Un protocollo per determinare l’efficacia di fotocatalizzatori in degradanti aria interna concentrazione (ppb) modello volatili organici carboni come 2-propanolo è descritto.
Dimostriamo un protocollo versatile per essere utilizzato per determinare l’efficacia di fotocatalizzatori in degradanti carboni di aria interna concentrazione (ppb) volatili organici (VOC), che illustra questo con un catalizzatore basato sul biossido di titanio e la VOC 2-propanolo. Il protocollo si avvale di spettroscopia di campo dello ione asimmetrica mobilità (FAIMS), uno strumento di analisi che è in grado di continuamente individuare e monitorare la concentrazione di COV quali 2-propanolo e l’acetone a livello di ppb. La natura continua del FAIMS consente dettagliata analisi cinetica e reazioni a lungo termine, offrendo un vantaggio significativo rispetto gas cromatografia, un processo batch tradizionalmente utilizzata nella caratterizzazione di purificazione aria. L’uso di FAIMS nella purificazione dell’aria fotocatalitici solo recentemente è stata usata per la prima volta, e con il protocollo illustrato qui, la flessibilità nel permettere alternative COV e fotocatalizzatori essere testati utilizzando protocolli comparabili offre un unico sistema per delucidare le reazioni di purificazione aria fotocatalitici a basse concentrazioni.
La qualità dell’aria interna è venuto recentemente alla ribalta. Forse sorprendentemente, aria interna contiene un numero maggiore di atomi di carbonio organici volatile (COV) e in concentrazioni più elevate dell’aria esterna. 1 con persone che spendono oltre 80% del loro tempo al chiuso, in luoghi come case residenziali, luoghi di lavoro e trasporto, come automobili, treni e aerei, qualità dell’aria può essere un vero problema. Molti dei COV comuni nell’aria indoor sono mutageni o cancerogeni,2,3 e quindi la rimozione di questi è una priorità fondamentale, tanto più che i fenomeni di ‘sick building syndrome’ possono portare a problemi di salute e perdita di produzione attraverso il tempo fuori da lavoro . 1 dispositivi di purificazione dell’aria possono includere un photocatalyst, dove un semiconduttore, invariabilmente biossido di titanio (TiO2), attivato con luce UV, degrada la VOC attraverso un processo di foto-ossidazione. La fotocatalisi è un settore in crescita della ricerca, con applicazioni in acqua spaccare per produzione di idrogeno e inquinante degradazione4,5,6,7; purificazione dell’aria è una zona particolarmente attiva a causa della fattibilità commerciale di questa applicazione8. Tuttavia, rilevamento di COV a concentrazioni che sono presenti nell’aria indoor (in genere ppb) è impegnativo. Con la cinetica della reazione fotocatalitica seguente Langmuir Hinshelwood cinetica9, l’efficacia del fotocatalizzatore presso degradanti COV alle alte concentrazioni non è rappresentativo della sua efficacia a basse concentrazioni. Qui descriviamo un sistema versatile e protocollo per determinare l’efficacia di fotocatalizzatori a degradanti COV a tali concentrazioni basse utilizzando la spettroscopia di campo dello ione asimmetrica mobilità (FAIMS), che illustra questo con un TiO2 basata fotocatalizzatore e il modello VOC 2-propanolo.
Ionizzando un flusso di gas, FAIMS separa e identifica ioni chimici basati sulla loro mobilità nell’ambito di un campo elettrico variabile a pressione atmosferica10,11,12. Molecole con un’affinità protonica alta, come composti organici volatili sono adatti per essere separati e rilevato dal FAIMS, con parti per miliardo (ppb) risoluzione e ppb concentrazioni13. Capace di costante monitoraggio COV multipli simultaneamente, è un’analisi ideale da utilizzare nella purificazione dell’aria fotocatalitici test, come in aggiunta al monitoraggio VOC utilizzato come inquinante. FAIMS può anche rilevare prodotti intermedi o altri prodotti VOC con un’affinità protonica alta dalla reazione fotocatalitica, un requisito fondamentale nel dimostrare che il fotocatalizzatore è efficace, come se la degradazione è incompleta, alcuni dei COV prodotte possono essere tossici o più tossiche COV venga degradata.
FAIMS solo di recente è stato utilizzato per la prima volta in fotocatalitico aria depurazione applicazioni14, e sebbene non suggerendo che FAIMS è superiore alla gas cromatografia, chiaramente offre un’alternativa versatile, che ha il potenziale per essere un potente strumento nello studio di purificazione dell’aria. Qui illustriamo questa tecnica con un protocollo che coinvolge la foto-ossidazione di 2-propanolo con un photocatalyst basato sul biossido di titanio. Per generare 2-propanolo presso l’aria interna tubi di permeazione di concentrazione a livello sono usate15. Composto di un tubo PTFE che contiene il liquido VOC, che è sigillato e aggraffato ad entrambe le estremità, sotto un flusso costante, la VOC contenuta all’interno del tubo di permeazione di PTFE sigillato diffonde fuori ad un tasso costante, alle concentrazioni comparabili di aria interna. Questo flusso viene quindi passato in una camera di reazione contenente il feltro e poi nell’analizzatore FAIMS, dove l’identità e la quantificazione della VOC può essere determinati. FAIMS permette la concentrazione di 2-propanolo da determinarsi e tramite una libreria di spettri di sapere COV, l’identità di ulteriori composti organici volatili prodotti durante la reazione di foto quali l’acetone determinata tramite confronto dei loro spettri con la libreria. Un vantaggio fondamentale di questa tecnica è la sua flessibilità: semplicemente cambiando la permeazione tubo o catalizzatore, alternativa COV e catalizzatori possono essere testati.
