IT202000013921A1 - Filtro per la sanificazione dell’aria in ambienti indoor - Google Patents

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IT202000013921A1 IT102020000013921A IT202000013921A IT202000013921A1 IT 202000013921 A1 IT202000013921 A1 IT 202000013921A1 IT 102020000013921 A IT102020000013921 A IT 102020000013921A IT 202000013921 A IT202000013921 A IT 202000013921A IT 202000013921 A1 IT202000013921 A1 IT 202000013921A1
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photocatalytic
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Stefano Perboni
Sudipto Kumar Pal
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Nanohub S R L
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Description

DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE
TITOLO: FILTRO PER LA SANIFICAZIONE DELL?ARIA IN AMBIENTI INDOOR
CAMPO TECNICO
La presente invenzione riguarda un metodo e sistema per filtrare fluidi aeroliquidi e liquidi e in particolare per l?aria negli ambienti confinati (indoor) che permetta la sua sanificazione al fine di ridurre agenti inquinanti, VOC, batteri, virus, spore, muffe e altri composti organici e inorganici dannosi per la salute delle persone che frequentano gli ambienti.
RETROSPETTIVA TECNICA
La qualit? dell?aria negli ambienti chiusi (nel seguito anche ?indoor?) svolge direttamente o indirettamente un ruolo di primo piano per il benessere delle persone rappresentando uno dei principali fattori determinanti della salute, considerando che spesso l?esposizione all?inquinamento indoor ? dominante rispetto a quella esterna (?outdoor?). La qualit? dell?aria indoor dipende, oltre che dalla qualit? dell?aria outdoor, anche dalla presenza di sorgenti interne di emissione e diffusione di contaminanti, con concentrazione di inquinanti chimici e biologici che possono influenzarne le caratteristiche.
In particolare, a seguito della recente emergenza sanitaria dovuta alla diffusione del COVID19 (SARS-CoV-2), in un recente documento dell?ISS si dichiara che ?Di fronte all?attuale situazione nazionale che ha comportato l?introduzione di provvedimenti di sanit? pubblica (tra cui le misure di riduzione dei contatti, la limitazione della circolazione delle persone e di allontanamento dalla propria residenza, domicilio) necessarie per prevenire, impedire e ritardare la diffusione dell?epidemia da SARS-CoV-2, il virus che causa la COVID-19, la qualit? dell?aria indoor assume una rilevante importanza nella protezione, tutela e prevenzione della salute dei cittadini e dei lavoratori.
Nei diversi edifici e ambienti in cui si svolgono una molteplicit? di attivit? e funzioni (come le abitazioni, gli uffici, le strutture sanitarie, le farmacie, le parafarmacie, le banche, le poste, i supermercati, gli aeroporti, le stazioni e i mezzi di pubblici) ? utile promuovere processi che permettano di acquisire comportamenti e misure di prevenzione della salute. In generale, in ogni condizione, adeguate norme comportamentali rivestono un ruolo importante nel miglioramento della qualit? dell?aria indoor e, in relazione al contenimento o rallentamento della trasmissione del SARS-CoV-2, nei diversi gli ambienti, assumono un particolare significato e rilievo.? (dal Rapporto ISS COVID-19 n.
5/2020).
? quindi emersa una maggior sensibilizzazione al tema della qualit? dell?aria negli ambienti indoor anche in virt? del fatto che alcune misure di prevenzione introdotte per ridurre il rischio di infezione hanno previsto l?isolamento delle persone in luoghi chiusi siano essi di lavoro che di vita; in questo modo, con la maggior presenza negli ambienti indoor, si aumenta la concentrazione degli inquinanti e il rischio di trasmissione del virus.
Va, peraltro, evidenziato che i virus rappresentano una delle cause pi? comuni di malattie infettive trasmesse in ambienti indoor, soprattutto a causa delle loro caratteristiche di elevata contagiosit? e resistenza ambientale. Tuttavia, ? anche vero che la loro ricerca in ambienti indoor, nell?aria e sulle superfici, non viene svolta di routine a causa dell?ampia variet? di gruppi virali esistenti, delle grandi differenze fra loro, di virulenza e di patogenicit? e, soprattutto, per la mancanza di protocolli standard per il loro rilevamento.
Recentemente sono state introdotte varie misure e disposizioni di contenimento e gestione dell?emergenza epidemiologica per la sanificazione degli ambienti finalizzate al contenimento del contagio umano.
Nel documento ?Rapporto ISS COVID-19 n 25/2020? viene espressamente indicato che ?quando si parla di sanificazione, anche in riferimento alle normative vigenti, si intende il complesso di procedimenti e operazioni di pulizia e/o disinfezione e mantenimento della buona qualit? dell?aria?.
Mentre sono state evidenziate e suggerite alcune azioni per la sanificazione periodica dei locali attraverso l?utilizzo di tecnologie che utilizzano ozono, cloro, perossido di idrogeno o raggi UVC che possono essere realizzate solo in assenza di persone e con personale qualificato all?utilizzo di tali tecnologie e sono stati indicati i prodotti per la detergenza, sanificazione e disinfezione delle superfici, riguardo al mantenimento della buona qualit? dell?aria tutte le disposizioni si sono limitate a indicare il ricambio periodico dell?aria (rinnovo) oltre che alcune regole per l?utilizzo degli impianti di climatizzazione.
In particolare va evidenziato che il rinnovo dell?aria avviene normalmente per sostituzione con aria prelevata all?esterno mediante operazioni semplici come l?apertura delle finestre o attivando sistemi di ventilazione meccanica che permettono di filtrare o trattare l?aria dal punto di vista termico o igrometrico prima dell?immissione in ambiente.
