30 minutach naświetlania promieniowaniem UVA uzyskuje się 90%  inaktywację wirusa grypy A (H3N2), a na TiO₂ modyfikowanym platyną – 99.8% inaktywację tego wirusa.

Rozległe badania w innej pracy przeprowadzili również R. Nakano, M. Hara, H. Ishiguro, Y. Yao, T. Ochiai, K. Nakata, T. Murakami, J. Kajioka, K. Sunada, K. Hashimoto, A. Fujishima, Y. Kubota (Broad Spectrum Microbicidal Activity of Photocatalysis by TiO₂ – Catalysts, 2013). M.in. badali bakterie Gram-dodatnie, np. Staphylococcus aureus oporny na metycylinę, Enterococcus faecalis oporny na wankomycynę i Streptococcus pneumoniae oporny na penicylinę, które były łatwo dezaktywowane przez fotokatalizę, podczas gdy niektóre bakterie Gram-ujemne, np. Escherichia coli i Pseudomonas aeruginosa oporne na wiele leków ulegały tej dezaktywacji stopniowo. Wirus grypy (wirus w otoczce), kaliciwirus kotów (wirus bezotoczkowy), również w czasie testów uległy dezaktywacji.

Powyższe badania (i wiele innych) jednoznacznie potwierdzają, że fotokatalizatory są skutecznym sposobem przeciw wielu szkodliwym patogenom i na świecie trwają intensywne prace w tym kierunku.

Wspomniał Pan, że pomalowane ściany mogą pomóc w ochronie zdrowia? Czy to nie pomyłka?

– Zanieczyszczone mikroorganizmami powierzchnie stanowią zagrożenie dla przebywających wśród nich ludzi. Roztocza, bakterie, wirusy i pleśnie gromadzą się na ścianach i w wyposażeniu pomieszczeń. Skutkiem tego są astmy, uczulenia, infekcje. Dotyczy to zarówno pomieszczeń mieszkalnych, jak również pomieszczeń służby zdrowia. Bogactwo informacji dostępne w literaturze wskazuje na skuteczność fotokatalitycznego TiO₂ w dezaktywacji różnych mikroorganizmów, w tym bakterii, wirusów, grzybów i drożdży.

Choroby zakaźne wywołane przez bakterie oporne na środki przeciwdrobnoustrojowe stają się jednym z głównych problemów podczas stosowania antybiotyków na całym świecie. Przetrwanie tych drobnoustrojów na powierzchniach i urządzeniach medycznych prowadzi do przenoszenia chorób szpitalnych. Uważa się, że patogeny szpitalne przyczyniają się do wielu zgonów.

Na całym świecie prowadzi się prace nad wieloma zaawansowanymi technologiami w celu zmniejszenia obciążenia mikrobiologicznego w środowisku szpitalnym. Nowe strategie zapobiegania zakażeniom związanym z tym stale ewoluują, to m.in. procedury higieniczne z użyciem nowych ciekłych biocydów lub technologii bezdotykowych, pokrywanie powierzchni dezynfekujących metalami (miedź, srebro) lub aktywowanymi światłem katalizatorami, takimi jak nano-cząstki TiO₂.

Wyzwania związane z zakażeniami w służbie zdrowia i wzrostem rozprzestrzeniania się bakterii opornych na środki przeciwdrobnoustrojowe, angażują naukowców w badania tej dziedziny nanotechnologii i fotokatalizy, jako nowego źródła poprawy higieny szpitalnej.

Stwierdzono również, że materiały, które są obojętne w swojej podstawowej formie, są reaktywne gdy występują  w postaci nano-cząstek, a przypadku ditlenku tytanu aktywność jest wyższa w promieniowaniu UV i widzialnym.  Oczekuje się, że fotokatalizatory będą powszechnie stosowane przeciw wielu szkodliwym patogenom.

Wykorzystanie doskonałego efektu fotokatalitycznego TiO₂ z generowaniem na powierzchni silnego utleniacza w postaci rodnika hydroksylowego jest technologicznie wykonalną technologią, a jego produkcja na skalę przemysłową jest stosunkowo łatwa i niedroga.

