Oltre a essere rifugio e scrigno dei beni e degli affetti, la nostra casa può 'curarci'? Addirittura, può 'guarire' alcuni nostri malesseri? Certamente, il benessere domestico o meglio una smart home può largamente contribuire a prevenire e combattere malattie, depressioni, 'stati generali' malsani. Questo è il tema principale della nostra rubrica Abitare il Benessere, curata dall'ingegnere Andrea Rotta, un autentico esperto di comfort abitativo, un titolato professionista che ha dedicato la propria vita e le proprie competenze allo scopo di far star bene le persone nei luoghi dove maggiormente trascorrono la loro esistenza.
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SANIFICAZIONE CON FOTOCATALISI di BIOSSIDO DI TITANIO E ACQUA
La fotocatalisi stata proposta storicamente per soluzioni di “self-cleaning” nell’edilizia (mantenimento della pulizia delle superfici), ma soprattutto per applicazioni disinquinanti (abbattimento di composti inorganici ed organici presenti in ambienti particolarmente inquinati), sfruttando composti specifici inseriti all’interno di materiali e prodotti da costruzione o applicati sulle superfici tramite composti nanotecnologici (es. materiali cementizi, pitture, piastrelle ceramiche).
E’ stata anche ampiamente studiata la fotocatalisi in sistemi acquosi, contenenti inquinanti o altre sostanze chimiche, oltre a microorganismi. In misura minore, è stata data una valenza più commerciale ed applicativa alle caratteristiche fotocatalitiche degli stessi materiali e delle superfici che, in condizioni ottimali di utilizzo, possono dare un contributo in certi casi significativo anche in termini di abbattimento di microorganismi biologici più o meno complessi. Molti studi di disinfezione fotocatalitica con TiO2 hanno riguardato batteri e funghi, pochi i virus.
Il biossido di titanio (TiO2) in presenza di luce ultravioletta (UV) produce un forte effetto ossidativo e può quindi essere usato come disinfettante fotocatalitico.
La tecnologia della fotocatalisi si basa sull’attivazione in superficie, in presenza di luce, di un composto detto appunto fotocatalizzatore, in grado di generare dei radicali e dei composti reattivi che vanno ad interagire con organismi o sostanze chimiche presenti nell’ambiente, che possono venire a contatto con la superficie fotocatalitica in modo diretto (per deposizione) o per vicinanza (nello strato laminare di aria vicino alla superficie, che possiamo definire come zona di interfaccia).
Figura 2 – Schema di meccanismo della fotocatalisi
Occorre quindi mettere subito in evidenza i quattro elementi indispensabili perché si attivi la reazione:
(foto)catalizzatore,
luce (solare),
ossigeno
ed umidità.
Ognuno di questi elementi deve essere messo nelle condizioni tali da poter fare la sua parte, cioè ad esempio quantità e tipo di fotocatalizzatore, quantità e tipo di luce irradiante la superficie, percentuali di umidità relativa sulla superficie fotocatalitica.
La reazione di fotocatalisi sarà tanto più efficace quanto maggiore il tempo di contatto fra superficie attiva e sostanza da aggredire, e quindi essa sarà più efficace quando si ha la sostanza depositata sulla superficie, piuttosto che quando la sostanza stessa circola nell’atmosfera circostante sotto forma di gas, particella sospesa o aerosol (reazione solido-gas).
I fotocatalizzatori classici sono rappresentati da composti metallici quali il biossido di titanio (TiO2, il più attivo e più utilizzato, in forma anatasio e rutilo), ossidi di metallo o solfuri come ZnO, ZnS, CdS, Fe2O3 e SnO2. Tutti questi composti sono attivi nella banda di luce UV, normalmente attorno ai 370 nm. Vi sono anche dei fotocatalizzatori a base di TiO2 anatasio, ma dopati con elementi chimici o ossidi, quali ad esempio carbonio (C)), azoto (N), carbonio ( C), tungsteno (W), ferro (Fe), Argento (Ag), rame (Cu), Manganese (Mn), che sono attivi in luce visibile (banda di assorbimento superiore ai 400 nm).
L’attivazione del fotocatalizzatore avviene con luce solare o meglio, come nel caso più comune del biossido di titanio (TiO2), con la componente UV dello spettro solare che corrisponde al 10-15% dello spettro totale, del quale solo un 5-8% arriva sulla superficie terrestre sotto forma di radiazione UV-A (95%) e UV-B (5%).