Sono per? anche disponibili sistemi di filtrazione basati sulle propriet? fotocataliche di particolari materiali semiconduttori.
La fotocatalisi ? il fenomeno naturale in cui una sostanza, detta fotocatalizzatore attraverso l?azione della luce (naturale o artificiale) modifica la velocit? di una reazione chimica.
In dettaglio, i fotocatalizzatori producono, per effetto di radiazioni luminose di opportuna lunghezza d?onda, specie fortemente reattive in grado di decomporre le molecole organiche presenti nell?ambiente circostante. I semiconduttori devono le loro propriet? fotocatalitiche al ridotto intervallo di energia proibita, la cosiddetta band gap (Eg), che corrisponde alla differenza energetica tra la banda di valenza e quella di conduzione. In termini generali, gli isolanti hanno Eg superiore a 4 eV, i conduttori sono caratterizzati da valori di Eg sostanzialmente nulli e i semiconduttori presentano valori di Eg inferiori a 4 eV. Si noti che per un efficiente utilizzo della luce visibile, come sorgente di radiazioni capaci di indurre la fotocatalisi, il valore di Eg deve essere intorno a 2.0 eV. Quando il semiconduttore ? colpito da una radiazione avente energia superiore al proprio Eg, un elettrone viene promosso dalla banda di valenza a quella di conduzione e, congiuntamente alla lacuna positiva che si forma, genera un potenziale in grado di ossidare e/o ridurre molecole adsorbite sulla superficie del fotocatalizzatore. Ad esempio, se il fotocatalizzatore ? a contatto con molecole di acqua, il processo pu? produrre il radicale ossidrile (OH?) per ossidazione e l?anione superossido (O2-) per riduzione. Tali specie fortemente reattive concorrono, quindi, a degradare altre sostanze organiche o inorganiche presenti nell?ambiente circostante il fotocatalizzatore.
Per queste propriet? fotocatalitiche, i semiconduttori trovano molteplici applicazioni sia in ambito chimico, dove possono essere utilizzati per degradare inquinanti ambientali organici e inorganici in molecole non tossiche e inerti, sia in ambito microbiologico data l?elevata attivit? antimicrobica svolta dalle specie radicaliche dell?ossigeno (ROS) prodotte dal fotocatalizzatore.
Tradizionalmente i materiali utilizzati nei sistemi disponibili sul mercato, hanno bisogno di luce Ultravioletta (UV con lunghezza d?onda inferiore a nm400). La maggior parte delle soluzioni sul mercato utilizza infatti fotocatalizzatori a base di biossido di titanio (TiO2) che per attivarsi ha necessit? di essere esposto proprio alla luce UV, in particolare UV-A, attorno a nm370.
La domanda di brevetto italiana 102017000109448 descrive un reattore fotocatalico sanificante che utilizza il triossido di Tungsteno (WO3) come materiale semiconduttore con funzione di fotocatalizzatore. Il triossido di Tungsteno possiede notevoli propriet? fotocatalitiche, che possono essere principalmente ricondotte a un valore di Eg inferiore a quello di altri semiconduttori utilizzati comunemente e presenta il vantaggio di attivarsi mediante la luce naturale, cio? una luce che rientra nello spettro delle frequenze di luce visibili, a differenza dei materiali tradizionalmente utilizzati che hanno bisogno di una luce UV. Ci? costituisce un chiaro vantaggio in termini costruttivi e di funzionamento. Tuttavia la soluzione secondo la domanda di brevetto 102017000109448, pur offrendo dei miglioramenti rispetto all'arte nota precedente (in particolare per l'attivazione dell'elemento fotocatalitico che avviene senza la necessit? di una sorgente UV), non garantisce un sufficiente abbattimento di alcune sostanze dannose in particolare con riferimento all'eliminazione di agenti e microrganismi virali
Lo scopo della presente invenzione ? quello di fornire una tecnologia che superi, almeno in parte, gli svantaggi dei sistemi attualmente disponibili.
SOMMARIO DELL?INVENZIONE
A questo risultato si ? pervenuti, in conformit? della presente invenzione, attraverso la realizzazione di un filtro per aria o fluidi aerei o aeroliquidi, comprendente: almeno un elemento fotocatalitico avente un supporto a rete ricoperto almeno parzialmente da uno strato di materiale comprendente una soluzione a base di un semiconduttore fotocatalitico, attivabile mediante l?esposizione a radiazione luminosa avente una frequenza nello spettro visibile; una pluralit? di sorgenti luminose a LED disposte in modo da illuminare, quando in uso, almeno una faccia dell?almeno un elemento fotocatalitico; almeno un elemento filtrante comprendente un supporto di tessuto di materiale idrofilo, impregnato da una soluzione di nanocluster di rame. Il materiale semiconduttore fotocatalitico comprende preferibilmente il triossido di tungsteno (WO3).
In una realizzazione preferita della presente invenzione la soluzione dello strato che ricopre il supporto a rete dell?almeno un elemento fotocatalitico comprende una o pi? sostanze dopanti selezionate tra: platino, argento, vanadio. Il supporto a rete comprende una pluralit? maglie o di aperture per il passaggio dell?aria o dei fluidi, la dimensione delle maglie o delle aperture ? compresa tra mm 0.5 e mm 4, preferibilmente tra mm 1 e mm 3.
Secondo una realizzazione preferita la pluralit? di sorgenti luminose ? disposta in modo da illuminare, quando in uso, entrambe le facce dell?elemento fotocatalitico (o della pluralit? di elementi), ma ? possibile che una sola delle facce di uno o pi? elementi sia illuminata.
