Ein Protokoll für die Bestimmung der Wirksamkeit der photokatalysatoren in erniedrigender Raumluft Konzentration (ppb) Modell flüchtige organische Kohlenwasserstoffe, wie 2-Propanol beschrieben wird.
Wir zeigen ein vielseitiges Protokoll verwendet werden, für die Bestimmung der Wirksamkeit von photokatalysatoren in erniedrigender Raumluft Konzentration (ppb) flüchtige organische Kohlenwasserstoffe (VOC), illustriert dies mit Katalysator Titandioxid-Basis und die VOC-2-Propanol. Das Protokoll nutzt Feld asymmetrische Ion Mobilität Spektroskopie (FAIMS), ein Analyse-Tool, die in der Lage, kontinuierlich Identifizierung und Überwachung der Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen wie 2-Propanol und Aceton auf den ppb-Ebene ist. Die kontinuierliche Natur der FAIMS ermöglicht detaillierte kinetische Analyse und langfristige Reaktionen, bietet einen erheblichen Vorteil gegenüber Gaschromatographie, ein Batch-Prozess, die traditionell in Luft Reinigung Charakterisierung verwendet. Die Verwendung von FAIMS in Photokatalytische Luftreinigung wird erst vor kurzem zum ersten Mal, und mit dem Protokoll, das hier abgebildete, die Flexibilität ermöglicht alternative VOC und photokatalysatoren zu testenden über vergleichbare Protokolle bietet ein einzigartiges System zur photokatalytischen Luft Reinigung Reaktionen bei niedrigen Konzentrationen zu erhellen.
Die Qualität der Innenraumluft ist vor kurzem in den Vordergrund gekommen. Vielleicht überraschend, enthält Raumluft eine größere Anzahl von flüchtige organische Kohlenwasserstoffe (VOC) und in höheren Konzentrationen als die Außenluft. 1 mit Menschen verbringen mehr als 80 % ihrer Zeit in Innenräumen, in Orten wie Wohnhäuser, Arbeitsplätze und Transport, einschließlich Autos, Züge und Flugzeuge, Luftqualität kann ein echtes Problem sein. Viele der VOC in Innenräumen häufig mutagene oder krebserregend,2,3 und so die Entfernung dieser ist eine wichtige Priorität, zumal die Phänomene der “sick-Building-Syndrom” zu gesundheitlichen und Produktionsausfälle durch Freistellung von der Arbeit führen kann . 1 Luft-Reinigung-Geräte können ein Photocatalyst gehören wo ein Halbleiter, ausnahmslos Titandioxid (TiO2), mit UV-Licht aktiviert die VOC durch einen Prozess der Photooxidation degradiert. Photokatalyse ist ein wachsender Bereich der Forschung, mit Anwendungen in der Wasserspaltung für Wasserstoff-Erzeugung und Schadstoff Abbau4,5,6,7; Luftreinigung ist ein besonders aktives Gebiet aufgrund der wirtschaftlichen Tragfähigkeit dieser Anwendung8. Jedoch ist die Erkennung von VOCs in Konzentrationen, die in der Raumluft (in der Regel ppb) sind, anspruchsvoll. Mit der Kinetik der photokatalytischen Reaktion ist folgenden Langmuir Sprengstofffabrik Kinetik9, die Wirksamkeit der Photocatalyst in erniedrigender VOC bei hohen Konzentrationen nicht repräsentativ für seine Wirksamkeit bei niedrigen Konzentrationen. Hier beschreiben wir ein vielseitiges System und ein Protokoll für die Bestimmung der Wirksamkeit der photokatalysatoren auf erniedrigende VOC bei so niedrigen Konzentrationen Feld asymmetrische Ion Mobilität Spektroskopie (FAIMS), illustriert dies mit einem TiO2 basierend Photokatalysator, und das Modell VOC 2-Propanol.
