Inovatívny stavebný materiál na znižovanie znečistenia ovzdušia

Ochrana životného prostredia a klímy je vo vyspelých krajinách vysokoaktuálnou témou. V mnohých európskych mestách je kvalita ovzdušia veľkým problémom a narastá snaha o nápravu a ozdravenie atmosféry. Okrem toľko diskutovaných mikroprachových častíc (PMx) sú v mestskom prostredí hlavnými znečisťujúcimi látkami oxidy dusíka (NO_x) a prchavé organické látky (VOC). Pomocou fotokatalýzy možno NO_x oxidáciou premeniť na zdraviu neškodné zlúčeniny. TX Active^® je technológia umožňujúca pomocou cementu TioCem^® obsahujúceho fotokatalyticky aktívny oxid titaničitý (TiO₂) štandardne vyrobiť fotokatalyticky aktívny betón.

Kvalita ovzdušia v mestách
Vdychovanie oxidu dusičitého (NO₂) má významný vplyv na ľudské zdravie a môže viesť k poškodeniu dýchacích orgánov. Odborná literatúra [1] uvádza, že dlhodobý pobyt v prostredí s koncentráciou NO₂ (10 až 80) µg/m³ vedie k častejšiemu výskytu ochorení dýchacieho traktu, ako je kašeľ, bronchitída alebo pľúcna nedostatočnosť. Ohrození sú predovšetkým ľudia žijúci v oblastiach s vysokou intenzitou automobilovej dopravy.

Spoločný výskyt NO_x a VOC pritom vedie k tvorbe prízemného ozónu, takisto zdraviu nebezpečného.
Smernica Rady Európskej únie 1999/30/ES o limitných hodnotách oxidu siričitého, oxidu dusičitého a oxidov dusíka, tuhých znečisťujúcich látok a olova v okolitom ovzduší z 22. apríla 1999 uvádza maximálne hodnoty ročného priemeru (40 µg/m³) a hodinového priemeru (200 µg/m³) koncentrácie NO₂, platné od 1. januára 2010 i hodnoty platné pre prechodné obdobie. Napríklad pre rok 2009 je prípustný maximálny ročný priemer 42 µg/m³ a maximálny hodinový priemer 210 µg/m³.

Koncepčné riešenie znižovania imisnej záťaže
Dnes sa zdá, že splniť spomínané kritériá kvality ovzdušia bez ďalších opatrení nebude v okolí vysokozaťažených komunikácií možné ani vtedy, ak by všetky vozidlá spĺňali normu Euro 4. Mestá až doteraz využívali opatrenia na reguláciu plynulosti dopravy, propagáciu verejnej hromadnej dopravy a obmedzovanie vjazdu vybraných skupín automobilov do svojich vnútorných častí. K uvedeným opatreniam teraz pribudlo aj zneškodňovanie znečisťujúcich látok pomocou katalyzátora.

Pôsobením svetla, konkrétne UVA žiarenia, dochádza k rozkladu mnohých látok vrátane vzdušných polutantov. Tento prirodzený proces nazývaný fotolýza prebieha za bežných podmienok veľmi pomaly, použitím fotokatalyzátora možno však reakciu podstatne urýchliť. Na povrchu takéhoto fotokatalyzátora  sa tvoria veľmi reaktívne častice, ktoré sú schopné rozkladať niektoré organické a anorganické látky vrátane plynných oxidov dusíka [2]. Konkrétne dôkazy podal napríklad projekt Picada (Photocatalytic Innovative Coverings Applications for Depollution Assessment) podporovaný Európskou úniou [3].

Použitá meracia aparatúra sa umiestnila do modelu troch rovnobežných ulíc v pomere 1 : 5. Jednotlivé ulice dlhé 18 metrov a široké 2 metre sa ohraničili pomocou obyčajných prepravných kontajnerov s výškou 5 metrov. Steny prostrednej ulice sa pokryli fotokatalyticky aktívnou cementovou maltou. Pomocou systému potrubia sa do modelu rovnomerne vypúšťali splodiny spaľovacieho motora. Výsledky meraní ukázali zníženie koncentrácie NOx o 40- až 80 % v dôsledku použitia fotokatalyticky aktívnej cementovej malty.

Obr. 1: Degradácia farbiva Rhodamin B na cementovej malte podľa EN196-1, intenzita UVA žiarenia 600 µW/cm2.

Fotokatalytický cement
Po rokoch vedeckého výskumu sa fotokatalyticky aktívne materiály úspešne presúvajú z laboratórií do praxe. Fotokatalytická aktivita povrchu materiálu sa môže dokázať a tiež kvantifikovať pomocou degradácie organického farbiva (test Rhodaminem B) [4], keď sa rovnako ako pri podobných postupoch zisťuje výhradne fotooxidačná schopnosť materiálu. Na dvojicu telies vyrobených z cementovej malty podľa EN 196-1 sa aplikuje modelová látka, organické farbivo Rhodamin B. Jedno teleso sa ako referenčné ponechá v bežnom laboratórnom prostredí, druhé sa vystaví pôsobeniu svetelného žiarenia zdroja Ultra Vitalux. Chromatometrom sa zmeria intenzita sfarbenia pred aplikáciou farbiva, po aplikácii a zaschnutí a ďalej v určených časových intervaloch po pôsobení svetla bodového zdroja. Na vyhodnotenie slúži systém L*a*b a vypočítaná celková zmena sfarbenia E*. Mieru aktivity povrchu skúmaného materiálu zistíme porovnaním hodnoty E* oboch telies. Toto skúšobné zariadenie však poskytuje opakovateľné výsledky iba na veľmi hladkom skúšobnom povrchu.

