Maailma Terviseorganisatsioon (WHO) soovitab ventilatsioonimeetmete kaudu värskendada siseõhku vähemalt kuus korda tunnis välisõhu või korralikult filtreeritud tagastatud õhu abil. Õhu filtreerimist teostatakse valdavalt HEPA (high-efficiency particulate air) filtritega, mis on osutunud väga efektiivseks peenosakeste, sh viiruste ja bakterite kinnipüüdmisel. 

Lisaks bioloogilisele saastumisele võib siseruumi õhk sisaldada kuni 200 erinevat saasteainet, enamik neist on toksilised lenduvad orgaanilised ühendid (LOÜd). Ventilatsioonisüsteemides kasutatavad filtrid on ette nähtud ainult tahkete osakeste mehaaniliseks eemaldamiseks, mistõttu õhufiltratsioon LOÜ probleemi ei lahenda. LOÜde eemaldamine nõuab keerulisemaid keemilisi ja füüsikalis-keemilisi meetodeid. 

Puhta õhu tagamiseks on võimalik kas siseruumidesse tulevat õhku eelnevalt puhastada või vältida õhu saastumist tekkeallikas. Gaasifaasiline koroona-impulss elektrilahendus (KIEL) sobiks mõlemal juhul, nii tööstuses heitmete vähendamiseks, hävitades saasteained enne keskkonda sattumist, kui ka ventilatsiooni õhu puhastamiseks.

Tehnikaülikooli keskkonnatehnoloogia teaduslaboris välja töötatud meetod põhineb saastatud õhu juhtimisel külmplasma keskkonda, kus toimub õhus olevate saasteainete keemiline oksüdeerimine, mis annab suure eelise võrreldes teiste õhupuhastuse meetoditega. Traditsiooniline gaasipuhastus hõlmab üldiselt füüsikalis-keemilist separatsiooni, nn adsorptsiooni või absorptsiooni, kus saasteained eraldatakse gaasist ning kontsentreeritakse vastavalt kas tahkes materjalis (nt aktiivsöes, silikageelis, tseoliidis) või vedelikus (nt vees, õlis). Nendest kontsentraatidest saab aga uus saasteallikas, mis vajab edasist töötlust või regenereerimist. Selge on see, et adsorbentide elutsükkel lõpeb ohtlike jäätmete töötlemisjaamas, kus neid põletatakse spetsiaalsetes põletusseadmetes või ladustatakse ja hoiustatakse kui ohtlikku materjali. KIELis lagunevad aga saasteained juba reaktoris ning tulemusena tekivad kas vähem toksilised laguproduktid või toimub saasteainete n-ö mineraliseerimine ehk saasteainete täielik oksüdatsioon süsihappegaasiks ja veeks.

Siin tasub lühidalt kirjeldada protsesse, mis toimuvad saasteainete sattumisel külmplasma keskkonda. Plasma genereeritakse reaktorisse sisenevast gaasist, rakendades kõrgepinge elektriimpulsse kahe elektroodi vahel. Elektroodid asuvad roostevabast terasest valmistatud reaktoris (Joonis 1), läbi mille voolab saastatud õhk. Elektroodide vahele rakendatav kõrgepinge impulsside kestvus on ca 100 nanosekundit, kus pinge ulatub 20 000 voldini voolutugevusega 380 amprit. Kõrgepinge mõjul toimub elektroodide vahel gaasilahendus ning seal olev õhk ioniseerub, genereerides külmplasmat. 

Tekkinud maatriks kujutab endast äärmiselt agressiivset keskkonda, mis sisaldab aatomitelt vabanenud elektrone ning atomaarseid ja molekulaarseid radikaale ehk oksüdante. Sellesse keskkonda sattuvaid saasteaineid pommitatakse vabaelektronidega, neid ründavad oksüdatiivsed radikaalid ning molekulaarsed oksüdandid, näiteks osoon. Selle kõige tulemusel ei ole saasteainetel ühtegi šanssi jääda lagundamata ning sellel põhinebki sisuliselt puhastusefekt.

