Aerogelurile

Cuprins

1.Generalitati aerogeluri : formare , structura , proprietati fizice si chimice

2.Metode de formare

3.Fotocataliza: generalitati , aparat

4. Experiment de laborator

5.Alte utilizari ale aerogelurilor

În urmă cu două decenii, costul ridicat de producție al acestor materiale extrem de poroase, a împiedicat aplicabilitatea lor pe scara mai largă. În zilele noastre, aerogelurile au trecut de la niveluri de întrebuințare mai puțin obișnuit (cum ar fi captarea prafului spațial), la întrebuințări uzuale. Prin reducerea costurilor de producție foarte mult, au ajuns sa fie folosite ca izolator termic și fonic în locuințe, purificator al apei și aerului.

Aerogelurile au fost produse pentru prima dată în 1931 din dioxid de silicon, care constau în lanțuri încâlcite de molecule sferice, fiecare având un diametru de 3 – 4 nm. Catenele formau o structura care închidea aerul în pori, având un diametru mediu de 30 – 40 nm. În ciuda porozității extrem de ridicate, catenele sunt rigide, ceea ce dă aerogelurilor o forță mecanică considerabilă. La începutul anilor 1990, cercetătorii au creat aerogeluri realizate din carbon pur, iar acum sunt create dintr-o multitudine de materiale. [18]

2.Caracteristici

Aerogelurile sunt cunoscute datorită structurii solide, cu o densitate foarte joasa și o calitate termica superioara in care porii sunt umpluti cu aer. Aerogelurile au proprietăți fizice, cum ar fi porozitatea ridicată, de 90 % sau chiar mai mult, o suprafață specifică mare, între 500 – 1000 m2/g [13], până la 1200 m2/g [18], o densitate joas, de 01g/cm3[13] până la 3 mg/cm3 [18] și un index de refracție de 101 [18].

“Evident, dacă cineva vrea să producă un aerogel, trebuie să înlocuiască lichidul cu aer, deoarece suprafața lichidului nu îi permite transformarea în gel, fără să-l micșoreze.” A scris inventatorul Samuel S. Kistler. [18]

Uscarea îndepărtează metanolul și apa din aerogel și umple porii cu aer, fără să se micșoreze. Datorită faptului că aerogelurile sunt hidrofilice, mai există o oarecare cantitate de apă în aerogel, dar cu ajutorul tratamentelor chimice se pot produce aerogeluri hidrofobice, care să elimine apa. [18]

Există etape în prepararea aerogelurilor carbonice, respectiv sol-gel, schimb de solvent, uscare supercritică și procesul de piroliz, toate acestea afecteză porozitatea și morfologia aerogelurilor carbonice. Procesul sol-gel este cel mai important dintre cele , deoarece structura fizic și chimic a gelurilor polimerice, din care aerogelurile carbonice sunt produse, se formează în acestă etapă. Alegerea precursorilor, arhitectura moleculară, compoziția, dimensiunea moleculară, catalizatorul și solventul, toate afectează porozitatea și morfologia aerogelurilor[15]

Pentru extinderea potențialului tehnologic, multe cercetări sunt focalizate pe încorporarea elementelor metalice în rețeaua carbonică pentru modificarea structurii, conductivității și proprietăților de adsorbție ale aerogelurilor carbonice. [15]

Elementele metalice pot fi inserate în structura aerogelurilor carbonice prin utilizarea unor precursori functionalizați în procesele sol-gel. Această metodă de sinteză poate fi utilizată pentru inserarea în aerogelul carbonic a unei varități de elemente metalice. [15]

Schema obținerii aerogelurilor carbonice dopate cu metale

În testele realizate în diverse domenii, aerogelurile dopate cu metale au avut rezultate bune, însă cele mai satisfctoare au fost cele în contact cu fotocataliza în prezența luminii ultraviolet (UV).

Studiile științifice pe au început în urmă cu mai bine de 3 decenii. Dioxidul de titaniu a fost considerat un excelent material fotocatalitic pentru purificarea mediului înconjurător. [20]

Oxidul de titaniu există în natură n forme tetragonale, rutil anataz și într-o formă rombică numită . Brokitul este extrem de dificil de sintetizat în laborator, dar forme rutil anataz, pot fi usor preparate. În aceste forme a fost folosit TiO2 în studiile fotocatalitice. [21]

Oxidarea fotocatalitică a compușilor organic în soluție apoasă conținând o suspensie de oxid de titaniu (IV) este o metodă nouă pentru îndepartarea impurităților din apă. Pentru fotoactivitatea luminii se poate folosi lumina solară sau cea UV (ʎ < 400 nm). [21]

Când TiO2 este expus la UV, mai mulți radicali liberi sunt . Acești radicali liberi au potențial oxidativ care poate să descompună bacteri și alte substanțe organice. Mai exact, prin expunerea la radiațiile UV, energia protonului excită banda de valență a electronilor și generează o pereche de electroni, care, în prezența apei și oxigenului, produce o varietate de superoxizi. Acțiunea oxidativă este mai puternică decât cea a clorurii sau a acidului hipocloric și este capabil să degradeze substanțe organice ca bacteriile.[14]

3.Fotocataliza

Fotocataliza este fenomenul natural prin care –otocatalizator – cu ajutorul luminii, modifică viteza unei reacții chimice. În prezența luminii și aerului se activează suprafețele fotocatalitice, au loc procese de oxidare – reducere care duc la transformarea și descompunerea ulterioară a substanțelor organice si anorganice, a microbilor, oxizilor de azot, a substanțelor aromat policondensate, benzenului, monoxidului de carbon, formaldehidei, acetaldehidei, metanolului, etanolului, etil-benzenului. [22]

Trei componente trebuie s fie prezente pentru o reacție fotocatalitică heterogenă să aibă loc: , fotocatalizator și un agent oxidant puternic. Fotonii absorbiți sunt considerați ca un reactant nanomaterial care trebuie să fie prezent pentru desfășurarea reacției. [22]

Substanțele poluante și toxice sunt transformate prin procesul de fotocataliză în substanțe inofensive, măsurabile în ppb (părti per miliard). Rezultatul reprezintă reducerea sensibilă a substanțelor poluante toxice produse de automobile, fabrici, aparate de încălzire domestice și de alte surse, precum și eliminarea murdăriei, mucegaiului, bacteriilor care degradează suprafețele interne sau externe. [22]

Fenomenul de oxidare fotocatalitică, folosind lumina ultravioletă, a fost dezvoltat și în scopul anihilării elementelor organice gazoase poluante din aer. Acestă tehnologie a găsit o importantă aplicație referitoare la îmbunătățirea calității aerului din încăperi și diverse incinte. Dimensiunea redusă și compactă a unui reactor de acest tip, face posibilă includerea sa în circuitul de încălzire, ventilație și aer condiționat al unei clădiri. [22]

Deci fotocataliza este un proces heterogen care se produce la suprafața unui catalizator și implică mai multe etape:

[22]

Mecanismul procesului de fotocataliză are la bază următoarele reacții:

22],

Mecanismul procesului de fotocataliză

Variabilele care influențează în mare măsură randamentul reacției (de fotodegradare a compușilor poluanți) sunt: concentrația, suprafața de reacție și porozitatea semiconductorului fotocatalitic, concentrația perechilor de electroni – goluri, intensitatea radiației incidente, pH-ul, temperatura, prezența altor compuși competitivi. [22]

Fotocataliza utilizează razele ultraviolete pentru a transforma poluanții în compuși care nu sunt nocivi. Noutatea o constituie faptul că materialele cu proprietăți fotocatalitice sunt combinate cu vopselele, materialele textile, materialele de construcție, etc. pentru că prin iradiere cu lumina solară să diminueze poluarea, acolo unde este cel mai mult răspandită, pe strazile orașelor. [22]

În cazul aerului, poluanții principali sunt oxizii de azot (NOx), benzenul, monoxidul de carbon, bioxidul de sulf și alți compuși în stare solidă sau lichidă, care, din cauza faptului că sunt prea mici, rămân în aer. Acești compuși pot fi inhalați de oameni dăunând sănătății acestora. Elementele poluante nu se afla doar în atmosfer; cantități mari se depun pe fațada clădirilor. [22]

