O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2006 562ir. E. Knapen en prof.dr.ir. D. Van Gemert, KatholiekeUniversiteit Leuven, Departement Burgerlijke Bouwkundeprof.dr.ir. A. Beeldens, Opzoekingscentrum voor deWegenbouw (OCW), BrusselLuchtvervuiling is ??n van de grote problemen van dehedendaagse samenleving. De bestrijding van schadelijkeemissies van het wegverkeer en vanuit de industrie vormteen uitdaging voor zowel wetenschappers, industrie alsoverheid. Het gebruik van titaandioxide (TiO2) als fotoka-talysator in of op bouwmaterialen kan hierbij een belang-rijke rol spelen. Onder invloed van UV-straling fungeertanatase, een specifieke kristallijne vorm van TiO2, alsfotokatalysator bij de afbraak van diverse schadelijke gas-sen in de lucht zoals stikstofoxiden (NOx), koolmonoxideen zwaveldioxide [1].Belangrijke bronnen van NO en NO2(NOx) zijn hetwegverkeer (54%), de elektriciteitsproductie (14%) ende industrie (24%). Naast de schadelijke gevolgen vanNO2voor de gezondheid van mens en dier en voor deplantenwereld, geven NOxtezamen met vluchtigeorganische componenten (VOC) in de zomer aanlei-ding tot de vorming van fotochemische mist (smog)en hoge ozonconcentraties in de troposfeer. Bij debestrijding van deze zomersmog zijn de controle enbeperking van de verontreinigende stoffen bij debron zeer belangrijk. Daarnaast biedt het aanbrengenvan luchtzuiverende materialen op bouwmaterialenbijkomende, aantrekkelijke perspectieven, zoals eenreinigend effect en een beter behoud van de kleur.Door het fotokatalytische effect worden onder invloedvan UV-licht aan het met TiO2-gemodificeerde opper-vlak hydroxylradicalen gevormd, die zorgen voor deafbraak en oxidatie van NOxtot NO3aan dat opper-vlak volgens de vereenvoudigde reactieschema's [2]:NO +*OH NO2+ H+(1)NO2+*OH NO3+ H+(2)(h is constante van Planck, is frequentie van hetfoton, h is energie van het foton)Omwille van deze versnelde omzetting van stikstof-oxiden en het resulterende luchtzuiverende effectwordt in verschillende onderzoeksprojecten zoalsonderzoek gesubsidieerd door IWT-Vlaanderen,PICADA [3], NR2C (Europees project) en IPL (Neder-land), nagegaan of de grootschalige toepassing vanTiO2in de bouw en de wegenbouw een wezenlijkebijdrage kan leveren tot de bestrijding van de lucht-vervuiling en in het bijzonder van de zomersmog.TiO2kan op verschillende manieren worden verwerktin bouwmaterialen: in de massa in beton of mortel,als oppervlaktelaag, als film of als impregnering.Voor een optimaal rendement is het belangrijk dathet fotokatalytische TiO2toegankelijk is voor UV-lichten dus aanwezig is aan het oppervlak van het materi-aal. Verder moet worden nagegaan of de fotokatalyti-sche werking van het TiO2de drager niet be?nvloedt,zoals mogelijke afbraak van organische verven.Fotokatalytisch actievematerialen voor de bestrijdingvan luchtverontreinigingh, TiO2h, TiO21 |Proefopstelling ter bepa-ling van de luchtzuive-rende activiteit: UV-lichtbron boven de foto-reactorO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2006 5 63-0,20,00,20,40,60,81,01,20:00:00tijdconcentratie(ppm)abc1:00:00 2:00:00 3:00:00 4:00:00 5:00:00 6:00:00 7:00:00-25%-20%-15%-10%-5%0%30% 40% 50% 60% 70%Bovendien moet het TiO2goed aan het oppervlakhechten, opdat het niet wegspoelt door regen of ver-dwijnt door mechanische inwerking. Het aanbrengenvan TiO2in de vorm van een minerale verf is eenmogelijke