TiO2

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 4200 (2023) Diesen Artikel zitieren

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TiO2-Ag-dotierte nanopartikuläre (TiO2-Ag-NP) klebende photokatalytische Filme wurden verwendet, um die Fähigkeit zu bewerten, die Belastung durch mikrobielle Partikel in Innenräumen zu verringern. Die Anwendung einer einfach zu verwendenden photokatalytischen Klebefolie zur Reinigung von Innenräumen von mikrobieller Verschmutzung stellt eine Neuheit auf dem Gebiet der photokatalytischen Geräte dar. Die Reduzierung wurde durch Photokatalyse in ausgewählten Räumen, in der Regel bei Überbelegung (≥ 3 Personen) während der üblichen täglichen Arbeitszeiten, und durch Überwachung des Mikroklimas in Innenräumen erreicht. Mit TiO2-Ag dotierte nanopartikuläre (TiO2-Ag-NP) klebende photokatalytische Filme wurden in fünf Arten von Wohnräumen angebracht, darunter Schulen und Arbeitsplätze. Die mikrobielle Verschmutzung wurde zum Zeitpunkt 0 (weit entfernt von der routinemäßigen Reinigung, ≥ 9 Stunden) und über 2–4 Wochen nach der Anwendung des Photokatalysators durch Luminometrie der relativen Lichteinheit (RLU) und mikrobielle indirekte Bewertung (koloniebildende Einheiten pro Kubikmeter, KBE/ m3). Der TiO2-Ag-NP-Photokatalysator reduzierte RLU und KBE/m3 um mehr als 70 %, was zu einem RLU ≤ 20 und einer mikrobiellen Präsenz ≤ 35 KBE/m3 führte. Das beschriebene TiO2–Ag–NP ist in der Lage, die mikrobielle Belastung innerhalb von 60 Minuten bei offenem Tageslicht in einem standardisierten Testraum von 100 m2 auf den niedrigsten RLU-Schwellenwert (≤ 20) zu reduzieren. Die Korrelation zwischen RLU und CFU/m3 war positiv (r = 0,5545, p < 0,05), was zeigt, dass die mikrobielle Reduzierung von Innenbereichen durch den TiO2-Ag-NP-Klebefilm real war. Titania-Photokatalysatoren stellen vielversprechende Werkzeuge dar, um mit einem kostengünstigen, praktikablen und unkomplizierten Ansatz die Luftreinigung und -desinfektion in bewohnten Innenräumen zu gewährleisten. Dieser Ansatz stellt einen einfach zu handhabenden, kostengünstigen, praktikablen und wirksamen Ansatz zur Reduzierung der mikrobiellen Verschmutzung in Innenräumen dar, indem einfach ein TiO2-Ag-NP-Klebefilm an der Wand angebracht wird.

Die Verwendung von Titandioxid mit nanopartikulären Ag-Dünnfilmen (TiO2-Ag-NP) als photooxidativer Katalysator zur Entfernung chemischer Schadstoffe oder mikrobieller Kontaminationen geht auf die Zeit vor einigen Jahrzehnten zurück, als dieser Ansatz wegen seiner Kosteneffizienz und höchsten Oxidation geschätzt wurde bei Raumtemperatur, hohen Kanalgeschwindigkeiten und geringer Druckabfalltoleranz1,2,3,4,5,6.

Verschiedene Arten von Dünnschichttechnologien wie Schleuderbeschichtung7, Elektronenstrahlverdampfung, chemische Gasphasenabscheidung8 oder Magnetronsputtern9 sind in der Lage, einen zusammengesetzten dünnen Film aus TiO2-Elementen (100 nm) aufzubauen, der mit Silber (Ag) verbunden und/oder komplexiert ist. Nanopartikel (normalerweise ≤ 10 nm, Bereich 1–100 nm) über verschiedene Methoden, wie Dotierung10,11, Heteroübergangsbildung12 oder Metallionenimplantation oder andere13. Die Komponente TiO2 fungiert als Halbleiter mit einer Energielücke (EG) = 3–3,3 eV, obwohl dieser Wert von den verschiedenen allotropen Formen von Titandioxid abhängt. Wenn TiO2 mit Photonen mit einer Energiemenge größer als EG bestrahlt wird (d. h. entsprechend einer Wellenlänge λ ≤ 390 nm), kann ein Elektron diese Energielücke überwinden und vom Valenzband in das Ladungsband befördert werden Leitung. Die Valenzlücke ist in der Lage, mit den absorbierten Wassermolekülen auf dem dünnen Film des Photokatalysators zu reagieren und einige von Sauerstoff abgeleitete Radikale wie das Hydroxylradikal (·OH-) zu bilden, die Bakterienzellen stark schädigen können. oder direkt auf adsorbierte organische Verbindungen. Dann ist der photokatalytische Film auf einem Klebeträger14,15 in der Lage, sauerstoffreaktive Spezies (ROS) in Wasserstoffperoxid umzuwandeln, das von Ag verwendet wird, um die Abtötung von Bakterien zu verbessern16.

Heutzutage nimmt die weitverbreitete Anwendung von Geräten, die die TiO2-Ag-Nanotechnologie verwenden, sowohl in öffentlichen Innenräumen als auch in Haushaltseinrichtungen rasch zu, da die Fähigkeit von TiO2-Ag-NP, die mikrobielle Kontamination in Innenräumen zu reduzieren und eine Mikrobenbelastung zu hinterlassen, zunehmend anerkannt wird. freie Umgebung17,18,19. Die Verwendung neu patentierter photokatalytischer TiO2-Ag-NP-Filme19,20, die sich leicht an Wänden oder Fenstern anbringen lassen, um eine feine Entfernung der mikrobiellen Luftverschmutzung zu erreichen, stößt aufgrund der relativ geringen Kosten und der einfachen Handhabung auf öffentliches Interesse Handhabung und geringe Toxizität der TiO2-vermittelten Photokatalyse20. Wir haben kürzlich gezeigt, dass diese einfach zu handhabenden photokatalytischen Geräte (dünne Klebefolien) in der Lage sind, mikrobielle Schadstoffe in den Innenräumen öffentlicher Fahrzeuge abzubauen, die normalerweise mit Schülern, Studenten oder Kunden überfüllt sind20. Diese Studie stellt eine weitere Bewertung unserer Forschung im Bereich des Wohnraums in Innenräumen dar.

Tatsächlich stellen die hier beschriebenen Beweise eine Neuheit auf dem Gebiet der photokatalytischen Materialien dar, die zur Reinigung von Innenräumen von mikrobiellen Partikeln in der Luft eingesetzt werden. Obwohl die Verwendung der TiO2-Photokatalyse für Innenräume bereits in den 90er Jahren begann, wird im Hinblick auf chemische Verschmutzung (flüchtige organische Verbindungen) der Verwendung von TiO2-Ag-NP zur Reduzierung der mikrobiellen Kontamination in Innenräumen als chemische Schadstoffe nur wenig Aufmerksamkeit gewidmet stellen immer noch die Hauptziele der Photokatalyseanwendung dar1,21. Die technologische Herausforderung besteht darin, einen einfach zu handhabenden Photokatalysator zu entwickeln, der auf ökologisch nachhaltige Weise in jedem Innenraum eingesetzt werden kann. Die Fähigkeit unserer photokatalytischen Klebefolien, menschliche Innenräume zu reinigen, ist entscheidend, wenn Geräte besonders einfach zu handhaben, kostengünstig, strapazierfähig und hochwirksam bei der Reduzierung mikrobieller und chemischer Belastungen in Wohnräumen wie Schulen oder Arbeitsplätzen sind. in einer weitgehend machbaren Weise. Der hier beschriebene photokatalytische Film lässt sich sehr einfach in Innenräumen anbringen, um die mikrobielle Verschmutzung der Luft zu reduzieren. Er funktioniert, indem der Klebefilm einfach auf vertikale, beleuchtete Innenflächen geklebt wird.

