FISR 2020 COVID
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FISR 2020 COVID: Proposte progettuali di ricerca (D.D. MUR n. 562 del 05/05/2020).
Un Dispositivo Fotocatalitico Locale a Basso Costo per Sanificazione di Aria Interna (PHOTOCAIR)
Casi di polmonite atipica nella provincia di Hubei, Cina (Chan et al., 2020) hanno permesso di identificare la Sindrome Respiratoria Severa ed Acuta da Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) riscontrata in pazienti di Wuhan. Questa epidemia segue i casi già noti dovuti a SARS-CoV-1 nel 2002 e di MERS-CoV del 2012. SARS-CoV-2 è quindi il terzo coronavirus ad emergere in meno di 20 anni, mettendo le istituzioni in grande allerta (Munster et al., 2020). L’OMS ha quindi dichiarato la pandemia globale nell’Aprile 2020. Considerando l’entità dell’epidemia, il grave bilancio di vittime e la conseguente crisi sanitaria ed economica, le nostre vite devono necessariamente adeguarsi ad una convivenza con micro-organismi potenzialmente letali. Stando ai dati dell’OMS le modalità di trasmissione di SARS-CoV-2 includono la trasmissione tramite aerosol e per contatto, quest’ultimo derivante dalla deposizione di aerosol contaminati su superfici. Le procedure attuali di sanificazione delle superfici richiedono procedure costose e l’impiego di disinfettanti potenzialmente nocivi per l’ambiente (cloro, diossido di cloro, ipoclorito di sodio, ozono) oppure illuminazione UV su larga scala, con conseguenti rischi per la salute dei lavoratori (Fan et al., 2017; Kühn et al., 2003; Kleinbohl et al., 2018; Messerle et al., 2018; Yu et al., 2013). La purificazione dell’aria, invece, riduce la concentrazione di aerosol contaminati riducendo il rischio di inalazione diretta ed il deposito su superfici, quindi anche l’uso di disinfettanti. Le tecnologie disponibili per la sanificazione dell’aria si basano sulla rimozione dei contaminanti organici tramite filtri [HEPA, carbone attivo (CA)], che richiedono pulizia o sostituzione, con il rischio che i virus o i batteri possano prolificare nel filtro stesso, oppure sulla degradazione degli inquinanti organici tramite attacco chimico-fisico (ionizzatori, ozono, lampade UV), con efficacia ridotta, a causa dell’esposizione limitata e con possibili rischi per la salute. Tipicamente queste tecnologie sono impiegate per impianti centralizzati di trattamento dell’aria con elevati flussi d’aria per spazi pubblici. Recentemente, sono apparsi in commercio impianti domestici di piccole dimensioni basati su di una combinazione di alcune delle tecnologie di cui sopra (es. CA + UV) con efficacia piuttosto limitata.
PHOTOCAIR introduce un innovativo dispositivo per la sanificazione d’aria basato sull’effetto fotocatalitico, ed universalmente applicabile a condizionatori d’aria e/o termoconvettori per uso domestico. Il sistema proposto è basato su un illuminatore LED UV inserito all’interno di una struttura reticolare ottimizzata con approccio CFD, stampata 3D è ricoperta da un Foto Catalizzatore (FCE) a base di TiO2 la cui morfologia e composizione chimica sono ottimizzati tramite simulazioni quantistiche ab initio. L’unità risultante è inserita in un involucro universale per essere installata in unità minisplit commerciali. Il principio operativo della Foto Catalisi (FC) è consolidato, (Fujishima and Honda, 1972). Un semiconduttore nanostrutturato assorbe luce di energia superiore al band gap per produrre una coppia di portatori di carica. La migrazione delle lacune alla superficie del semiconduttore opera il processo fondamentale di separazione di carica, inibendo la ricombinazione dei portatori e generando, in presenza di molecole d’acqua e ossigeno, specie radicaliche altamente reattive che sono in grado di attaccare e degradare ossidativamente macromolecole (proteine, DNA/RNA) e virus. Le unità commerciali esistenti basate su FC sono costosi dispositivi isolati (es. AIROASIS, cleanair4life) o unità accoppiabili a sistemi di condizionamento centralizzati (es. vmcgroup, aircontrolclima).
