Fotokataliza a wirusy

W czasie powszechnego zagrożenia spowodowanego przez Covid-19 wzrosło zainteresowanie nie tylko lekami i środkami do odkażania. Na całym świecie prowadzi się liczne prace nad wieloma zaawansowanymi technologiami, które mogą pomóc zmniejszyć skutki pandemii. Dziś, w tym kontekście opowiemy o farbach fotokatalitycznych.

Wirusy stanowią szczególne zagrożenie, gdyż nie można zastosować zwykłych środków chemicznych wpływających na ich metabolizm (np. antybiotyków – jak to się dzieje w przypadku bakterii). Przetrwanie wirusów i innych drobnoustrojów na powierzchniach i urządzeniach medycznych prowadzi do przenoszenia chorób szpitalnych. Nie mniej groźna sytuacja jest w pomieszczeniach mieszkalnych (naszych własnych domach) oraz w obiektach użyteczności publicznej. Szkoły, teatry, kina, biura, centra handlowe, lotniska, dworce kolejowe, itp. – we wszystkich tych miejscach ma styczność ze sobą duża liczba osób, a wśród nich również i nosiciele wirusów. Jak w związku z tym zadbać o to, aby ograniczyć rozprzestrzenianie się chorób?

Technologia przeciwko wirusom

Poza lekami i środkami czystości dostępne są technologie, które skutecznie wspierają działanie przeciwko wirusom. Tak, technologie mogą mieć wpływ na ograniczenie pandemii. Jednym z takich technologicznych rozwiązań jest zastosowanie powłok z farb fotokatalitycznych TITANIUM®, które działają oczyszczająco i destrukcyjnie na wirusy oraz inne drobnoustroje. Ich producentem jest firma PIGMENT.

Powłoki farb TITANIUM® są fotoaktywne. Ta ich właściwość ogranicza rozprzestrzenianie się drobnoustrojów w pomieszczeniach, w których powierzchnia ścian i sufitów pomalowana została tymi farbami. Pamiętajmy, że infekcje wywołane przez drobnoustroje rozprzestrzeniają się drogą kropelkową, czyli przez kichanie i kaszel. To nieco rozjaśnia sprawę.

Czym jest fotokataliza i co to są fotokatalizatory?

O katalizatorach po raz pierwszy mogliście usłyszeć w szkole na lekcjach chemii. Niektórzy kojarzą katalizatory z mechaniką pojazdową, ponieważ jest to też część samochodowa. W tym kontekście katalizator odpowiada za oczyszczanie spalin. Ale czym jest konkretnie fotokataliza i co to są fotokatalizatory?

Zgodnie z definicją fotokataliza jest procesem chemicznym, który inicjuje reakcję chemiczną lub zmienia jej szybkość przy udziale światła i w obecności substancji nazywanej fotokatalizatorem. Zjawisko to wykorzystuje się do poprawy stanu powietrza w otoczeniu człowieka, ponieważ potrafi unieszkodliwić bakterie, wirusy, grzyby i pleśnie. Unieszkodliwia również odór i lotne związki organiczne.

Mechanizmy fotokatalityczne oparte na TiO2 i mikrobiologiczna dezaktywacja poprzez wytwarzanie reaktywnych form tlenu.

Dwutlenek tytanu jako fotokatalizator

Fotokataliza nie jest procesem chemicznym znanym od wczoraj, lecz od dziesiątek lat. Już w 1921 roku poznano właściwości dwutlenku tytanu (TiO2) jako fotokatalizatora. Jednak ta jego cecha przez kolejne lata nie była zbyt doceniana. Zaczęto zastanawiać się nad tym ponownie, kiedy to w 1972 roku przez Fujishima i Honda została opublikowana praca o fotoelektrolizie wody. Wkrótce po tym zaczęto stosować fotokatalizę do oczyszczania ścieków i wody pitnej, uzdatniania wody w przemyśle spożywczym oraz do utleniania zanieczyszczeń. Powstał również powlekany dwutlenkiem tytanu filtr do oczyszczania powietrza. Mnóstwo kolejnych badań wykazało, że fotokataliza jest również skuteczna w dezynfekcji wody zajętej przez bakterie. Co ciekawe, odkryto także jej potencjał w niszczeniu komórek rakowych. Nas interesują natomiast właściwości związku TiO2 w powłokach malarskich.

Przeciwwirusowe działanie fotokatalizatora TiO2 według badań

Chociaż przeciwwirusowe działanie fotokatalizy w dobie koronawirusa nabiera nowego znaczenia, publikacje na ten temat pojawiały się już przed pandemią. Właściwości te wykazali m.in. Japończycy, opisując fotokatalizę przy użyciu nanocząstek TiO2 w odniesieniu do dezynfekcji wirusa grypy (Photocatalytic inactivation of influenza virus by titanium dioxide thin film – R. Nakano, H. Ishiguro, Y. Yao, J. Kajioka, A. Fujishima, K. Sunada, M. Minoshima, K. Hashimoto, Y. Kubota – “Photochemical and Photocatalytical Science”, 2012).