Ďalšie skúšobné metódy
Ďalšia z metód zisťovania fotokatalytickej aktivity je založená na uložení telesa z fotokatalyticky aktívneho materiálu do uzavretej testovacej komory, ktorou prúdi zmes vzduchu a plynných polutantov. Na výstupe z komory sa meria koncentrácia polutantov meniaca sa v závislosti od zapnutia a vypnutia svetelného zdroja ožarujúceho skúmaný povrch. Ako znečisťujúca plynná látka sa môže použiť NO₂, NO alebo ich zmes. Na takomto princípe sú založené metódy opísané v technických normách ISO 22917-1 [5] a UNI 11247 [6]. Hoci sa skúšobné postupy jednotlivých laboratórií, univerzít a súkromných spoločností výrazne líšia, získané výsledky sú do určitej miery porovnateľné.

Obr. 2: Rozklad NO a NO2 na betóne, postup podľa UNI 11247

Na rozklad polutantov stačí svetlo
Schopnosť tohto typu cementu rozkladať vzdušné polutanty a znižovať tak ich koncentráciu v ovzduší sa overuje v laboratóriu HeidelbergCement Technology Center (HTC) v Leimene v Nemecku pomocou meracej aparatúry špeciálne vyvinutej na tento účel. Zariadenie umožňuje výrazne meniť základné parametre experimentu, teda prietok plynu, intenzitu svetelného toku a koncentráciu polutantov a simulovať tak meniace sa podmienky podobné skutočnému prostrediu. Ako príklad sú uvedené obrázky (obr. 4 a 5) znázorňujúce vplyv zmeny okolitého prostredia na funkciu zámkovej dlažby s nášľapnou vrstvou z cementu TioCem^®. Miera rozkladu NO_x sa môže vyjadriť v percentách alebo v mg/(m² . h).

Obr. 3: Rozklad NO na betónovej dlažbe vyjadrený v % a v mg/(m² . h) ako funkcia počiatočnej koncentrácie NO. Prietok plynu 1 l/min, intenzita UVA žiarenia 2 000 µW/cm²

Z obr. 4 vyplýva, že 70 %-né zníženie koncentrácie NO_x pri počiatočnej koncentrácii 1 000 ppb zodpovedá úbytku 2,5 mg/(m² . h) NO_x. Pri počiatočnej koncentrácii NO_x 3 000 ppb vzrastie absolútne vyjadrený účinok na 4,5 mg/(m² . h), relatívne potom klesne na 55 %. S rastúcou intenzitou žiarenia jednoznačne rastie aj miera rozkladu polutantov, čo je znázornené na obr. 5. Na uspokojivé výsledky však postačuje aj žiarenie výrazne nižšej intenzity, než aké sa používa v rôznych skúšobných postupoch. Možno preto povedať, že rozklad polutantov pomocou fotokatalyticky aktívnych materiálov začína už s východom slnka.

Obr. 4: Úbytok koncentrácie NO_x na betónovej dlažbe ako funkcia intenzity UVA žiarenia v závislosti od prietoku plynu, vstupná koncentrácia NO_x 550 ppb (400 ppb NO + 150 ppb NO₂)

Vplyv kvality povrchu
Fotokatalytická aktivita závisí aj od kvality povrchu. Napríklad pri zámkovej dlažbe môže zvolený spôsob povrchovej úpravy, resp. opracovania pri zachovaní rozmerov prvku ovplyvniť veľkosť povrchu, a tým aj veľkosť aktívneho povrchu cementového tmelu. Dlažba upravená abráziou preto obvykle dosahuje vyššiu fotoaktivitu ako klasická, neopracovaná (tab. 1).

Aj keď v laboratóriu ľahko overíme, že kontaktom plynu obsahujúceho znečisťujúce látky s aktivovaným povrchom dochádza k výraznému zníženiu koncentrácie týchto polutantov, v reálnom prostredí je pre značnú premenlivosť podmienok daných počasím či dopravným zaťažením pomerne ťažké odhadnúť a vyhodnotiť skutočnú účinnosť a efektívny prínos životnému prostrediu.

