Um protocolo para determinar a eficácia de photocatalysts em degradante carbonos orgânicos voláteis concentração (ppb) ar interno de modelo, tais como 2-propanol é descrito.
Vamos demonstrar um versátil protocolo a ser usado para determinar a eficácia de photocatalysts em degradante ar interior concentração (ppb) voláteis orgânicos carbonos (COV), ilustrando isto com um catalisador de dióxido de titânio com base e o 2-propanol VOC. O protocolo se aproveita da espectroscopia de mobilidade de íon assimétrica de campo (FAIMS), uma ferramenta de análise capaz de continuamente a identificação e monitoramento da concentração de compostos orgânicos voláteis como 2-propanol e acetona no nível de ppb. A natureza contínua da FAIMS permite detalhada análise cinética e reações a longo prazo, oferecendo uma vantagem significativa sobre cromatografia de gás, um processo em lote, tradicionalmente utilizado na caracterização de purificação de ar. O uso de FAIMS na purificação do ar fotocatalítico só recentemente tem sido usado pela primeira vez, e com o protocolo ilustrado aqui, a flexibilidade ao permitir que os COV e photocatalysts alternativo ser testado utilizando protocolos comparáveis oferece um exclusivo sistema para elucidar photocatalytic reações de purificação de ar em baixas concentrações.
Recentemente, a qualidade do ar interior chegou para a vanguarda. Talvez surpreendentemente, ar interno contém um maior número de carbonos orgânicos voláteis (COV) e em umas concentrações mais elevadas do que o ar exterior. 1 com pessoas gastar mais de 80% do seu tempo dentro de casa, em lugares como casas residenciais, locais de trabalho e transporte, incluindo carros, trens e aviões, qualidade do ar pode ser um problema real. Muitos dos COV comum no ar interior são mutagênicos ou carcinogênicos,2,3 e então a remoção destes é uma prioridade fundamental, especialmente como os fenômenos da ‘síndrome do edifício doente’ podem levar a problemas de saúde e produção perdida através do tempo fora do trabalho . 1 dispositivos de purificação do ar podem incluir um photocatalyst, onde um semicondutor, invariavelmente dióxido de titânio (TiO2), ativado com luz UV, degrada a VOC através de um processo de foto-oxidação. Fotocatálise é uma crescente área de pesquisa, com aplicações em água para produção de hidrogênio e poluente degradação4,5,6,7; purificação do ar é uma área particularmente ativa devido a viabilidade comercial deste aplicativo de8. No entanto, detecção de compostos orgânicos voláteis em concentrações que estão presentes no ar interior (tipicamente ppb) é um desafio. Com a cinética da reação fotocatalítica seguir Langmuir Hinshelwood cinética9, a eficácia do photocatalyst no COV degradante em concentrações elevadas não é representante da sua eficácia em baixas concentrações. Aqui descrevemos um sistema versátil e protocolo para determinar a eficácia de photocatalysts em degradar compostos orgânicos voláteis em tão baixas concentrações usando espectroscopia de mobilidade de íon assimétrica de campo (FAIMS), ilustrando isso com um TiO2 com base Photocatalyst e o modelo VOC 2-propanol.
Radiação ionizante de um fluxo de gás, FAIMS separa e identifica íons químicos com base na sua mobilidade sob um campo elétrico variável em pressão atmosférica10,11,12. Moléculas com afinidade elevada próton, como VOCs são adequadas para ser separados e detectados pelo FAIMS, com partes por bilhão (ppb) de resolução e no ppb concentrações13. Capaz de monitorar de forma contínua VOCs múltiplos simultaneamente, é uma análise ideal para usar na purificação de ar fotocatalítico de teste, como na adição de monitoramento a VOC usada como poluente. FAIMS também pode detectar produtos intermédios ou outros produtos VOC com uma afinidade elevada próton da reação fotocatalítica, um requisito-chave em provar que o photocatalyst é eficaz, como se a degradação for incompleta, alguns dos COV produzidos podem ser tão tóxico ou mais tóxico do que a VOC sendo degradado.
FAIMS só recentemente tem sido usado pela primeira vez em14aplicações da purificação do ar fotocatalítico, e apesar de não sugerir que FAIMS é superior à cromatografia em fase gasosa, claramente oferece uma alternativa versátil, que tem o potencial para ser um potente ferramenta no estudo de purificação do ar. Aqui ilustramos esta técnica com um protocolo que envolve a foto-oxidação do 2-propanol com um fotocatalisador dióxido de titânio com base. Para gerar o 2-propanol no ar interior tubos de permeação de nível concentrações são utilizados15. Consistindo de um tubo PTFE que contém o líquido VOC, que é selado e frisado em ambas as extremidades, sob um fluxo constante, a VOC contida dentro do tubo de permeação de PTFE selado difunde-se para fora em uma taxa constante, em concentrações comparáveis ao ar interior. Este fluxo é então passado para a câmara de reação contendo o feltro e depois para o analisador FAIMS, onde a identidade e a quantificação de VOC podem ser determinados. FAIMS permite a concentração de 2-propanol a determinar e através de uma biblioteca de espectros de saber VOCs, a identidade de COV adicional produzido durante a reação de foto tais como acetona, determinada através da comparação dos seus espectros com a biblioteca. A principal vantagem desta técnica é sua flexibilidade: simplesmente alterando o tubo de permeação ou catalisador, alternativa COV e catalisadores podem ser testados.