È stato provato che la fotocatalisi può indurre una degradazione nel caso di composti semplici (proteine e DNA), un effetto inibitore nel caso dei virus e dei batteri, un effetto anti-cancerogeno nel caso di cellule più complesse, addirittura nei riguardi dei pollini e delle spore che provocano allergie.
Figura 3 – Effetti della fotocatalisi su organismi molto semplici
Gli studi relativi alla trasformazione di virus tramite fotocatalisi sono stati eseguiti in ambiente acquoso o comunque liquido oppure con metodo di contatto diretto organismo/superficie e si può parlare di due livelli di attacco fotocatalitico:
1. FOTOINATTIVAZIONE o FOTODISATTIVAZIONE con effetto risultante DISINFETTANTE
2. DECOMPOSIZIONE/UCCISIONE delle cellule virali con effetto risultante STERILIZZANTE
Il meccanismo di inattivazione dei virus mediante fotocatalisi è ancora da chiarire in modo definitivo, pur essendo già stata dimostrata l’efficacia del sistema con prove di laboratorio, utilizzando numerosi tipi di microorganismi ed avendo anche quantificato il risultato pressoché completo dell’attacco.
Questo sembra venga avviato sulle particelle di virus attraverso il loro adsorbimento sulle superfici del catalizzatore seguita dall'attacco al capside proteico e ai siti di legame dei virus (attacco diretto di tipo Redox).
Secondo altre fonti, il comportamento di inattivazione dei virus è mediato da radicali ossidrilici •O2- e OH• o anche (ed in aggiunta) da Specie Reattive dell’Ossigeno (ROS) come •O2-, OH- H2O2 •HO2 e libere nella fase massa e non da quelle legate alla superficie del catalizzatore. Il meccanismo di successiva decomposizione comporta il degrado della parete cellulare e della membrana citoplasmatica, sempre a causa della produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS). Questo inizialmente porta alla fuoriuscita del contenuto cellulare, quindi alla lisi cellulare e fino ad una completa mineralizzazione dell'organismo. L'uccisione è tanto più efficace quanto vi è il più stretto contatto tra il virus e il catalizzatore.
Pur dovendo tener conto delle condizioni ambientali all’interfaccia, le specie reattive hanno un raggio di azione che può arrivare a 2 mm dalla superficie attiva.
Sfruttando questa opportunità, è quindi possibile adottare soluzioni con effetto disinfettante all’interno di locali pubblici molto frequentati ed in particolar modo negli ospedali, dove si riscontrano presenze di numerosi patogeni aero dispersi, soprattutto virus di dimensioni particellari molto ridotte.
La superficie fotocatalitica che si sfrutta per la reazione è quindi costituita da una matrice o substrato che contiene particelle del fotocatalizzatore omogeneamente disperse, oppure da un film sottile di rivestimento che ricopre completamente il substrato.
Non tutti i materiali sono idonei per questa applicazione, perché entra in gioco la stabilità chimica degli agenti a contatto con la superficie o la matrice ove sono inseriti. Essi hanno stabilità chimica su materie plastiche, fibre e tessuti e metalli (valori di pH pressoché neutro), ma non nel caso dei materiali cementizi (che hanno una alta basicità). Si deve anche tenere presente che la loro durata e la loro efficacia nel tempo sono limitate, trattandosi fisicamente di composti a lento rilascio di ioni reattivi.
D’altra parte, l’acidità o basicità della superficie possono essere determinanti per favorire o meno la disattivazione di un virus. In particolare, è stato osservato che il virus della SARS-CoV è rapidamente disattivato dopo 1 ora, per elevati valori di pH (>12) del sistema. Risultati analoghi sono stati pubblicati da altri ricercatori, anche se viene dichiarato che la velocità di disattivazione (sempre abbastanza elevata) dipende dal tipo di virus che si considera. La proprietà di inibizione da parte dei materiali cementizi è stata anche dimostrata nei confronti di micro organismi di complessità molecolare maggiore (batteri).
