La contaminación del aire es uno de los mayores enemigos de las ciudades. Los niveles de toxicidad del aire que respiramos siguen siendo elevados y se cobran un importante peaje anual en términos de salud y presupuesto sanitario.
El urbanismo inteligente supondrá una revolución para modificar condiciones atmosféricas y cambiar el entorno y en esta línea la fotocatálisis contribuye a la protección del medio ambiente y a nuestro bienestar.
La fotocatálisis
A día de hoy, hay un amplio consenso entre los sectores implicados acerca del fuerte crecimiento que experimentará la industria fotocatalítica en los próximos años. De hecho, la fotocatálisis, basada en el uso de materiales semiconductores, tiene numerosas aplicaciones en campos como la mejora de la calidad del aire y las aguas, la reducción de costes de conservación y mantenimiento de edificios debido a su capacidad autolimpiante, la sanidad y el bien estar general por su efecto biocida y organoléptico, y la energía. Sin embargo, esta prometedora tecnología no es muy conocida ni por los gestores de infraestructuras públicos y privados, ni por el público general. En el campo de la contaminación ambiental, un marco legislativo más potente, con mayor regulación, que elimine del mercado los productos fraudulentos, así como un mayor conocimiento de esta tecnología por parte de los técnicos prescriptores, tendría un impacto positivo en la aplicación de la fotocatálisis.[1]
“AirClean® reduce de manera rápida y eficaz el NO2 perjudicial ( dióxido de nitrógeno) contribuyendo de esta manera a cumplir los límites establecidos.
La base de la eficacia de los pavimentos y fachadas AirClean® es la fotocatálisis: descontaminan el aire, destruyen la suciedad e impiden el crecimiento de microorganismos.
Gemma Pagès. Arquitecto Técnico. Breinco
Hormigón fotocatalítico
La purificación de aire a través de la fotocatálisis se compone de diferentes pasos: bajo la influencia de luz UV, el TiO2 fotoactivo en la superficie del material se activa. Posteriormente, los contaminantes se oxidan debido a la presencia del fotocatalizador y se precipitan sobre la superficie del material. Finalmente pueden ser limpiados de la superficie por la lluvia o por un lavado con agua.
La fotocatálisis con dióxido de titanio como catalizador es un campo en rápido desarrollo en ingeniería ambiental, ya que tiene un gran potencial para hacer frente a la creciente contaminación. Además de sus propiedades de autolimpieza, se sabe desde hace casi 100 años que el dióxido de titanio, actúa como un foto-catalizador que puede descomponer contaminantes bajo radiación UV. (4)
El impulso para el uso más extendido de los materiales fotocatalíticos TiO2, fué en 1972 cuando Fujishima y Honda (5), descubrieron la hidrólisis del agua en presencia de la luz, por medio de un ánodo de TiO2 en una celda fotoquímica. En la década de 1980, la contaminación orgánica en el agua también se descompuso mediante la adición de TiO2 y bajo la influencia de la luz UV.(6)
La aplicación de TiO2, en la fase cristalina anatasa foto-activa, como material de purificación de aire se originó en Japón en el año 1996.(7) Desde entonces, un amplio espectro de productos aparecieron en el mercado para uso en interiores, así como para aplicaciones en exteriores.
En cuanto a las emisiones del tráfico, es importante que los gases de escape permanecen en contacto con la superficie activa durante un cierto período. La configuración de la calle, la velocidad del tráfico, la velocidad y dirección del viento, todos influyen en la tasa de reducción final de los contaminantes in situ.
Aplicaciones
Los foto catalizadores, tipificados por el TiO2, se definen como sustancias que promueven reacciones mediante la absorción de la luz sin ser alterados en sí mismos, antes o después de la reacción. Cuando el dióxido de titanio se expone a una fuente de luz, como la luz del sol o luz fluorescente, muestra tanto descomposición oxidativa como propiedades superhidrofílicas, que se pueden utilizar con eficacia para la desodorización, la lucha contra las bacterias, previniendo la contaminación (eliminación de NOx y VOC’s), como anti vaho, para la eliminación de la suciedad y la esterilización.
