Un protocolo para determinar la eficacia de fotocatalizadores en degradantes carbonos orgánicos volátiles modelo de concentración (ppb) aire de interior tales como 2-propanol se describe.
Demostramos un protocolo versátil para ser utilizado para determinar la eficacia de fotocatalizadores en degradantes aire concentración (ppb) volátiles orgánicos los carbones (COV), que ilustra esto con un catalizador de dióxido de titanio basado y el VOC 2-propanol. El protocolo aprovecha de la espectroscopia de movilidad campo ion asimétrica (FAIMS), una herramienta de análisis que es capaz de identificar continuamente y control de la concentración de COVs tales como 2-propanol y acetona en el nivel de ppb. La naturaleza continua de FAIMS permite análisis cinético y las reacciones a largo plazo, que ofrece una considerable ventaja sobre cromatografía de gases, un proceso por lotes utilizado tradicionalmente en la caracterización de purificación de aire. El uso de FAIMS en purificación de aire fotocatalítico sólo recientemente se ha utilizado por primera vez, y con el protocolo que se ilustra aquí, la flexibilidad en permitir alternativas VOCs y fotocatalizadores a probarse utilizando protocolos comparables ofrece un único sistema para aclarar las reacciones de purificación de aire fotocatalítico en bajas concentraciones.
La calidad del aire interior ha llegado recientemente a la vanguardia. Tal vez sorprendentemente, aire interior contiene un mayor número de carbonos orgánicos volátiles (COV) y en concentraciones más altas que el aire al aire libre. 1 con la gente que gasto más de 80% de su tiempo en interiores, en lugares como residencias, lugares de trabajo y transporte como coches, trenes y aviones, calidad del aire puede ser un verdadero problema. Muchos de los COVs en aire interior son mutagénicos o carcinogénicos,2,3 y así la eliminación de estos es una prioridad clave, especialmente como los fenómenos de ‘síndrome del edificio enfermo’ pueden llevar a problemas de salud y pérdida de producción a través del tiempo de trabajo . 1 dispositivos de purificación de aire pueden incluir un fotocatalizador, donde un semiconductor, invariablemente dióxido de titanio (TiO2), activado con luz UV, degrada los compuestos orgánicos volátiles mediante un proceso de oxidación de la foto. Fotocatálisis es un área creciente de investigación, con aplicaciones en el agua de separación para la producción de hidrógeno y contaminante degradación4,5,6,7; purificación del aire es un área especialmente activa debido a la viabilidad comercial de esta aplicación8. Sin embargo, es difícil detectar compuestos orgánicos volátiles en concentraciones que están presentes en el aire (normalmente ppb). Con la cinética de la reacción fotocatalítica siguientes Langmuir Hinshelwood cinética9, la efectividad del fotocatalizador en degradantes compuestos orgánicos volátiles en altas concentraciones no es representativo de su efectividad a bajas concentraciones. Aquí describimos un sistema versátil y protocolo para determinar la eficacia de fotocatalizadores en degradar compuestos orgánicos volátiles en tantas bajas concentraciones usando la espectroscopia de movilidad de iones asimétricos de campo (FAIMS), ilustrar esto con un TiO2 base fotocatalizador y el modelo VOC 2-propanol.
Un flujo de gas de ionización, FAIMS se separa e identifica iones químicos basados en su movilidad en un campo eléctrico variable en la presión atmosférica10,11,12. Moléculas con afinidad alta protón, tales como compuestos orgánicos volátiles son adecuadas para ser separados y detectados por FAIMS, con partes por billón (ppb) resolución y en concentraciones de MPP13. Capaz de monitorear continuamente VOCs múltiples al mismo tiempo, es un análisis ideal para uso en la purificación de aire fotocatalítico de prueba, como además para monitoreo de VOC utilizado como agente contaminador. FAIMS también puede detectar productos intermedios u otros productos de COV con una afinidad alta de protones de la reacción fotocatalítica, un requisito clave en probar que el fotocatalizador es eficaz, como si la degradación es incompleta, algunos de los compuestos orgánicos volátiles producidos pueden ser tan tóxicos o más tóxicos que los VOC están degradando.
FAIMS se ha utilizado recientemente por primera vez en fotocatalítica de aplicaciones de purificación de aire14, y aunque no sugiriendo que FAIMS es superior a la cromatografía de gases, claramente ofrece una alternativa versátil, que tiene el potencial de ser un potente herramienta en el estudio de purificación del aire. Aquí ilustramos esta técnica con un protocolo con la foto-oxidación del 2-propanol con un fotocatalizador de dióxido de titanio en. Para generar 2-propanol en el aire interior tubos de permeación del nivel de concentración son usados15. Consisten en un tubo PTFE que contiene el líquido VOC, que es sellado y prensado en ambos extremos, con un flujo constante, la VOC contenida dentro del tubo sellado de impregnación de PTFE se difunde a un ritmo constante, en concentraciones comparables al aire interior. Este flujo se pasa a una cámara de reacción que contiene el fieltro y entonces en el analizador FAIMS, donde pueden determinarse la identidad y la cuantificación de la VOC. FAIMS permite la concentración de 2-propanol a determinarse y a través de una biblioteca de espectros de saber compuestos orgánicos volátiles, la identidad de más compuestos orgánicos volátiles producidos durante la reacción de foto tales como acetona, determinado mediante la comparación de sus espectros con la biblioteca. Una ventaja clave de esta técnica es su flexibilidad: simplemente cambiando el tubo de permeación o catalizador, pueden probarse alternativas VOCs y catalizadores.
