Mikä aktiivihiili toimii parhaiten sisäilman VOC-pölyn poistamisessa?

Mikä on haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC) ja miksi ne ovat tärkeitä sisäilman laadulle

Haihtuvat orgaaniset yhdisteet eli VOC:t ovat olennaisesti hiilipohjaisia kemikaaleja, jotka haihtuvat normaaleissa lämpötiloissa. Niitä vapautuu esimerkiksi maalipurkeista, kaapin alla olevista puhdistusaineisiin käytettävistä sprayistä, uusista huonekaluista ja jopa joistakin rakennusmateriaaleista, joita käytetään rakentamisen aikana. Ongelmana on, että nämä ilmassa olevat kemikaalit heikentävät sisäilman laatua ja voivat aiheuttaa monenlaisia terveysongelmia. Ihmisillä voi olla päänsärkyä tai he voivat tuntea itsensä huimaantuneiksi jo lyhyen aikaa altistuttuaan, mutta on myös näyttöä siitä, että pitkäaikainen altistuminen liittyy hengitys- ja aivojen toimintahäiriöihin. Ottaen huomioon, että Yhdysvaltain ympäristönsuojeluviraston EPA:n vuoden 2023 raportin mukaan suurin osa amerikkalaisista viettää noin 90 prosenttia elämästään sisätiloissa, tämä tarkoittaa, että VOC:t ovat yhä vakavampi huolenaihe sekä kodeissa että toimistoissa ympäri maata.

Kuinka aktiivihiili toimii: Adsorptiotiede sisäilman VOC-yhdisteiden poistamisessa

Aktiivihiili toimii sitomalla haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC) niin kutsutulla adsorptiolla. Periaatteessa kaasumolekyylit tarttuvat hiilen pintaan sen sisältämien mikroskooppisten aukkojen ansiosta. Ainoastaan yhdessä grammassa on tuhansia mikroskooppisia huokosia, joiden koko vaihtelee alle 2 nanometristä noin 50 nanometriin. Nämä huokoset antavat aktiivihiilelle erittäin suuren pinta-alan, joka on noin 1 000–3 000 neliömetriä per gramma, mikä vastaa suuruudeltaan noin kahta viiteen tenniskenttää! Materiaali sitoo haitallisia aineita, kuten formaldehydiä, jonka koko on noin 0,45 nanometriä, ja bentseeniä, joka on noin 0,6 nanometrin kokoinen. Tämä tapahtuu heikkojen van der Waals -voimien ja osittain myös suoran kemiallisen sidoksen ansiosta. Tässä on ero tavalliseen absorptioon, jossa aine liukenee toiseen materiaaliin. Adsorptiossa molekyylit sitoutuvat suoraan suodatinmateriaalin pintaan.

Miksi kemiallinen suodatus on välttämätöntä kaasumaisten saasteiden torjunnassa kodeissa ja toimistoissa

Standardi HEPA-suodattimet sieppaavat hiukkasia, mutta eivät poista kaasumaisia VOC-yhdisteitä. Tutkimukset osoittavat, että aktiivihiilisuodattimet voivat poistaa 60–90 % ilmassa olevista kemikaaleista 48 tunnissa. Tämä kemiallinen suodatus on ratkaisevan tärkeää ympäristöissä, joissa on uusia huonekaluja, puhdistusaineita tai palamislähteitä, ja joiden VOC-pitoisuudet voivat olla 2–5 kertaa korkeammat kuin ulkona.

Huokosten rakenne ja pinta-ala: Miten ne vaikuttavat VOC-yhdisteiden adsorptiotehoon

Mikrohuokoset vs. mesohuokoset: Huokostenhalkaisijan sovittaminen VOC-yhdisteiden molekyylimittoihin

Siihen, kuinka hyvin aktiivihiili poistaa sisäilman haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC), vaikuttaa suuresti sen huokosten koko verrattuna saasteiden kokoon. Alle 2 nanometrin kokoiset pienet huokoset toimivat erinomaisesti pienten VOC-yhdisteiden, kuten noin 0,45 nm:n levyisen formaalin, sitomisessa. Suuremmat, 2–50 nm:n kokoiset huokoset sopivat paremmin suurempien molekyylien, kuten noin 0,67 nm:n kokoisen tsooluenin, keräämiseen. Vuoden 2022 tutkimus lehdessä Building and Environment osoitti mielenkiintoista asiaa myös bentseenin poistossa. Tutkijat havaitsivat, että maksimaalinen adsorptio tapahtuu, kun käytettävissä on noin 0,6–0,9 nm:n kokoisia mikrohuokosia. Tämän asian ymmärtäminen on erittäin tärkeää, koska se luo niin sanotun molekyyvisiivilöintitehon. Kun kaikki on kohdallaan, hiili sitoo enemmän epäpuhtauksia tuhlatumatta absorptiokykyään.

Pinta-ala ja sen korrelaatio suodatustehokkuuden kanssa sisäilman VOC-yhdisteiden poistossa

Hiilisuodattimen pinnalla saatavilla oleva tila vaikuttaa suoraan siihen, kuinka monta VOC-yhdistemolekyyliä se voi sitoa. BET-pinta-aloiltaan yli 1000 neliömetriä grammassa arvioidut hiilisuodattimet pystyvät yleensä noin 40 prosenttia paremmin sitomaan tyypillisiä sisäilman epäpuhtauksia. Mieti tätä: jokaisella sellaisen aktiivihiilen gramman pinta-ala on noin yhtä suuri kuin 1,5 tenniskenttää yhteensä. Tämä valtava pinta-ala luo runsaasti kohtia, joihin kaasumaiset epäpuhtaudet voivat tarttua. Laboratoriotestit osoittavat, että näillä suurilla pinta-aloilla varustetuilla hiiliaineilla voidaan poistaa noin 98 % VOC-yhdisteistä, kuten limoneenista ja ksyleenistä, kun olosuhteet ovat optimaaliset. Todellisessa käytössä tulos riippuu kuitenkin ratkaisevasti tekijöistä, kuten ilmavirran nopeudesta ja ympäristön kosteudesta.

Tietotuloste: BET-pinta-alat, jotka ylittävät 1000 m²/g, parantavat sisäilman VOC-yhdisteiden poistamista

Testit ovat osoittaneet, että hiilimateriaalit, joiden BET-pinta-ala on yli 1200 neliömetriä grammassa, voivat sitoutua noin 92 %:iin haihtuvista orgaanisista yhdisteistä, kun pitoisuudet ovat alle yhden osan miljoonassa tilavuusosaa. Tämä on melko vaikuttavaa verrattuna vain 68 %:n pidätysasteeseen materiaaleissa, joiden pinta-ala on 800 neliömetriä grammassa. Miksi näin tapahtuu? No, nämä paremmat tulokset johtuvat siitä, kuinka hyvin materiaalin rakenteessa olevat huokoset ovat yhteydessä toisiinsa. Kun huokoset ovat paremmin yhteydessä, adsorptioprosessin aikana molekyylien tarttumista pinnalle ei vastusteta yhtä paljon. Näillä materiaaleilla valmistetut suorituskykyiset suodattimet kestävät yleensä kuudesta yhdeksään kuukautta kotitalouksissa, mikä on noin 30 % pidempi kuin mitä nykyisillä tavallisilla suodatinvaihtoehdoilla saavutetaan markkinoilla. Vaikka niiden alkuperäinen hinta saattaa olla korkeampi, useimmat asunnonomistajat huomaavat, että nämä suodattimet säästävät kuitenkin rahaa pitkällä tähtäimellä, koska niitä ei tarvitse vaihtaa yhtä usein.