Darüber hinaus wurde in der aktuellen, von anderen bestätigten Studie von Matsura und Kollegen festgestellt, dass die TiO2-vermittelte Photokatalyse, d Zerstörung von Viruspartikeln und deren Genomen19,22,23. Die Fähigkeit von Titandioxid-Photokatalysatoren, im Innenraumklima eine desinfizierende Wirkung auszuüben, ist weithin bekannt und besonders aktuell.

Tatsächlich entwickelt sich die Photokatalyse mit Titandioxidmaterialien zu einer neuartigen, unkomplizierten Technologie zur Reduzierung der mikrobiellen Kontamination in Innenräumen20,24. Das Interesse an der sogenannten photokatalytischen Desinfektion hat in den letzten Jahren exponentiell zugenommen und liegt bei über 800 Berichten in diesem Bereich24, was wahrscheinlich auf eine deutliche Verbesserung der vielen photokatalytischen Technologien zur Innendesinfektion zurückzuführen ist20,24,25,26. Einige Innenräume sind aus Sicherheitsgründen besonders wichtig. Neben Gesundheitseinrichtungen und Hospizen stellen auch Schulen und Bildungseinrichtungen, in denen sich in der Regel viele Kinder aufhalten, einen wesentlichen Aspekt der Gewährleistung eines sicheren Wohnraums dar, da auch Kinder und Jugendliche als Risikopersonen gelten28,29,30. Das Gleiche gilt für Tagelöhner, um ein gesundes Wohnen in Innenräumen zu gewährleisten und arbeitsbedingte Verletzungen zu reduzieren.

In diesem Zusammenhang kann die Fähigkeit unseres TiO2-Ag-NP-Photokatalysators, mikrobielle Partikel in Innenräumen zu reduzieren, als wichtiger technologischer Fortschritt angesehen werden.

Der Zweck dieser Forschungsstudie besteht darin, die Fähigkeit einer hochtechnologischen, einfachen TiO2-Ag-NP-Photokatalysator-Nanotechnologie, die in einem einfachen Klebefilm angeordnet ist, zu bewerten, den mikrobiellen Gehalt in der Luft in Innenräumen drastisch zu reduzieren und so eine saubere, desinfizierte Atmosphäre zu erzeugen und gesunder Raum, in dem stabil gelebt, studiert oder gearbeitet werden kann.

Die wichtigsten Auswahlkriterien für die Raumauswahl in unserer Studie bezogen sich auf zuvor veröffentlichte Berichte, um ein recht konstantes Mikroklima in unseren Innenräumen zu bewerten21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 ,35, um den Einfluss von Ausreißern, Verzerrungen und Störfaktoren in unseren gesammelten Daten deutlich zu reduzieren. Um unsere Untersuchung auf die breiteste Typologie von Innenräumen auszudehnen, die unserer Photokatalysator-Technologie unterzogen werden, haben wir Folgendes ausgewählt: (a) vier verschiedene Schulklassen (Datenerfassung vom 25. Mai 2021 bis 7. Juni 2021); (b) ein landwirtschaftlicher Ausstellungsraum (Datenerfassung vom 14. April 2021 bis 14. Juni 2021); (c) zwei verschiedene Wohnbauernhofboxen (Jobcontainer) (Datenerfassung vom 29. April 2021 bis 13. Mai 2021); (d) ein Wäschedepot in einer Wäscherei (Datenerhebung vom 11. Juni 2021 bis 16. Juni 2021); (e) ein Telefonshop (Datenerfassung vom 16. September 2021 bis 12. November 2021). In den Innenräumen wurden zwei TiO2-Ag-NP-Abmessungstypen von WIWELL angewendet, nämlich Typ 1 (0,6 m × 0,9 m, = 0,54 m2) und Typ 2 (0,3 m × 0,5 m, = 0,15 m2). Dabei ist darauf zu achten, dass nicht ein einziger photokatalytischer Film verwendet wird, sondern dass mehrere verfügbare Filme eingesetzt werden können, um die gesamte Innenumgebung homogen zu erfassen. Aufgrund der unterschiedlichen Makroumgebungsbedingungen (das Verhältnis des Gebäudes zu äußeren klimatischen Parametern) war es schwierig, eine genaue Anzahl von WIWELL TiO2-Ag-NP-Filmen zu standardisieren. Daher haben wir auf der Grundlage früherer Erfahrungen20 die photokatalytischen Filme zusammengestellt wie folgt. Jedes Schulklassenzimmer war 6 m breit × 10 m lang × 5 m hoch (60 m2) und war mit insgesamt 1,62 m2 WIWELL TiO2–Ag–NP n ausgestattet. 3 selbstklebende photokatalytische Filme vom Typ 1. Der landwirtschaftliche Ausstellungsraum hatte eine Größe von 10 m Länge × 10 m Breite × 3,5 m Höhe (100 m2) und war mit insgesamt 2,16 m2 WIWELL TiO2-Ag-NP n ausgestattet. 4 Typ-1-klebender photokatalytischer Film. Jede Stallbox war 19,95 m2 und 69,85 m3 groß (WIWELL TiO2-Ag-NP Nr. 4 Typ-2-Klebefilm mit photokatalytischer Folie = 0,6 m2). Die Wäscherei war 12 m2 (42 m3) groß, während der Telefonladen 60 m2 (300 m3) groß war. Es wurden photokatalytische TiO2-Ag-NP-Klebefilme von WIWELL = 0,6 m2 bzw. 1,62 m2 aufgetragen.

Die Bewertung des Mikroklimas in diesen verschiedenen Innenräumen wurde durch die unterschiedlichen Jahreszeiten zur Erfassung der Rohdaten nicht wesentlich beeinflusst, da die Probenahme unter Vermeidung vorübergehender Unterschiede des Mikroklimas zwischen Innen- und Außenumgebungen durchgeführt wurde, um den thermischen Unterschied der Umgebungsluft und den Unterschied in der Umgebungsluft festzulegen relative Luftfeuchtigkeit klein genug, um einem stationären Zustand zu ähneln (Unterschied im universellen thermischen Index, ∆UTCI, ≤ 0,5 °C)34. Zulässige Raumklimakriterien für die Datenaufnahme in die Studie waren: a) Temperaturbereich 21–26 °C (69,8–78,8 °F), relative Luftfeuchtigkeit (RH) 40–60 %, CO2 zwischen 250 und 1000 ppm; PM2,5 ≤ 12 μg/m3, Belüftung und thermischer Komfort gemäß der europäischen Norm EN 16.798:2019 und weiteren Bewertungen35, Lichteinwirkung wie weiter unten beschrieben.

Die Proben wurden mit Abstrichmethoden entnommen36. Jeder Abstrich wurde fernab der routinemäßigen Reinigungseinstellungen (≥ 9 Stunden nach der chemischen Reinigung) von einem unserer Mitarbeiter (Luca Berto) zusammen mit einem Assistenten (Antonio Vella) durchgeführt.

Abbildung 1 fasst den Prozess der Probenahme mittels Abstrichmethode zusammen.

