Xúc tác quang hóa là quá trình tăng cường phản ứng quang hóa với sự có mặt của cơ chế xúc tác, ánh sáng được hấp thụ bởi vật liệu hấp thụ (chủ yếu là chất bán dẫn như oxit kim loại...). Trong quá trình xúc tác, khi có sự kích thích của ánh sáng trong vật liệu hấp phụ (vật liệu bán dẫn) sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống và có sự trao đổi electron giữa các chất bị hấp phụ thông qua cầu nối là chất bán dẫn, quá trình này tạo ra gốc tự do hydroxyl. Gốc hydroxyl sẽ tham gia vào phản ứng thứ cấp tạo ra quá trình xúc tác. Như vậy, phản ứng quang xúc tác chỉ xảy ra khi có hai yếu tố là vật liệu có tính xúc tác và ánh sang [5].
Bản chất của phương pháp dựa trên quá trình tái tạo lại khả năng oxy hóa của vật liệu. Nó chuyển đổi năng lượng của ánh sáng thành hóa năng, vì thế về nguyên tắc có thể làm việc vô tận. Tuy nhiên trên thực tế, thời gian làm việc của sản phẩm quang xúc tác cũng có giới hạn nhưng lớn hơn nhiều so với các phương pháp khác.
“Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu TiO2 phủ trên oxit nhôm kim loại để phân hủy các chất độc hại trong môi trường không khí” Nguyễn Mạnh Nghĩa, Cao học CNMT 2009
Ứng dụng PCO cho mục đích làm sạch môi trường khí được dùng trên thực tế bằng 2 phương án: phương án làm sạch thụ động và làm sạch chủ động.
a. Phương án làm sạch thụ động
Chất quang xúc tác được phủ lên các vật liệu xây dựng, khi đó các công trình xây dựng như tường nhà, đường xá sẽ có tính quang xúc tác dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Hiệu quả là nồng độ khí ô nhiễm sẽ giảm dần mà không cần cung cấp năng lượng cũng như công lao động của con người. Phương án này đã được áp dụng khá mạnh mẽ ở Nhật bản và cho hiệu quả tốt.
b. Phương án làm sạch chủ động
Chất quang xúc tác được hoạt hóa dưới tác động của nguồn sáng UV nhân tạo. Phương án này có thế mạnh là tăng cường độ quang xúc tác, chủ động kiểm soát công suất phản ứng và thiết kế tích hợp dưới dạng thiết bị (phần tử quang xúc tác- photocatalytic reactor).
Trong ứng dụng thực tế, các phần tử quang xúc tác được thiết kế với chức năng vận hành như một màng lọc tự làm sạch (self-cleaning filter) đối với các chất độc hại hữu cơ. Các phần tử quang xúc tác này có thể được tích hợp mới hay gắn trực tiếp vào các hệ thống điều hòa không khí (Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC) systems) có sẵn đang hoạt động.
Nguyên lý hoạt động của phần tử quang xúc tác trong quá trình làm sạch không khí là chuyển hóa năng lượng của ánh sáng thành năng lượng hóa học có khả năng oxy hóa chất độc hại. Điểm quan trọng của PCO là chất quang xúc tác, đó là chất hóa học mà khi được chiếu sáng với ánh sáng có bước sóng thích hợp trở nên có hoạt tính cao. Khi có mặt các chất ô nhiễm hữu cơ như: dung môi, cồn, chất màu hay xăng dầu,…vv chất quang xúc tác được hoạt hóa sẽ phá vỡ các liên kết hóa học và chuyển hóa các chất ô nhiễm thành H2O và CO2. Chất quang xúc tác đặc trưng là Titanium dioxide được phủ vào bên trong của phần tử quang xúc tác. Lớp phủ TiO2
được chiếu bởi ánh sáng tử ngoại, có thể là từ đèn tử ngoại hoặc ánh sáng mặt trời. Khi luồng khí ô nhiễm đi qua reactor, chất ô nhiễm sẽ bị phân hủy và không khí sạch sẽ thoát ra.
“Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu TiO2 phủ trên oxit nhôm kim loại để phân hủy các chất độc hại trong môi trường không khí” Nguyễn Mạnh Nghĩa, Cao học CNMT 2009
Phương pháp làm sạch không khí bằng PCO có đặc điểm là linh hoạt và kinh tế.
Tính linh hoạt: do đặc tính vận hành mền dẻo. PCO là phương pháp hiệu quả
nhất làm việc đối với nồng độ khí ô nhiễm thấp và dòng khí chậm, không bị hạn chế bởi nhiệt độ cũng như áp suất của môi trường. Hệ PCO thường được thiết kế rất gọn, có thể mang đi và rất lý tưởng cho phương án xử lý tại chỗ các nhu cầu quy mô vừa và nhỏ.
Tính kinh tế: PCO có giá thành rất cạnh tranh với kỹ thuật truyền thống
trong xử lý môi trường không khí có chứa các chất độc hữu cơ. Kỹ thuật PCO còn rất cạnh tranh đối với trường hợp xử lý nồng độ ô nhiễm loãng (ô nhiễm phân tán) nhất là đối với các cơ sở sản xuất nhỏ như xưởng là khô, phun sơn, hiệu ảnh v.v...