Plasma reaktor ühendati veepaagiga ning tagati veeretsirkulatsioon läbi terve reaktoriruumi. Vee juuresolek plasma keskkonnas mängis mitut rolli. Esiteks niisutas vesi reaktorisse saabuvat gaasi ning sai allikaks vesinikku sisaldavate oksüdeerijate, näiteks hüdroksüülradikaali genereerimiseks. Tasuks mainida, et hüdroksüülradikaal on looduses üks kõige võimsamatest oksüdeerijatest, sestap on peaaegu kõik süvaoksüdatsiooni protsessid keskkonnatehnoloogias keskendunud maksimaalsele hüdroksüülradikaalide genereerimisele. Teiseks toimus elektroodide jahutamine veega. Kolmandaks ja kõige tähtsamaks veekasutamise faktoriks sai asjaolu, et retsirkulatsiooni vesi puhastab reaktoris olevat gaasi tekkivatest saasteaine laguproduktidest, ehk antud juhul mängis vesi gaasipesuri rolli. 

Keskkonnatehnoloogia teaduslabor suutis rakendada KIELi tehnoloogias innovaatilisi lahendusi, mida ei olnud maailmapraktikas seni uuritud ega käsitletud. Keskkonnatehnoloogia teaduslabor tõestas KIELi edukust LOÜde lagundamisel õhus. Tehnoloogia robustsuse kinnitamiseks kasutati just püsivaid LOÜsid, mis oma molekulaarse struktuuri tõttu ei allu kergesti oksüdeerimisele. Nende hulgas olid ksüleen ja tolueen. Nimetatud ained on orgaaniliste lahustite põhikomponendid ning seetõttu on nende kasutusala tööstuses üsna lai, hõlmates laki- ja värvitööstust, puidu- ja polümeertööstust jmt.

Pidevas režiimis töötav laboratoorne KIEL-seade puhastas ksüleeniga või tolueeniga saastatud õhku kuluga 50–100 l/min ning saasteaine kontsentratsiooniga vahemikus 20–25 ppm ehk ca 75–100 μg/L (toatemperatuuril ja normaalrõhul). Selle meetodiga oli saavutatud 100% puhastusefekt ehk teisisõnu said uuritud LOÜd täielikult lagundatud. Energia tarbimise poolest näitas KIEL ennast kui parimat süvaoksüdatsiooni meetodit, saavutades energiaefektiivsuse väärtusega ca 20 g lagundatud ainet kWh ühiku kohta. Saadud tulemus ületab rohkem kui viis korda teisi gaasipuhastusmeetodeid.

Osooni teke külmplasmas sai käsitletud tehnoloogias peamiseks probleemiks. Nimetatud gaasiline ühend tekib vältimatult õhuhapniku ioniseerimisel plasmas. Ühest küljest kasutatakse osooni paljudes õhupuhastustehnoloogiates eesmärgiga oksüdeerida õhus olevaid saasteaineid, kuid keskkonnatehnoloogia teaduslabori teadlaste andmete põhjal puudub osoonireaktsioonidel piisav kiirus, et saasteainetega efektiivselt ja kiirelt reageerida. 

Probleemi lahendamiseks pakkusime välja strateegia, kus plasmaga töödeldud õhk läbib järelpuhastuse etapi. Järelpuhastuseks valisime fotokatalüüsi, mis suudab lagundada osooni ja puhastada õhku võimalikest saasteaine laguproduktidest. Tegemist on nn poleerimisetapiga (ingl k polishing step). Keskkonnatehnoloogia inseneerias kasutatakse tihtipeale strateegiat, kus parema efekti saavutamiseks täidab põhirolli primaarpuhastus tandemis järelpuhastuse meetodiga.

Fotokatalüüsi peamiseks eeliseks on päikeseenergia kasutamise võimalus. Päikese ultraviolettkiirgus aktiveerib fotoaktiivse pooljuhtmaterjali (tavaliselt titaandioksiidi), viimane muundab valgusenergiat keemiliseks energiaks ning selle materjali pinnal toimuvad nii osooni kui ka saasteainete lagunemine. Päikeseenergia asemel kasutavad keskkonnatehnoloogia teaduslabori teadlased praegu ultraviolettlampe, et teostada katseid kontrollitavatel tingimustel. Perspektiivis aga peetakse tähtsaks teostada katseid päikeseenergiaga, kus KIELi elektritoide võetakse päikesepaneelidelt ning fotokatalüüsi aktiveerimiseks kasutatakse päikesevalgust.

Artikkel ilmus Tehnikaülikooli ajakirjas Mente et Manu.