Urbanisme intel·ligent: contaminació controlada

La fotocatàlisi

A dia d’avui, hi ha un ampli consens entre els sectors implicats sobre el fort creixement que experimentarà la indústria fotocatalítica en els pròxims anys. De fet, la fotocatàlisi, basada en l’ús de materials semiconductors, té nombroses aplicacions en camps com la millora de la qualitat de l’aire i de les aigües, la reducció de costos de conservació i manteniment d’edificis a causa de la seva capacitat autonetejadora, la sanitat i el benestar general pel seu efecte biocida i organolèptic, i l’energia. No obstant això, aquesta prometedora tecnologia no és gaire coneguda ni pels gestors d’infraestructures públics i privats, ni pel públic general. En el campo de la contaminació ambiental, un marc legislatiu més potent, amb major regulació, que elimini del mercat els productes fraudulents, així com un major coneixement d’aquesta tecnologia per part dels tècnics prescriptors, tindria un impacte positiu en l’aplicació de la fotocatàlisi.[1]  

“AirClean® redueix de manera ràpida i eficaç el NO2 perjudicial (diòxid de nitrogen), contribuint d’aquesta manera a complir els límits establerts. La base de l’eficàcia dels paviments i façanes AirClean® és la fotocatàlisi: des contaminen l’aire, destrueixen la brutícia i impedeixen el creixement de microorganismes.

Gemma Pagès. Arquitecte Tècnic. Breinco

Formigó fotocatalític

La purificació de l’aire a través de la fotocatàlisi es compon de diferents passos: sota la influència de la llum UV, el TiO₂ fotoactiu a la superfície del material s’activa. Posteriorment, els contaminants s’oxiden a causa de la presència del fotocatalitzador i es precipiten sobre la superfície del material. Finalment, es poden netejar de la superfície per la pluja o per un rentat amb aigua. La fotocatàlisi amb diòxid de titani com a catalitzador és un camp en ràpid desenvolupament en enginyeria ambiental, ja que té un gran potencial per a fer front a la creixent contaminació. A més de les seves propietats d’autoneteja, se sap des de fa gairebé 100 anys que el diòxid de titani actua com un fotocatalitzador que pot descompondre contaminants sota la radiació UV. (4) L’impuls per a l’ús més estès dels materials fotocatalítics TiO₂, va ser el 1972 quan Fujishima i Honda (5) van descobrir la hidròlisi de l’aigua en presència de la llum, per mitjà d’un ànode de TiO2 en una cel·la fotoquímica. A la dècada de 1980, la contaminació orgànica a l’aigua també es va descompondre mitjançant l’addició de TiO₂ i sota la influència de la llum UV.(6) L’aplicació del TiO2, en la fase cristal·lina anatasa fotoactiva, com a material de purificació de l’aire es va originar al Japó l’any 1996.(7) Des d’aleshores, un ampli espectre de productes van aparèixer al mercat per a ús en interiors, així com per a aplicacions en exteriors. Pel que fa a les emissions del trànsit, és important que els gasos d’escapament romanguin en contacte amb la superfície activa durant un cert període. La configuració del carrer, la velocitat del trànsit, la velocitat i la direcció del vent, tot influeix en la taxa de reducció final dels contaminants in situ.

Aplicacions

Els fotocatalitzadors, tipificats pel TiO₂, es defineixen com a substàncies que promouen reaccions mitjançant l’absorció de la llum sense ser alterats en si mateixos, abans o després de la reacció. Quan el diòxid de titani s’exposa a una font de llum, com la lum del sol o la llum fluorescent, mostra tant descomposició oxidativa com propietats superhidrofíliques, que es poden utilitzar amb eficàcia per a la desodorització, la lluita contra els bacteris, prevenint la contaminació (eliminació de NOx i VOC’s), com a antibaf, per a l’eliminació de la brutícia i l’esterilització.

La fotocatàlisi en una llamborda de formigó

En un llambordí de formigó, s’afegeix l’anatasa a la capa de desgast dels llambordins, que té aproximadament entre 4 i 10 mm de gruix. El fet que el TiO2 estigui present en tot el gruix d’aquesta capa significa que, fins i tot si existís algun desgast de la superfície, per exemple pel trànsit o la intempèrie, un nou TiO2 estaria present a la superfície per a mantenir l’activitat fotocatalítica (en contrast amb l’abrasió d’una capa de pintura o recobriment). L’ús de TiO2 en combinació amb ciment condueix a una transformació dels NOx en NO3, que s’absorbeix a la superfície a causa de l’alcalinitat del formigó. Per tant, es crea un efecte sinèrgic en la presència de la matriu de ciment, que ajuda a atrapar eficaçment els gasos reaccionants (NO i NO2) juntament amb la sal de nitrat formada. Posteriorment, el nitrat dipositat pot ser arrossegat per la pluja o rentat amb aigua. A més, aquests nitrats no representen una amenaça real per a la contaminació de les aigües freàtiques perquè les concentracions dels residus resultants són molt baixes, fins i tot per sota dels valors límit actuals per a aigües superficials i subterrànies.  

