Использование фотокаталитического бетона для очистки воздуха в городских районах

Растущая проблема загрязнения воздуха в городах

Быстрая урбанизация, расширение автопарков и концентрированная промышленная деятельность сделали качество воздуха критической проблемой общественного здравоохранения в городах по всему миру. По данным Всемирной организации здравоохранения, загрязнение воздуха на открытом воздухе способствует миллионам преждевременных смертей ежегодно, в первую очередь от инсульта, сердечных заболеваний, рака легких и респираторных инфекций. Ключевые загрязнители — оксиды азота (NO_]x), диоксид серы (SO_]2, твердые частицы (PM) и летучие органические соединения (ЛОС) — генерируются движением, электростанциями, строительством и внутренним отоплением. В то время как нормативные меры, такие как зоны с низким уровнем выбросов и электромобили мандаты помогают, они часто требуют лет, чтобы показать измеримые результаты и не решать проблемы с загрязнителями, уже приостановленными в воздухе. Это привело к интересу к пассивным, интегрированным в здание технологиям, которые постоянно очищают атмосферу. Среди наиболее перспективных инноваций — фотокаталитический бетон — умный материал, который превращает строительные поверхности в актив

Что такое фотокаталитический бетон?

Фотокаталитический бетон представляет собой композит на основе цемента, инфузированный фотокатализатором — чаще всего диоксидом титана (TiO_]2] в его анатазной или рутиловой кристаллической форме. Когда материал подвергается воздействию ультрафиолетового (УФ) света в солнечном свете, фотокатализатор вызывает серию реакций окисления-снижения, которые разрушают воздушные загрязнители, адсорбированные на бетонной поверхности. Эта технология была впервые разработана в 1990-х годах итальянской компанией Italcementi и позже коммерциализирована под названием TX Active ® С тех пор фотокаталитический бетон был развернут в тротуарах, фасадах зданий, кровельной плитке и шумовых барьерах по всей Европе, Азии и Америке. Двойные преимущества очистки воздуха и самоочищения делают его привлекательным вариантом для городской инфраструктуры, которая должна выдерживать интенсивное движение и загрязнение окружающей среды.

Как работает фотокаталитический механизм

Процесс начинается, когда фотоны света с энергией, превышающей полосовой зазор диоксида титана (около 3,2 эВ для анатазы) ударяются о поверхность. Электроны в кристаллах TiO₂ возбуждаются от валентной полосы к полосе проводимости, оставляя после себя положительно заряженные дырки. Эти пары электрон-дырка мигрируют на поверхность, где они взаимодействуют с водяным паром и кислородом в воздухе. Эти дырки расщепляют молекулы воды для получения гидроксильных радикалов (•OH), в то время как электроны уменьшают кислород для образования супероксидных анионов (O_{]^{•−•−. Оба радикальных вида являются высокореактивными и неселективными, способными окислять многие органические и неорганические загрязнители. Например, монооксид азота (NO]2), затем далее превращаются}}

Ключевые фотокатализаторы за пределами диоксида титана

В то время как TiO₂ остаётся отраслевым стандартом из-за его низкой стоимости, химической стабильности и нетоксичности, исследователи изучают альтернативы для преодоления его ограниченной активации при видимом свете (УФ составляет только около 5% солнечного света). Допированная титания — например, с азотом, углеродом или серой — расширяет поглощение в видимый спектр, повышая общую эффективность. Оксид цинка (ZnO) является ещё одним кандидатом с сильной фотокоррозией, хотя он страдает от фотокоррозии во влажных средах. Диоксид церия (CeO₂ и триоксид вольфрама (WO₃) изучаются на предмет их реакции видимого света и термической стабильности. Некоторые передовые композиты используют графен или углеродные нанотрубки для усиления электронного транспорта и снижения скорости реакции. Однако масштабируемость и стоимость остаются барьерами; большинство коммерческих фотокаталитических бетонов по-прежнему полагаются на стандарт Ti

