Эффективность применения фотокаталитических бетонов в городском строительстве

УДК 69

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИХ БЕТОНОВ В ГОРОДСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

В.К. Баженов, М.А. Червонцева

Аннотация. В статье проанализированы результаты исследований по применению фотокаталитических бетонов на основе диоксида титана для очистки воздуха от загрязняющих веществ, сделаны выводы об эффективности использовании стандартных методов, дана оценка эффективности применения фотокаталитических бетонов в городской среде.

Ключевые слова: фотокаталитический бетон, диоксида титана, загрязняющее вещество, очистка воздуха, городская среда.

THE EFFICIENCY OF PHOTOCATALYTIC CONCRETE IN URBAN CONSTRUCTION

V.K. Bazhenov, M.A. Chervontseva

Abstract. The article analyzes the results of studies on the use of photocatalytic concrete based on titanium dioxide for air purification from contaminants, the conclusions about the effectiveness of the use of standard methods and the evaluation of the effectiveness of application in the urban environment are made.

Keywords: photocatalytic concrete-titanium dioxide is a pollutant, clean air, urban environment.

Фотокаталитические бетоны являются перспективным направлением в строительстве, благодаря возможности эффективного решения проблемы загрязнения атмосферного воздуха в городах и самоочистки фасадов зданий. Технология изготовления таких бетонов не отличается от технологии производства обычных бетонов и не требует дополнительного оборудования.

Так, бетон назвали в честь химического процесса - фотокатализа, который происходит в его структуре под действием света: а именно, как только солнечные лучи попадают на поверхность подобного бетона, происходит химическая реакция, которая расщепляет любые загрязнения - пыль, грязь, плесень, бактерии и прочее.

Кроме этого, подобный бетон способен перерабатывать микрочастицы углекислых и выхлопных газов, очищая воздух от загрязнения вокруг себя.

Его отличает также особенность самоомывания. Такая характеристика материала доступна благодаря изменению угла смачиваемости под действием естественного солнечного света.

В качестве фотокатализаторов используются полупроводниковые оксиды или сульфиды (ТЮ2, ZnO, CdS и др.), полупроводниковые оксиды с нанесенными металлами (Р1/ТЮ2, Rh/SrTiO3) и полупроводниковые дисперсии с нанесенными оксидами ^и02/ТЮ2). Наибольшее распространение в качестве фотокатализатора в силу относительной дешевизны и высокой эффективности получил диоксид титана. Амфотерный оксид титана существует в виде нескольких модификаций: природные кристаллы с тетрагональной (анатаз, рутил) и ромбической сингонией (брукит), а также искусственные модификации с ромбической IV и гексагональной V сингониями.

Фотокаталитические свойства диоксида титана в анатазной фазе применялись для создания различных материалов с середины 1990-х гг. [4; 5; 8]. Изначально диоксид титана

применялся в качестве белого пигмента в лакокрасочной промышленности, позволяющего не только получать покрытия различной цветовой гаммы, но и значительно улучшать их свойства. Затем на поверхностях, обработанных диоксидом титана, были обнаружены явления самоочищения, обусловленные их высокой гидрофобностью. В настоящее время исследуются возможности применения диоксида титана для разложения органических и неорганических веществ на поверхности материалов, так называемого процесса фотоокисления.

Самоочищение в сочетании с фотокаталитическим действием ТЮ2 делает его идеальной добавкой в строительные материалы в суровых городских условиях. В зависимости от применения ТЮ2 может использоваться в виде покрытий, добавки в бетоны, гипс или краски. ТЮ2 может быть использован для поверхностей элементов мощения или фасадов зданий, общественных туалетов, подпорных стен, тоннелей. При применении ТЮ2 в белых цементах поверхность здания остается яркой в течение длительного периода времени.

Применение ТЮ2 в бетоне направлено на достижение двух основных эффектов - самоочищение от грязи и очистки атмосферы за счет окисления оксидов азота (N0^.

ТЮ2, как правило, смешивают в сухом виде с цементом перед добавлением воды затво-рения. После твердения ТЮ2 присутствует во всей структуре цементного камня. ТЮ2 является достаточно стабильным, высоко инертным оксидом, не вступает в реакцию ни с одной фазой цемента и не участвует в гидратации. Со структурной точки зрения, он действует в качестве наполнителя пор, снижая суммарную пористость на ранней стадии твердения.