O protocolo descreve uma maneira eficaz de determinar a eficácia do catalisador à base de óxido de titânio, determinando seu comportamento degradante um modelo VOC, 2-propanol, sob iluminação UV. Usando FAIMS, a quantidade de 2-propanol pode ser monitorada continuamente durante a reação, além de quaisquer outros produtos VOC que poderia ser produzido na reação, em concentrações comparáveis ao ar interior. Esta natureza contínua difere significativamente da cromatografia gasosa, tradicionalmente usada para monitorar photocatalytic purificação de ar interno, que usa um processo de lote. Geralmente é necessário utilizar um sistema de GC/MS caro e sensível para determinar a concentração de COV em tão baixas concentrações, e análise detalhada dos produtos foto-oxidação geralmente requer processamento adicional dos produtos foto-oxidação, tais como fixando a produtos para carvão ativado e então desorbing-los para o espectrômetro de massa. Enquanto a espectrometria de massa é capaz de detectar todos os produtos, uma limitação de FAIMS é que apenas os produtos com uma afinidade de protões de alta podem ser detectados. FAIMS é excelente para determinar a baixa concentração de compostos orgânicos voláteis, mas pode ser saturado em altas concentrações, que limita o sistema para aplicações de nível de concentração do ar interno. As vantagens do torna FAIMS que o sistema descrito aqui uma ferramenta simples e eficaz, que pode fornecer insights sobre reações de photocatalytic que cromatografia de gás é limitada na realização.
Com o sistema FAIMS descrito aqui, ar da classe médica é usado como gás de fluxo. Com o sistema FAIMS ser tão sensível, um grau de alta qualidade do ar é crítico em permitir que a foto-oxidação ser analisado. Isso garante que todos os produtos detectados são do processo de foto-oxidação. Da mesma forma, é fundamental para garantir que não há nenhum vazamento no sistema, como ar de laboratório geralmente contém compostos orgânicos voláteis em concentrações a FAIMS é capaz de detectar. Os consumíveis listados para a instalação do sistema fornecem um sistema fiável e monitoramento contínuo ao longo de um período de dias indicou sem VOCs detectáveis quando sem catalisador ou tubo de permeação está presente.
Enquanto o sistema é simples, também é muito flexível – alternativa VOCs pode ser testada dessa maneira, simplesmente fazendo uma cuba de permeação contendo a VOC alternativa, tais como etanol, acetona ou tolueno e seguindo o protocolo. Fotocatalítico reações muitas vezes são afetadas pela umidade. O sistema desenvolvido aqui opera sob baixa umidade; no entanto o teste pode ser realizado ao mais alto umidades compram introduzir um umidificador no sistema. Dependendo a VOC usada, pode resultar na sensibilidade do FAIMS sendo reduzida, mas eficaz de teste pode ser realizado. 16
A natureza contínua da FAIMS destaca uma vantagem sobre cromatografia gasosa, que é tradicionalmente usada para determinar a eficácia de photocatalyst na purificação do ar. 16 , 17 cromatografia usa um processo de lote para coletar e analisar amostras de ar; FAIMS, com sua natureza contínua, permite um olhar mais detalhado a cinética da reação fotocatalítica, que pode ser um desafio para interpretar com a técnica de cromatografia gasosa de lote. A simplicidade do FAIMS é outra vantagem. A fim de realizar a análise complexa de múltiplos FAIMS de VOCs é capaz de, o cromatógrafo de gás terá de ser ligado a um espectrômetro de massa, que pode ser caro e exigir processamento adicional. Além disso, para realizar reações de longo prazo com um cromatógrafo a gás, um sistema automatizado caro seria necessária, ou do trabalho de amostragem intensiva; Isto não é o caso com FAIMS.
A natureza contínua da FAIMS oferece vantagens significativas sobre cromatografia de gás que pode ser utilizada para obter uma maior compreensão do processo de fotocatálise essas concentrações de ppb. Além disso, a simples configuração ilustrada aqui é flexível, permitindo photocatalysts alternativos e compostos orgânicos voláteis para ser testado em condições comparáveis, melhorando ainda mais a compreensão do processo fotocatalítico.
The authors have nothing to disclose.
Os autores agradecem o apoio financeiro da CEI, sob concessão número 259619 EM foto e número de concessão 620298 foto aérea (prova de conceito).
PTFE Tubing | Sigma-Aldrich | 58699 SUPELCO | L x OD x ID 50 ft x 1/8 in x 0063 in |
In-line pressure regulator | Sigma-Aldrich | 23882 SUPELCO | High purity version (outlet pressure 0-100 psi, 1/8 in stainless steel fittings |
Moisture trap | Sigma-Aldrich | N9301193 | 70 ml 1/8 fittings |
Screw Cap HPLC, GL 45 | VWR | 554-3002 | 4 ports complete with silicone seals |
Duran GL 45 Glass Bottle | Scientific Laboratory Supplies | BOT5206 | 250 ml |
Duran GL 45 Glass Bottle | Scientific Laboratory Supplies | BOT5208 | 500 ml |
Permeation tube making kit | Owlstone Nanotechnology | ||
2-propanol | Fisher Scientific | 10477070 | Isopropanol, extra pure, SLR |
Quartzel PCO Felt | Saint Gobain | ||
UVIlite Lamp | UVItec Limited | LI-208BL | |
Swage Fittings | Swagelok | SS-202-1 / SS-200-SET | |
Lonestar Portable Analyzer | Owlstone Nanotechnology |