Una possibile realizzazione della presente invenzione pu? comprendere una pluralit? di elementi fotocatalitici e una pluralit? di elementi filtranti a tessuto impregnato di nanocluster di rame alternati tra loro.
Il supporto a rete dell?almeno un elemento catalitico pu? assumere forme, dimensioni e posizionamenti diversi: pu? essere per esempio una rete sostanzialmente piana oppure una rete ondulata. Un?altra possibile soluzione alternativa per il supporto a rete ? quella di comprendere una pluralit? di moduli indipendenti sostanzialmente paralleli tra loro in modo da formare dei canali la cui distanza tra loro ? compresa tra mm 0.5 e mm 4, preferibilmente tra mm 1 e mm 4.
Il filtro sopra descritto pu? assumere varie forme: pu? essere a forma di parallelepipedo oppure avere forma sostanzialmente toroidale e in cui l?almeno un elemento fotocatalitico e l?almeno un elemento filtrante impregnato di nanocluster di rame sono concentrici tra loro.
In una realizzazione preferita la percentuale in volume del nanocluster di rame, rispetto al supporto di tessuto ? compresa tra 0,1% e 5% preferibilmente tra 0,5% e 1,5%
Secondo la presente invenzione si realizzano inoltre un sistema di sanificazione di ambienti indoor, comprendente: una struttura di supporto che contiene e mantiene in posizione tra loro l?almeno un elemento fotocatalitico, la pluralit? di sorgenti luminose a LED e l?almeno un elemento filtrante a tessuto impregnato di nanocluster di rame; e il filtro sopra descritto. La forma della struttura di supporto pu? variare in base agli utilizzi e alle funzionalit? del filtro: pu? essere per esempio un parallelepipedo oppure un cilindro o ancora assumere una forma toroidale.
Le tecnologie utilizzate per la realizzazione del filtro, secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, permettono, attraverso appositi dispositivi di trattamento dell?aria, di sanificare l?aria (e altri fluidi) in continuo anche in presenza di persone, animali e alimenti cos? da mantenerne controllata la qualit? e ridurre gli effetti della presenza di sostanze dannose per l?uomo.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
Questi e ulteriori vantaggi, scopi e caratteristiche della presente invenzione saranno meglio compresi da ogni tecnico esperto nel ramo dalla descrizione che segue e dai disegni allegati, relativi a esempi di realizzazione aventi carattere esemplificativo, ma da non intendersi in senso limitativo, nei quali:
- la Figura 1 rappresenta un filtro secondo una realizzazione della presente invenzione; la figura comprende tre viste dello stesso filtro: la Figura 1a mostra una sezione del filtro; la Figura 1b una vista prospettica; la Figura 1c mostra i vari elementi separati tra loro;
- le Figure 2, 3 e 4 mostrano schematicamente possibili realizzazioni alternative della presente invenzione. In ogni figura, la vista denominata ?a? mostra una sezione del filtro; la vista ?b? ? prospettica; la vista ?c? mostra i vari elementi separati tra loro.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI REALIZZAZIONI DELL?INVENZIONE
Il filtro secondo la presente invenzione si basa sull?azione combinata di due materiali appositamente elaborati per il loro utilizzo: il triossido di Tungsteno, (WO3), utilizzato come materiale di base per realizzare il reattore fotocatalitico e una soluzione di nanocluster di rame (Cu). In una realizzazione preferita della presente invenzione, questi materiali vengono applicati ad appositi supporti (filtri), uno a maglia/rete metallica (o altro materiale, e.g. plastica) per il fotocatalizzatore e l?altro in tessuto di cotone (o altro materiale idrofilo o idrofilico) che permettono di sanificare i fluidi attraverso il loro utilizzo in sistemi di trattamento dell?aria (dispositivi che prelevando l?aria dall?ambiente e/o dall?esterno la filtrano e la riemettono dopo il passaggio dal sistema di filtrazione studiato) e/o di filtrazione dell?acqua.
La presente invenzione, a fronte del contesto di emergenza sanitaria sopra descritto e delle capacit? di filtrazione in termini di eliminazione e/o inattivazione di molteplici sostanze dannose presenti nell?aria degli ambienti confinati che difficilmente gli attuali prodotti disponibili sul mercato permettono di eliminare senza generare residui o senza richiedere particolari manutenzioni e/o sostituzioni di parti o utilizzo di materiali di consumo, presenta una significativa efficienza ed ? una importante innovazione anche sulla base dei test di efficacia condotti, in questa fase di emergenza sanitaria, anche sul virus infettivo COVID19.
Tale modalit? di filtrazione si differenzia sostanzialmente dalle tecniche attualmente note, che si svolgono principalmente sulla base di un singolo processo di tipo meccanico (ad esempio con filtri HEPA) oppure un singolo processo di tipo chimico con utilizzo per esempio di un fotocatalizzatore. La quasi totalit? delle soluzioni ?chimiche? note utilizza, come fotocatalizzatore il biossido di titanio o TiO2 che possiede un valore di Eg pari a 3.6. La nostra soluzione invece combina l?azione di due tipi di processo chimico: uno basato sull?azione di un fotocatalizzatore, la seconda sulle qualit? del nanocluster di rame. Inoltre, come fotocatalizzatore, viene impiegato un semiconduttore attivabile dalla luce naturale: nella realizzazione preferita della presente invenzione il fotocatalizzatore si basa sul triossido di Tungsteno WO3 che possiede un valore di Eg pari a 2.6. Tale valore di Eg pi? basso permette al fotocatalizzatore di essere attivato mediante raggi luminosi con frequenze pi? basse, non richiedendo quindi la luce nello spettro UV per la sua attivazione. Secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, l?utilizzo del filtro in sistemi di ventilazione forzata spinge l?aria a lambire le superfici del supporto ? come meglio sotto descritto - al fine di dar luogo a una serie di reazioni chimiche in tempi strettissimi, valutabili nell?ordine del miliardesimo di secondo, in grado di produrre radicali ossidrili (o perossido di idrogeno e/o ROS) capaci di aggredire e disgregare a livello molecolare le sostanze organiche e inorganiche quali virus, batteri, funghi, muffe, odori, polveri sottili e composti organici volatili (VOC) presenti nell?aria. L?ulteriore attivit? antibatterica e antivirale del rame garantisce, soprattutto su alcuni patogeni (batteri e virus), significativi risultati sulla qualit? dell?aria.