Aplicațiile industriale care devin tot mai numeroase, au la bază două moduri distincte de funcționare: un prim mod, caracterizat ca fiind “pasiv” are la bază iluminarea, cu lumina naturală sau artificială, a dioxidului de titan depus pe un suport (sticlă, plăci de faianță sau pereții bazinelor de stocare a produșilor reziduali) și fotodegradarea poluanților adsorbiți pe suprafață. Al doilea mod ce poate fi caracterizat ca fiind “dinamic” constă în trecerea gazelor încărcate cu poluanți organici deasupra unei suprafețe fotocatalitice iluminate ce formeaza un sistem inclus într-un reactor de fotocataliză. Poluanții sunt adsorbiți și degradați. Procedeul se aplic acelor poluanți gazoși în concentrație de mg/m3. Timpul de contact este inferior unei secunde, iar pentru a aprecia mărimea instalației trebuie menționat că pentru a trata un debit de 1000 m3/h este necesar un suport cu dioxid de titan de 5-10 m2. Aceste sisteme au fost aplicate la tratarea aerului din locuințe, atelierele profesionale, pivnițele de vin, depozitele de diferite materiale. [22]

4. Aplicații ale dioxidului de titaniu

4.1. În locuințe

Oamenii își petrec 90% din timpul lor în interiorul clădirilor și sunt expuși astfel, la contaminanții din aer, cum ar fi compușii organici volatili (VOC), radon și organisme biologice. Într-un studiu din 1980, Agenția pentru Protecția Mediului (EPA) a ajuns la concluzia că aerul poluat din interiorul clădirilor este mai nociv pentru sănătate dect aerul poluat din exterior. Aerul contaminat din interior se consideră că duce la sistemului imunitar si scăderea productivității. Afectiunile rezultate datorită poluanților din interior sunt cunoscute ca “sindromul clădirilor bolnave”. Cauza poluanților din interior este datorată particulelor și substanțelor chimice, dar și contaminanților microbieni. Pentru primele 2, tehnologia convențională poate adesea să ofere soluția prin filtrare și o ventilație adecvat. Problema compușilor organici volatili (VOC) și a contaminanților microbiologici creează obstacole foarte serioase. [7]

O alternativă care a atras foarte mult atenția este oxidarea fotocatalitică, care implică utilizarea unui fotocatalizator ca TiO2, pentru distrugerea totală a hidrocarburilor și microorganismelor din apă. De exemplu, pudra de TiO2 a fost capabilă să distrugă Serratia Marcescens după iradiere timp de 60 – 120 minute. Același lucru s-a întâmplat cu E.Coli și Lactobacillus Acidophilus după ventilare în decurs de 60 – 120 minute. De asemenea, în prezența oxidării fotocatalitice s-a demonstrat o scădere a tricloro-etilenei și a altor contaminanți organici. [7]

4.2. În protejarea plantelor

Mulți patogeni pot fi transmiși prin irigare și reciclarea apei folosită în agricultura hidroponică. Metodele bactericide convenționale adesea includ folosirea pesticidelor chimice pentru înlăturarea patogenilor, dar sunt toxice pentru animale, oameni și mediul înconjurător.[19],[24]

Dezinfectarea fotocatalitică a acestui tip de patogeni, prin utilizare a TiO2 poate fi folosită ca o nouă formă de protecție a plantelor și o alternativă în ce privește chimicalele.[19]

Prin folosirea TiO2, enterobacteriile fitopatogenice (Enterobacter Cloacae, Erwinia Carotovora), care determină înmuierea și putrezirea rădăcinilor la o mare varietate de vegetale, a fost eficient inactivată.[24]

Abilitatea de dezinfecție a filmelor fotocatalitice de a fost testată pe patogeni care provoacă înbolnăvirea ciupercilor (Trichoderma Hazianum, Cladobotryum Varium, Spicellum Roseum, P.Tolaasi). Dezinfectarea acestor specii a fost confirmată printr-un experiment efectuat în încăperile în care creșteau ciupercile, în prezența luminii de iradiere albe si negre. [19],[25]

Boli și afecțiuni grave au apărut și în urma spălării insuficiente cu apă a legumelor și fructelor. Deoarece fotocataliza cu TiO2 în prezența luminii UV prezintă o rată mare de dezinfectare, s-a încercat inactivarea completă a Escherichia coli, Salmonella Typhimurium și Bacillus cereus de pe morcovi proaspeți. Tratamentul fotocatalitic a arătat efecte bactericide semnificative, indicând că acest proces poate fi aplicat pentru dezinfectarea legumelor proaspete.[37]

Bazat tot pe fotocataliza cu dioxid de titaniu, s-a realizat un studiu, de acesta dată pe salat. Având în vedere bacterii patogene ca: Escherichia coli, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus si Salmonella Typhimurium, acestea au fost reduse la mai mult de 50%, după 20 minute de iradiere.[38]

4.3. Ape uzate și efluenți

Recuperarea apelor uzate și reutilizarea lor este foarte importantă, în special în zonele unde aprovizionarea cu apă curată este limitată și de aceea dezinfectarea apelor uzate este necesară.[19],[26]

Apele uzate municipale din canalizarea din Hanovra, Germania, au fost tratate cu TiO2, într-un reactor, în prezența iradiațiilor UVA. Tratamentul fotocatalitic a fost capabil să diminueze concentrația de poluanți organici și să inactiveze microorganismele patogene.[19],[27]

Același tratament fotocatalitic s-a folosit pe probe de ape uzate din Etiopia. Cele mai multe tipuri de microorganisme găsite, Enterococi, au prezentat o rezistență la dezinfectarea fotocatalitică, dar în cele din urmă au fost inactivați.[28]

Investigarea bacteriilor E.coli și a speciilor Enterococcus prezente în apa uzată din Lausanne, Elveția, a arătat că speciile Enterococcus sunt mai puțin sensibile la tratamentul fotocatalitic decat coliformii sau alte bacterii gram-negative.[19],[29]

Fotocataliza este folositoare chiar și în cazul organismelor din canalizare (Cryptosporidium parvum) care sunt foarte rezistente în ce privește metodele de dezinfectare tradiționale.[19]

Cercetrile în ce privește apele uzate pot merge până la aplicarea lor în domeniul aeronauticii, care combină tehnologia separării membranelor și tehnologia oxidării avansate, în vederea creării membranelor compozite fotocatalitice pentru tratarea și reutilizarea apei din misiunile spațiale foarte lungi. [19], [30]

4.4. Dezinfectarea apei potabile

Fotocataliza cu s-a dovedit a fi eficientă în îndepărtarea compușilor chimici și a patogenilor microbiologici din apă. [19],[30]

În 2004 s-a estimat că 15% din populația , dintre care, cei mai multi trăiesc în zone defavorizate, nu aveau acces la suficientă apă curată pentru satisfacerea nevoilor zilnice și acest număr se va dubla în următorul deceniu. [19],[31]

Dezinfectarea solar (SODIS) [8], este o tehnologie simpl care este capabilă să inactiveze multe bacterii patogene din apă, cu ajutorul radiațiilor solare UVA și a temperaturii. Dar în cele din urmă, o mai bună eficiență o are pudra de TiO2. S-a demonstrat în cazul acesta că este mai eficientă metoda cu 20 – 25%, dect doar dezinfectarea solară pentru inactivarea bacteriei E.Coli. Acest sistem bazat pe TiO2 a fost capabil sa reducă concentrația Cryptosporidium parvum oocysts prezentă. [19],[32]

Inactivarea fotocatalitică a 3 specii de alge (Anabaena, Microcystis, Melosira) a fost studiată folosind mărgele din sticlă acoperite cu TiO2 și iradiată cu lumină UV. Inactivarea fotocatalitică completă a fost obținută în aproximativ 30 minute. Acest studiu a avut loc în Kimhae, Korea, iar timp de 1 lun, concentrația algelor a fost măsurată și s-a demonstrat că mai bine de 50% din algelor a putut fi redusă cu ajutorul fotocatalizei, a radiațiilor solare și a TiO2. [19],[33]

4.5. Industria farmaceutica și alimentară

Aplicațiile antibacteriene ale TiO2 sunt folosite pentru eliminarea microorganismelor din zonele unde agenții chimici de curățare sunt ineficienți sau sunt restricționați. TiO2 nu este toxic și a fost aprobat de Autoritarea pentru Supravegherea Alimentelor și Medicamentelor (AFDA) pentru utilizarea în alimentație, medicamente, produse cosmetice și recipiente pentru alimente.