Najprostszym, a jednocześnie bardzo skutecznym sposobem jest pomalowanie ścian i sufitów farbą zawierającą w swoim składzie fotokatalizator.

 Ale czy takie środki nie są szkodliwe? Dla człowieka, środowiska?

– W przypadku tradycyjnych metod, np. odkażania związkami chloru, wiąże się to z pojawieniem się rakotwórczych produktów ubocznych dezynfekcji Cl₂. Zmiany w przepisach dotyczących jakości wody doprowadziły do ​​położenia większego nacisku na alternatywne mechanizmy dezynfekcji. Stosowanie ozonu jest dosyć kłopotliwe ze względu na konieczność posiadania nietaniego generatora ozonu oraz bardzo krótki czas „życia” ozonu (krótkie czasy połowicznego rozpadu), co nie zabezpiecza trwale środowiska.

Ditlenek tytanu TiO₂  w materiałach budowlanych ( ściany, sufity, posadzki,  itp.) z natury jest mniej kłopotliwy  dla środowiska. Fotoaktywne materiały adsorbują zanieczyszczenia  i mikroorganizmy na swojej powierzchni, a następnie inaktywują lub rozkładają na dwutlenek węgla i wodę pod wpływem promieniowania UV oraz  promieniowania widzialnego dostępnego nawet w zwykłych żarówkach oświetleniowych. Materiały fotoaktywne  nie uwalniają toksycznych związków ubocznych do otoczenia (jak typowe chemiczne preparaty) oraz zapewniają wciąż skuteczną i ciągłą dezynfekcję otoczenia.

Jak możemy skorzystać z tych odkryć w naszym codziennym życiu? Jeżeli takie powierzchnie, ściany i sufity, pokryte farbami fotokatalitycznymi działają skutecznie w służbie zdrowia to czy sprawdzą się w pomieszczeniach mieszkalnych? Czy mogą pomóc w ograniczaniu zakażeń w mieszkaniach?

– Fotokatalityczne powierzchnie mogą być superhydrofilowe, co oznacza, że ​​woda rozprzestrzenia się na powierzchni, umożliwiając zmywanie brudu, np. w zastosowaniach komercyjnych wykorzystuje się do produkcji samooczyszczających się okien (np. San Gobain Bioclean ™, Pilkington Active ™ i Sunclean ™) oraz takich szklanych pokryw do lamp oświetlających tunele. Oczywiście, są to powłoki przezroczyste.

Fotokatalizator może być stosowany do powlekania ścian, stołów i innych powierzchni w celu zmniejszenia zakażeń związanych z infekcją poprzez pośredni kontakt. Płytki ścienne (kafelki i fugi) powlekane TiO₂ również stanowią skuteczny materiał samoczyszczący i dezynfekcyjny. Infekcja przez wirusy grypy rozprzestrzenianej drogą kropelkową (kaszel, kichanie) może być ograniczana w pomieszczeniach  po zaadsorbowaniu ich na powierzchniach fotoaktywnych.

Dlatego pokrycie ścian i sufitów farbą zawierającą w swoim składzie fotokatalizator może skutecznie ograniczać rozprzestrzenianie się drobnoustrojów, w tym chorobotwórczych, co przedstawia wyżej krótki wykaz opisów literaturowych.

Czy takie produkty fotokatalityczne nie są zbyt skomplikowane w użyciu ?

– Farby fotokatalityczne są łatwe w użyciu. Nie wymagają stosowania specjalnych technologii aplikacji ani specjalnego sprzętu. Powłoki wykonuje się tradycyjnymi sposobami, przy użyciu pędzla, wałka lub natrysku. Ponieważ są wodorozcieńczalne, nie ma również problemu z zapachem, a sprzęt można umyć wodą.

Autorem tekstu jest firma PIGMENT, producent farb fotokatalitycznych o nazwie handlowej TITANIUM®. Zapraszamy do zapoznania się z naszą ofertą na farbę do wnętrz Titanium IN, teraz w nowej, niższej cenie.