Snaha ukázať skutočné správanie stála za experimentom uskutočneným v júni 2008 vo švédskom Štokholme. Do centrálnej časti mesta sa umiestnili dve identické skúšobné komory z materiálu prepúšťajúceho UVA žiarenie. Časť vnútorného povrchu jednej z komôr sa natrela vápennocementovou omietkou z cementu TioCem^®. Okolitý vzduch sa po prechode komorou testoval NO_x analyzátorom. Priemerná denná koncentrácia NO₂ vo vzduchu, ktorý prešiel komorou s fotokatalyticky aktívnou omietkou, bola oproti druhej komore nižšia o 40 % až 70 %, a to bez použitia akéhokoľvek dodatočného zdroja svetla.

Tab. 2: Porovnanie vlastností bežných cementov a TioCem^® z jedného výrobného závodu podľa EN 196-1 a EN 196-3

Praktické použitie
V novembri 2007 sa verejnosti predstavila prvá environmentálne aktívna strešná krytina. Povrch tejto betónovej krytiny je zabezpečený povlakom na báze fotokatalytického cementu. Skúšobný protokol vystavený nezávislým subjektom deklaruje fotokatalytickú aktivitu povrchu krytiny 1,6 mg NO /(m² . h). Skúška sa vykonala podľa ISO 22917-1, teda za použitia zmesi okolitého vzduchu a NO. Následné skúšky vykonané laboratóriom HTC ukázali rovnakú účinnosť rozkladu aj pri NO₂. Doterajších 200 000 m2 striech pokrytých touto krytinou predstavuje aktívny príspevok k znižovaniu znečistenia vzduchu.

Strecha priemerného rodinného domu s výmerou 200 m² vybavená touto krytinou dokáže vďaka fotokatalytickému efektu eliminovať emisie NO_x troch domácich plynových kotlov. Na dôkaz efektivity tohto inovatívneho produktu môže poslúžiť fakt, že len v Nemecku sa betónová krytina každý rok aplikuje asi na 30 miliónoch štvorcových metrov striech.

Strešná krytina nie je jedinou oblasťou použitia tohto typu cementu. Teoreticky možno týmto spôsobom vyrobiť akýkoľvek betónový produkt, lebo prítomnosť fotokatalyzátora nijako neovplyvňuje ostatné úžitkové vlastnosti cementu ani betónu. Použitie výrobkov obsahujúcich TioCem^® je účelné najmä v blízkosti frekventovaných ciest. Použitý v zámkovej dlažbe, betónovej vozovke a protihlukových bariérach je schopný v ich okolí významne zlepšiť kvalitu ovzdušia. Použitie fotoakatalytického cementu je žiaduce aj na verejných priestranstvách so zvýšenou koncentráciou ľudí, napríklad v okolí škôl, zastávok verejnej dopravy a železničných staníc.

Perspektíva
Ak by sme fotokatalyticky aktívnou dlažbou (v kvalite uvedenej v tab. 1) pokryli plochu zodpovedajúcu veľkosti futbalového ihriska, teda asi 7 500 m², pri priemerných 2 000 hodinách slnečného svitu za rok (> 1 000 W/cm²) by sme dokázali eliminovať emisnú záťaž NOx vzniknutú najazdením 190 000 kilometrov automobilmi s motormi triedy Euro 4 v pomere benzínových a dieselových motorov 1 : 1. V skutočnosti by ale táto vzdialenosť bola ešte väčšia, lebo fotokatalýza prebieha v obmedzenej miere aj pri nižších hodnotách žiarenia, teda za zamračeného počasia a za šera.

Cieleným využívaním TX Active mate­riálov pri opravách, rekonštrukciách a stavbách nových vozoviek, chodníkov, fasád, striech alebo celých budov postupne zvýšime pomer fotokatalyticky aktívneho povrchu, čo následne zlepší ovzdušie v mestách, kde žijeme.

Gerd Bolte
Foto: archív autora

Autor pôsobí ako vedec v oblasti výskumu cementu a jeho kvality v HeidelbergCement Technology Center v Leimene, dcérskej firme HeidelbergCement AG, Nemecko.

Príspevok vznikol vďaka podpore spoločnosti Českomoravský cement, dcérskej spoločnosti HeidelbergCement Group v Nemecku.

Literatúra
1. Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie: Stickstoffdioxid (NO2): Quellen – Emissionen – Auswirkungen auf Gesundheit und Ökosystem – Bewertungen – Immissionen (http://www.hlug.de).
2. ujishima, A. – Hashimoto, K. – Watanabe, T.: TiO2 Photocatalysis. In: Fundamentals and Applications. Tokio: BKC Inc, 1999.
3. http://www.picada-project.com.
4. Bolte, G.: Photokatalyse in zementgebundenen Baustoffen. In: Cement international, 2005, č. 3, s. 92–97.
5. ISO 22917-1: Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) – Test method for air-purification performance of semiconducting photocatalytic materials – Part 1: Removal of nitric oxide.
6. UNI11247: Diterminazione dell’attività di degradazione di ossidi di azoto in aria de parte di materiali inirganic fotocatalytici.
7. Guerrini, G. L. – Peccati, E.: Photocatalytic cementitious roads for depollution. In: International RILEM Symposium on Photocatalysis, Environment and Construction Materials. Florencia: 2007.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.