Ionisierende Strahlung ein Gasstrom, FAIMS trennt und chemische Ionen anhand ihrer Mobilität unter einem unterschiedlichen elektrischen Feld bei atmosphärischem Druck10,11,12identifiziert. Moleküle mit einer hohen Proton-Affinität, wie z. B. VOC eignen sich gut getrennt und von FAIMS, mit Teilen pro Milliarde (ppb) Auflösung und bei ppb Konzentrationen13erkannt werden. Kontinuierliche Überwachung mehrerer VOC gleichzeitig, kann es eine ideale Analyse in Photokatalytische Luftreinigung testen, denn neben den Überwachung der VOC als Schadstoff verwenden. FAIMS erkennen auch Zwischenprodukte oder andere VOC-Produkte mit einer hohen Proton Affinität aus der photokatalytischen Reaktion, eine wesentliche Voraussetzung zu beweisen, dass die Photocatalyst ist effektiv, als wenn der Abbau unvollständig ist, einige der VOC produziert kann als giftig oder toxischer als die VOC abgebaut.
FAIMS hat erst vor kurzem zum ersten Mal in Photokatalytische Luft Reinigung Anwendungen14verwendet worden, und obwohl nicht darauf hindeutet, dass FAIMS Gaschromatographie überlegen ist, bietet es eindeutig eine vielseitige Alternative, die das Potenzial hat, ein potenter werden Werkzeug bei der Untersuchung der Luftreinigung. Hier zeigen wir diese Technik mit einem Protokoll mit der Foto-Oxidation von 2-Propanol mit einem Photokatalysator Titandioxid-Basis. 2-Propanol in der Raumluft zu generieren sind Ebene Konzentrationen Permeation Röhren verwendet15. Bestehend aus einer PTFE-Röhrchen mit Flüssigkeit VOC, das ist versiegelt und an beiden Enden unter einen konstanten Fluss gekräuselt diffundiert die VOC enthaltenen versiegelte PTFE Permeation Rohr mit einer Konstanten Rate bei Konzentrationen vergleichbar mit Raumluft. Diese Strömung wird dann übergeben in einer Reaktionskammer mit Filz, und dann in der FAIMS-Analyzer, wo die Identität und die Quantifizierung der VOC ermittelt werden. FAIMS erlaubt die Konzentration von 2-Propanol bestimmt werden und über eine Bibliothek von Spektren der VOC, die Identität des zusätzlichen VOC produziert während der Foto-Reaktion wie z. B. Aceton bestimmt durch Vergleich der Spektren mit der Bibliothek kennen. Ein entscheidender Vorteil dieser Technik ist die Flexibilität: durch einfaches Ändern der Permeation Rohr oder Katalysator, alternative VOC und Katalysatoren können getestet werden.
Das Protokoll beschreibt ein wirksames Mittel zur Bestimmung der Wirksamkeit des Katalysators Titan oxid basiert, durch die Bestimmung seines Verhaltens in unwürdigen ein Modell VOC, 2-Propanol, unter UV-Beleuchtung. Mit FAIMS, kann die Menge von 2-Propanol kontinuierlich während der Reaktion, neben anderen VOC-Produkte überwacht werden, die bei der Reaktion bei Konzentrationen vergleichbar mit Raumluft hergestellt werden konnten. Diese kontinuierliche Natur unterscheidet sich deutlich von Gaschromatographie, traditionell zur photokatalytischen indoor Luftreinigung, überwachen die Batch-Prozess verwendet. Eine teure und empfindliche GC/MS-System ist in der Regel erforderlich, um die Konzentration der flüchtigen organischen Verbindungen in so geringen Konzentrationen bestimmen, und detaillierte Analyse der Photooxidation Produkte erfordert in der Regel die Weiterverarbeitung der Photooxidation Produkte, wie z.B. adsorbierenden Produkte auf Aktivkohle und plötzliches sie dann in das Massenspektrometer. Während die Massenspektrometrie in der Lage, alle Produkte zu erkennen ist, ist eine Einschränkung des FAIMS, dass nur Produkte mit einer hohen Proton Affinität erkannt werden können. FAIMS ist hervorragend bei niedrigen Konzentrationsbestimmung VOC, aber bei höheren Konzentrationen gesättigt werden kann, beschränkt das System Raumluft Ebene Konzentration Anwendungen. Die Vorteile der FAIMS macht, die das System hier eine effektive und einfache Werkzeug, die bieten Einblicke in die Photokatalytische Reaktionen, die gas-Chromatographie ist beschrieben dabei begrenzt.