Производство фотокаталитического бетона

Включение фотокатализатора в бетон может быть сделано несколькими способами. Простейший метод заключается в добавлении порошка TiO₂ непосредственно в цементную смесь в качестве частичной замены тонких агрегатов или в качестве добавки. Концентрация обычно колеблется от 1% до 5% по массе цемента. Равномерная дисперсия имеет решающее значение для предотвращения слипания и обеспечения того, чтобы каждая частица подвергалась воздействию света. Альтернативно, фотокаталитический слой может быть нанесен в качестве поверхностного покрытия или тонкого цементного рендеринга на существующий бетон. Альтернативно, фотокаталитический слой может быть отлит с верхним слоем, который содержит катализатор, оптимизируя использование материала. Текстура поверхности также имеет значение: более грубая отделка увеличивает эффективную площадь поверхности для фотокатализатора, но может захватывать грязь, которая блокирует свет. Производители разработали самоочищающиеся составы, где поверхность слегка гидрофильна под ультрафиолетовым светом, что приводит к тому, что вода сбрасывается и уносит грязь и

Преимущества фотокаталитического бетона для городской среды

Сокращение загрязнения воздуха

Полевые исследования и лабораторные тесты показали, что фотокаталитический бетон может снизить концентрацию NO _x на 20-60% в близлежащих районах, в зависимости от плотности движения, влажности, скорости ветра и интенсивности солнца. Например, тестовый участок фотокаталитического покрытия в Бергамо, Италия, показал устойчивое снижение на 30% уровня уличного NO _{2 ^{. В Нидерландах участок фотокаталитического бетонного шоссе уменьшил NO 2 x}} на 1000 м_{x в течение полуденных часов. Эффект наиболее выражен в открытых, солнечных местах с устойчивым ультрафиолетовым потоком. В то время как фотокаталитический бетон не устраняет все загрязняющие вещества — он неэффективен против твердых частиц размером более нескольких микрон — он значительно снижает концентрацию вредных газов вблизи зон дыхания человека.}

Самоочищение и долговечность

Тот же процесс окисления, который разрушает загрязняющие вещества, также ухудшает органическую грязи, плесени, водорослей и сажи. Это сохраняет здания более чистыми без частой стирки, сокращая долгосрочные расходы на техническое обслуживание и предотвращая обесцвечивание. Самоочищающийся эффект особенно ценен на белых или светлых фасадах, где накопление грязи в противном случае потребовало бы дорогостоящей очистки каждые несколько лет. Фотокаталитический бетон также сопротивляется росту микроорганизмов, улучшая гигиену в уличной мебели и детских площадках.

Пассивная и непрерывная операция

В отличие от механических воздушных фильтров или скрубберов, которые требуют электричества и регулярных изменений фильтра, фотокаталитический бетон функционирует бесшумно и без потребления энергии. Он работает 24 часа в сутки, пока присутствует естественный или искусственный ультрафиолетовый свет (некоторое современное внутреннее освещение включает в себя ультрафиолетовые волны). Это делает его идеальным для широкого развертывания на больших поверхностных участках, превращая всю городскую ткань в систему контроля загрязнения.

Реальные приложения и тематические исследования

Тротуары и тротуары

Блоки для облицовки с фотокаталитическими свойствами являются одними из наиболее распространенных применений. Они установлены на дорогах, парковках и пешеходных дорожках. В Токио проект «Чистый воздух» разместил фотокаталитические камни в нескольких районах с высоким трафиком и сообщил о 25%-ном падении уровней NO _x ] после одного года. В Соединенных Штатах пилотный проект на оживленной улице в Лос-Анджелесе протестировал фотокаталитическое тротуар и обнаружил измеримое сокращение как NO _x , так и ЛОС в летние месяцы.