Segons l’Informe de la Qualitat de l’Aire 2015 d’Ecologistes en Acció:

• Durant l’any 2105 es va produir un increment molt notable de la incidència de la contaminació per NO₂ i per O₃ a la ciutat de Madrid, influenciat per les condicions meteorològiques imperants.
• El valor límit anual de contaminació per NO₂ per a la protecció de la salut humana està fixat en 40 microgrames per metre cúbic (µg/m³) de concentració mitjana anual. El 2015, 13 de les 24 estacions van rebregar aquest valor límit i dues més el van igualar. El 2014 van ser 6 les estacions que van superar el valor límit legal.
• La legislació europea estableix també un valor límit horari de NO2 amb la finalitat de protegir la població d’exposicions a alts nivells d’aquest contaminant, encara que sigui per períodes curts de temps. El valor límit horari per al NO₂ està establert en 200 µg/m³, ímit que no s’hauria de sobrepassar més de 18 hores a l’any. L’any 2015, 8 estacions van superar el valor límit horari de NO₂ en més de 18 ocasions. Això suposa un repunt significatiu respecte als registres d’anys anteriors, ja que el 2014 van ser 5 les estacions que van superar el valor límit horari de NO₂ mentre que el 2012 i el 2013 en van ser 3.
• Per tant, la Ciutat de Madrid ha vulnerat per sisè any consecutiu (2010-2015) els valors límit legals per a NO₂ que segons la directiva 2008/50/CE no s’havien de sobrepassar des del 2010. Al maig de 2013 la Comissió Europea va rebutjar la concessió de la pròrroga sol·licitada per l’Ajuntament de Madrid per a complir amb els valors límit de contaminació de NO₂. En aquests moments Madrid té obert un expedient d’infracció que acabarà donant lloc a una quantiosa multa.

Mesures dràstiques per a reduir la contaminació

L’elevada concentració de NOx és molt perjudicial per a la salut humana, per la qual cosa les ciutats afectades miren de reduir els elevats nivells de contaminació amb mesures cada vegada més dràstiques. Gràcies a les empreses agrupades en l’Associació Ibèrica de la Fotocatàlisi AIF  i al propi CSIC, la tecnologia fotocatalítica ha aconseguit obrir-se pas en els anys recents assolint fites representatives que puguin servir per al seu desenvolupament general en el futur. Cada vegada més administracions s’interessen per l’urbanisme de ciutats sostenibles i netes. Precisament els ajuntaments de Madrid i Barcelona, ciutats amb zones que superan els nivells permesos de NOx, som els més actius d’Espanya en l’estudi i l’aplicació de materials fotocatalítics. A Barcelona l’Ajuntament va fer un gran pas per a consolidar aquesta tecnologia en publicar l’any 2013 les “Instruccions Tècniques per a l’aplicació de criteris de sostenibilitat”. Les instruccions són l’instrument per a determinar criteris mediambientals comuns que s’han d’introduir de manera homogènia en tot l’Ajuntament en la compra i contractació de productes i serveis definits com a prioritaris. Entre ells destaquem l’ús d’àrids i altres materials de construcció que incorporen un percentatge de material reciclat i materials constructius fotocatalítics per a reduir la presència de NOx a l’aire. La primera aplicació a escala real a Barcelona es va produir el 2010 amb la pavimentació de la plaça Can Rosés amb llosa fotocatalítica al Districte de Les Corts. Altres actuacions inclouen la pavimentació amb llambordins i lloses fotocatalítiques en diversos carrers (Avinguda Diagonal, carrers adjacents al mercat de Sants i la High Line de Sants), al mur de Fabra i Puig o a la façana de l’edifici Leitat al 22@ de Pich&Aguilera Architects. També cal destacar la remodelació del Port nàutic de l’Estartit a Girona amb un total de 2000 m2 de superfície urbana descontaminant que alhora aporta el valor estètic desitjat. L’execució de la totalitat del projecte de renovació el convertirà en port de referència de la Costa Brava, model de sostenibilitat i eficiència energètica.

