Inovativní stavební materiál – snižování znečištění ovzduší
Ochrana životního prostředí a klimatu je ve vyspělých zemích vysoce aktuálním tématem. V mnohých německých a evropských městech je kvalita ovzduší zásadním problémem a narůstá snaha přispět k nápravě a ozdravit atmosféru. Vedle tolik diskutovaného mikroprachu (PMx) jsou v městském prostředí hlavními znečisťujícími látkami oxidy dusíku (NOx) a těkavé organické látky (VOC). Pomocí fotokatalýzy mohou být NOx oxidací přeměněny na zdraví neškodné sloučeniny. TX Active® je technologie umožňující standardní výrobu fotokatalyticky aktivního betonu pomocí cementu TioCem® obsahujícího fotokatalyticky aktivní oxid titaničitý (TiO2).
Kvalita ovzduší ve městech
Vdechování oxidu dusičitého (NO2) má významný vliv na lidské zdraví a může vést k poškození dýchacích orgánů. Odborná literatura [1] uvádí, že dlouhodobá expozice vnějšímu prostředí s koncentrací NO2 (10 až 80) µg/m3 vede k častějšímu výskytu onemocnění dýchacího traktu, například kašle, bronchitidy či plicní nedostatečnosti. Ohroženi jsou tedy především lidé žijící v oblastech s vysokou intenzitou automobilové dopravy. Společný výskyt NOx a VOC je navíc prekurzorem tvorby přízemního ozónu, který je rovněž zdraví nebezpečný.
Směrnice Rady Evropské Unie 1999/30/ES z 22. dubna 1999 uvádí maximální hodnoty ročního průměru (40 µg/m3) a hodinového průměru (200 µg/m3) koncentrace NO2 platné k 1. lednu 2010 a obdobné hodnoty pro přechodné období. Například pro rok 2009 je přípustný maximální roční průměr 42 µg/m3 a maximální hodinový průměr 210 µg/m3.
Koncepční řešení snižování imisní zátěže
Dnes se zdá, že splnění zmíněných kritérií kvality ovzduší bez dalších opatření nebude v okolí vysoce zatížených komunikací možné ani v případě, že by veškerá vozidla splňovala normu Euro 4. Doposud města využívala opatření regulující plynulost dopravy, propagaci veřejné hromadné dopravy či omezení vjezdu vybraných skupin automobilů do vnitřních částí. K uvedeným opatřením se nyní přidává i racionální řešení – katalytická degradace znečišťujících látek.
Působením světla, konkrétně UVA záření, dochází k rozkladu mnoha látek včetně vzdušných polutantů. Tento přirozený proces nazývaný fotolýza probíhá za běžných podmínek velmi pomalu, avšak použitím fotokatalyzátoru lze rychlost reakce významně urychlit. Na povrchu takového fotokatalyzátoru dochází k tvorbě velmi reaktivních částic, které jsou následně schopny rozkládat některé organické a anorganické látky, včetně plynných oxidů dusíku [2]. Konkrétní důkazy podal například projekt Picada (Photocatalytic Innovative Coverings Applications for Depollution Assessment) podporovaný Evropskou unií [3]. Použitá měřicí aparatura byla umístěna do modelu tří rovnoběžných ulic v měřítku 1 : 5. Jednotlivé ulice dlouhé 18 metrů a široké 2 metry byly vymezeny pomocí běžných přepravních kontejnerů o výšce 5 metrů. Stěny prostřední ulice byly pokryty fotokatalyticky aktivní cementovou maltou. Pomocí systému potrubí byly do modelu rovnoměrně vypouštěny zplodiny spalovacího motoru. Výsledky měření ukázaly snížení koncentrace NOx o 40 % až 80 % díky fotokatalyticky aktivní cementové maltě.