Filmele acoperite cu pudră de TiO2 au inactivat bacteria E.Coli prin iradiere cu lumina UVA. [19],[34]

Filmele cu TiO2 au putut să reducă contaminarea microbiană de pe suprafețele produselor alimentare și prin urmare, să reducă riscul înmulțirii microbilor în alimentele ambalate. Fotocataliza TiO2 s-a demonstrat că este eficientă în inactivarea unor bacterii din mâncare cum ar fi : Salmonella chloreasuis, Vibrio parahaemolyticus, Listeria monocytogenes.[19],[35]

Dezinfectarea suprafețelor este de asemenea importantă și procesarea alimentelor, deoarece bacteriile din mâncare pot fi cauzate de proliferare și rezistența la procedurile de curățare a germenilor patogeni de pe suprafețele echipamentelor de producție folosite în industrie. [19],[36]

Studiile pe tulpini de E.Coli au arătat că există posibilitatea ca bacteria să se lipească pe suprafețe și să formeze biofilme, iar apoi să fie inactivată cu ajutorul titaniului și a radiațiilor UV. Rezultatele studiilor au demonstrat că toate culturile de bacterii au fost inactivate dupa 48 ore, indicând astfel că durabilitatea dezinfecției a fost adecvată. [19],[36]

4.6. În laborator și spital

Dezinfectarea suprafețelor este necesară în instituții medicale în vederea reducerii concentrațiilor de bacterii și a prevenirii transmiterii bacteriilor. Metodele convenționale de dezinfectare nu sunt eficiente pe termen lung și de aceea oxidarea fotocatalitică cu dioxid de titaniu reprezintă o alternativă la metodele tradiționale în ce privește dezinfectarea suprafețelor. [19],[39]

Eficiența acestui proces s-a demonstrat în cazul bacteriilor E.Coli, P.Aeruginosa, S.Aureus, E. Faecitum. [19], [39]

Filmele cu TiO2 au fost testate în activitatea microbian a E.Coli [19],[35], i în eficiența sterilizării a B.Pumilus. [19],[40].

Ca un exemplu, într-o încăpere de 8 m3, s-a încercat îndepărtarea microorganismelor, timp de 120 minute. Toate microrganismele au început să scadă. Astfel, 834% din S.Epidermidis, 814% din B.Subtilis, 885% din A.Niger, 758% din P.Citrinum au fost îndepărtate din aer. În momentul în care aparatul s-a oprit, microorganismele și-au reluat concentrația inițială.[2]

Un alt exemplu, este cel într-o cameră cu bolnavi cu probleme renale. Aparatul a fost pornit timp de 90 minute, și amplasat la o distanță de 8 – 2 m, timp în care totalul de bacterii îndepărtate a fost de 63.5 – 282%. Când aparatul a fost oprit, concentrația totală de bacterii a început să crească începând cu cel mai îndepărtat punct al încăperii.[2]

Eficiența reducerii microorganismelor poate fi pusă pe seama umidității ridicate (73 – 75%). Umiditatea relativă este principalul factor care afectează reacțiile, deoarece moleculele de apă acoperă suprafața filtrului și ocupă situsurile active ale producției de radicali.[2]

Oportunitățile de dezinfectare se pot aplica în spațiul public, cum ar fi, toaletele publice, școli, spitale, stații de transport, transportul public, aeroporturi și hoteluri, deoarece acestea sunt mediile propice de transmitere a agenților patogeni (virusul varicelei(smallpox), Mycobacterium tuberculosis, Cornynebacterium diphtheriae, Bordetella pertussis, Streptococcus pneumoniae). [19],[41]

4.7. În medicină și biologie

În ce privește caracteristicile morfologice ale TiO2, utilizarea peliculelor fine, determină o suprafață mai mare de contact, înbunătățeste expunerea la UV și crește contactul cu bacteria. Acești factori asigură potența efectului antibacterian împotriva Staphylococcus Aureus [1],[11],[17] și a Staphylococcus Epidermidis[4]. S-a constatat că rata de supraviețuire a bacteriilor a scăzut treptat în proba de control la 648% dupa 180 min. În schimb valoarea a scăzut brusc după iradiere, ajungând la 767% după 30 min, și la 109% după 60 min. [14] Staphylococcus Aureus a fost înlăturat complet după 150 min de iradiere. [14], [19] Acțiunea antibacteriană fotocatalitică a particulelor de TiO2 a fost mai ridicată într-un mediu biologic bogat în proteine.[4]

Aceeași soluție a fost capabilă să distrugă Serratia Marcescens după iradiere timp de 60-120 min în apă.[7]. De asemenea, rezultate satisfăcătoare s-au obținut în cazul E.Coli și Lactobacillus Acidophilus după expunerea la radiații între 60-120 min în apă. [7], [19]

Au fost testați mai multi patogeni, incluzând Shigella flexneri, Listeria monocytogenes, Vibrio parahaemolyticus, Streptococcus pyogenes, Acinetobacter baumannii și Staphylococcus aureus. Dintre aceștia, S.Flexneri, L.Monocytogenes și V.Parahaemolyticus sunt întâlniți deobicei în apa contaminată, plante și canalizare și frecvent duc la focare de infecție în regiunile cu condiții sanitare slabe. [11][42]

S.Pyogenes și S.Aureus sunt patogeni producători de exotoxină care pot provoca boli ca infecții ale țesutului, toxiinfecție alimentară și sindromul de șoc toxic. [11],[43]

Rapiditatea cu care se răspândește bacteria A.Baumannii, și care este rezistentă la multe medicamente, provoacă infecții nosocomiale și sunt o problemă în toate statele. [11]

În concecință, cele mai optime condiții antimicrobiene rămân cele referitoare la dioxidul de titan, care, conform studiilor, posedă activități bactericide care poate să reducă populația bacteriană pentru toate bacteriile patogene testate. [11]

Oxidarea fotocatalitică poate la fel de bine să inactiveze microorganisme care pot fi arme biologice cum ar fi Baccilus Anthracis (Antrax). [19],[23]

În 2003, s-a redus răspândirea unui sindrom respirator sever acut în avioane, folosind același principiu fotocatalitic. Similar, în 2007, o tulpină a virusului A/H5N2 a fost inactivată din aer, dup ce s-a folosit un prototip fotocatalitic. [19]

Studiile arată că utilizarea TiO2 pe bioimplanturi are efect antibacterial. Cercetatorii au explorat activitatea fotocatalitică a S.Aureus, o bacterie patogenică comună în infecții, folosind filme de TiO2 și substraturi de titaniu. [19],[44] Efectul bactericid al iradiațiilor UV și a substraturilor fotocatalitice sunt folositoare în controlul infecțiilor asociate cu implanturi biomedicale. [19]

Fotocataliza este capabilă să elimine anumite celule, cum ar fi cele din tumori, folosind injectii cu titan în tumoare (chist), urmată de 40 minute de iluminare UV. [19],[45] Acestă procedură a produs o reducere a volumului tumorii de 10 ori după 3 saptmni. Totuși, acest aspect este încă discutabil. [19],[46].

Studiul metodelor de analiză și control a decontaminării microbiologice a aerului[22]

S-a urmărit punerea la punct a metodologiei de analiză bacteriologică a aerului, respectiv evaluarea anumitor indicatori de salubritate de origine bacteriologică de contaminare a aerului.

Studiul bibliografic a avut scopul stabilirii metodologiei de control al decontaminrii microbiologice ai aerului.

Datele bibliografice au adus precizări asupra urmtorelor aspecte:

metode de testare a contaminrii aerului

criterii de alegere a metodei adecvate pentru recoltarea probelor de aer

echipamente necesare recoltării acestor probe de aer

parametrii microbiologici necesari să fie testați pentru a stabili gradul de contaminare microbiană a aerului

normative pentru interpretarea valorilor parametrilor microbiologici ai aerului din încăperi

eșantionare

metode de laborator microbiologic pentru realizarea experimentală a contaminăriimicrobiologice într-o incintă

testarea decontaminării microbiologice după funcționarea echipamentului de decontaminare

exprimarea rezultatelor

modalități de interpretare a rezultatelor

Atmosfera naturală, chiar și cea mai curată, conține un număr foarte mare de particule, de dimensiuni microscopice. Aceste particule de praf de origine organică sau anorganică, deși sunt preponderent de dimensiuni submicronice, sunt purtătoare de germeni nocivi. În unitățile spitalicești aerul poate fi implicat în transmiterea unor patogeni, motiv pentru care s-au impus strategii de control pentu prevenirea răspândirii infecției.