oplossing.L a b o r a t o r i u m p r o e v e n o p l u c h t z u i v e r i n gOm de luchtzuiverende effici?ntie van met TiO2behandelde bouwmaterialen na te gaan zijn in hetOCW laboratoriumproeven uitgevoerd, in samenwer-king met het Wetenschappelijk en Technisch Cen-trum voor het Bouwbedrijf (WTCB) en de AfdelingBouwmaterialen en Bouwtechnieken van K.U. Leu-ven [4, 5].De luchtzuiverende activiteit wordt bepaald aan dehand van het vermogen van fotokatalytische materia-len om NO te oxideren tot NO3-. De testopstelling isgebaseerd op de Japanse norm JIS R 1701-1 (2004) enbestaat uit een fotoreactor, een lichtbron en een che-miluminescentie NOx-analysetoestel. Bij deze opstel-ling wordt gekozen voor een ??nmalige stroming vande lucht over het oppervlak, dit in tegenstelling tot deopstelling waarbij lucht in een kamer wordt gebrachten gedurende een tijdspanne wordt rondgestuurd totevenwicht wordt bereikt.Er wordt een testgas met een concentratie NO van1 ppmv (parts per million in volumedeeltjes) conti-nu door een 3 mm dikke spleet over het proefstukin de luchtdichte fotoreactor gestuurd. UV-stralingactiveert het fotokatalytische proefstuk aan debovenzijde (foto 1).De daling van de NOx-concentratie na ??nmalige stro-ming over het proefstuk wordt gemeten. Het proef-stuk wordt gedurende zes uur getest. Na een eersteperiode van een half uur, waarbij de NO-concentratiegelijk is aan 1 ppmv en nog geen UV-belichting wordtaangebracht, wordt het proefstuk tijdens de strominggedurende vijf uur blootgesteld aan UV-belichting.Vervolgens wordt het proefstuk een half uur belichtzonder toevoeging van NO. Een typisch verloop isweergegeven in figuur 2. De testen worden uitge-voerd bij een luchtstroom van 3 l/min, NO-concen-tratie van 1 ppmv, UV-intensiteit van 10 W/m?,50 ? 5% R.V. en 23 ? 4 ?C.Tijdens de laboratoriumproeven is de invloed van ver-schillende parameters nagegaan zoals temperatuur,relatieve vochtigheid, contacttijd (oppervlakte, door-stroomsnelheid, doorstroomdebiet). In het algemeenkan worden gesteld dat de effici?ntie van luchtzuive-ring toeneemt bij een langere contacttijd (groteroppervlak, kleinere doorstroomsnelheid, lager debiet)en bij een hogere temperatuur en lagere relatievevochtigheid. Het is toevallig juist tijdens zulke warmezomerdagen, zonder neerslag, dat de hoogste kans opsmogvorming aanwezig is. Figuur 3 geeft de NOx-reductie als functie van de relatieve vochtigheid weer.Cementmortels met TiO2- en polymeertoevoegingOm de effici?ntie te verhogen is het noodzakelijkdat een grote hoeveelheid TiO2aan het oppervlakaanwezig is. Zo zal het aanbrengen van een TiO2-dispersie op het oppervlak een hogere luchtzuive-rende effici?ntie hebben dan wanneer het TiO2inde oppervlakte is verwerkt. De duurzaamheid vande luchtzuivering, het aanwezig blijven van hetTiO2aan het oppervlak, is beperkt in het geval vande dispersie. Specifieke maatregelen moeten wor-den genomen om het TiO2aan het oppervlak vast tehouden. Een andere mogelijkheid is meer TiO2inhet materiaal aan te brengen, maar dan is de econo-mische factor een belangrijke parameter. E?n vande mogelijke oplossingen die zijn onderzocht, ishet aanbrengen van het TiO2in een dunne poly-meergebonden mortellaag op het oppervlak. Opdeze manier kan de concentratie TiO2worden ver-hoogd, zonder het geheel duurder te maken. Doorde polymeerdispersie wordt de hechting tussen deaangebrachte