Fotokatalytický cement
Po letech vědeckého výzkumu se fotokatalyticky aktivní materiály úspěšně přesouvají z laboratoří do praxe. Fotokatalytická aktivita povrchu materiálu může být dokázána a také kvantifikována pomocí degradace organického barviva (test Rhodaminem B) [4], kdy je stejně jako u obdobných postupů zjišťována výhradně fotooxidační schopnost materiálu. Na dvojici těles vyrobených z cementové malty podle EN 196-1
je aplikována modelová látka, organické barvivo Rhodamin B. Jedno těleso je jako referenční ponecháno v běžném laboratorním prostředí, druhé je vystaveno působení světelného záření zdroje Ultra Vitalux. Chromametrem se změří intenzita zbarvení před aplikací barviva, po aplikaci a zaschnutí a dále v určených časových intervalech působení světla bodového zdroje. K vyhodnocení slouží systém L*a*b a vypočtená celková změna zbarvení δE. Míru aktivity povrchu zkoušeného materiálu zjistíme porovnáním hodnoty δE obou těles. Toto zkušební zařízení ovšem poskytuje opakovatelné výsledky pouze na velmi hladkém zkušebním povrchu.
Obr. 1: Degradace barviva Rhodamin B na cementové maltě podle EN196-1. Intenzita UVA záření 600 µW/cm2.
Další z metod zkoušení fotokatalytické aktivity je založena na uzavření tělesa z fotokatalyticky aktivního materiálu v testovací komoře, kterou proudí směs vzduchu a plynných polutantů. Na výstupu z komory je měřena koncentrace polutantů měnící se v závislosti na zapnutí nebo vypnutí světelného zdroje ozařujícího zkoušený povrch. Jako znečisťující plynná látka může být použit NO2, NO nebo jejich směs. Na takovém principu jsou založeny metody popsané v technických normách ISO 22917-1 [5] a UNI 11247 [6]. Ačkoli se zkušební postupy jednotlivých laboratoří, univerzit či soukromých společností výrazně liší, jsou získané výsledky v omezeném rozsahu porovnatelné.
Obr. 2: Rozklad NO a NO2 na betonu. Postup podle UNI 11247
Schopnost tohoto typu cementu rozkládat vzdušné polutanty a snižovat tak jejich koncentraci v ovzduší se ověřuje v laboratoři HeidelbergCement Technology Center (HTC) v Leimenu v Německu pomocí měřicí aparatury speciálně vyvinuté k tomuto účelu. Zařízení umožňuje výrazně měnit základní parametry experimentu, tedy průtok plynu, intenzitu světelného toku a koncentrace polutantů a simulovat tak rozdílné podmínky blízké reálnému prostředí. Jako příklad jsou uvedeny obrázky (obr. 3 a 4) znázorňující vliv změny okolního prostředí na funkci zámkové dlažby s nášlapnou vrstvou z cementu TioCem®.
Obr. 3: Rozklad NO na betonové dlažbě vyjádřený v % a v mg/(m2 . h) jako funkce počáteční koncentrace NO. Průtok plynu 1 l/min, intenzita UVA záření 2 000 µW/cm2
Míra rozkladu NOx může být vyjádřena jak v procentech, tak v mg/(m2 . h). Z obr. 3 vyplývá, že 70% snížení koncentrace NOx odpovídá při výchozí koncentraci 1 000 ppb úbytku 2,5 mg/(m2 . h) NOx. Při výchozí koncentraci NOx 3 000 ppb vzroste absolutně vyjádřený účinek na 4,5 mg/(m2 . h), relativně pak klesne na 55 %. S rostoucí intenzitou záření pak jednoznačně roste i míra rozkladu polutantů, což je znázorněno na obr. 4. K uspokojivým výsledkům však postačuje i záření výrazně nižších intenzit, než jaké jsou používány v nejrůznějších zkušebních postupech. Směle proto můžeme říci, že rozklad polutantů pomocí fotokatalyticky aktivních materiálů začíná již s východem slunce.
Obr. 4: Úbytek koncentrace NOx na betonové dlažbě jako funkce intenzity UVA záření v závislosti na průtoku plynu. Vstupní koncentrace NOx 550 ppb (400 ppb NO + 150 ppb NO2)
Fotokatalytická aktivita závisí také na kvalitě povrchu. Například u zámkové dlažby může zvolený způsob povrchové úpravy či opracování při zachování rozměrů prvku ovlivnit velikost povrchu, a tím i velikost aktivního povrchu cementového tmele. Tryskaná dlažba tak obvykle dosahuje vyšší fotoaktivity než klasická, neopracovaná.
I když můžeme v laboratoři lehce ověřit, že kontaktem plynu obsahujícího znečisťující látky s aktivovaným povrchem dochází k výraznému snížení koncentrace těchto polutantů, v reálném prostředí je kvůli značné proměnlivosti podmínek daných počasím či dopravním zatížením poměrně obtížné odhadnout a vyhodnotit skutečnou účinnost a efektivní přínos životnímu prostředí.
