Улучшение качества воздуха в помещении с помощью умных добавок

При нахождении в помещении наше здоровье страдает из-за многочисленных токсинов, действию которых мы подвергаемся. Мы проводим в помещении 90% времени и даже больше, а значит подавляющая доля воздуха (3000 галлонов), которым мы дышим каждый день, - это воздух из наших домов, офисов, школ.

При нахождении в помещении наше здоровье страдает из-за многочисленных токсинов, действию которых мы подвергаемся. Мы проводим в помещении 90% времени и даже больше, а значит подавляющая доля воздуха (3000 галлонов), которым мы дышим каждый день, - это воздух из наших домов, офисов, школ.1

Для большинства из нас качество воздуха в помещениях ухудшилось из-за определенных видов мебели и синтетических материалов, которые мы теперь используем, по сравнению с более натуральными материалами, которые украшали наши дома и школы в середине ХХ века.

Исследования, проведенные Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и другими исследовательскими группами, подтверждают, что качество воздуха в помещении в среднем в 5 раз хуже, чем качество наружного воздуха.

Исследования показывают, что источником большей части загрязнений являются летучие органические вещества (ЛОВ), выделяемые из ковров, краски, морилки, клея (в деревянных и пластмассовых изделиях), компьютеров, телевизоров, обычных бытовых моющих средств, плесени и большинства отдушек (рисунок 1).1,2,3

Рисунок 1. Многочисленные источники выбросов ЛОВ в обычном доме.

Из подобных источников выделяются такие ЛОВ, как бензол, метилхлорид и формальдегид. Длительное воздействие переносимых по воздуху ЛОВ может вызвать рак, поражение печени и почек, центральной нервной системы и ослабление иммунной системы. Кроме того, была доказана тесная связь воздействия формальдегида с детской астмой и связь воздействия на материнский организм ЛОВ во время внутриутробного развития с повышенным риском появления экземы у детей.4,5 Всемирная организация здравоохранения в 2012 году сообщила, что более 1/8 смертей в мире является результатом воздействия загрязненного воздуха. Эти данные подтверждают, что загрязнение воздуха на данный момент представляет собой наибольший риск для здоровья и окружающей среды во всем мире.6

Специалисты зафиксировали, что многих химических веществ, обнаруженных в помещениях, а также в крови и моче жильцов, не было 50 лет назад.7 Эта проблема увеличивается из-за социального стремления повысить энергоэффективность внутренних конструкций. Хотя повышение энергоэффективности снижает потребление энергоресурсов, к сожалению, слишком герметичный дом накапливает ЛОВ, и многое зависит от систем принудительной вентиляции, которые обеспечивают обмен загрязненного внутреннего воздуха на более качественный наружный. Доктор Бретт Сингер из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли заявляет: “Мы хотим, чтобы люди поняли, что они живут в коробке; все выделяемые химические вещества и продукты сгорания остаются там, с вами”.8

Организации и потребители, на глобальном уровне, получают больше информации об опасности длительного воздействия ЛОВ, содержащихся в воздухе внутри помещений. Централизованные и переносные устройства очистки воздуха появились на рынке 20 лет назад для борьбы с аллергенами, загрязнителями и плохого качества воздуха в целом.9 Лакокрасочная промышленность предпринимает активные действия по снижению выбросов ЛОВ из своей продукции, а также осваивает технологии умных покрытий, которые смогут поглощать содержащиеся в воздухе ЛОВ.

Рынок архитектурных покрытий продолжает расширяться в связи с развитием глобальной урбанизации и строительства. На протяжении ряда лет многие производители лакокрасочной продукции активно приветствовали инновации в архитектурных покрытиях, что привело к повышению осведомленности в обществе об экологически безопасных продуктах.10

В результате появился новый сегмент рынка с растущим спросом на краски с низким содержанием ЛОВ. Эти экологичные продукты стали приоритетными при разработке новой продукции на рынке красок и покрытий. Экологически чистые покрытия становятся важнейшей категорией покрытий, обеспечивающих защиту окружающей среды. Они менее токсичны и более устойчивы; на их долю приходится 9 миллиардов долларов мировой лакокрасочной промышленности.11

АКТИВНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ЛОВ

Материалы, пассивно удаляющие загрязнения, для функциональных и активных покрытий - это перспективный и заманчивый способ существенно улучшить качество воздуха в помещении. Покрывая стены и потолок в комнате, можно удалять загрязнения гораздо эффективнее, чем при использовании портативных воздухоочистителей, в основном благодаря большему взаимодействию воздуха с окрашенными поверхностями. Выполнено уже множество исследований материалов для удаления озона.12

Некоторые компании продают аддитивную технологию нанесения краски, активно поглощающей или фотокаталитически снижающей содержание ЛОВ в воздухе внутри помещений. Такие продукты имеют различные заявленные эксплуатационные характеристики.

При выборе этих продуктов, вероятно, следует опираться на подтвержденные эксплуатационные данные. В качестве примера можно назвать краску для внутреннего применения Climasan® (компания Sto Corporation, Штюлинген, Германия), в которой используется фотокаталитическая технология для нейтрализации запахов и снижения уровня ЛОВ. Компания использует запатентованный катализатор видимого света; и хотя краска изготавливается на основе акриловой смолы, она является высоконаполненной. Компания не рекомендует использовать продукт в условиях повышенной влажности, например, в ванных комнатах и кухнях.

Другая компания, Boysen Paints (Манила, Филиппины), разработала линейку продуктов под названием KNOxOUT® Air Cleaning Paint.

CrystalActiv® - это технология с применением наночастиц диоксида титана. Содержащийся в этой краске диоксид титана - известный УФ-фотокатализатор, который способен разрушать различные органические молекулы. Краска предназначена только для наружного применения в связи с необходимостью УФ-излучения. Компания Boysen нацелилась на NOx (оксид азота (NO) и диоксид азота (NO2), которые посредством фотокатализа можно окислить до нитратов (NO3), гораздо менее токсичных соединений.

Компания Dow Chemical Company (Мидленд, штат Мичиган) продает технологию удаления формальдегида Formashield™, специально разработанный полимер, который реагирует с альдегидами, удаляя их из воздуха внутри помещений.

Эта технология для красок направлена на удаление формальдегида из окружающей среды внутри помещений. Для работы Formashield не требуется свет, однако со временем он становится насыщенным и теряет свои способности. Его срок службы зависит от концентрации альдегидов в воздухе; чем хуже окружающая среда, тем быстрее произойдет насыщение и упадет функциональность.

Компания Sherwin-Williams (Кливленд, штат Огайо) продает краску Harmony, содержащую цеолитовые добавки для абсорбции ЛОВ. Подобно Formashield, после насыщения она больше не может поглощать ЛОВ. Чем больше содержание ЛОВ в окружающей среде, тем быстрее произойдет насыщение.

НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Компания Diatomix разработала собственную технологию покрытий для удаления ЛОВ, содержащихся в воздухе внутри помещений, по которой подана заявка на патент.

Благодаря сочетанию диатомита с высокой удельной поверхностью и разработанного нами фотокатализатора, наша технология позволяет использовать источники внутреннего освещения для удаления ЛОВ. Неспецифический катализатор обеспечивает минерализацию (превращение органических молекул в CO2 и H2O) практически всех ЛОВ, которые классифицированы EPA как опасные загрязнители воздуха.13,14 Диатомит – оптимальное вещество для нашего катализатора, поскольку состоит из стекла и, как было доказано, абсорбирует ЛОВ, повышая объем разрушения ЛОВ, находящихся в непосредственной близости или в контакте с катализатором. Кроме того, диатомовые водоросли почти вдвое лучше поглощают свет, поскольку они по своей природе являются светопоглотителями для хлорофила, зеленого пигмента растений. В запатентованном процессе нанесения покрытий катализатор осаждается преимущественно в порах диатомовых водорослей, где концентрируется свет. Это сочетание абсорбции ЛОВ и светопоглощения обеспечивает эффективное удаление загрязнителей воздуха, которое может действовать непрерывно в присутствии света.