Mit dem hier beschriebenen FAIMS-System wird als der Strom Gas medizinischem Luft verwendet. Mit dem FAIMS-System ist so empfindlich ist eine hohe Güteklasse der Luft entscheidend darin, dass die Photooxidation analysiert werden. Dies gewährleistet, dass keine Produkte erkannt von der Foto-Oxidation. Ebenso ist es wichtig, um sicherzustellen, gibt es keine Leckage im System als Labor Luft in der Regel VOC bei Konzentrationen enthält der FAIMS ist in der Lage zu erkennen. Die Verbrauchsmaterialien für das Setup des Systems aufgeführt bieten ein zuverlässiges System und kontinuierliche Überwachung über einen Zeitraum von Tagen hat darauf hingewiesen, keine nachweisbaren VOC, wenn kein Katalysator oder Permeation Rohr vorhanden ist.
Während das System einfach ist, es auch sehr flexibel ist-Alternative VOC auf diese Weise getestet werden kann, indem man einfach eine Permeation Wanne, enthält die alternative VOC, wie Ethanol, Aceton oder Toluol und im Anschluss an das Protokoll. Photokatalytische Reaktionen werden oft durch Feuchtigkeit beeinflusst. Hier entwickelte System arbeitet unter niedrige Luftfeuchtigkeit; aber testen bei höher erfolgen kann kaufen Luftfeuchtigkeiten einen Luftbefeuchter in das System einzuführen. Abhängig von der VOC verwendet es kann dazu führen, dass die Empfindlichkeit der FAIMS reduziert, aber effektive Tests durchgeführt werden kann. 16
Den kontinuierliche Charakter des FAIMS herausstellt einen Vorteil gegenüber Gaschromatographie, die traditionell die Photocatalyst Wirksamkeit in reinigende Luft zu bestimmen. 16 , 17 Gaschromatographie verwendet einen Batch-Prozess zu sammeln und Analysieren von Luftproben; FAIMS, ermöglicht mit seiner kontinuierlichen Natur, einen genaueren Blick auf die Kinetik der photokatalytischen Reaktion, die schwierig sein kann, mit der Batch-Gaschromatographie-Technik zu interpretieren. Ein weiterer Vorteil ist die Einfachheit der FAIMS. Zur Durchführung der Funktionentheorie mehrerer VOC FAIMS ist in der Lage, Gaschromatographen mit einem Massenspektrometer können teuer sein und erfordert zusätzliche Bearbeitung verknüpft werden müssen. Darüber hinaus wäre ein teures automatisiertes System zur Durchführung der langfristigen Reaktionen mit einem Gaschromatographen erforderlich oder Labor intensive Probenahme; Dies gilt nicht für FAIMS.
Die kontinuierliche Natur des FAIMS bietet wesentliche Vorteile gegenüber Gas-Chromatographie, die genutzt werden können, um ein besseres Verständnis für die Photokatalyse-Prozess bei dieser ppb Konzentrationen zu gewinnen. Darüber hinaus ist das einfache Setup hier abgebildeten flexibel, so dass alternative photokatalysatoren und VOC unter vergleichbaren Bedingungen, weitere Verbesserung des Verständnisses der photokatalytischen Prozess getestet werden.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren sind dankbar für die finanzielle Unterstützung von der ERC unter Grant Nummer 259619 Foto EM und Grant Nummer 620298 Foto Luft (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 |