Decontaminarea constituie cea mai importantă măsură de prevenire și combatere a bolilor transmisibile ale omului.

Indicații de aplicare a controlului microbiologic al aerului și norme [22]

Analiza bacteriologică a aerului este mai mult de ordin sanitar, în aprecierea condițiilor sanitare din încăperi și mai ales din instituțiile sanitare, instituții de copii, unităti de alimentație, industrie alimentară, industrie farmaceutică, și săli publice.

Deoarece se urmărește stabilirea potențialului de transmitere aerogenă a germenilor patogeni și condiționat patogeni, analiza bacteriologică a aerului nu urmărește punerea în evidență a unui anumit microorganism patogen, ci măsura în care aerul este încărcat cu microflora de origine umană sau animală. Se recurge în felul acesta la anumiți indicatori bacteriologici de contaminare a aerului.

1.1. Indicatori bacteriologici de contaminare a aerului [22]

1.Numărul total de germeni din aer, care se dezvoltă la 37C (flora mezofilă din aer).

Semnificația acestui indicator constă în faptul că ne permite să apreciem măsura în care aerul este încărcat cu flora de origine umană sau animală, deoarece la temperatura de incubare de 370C se dezvoltă cu precadere această floră. Indicația, deși foarte globală, permite să facem aprecieri asupra condițiilor sanitare dintr-o încăpere (aglomerare, ventilație, stare de curățenie), care influențează transmiterea infecțiilor pe calea aerului. Prezintă dezavantajul că temperatura de 370C nu selectionează numai flora mezofilă, existând un număr suficient de mare de germeni psihrofili care se pot dezvolta la această temperatură. Prin simplitatea determinării, rămâne indicatorul cel mai curent utilizat.

2.Streptococii hemolitici (beta hemolitici) și viridans (alfa hemolitici)

Acest grup de germeni este indicator de contaminare a aerului cu flora naso-faringiană și bucală. Semnificația prezenței acestor germeni în aer este dată de faptul că majoritatea infecțiilor aerogene sunt provocate de agenți patogeni care se elimină prin picături de secreție nasofaringiană, salivară și bronșică.

3.Stafilococii

Acești germeni sunt prezenți atât în căile respiratorii superioare, cât și pe suprafața cutanată a omului. Majoritatea tulpinilor sunt nepatogene, o parte sunt condiționat patogene și foarte puține sunt patogene. Rezistența lor în aer fiind relativ mare, contaminează constant mediul de viață al omului. Semnificația este apropiată de cea care o au microorganismele mezofile, indicând însă mai precis originea umană sau animală a contaminării aerului. Se pot determina toți stafilococii sau numai tulpini care au caractere de patogenitate.

4.Germeni din grupul coliform

Prezența în aer a germenilor din grupul coliform traduce un grad ridicat de insalubrizare a mediului. Acest indicator bacteriologic este mai puțin folosit.

1.2. Norme sanitare [22]

Pentru conținutul bacterian al aerului nu există până în prezent standarde. S-au făcut însă pe baza unor cercetări norme indicative, cu ajutorul cărora sa se poata aprecia gradul de contaminare a aerului. Cele mai multe se referă la numărul total de germeni și mai puțin la strepococii hemolitici sau la stafilococi.

Norme privind conținutul microbian al aerului din locuințe (număr de germeni la 370C/m3):

În acest tabel există cuprinsă o zonă incertă de curățenie relativă. De asemenea, diferențele mari dintre vară si iarnă, legate de ventilația mai redusă, nu sunt întru totul justificate.

Pentru încăperile unde cercetarea aeromicroflorei este îndeosebi indicată se folosesc în special valorile propuse pentru sezonul de vară. Orientativ, în locuințe și săli publice, microorganismele mezofile nu trebuie să depășească 2500/m3.

În instituții de copii se consideră o contaminare acceptabilă a aerului la valoarea de 1500 de germeni la 370C/m3, maximum 2000/m3.

Pentru sălile de operație, se propun următoarele valori maxime:

– Săli de operație pentu intervenții mici: 700 germeni/370C/m3

– Săli de operație pentru intervenții mari, aseptice: 350 germeni/370C/m3

– Săli de operație de neurochirurgie, transplante, arsuri: 3,5 – 70 germeni/370C/m3

În țara noastră se recomandă în spitale ca, după curățenia cu dezinfecție, microorganismele mezofile din aer să nu depășească următoarele valori:

Săli de operație: 300/m3

Săli speciale (săli de pansamente, terapie intensivă, săli de pregatire a soluțiilor perfuzabile, saloane de copii prematuri, săli de nașteri, bucătării dietetice, biberonerie): 500/m3

Saloane de bolnavi și alte încăperi: 600/m3

Flora hemolitică de orice natură trebuie să fie absentă în sălile de spital.

În sălile de operație în care se practică transplant de organe, sistemul de ventilație cu aer dezinfectat introdus de preferință în sistem laminar, trebuie să asigure sub 40 mezofili/m3, chiar sub 10/m3.

Și în încăperile în care sunt îngrijiți bolnavi aflați în deficit imunitar (imunosupresie terapeutică sau patologică), nivelul de încărcare a aerului trebuie să fie cât mai redus (de preferință sub 40 mezofili/m3).

În industria alimentară se recomandă ca mezofilii să nu depășească 600/m3, iar numarul de fungi 300/m3.

Metode de recoltare și însămânțare [22]

Prin recoltarea probelor de aer pentru determinarea numărului de germeni se urmărește aprecierea germenilor viabili vehiculați pe calea aerului. Acești germeni rareori se găsesc sub formă de corpi microbieni singulari, deoarece ei ajung în aer fixați pe particule din stratul care îi conține, (stropi de secreție, scame, fibre vegetale, praf) și astfel, numărul de germeni obținut prin orice metodă de determinare reprezintă în realitate numărul de particule ce conțin germeni viabili, fiecare particulă putând să conțină mai mulți germeni.

De asemenea, trebuie avut în vedere că mediul de cultură folosit și temperatura de 370C nu întotdeauna permit dezvoltarea tuturor germenilor prezenți în aer, de aceea rezultatele obținute vor reprezenta de cele mai multe ori o subestimare a numărului real de germeni pe unitate de volum de aer.

La alegerea metodelor de recoltare a germenilor din aer trebuie să se țina seama de trei considerente:

metoda sa fie eficientă în recoltarea particulelor între 1și 10 micrometri.

să permită evaluarea numărului de germeni la metru cub de aer.

să permită identificarea anumitor germeni sau grupe de germeni.

În ceea ce privește însămaâțarea, aceasta se poate realiza, fie direct pe medii solide turnate în cutii Petri, fie prin intermediul unui lichid steril (ser fiziologic, bulion steril) în care se concentrează germeni din aer și se însămânțează ulterior tot în suprafață pe medii solide.

Cunoașterea concentrației bacteriene în aer reprezintă un indiciu asupra riscurilor de infecție. Flora microbiană atmosferică se determină în acele încăperi unde riscurile de infectare pot fi mai mari.

Testarea efectului de decontaminare a aerului [22]

Metodele de testare ale efectului de decontaminare urmăresc determinarea parametrilor microbiologici ai aerului (bacterii și fungi) înainte și după aplicarea dispozitivului de decontaminare în incintă. Este necesară o corectă stabilire o eșantionului pentru a obține rezultate semnificative.

Microorganismele sunt introduse sub formă de aerosoli într-o incintă special construită pentru astfel de testări, care permite după fiecare test purificarea aerului cu ajutorul unor filtre de mare eficiența – filtre HEPA. Atmosfera este controlată din punct de vedere al umidității, temperatură, flux de aer.

Se determină parametri microbiologici ai purității aerului în incintă înainte de aplicarea măsurilor de decontaminare și după timpi diferiți de la aplicarea acestor măsuri.

Se folosesc tulpini standard de colecție ATCC (American Type Culture Collection) sau tulpini bacteriene și de fungi izolate în laborator.