Как показано на рисунке 2, синтезированные частицы катализатора прочно закреплены на поверхности биокремнезема. Анализируя побочные продукты разложения ЛОВ, специалисты компании Diatomix обнаружили, что панцири диатомовых водорослей, украшенные фотокатализатором, быстро улавливают и химически преобразуют ЛОВ в воду и диоксид углерода, в непрерывном режиме в присутствии света.

Рисунок 2. Растровая электронная микроскопия (РЭМ) диатомовых водорослей с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией частиц фотокатализатора, закрепленных на диатомитовом биокремнеземе.

Полное превращение ЛОВ и других соединений в CO2 и воду называют минерализацией. Важно, что наша система может полностью минерализовать ЛОВ, поскольку это ключевой фактор, отличающий ее от других технологий удаления ЛОВ.

Рисунок 3. Непрерывный цикл разрушения ЛОВ, захваченных диатомовыми водорослями с частицами катализатора.

На рисунке 3 представлена упрощенная схема этого эффекта и механизм действия катализатора в качестве возобновляемого процесса.

Многие добавки, разлагающие ЛОВ, разработаны на основе наночастиц, в том числе и Diatomix.  Безопасность - это важный фактор, который все еще не до конца исследован в отношении наночастиц.

Преимущество иммобилизации наночастиц катализатора на диатомовых водорослях заключается в том, что насыщенные и неподвижные наночастицы существенно снижают проблемы со здоровьем и защитой окружающей среды.

Наша компания наметила своей целью частицы размером больше 10 мкм, выходящие за пределы не только наночастиц, но и за пределы размера, опасного для вдыхания. Многие корпорации опасаются продавать продукцию, изготовленную с использованием нанотехнологий, до тех пор, пока не будут проведены долговременные исследования, доказывающие ее безопасность. В то же время, добавка Diatomix - это частица микронного размера, которая исключает опасность вдыхания.

Микронный размер и механизм непрерывного действия отличают ее от других продуктов на рынке.

ХАРАКТЕРИСТИКИ

Разумеется, точные данные и эксплуатационные испытания необходимы партнерам по сбыту и потребителям для любого функционального покрытия на рынке. Для поставщика технологий и партнера по сбыту, который продвигает функциональную добавку, важно опираться на заявленные характеристики продукта.

Мы провели испытания по удалению ЛОВ в сотрудничестве с лабораториями Парка исследовательского треугольника (RTP) (Роли, штат Северная Каролина). RTP является независимым исследовательским центром. Это исследование выполнялось в соответствии с протоколом стандарта ASTM D6670 по определению одновременного уменьшения содержания двух ЛОВ, часто обнаруживаемых в помещениях (2-бутанол и формальдегид), при воздействии на окрашенную поверхность стены. Исследование RTP показало, что добавка Diatomix в составе краски смогла значительно сократить концентрацию 2-бутанола и формальдегида в условиях освещения белыми светодиодными лампами в контролируемой имитационной камере для климатических испытаний и при сравнении с контрольной краской (тот же состав краски, но без добавки) (рисунок 4).

Рисунок 4. Независимые испытания, показывающие быстрое удаление ЛОВ в испытательной камере объемом 3,62 м3 (132 фута3) с одной стороны камеры, включая панель из гипсокартона 1,2 x 2,4 м (4 x 8 футов), окрашенную краской Diatomix. На графиках: синяя линия (квадраты) = исходные данные (камера без окрашенной панели); зеленая линия (круги) = контрольная краска, т.е. сторонняя матовая краска, не содержащая добавку Diatomix; красная линия (крестики) = сторонняя матовая краска, содержащая добавку Diatomix.

После 3 часов выдержки краска Diatomix сократила концентрацию 2-бутанола на 32%, а формальдегида на 56%. После 24 часов выдержки краска Diatomix смогла сократить концентрацию 2-бутанола на 91%, а формальдегида на 92%. Следует отметить, что краска проявляет естественную втягивающую способностью при первом воздействии многих ЛОВ, таких как формальдегид, но этот процесс прекращается без функциональной добавки, которая действует непрерывно.

ВЫВОДЫ

Качество воздуха в помещении обычно гораздо хуже, чем на улице, в основном из-за мебели, поверхностей и покрытий, которые выделяют в воздух ЛОВ.