Riguardo alla fotocatalisi le reazioni chimiche in questione hanno luogo grazie all?energia che una piccola sorgente di illuminazione collocata a ridosso del supporto catalizzante trasferisce mediante i propri fotoni al catalizzatore, creando in esso lacune di elettroni che si combinano con l?acqua presente nell?aria sotto forma di vapore dando cos? luogo agli ossidrili e alle altre sostanze ossidanti sopra citati.
Il dispositivo secondo l?invenzione impiega allo scopo di sanificare l?aria l?effetto combinato di un catalizzatore nanoparticellare molto efficiente, a base per esempio di triossido di tungsteno (WO3) e della soluzione di rame (nanocluster). Rispetto alle altre soluzioni presenti sul mercato, filtri meccanici o utilizzo di catalizzatori per fotocatalisi pi? comunemente disponibili sul mercato (quale ad esempio il pi? diffuso biossido di titanio, TiO2), l?impiego del WO3 e dell?azione combinata del rame rende nel suo complesso il filtro altamente efficiente nello svolgimento della propria funzione sanificante. Infatti, il WO3 ? pi? sensibile alla radiazione elettromagnetica rispetto ai catalizzatori alternativi e di conseguenza richiede un?energia inferiore per dar vita alle reazioni di ossidazione (pertanto, una piccola sorgente di luce, peraltro nello spettro visibile, quale ad esempio una luce LED, ? sufficiente ad attivare il catalizzatore) mentre il rame ne aumenta le sue capacit? antibatteriche e virali.
Il filtro non perde la sua efficacia nel tempo perch? il WO3 recupera le lacune elettroniche sempre a contatto con l?aria che lambisce le superfici trattate con esso e quindi torna al suo stato iniziale, mentre il rame mantiene le sue capacit? antivirali e antibatteriche.
Ulteriore importante caratteristica del filtro ? che il WO3 non si decompone nel tempo dando luogo a sostanze pericolose e che il risultato del processo di fotocatalisi, ossia dell?abbattimento degli elementi inquinanti e patogeni, d? semplicemente luogo a sostanze innocue per la respirazione, riconducibili a piccole concentrazioni di vapore acqueo, anidride carbonica, carbonati e nitrati di sodio e il rame rimane fortemente adeso al suo supporto tessuto.
Questa caratteristica rende adatto il sistema di filtrazione per l?utilizzo in tutti gli ambienti in modalit? continua e anche in presenza di persone, animali e/o alimenti risolvendo cos? uno degli aspetti principali riguardante la sanificazione degli ambienti che consiste, come gi? evidenziato in premessa, del mantenere costante la buona qualit? dell?aria pur in presenza di effetti contaminanti continui. Un?altra possibile applicazione del filtro secondo la presente invenzione ? quella per la realizzazione di dispositivi individuali di protezione, come esempio mascherine personali.
Come illustrato nelle Figure 1a, 1b e 1c, in particolare nella Figura 1c che mostra le componenti separate, il filtro, secondo una realizzazione della presente invenzione comprende, sostanzialmente 3 elementi che, per aumentare l?efficacia e l?efficienza, possono essere ripetuti:
Un filtro a maglia (rete), per esempio metallica, (ma altri materiali sono possibili, per esempio plastica, ceramica, fibra di vetro) con geometria variabile (101) in cui la distanza tra le maglie ? almeno di mm 0,5 e al massimo di mm 4, preferibilmente compresa tra 1 e 3 mm. Il filtro pu? assumere varie forme (a seconda dell?utilizzo nei dispositivi di trattamento dell?aria) nella realizzazione rappresentata in Figura 1 ? una rete piana, ma pu? assumere forme differenti (ondulato, plissettato, ecc.) al fine di aumentare la superficie di contatto dell?aria pur mantenendo una ridotta resistenza di passaggio. Su tale filtro a maglia (rete), per esempio metallica, viene applicato il fotocatalizzatore a base di WO3 creando in tal modo il reattore fotocatalitico del filtro. L?applicazione del fotocatalizzatore pu? avvenire in vari modi, secondo l?arte nota, per esempio per immersione o a spruzzo. In una realizzazione preferita della presente invenzione, il fotocatalizzatore ? composto, in una soluzione liquida a base di acqua e/o metanolo, da triossido di tungsteno (WO3), platino e leganti per l?adesione del prodotto alle superfici. La funzione del platino ? quella di aumentare le propriet? fotocatalitiche del WO3; altre sostanze dopanti possono essere usate in alternativa, come per esempio argento o vanadio.
Un sistema di illuminazione a LED, e.g. strip led, (121) permette di illuminare entrambe le facce del filtro (101) a maglia/rete metallica cos? da attivare, pur nello spettro della luce visibile, il reattore fotocatalitico. Le luci LED potrebbero anche illuminare una solo faccia dell?elemento fotocatalitico 101, ma l?efficienza ne risulterebbe limitata.
