وتظل تلوث الهواء الحضري أحد أكثر التحديات البيئية وتحديات الصحة العامة إلحاحا في القرن الحادي والعشرين، ووفقا لمنظمة الصحة العالمية، يتنفس 99 في المائة من سكان العالم هواء يتجاوز الحدود القصوى للمبدأ التوجيهي، حيث تعاني المناطق الحضرية من أعلى تركيزات للملوثات مثل أكسيد النيتروجين (Nox) والضوابط الجامدة الواعدة للصور (PM2.5) والمركائز.

ما هي عمليات الكيماويات الفوتوكاتاليتكية؟

Photocatalysis is a chemical reaction which occurs when a semiconducting material absorbs photons from light, typically in the ultraviolet (UV) or visible spectrum, and accelerates the breakdown of pollutants. The most common photocatalyst used in air purification systems is titanium dioxide (TiO)

آلية العمل

وبقدر أكبر من التفصيل، يمضي رد الفعل التحليلي الضوئي عبر عدة خطوات:

  1. Light absorption:] The incentive absorbs photons with energy equal to or greater than its band gap (3.2 eV for anatase TiO]2, corresponding to UV light below 387 nm.
  2. Charge separation:] The absorbed photon generates a mobile electron in the conduction band and a positive hole in the valence band.
  3. Surface reaction:] Electrons reduce molecular oxygen to superoxide radicals; holes oxidize water or hydroxide ions to hydroxyl radicals.
  4. Pollutant degradation:] Radicals react with NO]x], VOCs, and other organic pollutants, breaking them into smaller, less harmful molecules.
  5. Desorption:] Final products (CO]2, H2[O, nitrates) desorb from the incentive surface, freeing active sites for further reactions.

أنواع محللي الفوتوكات

(أ) إذا كانت هذه المواد غير قابلة للتأثر، فإن المواد الأخرى قد وضعت لتمديدها إلى الطيف المرئي أو لتحسين كفاءة التحلل.

How Photocatalytic Processes Work in Urban Environments

وفي المدن، يتم نشر تكنولوجيا التحلل الضوئي من خلال نهجين رئيسيين: النظم النشطة (مثل أجهزة تنقية الهواء المتكاملة) والنظم السلبية (مثل المعاطف السطحية على المباني والطرق وأثاث الشوارع) والنظم السلبية جذابة بصفة خاصة لأنها لا تحتاج إلى مدخلات للطاقة بعد أن تعمل العجلات الضوئية على تفعيل المحفز بصورة تلقائية، وتطبق الأسطح المحتوية على الفلكات الضوئية كفيلم رقيق أو دهان أو مضافات مصممة باستمرار.

طلبات بناء واجهات

عدة مبانٍ ذات علامات أرضية تُضمّن الآن موادًا ذات طابع مغناطيسي، فعلى سبيل المثال، فإن Palazzo Italia[FLT:] في ميلان، التي بُنيت في معرض 2023، تستخدم صالة فوتاتوغرافية تُحطّم (x) وملوثات أخرى من حركة المرور([.

سطح الطريق الفوتوغرافية

الطرق والترصفات هي مرشحات رئيسية لأجهزة التصفيف الضوئية نظراً لحجمها السطحي الكبير وقابليتها المستمرة لانبعاثات المرور، وفي هولندا، عولجت أجزاء من الطريق السريع بالقرب من هينغلو بمستويات منخفضة من الحرارة ()(2) - مع أن هذه المستويات تحتوي على طبقة ثابتة مصممة لتحلل (x)

التأهيل الجوي في الفضاء الداخلي وشبه المدار

كما تدمج أجهزة التصفيف الصوتي في نظم التردد العالي جداً وأجهزة تنقية الهواء الجاهزة، وتحتوي هذه الوحدات على مصباح للأشعة فوق البنفسجية موجه نحو مصباح للأشعة السينية (T:0)(2) ، كما تشمل مواد الطيش أو المكيف، حيث يُجبر الهواء عبر الوحدة، ويُعادل الملوثون إلى المعاطف، ويُعاد تأهيلهم بشكل خاص.