Il contenuto innovativo di PHOTOCAIR è quindi sia scientifico/tecnologico che commerciale. Dal punto di vista della FC l’innovazione risiede: i) nell’ottimizzazione tramite simulazione quantistica da principi primi della nanostruttura (nanofili, nanoparticelle), della morfologia (impaccamento, meso-struttura ed esplorazione di scale spaziali differenti) e composizione chimica del FCE; ii) nella sintesi e caratterizzazione tramite tecniche avanzate (SEM/TEM, FT-IR, Raman, XPS e XRD da polveri) dei materiali più promettenti. Per velocizzare la messa in opera del prototipo ci baseremo principalmente su TiO2, anche se considereremo anche WO3 per assorbimento nel visibile. L’innovazione nel design e nella realizzazione dell’unità derivano dalla messa a punto di uno specifico modello di simulazione che integra un approccio CFD ad elementi finiti con un modello cinetico di reattività chimica semplificato, per descrivere efficacemente le reazioni che avvengono alla superficie del FCE. Quest’ultimo punto è stato scarsamente esplorato per FCE nanostrutturati e mesoporosi e la messa a punto di un modello numerico per specifiche geometrie ed architetture non è ancora stata raggiunta. Il modello di simulazione sarà sfruttato per determinare la geometria reticolare ottimale in relazione alla sorgente di illuminazione per raggiungere il miglior compromesso possibile tra la rimozione dell’inquinante organico (SARS-CoV-2 sarà assimilato a membrana lipidica), perdite di carico, natura del catalizzatore, materiale e costo di produzione, consumo energetico e impatto ambientale sul ciclo di vita.
Dal punto di vista commerciale la principale innovazione risiede nella produzione di un dispositivo di sanificazione dell’aria a basso costo (prezzo obiettivo ~150 €/unità comprensivo di installazione), basso consumo energetico (potenza stimata inferiore a 30 W), basso impatto ambientale sul ciclo di vita (riduzione Carbon Footprint >20%) che possa essere installato almeno sul 60% delle unità di condizionamento esistenti.
I partner hanno iniziato lo sviluppo di PHOTOCAIR all’inizio dell’emergenza COVID-19, mettendo a frutto l’esperienza del Dipartimento di Chimica, Biologia e Biotecnologie (CBB) nel campo dei processi attivati dalla luce su superfici nanostrutturate di TiO2; del Dipartimento di Ingegneria (ENG) nell’ambito della simulazione CFD di flussi reattivi, la sperimentazione prototipale ed il Life Cycle Assessment (LCA); e del CNR, Istituto di Scienze e Tecnologie Chimiche “Giulio Natta” (CNR-SCITEC) nella sintesi, craterizzazione e test di FCE a base di TiO2. L’attività preliminare effettuata dai partner è stata finora incentrata su attività numerica e sperimentale. CBB ha iniziato la messa a punto del modello per la rappresentazione computazionale su mesoscala del FCE nanostrutturato, comprendente parametri cinetici determinati tramite calcoli quantomeccanici da principi primi. ENG ha effettuato simulazioni fluidodinamiche su architetture con celle esagonali e sorgenti di illuminazione di differenti intensità per minimizzare la perdita di carico e massimizzare l’esposizione alla luce del FCE. ENG ha inoltre progettato il banco prova per le prove di flussaggio del prototipo ed ha realizzato uno studio preliminare di LCA. CNR ha iniziato la sintesi e la caratterizzazione di nanostrutture di TiO2 già note per l’ottenimento di efficienze significative. Considerando i risultati ad oggi disponibili, PHOTOCAIR svilupperà un dispositivo prototipale in versione beta, un banco prova per il test e la caratterizzazione del prototipo beta e delle versioni successive ed un’analisi economica ed ambientale completa.
Questi risultati costituiscono la base indispensabile per l’ampliamento delle attività da porre in essere nella fase 2.