Un tessuto 131, per esempio di cotone (o altro materiale tessile idrofilo) ? impregnato con una soluzione di nanocluster di rame, descritta in seguito.
I tre elementi sopra citati, in una realizzazione preferita, sono alloggiati in un contenitore (141) che li tiene insieme e permette il passaggio dell?aria attraverso i due filtri 101 e 131. Tale contenitore pu? assumere forme diverse, in base all?uso che se ne vuole fare. Per un utilizzo nell?ambito di un sistema di purificazione/sanificazione di ambienti indoor il contenitore sar? presumibilmente a forma sostanzialmente di parallelepipedo, oppure, come vedremo in un esempio successivo, cilindrico o meglio toroidale.
Il reattore fotocatalitico a maglia/rete, per esempio metallica, potrebbe anche ripetersi due/tre (o anche pi?) volte all?interno di tale sistema in virt? dell?efficacia che si vuole ottenere dal filtro e dalla portata dell?aria da trattare.
Una configurazione del filtro realizzata su apposita struttura di supporto potrebbe quindi, per esempio, essere:
tessuto con nanocluster di rame sistema di illuminazione LED reattore fotocatalitico a maglia/rete metallica sistema di illuminazione LED tessuto nanocluster di rame.
Le dimensioni del filtro possono essere variabili in funzione della sua applicazione su dispositivi e/o impianti di trattamento meccanico dell?aria e ancora sulla base dei risultati che si vogliono ottenere rispetto al tempo del trattamento e al volume di aria da trattare.
Per una maggiore efficienza si pu? disporre l?elemento con il fotocatalizzatore secondo una diversa geometria, rispetto alla disposizione con rete piana mostrata in Figura 1. Per esempio si potrebbe disporre l?elemento in una serie di moduli 201 sostanzialmente paralleli, come mostrato in Figura 2 (con le diverse viste a, b e c). Il sistema di illuminazione a LED 121 e il tessuto impregnato con nanocluster di rame 131, rimangono sostanzialmente immutati rispetto alla configurazione di Figura 1. In questo modo si aumenta la superficie di esposizione del fotocatalizzatore, senza sostanzialmente modificare le dimensioni totali del filtro 200. La distanza tra i vari moduli paralleli ? preferibilmente compresa tra mm0.5 e mm4, ancora pi? preferibilmente tra mm1 e mm3.
Un?altra possibile versione del filtro (300) ? mostrata in Figura 3, in cui l?elemento con fotocatalizzatore ? costituito da una rete ondulata 301. Anche in questo caso le altre componenti (l?elemento di illuminazione a LED 121 e il tessuto impregnato con nanocluster di rame 131) rimangono sostanzialmente immutati, cos? come il contenitore 141. Quello che cambia ? la geometria del supporto per il fotocatalizzatore che, anche in questo caso come nell?esempio di Figura 2, fornisce una superficie di esposizione maggiore rispetto alla configurazione di Figura 1.
La Figura 4 (con le sue viste a, b e c) mostra invece una realizzazione alternativa del filtro che assume in questo caso una forma cilindra o, pi? precisamente, toroidale. L?elemento fotocatalitico 401, ? disposto in questo caso in forma sostanzialmente cilindrica (in configurazione ondulata, in questo caso, ma altre soluzioni, tra cui quelle mostrate in precedenze piana e a moduli sono possibili), all?interno dell?elemento con tessuto impregnato 431. Tra i due elementi cilindrici viene posto il sistema di illuminazione a LED 421 che, in questo caso ? una striscia di LED circolare. Il contenitore 441 sar? opportunamente predisposto per tenere insieme i componenti suddetti. In questo caso, come immediatamente evidente a coloro esperti nel ramo, il passaggio del fluido da sanificare (e.g. aria), dovr? avvenire mediante introduzione da una delle due estremit? e fuoriuscita attraverso il passaggio per i due (o pi?) elementi filtranti.
Anche nelle configurazioni mostrate nelle Figure 2, 3 e 4, sono possibili delle ripetizioni di elementi per aumentare la capacit? di trattamento del fluido (e.g. aria) da parte del filtro, come discusso in precedenza in riferimento alla Figura 1.
Elemento fotocatalitico
Tra gli ossidi metallici utilizzati come fotocatalizzatori, il triossido di tungsteno (WO3) sta guadagnando un ruolo sempre maggiore, grazie alle sue notevoli propriet? fotocatalitiche, che possono essere principalmente ricondotte a un valore di Eg inferiore a quello di altri semiconduttori utilizzati comunemente e che lo rende attivo nel campo della luce visibile.
Lo sviluppo di un nuovo fotocatalizzatore a base di WO3 ha, quindi, incrementato significativamente l?efficacia della fotocatalisi ed eliminato il problema di utilizzo della luce UV.
Il meccanismo di fotocatalisi in presenza di WO3 ? quindi simile a quello che si ha con il TiO2, ma in presenza di una differente luce irradiante (luce visibile), avente una lunghezza d?onda superiore ai 400 nm: quando esposto alla luce, nello spettro visibile, il WO3 assorbe e converte l?energia luminosa in elettroni e lacune di elettroni. Il WO3 reagisce con l?acqua (e.g. l?umidit? dell?aria) per creare radicali ossidrili (espressi come OH-) e con ossigeno per creare anioni superossido (O2-); miliardi di particelle (ioni o radicali) di queste specie altamente ossidanti sono create in miliardesimi di secondo e lavorano per disgregare la materia a livello molecolare. Il risultato ? una efficace decomposizione delle sostanze inquinanti organiche e inorganiche degli ossidi di azoto, degli aromatici policondensati, dell?anidride solforosa, del monossido di carbonio, della formaldeide, del metanolo, dell?etanolo, del benzene, dell?etilbenzene, etc. e di un effetto di inattivazione e decomposizione di microrganismi semplici o complessi (virus, batteri).