مزايا التأشيرات الجوية الفوتوكاتاتوليتية

  • Continuous, energy-efficient operation:] Passive systems use only natural sunlight as the energy source, with no electricity needed for the catalytic reaction. Active systems consume relatively little power for UV lamps compared to high-energy alternatives like thermal oxidation.
  • Broad-spectrum pollutant removal:] Photocatasis can degrade a wide range of organic and inorganic pollutants, including NO]x, SO2, VOCs, even monoxide
  • No consumable chemicals:] contrast chemical scrubbers or filters that require periodic replacement or regeneration, photocatalytic surfaces regenerate continuously. The incentive itself is not consumed; it acts as a promoter, so only periodic clean to remove dust is needed.
  • ] Integration with existing urban infrastructure:] Coatings can be applied to existing materials -concrete, glass, metal, tiles, or asphalt-during construction or retrofitting. This avoids the need for entirely new systems.
  • Self-cleaning properties:] The oxidative radicals also decompose organic grime on surfaces, reducing the need for washing and keeping buildings looking clean longer. This dual benefit is often leveraged for architectural reasons.
  • Potential to reduce secondary organic aerosol formation:] by breaking down VOCs before they undermospheric reactions, photocatalysis may help limit the formation of ground-level ozone and secondary organic aerosols, which are significant components of smog.

التحديات والنظر في المسألة

ورغم وعدها، فإن تنقية الهواء المضغوطة الضوئية تواجه عدة عقبات عملية يجب معالجتها من أجل اعتمادها على نطاق واسع.

  • Dependence on light availability:] The efficiency of TiO2] drops dramatically under low UV conditions, such as in dense urban canyons, during overcast days, or at nighttime. Doping to extend absorbance into the visible spectrum is an active research area but adds cost and complexity.
  • Potential formation of harmful byproducts:] Incomplete oxidation can generate mediums that are more toxic than the original pollutants. For example, photocatalytic degradation of benzene may produce phenol or other aromatic compounds that persist. careful design of residence time, light intensity, and incentive properties is required to ensure complete mineralization.
  • Catalyst deactivation:] Over time, the surface of TiO]2 can become covered by reaction mediums, dust, or inorganic deposits (such as sulfates from SO]2 oxidation.
  • (ب) على الرغم من أن التصعيد ()() ([FLT:])())() () غير مكلف، إذ يُطبق المعاطف العالية الجودة والدائمة على مناطق كبيرة (كميارات الطرق، وملايين المترات المربعة من واحة البناء) مكلفة، ويجب أن تكون تكلفة المواد والتطبيقات والصيانة ذات نوعية عالية.
  • Reactivity with NO]x and formation of nitrates: When NOx is oxidized, the product is nitrate ions (NOFLT:6]
  • (ب) تحتاج معظم نظم تي أو تي أو [FLT:]2 ] [FLT:] إلى مصادر خفيفة فوق سطح الأرض (أي ما يتراوح بين 365 و385 نانو متراً مربعاً)() وقد يؤدي الاستهلاك الكهربائي لهذه المصابيح فوق البنفسجية، وإن كان متواضعاً، إلى الحد من الميزة العامة للطاقة، وإلى حدوث تقدم في المنتجات المرئية.

التنفيذ العالمي الحقيقي ودراسات الحالات الإفرادية

Several cities[FLT piloted photocatalytic technology. A well-documented example is the “Air-Cleaning Concrete” project in Hengelo, Netherlands, where a 2.5 km extent of road was paved with photocatalytic concrete blocks. Monitoring over two years showed a reduction to 30% in NO

In China, the city of Shanghai has tested photocatatic coatings on building walls and noise barriers along elevated expressways. Preliminary results from 2018-20 reported an average of 20% reduction in local NO2 levels, with better performance in summer months when UV intensity is higher. In the photo

وفي الجانب الداخلي، اعتمدت المستشفيات والمدارس في اليابان وكوريا الجنوبية نظماً لتوليد الهواء المضغوط للأجهزة الضوئية للحد من حالات الإصابة بالهواء ومركبات التوليد (VOCs) (Tokyo Metropolitan Institute of Public Health ) وأفادت بأن أجهزة التصفيف الضوئية في غرف الانتظار في المستشفيات تقلل من عمليات التلوث البكتيريا والفطري بنسبة تصل إلى 99 في المائة بعد 24 ساعة.