Внутриквартирная сред - это динамичная и сложная система, которая требует применения множества решений для улучшения (и сохранения) качества воздуха в помещении. С учетом того, что использование синтетических материалов продолжает расширяться, качество воздуха в помещениях будет оставаться актуальной проблемой.

Функциональные покрытия представляют собой перспективные и жизнеспособные средства для удаления загрязнителей воздуха внутри помещений, существенную площадь поверхности которых представляют стены, потолки, двери и полы, которые могут служить “носителями” для удаления ЛОВ. Бесспорно, на рынке имеются воздухоочистители, которые удаляют ЛОВ, содержащиеся в воздухе внутри помещений, но функциональные отделочные и напольные покрытия более эффективно удаляют загрязнения, чем портативные воздухоочистители. Последние технологические разработки, такие как добавка Diatomix для непрерывного удаления ЛОВ, а также другие функциональные добавки для покрытий, представленные на рынке, по всей видимости, выходят на передний план этого развивающегося сектора лакокрасочной промышленности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. Загрязнение воздуха, Агентство по охране окружающей среды США https://developer.epa.gov/airpollution/
  2. Самет, Дж.М.; Марбери, М.К.; Спенглер, Дж.Д. Воздействие на здоровье и источники загрязнений воздуха в помещениях. Часть I, журнал Am. Rev. Respir. Dis. 1987, 136 (6), 1486-1508.
  3. Самет, Дж.М.; Марбери, М.К.; Спенглер, Дж.Д. Воздействие на здоровье и источники загрязнений воздуха в помещениях. Часть II, журнал Am. Rev. Respir. Dis. 1988, 137 (1), 221-242.
  4. МакГуин, Г.; Лиенерт, Дж.; Кеннеди, Дж.И. Воздействие формальдегида и астма у детей: систематический обзор. Журнал Environ. Health Perspect. 2010, 118 (3), 313-317.
  5. Хербарт, О.; Фриц, Г.Дж.; Рехваген, М.; Ричтер, М.; Родер, С.; Шлинк, У. Взаимосвязь между ремонтными работами в помещениях и экземой в раннем детстве. Журнал Int. J. Hyg. Environ. Health 2006, 209 (3), 241-247.
  6. ВОЗ, 7 миллионов преждевременных смертей ежегодно связано с загрязнением воздуха. http://www.who.int/mediacentre/news/releases/2014/air-pollution/en
  7. Вешлер, К.Дж. Изменения в загрязнении воздуха в помещениях с 1950-х годов. Журнал Atmos. Environ. 2009, 43 (1), 153-169.
  8. Нотман, Н. Каждый вздох, который вы делаете. Журнал Chemistry World. 24 ноября 2017 г.
  9. Волосзин, М.; Каламис, Т.; Оливер Абади, М.; Стиман, М.; Сасик Калагазидис, А. Влияние сочетания систем вентиляции, чувствительных к относительной влажности, с влагоемкими материалами на климат помещений и энергоэффективность зданий. Журнал Build. Environ. 2009, 44 (3), 515–524.
  10. Рынок добавок для покрытий по функциональности, применению, составу и типам - 2021. Компания Markets and Markets http://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/coatingadditivesmarket-1268.html
  11. Десять лучших лакокрасочных компаний в мире. Годовой обзор 2015. http://www.wpcia.org
  12. Крос, К., Моррисон, Г.К., Сигел, Дж.А., Корси, Р.Л. Долговременная характеристика пассивных материалов для удаления озона из воздуха внутри помещений, журнал Indoor Air 2012, 22(1): 43-53.
  13. Агентство по охране окружающей среды США. Основной список опасных загрязнителей воздуха с изменениями https://www.epa.gov
  14. Хуан, И.; Хо, С.С.Х.; Лу, И.; Ню, Р.; Су, Л.; Цао, Ж.; Ли, С. Удаление летучих органических веществ, содержащихся в воздухе внутри помещений, с помощью фотокаталитического окисления: краткий обзор и перспективы. Журнал Molecules 2016, 21 (1), 56.