Kurze Zusammenfassung des Prozesses des Abstrichtests für die RLU-Leistung. (A) Der Co-Autor LB beim Tupfen auf der Innenseite einer vertikalen Oberfläche (z. B. einer Fensterscheibe), (B) Art und Weise, wie der Tupfer gehandhabt und auf der Oberfläche verwendet werden muss; (C) Einsetzen des Tupfers in das RLU-Erkennungsgerät; (D) ein Beispiel für das Auslesen der RLU; (E) und (F) Verschiedene Beispiele der WIWELL TiO2–Ag–NP-Anwendung (ein Jobcontainer und ein Büro); (G) Mikrobiologische Ausgabe auf einer TSA-Platte (37 °C, 48 h) vor und (H) nach der 12-stündigen Anwendung des WIWELL TiO2-Ag-NP-Klebefilms.

Zunächst lässt der Bediener den UltraSnap-Tupfer vor der beabsichtigten Verwendung auf Raumtemperatur (ca. 21–25 °C) äquilibrieren, dann hält er den Tupfer fest und macht ihn durch Drehen und Herausziehen des Tupfers aus dem Röhrchen einsatzbereit benutze es. Anschließend wischt er einen Standardbereich (Abb. 1A) gründlich ab, indem er den Anweisungen des Herstellers folgt und dabei einen 4 × 4 Zoll oder 10 × 10 cm großen Bereich in einem Zickzackpfad abwischt (Abb. 1B). Bereiche (Oberflächen) sind normalerweise innere Teile von Fenstern (Glas) oder Innenobjekten, die weit entfernt von menschlichem Kontakt sind. Der Bediener führt den Tupfer wieder in das Tupferröhrchen ein, bricht dann mit Daumen und Zeigefinger das Schnappventil auf, hält das Röhrchen fest und biegt den Kolben einige Sekunden lang vor und zurück. Er drückt daher den Kolben mindestens zweimal zusammen, damit die Flüssigkeit durch den Tupferschaft austreten kann, schüttelt den Tupferknospen 5–10 Sekunden lang in der Flüssigkeit und liest dann die Probe innerhalb von 30 Sekunden im Bioluminometer ab (Abb. 1C). , Luminometer aufrecht halten. Dann drückt er den Startknopf und liest den RLU-Wert ab (Abb. 1D).

Die Probenahme erfolgte in vierfacher Ausfertigung, d. h. für jede untersuchte Stelle wurden mindestens 4 Abstriche in derselben Probenahmesammlung durchgeführt (jede Probe = 4 Abstriche), und zwar ab 15:00 Uhr ± 15 Minuten, weit entfernt von der routinemäßigen Reinigungszeit (6:00 Uhr). . Jeder Abstrich wurde in einem leeren Raum ohne Personen durchgeführt, mit Ausnahme der Testdurchführenden, bei denen mindestens 30 Minuten vor der Entnahme eine völlige Abwesenheit von Menschenansammlungen herbeigeführt wurde, um die Raumklimaparameter zu standardisieren und statistische Störfaktoren zu vermeiden. Jeder getestete Innenraum wurde 20 Stunden vor der Probenahme mit einem einfachen Typ einer photokatalytischen TiO2-Ag-NP-Folie von WIWELL ausgestattet, die entweder auf einem Tragrahmen oder direkt an verschiedenen Wänden befestigt wurde. Der TiO2-Ag-NP-Photokatalysator ist eine Klebefolie mit zweidimensionalen Typologien, wie oben beschrieben: (a) eine Folie vom Typ 1 (60 × 90 cm) (wird für Experimente in Schulen und an Arbeitsplätzen in Innenräumen verwendet), (b) a Typ-2-Blatt (30 × 50) cm in Bauernkabinen. Jeder Photokatalysator, der als Klebeplatte an der Wand erschien, wurde in einem Abstand von ≤ 3,00 m von der Raummitte, ≥ 1,5 m vom Boden und ≥ 1,0 m von der Decke angebracht. Der Photokatalysator blieb während der gesamten Versuchszeit an seinem Platz.

Die Probenahme erfolgte um 15:00 Uhr am Tag vor dem Experiment und vor dem Anbringen des photokatalytischen Films WIWELL TiO2-Ag-NP (Kontrollproben) und am Tag/an den Tagen des Experiments mit dem zuvor angebrachten photokatalytischen Film WIWELL TiO2-Ag-NP ( Datenbeispiele). Die Anzahl der Stichprobendaten für jeden untersuchten Innenbereich wurde anhand der Stichprobengrößenstatistik berechnet, um eine Fehlermarge von nahezu 5 % zu erreichen. Daher wurde eine Anzahl von mindestens 70 Proben als ausreichend angesehen, um einen Anteil von 95 % der Bevölkerung zu erreichen, der den Effekt erleidet, mit einem Konfidenzintervall von 95 % (Fehler = 5,11 %). Die Daten vom Zeitpunkt 0 bis zum Ende der Datenerhebung wurden unabhängig voneinander erarbeitet. Der Cohen-k-Wert für die Übereinstimmung (89,74 %) betrug 0,6533.

Die Probenahmestellen wurden so konzipiert, dass sie je nach Studiengrundsatz mindestens vier Teilbereiche im Innenbereich und acht Probenahmeoptionen von der Quelle des Photokatalysators und der Belüftung im Umkreis von 1,5 m (in der Nähe), d. h. in der Nähe/fern des Photokatalysators, in der Nähe/ weit von einem Fenster oder einer Tür, nahe/fern der Mitte eines Raumes, nahe/fern der Wände eines Raumes. Da die Daten das umfassende Innenvolumen des untersuchten Raums betrafen, unterschieden sich die Spots nicht wesentlich voneinander, wohingegen Ausreißer (≥ 3 SD) aus der endgültigen Datenverwaltung entfernt wurden.

Die Auswertung von Adenosintriphosphat (ATP) erfolgte ausschließlich durch geschultes Personal.

Eine Oberfläche von etwa 100 cm2 (10 × 10 cm) wurde gründlich mit einem ATP-Tupfer in zwei entgegengesetzten Wischrichtungen abgewischt. Jede ATP-Probenahme wurde mit vom Hersteller bereitgestellten ATP-Tupfern (Ultrasnap-ATP-Überwachung Hygiena) durchgeführt. Die Proben wurden alle unterschiedslos durchgeführt, während der Innenraum durch tägliches Sonnenlicht beleuchtet wurde, in einem Bereich von 1000 lx, was typischerweise einen bewölkten Tag am Mittag kennzeichnet, und 120.000 lx (hellstes Sonnenlicht) zur gleichen Zeit (15:00 Uhr ± 15 Minuten). abhängig von der örtlichen Saisonalität und/oder dem Wetter, mit Ausnahme der Experimente zur Leistung des Photokatalysators (siehe unten). Wir haben zuvor gezeigt, dass sich die photokatalytischen Eigenschaften des WIWELL TiO2-Ag-NP bei verschiedenen Lichtquellen nicht wesentlich ändern20.

Nach der Probenahme wurden die Abstrichtupfer in ein manuell kalibriertes und automatisches Bioluminometer (ENSURE Touch, HYGIENA Ultrasnap-Modell) gegeben, das eine sofortige und zeitnahe Ausgabe in Relative Light Units (RLU) ermöglicht, normalerweise innerhalb von 15 s und mit einer Empfindlichkeit von bis zu 0,1 Femtomol ATP für die Probe. Das Gerät ist so kalibriert, dass es als Positivkontrolle den β-Licht-Kalibrierungsbereich von 270–330 RLU und eine Negativkontrolle bei Hintergrund (Blindwert) von 0–5 RLU liefert. Die Menge der Lichtemission der Lumineszenzsonde wird als RLU in Bezug auf einen kalibrierten Standard ausgedrückt und ist linear dosisabhängig von der Konzentration des mikrobiellen ATP37.