laag en het onderliggende beton sterkverhoogd, waardoor een minder dikke laag behoeftte worden aangebracht. Het gevaar bestaat wel datde polymeerdispersie het TiO2zal bedekken, waar-door het niet meer aan de fotokatalytische reactiekan deelnemen.Enkele resultaten zijn weergegeven in figuur 4 [5]. Demortels vertonen een toename in luchtzuiverendeeffici?ntie tussen 14 en 90 dagen na aanmaak. Onder-2 |Specifiek verloop van deproef volgens de norm:0,5 uur met 1 ppmv NO-concentratie zonderbelichting, 5 uur met NOen licht, 0,5 uur zonderNO en met belichtinga. NOb. NO2uit eerste reactie-vergelijkingc. NOx= NO + NO23 |Invloed van relatievevochtigheid op reductieNOxbij TiO2-houdendebetonstraatstenenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2006 5640%5%10%15%20%25%30%35%CEM II/A-LL 42,5 Np/c=10%CEM II/A-LL 42,5 Np/c=0%CEM I 52,5 Np/c=10%CEM I 52,5 Np/c=0%NO-reductie(%)14 dagen 28 dagen 90 dagenw/c = 0.5z/c = 2t/c = 10%wit cementzoek op lange termijn moet uitwijzen of dit behou-den blijft. Ook de polymeermodificatie heeft eenpositieve invloed op de effici?ntie. Verder wordt eenlagere effici?ntie waargenomen in mortels aange-maakt met wit portlandcement CEM I 52,5 N danmet wit portlandkalksteencement CEM II/A-LL42,5 N, met een kalksteentoevoeging van 18%.Over de precieze invloed van de TiO2-toevoeging op demicroscopische eigenschappen van mortels is tot nogtoe weinig bekend. Belangrijk hierbij zijn de integratievan het TiO2in de kristalstructuur van het gehydra-teerde cement en de eventuele interactie met degevormde cementhydraten. Ook de porositeit speelteen belangrijke rol bij de effici?ntie. Hoe poreuzer hetoppervlak, hoe hoger de effici?ntie. De duurzaamheidvan de straatsteen moet evenwel gegarandeerd blijven.Aan de hand van thermische analyses op verschillen-de tijdstippen in het hydratatieproces konden geennieuwe hydratatieproducten en geen vertraging vande hydratatiereacties worden gedetecteerd.IR(infrarood)-spectroscopie en SEM (Scanning Elec-tron Microscopy) zullen worden gebruikt om deduurzaamheid van de organische bindmiddelen tevolgen in de tijd. Met behulp van XRD (X-Ray Dif-fraction) zal de aanwezigheid van TiO2in de cement-matrix en de verhouding van de kristallijneTiO2-fasen, anatase en rutiel, worden nagegaan.I n s i t u p r o e v e n o p l u c h t z u i v e r i n gEen belangrijk aspect is de omzetting van de labo-ratoriumresultaten naar re?le effecten, meetbaar insitu. Een probleem dat hierbij optreedt, is de moei-lijkheid van meten. Er moet immers rekening wor-den gehouden met belangrijke parameters zoalsverkeer, wind, temperatuur, relatieve vochtigheid,lichtintensiteit, enzovoorts.In 2005 is een proefproject met fotokatalytischestraatstenen op de Leien van Antwerpen uitgevoerd.De ventwegen (parkeerbanen) van het vernieuwdegedeelte zijn aangelegd met fotokatalytische stenen,in het totaal een 10 000 m?. Een eerste deel vande Amerikalei is aangelegd met klassieke straatste-nen, waarop referentiemetingen kunnen wordenuitgevoerd. De ventwegen van het volgende gedeel-te, evenals die van de Britse Lei en van de Frank-rijklei, zijn aangelegd met de TiO2-houdende ste-4 |Gemiddelde NO-reductievan niet-gemodificeerdeen SAE-gemodificeerdecementmortels met TiO2-toevoegingc: cement; p: polymeer;t: TiO2; w: water; z: zand5 |Het TiO2bevindt zich inde slijtlaag van de stenenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ialencement 