Quale carbonio attivo è più efficace per la rimozione dei COV indoor?

Cosa sono i composti organici volatili (VOC) e perché sono importanti per la qualità dell'aria interna

I COV, o composti organici volatili, sono sostanzialmente sostanze chimiche a base di carbonio che tendono a evaporare quando sono a riposo a temperature normali. Li ritroviamo provenienti da oggetti come barattoli di vernice, dagli spray detergenti che tutti abbiamo sotto il lavandino, dai mobili nuovi e persino da alcuni materiali da costruzione utilizzati durante l'edilizia. Il problema è che queste sostanze chimiche in aria peggiorano effettivamente la qualità dell'aria interna e possono causare svariati problemi di salute. Le persone potrebbero avere mal di testa o sentirsi stordite immediatamente, ma esistono anche evidenze che collegano l'esposizione a lungo termine a problemi respiratori e al funzionamento cerebrale. Considerando che la maggior parte delle persone negli Stati Uniti trascorre circa il 90 percento della propria vita all'interno di edifici secondo il rapporto dell'EPA del 2023, ciò significa che i COV stanno diventando una questione seria di cui preoccuparsi sia nelle abitazioni che negli uffici in tutto il paese.

Come funziona il carbone attivo: La scienza dell'adsorbimento per la rimozione dei COV interni

Il carbonio attivo funziona catturando i COV attraverso un processo chiamato adsorbimento. In pratica, le molecole gassose aderiscono alla superficie del carbonio grazie ai suoi numerosi micropori. Un solo grammo contiene migliaia di pori microscopici, con dimensioni che vanno da meno di 2 nanometri a circa 50 nanometri. Questi pori conferiscono al carbonio attivo un'area superficiale straordinaria, compresa tra 1.000 e 3.000 metri quadrati per grammo, equivalente più o meno a 2-5 campi da tennis! Il materiale trattiene sostanze nocive come il formaldeide, che ha un diametro di circa 0,45 nanometri, e il benzene, di circa 0,6 nanometri. Questo avviene grazie alle deboli forze di attrazione note come forze di van der Waals, oltre a qualche legame chimico diretto. Esiste una differenza rispetto all'assorbimento comune, in cui le sostanze si dissolvono in un'altra. Nell'adsorbimento, invece, le molecole si attaccano direttamente sulla superficie del materiale filtrante.

Perché la filtrazione chimica è essenziale per gli inquinanti gassosi in casa e in ufficio

I filtri HEPA standard catturano le particelle ma non rimuovono i VOC gassosi. Le ricerche mostrano che i filtri al carbone attivo possono eliminare dal 60% al 90% dei composti chimici presenti nell'aria entro 48 ore. Questa filtrazione chimica è fondamentale in ambienti con mobili nuovi, prodotti per la pulizia o fonti di combustione, dove i livelli di VOC possono essere da 2 a 5 volte più elevati rispetto all'esterno.

Struttura porosa e superficie: come influenzano l'efficienza di adsorbimento dei VOC

Micropori vs. mesopori: abbinare la dimensione dei pori alle dimensioni molecolari dei VOC

Il modo in cui il carbonio attivo rimuove i COV indoor dipende fondamentalmente dal fatto che i suoi pori corrispondano alle dimensioni degli inquinanti. I pori piccoli, inferiori a 2 nanometri, sono ottimi per catturare i COV di piccole dimensioni come il formaldeide, che ha un diametro di circa 0,45 nm. I pori più grandi, compresi tra 2 e 50 nm, sono invece più adatti a intrappolare molecole più grandi, come il toluene, che ha una dimensione di circa 0,67 nm. Una ricerca del 2022 pubblicata sulla rivista Building and Environment ha evidenziato un aspetto interessante anche riguardo alla rimozione del benzene: è stato scoperto che l'assorbimento massimo si verifica quando è disponibile uno spazio microporoso di circa 0,6-0,9 nm. È molto importante ottenere questo risultato perché genera ciò che viene definito effetto setaccio molecolare. Quando tutto è ben allineato, il carbonio trattiene più contaminanti senza sprecare alcun potenziale di assorbimento.

Superficie specifica e sua correlazione con l'efficienza del filtro nella rimozione dei COV indoor

La quantità di spazio disponibile sulla superficie di un filtro al carbonio influisce direttamente sul numero di molecole di COV che può catturare. I filtri al carbonio con aree superficiali BET superiori a 1000 metri quadrati per grammo mostrano generalmente circa il 40 percento in più di capacità di trattenere inquinanti tipici degli ambienti interni. Consideri questo: ogni grammo di tale carbonio attivo ha all'incirca la stessa superficie di 1,5 campi da tennis messi insieme. Quell'enorme area superficiale crea numerosi punti in cui gli inquinanti gassosi possono aderire. Test di laboratorio mostrano che questi carboni ad alta area superficiale possono rimuovere circa il 98% dei COV, inclusi composti come limonene e xilene, quando le condizioni sono ideali. Tuttavia, ciò che accade nella realtà dipende fortemente da fattori come la velocità del flusso d'aria e i livelli di umidità nell'ambiente.

Approfondimento dati: Aree superficiali BET superiori a 1000 m²/g migliorano la rimozione dei COV negli ambienti interni

I test hanno dimostrato che i materiali a base di carbonio con aree superficiali BET superiori a 1200 metri quadrati per grammo possono trattenere circa il 92% dei composti organici volatili quando le concentrazioni sono inferiori a 1 parte per milione in volume. Un risultato notevole rispetto al solo 68% di ritenzione osservato nei materiali con un'area superficiale di soli 800 metri quadrati per grammo. A cosa è dovuto questo fenomeno? Questi risultati migliori dipendono dalla qualità della connessione tra i pori all'interno della struttura del materiale. Quando i pori sono meglio connessi, si oppone minore resistenza alle molecole che cercano di aderire alla superficie durante i processi di adsorbimento. I filtri ad alte prestazioni realizzati con questi materiali durano generalmente da sei a nove mesi nelle abitazioni, ovvero circa il 30% in più rispetto ai comuni filtri disponibili oggi sul mercato. Sebbene il costo iniziale possa essere maggiore, la maggior parte dei proprietari di case scopre che questi filtri consentono effettivamente un risparmio nel lungo termine, poiché non è necessario sostituirli con frequenza.