RLU-Durchbruchwerte < 20 deuteten auf eine saubere Oberfläche hin, während Werte ≥ 60 RLU einen minimalen Schmutzschwellenwert darstellten, d. h. die Bewertung einer nicht gereinigten Oberfläche nach mindestens einer Stunde direktem Kontakt mit Menschen. Daher stellte eine Zielreduktion von RLU ≤ 20 RLU oder 70 % zur Kontrolle unseren primären Endpunkt dar.

Ein separates RLU-Experiment mit sechs verschiedenen Innenhelligkeitsbedingungen wurde ebenfalls in Betracht gezogen, um die Leistung des WIWELL TiO2-Ag-NP-Klebefilms in verschiedenen Photokatalysekontexten zu bewerten: (a) direktes Sonnenlicht (30–100 × 103 lx); (b) Umgebungstageslicht (10–25 × 103 lx); (c) Sonnenuntergang oder Sonnenaufgang (typischerweise 400–50 Lux); (d) bewölktes Tageslicht (1.000 lx); (e) Innenumgebungslicht 1 (750 lx); (f) Innenumgebungslicht 2 (250 lx). Die Innenhelligkeit wurde mit einem Luxmeter PCE-VDL 16I (PCE Instruments, GmbH, Deutschland) gemessen und in Lux angegeben. Die WIWELL TiO2–Ag–NP-Klebefilme (4 Typ-1-Filme) wurden mindestens 24 Stunden vor Testbeginn im Innenraum angebracht. In den 24 Stunden vor und während des gesamten Versuchslaufs wurde keine chemische Reinigung durchgeführt. Jede der sechs verschiedenen Bedingungen wurde an sechs verschiedenen Tagen durchgeführt. Das Abwischen wurde in der gleichen Testinnenumgebung (ein wärmeisolierter Raum 10 × 10 × 3,5 m, 100 m2, 350 m3, 55–60 % relative Luftfeuchtigkeit, 0,07–0,25 m/s Innenlüftung) an 5 verschiedenen Abstrichstellen in zweifacher Ausfertigung durchgeführt alle 10 Min. bis 1 Std. und bei 90, 120, 150, 180 und 240 Min. Der Assay wurde von zwei Bedienern (LB, AV) durchgeführt, um den Zeitverlaufstest gemäß der zuvor beschriebenen RLU-Bewertung ordnungsgemäß zu organisieren und zu verwalten.

Um die Umweltbedingungen von in der Luft befindlichen Bioschadstoffen wie Bakterien oder Pilzen zu überprüfen, wurde eine Luftprobenahme mit einem speziellen tragbaren Probenahmegerät zur mikrobiologischen Kontrolle (MICROFLOW ALPHA, Aquaria, Italien) gemäß UNI-EN ISO 14.698 durchgeführt: 2003, EN 17.141:2020 und UNICHEM-Methode 1962–238,39. Das Instrument ermöglicht eine automatische Kalibrierungskontrolle über das automatische Kalibrierungssystem, das von der Polytechnischen Universität Mailand (Italien) entwickelt (Bericht Nr. 377/2003) und von INRIM in Turin zertifiziert wurde (Zertifikat Nr. 10-0114-01/2010). .

Für die routinemäßige mikrobiologische Analyse wurde ein 90-mm-Kopfmodell (380 Filterlöcher à 1 mm) mit gammabestrahlten 90-mm-ICRplus-Tryptischen-Soja-Agar- (TSA) plus Lecitin-Tween-80-Histidin- und Thiosulfat- (TSA + LTHTh)-Kulturplatten (Merck) beladen -Millipore, Darmstadt, Deutschland) für jeden Test, um das Vorhandensein von Mikroben in Innenräumen in der Umgebung zu untersuchen. Die Platten ermöglichten die Inkubation aerober, mikroaerophiler und anaerober Bakterien. Um auch das Vorhandensein von Hefen und Schimmelpilzen zu untersuchen, wurde bei mindestens vier verschiedenen Gelegenheiten ein Sabouraud-Dextrose-Kontakt-Agar + LTHTh-Kulturmedium verwendet.

Eine Probe mit einem Gesamtvolumen von 200 l (100 l/min für 2 min) wurde vom Gerät erfasst, gefiltert und gemäß zuvor veröffentlichten Methoden40 analysiert. Die Platten wurden 24 Stunden (Bakterien) und 48 Stunden (Hefen und Schimmelpilze) bei 35 °C inkubiert. Darüber hinaus wurde zur Bewertung der Auswirkung der Mikrobengröße auf die Atembereiche ein TCR TECORA Pollution Check IMP-6 Bio (6-stufige aerodynamische Partikelgrößenbestimmung) in einem 100 m² großen Testraum mit einem Probenahmedurchfluss von 28,3 l/min eingesetzt. Das Instrument war mit 90 mm TSA-Platten ausgestattet. Der Mikrobiologe bewertete das Vorhandensein verschiedener Mikroben anhand von mindestens sechs verschiedenen Abnahmestadien, basierend auf bekannten mikrobiellen Abmessungen: (1) > 7,0 μm; (2) von 7,0 bis 4,7 μm; (3) von 4,7 bis 3,3 μm; (4) von 3,3 bis 2,1 μm; (5) von 2,1 bis 1,1 μm; (6) von 1,1 bis 0,65 μm. Die Stadien spiegeln den Ort der Ablagerung inhalierbarer Bakterien in der menschlichen Lunge wider, wobei 1–2 insgesamt Bakterien der oberen Atemwege und 3–6 die alveolengängigen mikrobiellen Partikel darstellen40,41. Die Sammlung erfolgte in der sogenannten menschlichen Atemzone, also 1,5 m über dem Boden und 1,0 m von den Wänden entfernt. Mikroben wurden als koloniebildende Einheiten pro Kubikmeter (KBE/m3) als mesophile mikrobielle Belastung bei 36 °C gemäß der standardisierten Methode ISO 4833–1: 2013, ISO 13.138:201240 gezählt. Es wurde auch eine statische Sedimentationsprobenahme auf Plattenzählungs- und Kartoffeldextrose (PD)-Statik-Agarplatten durchgeführt.

Der TiO2-Ag-NP-Klebefilm wird von WIWELL, Polcenigo (PN, Italien) hergestellt und besteht aus einer Mischung des Photokatalysators Titandioxid (TiO2), dotiert mit Ag-Nanopartikeln (WIWELL), auf einem Polyvinyl-Elastomer-Klebefilm ( WIGLASS) mit unterschiedlichen Herstellerabmessungen, das optimale Verhältnis [Innenraum/TiO2-Ag-NP-Oberfläche] sollte jedoch ≥ 40 sein (z. B. ein 1,5 m2 großer TiO2-Ag-NP-Film für einen 60 m2 großen Raum, ungefähr unter Berücksichtigung eines Durchschnitts). Höhe von 2,5–3,0 m).

Das Material gilt aus toxikologischer Sicht als unbedenklich. Trotz einiger kontroverser Berichte42,43 zeigten nur wenige Daten zur Toxikologie von Titan-Photokatalysatoren, dass TiO2 bei 2,5 mg/kg Körpergewicht (TiO2-Masse) bei Versuchstieren neurotoxisch sein kann44, der TiO2-EC50 liegt jedoch bei etwa 5,83 mg/L45 und darüber hinaus wurden toxikologische Tests durchgeführt Untersuchungen an S. cerevisiae ergaben keine toxikologische Wirkung, selbst bei 20.000 mg/l46, Werte, die jegliche toxikologischen Auswirkungen einer möglichen Titanleckage aus den WIWELL-Nanopartikeln20 sicherstellen sollten.

