Χρήση φωτοκαταλυτικού τσιμέντου για την ανάπτυξη αυτοκαθαριζόμενων υλικών με εφαρμογές στην οικοδομική

Abstract

Τα τελευταία χρόνια λόγω των δυσμενών περιβαλλοντικών φαινομένων που έχουν ως αποτέλεσμα σοβαρά βραχυπρόθεσμα ή μακροπρόθεσμα προβλήματα στην ανθρώπινη υγεία, το ενδιαφέρον των ερευνητών έχει στραφεί προς την ανεύρεση αποτελεσματικών μεθόδων περιβαλλοντικής αποκατάστασης και εύρεσης νέων υλικών που θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν υλικά ευρέως χρησιμοποιούμενα, τα οποία δεν θα επιβαρύνουν, θα είναι φιλικά προς το περιβάλλον και επιπλέον θα επιδρούν θετικά ως προς την αποκατάσταση ενός καθαρού περιβάλλοντος. Στα πλαίσια της προσπάθειας αυτής, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η μελέτη και εφαρμογή προχωρημένων τεχνολογιών κατάλυσης υπό την επίδραση φωτεινής ακτινοβολίας, γνωστές με τον όρο φωτοκατάλυση. Η ανάπτυξη και εφαρμογή φωτοκαταλυτικών υλικών στον κατασκευαστικό τομέα θα μπορούσε να συντελέσει στην αποκατάσταση ενός πιο καθαρού αστικού περιβάλλοντος, εφόσον με τον τρόπο αυτό μπορεί να επιτευχθεί μείωση της συγκέντρωσης ενός μεγάλου αριθμού οργανικών και ανόργανων ρύπων στον αέρα αλλά και παθογόνων οργανισμών. Ανάμεσα στους φωτοκαταλύτες που έχουν μελετηθεί, το διοξείδιο του Τιτανίου -ΤiΟ2, παρουσιάζει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον εξαιτίας των πολλών πλεονεκτημάτων έναντι των υπολοίπων ημιαγωγών και της προοπτικής έρευνας και ανάπτυξης της χημείας του υλικού οι οποίες φαίνεται να είναι πολύ μεγάλες. Στην παρούσα εργασία γίνεται χρήση φωτοκαταλυτικού τσιμέντου για την ανάπτυξη αυτοκαθαριζόμενων υλικών με εφαρμογές στην οικοδομική. Συγκρίνονται είδη τσιμεντοκονιαμάτων με συνδυασμένη χρήση φωτοκαταλυτικού και απλού – μη φωτοκαταλυτικού- τσιμέντου σε μια προσπάθεια βελτιστοποίησης του ποσοστού φωτοκαταλυτικού τσιμέντου στο δείγμα, έτσι ώστε το ποσοστό αυτό να είναι μειωμένο χωρίς το τσιμεντοκονίαμα να χάνει τις επιθυμητές ιδιότητες. Κάτι τέτοιο θα μπορούσε να μειώσει το τελικό κόστος του υλικού για την χρήση του στις οικοδομικές κατασκευές κυρίως των επιχρισμάτων, που είναι εκτεθειμένα στις εξωτερικές συνθήκες, καθώς το φωτοκαταλυτικό τσιμέντο είναι αρκετά πιο ακριβό από το απλό – μη φωτοκαταλυτικό- τσιμέντο. Ακόμη μελετήθηκε η μηχανική συμπεριφορά των δοκιμίων με την διαφορετική σύσταση σε φωτοκαταλυτικό τσιμέντο, ώστε να φανεί πώς και αν επιδρά η προσθήκη ΤiΟ2 στην μηχανική αντοχή του τσιμέντου. Αυτό πραγματοποιήθηκε υποβάλλοντας τα δοκίμια σε δοκιμή αντοχής σε θλίψη σD. Για το σκοπό αυτό δημιουργήθηκαν 9 διαφορετικά είδη τσιμεντοκονιάματος, τα οποία διαφέρουν μεταξύ τους μόνο ως προς το είδος του τσιμέντου ή την αναλογία απλού τσιμέντου με φωτοκαταλυτικό. Τα τσιμέντα που χρησιμοποιήθηκαν είναι το απλό - μη φωτοκαταλυτικό γκρι τσιμέντο, λευκό φωτοκαταλυτικό τσιμέντο και το γκρι φωτοκαταλυτικό. Ο προσδιορισμός της φωτοκαταλυτικής ιδιότητας των τσιμεντοκονιαμάτων έγινε με βάση τον ιταλικό κανονισμό UNI 11259. Συγκεκριμένα εφαρμόστηκε η μέθοδος “δοκιμής Ροδαμίνης” (Rhodamine test). Επιπλέον μελετήθηκε η χημική και φυσική σύσταση των δειγμάτων που παρασκευάστηκαν όπως και των πρώτων υλών που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή τους, με την χρήση των παρακάτω φασματοσκοπικών μεθόδων, Φασματοσκοπία Υπερύθρου (Infrared Spectroscopy, IR), Φασματοσκοπία RAMAN (Raman spectroscopy), Υπεριώδης και Ορατή Φασματοσκοπία (Ultraviolet–visible spectroscopy, UV-VIS).

Nowadays, due to anthropogenic environmental degradation that causes serious short or long range problems in public health, scientific interest focuses on the development of efficient methods of environmental restoration and the discovery of pioneering materials that could replace existing materials used worldwide. New materials should not be harmful, but friendly to the surroundings, as well as positively contributing to the restoration of a healthy living environment. In this context, the study and application of sophisticated technology of catalysis under the effect of light radiation, known as photocatalysis, is of special interest. The application of photocatalytic materials in the field of construction could be conducive to the restoration of a healthier urban environment, under the condition that it achieves reduction of the concentration of a large number of organic and inorganic harmful pollutants of city air. Among the photocatalysts that have been studied, Titaniun Dioxide –TiO2 arouses the strongest interest, because of its many advantages when compared to other semiconductors as well as the great perspectives revealed in the fields of research and evolvement of the chemistry of the element. In the present thesis, an effort has been made to study TiO2-embedded photocatalytic cement and the interaction between it and non-photocatalytic cement, regarding the preservation of photocatalytic properties. In addition, it has been attempted to find a borderline percentage in the mixture of photocatalytic and non-photocatalytic cement, in the bounds of which mortar cement would sustain its photocatalytic properties as well as structural equability. A mortar cement as such, would reduce the final cost of building material like coating material, that is exposed to external conditions, as photocatalytic cement is more expensive than plain non-photocatalytic cement. Moreover, the mechanical behavior of samples with varying mixture proportions of photocatalytic cement has been researched, as to show how and whether the addition of TiO2 has an effect on the mechanical strength of the construction material. This experiment was conducted by submission of the samples to compressive strength test σD. For this purpose, mixtures of mortar cement were made with different proportions of three kinds of cement; white photocatalytic cement, grey photocatalytic cement, plain –non photocatalytic cement. The definition of the photocatalytic property of mortar cement was achieved in accordance to the Italian regulation UNI 11259; namely, the Rhodamine test was applied. Finally, the chemical and physical properties of the samples constructed and of the raw materials used for their construction has been studied. This experiment was conducted with the use of spectroscopic techniques, such as Infrared Spectroscopy - IR, Raman spectroscopy and Ultraviolet–visible spectroscopy - UV-VIS.