themaBouwen aan een schone lucht3200942themaBouwen aan eenschone lucht1In onze drukbebouwde omgeving laat de luchtkwaliteit veel tewensen over. Naast het veelbeschreven fijnstof zijn het vooral stikstof-oxides (NOx) en vluchtige organische stoffen (VOC's) die de luchtkwali-teit negatief beïnvloeden. Ingeademde stikstofdioxides zijn zeer belas-tend voor de luchtwegen. Het is dus van groot belang concentratiesvan deze stoffen te beperken. Dit kan door bijvoorbeeld de uitstoot teverminderen. Ook kan de natuurlijke afbraak van de schadelijkestoffen worden gestimuleerd. Een van de mogelijkheden daartoe istoepassing van een speciale cementsoort: TioCem.Bij een langdurige blootstelling aan een NO2-concentratie van10 tot 80 µg/m3worden gezondheidsproblemen veroorzaaktzoals hoesten, bronchitis en een verminderde longfunctie. Detoegestane concentratie van stikstofdioxide bedraagt 40 µg/m3(jaargemiddelde) volgens [1].In 2007 bleef het overgrote deel van Nederland onder dezenorm. Langs drukke verkeerswegen traden echter wel over-schrijdingen op, incidenteel ook op locaties in grote steden dieniet gelegen zijn in een drukke verkeersstraat of nabij eensnelweg. Aan de genoemde norm moet uiterlijk in 2010worden voldaan. Voor de blootstelling aan piekconcentratiesvan stikstofdioxide geldt een EU-grenswaarde voor het uurge-middelde van 200 µg/m3.Fotokatalytische eigenschappen cement reduceren NOxBouwen aan een schone lucht 32009 43Het is zeer moeilijk om overal onder de maximaal toegelatenconcentraties te komen, zeker in de nabijheid van drukkeverkeersaders. Er moeten dus voldoende maatregelen wordengenomen. Deze maatregelen bestaan veelal uit het verbeterenvan de verkeersdoorstroming, de bevordering van het openbaarvervoer en het weren van sterk vervuilende voertuigen inbinnenstadgebieden. Het is echter ook mogelijk bouwstoffentoe te passen die de concentratie verminderen. Een daarvan isTioCem, ontwikkeld door de HeidelbergCement Group. Doorzorgvuldige toevoeging van nano-titaandioxidecristaline aandit cement krijgt het materiaal fotokatalytische eigenschappen.Fotokatalytische processenVeel chemische verbindingen in de atmosfeer, dus ook de scha-delijke, worden onder invloed van licht afgebroken. In hetbijzonder door blootstelling aan UV-licht. Dit proces, dat foto-lyse heet, verloopt echter traag. Door fotokatalysatoren kan ditproces behoorlijk worden versneld. Op het oppervlak van dezefotokatalysatoren worden hoogreactieve verbindingen gevormddie organische en anorganische schadelijke stoffen kunnenoxideren. Dit geldt ook voor bijvoorbeeld stikstofmonoxide ofstikstofdioxide: NOxwordt door de fotokatalytische oxidatieomgezet naar NO-3. Daglicht volstaat om dit proces te activeren.Het gegenereerde NO-3 is niet giftig en niet schadelijk voor degezondheid. Het NO-3 reageert met het calciumhydroxide vanhet betonoppervlak. Het mineraliseert op het oppervlak enspoelt weg met de regen (fig. 2).Het wetenschappelijk bewijs voor de werkzaamheid van denanodeeltjes titaandioxide in cement als reductiemiddel voorde stikstofbelasting is geleverd in het Europese PICADA-project (Photocatalytic Innovative Coverings Application forDepolution Assessment). In een proefopstelling van een stra-tenplan (schaal 1:5) werden uitlaatgassen van een verbran-dingsmotor langs wanden, bestreken met een fotokatalytischecementmortel, gevoerd. De meetgegevens toonden dat door hetgebruik van deze cementmortel een reductie van NOxplaats-vond van 40 ­ 80%.Uitgebreide testsHet effect van TioCem is uitvoerig onderzocht. De fotokatalyti-sche werking van oppervlakken kan worden aangetoond engekwantificeerd met een methode waarin de mate van verble-ken van een organische kleurstof (Rhodamine-B bleaching) opGerd BolteHeidelbergCement TechnologyCenterHenk DielesenENCI1 