Was die Toxizität von Silbernanopartikeln (Ag-NPs) in der photokatalytischen Membran betrifft, beträgt der berechnete EC50-Wert 2,0 μg/L für Ag-NP ≤ 5 nm47, und es wurde berichtet, dass die prozentuale Auflösung von Ag-Ionen ≤ 0,26 % beträgt (d. h. 0,13–0,26 %48. Wenn man bedenkt, dass Ag 0,72 bis 6,75 % des Gewichts des Photokatalysators ausmacht, sollte die Ag-Leckage aus einer WIWELL-Membran ungefähr ≤ 1,0 μg/L49 betragen.

Die optimale Effizienz der photokatalytischen Wirkung von TiO2-Ag-NP (> 99 %) kann bei einer Leuchtkraft von mehr als 109.000 lx unter direkter Sonneneinstrahlung erreicht werden, d Die tatsächliche Effizienz jeglicher Bakterienentfernung (> 99,99 %) wird durch lediglich 90-minütige Aktivierung bei 2000 lx erreicht, also sogar während eines völlig bewölkten Mittags, da über 90 % der UV-A-Strahlen durch Wolken und Glasfenster dringen können20.

Die optische Abbildung wurde mit einem Olympus BX51-Lichtmikroskop erhalten. Sehr kleine Proben von 9 × 9 mm (Dicke 2–3 mm) des photokatalytischen Films wurden auf mit klebrigem Kohlenstoff versehene Aluminiumstummel gelegt, dann mit einer ultradünnen Schicht aus kolloidalem Gold zerstäubt und mit einem Umwelt-Rasterelektronenmikroskop (ESEM) beobachtet. (ESEM XL 30 FEI Philips Niedrigvakuum).

Die Daten wurden als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) oder Median erfasst. Letztere wurden ebenfalls in ihrer Verteilung durch einen Mood's-Test und einen Sign-Test bewertet, bei p < 0,05. Für die Stichprobenstatistik wurden der Stichprobengrößentest und Cohen k berücksichtigt. Die Verteilung der Daten und die Normalität wurden mit einem Kolmogorov-Smirnov (KS)-Test und einem Lilliefors-Test bewertet. Es wurde eine Pearson-Korrelation bei p < 0,05 durchgeführt. In der Reihenfolge wurde eine Varianzanalyse mit einem zweiseitigen gepaarten t-Test durchgeführt um die Daten zu analysieren. Die Statistiken wurden mit der Software SPSS v.24 berechnet und mit der Software Smart Statistics v.11 grafisch dargestellt.

Abbildung 2 zeigt, dass WIWELL TiO2-Ag-NP-Photokatalysatoren in der Lage sind, die relativen Lichteinheiten (RLU), die an verschiedenen Probenahmestellen (vierfache Replikate) in 5 verschiedenen Innenräumen ermittelt wurden, im Vergleich zu Kontrollen deutlich zu reduzieren. Tabelle 1 zeigt den zweiseitigen Vorzeichentest für jede Medianstatistik:

Boxplot mit Mittelwerten und Medianen (Grenzen durch 95 %-Intervallkonfidenz) der RLU-Werte für Kontrollen (Bewertungen vor der Anwendung von TiO2-Ag-NP) und gemittelten und geschätzten Daten am Ende der Sammlung. Einzelheiten finden Sie im Text.

Die Fähigkeit von TiO2-Ag-NP, die mikrobielle Kontamination gemäß RLU zu reduzieren, wurde für die Mehrzahl der bewerteten Innenräume signifikant berichtet, mit Ausnahme von Wäschereien (p > 0,05), wo es allgemein bekannt ist, dass Wäschereien dazu führen können stellen eine bedeutende Quelle mikrobieller Verschleppung dar50.

Abbildung 3 zeigt die Reduzierung des RLU für jedes einzelne für die Studie ausgewählte Innenklima.

Mittelwerte (blau) ± Standardabweichung (SD) (hellgrün) der RLU-Werte (Kontrolle vs. TiO2-Ag-NP-behandelte Flächen für jeden untersuchten Innenbereich: (A): Schule; (B): Ausstellungsraum auf dem Bauernhof; (C) : Bauernhäuser; (D): Wäscherei; (E): Geschäft. Statistik mit Kolmogorov-Smirnov (KS)-Test und zweiseitigem gepaartem t-Test bei p < 0,05.

Die RLU-Durchschnittsdaten für den Innenraum A (Abb. 2A) waren nicht normalverteilt (Lilliefors-Test p = 0,0002985, K = 1,1982, Schiefe (S) = 2,9534) und zeigten einen einzelnen Ausreißer (RLU = 558), der Nach dem Entfernen konnte die Verteilung eine verringerte Schiefe (S = 1,7767) anzeigen, war jedoch deutlich nicht parametrisch (p = 0,04912). Nach der Anwendung eines einzigen TiO2-Ag-NP-Klebefilmtyps (60 × 90 cm) im getesteten Innenraum am 25. Mai 2021 und der Datenerfassung über 12 Tage (7. Juni 2021) ergab sich der durchschnittliche RLU-Wert von 6 verschiedenen Die Probenahmestellen im bewohnten Innenbereich sanken von 150,33 ± 20,61 SD auf 39,02 ± 5,33 SD (= − 74,04 %) (Abb. 3A). Als wir das TiO2–Ag–NP an der Wand eines größeren Ausstellungsraums anbrachten, überwachten wir die mikrobielle Reduktion jede Woche an 5 Probenstellen über 2 Monate (vom 14. April 2021 bis 17. Juni 2021) und berichteten über eine mittlere RLU-Reduktion von 64,20 ± 9,60 SD bis 20,20 ± 6,93 SD (= − 68,53 %, p = 0,02201), höher als bei den üblichen Routinereinigungsverfahren (Abb. 3B). Eine deutliche Reduzierung der RLU-Werte wurde auch durch die zweiwöchige Anwendung des TiO2-Ag-NP (kleinere Abmessungen) in zwei Industriegehäusemodulen erreicht. Abbildung 3C zeigt, dass das TiO2-Ag-NP trotz des vorherigen Reinigungsprozesses länger erhalten blieb und das desinfizierte Raumklima erhöhte, was die RLU um etwa 87,18 % reduzierte (von 19,5 ± 2,88 SD auf 2,5 ± 1,73 SD, p = 0,004056).

In Bereichen, in denen Waschprozesse durchgeführt werden, z. B. bei der Lagerung schmutziger Wäsche, schien die Wirksamkeit von TiO2-Ag-NP irgendwie weniger gerechtfertigt zu sein (Abb. 3D). Die Daten der durchschnittlichen RLU waren normalverteilt (Lilliefors-Test p = 0,1284, K = 0,7467, S = − 0,5626). Im Gegensatz dazu wurde die Anwendung von TiO2-Ag-NP im Innenbereich eines Telefongeschäfts berichtet, nachdem a Zweimonatige Überwachung (vom 16. September 2021 bis 12. November 2021) an 9 Probenpunkten, eine RLU-Reduktion von 48,88 ± 25,21 SD auf 9,33 ± 6,76 SD (= − 80,91 %, p = 0,0029) (Abb. 3E).

Insgesamt reduzierte die Anwendung von WIWELL TiO2–Ag–NP die RLU um 71,97 % (p < 0,0001) (Abb. 4A), während die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Proben in Abb. 4B dargestellt ist. Die Datenverteilung der gesamten gesammelten RLU-Werte, die in der Studie verwendet wurden und dem Lilliefors-Test unterzogen wurden, zeigte einen deutlichen Unterschied zur Normalität (p = 1,187 × 10–13, K = 2,2347, S = 5,8125) mit positiver Asymmetrie und Kurtosis ( überschüssige Kurtosis = 39,2901). Durch die Entfernung von Ausreißern wurde die Normalverteilung wiederhergestellt (Lilliefors-Test, p = 0,07143).