2006 5 656 |Ventweg op deAmerikalei te Antwerpennen foto 5. Er is geen verschil tussen de stenenzichtbaar. Een beeld van de ventwegen is gegevenin foto 6.De nieuwe ventwegen worden uitgevoerd in een don-kergrijze steen. Dit is echter niet optimaal voor defotokatalytische werking, aangezien een deel van deenergie van het licht door de zwarte kleur wordtgeadsorbeerd en bijgevolg niet kan bijdragen aan defotokatalytische werking. Hoe lichter de kleur van desteen, hoe groter de fotokatalytische werking zal zijn.Het probleem bij de metingen is, op representatievewijze de invloed van de stenen op de luchtverontrei-niging lokaal op te meten, rekening houdend metde vele parameters die bij dergelijke metingen eenrol spelen. De invloed van de parameters wordt dui-delijk wanneer de metingen van stikstofoxiden opde vaste meetplaatsen worden bekeken [6].Een meetcampagne op de ventwegen van de Leienvan Antwerpen zal in de zomer van 2006 beginnen,na het volledig openstellen van de Leien, zowel opplaatsen waar de fotokatalytische stenen zijn aange-bracht, als op plaatsen met de klassieke stenen.Aangezien deze laatste zone zich in het verlengdevan de zone met fotokatalytische stenen bevindt, zalhet mogelijk zijn de invloed van parameters zoalswindrichting, positie van de zon en aanwezigheidvan huizen in sterke mate te beperken. De resulta-ten worden statistisch verwerkt, waarbij rekeningwordt gehouden met uur- en daggemiddelden.Naast de continue metingen in situ worden ookmetingen in het laboratorium uitgevoerd. De stenenworden regelmatig gemeten, ook tijdens de winterpe-riode. Tevens wordt de hoeveelheid NO3-bepaald dieop het oppervlak van de stenen is neergeslagen, waar-door een idee van de werking kan worden verkregen.De resultaten tonen een vermindering van effici?ntiegedurende het eerste jaar. Evenwel blijft de steenfotokatalytisch actief, zodat een reductie van NOxinde lucht wordt verkregen.T e n s l o t t eDe metingen in het laboratorium tonen aan datTiO2-houdende stenen een fotokatalytische werkinghebben en daardoor de lucht zuiveren, waarbij heteffect toeneemt bij toenemende temperatuur, lagererelatieve vochtigheid en langere verblijftijd.Door het gebruik van een polymeer-gemodificeerdemortel is de concentratie TiO2aan het oppervlak ver-hoogd, waardoor de effici?ntie met 10% is verbeterd.Een verdere optimalisatie van de oppervlaktestruc-tuur zal ongetwijfeld leiden tot een hogere effici?ntie.Medio juni is in Antwerpen het proefproject in situopgestart. Hierop zullen tijdens de warme zomer-maanden metingen worden uitgevoerd om de effi-ci?ntie in realiteit te bepalen. nL i t e r a t u u r1. Fujishima, A., K. Hashimoto, T. Watanabe, TiO2,photocatalysis, fundamentals and applications,BKC, Inc., 1999.2. Fujishima, A., K. Honda, Electrochemical Photo-lysis of water at a semiconductor electrode, Natu-re, 238, 1972.3. Maggos, T., A. Plassais, J. Bartzis, C. Vasilakos,N. Moussiopoulos, L. Bonafous, Photocatalyticdegradation of NOxin a pilot street canyon confi-guration using TiO2-mortar panels. 5thInternatio-nal Conference on urban air quality, Valencia,Spain, March 29-31, 2005, Picada section.4. Berx, S., W. Roes, Fotokatalyse in betonoppervlak-ken. Eindwerk K.U.Leuven, 2002.5. Schoofs, A., K. Seldeslachts, Invloed van TiO2oppolymeer-gemodificeerde cementmortels. Eind-werk K.U. Leuven, 2006.6. www.vmm.be ? luchtmetingen