La fotocatálisis en un adoquín de hormigón
En un adoquín de hormigón, se añade la anatasa en la capa de desgaste de los adoquines que es aproximadamente 4-10 mm de espesor. El hecho de que el TiO2 esté presente en todo el espesor de esta capa significa que incluso si existiera algún desgaste de la superficie, por ejemplo por el tráfico o la intemperie, un nuevo TiO2 estaría presente en la superficie para mantener la actividad fotocatalítica (en contraste a la abrasión de una capa de pintura o recubrimiento).
El uso de TiO2 en combinación con cemento conduce a una transformación de los NOx en NO3, que se absorbe en la superficie debido a la alcalinidad del hormigón. Por lo tanto, se crea un efecto sinérgico en la presencia de la matriz de cemento, que ayuda a atrapar eficazmente los gases reaccionantes (NO y NO2) junto con la sal de nitrato formada. Posteriormente, el nitrato depositado puede ser arrastrado por la lluvia o lavado con agua. Además, estos nitratos no representan una amenaza real para la contaminación de las aguas freáticas porque las concentraciones de los residuos resultantes son muy bajas, incluso por debajo de los valores límite actuales para aguas superficiales y subterráneas.
Según el Informe de la Calidad del Aire 2015 de Ecologistas en Acción:
- Durante el año 2105 se ha producido un incremento muy notable de la incidencia de la contaminación por NO2 y por O3 en la ciudad de Madrid, influenciado por las condiciones meteorológicas imperantes.
- El valor límite anual de contaminación por NO2 para la protección de la salud humana está fijado en 40 microgramos por metro cúbico (µg/m3) de concentración media anual. En 2015, 13 de las 24 estaciones rebasaron este valor límite y dos más lo igualaron. En 2014 fueron 6 las estaciones que superaron el valor límite legal.
- La legislación europea establece también un valor límite horario de NO2 con el fin de proteger a la población de exposiciones a altos niveles de este contaminante, aunque sea por cortos periodos de tiempo. El valor límite horario para el NO2 está establecido en 200 µg/m3, límite que no debería rebasarse más de 18 horas al año. En el año 2015, 8 estaciones rebasaron el valor límite horario de NO2 en más de 18 ocasiones. Esto supone un repunte significativo respecto a los registros de años anteriores, ya que en 2014 fueron 5 las estaciones que rebasaron el valor límite horario de NO2 mientras que en 2012 y 2013 fueron 3.
- Por tanto la Ciudad de Madrid ha vulnerado por sexto año consecutivo (2010-2015) los valores límite legales para NO2 que según la directiva 2008/50/CE no debían sobrepasarse desde 2010. En mayo de 2013 la Comisión europea rechazó la concesión de la prórroga solicitada por el Ayuntamiento de Madrid para cumplir con los valores límite de contaminación de NO2. En estos momentos Madrid tiene abierto un expediente de infracción que terminará por dar lugar a una cuantiosa multa.
Medidas drásticas para reducir la contaminación
La elevada concentración de NOx es muy perjudicial para la salud humana, por lo que las ciudades afectadas tratan de reducir los elevados niveles de contaminación con medidas cada vez más drásticas.
Gracias a las empresas agrupadas en la Asociación Ibérica de a Fotocatálisis AIF y al propio CSIC, la tecnología fotocatalítica ha conseguido abrirse paso en los años recientes logrando hitos representativos que puedan servir para su desarrollo general en el futuro.
Cada vez más administraciones se interesan por el urbanismo de ciudades sostenibles y limpias. Precisamente los ayuntamientos de Madrid y Barcelona, ciudades con zonas que superan los niveles permitidos de NOx, son los más activos de España en el estudio y aplicación de materiales fotocatalíticos.
En Barcelona el Ayuntamiento dio un gran paso para consolidar esta tecnología al publicar el año 2013 las “Instrucciones Técnicas para la aplicación de criterios de sostenibilidad”. Las instrucciones son el instrumento para determinar criterios medioambientales comunes que se deben introducir de manera homogénea en todo el Ayuntamiento en la compra y contratación de productos y servicios definidos como prioritarios. Entre ellos destacamos el uso de áridos y otros materiales de construcción que incorporan un porcentaje de material reciclado y materiales constructivos fotocatalíticos para reducir la presencia de NOx en el aire.