Kumulative Daten der RLU-Differenz zwischen Kontrollen und TiO2-Ag-NP-behandelten Bereichen (A) mit ihrer Lilliefors-Verteilung als p-Werte (B).

Abbildung 5 beschreibt den zeitlichen Verlauf der RLU-Abnahme, wenn das WIWELL TiO2–Ag–NP bei offenem Tageslicht (ohne künstliche Lampen) betrieben wird. Der photokatalytische Film erreicht seinen unteren Schwellenwert (≤ 20 RLU) innerhalb der ersten 60-minütigen Belichtung, während dieser Wert bei Sonnenuntergang bei einer Luminometrie ≤ 100 lx durch 120-minütige kontinuierliche Belichtung erreicht wird (Tabelle 2). Bei künstlicher Lichtemission (Abb. 6) funktioniert die Photokatalyse einwandfrei und senkt den RLU-Wert innerhalb der ersten 60 Minuten Belichtung (siehe auch Tabelle 2). Jedenfalls erschien ein bewölktes Tageslicht weniger effizient (90 Minuten statt 60 Minuten, Tabelle 2) als ein künstliches Licht, was wahrscheinlich auf Unterschiede in der Bestrahlungsstärke zurückzuführen ist. Normalerweise kann bei bewölktem Tageslicht künstliches Licht in Büros und Arbeitsplätzen eingeschaltet werden, sodass dies für den Photokatalysator möglicherweise kein wirkliches Problem darstellt.

Zeitverlauf der Leistung des photokatalytischen TiO2-Ag-NP-Films von WIWELL, bewertet in RLU, bei verschiedenen Tageslichteinwirkungen: blaue Linie (direktes Sonnenlicht 60.000 lx); grüne Linie (Umgebungstageslicht 15.000 lx); orangefarbene Linie (Sonnenuntergang 100 lx). Plotten mit der Software Smart Statistics v.11.

Zeitlicher Verlauf der photokatalytischen Leistung des TiO2-Ag-NP-Films von WIWELL, bewertet in RLU, bei verschiedenen Umgebungs- und Kunstlichtexpositionen: blaue Linie (bewölktes Tageslicht 1000 lx); grüne Linie (Kunstlampe, 750 lx); orangefarbene Linie (Kunstlampe, 250 lx). Plotten mit der Software Smart Statistics v.11.

Die Wirkung von WIWELL TiO2–Ag–NP auf die Entfernung luftgetragener Mikroben aus Innenräumen wurde auch durch die direkte Untersuchung des Mikrobenwachstums auf Agarplatten und die Berechnung der koloniebildenden Einheiten für Kubikmeter Luft (KBE/m3) bewertet. 49. Auf statischen PD-Agarplatten wurde kein Wachstum von Bakterien und Schimmelpilzen beobachtet (mit Ausnahme von zwei Fällen/insgesamt 10), wenn der mikrobielle Umgebungsgehalt auf ≤ 20 RLU abfiel (ein Beispiel in Abb. 1H). Die Ergebnisse des TCR TECORA Pollution Check IMP-6 Bio (6-stufige aerodynamische Partikelgrößenbestimmung) zeigten, dass die mikrobielle Kontamination im Bereich von 5–7 μm typischerweise ≤ 5 KBE/m3 betrug.

Abbildung 7A zeigt, dass die Reduzierung der KBE/m3 aufgrund der Anwendung des TiO2-Ag-NP-Films in Innenräumen nur 74 % (− 74,38 %, p = 0,0003892) betrug, ausgehend von 182 ± 62,50 SD KBE /m3 bis 46,62 ± 35,30 SD. Die Gesamtdaten zeigten eine Normalverteilung (Lilliefors-Test p = 0,7882, K = 0,4789, S = 0,4557), doch das Vorhandensein von zwei Ausreißern in der TiO2-Ag-NP-Probenahmegruppe (90 und 100 KBE/m3) ergab, dass bei Entfernung zwei Ausreißer vorhanden waren. führt den Mittelwert unter 35 KBE/m3 (30,50 ± 22,06 SD). Abbildung 7B fasst den Gesamtunterschied vor (Kontrolle) und nach der Anwendung des WIWELL TiO2-Ag-NP-Produkts zusammen, um den Effekt der TiO2-Membran auf die mikrobielle Luftverschmutzung zu vergleichen (zwei Ausreißer wurden in Abb. 7B entfernt). Der Pearson-Test wurde übernommen, um den Vergleich zwischen zwei grundlegenden Methoden zu bewerten, einer indirekten und genaueren (RLU) und einer direkten und genaueren (CFU/m3), um die Reduzierung der Mikrobenpopulation in den mit dem photokatalytischen Gerät ausgestatteten Innenräumen zu bewerten .

Vergleich zwischen der Reduzierung der mikrobiellen Verschmutzung in KBE/m3 (A) und RLU (B) in kumulierten Daten von 83 Datenpunkten. Einzelheiten finden Sie im Text.

Der Pearson-Korrelationstest zwischen dem Prozentsatz der mikrobiellen Reduktion durch TiO2–Ag–NP, berechnet entweder in RLU oder in KBE/m3, ergab eine positive Korrelation (r = 0,977, p = 0,04921), sodass beide analytischen Auswertungen die Reduktion korrekt beurteilten Mikrobielle Verschmutzung in Innenräumen durch den photokatalytischen Klebefilm TiO2-Ag-NP (Abb. 8).

Pearson-Korrelation der für Abb. 4 gesammelten Daten durch Abgleich des relativen Deltas zwischen Kontrollen und mit TiO2-Ag-NP behandelten Bereichen. Einzelheiten finden Sie im Text.

Eine optische und REM-Aufnahme des photokatalytischen TiO2-Ag-NP-Films ist in Abb. 9 dargestellt.

Optische (A, B) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) (C–H) Bildgebung der photokatalytischen WIWELL TiO2–Ag–NP-Oberfläche. (A) Poröse Struktur des Films (Breite Balken = 1 mm); (B) Struktur des photokatalytischen Films mit photokatalytischen Makroflecken (Pfeile) (breiter Balken = 0,5 mm); (C) SEM der photokatalytischen Makroflecken (500 μm), mit einem beispielhaften Bildbeispiel (D), das den fraktalartigen Dispersionsbereich an der Grenze (100 μm) zeigt. (E) Fokus an der Grenze bei 20 μm und (F) 10 μm, zeigt den photokatalytischen Komplex; (G) Nano-Bildgebung des TiO2-Ag-NP-Komplexes bei 2 μm und (H) 1 μm.

Titandioxid ist ein ausgezeichneter Kandidat für die Herstellung photokatalytischer Geräte. Aktuelle Daten belegen jedoch, dass TiO2 allein einen geringen Solarumwandlungswirkungsgrad aufweist, der bei etwa 4 % liegt51. Diese Effizienz kann durch die Verwendung von mit Silbernanopartikeln dotiertem Anatas-Titandioxid verbessert werden, um ein eindimensionales Verbundmaterial zu erhalten. TiO2 fungiert im photokatalytischen Film als Halbleiter vom n-Typ. Die Verwendung von Silber (Ag) im photokatalytischen Film wurde anderen Metallen (Pt, Pd, W, Re, Ru, Os, Ir), die normalerweise verwendet werden, sowie Ag vorgezogen, um die Schottky-Barriere zwischen Grenzflächen mit TiO2 zu verbessern , einfach weil es derzeit viel billiger und verfügbarer ist als andere Elemente mit einem Preis von ≥ 1.000 USD (Ag = 23,62 USD/kg). Silber ist ein kostengünstigeres Metall, das zur Erhöhung der potentiellen Energiebarriere für die an einem Metall-Halbleiter-Übergang gebildeten Elektronen, der sogenannten Schottky-Barriere, verwendet wird.