Il forte effetto ossidativo permette di utilizzare il fotocatalizzatore a base di WO3 triossido di tungsteno come disinfettante fotocatalitico.
Sebbene siano stati riportati molti studi sull'inattivazione fotocatalitica di batteri, pochi studi hanno affrontato l'inattivazione di virus.
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 pu? parlare di due livelli di attacco fotocatalitico:
- Fotoinattivazione o Fotodisattivazione con effetto risultante disinfettante; - Decomposizione/uccisione delle cellule virali con effetto risultante sterilizzante.
Il meccanismo di inattivazione dei virus mediante fotocatalisi ? ancora da chiarire in modo definitivo, pur essendo gi? stata dimostrata l?efficacia del sistema con prove di laboratorio, utilizzando numerosi tipi di microrganismi e avendo anche quantificato il risultato pressoch? completo dell?attacco.
Questo sembra venga avviato sulle particelle di virus attraverso il loro adsorbimento sulle superfici del catalizzatore seguito 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 ? mediato da radicali ossidrilici ?O2 - e OH? o anche (e in aggiunta) da Specie Reattive dell?Ossigeno (ROS) come ?O2 -, OH- H2O ?HO 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, fino a una completa mineralizzazione dell'organismo. L'uccisione ? tanto pi? efficace quanto vi ? il pi? 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 pu? arrivare a 2 mm dalla superficie attiva.
Per questo motivo (raggio di azione) il reattore fotocatalitico, secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, comprende un tessuto a maglia (rete) metallica che permette l?adesione del fotocatalizzatore e una distanza delle superfici catalizzate tra loro compresa tra mm 0.5 e mm 4, preferibilmente non superiore ai 3 mm. Il supporto a rete/maglia, pu? anche essere realizzato con altri materiali, per esempio plastica, ceramica, fibra di vetro, purch? garantisca un adeguato supporto al fotocatalizzatore.
Questo reattore fotocatalitico sanificante ? adatto in presenza di fluidi aeroliquidi o liquidi e comprende essenzialmente una zona di reazione su cui ? applicato il fotocatalizzatore nanometrico a base di WO3 a luce naturale e una zona di illuminazione a luci a LED di colore bianco che attiva il fotocatalizzatore. Secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, i fluidi da sanificare lambiscono la zona di reazione e sono cos? sottoposti a un trattamento fotocatalitico di decomposizione.
Come mostrato in dettaglio nelle Figure 1-4, fatte salve le differenze strutturali delle varie forme esecutive, il reattore fotocatalitico sanificante adatto a fluidi aeroliquidi o liquidi, secondo la presente invenzione comprende:
- una zona di reazione a maglia/rete metallica (supporto inerte) con geometria variabile in cui le maglie, che non si distanziano pi? di 4mm, preferibilmente di 3 mm, l?una dall?altra, sono ricoperte da uno strato di materiale nanotecnologico di tipo fotocatalitico a luce naturale a base di WO3;
- una zona di illuminazione a luci a LED, preferibilmente di colore bianco in modo da illuminare le superfici del supporto a maglia/rete metallica in modo tale che ogni porzione o, se presenti (per esempio nella realizzazione mostrata in Figura 2), ogni canale sia illuminato dalla luce LED.
Secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, il supporto inerte di maglia/rete metallica sulla cui superficie viene applicato il foto-catalizzatore ? costituito da acciaio o altre leghe metalliche (per esempio alluminio o rame). Materiali alternativi possono essere plastica, ceramica e fibra di vetro. Le dimensioni del supporto a maglia/rete metallica sono in relazione alle dimensioni della applicazione da realizzarsi sia per quanto riguarda la lunghezza che l?altezza (la superficie totale); per lo spessore invece pu? essere variabile anche in relazione ai volumi di fluidi da trattare e pu? essere costituito da pi? fogli di maglia/rete o da particolari conformazioni di maglia.
La scelta e il dimensionamento hanno come principio quello di ottimizzare la superficie dell?elemento catalitico esposta al fluido da trattare, ottenendo una distribuzione uniforme del fluido all?ingresso e all?uscita, tanto da poter essere completamente trattato nel sistema pi? efficace possibile, garantendo nello stesso tempo l?illuminazione corretta di tutte le superfici a contatto. ? importante verificare, per il dimensionamento, la velocit? del flusso del fluido (aeroliquido o liquido) da sanificare per la determinazione della dimensione in lunghezza (secondo la direzione dell?aria) della maglia/rete metallica che non potranno essere sottodimensionate rispetto al rapporto fra tempo di reazione e velocit? di passaggio. Sia la zona di reazione sia la zona di alimentazione possono essere parte di macchine o apparecchiature che aspirano fluidi.
Di seguito si riportano i risultati di un test realizzato per verificare l?abbattimento della contaminazione aerodispersa con ventilatore sul reattore a maglie metalliche con adeso il fotocatalizzatore a base di WO3 attivato da luce a LED; il test ? stato realizzato secondo le seguenti norme di riferimento:
- carica batterica totale a 22?c (metodo di rif. Norme M.U 1962-1:06 e UNI EN ISO 6222:2001)
- carica batterica totale a 37?c (metodo di rif. Norme M.U 1962-1:06 e UNI EN ISO 6222:2001)
- muffe e lieviti (metodo di rif. Norme M.U. 1962-1:06 e RAPPORTI ISTISAN 2007/5 PAG 164 MET ISS A 016B)
- Escherichia Coli (metodo M.U. 1962-1:06 e APAT CNR IRSA 7030 F Man 29 2003)
secondo il seguente procedimento operativo:
1) Nel locale identificato come ambiente di riferimento (5m3) per l?esecuzione dei test ? stato posizionato l?apparecchio sottoposto a verifica denominato ?Aspiratore? al cui interno ? stata annessa una rete metallica trattata con WO3 con la funzione di ?Supporto Fotocatalitico? (dim.50cm x 20cm).