Vooral langs drukke verkeerswegen wordt vaakde grenswaarde voor fijnstof overschreden.2 NOxreductie met TioCem: NOxwordt door defotokatalytische oxidatie omgezet naar NO3-. HetNO3-mineraliseert op het oppervlak en spoeltweg met de regenTioCemTioCem bevat nanodeeltjes titaandioxide (TiO2) die ervoor zorgen dat anorgani-sche en organische stoffen in de lucht en aan het betonoppervlak door fotoka-talytische reactie worden afgebroken. De combinatie van titaandioxide met deUV-stralen van het zonlicht stelt een natuurlijk oxidatieproces in werking datzich telkens opnieuw kan herhalen.TioCem is een wit portlandcement CEM I, in de sterkteklassen 42,5 en 52,5,conform EN 197-1, inclusief wijzigingsblad A1. De fotokatalytische toevoegingheeft geen invloed op de eigenschappen van het cement of het daarmeevervaardigde beton.TioCem maakt gebruik van de gepatenteerdeTxActive-technologie voor bouw-producten met fotokatalytische eigenschappen.TxActive is een kwaliteitslabelvoor fotokatalytische activiteit van bouwstoffen dat breed in Europa wordtingezet. Samen met de licentiehouder Italcementi S.p.A. zijn voor zowel cement alsvoor de daarmee geproduceerde producten strenge kwaliteitseisen vastgesteld.een mortelproefstuk wordt gemeten (fig. 3). Deze test geeftechter slechts goed reproduceerbare resultaten bij zeer gladdeoppervlakken.Een betere testmethode is die waarin in een proefopstelling eenmengsel van lucht en schadelijke stoffen (bijvoorbeeld NO enNO2) over een betonnen proefobject stroomt, afwisselend metof zonder inwerking van licht (fig. 4). Hoewel deze meetme-thode is vastgelegd in ISO 22917-1 zijn toch meer interpretatiesvan de gegevens mogelijk waardoor vergelijkingen van resulta-ten slechts onder voorwaarden te geven zijn.2themaBouwen aan een schone lucht3200944oppervlaktebehandeling NOx-reductie [mg/m2h]geen 2,1gestraald 2,3geslepen 1,9watergestraald 2,2luchtstroomsterkte 5l/min; UV-A intensiteit 2000 µW/cm2;550 ppb NOxin de toegevoerde lucht100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%tijd bestralingkleurreductie(%)morteloppervlakmet TioCemzonder TioCem6005004003002001000 012duur metingconcentratie(ppb)stikstofoxidesUV-intensiteitNOxNO2NObij 2000 W/cm²10090807060504030201001098765432100 2000 4000 6000 8000 10000NO start (ppb)reductie(%)stikstofoxidesin %in mg/m2h80907060504030201000 500 1000 1500 2000 2500 3000UV-A ( W/cm²)reductieNOxluchtdoorstroming1l/min3l/minTabel 1 NOxreductie door straatstenen met TioCem in de toplaagcante reductie van de schadelijke stoffen in de lucht bereikt.De fotokatalytische activiteit hangt echter ook van het soortoppervlak af. Hoe deze relatie is bij straatstenen wordt weerge-geven in tabel 1. Een oppervlaktebehandeling kan grote invloedop de werking hebben.In de praktijk maakt de grote invloed van wisselende weersom-standigheden een eenduidige waardering van de reductie lastig.De laboratoriumproeven geven echter zonder twijfel een signi-ficante vermindering weer van de NOx-concentratie in de luchtdoor betonoppervlakken met fotokatalytische werking.PraktijkproefIn juli 2008 heeft in Stockholm een test in de buitenlucht plaatsge-vonden. In de binnenstad werden daarvoor twee identieke proef-kamers gebouwd uit licht- en UV-A-doorlaatbaar materiaal. Ineen daarvan werd een oppervlak met een TioCem mortel gepleis-terd. De buitenlucht werd door een NOx-analyseapparaat in deproefopstellingen geleid. Zonder extra kunstlicht kon in de proef-kamer een gemiddelde reductie van 40 tot 70% worden gemeten.3 564In het HeidelbergCement Technology Center in Leimen (D) iseen speciale proefopstelling ontwikkeld. Daarin kan helderworden aangetoond hoeveel de concentratie stikstofdioxide inde lucht kan worden gereduceerd. Door de vele variaties inparameters (stroomsnelheid, lichtintensiteit, concentraties