Helposti haihtuvia yhdisteitä päätyy rakennusten sisäilmaan vaikkapa huonekaluista, rakennusmateriaaleista tai ulkoa virtaavasta ilmasta. Täydellisesti suljettu ilmankierto on sukellusveneissä tai avaruusasemilla.
Juuri päättyneessä EU:n rahoittamassa, Helsingin yliopiston kemiallisen aseen kieltosopimuksen instituutin Verfininin koordinoimassa GIDPROvis hankkeessa tutkittiin mm. ionireaktioiden kinetiikan hyödyntämistä helposti haihtuvien yhdisteiden (VOC) erottelemiseen.
Yhtenä menetelmänä Journal of the Air & Waste Management Association -tiedelehdessä julkaistussa tutkimuksessa on käytetty FEM-mallinnusta. Siinä yhteen simulaatiomalliin on yhdistetty monia erilaisia fysikaalisia ilmiöitä. Tietokonesimulaatioin koejärjestelyjä voidaan testata ennen varsinaisiin laboratoriokokeisiin ryhtymistä.
– Pystyimme tekemään melko vallattomiakin ajatuskokeiluita ilman koejärjestelyihin liittyviä epävarmuuksia, kertoo artikkelin pääkirjoittaja, kemian väitöskirjatutkija Osmo Anttalainen Helsingin yliopistosta.
Tässä tutkimuksessa painopiste on ollut aikaisemmin julkaistun ionisointiin ja sähkökenttään perustuvan ilmanpuhdistimen (VOC-suodattimen) analyyttisen mallin tulosten vertailu FEM-mallinnuksella saatuihin tuloksiin. FEM-mallinnuksessa yhdistettiin rakenteen geometria, sähkökenttä, virtauskenttä, suodatettavaan kaasuun liittyvät ionireaktiot sekä ionien liikkuminen virtauksen ja sähkökentän vaikutuksesta. Mallin avulla toimintaa simuloitiin erilaisin virtaus- ja sähkökenttäparametrein.
Suodattimen toiminta-ajatuksena on, että yhdestä osasta rakennetta syötetään sisään suodatettavaa VOC-pitoista ilmaa, joka saatetaan yhteen esimerkiksi heikolla röntgensäteilyllä tuotettujen lähdeionien kanssa. VOC:ien ja lähdeionien vuorovaikutuksesta syntyy uusia ioneja, jotka kulkeutuvat sähkökentän vaikutuksesta poistovirtaukseen. Ideaalitapauksessa kaikki VOC-molekyylit muodostavat ioneita ja siirtyvät poistovirtaukseen ja toisesta osasta suodatinta tulee puhdasta ilmaa.
– Suodattimen toimintaa simuloitaessa osoittautui, että virtauskenttä on paljon monimutkaisempi kuin alkuperäinen malli oletti. FEM-mallin mukaan virtauskentän monimutkaisuus synnyttää rakenteeseen alueita, joissa ionireaktioiden suotuisuus vaihtelee voimakkaasti, mikä puolestaan johtaa vajavaiseen suodatustehokkuuteen, sanoo Osmo Anttalainen.
Vaikka tutkimuksessa käytetty uusi malli on sekin voimakkaasti yksinkertaistettu kuvaus suodatinrakenteessa vallitsevasta todellisuudesta, saatiin mallin avulla selville keskeinen suodatushyötysuhteeseen vaikuttava ilmiö.
– Virtauskentän tasaisuutta silmällä pitäen luotiin uusi kuvitteellinen, mutta yksinkertaisessa muodossa toteutettavissa oleva rakenne, jota simuloitiin erilaisissa virtaus- ja suodatusasetelmissa, kertoo Anttalainen.
Tutkijan mukaan julkaisussa esitetyn rakenteen periaatteita voidaan soveltaa sisäilman kaasumaisten komponenttien suodatukseen tai joidenkin helposti haihtuvien aineiden erotteluun tai rikastamiseen tarkoitetuissa laitteissa.
Alkuperäinen artikkeli:
Osmo Anttalainen, Elie Lattouf, Paula Vanninen, Hanna Hakulinen, Tapio Kotiaho & Gary Eiceman (2023) Computational analysis of an electrostatic separator design for removal of volatile organic compounds from indoor air., Journal of the Air & Waste Management Association, DOI: 10.1080/10962247.2023.2265329