Il prelievo ? stato realizzato con uno strumento denominato ?Bio Sampler? costituito da una provetta contenente acqua sterile nella quale ? stata fatta gorgogliare l?aria aspirata da testare, tramite una pompa esterna specifica in modo tale da trasferire la carica batterica presente nell?aria al liquido sterile contenuto nella provetta.
2) Sono stati eseguiti 4 campionamenti della durata ciascuno di 30 minuti. a) La prima prova (?prova in bianco?) ha riguardato il campionamento dell?aria nell?ambiente di prova per testare la carica batterica di base utilizzata per la verifica dell?eventuale abbattimento nei test successivi; quindi il prelievo ambientale non ? stato in alcun modo soggetto al trattamento di sanificazione ? Aria non trattata ? Punto Zero;
b) Il secondo campionamento, ? stato fatto a seguito di contaminazione iniziale, prelevando l?aria ambiente con sistema fotocatalitico disattivato;
c) Il terzo campionamento ? stato realizzato a seguito del primo trattamento di sanificazione prelevando l?aria ambiente dopo trattamento fotocatalitico attivato per 60 minuti;
d) Il quarto e ultimo prelievo, ? stato realizzato a seguito di un secondo trattamento di sanificazione, per verificare l?aria ambiente dopo trattamento fotocatalitico attivato per 120 minuti.
Nelle tabelle sotto riportate sono indicati gli esiti dei test:
Dalla valutazione finale delle analisi eseguite nelle varie condizioni operative, come sopra evidenziato, si pu? rilevare come vi sia un risultato in linea con le aspettative delle condizioni ambientali al tempo zero.
Le cose cambiano molto invece dopo i trattamenti dell'aria con il sistema fotocatalitico dopo un?ora di trattamento (cio? riciclando la stessa aria all?interno dell?ambiente) e ancora di pi? dopo due ore di trattamento.
In pratica si ? riscontrato un notevole abbattimento gi? dopo la prima ora di funzionamento mentre nella seconda ora si ? arrivati a rendimenti superiori al 90% su tutti gli indicatori biologici ricercati.
Il filtro in tessuto di cotone con riporto di nanocluster di rame.
Come noto, il rame ? un metallo che possiede eccezionali propriet? di scambio termico e conduttivit? elettrica. Il rame ?, inoltre, uno dei pochi materiali che possono essere continuamente riciclati mantenendo costanti le loro caratteristiche fisiche e tecnologiche originali. Il rame ? presente anche nel cibo ed ? necessario per il nostro metabolismo e deve essere presente nella nostra dieta.
Il rame ha riconosciute capacit? di inattivare o eliminare batteri, microbi, muffe, funghi e virus. In particolare in letteratura sono state dimostrate queste capacit? del rame derivanti da ricerche scientifiche condotte su varie tipologie di agenti patogeni come: Acinetobacter baumannii, Adenovirus, Aspergillus niger, Candida albicans, Campylobacter jejuni, Clostridium difficile, Enterobacter aerogenes, Escherichia coli (ceppo O157:H7), Helicobacter pylori, Influenza A (H1N1), Legionella pneumophilia, Listeria monocytogenes, MRSA (con E-MRSA), Poliovirus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella enteriditis, Staphylococcus aureus, Bacilli della tubercolosi, VRE (enterococcus resistente alla Vancomicina).
Per realizzare uno degli elementi essenziali secondo una realizzazione preferita della presente invenzione ? stato realizzato un filtro di tessuto in fibre sintetiche e/o naturali funzionalizzate con cluster di rame submicronici.
Il metodo per rivestire le fibre e/o i tessuti risulta ecocompatibile e non comporta emissione di elementi nocivi o inquinanti dell'ambiente. Si tratta infatti di un sistema di impregnazione in soluzione acquosa a temperatura ambiente.
Varie quantit? di nanoparticelle di Cu (nell?ordine del 10% del peso complessivo del tessuto) sono state depositate sulle fibre di cotone. Le dimensioni e la densit? superficiale dei cluster depositati pu? essere variata e controllata in un ampio range determinando propriet? e aspetto variabili. In particolare l?intervallo tra 20 e 400nm rappresenta una rivendicazione di questa invenzione.
I cluster sono sintetizzate da una soluzione acquosa a base di sali di rame mediante un processo controllato di riduzione chimica dei sali di rame in precedenza solubilizzati.
La soluzione ? maturata in circa 24h dalla solubilizzazione dei precursori.
La soluzione opportunamente maturata ? utilizzata per impregnare un tessuto in fibra che viene utilizzato, quale sistema di filtrazione dell?aria con la funzione di trattenere particelle e patogeni.
Tipicamente il sale utilizzato ? acetato di Cu solubilizzato in acqua.
Idrazina idratata ? aggiunta gradualmente come agente riducente. Quindi il tessuto in garza di cotone ? stato immerso nella soluzione e mescolato fino a far assorbire tutto il rame.
Dopo la sintesi, la garza di cotone ? stata lavata pi? volte con acqua distillata e asciugata in forno a 65 gradi centigradi; il trattamento termico permette di fare evaporare completamente il solvente e consentire una tenace adesione del cluster sulle fibre di cotone.