NOen NO2) kunnen vele milieusituaties worden gesimuleerd. Defiguren 5 en 6 geven een voorbeeld hoe de sterkte van degrada-tie van afvalstoffen wordt beïnvloed door de verschillendeomgevingsvariabelen. De degradatie kan zowel in % als ook inmg/m2h worden weergegeven. Figuur 5 geeft daarbij weer datbij een concentratie van schadelijke stoffen van bijvoorbeeld1000 ppb (parts per billion), een reductie van 70% wordtbehaald. Dat is gelijk aan 2,5 mg/m2h. Figuur 6 geeft de relatieweer tussen de fotokatalytische activiteit en de stralingsintensi-teit UV-A. Al bij een zeer geringe intensiteit wordt een signifi-Bouwen aan een schone lucht 453 Reductie van Rhodamine-B op een cementmorteloppervlak.Mortelsamenstelling conform EN 196-1. UV-A intensiteit 600 µW/cm24 Reductie van een mengsel van NO en NO2langs een betonoppervlak [5]5 Reductie als functie van de beginwaarde NO bij betonstraatstenen.Luchtdoorstroming 1 l/min, UV-A intensiteit 2000 µW/cm26 Reductie als functie van de UV-A intensiteit en luchtdoorstroming bijbetonpleisterwerk; 550 ppb NOxin het luchtmengsel (400 ppb NO + 150ppb NO2)7 Betonnen dakpannen met een TioCem toplaag8 Voor de gevelelementen van het kantoorgebouw van Decomo is betonmet TioCem gebruiktI Literatuur1 RICHTLIJN 1999/30/EG VAN DE RAAD van 22 april 19992 Fujishima, A.; Hashimoto, K., Watanabe, T.; (1999): TiO2Photoca-talysis: Fundamentals and Applications, BKC Inc., Tokyo, Japan.3 Bolte, G.: Photokatalyse in zementgebundenen Baustoffen:Cement international 3/20054 Ladang, C., TIOCEM ­ Ontwikkeling van cement met fotokata-lytische eigenschappen, Cement, Themanummer Materiaal-ontwikkeling, 2006/05.5 ISO 22917, Part 1"Fine ceramics (advanced ceramics, advancedtechnicalceramics) ­Test method for air-purification performanceof semiconducting photocatalytic materials ­ Part 1: Removal ofnitric oxide".6 Guerrini, G. L.; Peccati, E.: Photocatalytic cementitious roads fordepollution: International RILEM Symposium on Photocatalysis,Environment and Construction Materials: October 8­9, 2007,Florence, Italy.Toepassing in bouwmaterialenHet gebruik van TioCem voor de vervaardiging van bouwma-terialen staat nog aan het begin. In Duitsland werd al wel deeerste `milieuactieve dakpan' geïntroduceerd: Climalife. Hetoppervlak van deze dakpan bestaat uit een toplaag met ditspeciale cement. Een certificaat deelt deze dakpan in in eenreductieniveau van 1,6 mg NO/m2h. Tot op dit moment drageninmiddels 200 000 m2dakoppervlak actief aan de reiniging vande lucht bij. Als voorbeeld: de dakbedekking van een normaleeengezinswoning (circa 200 m2dakoppervlak) elimineert deNOx-uitstoot van drie gasgestookte verwarmingsinstallaties.Wanneer men bedenkt dat per jaar in Duitsland circa 30miljoen m2dak met betonnen pannen wordt gedekt is voor testellen wat de bijdrage aan de luchtverbetering kan zijn.Het NOx-reducerend cement leent zich niet alleen voor toepas-sing in dakpannen, het kan in ieder betonproduct worden toege-past. Uiteraard is de fotokatalytische werking het beste bij betondat in contact komt met de buitenlucht. Het meeste effectsorteert de toepassing in drukke verkeersgebieden. Daar kan hetcement, toegepast in straatstenen, trottoirbanden en geluids-schermen, een positieve bijdrage leveren aan de luchtkwaliteitvan de omgeving. Het gebruik in gevels is echter ook zeer zinvol.VuilreductieProducten die met TioCem zijn vervaardigd hebben nog eentweede positieve kwaliteit: ze zijn vuilreducerend. Deze kwaliteitkomt vooral tot zijn recht bij geluidsschermen en gevels. Ookhier speelt de fotokatalytische kracht een rol. Door de afbraak inde lucht van organische en anorganische stoffen, zullen dezezich minder snel vastzetten op het betonoppervlak. Samen metzon en regen zorgt dit voor een zelfreinigend resultaat. )78