Хотя химических реакций с участием ТЮ2 не происходит, но при введении воды затво-рения резко меняется химия поверхности и электрокинетические свойства частиц диоксида титана. Это приводит к закономерному изменению характера твердения и структурообразо-вания цементного камня в бетоне.

Активность очистки воздуха диоксидом титана, применяемым в строительных материалах, определяли по окислению N0 и N02 в N03. Этим загрязнителям уделяется особое внимание, так как они являются основными компонентами выхлопных газов транспортных средств и играют важную роль в формировании смога больших городов.

Окисление N0 может быть представлено следующими уравнениями:

. Ь,ТЮ2

N0 + —-^ N0, + Н+,

Ш2 + 0^—--^ N03- + Н+

Установка для испытаний состоит из металлического контейнера, в котором находится бетонный образец с покрытием из ТЮ2. Сверху контейнер закрыт стеклом, которое пропускает ультрафиолетовое излучение. Воздух, содержащий N0 с мольной концентрацией 1 ррм, вдувают внутрь контейнера на поверхность бетона со скоростью потока 3 л/мин. Температура окружающей среды - 23±2°С и относительная влажность - 50 %. Интенсивность света равна 10 Вт/м3 с длиной волны в диапазоне между 300 и 460 нм. Концентрация измеряется на выходе из контейнера. Измерения проводятся в течение 5 часов. За 30 минут до начала измеряется концентрация N0 и N02 в воздухе контейнера. Затем направляется поток света. Результаты измерений приведены на рисунке 1.

Конечное уменьшение зависит от: материала; размера поверхности; концентрации N0; интенсивности света; температуры окружающей среды; скорости потока.

Например, при увеличении поверхности в 6 раз получают уменьшение концентрации N0,, на выходе до 85 %. Таким образом, при увеличении времени контакта или увеличении поверхности, по которой течет воздух, снижение будет еще более значительным.

£

а ж

ж £

1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

N0

0

N0,

№х

Время, час

Рисунок 1. Влияние диоксида титана на изменение концентрации загрязняющих веществ

Для приготовления мелкозернистого бетона применялись такие материалы: портландцемент ПЦ-500 (СЕМ I 52,5 R); намывной кварцевый песок с модулем крупности 1,5, водопроводная вода и порошок диоксида титана. В качестве вяжущего использовалась сухая смесь портландцемента и ТЮ2 в массовом соотношении 96,5 : 3,5 соответственно.

Исследования методом термопрометрии [6, с. 602] показали, что при введении наноди-сперсной добавки диоксида титана происходит перераспределение по размерам пористости мелкозернистого бетона (рисунок 2) - уменьшение размеров и объема капиллярных пор и увеличение доли гелевых пор.

а)

$ 0,8

-ТО 0,7

0,6

0,5

43 0,4

0,3

0,2

0,1

0

-Контрольны] й

- Т02 А

гЛ

1 л

/ 1

/ \

У ^ \

IgR, нм

10

б)

и

0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0

\

\

\

V

IgR, нм

10

Рисунок 2. Микропористость цементного камня: а) распределение пор по размерам; б) объем пор

1

2

3

4

1

1

Резкое уменьшение объема микропор обусловлено изменением характера адсорбционных процессов на границе раздела твердая фаза - поровая жидкость и заполнения крупных пор частицами диоксида титана.

Кроме того, использование наночастиц TiO2 приводит к увеличению прочности мелкозернистого бетона: на изгиб через 3 суток в 2,8 раз, через 28 суток в 1,2 раза; на сжатие через 3 суток в 1,7 раза, а через 28 суток в 1,5 раза.

Таким образом, после смешивания TiO2 очень хорошо уплотняет структуру цементного камня так же, как микрокремнезем или другие мелкие наполнители. Кроме того, TiO2 способствует повышению устойчивости к эрозии и уменьшению количества загрязняющих веществ, которые проникают в поры.

Использование диоксида титана позволит значительно улучшить экологическую ситуацию крупных городов в части очистки поверхностей от грязи и пыли и очистки воздуха от органических соединений и NOx.

Фотокаталитические бетоны могут оказаться выгодным экономическими решением по улучшению качества жизни в городах и поддержанию здоровья населения. Помимо загрязнения воздуха в больших городах существуют проблемы загрязнения фасадов зданий. Фотокаталитические бетоны могут обеспечить не только снижение концентрации загрязняющих веществ в воздухе, но также способствовать самоочищению поверхностей, на которых они применены [8]. Эти строительные материалы уже несколько лет используются при строительстве в Японии, Бельгии, Италии, Франции, США.