Строительство фасадов

Юбилейная церковь в Риме (Dives in Misericordia) является одним из самых известных ранних примеров - ее сборные бетонные панели содержат фотокаталитический цемент, который сохраняет белую поверхность чистой и снижает местное загрязнение воздуха. В Мехико офисное здание «Torre Mayor» использовало фотокаталитический бетон на своих нижних уровнях для противодействия сильному загрязнению трафика. Современные стандарты зеленого строительства, такие как LEED и BREEAM, присуждают кредиты за инновации, которые улучшают качество воздуха в помещении и на открытом воздухе, стимулируя архитекторов указывать фотокаталитические материалы.

Шумовые барьеры и туннели

Поскольку шумовые барьеры вдоль автомагистралей имеют большие площади поверхности с хорошим воздействием солнца, они являются основными кандидатами для фотокаталитических покрытий. Исследование во Франции показало, что 500-метровый барьер, обработанный TiO ₂ , снизил уровень NO _x непосредственно за барьером на 35%. В интерьерах туннелей, где установлены искусственные ультрафиолетовые огни, фотокаталитические плитки могут очищать выхлопные газы от холостых транспортных средств, снижая концентрации токсичных газов внутри замкнутого пространства.

Общественные пространства и городская мебель

Скамейки, автобусные укрытия и мусорные баки, изготовленные из фотокаталитического бетона, способствуют улучшению качества воздуха в Сингапуре, в городском парке, установленном фотокаталитическое тротуарное покрытие вокруг мест для сидения, и наблюдалось 20%-ное сокращение околоземного NO _]x по сравнению с контрольной зоной. Эти небольшие вмешательства, когда они объединяются в городе, могут создать значительные сокращения.

Проблемы и ограничения

Зависимость от светового воздействия

Фотокаталитическая активность резко падает в облачных условиях, ночью, а также в затененных или северных местах (в северном полушарии). В плотных городах с высокими зданиями и узкими улочками многие вертикальные поверхности получают минимальный прямой солнечный свет. Могут помочь такие стратегии, как включение искусственных ультрафиолетовых лучей внутри туннелей или использование легированных катализаторов, которые работают при рассеянном свете, но они добавляют стоимость и сложность.

Поверхностное загрязнение и техническое обслуживание

Хотя поверхность самоочищается для органических соединений, неорганическая пыль и тяжелая сажа могут накапливаться и блокировать свет от достижения катализатора. В сильно загрязненных районах с высокими концентрациями ТЧ10 фотокаталитические поверхности могут нуждаться в периодической промывке, чтобы оставаться эффективными. Сама промывка должна избегать использования моющих средств, которые покрывают катализатор; предпочтительны простые воды или мягкие щелочные очистители.

Потенциальные вредные побочные продукты

Окисление NO производит NO₂ в качестве промежуточного соединения, которое является более токсичным соединением, чем NO. В идеальных условиях NO₂ быстро окисляется до нитрата, но если реакция неполная — например, из-за низкой освещенности или высокой влажности — NO₂ может быть выпущена обратно в воздух, временно ухудшая местное качество воздуха.Тщательная конструкция катализатора и проверка полей необходимы для обеспечения чистого снижения. Аналогичным образом, окисление некоторых ЛОС может образовывать формальдегид или ацетальдегидные промежуточные соединения в неоптимальных условиях.

Стоимость и экономическая жизнеспособность

Фотокаталитический бетон обычно стоит на 10-30% дороже обычного бетона из-за цены высококачественного TiO₂ и специализированных процессов смешивания. Во многих приложениях добавленная стоимость компенсируется долгосрочной экономией на техническом обслуживании и улучшением общественного здравоохранения. Анализ затрат и выгод для города с населением 1 миллион человек в 2020 году показал, что преобразование 10% дорожных покрытий в фотокаталитический бетон сократит расходы на здравоохранение, связанные с NO_x , примерно на 8 миллионов долларов в год, что дает период окупаемости менее четырех лет. Тем не менее, первоначальные инвестиции остаются барьером в муниципалитетах с ограниченным бюджетом.

