Jaki węgiel aktywny najlepiej sprawdza się w usuwaniu lotnych związków organicznych (VOC) w pomieszczeniach?

Czym są lotne związki organiczne (VOC) i dlaczego mają znaczenie dla jakości powietrza w pomieszczeniach

Lotne związki organiczne (VOC) to substancje chemiczne oparte na węglu, które łatwo parują w normalnych warunkach temperatury. Występują one m.in. w farbach, sprayach czyszczących znajdujących się pod zlewem, nowych meblach, a nawet w niektórych materiałach budowlanych stosowanych podczas konstrukcji. Problem polega na tym, że te substancje unoszące się w powietrzu pogarszają jakość powietrza w pomieszczeniach i mogą powodować różnego rodzaju problemy zdrowotne. Osoby narażone mogą doświadczać bólu głowy lub zawrotów, jednak istnieją również dowody łączące długotrwałe narażenie z problemami oddechowymi i funkcjami mózgu. Biorąc pod uwagę, że według raportu EPA z 2023 roku większość mieszkańców Ameryki spędza około 90 procent życia wewnątrz budynków, oznacza to, że VOC stają się poważnym zagrożeniem zarówno w domach, jak i biurach na całym terytorium kraju.

Jak działa węgiel aktywny: nauka adsorpcji w usuwaniu lotnych związków organicznych z wnętrz

Węgiel aktywny działa poprzez wychwytywanie lotnych związków organicznych (VOC) w procesie zwanym adsorpcją. W praktyce cząsteczki gazu przyczepiają się do powierzchni węgla dzięki obecności licznych mikroskopijnych porów. Jeden gram węgla zawiera tysiące mikroporów o rozmiarach od mniej niż 2 nanometrów do około 50 nanometrów. Pory te nadają węglowi aktywnemu ogromną powierzchnię, wynoszącą od 1000 do 3000 metrów kwadratowych na gram, co odpowiada powierzchni dwóch do pięciu kortów tenisowych! Materiał ten wchłania szkodliwe substancje, takie jak formaldehyd, którego rozmiar wynosi około 0,45 nanometra, czy benzen o średnicy ok. 0,6 nanometra. Dzieje się tak dzięki słabym oddziaływaniom zwanym siłami van der Waalsa, a także częściowemu wiązaniu chemicznemu. Istnieje różnica między tym procesem a zwykłym pochłanianiem, w którym substancje rozpuszczają się w innej fazie. W przypadku adsorpcji cząsteczki fizycznie przyczepiają się bezpośrednio do materiału filtra.

Dlaczego filtracja chemiczna jest niezbędna wobec zanieczyszczeń gazowych w domach i biurach

Standardowe filtry HEPA wychwytują cząstki, ale nie usuwają gazowych związków VOC. Badania wykazują, że filtry z aktywnym węglem mogą eliminować 60–90% chemicznych substancji powietrza w ciągu 48 godzin. Taka filtracja chemiczna jest kluczowa w środowiskach z nowymi meblami, środkami czystości lub źródłami spalania, gdzie stężenie związków VOC może być 2–5 razy wyższe niż na zewnątrz.

Struktura porów i powierzchnia: Jak wpływają na skuteczność adsorpcji związków VOC

Mikropory a mezopory: Dopasowanie wielkości porów do wymiarów cząsteczek związków VOC

To, jak skutecznie węgiel aktywny usuwa lotne zanieczyszczenia organiczne (VOC) z wnętrza pomieszczeń, zależy przede wszystkim od tego, czy jego porowatość odpowiada wielkości zanieczyszczeń. Małe pory o rozmiarze poniżej 2 nanometrów świetnie nadają się do wiązania drobnych związków takich jak formaldehyd, którego cząsteczka ma około 0,45 nm. Większe pory, o rozmiarach od 2 do 50 nm, lepiej nadają się do przechwytywania większych cząsteczek, takich jak toluen, o wielkości około 0,67 nm. Badania z 2022 roku opublikowane w czasopiśmie Building and Environment wykazały ciekawe wyniki również w kontekście usuwania benzenu. Odkryto, że maksymalne adsorbowanie zachodzi, gdy dostępna przestrzeń mikroporów wynosi około 0,6–0,9 nm. Poprawny dobór jest bardzo ważny, ponieważ umożliwia tzw. efekt sito molekularne. Gdy wszystko jest dobrze dopasowane, węgiel wiąże więcej zanieczyszczeń, nie marnując swojego potencjału absorpcyjnego.

Powierzchnia właściwa i jej korelacja ze skutecznością filtrów w usuwaniu lotnych związków organicznych (VOC) w pomieszczeniach

Ilość przestrzeni dostępnej na powierzchni filtra węglowego bezpośrednio wpływa na liczbę cząsteczek LOT, które może on przechwycić. Filtry węglowe o powierzchniach BET powyżej 1000 metrów kwadratowych na gram zazwyczaj wykazują około 40 procent lepszą zdolność wiązania typowych zanieczyszczeń powietrza wewnętrznego. Zastanów się nad tym: każdy gram takiego węgla aktywnego ma powierzchnię zbliżoną do powierzchni 1,5 kortu tenisowego razem wziętych. Ta ogromna powierzchnia tworzy wiele miejsc, w których gazy zanieczyszczające mogą się osadzać. Testy laboratoryjne pokazują, że węgle o dużej powierzchni mogą usuwać około 98% lotnych związków organicznych, w tym substancje takie jak limonen czy ksylen, przy optymalnych warunkach. Jednak to, co dzieje się w rzeczywistości, zależy w dużym stopniu od takich czynników jak przepływ powietrza czy poziom wilgotności w środowisku.

Wgląd w dane: Powierzchnie BET przekraczające 1000 m²/g poprawiają skuteczność usuwania LOT z wnętrza pomieszczeń

Badania wykazały, że materiały węglowe o powierzchni BET przekraczającej 1200 metrów kwadratowych na gram mogą zatrzymywać około 92% lotnych związków organicznych przy stężeniach poniżej 1 części na milion objętości. To całkiem imponujące wyniki w porównaniu do zaledwie 68% retencji obserwowanej w materiałach o powierzchni 800 metrów kwadratowych na gram. Dlaczego tak się dzieje? Te lepsze rezultaty wynikają z jakości połączeń między porami w strukturze materiału. Gdy pory są lepiej ze sobą połączone, opór dla cząsteczek próbujących przywierać do powierzchni podczas procesów adsorpcji jest mniejszy. Filtry wysokiej wydajności wykonane z takich materiałów zwykle działają od sześciu do dziewięciu miesięcy w domach, co jest o około 30% dłużej niż w przypadku standardowych opcji filtrów dostępnych na rynku dzisiaj. Choć ich początkowa cena może być wyższa, większość właścicieli domów stwierdza, że te filtry rzeczywiście oszczędzają pieniądze na dłuższą metę, ponieważ wymagają mniej częstych wymian.