Normativa. Assajos de laboratori i en condicions reals.

Per a l’eliminació de NOx, la norma JIS R 1701-1:2010 és la base de la norma internacional ISO 22197-1:2007, que és la més utilitzada actualment a nivell mundial i que ha estat publicada a Espanya com a UNE-ISO 22197-1:2012. Gràcies a la intensa tasca d’investigació des de l’any 2010 de PAVINOx (Associaciónde Fabricants de Paviments Prefabricats de Formigó d’Efecte Descontaminant) juntament amb ANDECE, es va desenvolupar una versió específica d’aquesta norma per a productes prefabricats de formigó. PAVINOx, és una entitat de naturalesa privada constituïda per empreses fabricadores de paviments de formigó, amb tradició i pes al mercat espanyol, unides per al més alt desenvolupament tecnològic dels sistemes constructius d’urbanització que contribueixen positivament a la sostenibilitat i la cura del medi ambient. La norma UNE 127197-1:2013 es va publicar a Espanya el 2013 (amb versió corregida el 12-02-2014) amb el títol “Aplicació del mètode d’assaig per a avaluar el rendiment en la purificació de l’aire mitjançant materials semiconductors fotocatalítics emmarcats en productes prefabricats de formigó. Part 1: Eliminació d’òxids de nitrogen”. A més, actualment es desenvolupen en diverses ciutats espanyoles assajos sobre el comportament dels materials fotocatalítics en condicions reals (rendiment real en l’eliminació de NOx, costos de manteniment, condicions òptimes d’ús, possible generació de subproductes amb efectes adversos, etc.) en els quals també participa PAVINOx en col·laboració amb l’Ajuntament de Madrid. Aquests assajos formen part de projectes d’I+D+I subvencionats per programes de lluita contra la contaminació urbana de la UE. Dels projectes en marxa dins de la convocatòria LIFE 2013, podem destacar el LIFE PHOTOSCALING amb un pressupost d’1,7 M€ i període de vigència fins al 2019. El projecte està desenvolupat per tres organismes públics: l’Ajuntament de Madrid i l’ETS d’Enginyers Industrials de la Universitat Politècnica de Madrid com a socis i l’Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, del CSIC, com a coordinador. Aquest projecte fa un salt a escala real per a demostrar la validesa en termes d’eficiència, durabilitat i efectes no desitjats, com a manera d’aclarir els dubtes que aquesta tecnologia encara ofereix per a la seva implantació general. Estableix una metodologia a escala de planta pilot amb dos objectius: per una banda, desenvolupar instruments per a l’escalat dels processos del laboratori a l’aplicació real i, de l’altra, crear una eina de suport a la presa de decisions per a l’avaluació integral de cada solució fotocatalítica, que ajudi a implantar aquesta tecnologia a gran escala. En aquests moments el projecte es troba en la fase d’assajos, per a la qual s’ha construït a l’Institut Torroja de Madrid i en dues plataformes a escala real que inclouen bancs de prova amb lloses i provetes, on s’assagen diferents materials fotocatalítics en condicions reals simulades. Aquests materials s’han seleccionat a partir d’una convocatòria pública de l’Ajuntament de Madrid entre fabricants de productes fotocatalítics, a la qual van optar 19 empreses amb 26 productes (emulsions, lletada de ciment, lloses de formigó…) dels quals se’n van seleccionar vuit, entre ells el paviment de lloses de BREINCO. Els resultats permetran desenvolupar instruments d’avaluació i una eina de suport a la presa de decisions. L’etapa final preveu implementar en un carrer de Madrid el material considerat òptim per l’eina, la qual cosa permetrà validar-la en condicions reals.

Bibliografia:

[1] AIF, Asociación Ibérica de la Fotocatálisis,White Leaflet. 2017. [2] Renz, C. Lichtreaktionen der Oxyde des Titans, Cers und der Erdsäuren. Helv. Chim. Acta 1921, 4, 961-968 [3] Fujishima, A, Honda K. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature 1972. 238, 37-38 [4] Fujishima, A. rao, T.N. Tryk, D.A. Titanium dioxide photocatalysis. J. Photochem. Photobiol. C 2000, 1, 1-21 [5] Sopyan, I.; Watabane, M.; Murasawa, S.; Hashimoto, K.;Fujishima. A. An efficient TiO2 thin-film photocatalyst:Photocatalytic properties in gas-phase acetaldehyde degradation. J. Photochem.Photobiol. A 1996, 98, 79-86.