For further reading, the American Chemical Society has published a comprehensive review on photocatalytic air purification (Environmental Science ' Technology, 2021), and the European Commission's Joint Research Centre has issued a technical report on photocatalytic]x[FLT:] abatement for urban applications

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

إن مستقبل تنقية الهواء المضغوطة في المناطق الحضرية يتوقف على التغلب على القيود المفروضة على المواد الحالية وإدماج التكنولوجيا في النظم الحضرية الأذكى، وتشمل مجالات التقدم الرئيسية ما يلي:

مترجمو فوتوكاتا مؤلفون من طراز Visible-Light-Active

كما أن الباحثين قد طوروا مواد مثل مادة التكتل النيتروجين أو الكربون أو المعادن التي تمر بمرحلة انتقالية، وهي مواد أكثر فعالية من حيث التكلفة، كما أن السائل المحتوي على مادة النيتروجين أو الكربون أو الفلزات التي تتحول إلى درجة الاستيعاب في النطاق المرئي، وقد طوروا مواد مثل مادة التيكلور النيتروجين الكمية (FLT:2])(2) ، التي يمكن أن تستخدم نحو 10٪ من الطيف الشمسي

الهندسة الملاحية والسطحية

كما أن مراقبة مورفولوجيا المحللين الضوئيين في المنطقة النانوية يمكن أن تزيد من مساحة السطح النشطة وتعزز الامتصاص الخفيف، كما أن المواد التي تنمو في شكل فنانوب، ونانوويرات، والأفلام الرقيقة المتماثلة توفر مواقع رد فعل في كل منطقة من مناطق الوحدة، مثل تي أو (2) ، وتظهر تحسينات في عدد الفنانكوبينات على نحو أكبر بكثير من أنواع الفوتات الضوئية.

التكامل مع الهياكل الأساسية لمدينة سمارت

ويمكن للمستشعرات المُصَلَقة أن ترصد نوعية الهواء في الوقت الحقيقي وأن تعدل صورة السطح المُصوَّر (مثلاً، أن تُعدّل الأجهزة المُضادة للأشعة فوق البنفسجية في الألواح النشطة) لتعظيم الأداء مع توفير الطاقة، ويمكن الجمع بين أسطح الطرق ذات المُحللين المتكاملين بالصور ونظم الصرف التي تلتقط غسيل النترات وتعالجها بصورة دورية قبل أن تصل إلى أجسام المياه.

النُهج الهجينة

ومن غير المرجح أن تحل النظم الدوائية محل تنقية الهواء التقليدية بالكامل؛ بل ستستخدم بالاقتران مع تكنولوجيات أخرى، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تؤدي المعالجة المسبقة للصوت للمباني التي تدخل إلى تخفيف العبء على مرشحات الآبار الهوائية وأسرة الكربون المنشطة، وتوسيع نطاق عمرها، وفي البيئات الخارجية المحيطة، يمكن أن تقترن المعاطف الفوتوكاتية بالهياكل الأساسية الخضراء (مثل الجدران الخضراء أو أشجار التحلل).

تقييم دورة الحياة ودعم السياسات

(ب) بالنسبة للمدن والمطورين للاستثمار بثقة في البنية التحتية المحتوية على الفلكيات، يلزم إجراء تقييمات شاملة لدورات الحياة تُحسب فيها الطاقة التحويلية، واستخراج المواد الخام، وتركيبها وصيانتها والتخلص من المواد النهائية، ويمكن لصانعي السياسات أن يشجعوا على التبني من خلال رموز البناء الخضراء، والحوافز في المناطق المنخفضة الانبعاثات، والشراكات بين القطاعين العام والخاص، وقد مول برنامج الاتحاد الأوروبي بشأن تصميمات التصويرية الذكية، مثل [1]

خاتمة

إن العمليات الكيميائية التي تُعدّ ملامحها عن طريق التحلل الحراري، تتيح نهجا قويا ومستداما لتحسين نوعية الهواء في المناطق الحضرية باستخدام ضوء الشمس لكسر الملوثات الضارة، ومن المباني التي تعمل على تنظيفها الذاتي إلى طرق تُسجّل، فإن التكنولوجيا قد أظهرت بالفعل فوائد يمكن قياسها في التجارب العالمية الحقيقية، غير أن التحديات المتصلة بتوافر الضوء الخفيف، وإدارة المنتجات الثانوية، والتكلفة يجب معالجتها قبل أن تصبح الهياكل الأساسية للأضواء الضوئية سمة في المدن.