Se efectuează pentru fiecare tulpină o cultură în mediul lichid (solutie salină NaCl 0,85%), cu o densitate de 106 – 108 microorganisme/ml , densitate măsurată nefelometric.

Suspensiile sunt preparate din cultura proaspătă de 24-48 ore de pe agar nutritiv. Aerosolizarea se face în incintă special pregatită cu ajutorul unui nebulizator. Se verifică prezența acestor microorganisme în aer, recoltarea putându-se face fie prin metoda sedimentării Koch, fie prin una dintre metodele de aspirare, metodele de impact fiind astăzi cele mai folosite.

În studii, s-au folosit în paralel trei metode pentru colectarea microorganismelor patogene: filtrarea, recoltarea pe mediul lichid și metoda sedimentării.

Rezultatele se exprimă sub formă de unități formatoare de colonii CUF/m3, făcându-se o medie a rezultatelor determinărilor din diferite puncte ale încăperii constatate la un moment dat. Se exprimă procentual scăderea numărului de microorganisme după decontaminare față de momentul dinaintea decontaminării.

Pentru aprecierea eficienței măsurilor de decontaminare ale aerului este necesară:

-alegerea unui eșantion reprezentativ

-colectarea simultană de probe pereche la fiecare masuratoare.

-calcularea mediei aritmetice a numărului de colonii formatoare obținute la testare în diferite puncte ale încăperii înainte și după decontaminare

-exprimarea distribuției în cadrul unui interval de date prin măsurarea variabilității dispersiei valorilor obținute prin interval (range) și deviație standard

-aplicarea unor teste pentru distribuția și analiza variației, și anume a testelor de semnificație.

Materialele folosite ca suport pentru depunerea filmelor de TiO2 trebuie să aibă proprietăți speciale: ușor de curățat, să nu se aburească, să îmbunătățească proprietățile filmului depus, să aibă proprietăți fotochimice sau electrocromice, să fie ieftine. [22]

În industria alimentară, medicină, industria textilă, sterilizarea și purificarea sunt întotdeauna necesare. Bacteriile și virușii, proveniți atât din piscine, bucătării sau sălile de operație din spitale, dar și din multe alte locuri, pot afecta puternic sănătatea umană. Soluția, în astfel de situații, este imobilizarea filmelor de TiO2 pe diferite materiale suport: sticlă, oțel, materile ceramice, materiale textile etc. [22]

Un material frecvent utilizat pentru depunerea filmelor de TiO2 este sticla. Suportul de sticlă poate sa aibă diferite forme (plăcuțe, tuburi, granule) și diferite dimensiuni. S-a arătat că există o adeziune puternică între particulele de TiO2 și sticla Pyrex, datorată unui gen de sintetizare, care are loc între particulele de catalizator și sticlă, în timpul procesului de calcinare. În general, catalizatorul este depus pe suprafața interioară a fotoreactoarelor cilindrice din sticlă sau pe pereții exteriori ai sursei de lumină. [22]

Pentru a crește aderența dioxidului de titan pe suportul de sticlă, s-a depus în prealabil, prin metoda sol-gel în cataliza bazică având ca precursor tetra-etil-orto-silicat, un start de dioxid de siliciu. Practic, suportul de sticlă s-a introdus într-o soluție rezultată din amestecarea a două soluții: soluția 1, obținută din amoniac 28% (14.57g), apă (2.47g) și alcool etilic (până la obținerea unui volum de 50 ml) și soluția 2, obținută din tetra-etil-orto-silicat (5.5g) și etanol (63.9 ml). Apoi suportul s-a spălat cu alcool etilic conținând 0.15 mol/l apă. După uscare la 200C și 700C, timp de 2h, suportul cu film de oxid de siliciu s-a imersat în soluția obținută din etanol (100 ml), tetra-etil-orto-titanat (1.37 g), la care s-a adăugat etanol (20.7 ml), conținând 0.036 mol/l apă. Apoi, suportul s-a spălat cu etanol, având 0.289 mol/l apă, s-a uscat la 200C si 700C timp de 2h și s-a tratat termic la 5000C timp de 2h. [22]

Experimentarea modelului instalației de depoluare a aerului la scară de laborator pe probe microbiologice

În cadrul acestei activități s-a urmărit identificarea:

metodei optime de poluare microbiologică a aerului;

metodei adecvate pentru prelevarea mostrelor de aer în vederea cuantificării încărcăturii microbiene;

modalității de determinare a decontaminării aerului prin fotocataliza pe pulberi/ filme pe bază de aerogeluri de TiO2.

În vederea identificăarii metodei experimentale optime de contaminare a aerului din interiorul instalației au fost efectuate mai multe testări pentru a stabili volumul de cultură microbiană care să fie nebulizat, timpul optim de nebulizare și momentul optim de recoltare (intervalul de timp) astfel încât pe suprafața mediului de cultură sa se obțină un număr cuantificabil de unități formatoare de colonii (UCF).

Proiectarea modelului experimental al fotoreactorului

Având în vedere concluziile desprinse în faza anterioară, s-a încercat să se răspundă la anumite criterii impuse construcției și funcționării unui fotoreactor.

a.Cerințe impuse materialelor utilizate în construcția fotoreactorului:

-să nu reacționeze chimic și biologic și să permită obținerea unui sistem etanș.

Printre materialele avute în vedere au fost: metalul inox, sticla și PVC-ul. Având în vedere condițiile de obtenabilitate, mod de etanșare între componente și complexitatea construcției, s-a ales PVC-ul ca material de bază.

b.Geometria fotoreactorului

S-au avut în vedere două tipuri de construcție (geometrie) : paralelipipedică, respectiv tubulară. Una dintre țintele finale fiind folosirea procedeelor fotocatalitice în instalații de aer condiționat, s-a optat pentru o construcție dintr-o tubulatură de PVC, cu diametrul de 160mm. Acest diametru este des folosit și în instalațiile de aer conditionat. Astfel s-a construit o instalație inelară, cu circuit închis, prin care să circule aerul. Viteza de recirculare a aerului este reglabilă în limitele 1,3-2,5 m/s, corespunzând vitezei aerului din instalațiile de aer condiționat.

c.Posibilitatea introducerii/extragerii ușoare a compușilor organici volatili și a probelor biologice

Compușii organici volatili (VOC) se vor introduce, respectiv extrage, prin niște presetupe cu ajutorul unor ace.

Având în vedere că pentru testarea eficacității fotocatalizei asupra elementelor de natură biologică (viruși, bacterii, etc.) este necesară introducerea unor plăci Petri în fotoreactor, s-a conceput un sistem de introducere/extragere a acestora.

Deoarece introducerea/extragerea trebuie efectuată fără a se afecta aerul din interiorul fotoreactorului, este necesar un sistem de clapete și o incintă tampon în care se introduce placa Petri. Dupa ce placa ajunge în incinta, se închide capacul incintei, iar apoi, prin apăsarea unei tije se deschide o clapetă care separă incinta tampon de fotoreactor și se introduce placa Petri în fluxul de aer din interiorul fotoreactorului.

d.Reglarea vitezei aerului din incintă

Viteza aerului din incintă va putea fi reglabilă între 1,3-2,5 m/s, aceasta corespunzând vitezei aerului din instalațiile de aer condiționat. Viteza se va regla cu un ventilator montat în interiorul reactorului.

Știind că viteza aerului în instalațiile de aer condiționat este cuprinsă în intervalul 1,3 m/s până la 2,5 m/s și că diametrul interior al instalației este D=15 cm=1,5 dm, rezultă că secțiunea S este:

Pentru V = 2,5 m/s = 25dm/s, rezultă ca debitul Q este : Q = VxS = 1,76×25 = 158,96 m3/h

e.Fotoreactorul

Pentru caracterizarea fotocatalizatorului, testele vor fi făcute cu două tipuri de surse de lumină : UVA si vizibil.

Aceasta se va realiza cu tuburi fluorescente de tip black-light (BL) pentru UVA, respectiv tuburi pentru vizibil. Pentru o manevrabilitate ușoară a surselor de lumină, în prima fază acestea se vor monta în exteriorul incintei iluminate. Această incintă va avea o zonă transparentă confectionată din plexiglas pentru a permite trecerea luminii UVA, respectiv a luminii vizibile.

Se are în vedere, într-o etapă ulterioară, că după ce rețeta fotocatalizatorului se va definitiva, montarea sursei de lumină să se facă în interiorul incintei, aceasta pentru a putea mări eficiența reacției fotocatalitice.

