Sviluppo dei mattoni idroassorbenti con l`eliminazione dei NOx

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In natura gli alberi hanno la capacità di eliminare l’inquinamento, assorbono diossido di carbonio e
rilasciano ossigeno, processo conosciuto come fotosintesi clorofilliana, oltre ad assorbire molti inquinanti
presenti nell’atmosfera. Il nostro studio è rivolto a capire quanto gli alberi possano assorbire in termini di
chilogrammi annui, rispetto a quanto diossido di titanio debba essere applicato su un substrato
cementizio o bituminoso (catrame). Da studi eseguiti in associazioni ambientali possiamo con certezza
affermare che 3 km di viale alberato a destra e sinistra di una strada, fatta di alberi ad alto fusto ultra
cinquantennali, in numero di 800 alberi, si estendono per una superficie di 30.000 m2.
Ipotizziamo di dover ricoprire con diossido di titanio liquido la stessa superficie, in pavimentazione per
esempio, sul lato destro e sinistro di una strada, ed ipotizzando che tutti gli NOx siano NO2, possiamo
con certezza affermare che:
-
1 mt2 di pavimentazione cementizia ricoperta con diossido di titanio liquido elimina 1,5 mmol di
NO2 in 12 ore
1,5 mmol di NO2 = 0,069 g. di NO2, in un anno l’eliminazione totale di NO2 sarà di 755 kg.
( 365gg x 30.000 mt2 x 0,069 g.= 755.550 g)
3 km. di viale alberato eliminano 670 kg. annui di NOx.
Dallo studio emerge che utilizzando il
diossido di titanio liquido sulla stessa
superficie adibita a viale alberato, composta
da 800 alberi, eliminiamo in più il 10% di
inquinamento dovuto agli NO2. Un’altra
osservazione: durante il periodo invernale
gli alberi sono spogli dalle foglie, perciò la
fotosintesi clorofilliana non avviene con gli
stessi parametri del periodo estivo, mentre
la pavimentazione fotocatalitica agisce
anche nel periodo invernale.
Analizziamo
ora
il
rapporto
tra
l’inquinamento dovuto al traffico veicolare e
l’effettiva eliminazione degli NOx del
diossido di titanio liquido.
Rapporto di elimianazione NO
10
9
Nox rimossi (mmol/ m2 x 12 ore
-
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0,01
0,1
1
10
NO concentrazione (ppm)
Questa analisi nasce dallo studio delle emissioni dovute alla combustione di benzine di un automobile.
Possiamo affermare che in media un’automobile percorrendo 1 km. emette nell’atmosfera 0,25 g. di NOx.
Il dato che interessa al nostro studio è la quantità di molecole che 0,25 g. producono. L’equivalente di
0,25 g. è di 8,3 mmol (milioni di molecole) per 1 km. percorso. Se i lati di una carreggiata, o i
marciapiedi, fossero rivestiti con diossido di titanio liquido per 2,5 mt. su entrambi i lati di una
carreggiata quindi per un totale di 5 mt., e per 1 km. in lunghezza, in realtà 5.000 mt2, potremo
affermare che:
-
Il totale della ricopertura sia di 5.000 mt2
Se 1 mt2 di pavimentazione ricoperta con diossido di titanio liquido elimina 1,5 mmol, in 12 ore,
il totale delle molecole eliminate dalla pavimentazione è di 7.500 mmol in 12 ore.
Dividendo 7.500 mmol con 8,3 mmol prodotte da un’automobile, otteniamo 903, che corrisponde
all’inquinamento eliminato dalla pavimentazione fotocatalitica in 12 ore da 903 automobili.
Se su quella stessa strada passano 9.000 automobili, avremo eliminato comunque l’inquinamento
del 10%.
Il rapporto tra intensità dei raggi UV e l’attivazione del diossido di titanio liquido può essere evidenziata
nel grafico.
Sappiamo di poter eliminare 1,5 mmol/m2 in
12 ore, considerando l’intensità dei raggi UV
espressa in Watt /m2 pari o maggiore a 6
W/m2. In una grigia giornata di inverno
abbiamo l’intensità di UV di gran lunga
superiore a 6 W/m2. Affinché un elettrone
dalla banda di valenza sia promosso alla
banda di conduzione, abbiamo la necessità di
luce UV con frazione di raggio >=388
nanometri. Se questo materiale e irradiato
con fotoni di un energia >3,2 eV, la distanza
di banda viene superato e un elettrone viene
promosso dalla banda di valenza alla banda di
conduzione. Nei semiconduttori una parte di
queste coppie di elettroni - lacuna foto
eccitate, si diffondono sulla superficie della
particella catalitica (le coppie elettroni - lacune sono intrappolate sulla superficie) e prendono parte alla
reazione chimica con molecole del donatore assorbito (D) o accettore (A).