Snaha prokázat reálné chování stála za experimentem uskutečněným v červnu 2008 ve švédském Stockholmu. V centrální části města byly umístěny dvě identické zkušební komory z materiálu propouštějícího UVA záření. Část vnitřního povrchu jedné z komor byl opatřen vápenocementovou omítkou z cementu TioCem®. Okolní vzduch byl po průchodu komorou testován NOx analyzátorem. Průměrná denní koncentrace NO2 ve vzduchu, který prošel komorou s fotokatalyticky aktivní omítkou, byla oproti druhé komoře nižší o 40 % až 70 %, a to bez použití jakéhokoli dodatečného zdroje světla.
Praktické použití
V listopadu 2007 byla veřejnosti představena první environmentálně aktivní střešní krytina. Povrch této betonové krytiny je opatřen povlakem na bázi fotokatalytického cementu. Zkušební protokol vystavený nezávislým subjektem deklaruje fotokatalytickou aktivitu povrchu krytiny 1,6 mg NO/(m2 . h). Zkouška byla provedena podle ISO 22917-1, tedy za použití směsi okolního vzduchu a NO. Následné zkoušky provedené laboratoří HTC prokázaly stejnou účinnost rozkladu také pro NO2. Dosavadních 200 000 m2 střech pokrytých touto krytinou představuje aktivní příspěvek v boji se vzdušným znečištěním.
Střecha průměrného rodinného domu o výměře 200 m2 opatřená krytinou TX Active dokáže díky fotokatalytickému efektu eliminovat emise NOx tří domácích plynových kotlů. K hrubému odhadu potenciálu skrytého v tomto inovativním produktu může posloužit skutečnost, že jen v Německu je betonovou krytinou každým rokem opatřeno 30 miliónů čtverečních metrů střech.
Střešní krytina není jedinou oblastí možného použití tohoto typu cementu. Teoreticky je tímto způsobem možné vyrobit jakýkoli betonový produkt, protože přítomnost fotokatalyzátoru nijak neovlivňuje ostatní užitné vlastnosti cementu ani betonu. Použití výrobků obsahujících TioCem® je účelné převážně v blízkosti frekventovaných silnic. Zde je použitý v zámkové dlažbě, betonové vozovce či protihlukových bariérách schopen významně zlepšit kvalitu ovzduší. Použití fotoakatalytického cementu je žádoucí také na veřejných prostranstvích se zvýšeném pohybem lidí, například v okolí škol, zastávek a nádraží.
Perspektiva
Pokud bychom pokryli fotokatalyticky aktivní dlažbou plochu odpovídající velikosti fotbalového hřiště, tedy asi 7 500 m2, dokázali bychom při průměrných 2 000 hodin slunečního svitu za rok (> 1 000 W/cm2) eliminovat emisní zátěž NOx vzniklou ujetím 190 000 kilometrů automobily s motory třídy Euro 4 v poměru benzínových a dieslových 1 : 1. Prakticky se jedná o ještě větší vzdálenost, neboť fotokatalýza probíhá v omezené míře i při nižších hodnotách záření, tedy v podmračených dnech a za šera.
Společným užitím mnoha možných aplikací a výrobků lze postupně zvýšit poměr fotokatalyticky aktivního povrchu k množství znečištěného vzduchu. Cílené využití TX Active materiálů při opravách, rekonstrukcích a stavbách nových vozovek, chodníků, fasád, střech nebo celých budov přispěje ke kvalitnějšímu a zdravějšímu ovzduší ve městech, kde žijeme.
Příspěvek vznikl díky podpoře společnosti Českomoravský cement, člena skupiny HeidelbergCement Group v Německu.
Gerd Bölte
Foto: archiv autora
Autor působí jako vědec v oblasti vývoje cementu a jeho kvality v HeidelbergCement Technology Center v Leimenu, která je dceřinou firmou HeidelbergCement AG, Německo.
Literatura
1. Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie: Stickstoffdioxid (NO2): Quellen – Emissionen – Auswirkungen auf Gesundheit und Ökosystem – Bewertungen – Immissionen (http://www.hlug.de).
2. Fujishima, 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-purifi cation 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. Florencie: 2007.
Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.