Model experimental fotoreactor

Conform cerințelor definite în tema tehnică, s-a ales ca soluție de realizare construirea reactorului sub forma unui circuit închis, din tubulatură de PVC cu diametrul de 160 mm, având un volum interior de 108 litri. Toate elementele principale sunt ușor obtenabile și ușor asamblabile.

Înainte de asamblare s-au spălat toate piesele pe interior, inclusiv garniturile de etanșare, pentru a se îndepărta toate urmele de substanțe organice (uleiuri, vaseline, etc.) care ar fi putut intra în reacție cu substanțele volatile organice supuse experientelor cercetării. Pentru lubrifierea garniturilor, acestea s-au acoperit cu cu un strat subțire de ulei siliconic.

Pe una dintre laturile reactorului s-au faăut două fante de aproximativ 250×150 mm, care s-au acoperit cu plexiglas de grosime 2 mm. În dreptul fiecăreia dintre fante s-au montat 3 tuburi fluorescente de 8W.

Fotocatalizatorul fiind depus pe plăci de sticlă de 100x150mm, s-a construit un sistem de șine pe care să gliseze două plăci, acestea poziționându-se în interiorul tubului în dreptul ferestrelor de plexiglas.

Pentru a mări fluxul de lumină incident pe plăci, s-a montat un element reflectorizant confecționat din aluminiu, care înconjoară tuburile fluorescente. Acest reflector are și un rol suplimentar de protecție a ochilor personalului care lucrează la fotoreactor , atunci când se folosesc lămpile UVA.

Într-unul din cele 4 elemente de vizitare prevăzute cu capac, s-a construit sistemul de clapete necesare introducerii, respectiv extragerii, plăcii Petri folosită în testele cu probe biologice.

Introducerea compușilor organici volatili se face printr-o presetupa montată pe capacul celui de al doilea element de vizitare.

Compușii organici volatili ajung în interior pe o placă încălzită, fapt ce mărește rata de evaporare. Un ventilator, aflat în apropiere, suflă aer peste această placa producând o nebulizare a lichidelor volatile.

Viteza aerului poate fi reglată între 1,3-2,5 m/s, corespunzând vitezei aerului din sistemele de aer condiționat.

Probele biologice se introduc printr-un sistem de nebulizare construit în jurul celui de al treilea element de vizitare. Al patrulea element de vizitare este folosit pentru extragerea eșantioanelor de aer și golirea reactorului.

Ansamblu Reactor

Subansamblu introducere probe biologice

Subansamblu introducere Compusi Organici Volatili (VOC)

Ventilator

Subansamblu Fotoreactor

Subansamblu introducere probe biologice

Subansamblu extragere VOC / Subansamblu evacuare aer

Model experimental fotoreactor – vedere generala

Contaminarea experimentală a aerului s-a realizat prin nebulizarea, in interiorul instalației de fotodecontaminare a aerului (V=81 litri), într-un timp bine stabilit și la temperatura camerei, a culturii bacteriane cu densitate bine determinată.

Pentru contaminarea aerului din instalație s-a utilizat tulpina bacteriană de colecție ATCC (American Type Cuture Collection) Staphylococcus epidermidis. Cultura bacteriană menținută timp de 24 ore pe agar nutritiv a fost suspendată în apă distilată sterilă și adusă la densitatea de 150×106 (0,5 pe scara Mac Farald). Densitatea suspensiei bacteriene a fost măsurată cu ajutorul nefelometrului Densimat (Bio- Merieux).

Pentru contaminarea experimentală a aerului prin nebulizare s-a folosit aparatul de aerosolizare Scala, care are debitul de ieșire 47 microlitri/ minut, iar diametrul mediu al masei aerodinamice de 2,6 micrometri (dimensiunile picăturii trebuie sa fie comparabile cu cele ale bacteriilor). Concomitent cu aerosolizarea, a funcționat și ventilația instalatiei de decontaminare.

În faza precedentă de lucru nebulizarea bacteriilor s-a făcut pe o durată de 15 minute. Utilizând 2 ml de cultură bacteriană preparată după cum s-a arătat mai sus. Aprecierea ulterioară a încărcăturii microbiene a demonstrat că densitatea bacteriilor/m3 aer a fost prea mare, făcând dificilă și imprecisă numararea lor pe placile cu mediu de cultură.

Ca urmare, în această faza s-a optat pentru un timp de aerosolizare (nebulizare) de 1 minut, dupa care s-a determinat încărcătura microbiană.

Dintre metodele de testare a decontaminării bacteriene a aerului s-a ales metoda sedimentării Koch care constă în expunerea plăcilor cu mediu de cultură în interiorul instalației de decontaminare.

S-a urmărit determinarea parametrilor microbiologici ai aerului (număr total de microorganisme/placă cu S=24 cm2), înainte și după pornirea procesului de decontaminare fotocatalitică a aerului din instalație.

Pentru cuantificarea numărului de unități formatoare de colonii (UCF)/ placă cu mediu de cultură s-au încercat trei modalități: .

așezarea plăcii cu mediu de cultură în poziție orizontală în interiorul instalației, la o distanță de 2 metri de sursa de nebulizare,

plasarea plăcii cu mediu de cultură în poziție verticală în interiorul instalației, la o distanță de 2 metri de sursa de nebulizare,

plasarea plăcii cu mediu de cultură în poziție orizontală la o distanța de 70 cm de sursa de nebulizare.

Menționăm că în faza precedentă, cuantificarea încărcăturii microbiene s-a făcut prin metoda sedimentării care constă în expunerea plăcilor cu mediu de cultură în interiorul instalației de decontaminare.

Pentru determinarea numărului de bacterii din aer a fost utilizat ca mediu de cultură agarul nutritiv cu 10% sânge de oaie defibrinat, în plăci Petri cu diametrul de 5,5 cm. Placa cu mediul de cultură a fost așezată pe un suport care a fost ridicat cu ajutorul unui piston până în interiorul instalatiei, și expusă un timp bine determinat (5 minute sau 10, 15, 30 minute) la aerul contaminat în prealabil cu bacterii. Plasarea plăcii s-a făcut în poziție orizontală la o distanță de 2 metri de sursa de generare a aerosolilor infectanți.

Timpul de expunere a plăcilor cu mediu a fost strict cronometrat. Apoi plăcile au fost scose din instalație, acoperite cu capac, întoarse cu capacul în jos pentru a evita apariția condensului pe suprafața mediului și incubate la 370C timp de 24 ore pentru a se permite dezvoltarea microorganismelor și observarea vizuală a unităților formatoare de colonii. Pentru controlul sterilității mediului, concomitent a fost incubată la 370C și o placă cu mediu, din același lot, neexpusă în instalație.

După 24 ore de incubare, pe aceste plăci au fost numărate unitațile formatoare de colonii. S-a considerat că fiecare colonie reprezintă o singură particulă viabilă, concentrația microbiană fiind definită prin numărul de particule viabile/ m³ de aer.

Deoarece rezultatele nu au fost suficient de reproductibile, s-a încercat plasarea plăcii cu mediu de cultură în poziție verticală, perpendicilar pe direcția curentului de aer contaminat prin nebulizare. Expunerea plăcii în aerul contaminat a fost de 5 minute. Numărul coloniilor bacteriene dezvoltate pe placă a fost extrem de mic (≤5 UCF/placa) fapt ce a făcut imposibilă cuantificarea efectului de decontaminare a aerului din instalație prin fotocataliză. Acest rezultat a fost pus pe seama dinamicii aerului contaminat cu particule bacteriene.

Distanța față de sursa de decontaminare influențeaza eficacitatea decontaminării, la fel și volumul incintei și umiditatea relativă. Ca urmare s-a încercat plasarea plăcuței cu mediu la 70 cm de sursa de nebulizare, respectiv la 35 cm față de fotocatalizator. Placa s-a plasat în poziție orizontală, pentru cuantificarea încărcăturii bacteriene, aplicându-se metoda sedimentării și un timp de expunere la contaminare de 5 minute.