Es ist bekannt, dass bei Bestrahlung mit UV-Licht, beispielsweise UV-Anteilen aus direktem Sonnenlicht, nur der Halbleiter, also TiO2, angeregt wird. Um in diesem Fall das photokatalytische Potenzial eines Produkts mit TiO2 zu verbessern, ermöglicht die Dotierung des photokatalytischen Materials mit Metallnanopartikeln, dass diese über die Schottky-Barriere als eine Art Senke für durch Lichtphotonen induzierte Elektronen fungieren, ein Zustand, der die Zeit verlängert Lebensdauer dieser Elektronen durch Verringerung der Rekombinationsrate52,53.

Sobald eine Lichtquelle den photokatalytischen TiO2-Ag-NP-Film von WIWELL erreicht, überträgt ein Photon ein Valenzelektron vom Valenzorbital von TiO2 (im Valenzband VB) in die Leitfähigkeitszone (CB) und hinterlässt ein leeres Orbital im VB ( Gleichung 1). Da Anatas-TiO2 eine Schwellenbandbreite von 3,2 eV hat, regt jede Photonenenergie über dieser Schwelle Elektronen von den 2p-Orbitalen von Sauerstoff (VB) zu den 3d-Orbitalen von Titan (CB) an:

wobei hν ein Lichtquant (Photon) ist.

Tatsächlich hat Titanoxid eine ziemlich große Bandlücke, die von 3,20 eV (384 nm) in der kristallinen Form von Rutil bis 3,02 eV (410 nm) in Anatas reicht. Dies ist eine Grenze, da dadurch das gesamte Titandioxid absorbiert werden könnte nur 4 % des Sonnenlichtspektrums. Der große Vorteil von TiO2 ist jedoch seine hohe Halbleitereigenschaft, die es daher zu einem hervorragenden Photokatalysator macht. Der oben erwähnte Elektronentransfer hinterlässt Löcher in der Oberseite des VB und erzeugt so eine elektronische Potentialdifferenz, getrennt durch die Raumladungsschicht, beurteilt durch das Vorhandensein des Metallnanopartikels (z. B. Ag-NP). Löcher (positive Ladungen) reagieren mit Wassermolekülen und erzeugen Hydroxylradikale (·OH-) und Hydroxylionen (OH-), die äußerst reaktiv und oxidierend sind:

Das Hydroxylradikal (·OH-) wird durch die Oberflächenwasserschicht auf dem photokatalytischen TiO2-Ag-NP-Film von WIWELL gebildet, aber auch Sauerstoff kann, wenn auch in geringerem Maße, eine Quelle äußerst reaktiver Radikale wie des Superoxidanions sein ( ·O2−):

Das Superoxidanion kann Perhydroxylradikale (HOO·) bilden.

die zusammen mit Hydroxyl- und Superoxidradikalen Bakterienmembranen und Viruskapside oxidieren und schädigen. Darüber hinaus erzeugen diese Spezies über Sauerstoff und Wasserstoffperoxid selbst andere Radikale wie:

Die antimikrobielle Aktivität des WIWELL TiO2-Ag-NP-Films wird durch die oxidative, peroxidative und zerstörende Wirkung von Hydroxyl-, Superoxid- und Perhydroxidradikalen auf die molekularen Strukturen der Mikroben gewährleistet.

Wenn sich der WIWELL TiO2-Ag-NP-Klebefilm in völliger Dunkelheit befindet (normalerweise beträgt die Beleuchtungsstärke ≤ 15 lx), nimmt die photokatalytische Aktivität von TiO2 erheblich ab und ist nur noch auf restliches H2O2 und reaktive Sauerstoffspezies zurückzuführen, wodurch die Photokatalyse geschwächt und/oder erschöpft wird -vermittelter organischer Abbau auf zeitabhängige Weise, normalerweise innerhalb von 10–30 Minuten54.

Durch die Anwendung unserer nanodotierten TiO2-Ag-Photokatalysatormischung (WIWELL) auf einem Polyvinyl-Kunststoff-Klebefilm (WIGLASS), den wir gemeinsam als TiO2-Ag-NP-Klebefilm identifiziert haben, ist ein nanotechnologischer Photokatalysator entstanden, der eine biozide Aktivität gegenüber in der Luft befindlichen Mikroben ausüben kann Partikel verteilen sich normalerweise im gesamten Innenraum, wodurch die Lebensfähigkeit der Mikroben verringert und die Reinigung/Desinfektion der Umgebung gefördert wird. Diese Studie stellt eine weitere Bewertung früherer Ergebnisse dar, die mit der Verwendung unserer TiO2-Photokatalysatoren im öffentlichen Verkehr20 erzielt wurden, stellt jedoch immer noch eine Pilotstudie dar, da die Aktivität photokatalytischer Membranen zur Reinigung und Desinfektion von Raumluft über einen kostengünstigen, praktikablen und unkomplizierten Ansatz untersucht werden kann kann als echte Neuheit auf diesem Gebiet bezeichnet werden, wenn wir nur wenige geprüfte Belege außer Acht lassen, die jedoch hauptsächlich über den Einsatz von photokatalytischen Membranreaktoren zur Abwasser- und Wasserdesinfektion berichten15,24,55. In diesem Manuskript haben wir die Fähigkeit eines TiO2-Ag-NP beschrieben, die verschiedenen von uns untersuchten Innenräume zu reinigen, indem die mikrobielle Präsenz sogar auf Werte unter 35 KBE/m3 und RLU ≤ 20 gesenkt wird, die als biologische Marker eines gelten extrem hohe Reinheit des Raumluftklimas. Diese Studie stellt eine Neuheit auf dem Gebiet der realisierbaren, einfach zu handhabenden und kostengünstigen dünnen Schicht photokatalytischer TiO2-Ag-NP-Membranen für die mikrobielle Reinigung in Innenräumen dar. Laufende Studien von uns deuten bisher darauf hin, dass die Fähigkeit dieser Geräte, einen sauberen und gesunden Wohnraum in Innenräumen aufrechtzuerhalten, von langer Dauer ist, weit über die hier beschriebenen Bewertungszeiträume hinausgeht und sich über mehrere Monate erstreckt (noch keine veröffentlichten Daten).

Die Verwendung von Ag-NP erhöht laut jüngsten XRD-Daten (unter Verwendung von Dotierungsansätzen) die Stabilität der Titananatas-Phase und erhöht damit auch die Stabilitätseigenschaft des Ag-NP im Material56.