L'attivit? antibatterica ? stata testata contro i batteri gram-negativi E. Coli con il metodo halo test, che ha mostrato un buon effetto antibatterico dei tessuti rivestiti con nanoparticelle di Cu.
Efficienza del filtro secondo una realizzazione della presente invenzione Questo sistema di filtrazione (rete metallica con adeso il fotocatalizzatore a base di WO3 e tessuto con nanocluster di rame) ? stato testato presso l?Unit? Patogenesi Virale e Biosicurezza dell?Ospedale San Raffaele sul Ceppo virale SARS-CoV-2 per verificare l?efficacia di inattivazione sul virus infettivo.
Al fine di poter realizzare il test in soluzione liquida sono stati predisposti due dispositivi nei quali sono stati inseriti il reattore fotocatalitico a maglie/rete metallica e il tessuto con nanocluster di rame nei quali inserire il liquido con cellule infettate e poterlo prelevare per la verifica del risultato
Il test ? stato eseguito due volte (a riprova dei risultati), la prima con un prelievo dopo il trattamento in 3 tempi (10, 30 e 60 minuti) la prima volta e in 4 tempi (10, 20, 30 e 60 minuti) nella seconda volta.
L?esperimento ha dato risultati positivi evidenziando una inattivazione parziale a 10, 15, 20 minuti e totale a 30 minuti e un?ora.
Sono stati misurati anche i potenziali residui di virus dopo aver eliminato tutto il primo volume di 80 ml che conteneva il virus e non ? rimasta nessuna traccia di virus.
In tutti gli esempi sopra riportati, abbiamo sempre fatto riferimento al triossido di tungsteno (WO3) come materiale semiconduttore a base dello strato fotocatalico. Come comprenderanno gli esperti del ramo, altri materiali con caratteristiche di attivazione simili (cio? attivabili mediante l?esposizione a una radiazione con frequenza compresa nello spettro della luce visibile), potrebbe essere utilizzati in alternativa.
In pratica i particolari di esecuzione possono comunque variare in maniera equivalente per ci? che attiene ai singoli elementi costruttivi descritti e illustrati e alla natura dei materiali indicati senza per questo uscire dall?idea di soluzione adottata e perci? restando nei limiti della tutela conferita dal presente brevetto. Un esperto tecnico del ramo pu? apportare alla soluzione sopra descritta molte modifiche al fine di soddisfare requisiti locali o specifici. In particolare, dovrebbe essere chiaro che, pur avendo fornito dettagli implementativi riferiti a una o pi? forme di realizzazione preferite, possano essere applicate omissioni, sostituzioni o variazioni di alcune caratteristiche specifiche o di alcuni passi del metodo descritto a seguito di esigenze di progettazione o di realizzazione.

Claims (12)

RIVENDICAZIONI
1. Filtro per aria o fluidi aerei o aeroliquidi, comprendente:
- almeno un elemento fotocatalitico avente un supporto a rete ricoperto almeno parzialmente da uno strato di materiale comprendente una soluzione a base di un semiconduttore fotocatalitico, attivabile mediante l?esposizione a radiazione luminosa avente una frequenza nello spettro visibile;
- una pluralit? di sorgenti luminose a LED disposte in modo da illuminare, quando in uso, almeno una faccia dell?almeno un elemento fotocatalitico; - almeno un elemento filtrante comprendente un supporto di tessuto di materiale idrofilo, impregnato da una soluzione di nanocluster di rame.
2. Filtro secondo la rivendicazione 1, in cui il semiconduttore fotocatalitico comprende il triossido di tungsteno.
3. Filtro secondo la rivendicazione 2 in cui lo strato che ricopre il supporto a rete dell?almeno un elemento fotocatalitico comprende una o pi? sostanze dopanti selezionate tra: platino, argento, vanadio.
4. Filtro secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui il supporto a rete comprende una pluralit? di maglie o di aperture per il passaggio dell?aria o dei fluidi, la dimensione delle maglie o delle aperture essendo compresa tra mm 0.5 e mm 4.
5. Filtro secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui la pluralit? di sorgenti luminose ? disposta in modo da illuminare, quando in uso, entrambe le facce dell?almeno un elemento fotocatalitico.
6. Filtro secondo una delle rivendicazioni precedenti comprendente una pluralit? di elementi fotocatalitici e una pluralit? di elementi filtranti a tessuto impregnato di nanocluster di rame, alternati tra loro.
7. Filtro secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il supporto a rete dell?almeno un elemento catalitico ? una rete sostanzialmente piana.
8. Filtro secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6 in cui l?almeno un elemento fotocatalico comprende una pluralit? di moduli indipendenti disposti sostanzialmente parallelamente tra loro in modo da formare dei canali la cui distanza tra loro ? compresa tra mm 0.5 e mm 4.
9. Filtro secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6 in cui il supporto a rete dell?almeno un elemento catalitico ? una rete ondulata.
10.Filtro secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui il filtro ha forma sostanzialmente toroidale e in cui l?almeno un elemento fotocatalitico e l?almeno un elemento filtrante impregnato di nanocluster di rame sono concentrici tra loro.
11. Filtro secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui la percentuale in volume del nanocluster di rame, rispetto al supporto di tessuto ? compresa tra 0,1% e 5% preferibilmente tra 0,5% e 1,5%
12.Sistema di sanificazione di ambienti indoor, comprendente:
- una struttura di supporto che contiene e mantiene in posizione tra loro l?almeno un elemento fotocatalitico, la pluralit? di sorgenti luminose a LED e l?almeno un elemento filtrante a tessuto impregnato di nanocluster di rame; e
- il filtro di una delle rivendicazioni precedenti.
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