Por Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Catalisador de base de óxido de titânio comum: TiO2
Em química, o PCO é a aceleração de uma fotorreacção na presença de um catalisador. Na fotólise catalisada, a luz é absorvida por um substrato adsorvido. A atividade fotocatalítica depende da capacidade do catalisador de criar pares elétron-hole, que geram radicais livres (radicais hidroxila: OH) capazes de sofrer reações de oxidação. A sua compreensão tem sido possível desde a descoberta da electrólise da água por meio do dióxido de titânio. A aplicação comercial do processo é denominada Processo Avançado de Oxidação (AOP) e é utilizada para tratamento de água.
O dióxido de titânio, particularmente na forma anatase, é um fotocatalisador sob luz ultravioleta. Recentemente foi descoberto que o dióxido de titânio, quando perfurado com iões de azoto, ou dopado com óxido de metal como o trióxido de tungsténio, é também um fotocatalisador sob luz visível e ultravioleta. O forte potencial oxidativo dos furos positivos oxida a água para criar radicais hidroxil. Ele também pode oxidar diretamente oxigênio ou materiais orgânicos. O dióxido de titânio é assim adicionado a tintas, cimentos, janelas, azulejos ou outros produtos para esterilização, desodorização e propriedades antivegetativas e é também utilizado como catalisador de hidrólise.
Embora esta tecnologia pareça perfeitamente transponível para o ar, há uma grande ressalva prática que surgiu recentemente: o óxido de titânio está a ser “envenenado” pela sílica e a sua vida útil está severamente prejudicada. Após algum tempo mais longo de experiência desta tecnologia no ar, foi observado que o PCO iria gradualmente decair e perder a maior parte do seu potencial oxidativo dentro de um ano ou menos.
O efeito da sílica como neutralizador de óxido de titânio é bem conhecido na indústria de proteção solar. Cada filtro solar com um bloqueador físico contém dióxido de titânio devido à sua forte capacidade de absorção da luz UV, impedindo assim que os raios UV cheguem à pele. Os protectores solares concebidos para bebés ou pessoas com pele sensível são frequentemente baseados em dióxido de titânio e/ou óxido de zinco, uma vez que estes bloqueadores UV minerais são menos susceptíveis de causar irritação da pele do que os ingredientes químicos de absorção UV, como a avobenzona.
No entanto, para evitar a criação de radicais cancerígenos na pele devido à actividade da reacção fotocatalítica, as partículas de dióxido de titânio utilizadas nos protectores solares são intencionalmente revestidas com sílica. A adição de sílica neutraliza efetivamente as propriedades fotocatalíticas do óxido de titânio, tornando o protetor solar inofensivo.
Porque a sílica é comumente encontrada em aplicações domésticas como calafetagem e muitos outros materiais, o óxido de titânio PCO está contaminado com sílica e perderá metade de sua atividade dentro de três meses. Isto significa que após 6 meses, a eficiência será reduzida para 50%, após 9 meses para 25% de eficiência e após um ano para apenas 12,5%. Deixará então de proporcionar um desempenho adequado como dispositivo de purificação do ar. Esta é a principal razão pela qual empresas sérias estão agora dando um passo atrás e até mesmo se afastando das maravilhosas promessas de PCO à base de óxido de titânio comum como solução para remoção de odores.
Nova Oxidação Fotocatalítica de Cobalto (Co-PCO)
Utilizar a luz UV para obter ar limpo e recursos hídricos através da oxidação fotocatalítica é uma meta dos cientistas em todo o mundo(1,2,3) nas últimas duas décadas. Fotocatálise é um termo amplamente genérico que se aplica à reação de oxidação química permitida pelo catalisador ativado por fótons, comumente chamado de PCO na indústria de purificação do ar.
O catalisador PCO consiste em um semicondutor de óxido metálico, geralmente óxido de titânio (TiO2), com uma banda de energia que permite a absorção de fótons ultravioleta para gerar pares de fótons chamados de “locais ativos” que podem iniciar a reação química. Para o óxido de titânio PCO, o intervalo de energia está centrado em fótons de 360 nm, que se encontram no meio da faixa UV-A (315-400 nm). Isto está bastante longe da faixa UV-C das lâmpadas germicidas comuns que emitem a maior parte de sua energia fotônica a 254 nm de comprimento de onda e, como tal, explica parcialmente a eficiência bastante enganadora dos purificadores de ar PCO atuais à base de óxido de titânio utilizando lâmpadas de mercúrio de baixa pressão. Esta baixa eficiência é responsável principalmente pela formação de subprodutos perigosos, como o formaldeído. Outra barreira importante para a implementação do PCO real é a sua curta vida útil devido ao envenenamento do catalisador por sílica. A sílica, que é o principal constituinte da areia comum, é omnipresente no nosso ambiente diário. Os siloxanos foram identificados como a causa raiz da atual desativação do PCO(4). Como a desativação reduz o número de locais ativos disponíveis, a oxidação incompleta torna-se prevalente, promovendo a produção de subprodutos.
O efeito fundamental da adição de óxido de cobalto é o de deslocar a fenda da banda de energia do catalisador para fótons de maior energia mais próximos aos fótons de 254 nm emitidos por lâmpadas de mercúrio de baixa pressão. Com uma capacidade de absorver a energia mais elevada, o catalisador enriquecido com cobalto fornece atividade fotocatalítica suficiente para oxidar completamente os COVs domésticos(5,6) e evitar a formação transitória de formaldeído, acetaldeído e outros subprodutos incompletamente oxidados. Vale ressaltar que a maior abertura da banda ativa de energia do catalisador de cobalto é muito maior do que o óxido de titânio propriamente dito e foi considerado quase insensível ao envenenamento por sílica. Os testes reais não mostraram nenhum declínio significativo na atividade do catalisador de cobalto após um ano completo de serviço.