El protocolo describe una manera eficaz de determinar la efectividad del catalizador basado en óxido de titanio, determinando su comportamiento en la degradación de un modelo VOC, 2-propanol, bajo iluminación UV. Usando FAIMS, la cantidad de 2-propanol se puede supervisar continuamente a lo largo de la reacción, además de otros productos de COV que se pudieran producir en la reacción a concentraciones comparables al aire interior. Esta naturaleza continua difiere significativamente de la cromatografía de gases, usado tradicionalmente para controlar la purificación de aire fotocatalítico, que utiliza un proceso por lotes. Un sistema de GC/MS caro, sensible generalmente es necesaria para determinar la concentración de VOCs en tales concentraciones bajas, y un análisis detallado de los productos de la oxidación de la foto generalmente requiere más procesamiento de los productos de la oxidación de la foto, tal como adsorción en carbón activado los productos y luego los desorbing en el espectrómetro de masas. Aunque la espectrometría de masas es capaz de detectar todos los productos, una limitación de FAIMS es que pueden detectarse sólo productos con afinidad alta protón. FAIMS es excelente en la determinación de compuestos orgánicos volátiles de baja concentración, pero puede estar saturado en concentraciones más altas, que limita el sistema para aplicaciones de nivel de concentración de aire interior. Las ventajas de hace FAIMS que el sistema descrito aquí una herramienta eficaz y sencilla que puede proporcionar penetraciones en reacciones fotocatalíticas que cromatografía de gases es limitado en el logro.
Con el sistema FAIMS que se describe aquí, aire grado médico es utilizado como el gas de flujo. Con el sistema FAIMS siendo tan sensible, de alta calidad del aire es fundamental para permitir la oxidación de la foto ser analizada. Esto asegura que los productos detectados son del proceso de oxidación de la foto. Asimismo, es importante garantizar es que no hay fugas en el sistema, como aire de laboratorio generalmente contiene compuestos orgánicos volátiles en concentraciones el FAIMS es capaz de detectar. Los Consumibles Listados para la configuración del sistema proporcionan un sistema fiable y monitoreo continuo durante un período de días no ha indicado componentes orgánicos volátiles detectables cuando sin catalizador o tubo de permeación está presente.
Mientras que el sistema es simple, es también muy flexible – alternativa VOCs se puede probar de esta manera, haciendo simplemente una tina de impregnación que contenga la VOC alternativa, como etanol, acetona, tolueno y siguiendo el protocolo. Reacciones fotocatalíticas son a menudo afectadas por la humedad. El sistema desarrollado aquí opera bajo baja humedad; sin embargo, la prueba puede realizarse en más humedades compran introducir un humidificador al sistema. Dependiendo de la VOC utilizado, puede dar lugar a la sensibilidad de la FAIMS se reduce, pero eficaz de prueba puede llevarse a cabo. 16
La naturaleza continua de FAIMS destaca una ventaja sobre cromatografía de gases, que tradicionalmente se utiliza para determinar la efectividad del fotocatalizador en purificación de aire. 16 , 17 cromatografía de Gas utiliza un proceso por lotes para recoger y analizar muestras de aire; FAIMS, con carácter continuo, permite una mirada más detallada en la cinética de la reacción fotocatalítica, que puede ser difícil de interpretar con la técnica de cromatografía de gas de lote. La simplicidad de FAIMS es otra ventaja. Para llevar a cabo el análisis complejo de múltiples FAIMS VOCs es capaz de, el cromatógrafo deberá vincularse a un espectrómetro de masas, que puede ser costosos y requieren un procesamiento adicional. Además, para llevar a cabo las reacciones a largo plazo con un cromatógrafo de gases, un sistema automatizado de caro sería toma de muestras intensiva requiere o laboral; no es el caso con FAIMS.
La naturaleza continua de FAIMS ofrece ventajas significativas sobre la cromatografía de gases que pueden ser utilizados para obtener una mayor comprensión de los procesos de fotocatálisis en estas concentraciones de MPP. Por otra parte, la configuración simple aquí es flexible, permitiendo alternativas fotocatalizadores y VOCs a probarse en condiciones comparables, mejorar la comprensión de los procesos fotocatalíticos.
The authors have nothing to disclose.
Los autores agradecemos el apoyo financiero de la ERC, bajo concesión número 259619 EM foto y número de concesión 620298 foto aérea (prueba de concepto).
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 |