Kilka lat później potwierdzono, że fotokatalizator złożony z TiO2 oraz metali przejściowych (żelaza, magnezu i manganu) oddziałuje na wirusa grypy H1N1. Testy wykazały, że w ciągu 30 minut zniszczył on wirusa w ponad 99 procentach. Informacje na ten temat opublikowano w pracy Extermination of influenza virus H1N1 by a new visible-light-induced photocatalyst under fluorescent light (Sei-Young Choi Bongrae Cho – “Virus Research” – 2018). W tej publikacji stwierdzono również, że ów fotokatalizator może być stosowany do powlekania tworzyw sztucznych, ścian oraz tapet. W pomieszczeniach powoduje zmniejszenie przenoszenia się wirusa drogą kropelkową i przez aerozole, jak również przez kontakt powierzchniowy.

Ponadto udowodniono, że na fotokatalizatorze złożonym z czystego TiO2, po naświetleniu go promieniowaniem UVA po 30 minutach uzyskiwana jest 90-procentowa dezaktywacja wirusa grypy A (H3N2), natomiast na TiO2 modyfikowanym platyną dochodzi do 99,8-procentowej dezaktywacji tego wirusa. Wyniki te znalazły się w publikacji naukowej E.A. Kozlov i innych: Inactivation and Mineralization of Aerosol Deposited Model Pathogenic Microorganisms over TiO2 and Pt/TiO2 (Environmental Science and Technology, 2010, 44, 512-51-26).

Rozległe badania na temat właściwości dwutlenku tytanu przeprowadzili I opublikowali w pracy również: R. Nakano, M. Hara, H. Ishiguro, Y. Yao, T. Ochiai, K. Nakata, T. Murakami, J. Kajioka, K. Sunada, K. Hashimoto, A. Fujishima, Y. Kubota (Broad Spectrum Micro-bicidal Activity of Photocatalysis by TiO₂ – “Catalysts, 2013”). W czasie przeprowadzonych testów dezaktywacji w tym wypadku uległ wirus grypy (wirus w otoczce) oraz kaliciwirus kotów.

Zarówno te przytoczone, jak i wiele innych badań jednoznacznie potwierdza, że fotokatalizatory przeciwdziałają wielu szkodliwym patogenom. Na świecie w dalszym ciągu prowadzone są intensywne prace w tym kierunku.

Czy dwutlenek tytanu w farbach jest bezpieczny?

Faktem jest, że nie wszystkie znane dotąd fotokatalizatory były bezpieczne dla zdrowia. Na przykład dezynfekcja związkami chloru powodowała pojawienie się rakotwórczych produktów ubocznych. Większy nacisk na kwestie związane z bezpieczeństwem wywarły dopiero zmiany w przepisach dotyczących jakości wody. Po tych zmianach jako alternatywę chloru zaczęto stosować ozon. Jest to dość kłopotliwe z racji na to, że w przypadku ozonu szybko dochodzi do połowicznego rozpadu, dlatego jego działanie nie jest wystarczająco trwałe. Ponadto użycie go jako fotokatalizatora wiąże się z posiadaniem nietaniego generatora ozonu.

Inaczej sprawa wygląda z dwutlenkiem tytanu użytym w materiałach budowlanych. Wtedy jest to grupa tzw. materiałów fotoaktywnych, które rozkładają zanieczyszczenia i mikroorganizmy na swojej powierzchni na substancje bezpieczne takie jak dwutlenek węgla i woda. Dzieje się to pod wpływem promieniowania UV oraz promieniowania widzialnego generowanego nawet przez zwykłe żarówki oświetleniowe. Co najważniejsze, w przeciwieństwie do typowych preparatów chemicznych, materiały fotoaktywne nie wytwarzają toksycznych związków w procesie ubocznym, a mimo to zapewniają ciągłą i skuteczną dezynfekcję otoczenia.

Materiały fotoaktywne w użytku komercyjnym

Farby fotokatalityczne TITANIUM® to materiały dedykowane służbie zdrowia, używane w szpitalach, gabinetach lekarskich, itp. jako pokrycia ścian i sufitów. A skoro są w tych miejscach skuteczne, dlaczego nie miałyby się sprawdzić w pomieszczeniach mieszkalnych? Tu także mogą pomóc w ograniczeniu zakażeń poprzez oczyszczanie powietrza z drobnoustrojów.

Farby tworzą powłoki fotokatalityczne. Fotokatalizator stosowany jako powłoka ścian, sufitów, ale również płytek ściennych i innych powierzchni płaskich realnie przyczynia się do zmniejszenia zakażeń poprzez kontakt pośredni. Powierzchnie te są samoczyszczące i dezynfekcyjne, a pokrywająca je powłoka z TiO2 zapobiega rozprzestrzenianiu się drobnoustrojów przenoszonych drogą kropelkową, takich jak wirusy grypy.

Wirus grypy (fot. Shutterstock)

Aplikacja tak prosta, jak w przypadku zwykłych farb

Farby fotokatalityczne z serii TITANIUM® są tak łatwe w użyciu, jak każda zwykła farba ścienna. Do ich aplikacji nie potrzeba ani specjalnych technologii, ani specjalnego sprzętu – wystarczy pędzel, wałek lub natrysk. Są to farby wodorozcieńczalne, dlatego nie mają drażniącego zapachu, a użyty do ich nałożenia sprzęt można umyć czystą wodą. Mają niską zawartość LZO, a więc nie posiadają niepożądanych substancji lotnych.

Dziękujemy za podzielenie się z nami informacjami panu prof. dr hab. inż. Antoniemu Morawskiemu z Katedry Technologii Chemicznej Nieorganicznej i Inżynierii Środowiska z Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie.

W Polsce producentem farb fotokatalitycznych o nazwie handlowej TITANIUM® jest polska firma PIGMENT ze Szczecina (www.farbypigment.pl).