Сравнение с альтернативными технологиями очистки воздуха

Фотокаталитический бетон отличается пассивной эксплуатацией, большой зоной покрытия и двойной функциональностью в качестве строительного материала. Он не является полной заменой другим технологиям, а дополнительным инструментом, особенно для снижения уровня загрязняющих веществ на улицах в коридорах с высоким трафиком.

Будущие перспективы и направления исследований

Фотокатализаторы следующего поколения

Исследования ускоряются на видимо-светоактивных материалах, которые могут эффективно работать при внутреннем освещении или сильно пасмурном небе. Допинг TiO ₂ с серебром, железом или ванадием показал многообещающие результаты. Графитный нитрид углерода (g-C ₃ N ₄ ) и полупроводники на основе висмута (например, BiVO ₄ ) предлагают полосовые зазоры около 2,4 эВ, поглощая синий и зеленый свет. Включение их в бетон при сохранении структурной целостности является активной областью исследования.

Интеграция встроенных датчиков

Умный фотокаталитический бетон может включать в себя датчики, которые контролируют уровни загрязняющих веществ и активность катализаторов в режиме реального времени. В сочетании с сетями IoT команды технического обслуживания могут быть предупреждены, когда требуется стирка или когда производительность катализатора ухудшается. Ранние прототипы были разработаны в университетских лабораториях, и планируется пилотная установка.

Циркулярная экономика и анализ жизненного цикла

Утилизация фотокаталитического бетона в конце срока службы в целом безопасна, поскольку TiO₂ классифицируется как неопасная. Однако переработка катализатора из дробленого бетона остается неэффективной. Исследователи разрабатывают методы восстановления титана из бетона отходов с использованием химического растворения или механического разделения. Полная оценка жизненного цикла показывает, что потенциал глобального потепления фотокаталитического бетона похож на обычный бетон, в то время как предотвращенное воздействие загрязнения воздуха компенсирует дополнительную энергию производства.

Политика и стандарты

Несколько стран приступили к разработке стандартов на фотокаталитические материалы. Европейский комитет по стандартизации (CEN) выпустил техническую спецификацию для измерения удаления NO_x строительными материалами. Японский стандарт JIS R 1701 проверяет фотокаталитическую активность с использованием деградации метиленового синего красителя. Китай включил фотокаталитический бетон в свою инициативу «Губка-Сити», используя его на тротуарах и дорожных плечах как для чистого воздуха, так и для снижения теплового островного воздействия. По мере усиления нормативного давления на качество городского воздуха ожидается, что фотокаталитический бетон станет стандартной спецификацией во многих новых инфраструктурных проектах.

Заключение

Фотокаталитический бетон является зрелой, научно подтвержденной технологией, которая предлагает пассивные, долговечные и экономически эффективные средства снижения газообразного загрязнения воздуха в городах. Его способность превращать обычные строительные поверхности в активные очистители воздуха решает насущную необходимость масштабируемых решений, которые работают с существующими городскими планировками. В то время как проблемы, связанные с доступностью света, контролем побочных продуктов и первоначальными затратами, сохраняются, текущие материальные инновации и поддерживающая политика неуклонно расширяют его практичность. Для городов, стремящихся соответствовать руководящим принципам качества воздуха Всемирной организации здравоохранения и защищать здоровье своих жителей, фотокаталитический бетон представляет собой мощный и все более необходимый инструмент в инструменте устойчивости городов.

Внешние ссылки:

• Всемирная организация здравоохранения — Информационный бюллетень по качеству атмосферного воздуха
• ScienceDirect — Обзор фотокаталитического бетона для удаления NOx
• Научные доклады о природе — полевое исследование фотокаталитического покрытия в Лос-Анджелесе
• Italcementi — TX Active® Фотокаталитический цемент