La primera aplicación a escala real en Barcelona se produjo en 2010 con la pavimentación de la plaza Can Rosés con losa fotocatalítica en el Distrito de Les Corts. Otras actuaciones incluyen la pavimentación con adoquines y losas fotocatalíticas en varias calles ( Avenida Diagonal, calles adyacentes al mercado de Sants y la High Line de Sants ), en el muro de Fabra y Puig o en la fachada del edificio Leitat en el 22@ de Pich&Aguilera Architects.
También destacar la remodelación del Puerto náutico de l’Estartit en Gerona con un total de 2000 m2 de superficie urbana descontaminante que a la vez aporta el valor estético deseado. La ejecución de la totalidad del proyecto de renovación lo convertirá en puerto de referencia de la Costa Brava, modelo de sostenibilidad y eficiencia energética.
Normativa. Ensayos de laboratorio y en condiciones reales.
Para la eliminación de NOx, la norma JIS R 1701-1:2010 es la base de la norma internacional ISO 22197-1:2007, que es la más utilizada en la actualidad a nivel mundial y que ha sido publicada en España como UNE-ISO 22197-1:2012.
Gracias a la intensa labor de investigación desde el año 2010 de PAVINOx (Asociación de Fabricantes de Pavimentos Prefabricados de Hormigón de Efecto Descontaminante) junto con ANDECE, se desarrolló una versión específica de esta norma para productos prefabricados de hormigón.
PAVINOx, es una entidad de naturaleza privada constituida por empresas fabricantes de pavimentos de hormigón, con tradición y peso en el mercado español, unidos para el más alto desarrollo tecnológico de los sistemas constructivos de urbanización que contribuyen positivamente a la sostenibilidad y cuidado del medio ambiente.
La norma UNE 127197-1:2013 se publicó en España en 2013 (con versión corregida en 2014-02-12) con el título “Aplicación del método de ensayo para evaluar el rendimiento en la purificación del aire mediante materiales semiconductores fotocatalíticos embebidos en productos prefabricados de hormigón. Parte 1: Eliminación de óxidos de nitrógeno”.
Además actualmente se desarrollan en varias ciudades españolas, ensayos sobre el comportamiento de los materiales fotocatalíticos en condiciones reales (rendimiento real en la eliminación de NOx, costes de mantenimiento, condiciones óptimas de uso, posible generación de subproductos con efectos adversos, etc.) en los cuales también participa PAVINOx en colaboración con el Ayuntamiento de Madrid. Estos ensayos forman parte de proyectos de I+D+I subvencionados por programas de lucha contra la contaminación urbana de la UE.
De los proyectos en marcha dentro de la convocatoria LIFE 2013, podemos destacar el LIFE PHOTOSCALING con un presupuesto de 1,7 M€ y periodo de vigencia hasta 2019.El proyecto está desarrollado por tres organismos públicos: el Ayuntamiento de Madrid y ETS de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid como socios y el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, del CSIC, como coordinador.
Este proyecto dá un salto a escala real para demostrar la validez en términos de eficiencia, durabilidad y efectos no deseados, como forma de despejar las dudas que esta tecnología aún ofrece para su implantación general. Establece una metodología a escala de planta piloto con dos objetivos: por un lado desarrollar instrumentos para el escalado de los procesos del laboratorio a la aplicación real y, por otro, crear una herramienta de apoyo a la toma de decisiones para la evaluación integral de cada solución fotocatalitica, que ayude a implantar esta tecnología a gran escala.
En estos momentos el proyecto se encuentra en la fase de ensayos, para la cual se ha construido en el Instituto Torroja de Madrid y en dos plataformas a escala real que incluyen bancos de prueba con losas y probetas, donde se ensayan diferentes materiales fotocatáliticos en condiciones reales simuladas. Estos materiales se han seleccionado a partir de una convocatoria pública del Ayuntamiento de Madrid entre fabricantes de productos fotocatáliticos, a la cual optaron 19 empresas con 26 productos (emulsiones, lechada de cemento, losas de hormigón..) de los que se seleccionaron ocho, entre ellos el pavimento de losas de BREINCO. Los resultados permitirán desarrollar instrumentos de evaluación y una herramienta de soporte a la toma de decisiones. La etapa final prevé implementar en una calle de Madrid el material considerado óptimo por la herramienta, lo que permitirá validarla en condiciones reales.
Bibliografía:
[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.