Le lacune possono ossidare le molecole del donatore D + h
→ D●
la dove gli elettroni della
banda di conduzione possono ridurre le molecole dell'accettore di elettrone appropriato A + еˉ → A●ˉ.
Un aspetto caratteristico degli ossidi di metallo semiconduttori è il forte potere di ossidazione delle loro
lacune h+.
Essi possono reagire in una fase di ossidazione ad un solo
elettrone con l'acqua H₂O + h
→ ●OH + H
per produrre il
radicale idrossidi altamente reattivo (●OH). Sia le lacune che i
radicali idrossidi sono ossidanti molto potenti che vengono
prodotti per ossidare la maggior parte dei contaminanti organici.
In generale l'ossigeno dell'aria agisce da accettore di elettrone O₂
+ еˉ → O²●
formando lo ione superossido O ₂ ●ˉ. Ioni
superossidi sono particelle altamente reattive, che sono in grado
di ossidare materiali organici.
Sviluppo dei mattoni idroassorbenti con l’eliminazione
degli NOx
Si sa bene che, irradiando con luce ultravioletta il
titanium, esso mostra una forte proprietà di ossidazione,
che permette reazioni come la decomposizione di
materiali
organici,
la
deodorazione,
così
come
l’eliminazione dell’ossidazione dell’ossido di idrogeno
(NOx) nell’atmosfera. Si è tentato di eliminare l’ NOx dai
gas di scarico delle automobili facendo aderire il
Titanium sulle superfici del cemento o guardrail lungo la
strada. In questo studio il Titanium era rafforzato dalle
parti vuote dei mattoni idrorepellenti che erano composti
da particelle di grana grossa unite alle pozzanghere della
strada, in modo da dare ai NOx la proprietà di trattenere
la penetrabilità. Dopo aver verificato l’eliminazione dei
NOx sperimentalmente, l’eliminazione dell’effetto dei
NOx
sulle
strade
fu
calcolato
simulando
il
comportamento della diffusione atmosferica dove i NOx
vennero a contatto con il Titanium sulla superficie dei mattoni idroassorbenti.
Procedura del test.
Mettere il mattone idroassorbente fotocatalizzato
con il Titanium in una scatola per esperimenti di
laboratorio. Inviare aria contaminata con gas NO
all’interno della scatola: Irradiare la superficie del
mattone con una lampada ultravioletta. ( 0,6
mW/cm2 ). Velocità dell’aria 3,0 l/s. RH 50%. La
concentrazione del gas NO fu misurata all’uscita
dalla scatola per controllare la percentuale di
eliminazione
del
gas,
con
apposita
strumentazione.
Lampada UV 10 Watt
NO
Strumento
di misura
gas NO
Blo c c o d i c e m e nto
p e rm e a bile
Risultato del test
L’aria contaminata con il gas NO (1
ppm) fu mandata sulla superficie del
mattone. La concentrazione del gas
NO non diminuì finché fu irradiata
dalla luce ultravioletta.
La concentrazione del gas NO sulla
superficie
del
mattone
improvvisamente si abbassò dopo che
fu accesa la luce UV, fino a
raggiungere valori vicino lo zero.
NO concentrazione
(ppm) all’uscita
BOX
Start
Lampada
UV
1.0
Stop
Lampada
UV
0.5
Ore 0
5
10
15
20
25
30
Immissione
gas NO
Test di rimozione NO
1.000 ore = 3 anni
100
% di rimozione dei Gas NO
Durabilità
E’ stata usata la pioggia artificiale per testare la
durabilità
del
mattone
idroassorbente
fotocatalizzato con il Titanium. E’ stato provato
che l’eliminazione dei gas NO dura più di 5 anni.
80
60
40
20
0
Anni 0
1
2
3
4
5
Le molecole del Titanium, aderiscono alla superficie delle particelle a grana grossa del cemento, e si
insediano nelle intercapedini più basse del substrato.
100
% della rimozione degli NO dopo
che la superficie è stata consumata
89,1%
% di efficienza
60
40
20
0
CONDIZIONE INIZIALE
80
86,4 %
2 mm DOPO IL LOGORIO
La superficie del mattone gradualmente si logora all’uso.
L’efficacia di riduzione del gas NO viene misurata dopo che
la superficie è stata consumata di 2 mm. È stato
dimostrato che il mattone idroassorbente con il Titanium
può ancora decomporre più dell’85 % di gas NO.
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