Факты использования фотокаталитических бетонов в реальных городских условиях на территории Российской Федерации неизвестны. Известны лишь лабораторные эксперименты по применению фотокаталитических бетонов при проведении натурных исследований по определению их эффективности [9]. В связи с перспективами использования и развитием фотокаталитических бетонов в 2016 г. вышел нормативный документ ГОСТ Р 57255-2016 «Бетоны фотокаталитически активные самоочищающиеся. Технические условия» [1], который разработан Научно-исследовательским, проектно-конструкторским и технологическим институтом бетона и железобетона им. А.А. Гвоздева - структурным подразделением АО НИЦ «Строительство». Методы испытаний по ГОСТ Р 57255-2016 не касаются определения эффективности использования фотокаталитических бетонов в реальной городской среде.

Из-за проблемы загрязнения воздуха в тоннелях выхлопными газами автотранспорта возникает необходимость создания специальных конструктивных мер по очистке воздуха. С этой целью целесообразно применение фотокатализа с использованием специальных строительных материалов, а именно - фотокаталитических материалов на основе цемента.

Эффективность фотокаталитических бетонов по очистке атмосферного воздуха и свойства самоочищения поверхности этих бетонов были доказаны множеством исследований. Результаты лабораторных исследований свидетельствуют о высокой эффективности данных материалов при нейтрализации различных газообразных выбросов, загрязняющих воздух, таких как NOx, CO и др. Также добавление в цемент фотокатализатора может значительно улучшить механические свойства бетонов, такие как прочность, морозостойкость, гидратация и др.

Долговечность фотокаталитической активности покрытий остается неизменной в течение долгого времени при регулярной чистке поверхностей.

Стандартные методы испытаний фотокаталитических бетонов не дают качественной оценки об их эффективности применения в реальных условиях городской среды.

Стандартные методы испытаний представляют только результаты о фотокаталитической активности материалов. Стандартными методами не учитываются конструктивные особенности поверхности и различные факторы внешней среды, такие, как ветер, влажность, механическое загрязнение.

Эффективное фотокаталитическое разложение загрязняющего воздух NOx в автодорожном тоннеле без специально разработанных средств и методов очистки активной поверхности может быть реализовано лишь кратковременно на первоначальном этапе эксплуатации тоннеля, так как в реальных натурных условиях фотокаталитические материалы не справляются в процессе самоочистки с механическими загрязнениями, осаждающимися на фотокаталитически активной поверхности, и существенно снижают свою активность из-за её загрязнения.

Библиографический список

1. ГОСТ Р 57255-2016 Бетоны фотокаталитически активные самоочищающиеся. Технические условия. М., 2016.

2. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. М., 2006.

3. ISO 14605:2013. Тонкая керамика (специальная керамика, специальная техническая керамика). Источник света для испытаний фотокаталитических полупроводниковых материалов в условиях внутреннего освещения. URL: http://www.gostinfo.ru/catalog/Details/?id=5316084 (дата обращения: 23.07.2018).

4. Пармон В.Н. Фотокатализ: вопросы терминологии // Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии. Новосибирск, 1991.

5. Савинов Е.Н. Фотокаталитические методы очистки воды и воздуха // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. № 11.

6. Ушеров-Маршак А.В., Сопов В.П. Термопорометрия цементного камня // Коллоидный журнал. 1994. Т. 56. № 4.

7. Cassie A.B.D., Baxter S. Trans. Faraday Soc. 40. 1944.

8. Fujishima A., Hashimoto K., Watanabe T. TiO2, Photocatalysis, Fundamentals and Applications, BKC, Inc., 1999.

9. PuzenatE. Photocatalytic self-cleaning materials: Principles and impact on atmosphere // The European Physical Journal Conferences. 2009. Vol. 1.

В.К. Баженов

кандидат технических наук

доцент кафедры зданий и сооружений Российского университета транспорта (МИИТ), г. Москва

М.А. Червонцева

заведующий кафедрой строительства и городского хозяйства Московского информационно-технологического университета - Московского архитектурно-строительного института E-mail: Chervontseva.M@mfua.ru