Obwohl die oben genannten Werte unter standardisierten Bedingungen und weit entfernt von überfüllten Innenräumen erzielt wurden, berichtete der TiO2-Ag-NP über die Fähigkeit, mikrobielle Mikropartikel sehr früh und innerhalb der ersten 6 Stunden um mindestens 70 % aus dem Raumluftvolumen zu entfernen. unserer Einschätzung nach unter gewöhnlichen, überfüllten und nicht standardisierten Bedingungen. Der WIWELL TiO2–Ag–NP-Klebefilm erreicht die beste Leistung (≤ 20 RLU) innerhalb von 60 Minuten ab einem 0-Punkt (RLU ≥ 250) unter Tageslicht in einem standardisierten, konstanten und geschlossenen Innenraum. Dies sollte darauf hindeuten, dass eine gesunde, saubere und sogar gereinigte Mikroumgebung in Innenräumen leicht erreicht und während eines Arbeits- oder Lebenstages in einem stabilen belüfteten und thermoregulierten Zustand aufrechterhalten werden kann. Der Abbau der mikrobiellen Verschmutzung durch den Photokatalysator schreitet voran und erreicht einen Zustand, der einer desinfizierten Mikroumgebung, konstanter Lichtemission und mäßiger, kontrollierter Innenbelüftung sehr nahe kommt19,57. Die äußerst einfache Handhabung, die Durchführbarkeit jedes Reinigungsprozesses durch einfaches Anbringen des TiO2-Ag-NP an einer vertikalen Wand oder einer anderen beleuchteten Oberfläche20 sowie die kostengünstige und weniger zeitaufwändige Technologie machen dies zu einem wirklich unkomplizierten Ansatz zur abrupten Reduzierung von Mikroben Schadstoffe und hinterlassen einen gesunden und komfortablen Wohnraum, insbesondere für gebrechliche Menschen.

Diese Forschung ist von entscheidender Bedeutung, um die tatsächliche Wirksamkeit dieser photokatalytischen Membranreaktoren direkt in Innenräumen zu bewerten, in denen sich normalerweise Menschen aufhalten.

Abgesehen von den durch Geschäftsgeheimnisse geschützten materiellen und technischen Informationen, einschließlich der Kunststoffkomponente und der Methode zum Aufbau des photokatalytischen TiO2-Ag-NP-Films, ist die Hauptinnovation des photokatalytischen TiO2-Ag-NP-Produkts von WIWELL seine Machbarkeit und Benutzerfreundlichkeit. verbunden mit einer hervorragenden Leistung bei der Reduzierung der mikrobiellen Verschmutzung in allen Innenräumen durch einfaches Aufbringen des photokatalytischen Klebefilms auf eine beleuchtete Oberfläche20,58 (Abb. 1).

Die Wahl von TiO2 als Hauptphotokatalysator erfolgte aufgrund der hervorragenden optischen und elektronischen Eigenschaften des Materials, seiner hohen chemischen Stabilität, seiner Toxizität, seiner sehr geringen Kosten und seiner Umweltfreundlichkeit59. Wesentliche Vorteile bei der Verwendung von TiO2 im Vergleich zu anderen billigen Halbleitern wie zweiwertigem Zinkoxid (ZnO) oder vierwertigem Zinnoxid (SnO2) ergeben sich aus dem Nachweis, dass bei Verwendung des TiO2-Photokatalysators eine höhere Photoabbaurate (0,34/h) von Procion erzielt wird Rotes MX-5B wurde in Bezug auf ZnO (0,25/h) und SnO2 (0/h)60 beobachtet. Die Hauptnachteile bei der Verwendung von TiO2 als Photokatalysator sind jedoch seine große Bandlücke und eine relativ kurze Rekombinationszeit der Elektronenträger, ein Nachteil, der die alleinige Anwendung von TiO2 im sichtbaren Lichtbereich irgendwie einschränkt und so die photokatalytische Effizienz beeinträchtigt. Die Dotierung mit Metallnanopartikeln wie Cu, Mg und Ni in einem nanoskaligen Metall/Halbleiter-Heteroübergang führte zu einer zunehmenden photokatalytischen Leistung (ausgewertet als Kinetik der Photozersetzung eines organischen Testmoleküls) sowie mit Ag (Cu 0,6 Gew.-%, k = 0,022/min, Mg 0,9 Gew.-%, k = 0,019/min, Ni 0,5 Gew.-%, k = 0,013/min)61, da der Metallnanopartikel/Halbleiter-Heteroübergang die Trennungszeit zwischen e− und h + verlängert und somit zunimmt die Ladungsübertragungsrate. In diesem Zusammenhang wurde Ag (k = 0,049 bis 0,111/min im Bereich von 0,05–0,174 Gew.-%)61,62 gegenüber Cu und anderen Metallen bevorzugt.

Die technologische Innovation des WIWELL TiO2–Ag–NP-Klebefilms lässt sich vor allem auf seine Umweltverträglichkeit zurückführen, das Gerät lässt sich leicht in jedem Innenraum anbringen, hält mehrere Monate, da es fern von jeglichem Kontakt ist, ist leicht zu erwerben und Darüber hinaus wird die mikrobielle Belastung reduziert, ohne dass teure und aufwändige Umbauten des Innengebäudes erforderlich sind, um eine mechanische Belüftung oder andere elektromechanische Reinigungsgeräte einzubauen.

Da der WIWELL TiO2-Ag-NP-Klebefilm außerdem eine mikroporöse Struktur aufweist, beschleunigt er über eine Adsorptionsmembranretention den durch Photokatalyse vermittelten organischen Abbau und fördert das Vorhandensein von durch Wasser verursachten Mikro- und Nanobläschen aufgrund des supramolekularen H2O Struktur und Spannungsaktivität63.

Die hier beschriebenen Ergebnisse sind ermutigend, weisen jedoch einige Einschränkungen auf.

Erstens sollte die Anzahl der Proben weiter verbessert und ihre Ausarbeitung viel gezielter erfolgen, um wichtige und fundierte Daten über den mikrobiellen Umsatz in einem behandelten Innenraum zu gewinnen. Zweitens hängt das Vorhandensein von Ausreißern und Daten, die sich nur schwer wiederholen lassen, von der Komplexität der Feldforschung ab. Daher ist eine verbesserte Standardisierung der Methoden und Ansätze für unsere nächste Forschung von größter Bedeutung.

Schließlich stellt diese Studie in gewisser Weise einen Vorreiter auf diesem Forschungsgebiet dar. Daher sind weitere Erkenntnisse erforderlich.

Eine kommerzielle TiO2-Ag-Nano-dotierte photokatalytische Mischung (WIWELL) auf einer Polyvinyl-Kunststofffolie, hier als TiO2-Ag-NP-Membran bezeichnet, zeigte die Fähigkeit, die mikrobielle Verschmutzung in verschiedenen Arten von Innenräumen durch einfaches Anbringen dieses photokatalytischen Geräts im Inneren drastisch zu reduzieren der Bauraum. Der beschriebene TiO2-Ag-NP-Klebefilm könnte ein vielversprechendes Werkzeug sein, um die Luft innerhalb weniger Stunden von mikrobiellen und pilzlichen Verunreinigungen zu reinigen, indem der Photokatalysator einfach an einer Wand angebracht wird – eine einfach zu handhabende, praktikable und kostengünstige Strategie.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich. Die Bilder (Fotos) sind original und wurden von Luca Berto (Abb. 1) und von Paolo Bernardi (Abb. 9) zur Verfügung gestellt.

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LB, DGUT und SC konzipierten die Begründung und den Forschungsplan, sammelten die Daten (LB, CC und AV), arbeiteten die Daten aus (SC und AV), überarbeiteten und überwachten die Daten (DG und UT); AS stellte die Bildgebungstechnologie und -geräte zur Verfügung; PB hat die Bildgebung mit optischer Mikroskopie und REM durchgeführt; SC schrieb das Hauptmanuskript, GB und UT überwachten das Manuskript und arbeiteten bei der Erstellung der Abbildungen zusammen, SC erstellte die Abbildungen, AS, UT, AV. und .DG überwachte und überarbeitete den Artikel und die ausgearbeiteten Daten, SC reichte den Artikel ein.

Korrespondenz mit Salvatore Chirumbolo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 20. November 2022

Angenommen: 13. März 2023

Veröffentlicht: 14. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31464-4

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