Come è stato già ribadito, il fotocatalizzatore si attiva in presenza di luce normalmente di tipo UV (TiO2). Vi sono numerose apparecchiature proposte su mercato, che sfruttano il principio dell’irraggiamento con lampade per la disattivazione e la sterilizzazione (che funzionano però con UV-C a lunghezza d’onda 254 nm – visto in qualche paragrafo precedente). Nel caso particolare dei coronavirus, l’effetto disattivante può essere ottenuto con valori di potenza di sola luce UV-C (nella lunghezza d’onda 100-280 nm) irradiata espressa con D90 Dose (dosaggio per avere il 90% di disattivazione) fra 7 e 241 J/m2.
Non sembra che sia altrettanto efficace la sola luce di tipo UV-A, perché ad esempio è stato osservato che per tempi di irraggiamento sull’ordine dei 15 minuti, si ha solo effetto utilizzando luce UV-C e non UV-A (motivando il risultato con il fatto che la radiazione UV-A viene solo debolmente assorbita dal DNA e RNA). Ed è per questo che in presenza di un fotocatalizzatore la reazione può essere decisamente accelerata o, come alternativa, si potrebbe sfruttare una potenza di luce UV-A inferiore.
In condizioni di adeguato irraggiamento UV, si può quindi avere un effetto fotocatalitico disinfettante nel giro di poco tempo (variabile da qualche decina di minuti a qualche ora), e questo è molto più rapido all’esterno ove si sfrutta la radiazione solare. All’interno l’effetto dipende da diversi fattori, quali il tipo di sorgente illuminante installata, l’intensità luminosa della stessa, la lunghezza d’onda di luce che si utilizza [da Ingenio - Gian Luca Guerrini].
La NASA ha brevettato un sistema che viene utilizzato su alcuni dispositivi costituiti da una precamera filtrante seguito da una camera di reazione fotocatalitica interna.
Questo è il cuore pulsante del dispositivo: una camera in cui si generano processi antibatterici che si traducono in un'importante eliminazione degli odori, virus, batteri e muffe che proliferano nell’ambiente.
Esistono anche sistemi di questo tipo che si possono utilizzare sui canali dell’aria o all’interno della VMC (ventilazione meccanica controllata); sistemi come quelli proposti da Feel Good srl, visitabile a questo indirizzo: https://feelgood.srl/ - tel.335 878 0344.
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A cura di Andrea Rotta
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Chi è Andrea Rotta?
Torinese d'origine, 51 anni, laureatosi al Politecnico di Torino nel maggio 1998 e iscritto all'Ordine degli ingegneri della Valle d'Aosta dal giugno 1999, Andrea Rotta opera da oltre vent'anni nel campo della progettazione, costruzione e gestione di impianti di climatizzazione con attenzione allo sviluppo delle energie rinnovabili e risparmio energetico.
Più di 200 gli impianti realizzati con tecnologia fotovoltaica, solare termico, pompa di calore, biomassa, cogenerazione. Oggi promuove la costruzione di edifici in bioedilizia e la riqualificazione energetica del patrimonio esistente. Un lavoro che ormai è diventata pura passione nel veder realizzato il sogno della sostenibilità ambientale che da una singola abitazione, come una goccia nel mare, farà la differenza nel nostro futuro e quello delle future generazioni.
Nel 2017 ha scritto il libro 'Era meglio fare l’idraulico!' in cui descriveva le difficoltà nell’iniziare a svolgere la libera professione, sempre alla ricerca di un modo migliore di proporre ai clienti, soluzioni innovative per vivere in comfort.
L’ingegner Rotta ha più volte sottolineato come sia importante prendere questo problema sul serio. Rotta si occupa, quindi, da molti anni delle energie rinnovabili e soprattutto del risparmio energetico, tanto da aver scritto dei libri in merito, tra i quali i più noti e apprezzati sono 'SmartHome' e 'Aria Pulita', 'Guida sul comfort abitativo' e durante il periodo di quarantena Covid ' Come sanificare' tutti scaricabili gratuitamente sul suo sito https://www.andrearotta.com/
Per maggiori informazioni consultare il sito https://www.andrearotta.com/ e il canale https://www.youtube.com/channel/UC9sqWNUPfrH_v9GbtsrA3ag
Tutti i contenuti e gli articoli dell'ingegnere Andrea Rotta sono disponibili nella rubrica 'Abitare il benessere'
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Andrea Rotta-red.laprimalinea.it