Experimente martor cu nebulizare 1min, plasarea plăcuței cu mediu în poziție orizontală, la 70 cm de sursa de nebulizare, respectiv la 35 cm față de fotocatalizator

S-a constatat că și în acest caz numărul de unități formatoare de colonii (UCF) obținute pe plăci după sedimentare este mare (de ordinul zecilor de mii), în unele etape ale testării neputând fi numărate. Ca urmare, s-a decis că încărcătura bacteriană a aerului și efectul decontaminării prin fotocataliză să fie cuantificate prin numarul coloniilor bacteriene dezvoltate (UCF)/placă.

În scopul identificării modalității de urmărire (cuantificare) a decontaminării aerului prin fotocataliza pe pulberi/filme de aerogeluri de TiO2 dopat s-au utilizat diverse durate de fotocataliză, fotocaliza pornindu-se simultan sau după contaminarea microbiologica a aerului.

Aerul din instalație s-a contaminat prin nebulizarea culturii microbiene cu densitate 150×106 (0,5 pe scara Mac Farald) timp de 1min. În cazul probei martor s-a determinat încărcătura microbiană a aerului, înainte și după contaminarea microbiană, din 5 in 5 minute, până la 60 min.

În cazul experimentelor de decontaminare fotocatalitică s-au aplicat două modalități  de nebulizare și anume:

a) nebulizare timp de 1 minut concomitent cu fotocataliza (iradiere UV) și cu ventilația instalației pornită;

b) nebulizare 1 min cu ventilația instalației pornită, urmată de fotocataliză timp de 15 minute.

În ambele cazuri s-au făcut determinări ale încărcăturii microbiene a aerului înainte de nebulizare, după nebulizare și după decontaminare prin fotocataliză, la intervale de 5 minute, timp de 60 minute.

Nebulizare, timp de 1minut, concomitent cu fotocataliza și cu ventilarea instalației.

Numărul de particule viabile/placă în cazul probei 1, comparativ cu martorul; fotocatalizator- TiO2 aerogel depus pe sticlă

Numărul de particule viabile/placă în cazul probei 2, comparativ cu martorul; fotocatalizator: TiO2 aerogel depus pe sticlă

Concluzie: Cele două experimente realizate în condițiile nebulizării simultane cu fotocataliză și ventilarea instalației au evidențiat o scădere a numărului de bacterii în urma fotocatalizei.

nebulizare 1 min cu ventilarea instalației, urmată de fotocataliză timp de 15 min

Numărul de particule viabile (UCF)/placă în cazul probei 2, comparativ cu martorul; fotocatalizator: TiO2 aerogel depus pe sticlă

Numărul de particule viabile (UCF)/placă în cazul probei 1, comparativ cu martorul; fotocatalizator: Ag/TiO2 aerogel depus pe sticlă

Numărul de particule viabile (UCF)/placă în cazul probei 2, comparativ cu martorul; fotocatalizator: Ag/TiO2 aerogel depus pe sticlă

Concluzii

1. Experimentarea diferitelor modalități de decontaminare a aerului prin fotocatalizatori a demonstrat că cea mai eficientă metodă de urmărire (cuantificare) a decontaminării microbiologice a aerului, prin fotocataliză, este cea prin care etapa de nebulizare, timp de 1 min, și ventilarea instalației de decontaminare timp de ≥15 min;

2. Urmarirea eficientă și reproductibilă a decontaminării aerului s-a realizat prin plasarea plăcuței cu mediul de cultură, în poziție orizontală, la 70 cm de sursa de nebulizare, respectiv la 35 cm față de fotocatalizator;

3. Pentru cuantificarea încărcăturii bacteriene, cea mai eficientă metodă este metoda sedimentării, timpul de expunere a plăcii cu mediul de cultură, la contaminare, fiind de 5 minute;

4. Testarea mai multor variante de fotocatalizatori a demonstrat că cel mai eficient fotocatalizator pentru decontaminarea microbiologică a aerului este fotocatalizatorul de Ag/TiO2 aerogel depus pe sticlă (S=10 x 15 cm2).

Demonstrarea functionalității pulberilor/filmelor pe baza de TiO2 aerogel în modelul experimental al instalației de decontaminare microbiologică a aerului.

Demonstrarea funcționalității pulberilor/ filmelor pe bază de TiO2 aerogel în modelul experimental al instalației de decontaminare a aerului s-a realizat prin aprecierea scăderii numărului de bacterii, în aer, înainte și în urma aplicării fotocatalizei. Eficiența instalației de decontaminare s-a determinat prin exprimarea procentuală a reducerii numărului de bacterii sub acțiunea fotocatalizei, comparativ cu martorul. S-a determinat scăderea numărului de bacterii și rata de supraviețuire, pentru fiecare moment al experimentului, atât la probă cât și la martor.

Pentru fiecare timp de contaminare s-a comparat, în cazul martorului și al probei, numărul unităților formatoare de colonii prezente. La toate momentele de timp analizate, numărul unităților formatoare de colonii a fost, statistic, semnificativ mai mare în cazul martorului comparativ cu proba.

Cel mai eficient procedeu s-a demonstrat a fi cel care constă în nebulizare 1 min, cu ventilaia instalației pornită, urmată de fotocataliză 15-30 min. Cel mai eficient fotocatalizator s-a demonstrat a fi cel pe bază de Ag/TiO2 aerogel.

1.Numărul de particule sedimentate/ și distruse prin fotocataliză în cazul probei 2, comparativ cu martorul; nebulizare timp de 1minut concomitent cu fotocataliza; fotocatalizator- TiO2 aerogel depus pe sticlă

2.Numărul de particule sedimentate/ și distruse prin fotocataliză în cazul probei 3, comparativ cu martorul; nebulizare concomitent cu fotocataliză, timp de 1minut; fotocatalizator – TiO2 aerogel depus pe sticlă

În cazul probelor 2 si 3, în primele 15 minute, scăderea numărului de colonii are loc de circa 2 ori mai rapid decât în cazul martorului; dupa circa 20 minute sedimentarea are loc practic identic cu cea în cazul martorului.

3.Numărul de particule sedimentate și distruse prin fotocataliză în cazul probei 4, comparativ cu martorul; nebulizare și ventilație timp de 1minut; urmată de fotocataliză 15 min ; fotocatalizator – TiO2 aerogel depus pe sticlă

Din tabelul anterior (3) se observă că în cazul probei 4 rata de supraviețuire a coloniilor scade după o curbă de tip polinomial atât în cazul martorului cât și in cazul probei. În primele 20 minute, scăderea are loc de circa 2 ori mai rapid în cazul probei față de martor.

4.Numărul de particule sedimentate și distruse prin fotocataliză în cazul probei 5, comparativ cu martorul; nebulizare și ventilație timp de 1minut; urmată de fotocataliză 15 min ; fotocatalizator – Ag/TiO2 aerogel depus pe sticlă.

Pentru fiecare timp de expunere, s-a comparat, numărul unităților formatoare de colonii prezente în cazul martorului și al probei. La toate momentele de timp analizate, numărul unităților formatoare de colonii a fost, statistic, semnificativ mai mare în cazul martorului față de probă .

Se observă că în cazul probelor 5 si 6 rata de supraviețuire a coloniilor descrește după o curbă de tip polinomial, de 2 ori mai rapid în comparație cu martorul.

5.Numărul de particule sedimentate și distruse prin fotocataliză în cazul probei 6, comparativ cu martorul; nebulizare și ventilație timp de 1minut; urmată de fotocataliză 15 min ; fotocatalizator – Ag/TiO2 aerogel depus pe sticlă.

Scăderile cele mai mari de UFC, în diferitele momente ale observației, s-au obținut în cazul probelor 5 și 6. S-au evidențiat însă diferențe între numărul de UFC, determinat în diferite momente ale experimentului, între cele două probe. Astfel, la timpii de expunere de 20, 30, 35, 45, 50 minute, numărul de UFC a fost mai mare în cazul probei 5, dar nu semnificativ statistic (p: 0,95; 0,38; 0,66; 0,47; 0,20). La timpii de expunere de 25, 40, 55 minute, numărul de UFC a fost mai mare în cazul probei 6, dar nu semnificativ statistic (p: 0,75; 0,90; 0,85). La timpul de expunere 60 minute, numărul de UFC a fost statistic semnificativ mai mare în cazul probei 5 (p=0,01).

Din tabelul următor (6) se poate observa că viteza de sedimentare a coloniilor pe placă descrește după fotocataliză, funcție de tipul de fotocatalizator folosit și de timpul de iradiere UV, respectiv de concentrația procentuală a coloniilor prezente în aer.