Il protocollo descrive un modo efficace di determinare l’efficacia del catalizzatore di base di ossidi di titanio, determinando il comportamento in un modello di VOC, 2-propanolo, sotto illuminazione UV di degradanti. Utilizzando FAIMS, l’importo di 2-propanolo possa essere monitorato continuamente durante la reazione, oltre ad eventuali altri prodotti VOC che potrebbe essere prodotta nella reazione, a concentrazioni paragonabili all’aria interna. Questo carattere continuativo differisce significativamente da gascromatografia, tradizionalmente utilizzato per monitorare la purificazione dell’aria interna fotocatalitico, che utilizza un processo batch. Un costoso sistema GC/MS sensibile è generalmente necessaria per determinare la concentrazione di COV a tali concentrazioni basse e analisi dettagliata dei prodotti foto-ossidazione generalmente richiede ulteriore elaborazione dei prodotti foto-ossidazione, come adsorbente prodotti su carbone attivo e quindi li cedendo nello spettrometro di massa. Mentre la spettrometria di massa è in grado di rilevare tutti i prodotti, una limitazione di FAIMS è che possono essere rilevati solo prodotti con un’affinità protonica alta. FAIMS è eccellente a determinare bassa concentrazione COV, ma può essere saturo alle più alte concentrazioni, che limita il sistema per applicazioni di livello di concentrazione dell’aria interna. I vantaggi di rende FAIMS che il sistema qui descritto un efficace strumento semplice che può fornire intuizioni reazioni fotocatalitiche che gas cromatografia è limitato nella realizzazione.
Con il sistema FAIMS descritto qui, aria medicale è usato come gas di flusso. Con il sistema FAIMS essere così sensibile, un alto grado di qualità dell’aria è fondamentale nel consentire la foto-ossidazione essere analizzati. Questo assicura che tutti i prodotti rilevati sono dal processo di foto-ossidazione. Allo stesso modo, è fondamentale per garantire che non vi siano perdite nel sistema, come laboratorio aria contiene generalmente COV alle concentrazioni il FAIMS è in grado di rilevare. I materiali di consumo elencati per l’installazione del sistema di fornire un sistema affidabile e monitoraggio continuo per un periodo di giorni non ha indicato nessun COV rilevabile quando nessun catalizzatore o tubo di permeazione è presente.
Mentre il sistema è semplice, è anche molto flessibile – alternativa COV possa essere testato in questo modo, facendo semplicemente una vasca di permeazione contenenti VOC alternativi, quali etanolo, acetone o toluene e seguendo il protocollo. Le reazioni fotocatalitiche sono spesso colpite da umidità. Il sistema sviluppato qui opera sotto bassa umidità; Tuttavia test può essere effettuato presso superiore umidità acquistare introducendo un umidificatore nel sistema. A seconda il VOC utilizzato, può provocare la sensibilità del FAIMS essere ridotto, ma efficace test può essere effettuata. 16
La natura continua del FAIMS mette in evidenza un vantaggio su cromatografia in fase gassosa, che tradizionalmente viene utilizzato per determinare l’efficacia di fotocatalizzatore in aria purificante. 16 , 17 Gas cromatografia utilizza un processo batch per raccogliere e analizzare campioni d’aria; FAIMS, con la sua natura continua, permette una più approfondita la cinetica della reazione fotocatalitica, che può essere difficile da interpretare con la tecnica di cromatografia in fase gassosa di batch. La semplicità di FAIMS è un altro vantaggio. Al fine di svolgere l’analisi complessa di più COV FAIMS è in grado di, il cromatografo a gas dovrà essere collegato ad uno spettrometro di massa, che possa essere costosi e richiedono ulteriori elaborazioni. Inoltre, per eseguire reazioni a lungo termine con un cromatografo a gas, un costoso sistema automatizzato sarebbe richiesto, o di lavoro campionamento intensivo; Questo non è il caso con FAIMS.
La natura continua del FAIMS offre significativi vantaggi rispetto cromatografia in fase gassosa che può essere utilizzato per ottenere una maggiore comprensione del processo di fotocatalisi a queste concentrazioni di ppb. Inoltre, il semplice setup qui illustrato è flessibile, permettendo di fotocatalizzatori alternativi e COV da testare in condizioni paragonabili, migliorando ulteriormente la comprensione del processo fotocatalitico.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori sono grati per il sostegno finanziario dal CER, sotto la concessione numero 259619 foto EM e concessione numero 620298 foto AIR (Proof of Concept).
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 |