Raportul constantelor de viteză ale sedimentării dupa 20 minute este prezentat în tabelul nr. 6.

6.Viteza de sedimentare a coloniilor de Staphyloccocus epidermidis/placă înainte și după iradierea UV

În figura 7 se prezintă comparativ concentrația procentuală a coloniilor fotodistruse prin iradierea UV timp de 1-30 min, a fotocatalizatorilor de TiO2 aerogel și respectiv de Ag/TiO2 aerogel. Se observă ca iradierea UV timp de 30 min a fotocatalizatorului de Ag/TiO2 aerogel determină creșterea procentului coloniilor de Staphyloccocus epidermidis fotodistruse la 91-92%.

Concluzii:

Demonstrarea funcționalității pulberilor/ filmelor pe bază de TiO2 aerogel în modelul experimental al instalației de decontaminare a aerului a dus la următoarele concluzii:

Cel mai eficient procedeu de contaminare a aerului cu colonii de Staphyloccocus epidermidis constă în nebulizarea acestora timp de 1 min, cu ventilația instalației pornită;

Cel mai eficient fotocatalizator în decontaminarea microbiologică a aerului s-a dovedit a fi fotocatalizatorul de Ag/TiO2 depus pe suport de sticlă;

Prin iradierierea UV a fotocatalizatorului, timp de ≥ 30 min, coloniile de Staphyloccocus epidermidis au fost distruse în proporție de ≥90%.

Bibliografie:

18. “Less is more with aerogels”, Eric J. Lerner, American Institute of Physics, October/November 2004

11. “Visible – light – induced bactericidal activity of a nitrogen – doped titanium photocatalyst against human pathogens” , M.S.Wong, W.C.Chu, D.S.Sun, H.S.Huang, J.H.Chen, P.J.Tsai, N.T.Lin, M.S.Yu, S.F.Shu, S.L.Wang, H.H.Chang, 2006

14. “Photocatalytic bactericidal action of fluorescent light in a titanium dioxide particle mixture: an in vitro study”, H.Koseki, K.Shiraishi, T.Asahara, T.Tsurumoto, H.Shindo, K.Baba, H.Taoda, N.Terasaki, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, March-April 2009

4. “Photocatalytic TiO2 particles confer superior antibacterial effects in a nutrition – rich environment: an in vitro study” , T.Hiura, H.Koseki, K.Shiraishi, T.Asahara, T.Tsurumoto, H.Shindo, K.Baba, H.Taoda, N.Terasaki , 2010

2. “Airborne microorganism disinfection by photocatalytic HEPA filter” , RR.Chotigawin, P.Sribenjalux, S.Supothina, J.Johns, L.Charerntanyarat, P.Chuaybamroong , 2010

15. “Materiale noi nanostructurate pentru stocarea hidrogenului”, Raport Stiintific si Tehnic, Faza de executie nr.1/2007

20. “Titanium Dioxide Photocatalysis”, A.Fujishima, T.N.Rao, D.A.Tryk, June 2000

21. “Photocatalytic properties of titanium dioxide (TiO2)”, A.Wold, March 1993

22. “Materiale fotocatalitice inovative aplicate la decontaminarea chimica si microbiologica a aerului din incinte”, Raport Stiintific si Tehnic, Programul 4:Parteneriate in domeniile prioritare 2007-2013, Contract 71-136, Faza de executie nr.1

19. “Applications of Photocatalytic Desinfection”, J.Gamage, Z.Zhang, Department of Chemical and Biological Engineering, University of Ottawa, June-August 2010

7. “Photocatalytic air disinfection”, D.Yogi Goswami, September 1995-August 1999

8. “Solar photocatalytic degradation of water and air pollutants: challenges and perspectives”,

M.Romero, J.Blanco, B.Sanchez, A.Vidal, S.Malato, A.I.Cardona, E.Garcia, 1998

23. “Role of visible light – activated photocatalyst on the reduction of anthrax spore – induced mortality in mice”, J.H.Kau, D.S.Sun, H.H.Huang, M.S.Wong, H.C.Lin, H.H.Chang, 2009

24. “Photocatalytic bactericidal effect of TiO2 thin film on plant pathogens”, K.S.Yao, D.Y.Wang, W.Y.Ho, J.J.Yan, K.C.Tzeng, 2007

25. “Disinfection of some pathogens of mushroom cultivation by photocatalytic treatment”, D.Sawada, M.Ohmasa, M.Fukuda, K.Masuno, H.Koide, S.Tsunoda, K.Nakamura, 2005

26. “Solar photocatalytic disinfection of a group of bacteria and fungi aqueous suspensions with TiO2, ZnO, and sahara desert dust”, O.Seven, B.Dindar, S.Aydemir, D.Metin, M.A.Ozinel, S.Icli, 2004

27. “Photocatalytic disinfection of municipal wastewater”, R.Dillert, U.Siemon, D.Bahnermann, January 1999

28. “Treatment of municipal waste water by photocatalytic method”, A.Alena, O.Sahu, August – November 2013

29. “Bactericidal action of illuminated TiO2 on pure Escherichia Coli and natural bacterial consortia: post irradiation events in the dark and assessment of the effective disinfection time”, A.G.Rincon, C.Pulgarin, 2004

30. “Photocatalytic TiO2 films and membranes for the developmentof efficient wastewater treatment and reuse system”, H.Choi, E.Stathatos, D.D.Dionysiou, 2007

31. “Worl’s Water 2004 – 2005, P.H.Gleick, N.Cain, D.Haasz, M.Palaniappan, C.Hunt etc. , 2004

32. “Solar disinfection of turbid waters experimentally contaminated with Cryptosporidium parvum oocyst under real field conditions”, H.Gomez – Causo,

33. “Photocatalytic degradation of the blue – green algal toxin Microcystin – LR in a natural organic – aqueos matrix” , A.J.Feitz, T.D.Waite, G.J.Jones, B.H.Boyden, P.T.Orr, 1999

34. “Development of TiO2 powder-coatedfood packing film and its abilityto inactivate Escherichia coli in vitro and in actual tests”, C.Chawengkijwanich, Y.Hayata, 2008

35. “Photoactive and antibacterial TiO2 thin films on stainless steel” , P.Evans, D.W.Steel , 2007

36. “Photocatalytic inactivation of Escherichia coli. Effect of concentrationof TiO2 and microorganism, nature and intensity of UV irradiation” , A.K. Benabbou, Z.Derriche, C.Felix, P.Lejeune, C.Guillard , 2007

37. “Titanium dioxide/UV photocatalytic disinfection in fresh carrots”, M.Cho, Y.Choi, K.Kim, G.J.Woo, J.Park , 2007

38. “Disinfection of iceberg lettuce by titanium dioxide – UV photocatalytic reaction” , Y.Kim, Y.Choi, S.Kim, J.Park, M.Chung, K.B.Song, I.Hwang, K.Kwon, 2009

39. “Disinfection of surfaces by photocatalytic oxidation with titanium dioxide and UVA light”, K.P.Kuhn, I.FChaberny, K. Massholder , 2003

40. “Photocatalytic activity, antibacterial effect and photoinduced hydrophilicity of TiO2 filmscoated on a stainless steel substrate” , J.C.Yu, W.Ho, J.Lin, H.Yip, P.K.Wong , 2003

41. “Pathogen survival in the external environment and the evolution of virulence” , B.A.Walther, P.W.Ewald , 2004

42. “Tropical diarrhoea: new developments in traveller’s diarrhoea” , A.A.Moreira , 2001

43. “Bacterial pathogenesis: a molecular approach” , B.A. Wilson, A.A.Salyers, D.D.Whitt, M.E.Winkler , 1994

44. “Antibacterial metal implant with a TiO2 – conferred photocatalytic bactericidal effect against Staphylococcus Aureus” , K.Shiraishi, H.Koseki, 2009

45. “Photokiling of T-24 human bladder cancer cells with titanium dioxide”, Y.Kubota, T.Shuin, C.Kawasaki, M.Hosaka, H.Kitamura, R.Cai, A.Fujishima, 1994

46. “Application of photocatalytic chemistry of titanium dioxide to disinfection and the killing of cancer cells”, D.M.Blake, P.C.Maness, Z.Huang, E.J.Wolfrum, J.Huang, W.A.Jacoby, 1999