CEMENTO FOTOCATALÍTICO

DWIGHT ROBERTO ACOSTA NAJARRO HUMBERTO AVILA GARCIA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO INSTITUTO DE FISICA dacosta@fisica.unam.mx Nuevas Tecnologías en la Industria de la Construcción, CMIC, CDMX, 31/10/18

*Versión Preliminar 1

Indice de la Presentaciรณn

-CONTAMINACION AMBIENTAL -FOTOCATALISIS -CEMENTO y OXIDO DE TITANIO

-ECOMATERIALES IFUNAM -CEMENTO FOTOCATALITICO 31/10/18

-RESULTADOS y CONCLUSIONES

Los principales problemas globales del Medio ambiente El cambio climático.  El efecto invernadero.  El agujero de la capa de ozono.  La acidificación del suelo y el agua.  La contaminación de las aguas.  La contaminación de los suelos.  Los residuos urbanos.  Los residuos industriales.

Source: R.Smalley , DOE, Nano-summit Nano-scale  Los residuos sanitarios. science and our energy future, 2002  Los residuos agrícolas y ganaderos .  El deterioro del medio natural.  La pérdida de la biodiversidad en el mundo.  El agotamiento y contaminación de los recursos hídricos.  La deforestación y desertificación.

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FUENTES PRINCIPALES DE INFORMACIÓN PARA LA PRESENTACIÓN

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¿Por qué se realizó este proyecto de investigación?

• Tener mayores alternativas en la construcción sustentable • .

 Demostrar la eficiencia de los materiales fotocatalíticos en el ramo de la construcción.

 Dar mayores alternativas a las entidades gubernamentales, para mitigar la contaminación atmosférica.

Introducción La globalización y el incremento acelerado de la población en la ZMVM, ha generado el aumento de emisión de agentes contaminantes a la atmósfera, siendo uno de los principales problemas el deterioro a la salud de los habitantes de estas urbes; a su vez estos contaminantes provocan la aparición de manchas superficiales en las fachadas de las edificaciones urbanas, generando un mal aspecto de las mismas o en casos extremos deteriorando las estructuras reduciendo su vida útil.

ECO-MATERIALES CONDUCTORES TRANSPARENTES Y SUS APLICACIONES EN AHORRO DE ENERGIA Y REMEDIACION AMBIENTAL

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Oxido Conductor Transparente

El aumento de la emisión de gases contaminantes en la ZMVM ha generado que los gobiernos de estas entidades tomen medidas preventivas para disminuir dichas emisiones a la atmósfera con el fin de mitigar la contaminación en la ZMVM, entre las que se encuentran: • Programa DOBLE HOY NO CIRCULA. • Ajuste más estricto al PROGRAMA DE VERIFICACIÓN VEHICULAR.

Estas medidas precautorias no son suficientes para mitigar la contaminación en la ZMVM, ya que dichas medidas están a expensas de otros factores externos que obstruyen su correcta implementación, entre las cuales se encuentran la corrupción, la falta de transporte público y la delincuencia, impidiendo que la población de dicha urbe busque otras formas de movilidad como es el uso del transporte público.

Contaminación atmosférica Se entiende como contaminación atmosférica a la presencia en la atmósfera de sustancias en una cantidad relevante que crean daños,molestias y riesgo para la salud de las personas y ataca al ecosistema y a distintos materiales.

Contaminación atmosférica

origen Principales emisiones

Óxidos de nitrógeno (NOx) Dióxido de azufre (SO2) Compuestos orgánicos volátiles (COV) Partículas suspendidas

Efectos de la contaminación atmosférica El aumento de la contaminación del aire y los efectos nocivos que produce al ser humano, plantas y animales, ha ocasionado que este tema se convierta en una de las principales preocupaciones de la salud pública en muchas ciudades de América Latina y el Caribe, donde las concentraciones de partículas y de otros contaminantes exceden las normas nacionales de calidad del aire, ya que la exposición a los tipos y concentraciones de contaminantes que frecuentemente se encuentran en las zonas urbanas se ha relacionado con un aumento de riesgo de mortalidad y morbilidad.

URBAN ENVIRONMENTAL PROBLEMS

Major Environmental Problems at Urban Scale

Calidad de aire urbano: 1. El problema medioambiental, sanitario y económico 2.Fundamentos de la fotocatálisis heterogénea Definiciones Mecanismos -NOx -COVs -Autolimpieza -Superhidrofilia 31/10/18

1. Calidad de aire urbano: El problema medioambiental, sanitario y económico … EL PROBLEMA ECONÓMICO Suciedad de edificios y monumentos:

Cambios en el aspecto y color original – Problema estético Elevados costes de limpieza anual

Interior de edificios

Síndrome del edificio enfermo

Menor productividad de los empleados (20% de bajas laborables)

… Problema económico y sanitario….

Calidad de aire urbano: problema medioambiental, sanitario y económico … EL PROBLEMA MEDIOAMBIENTAL En febrero de 2007, el grupo de expertos de Naciones Unidas para el estudio del cambio climático declaró que la evidencia de una tendencia al calentamiento era “inequívoca”

Este hecho ha impulsado el desarrollo de nuevas tecnologías tendentes a reducir la cantidad de gases invernadero, centrado fundamentalmente en las emisiones de CO2. Sin embargo, en la atmósfera hay otros gases con efecto invernadero, siendo los más importantes: vapor de agua, metano, NOx, ozono y otros VOCs. … EL PROBLEMA SANITARIO 90 % de la población urbana de la UE esta expuesta a concentraciones de contaminantes que la OMS considera perjudiciales para la salud.

La contaminación actual provoca una reducción de la esperanza de vida en 8,6 meses por persona.

La contaminación del aire mató aproximadamente a 7 millones de personas en 2012 en el mundo.

El GWP (potencial de calentamiento global del NOx es 300 veces superior al del CO2)

Efectos de la contaminación atmosférica El principal efecto de la contaminación atmosférica en las edificaciones, monumentos históricos y vialidades es el ensuciamiento, el cual es el depósito y la acumulación de partículas y substancias contenidas en el aire atmosférico tanto en la superficie exterior de la fachada como en el interior de los poros de la misma.

El ensuciamiento, tiene importantes repercusiones a nivel social, produciendo daños irreparables que provocan pérdidas de parte de nuestra historia; llevando consigo un costo económico importante al generar una disminución del valor patrimonial del edificio y ocasionar gastos elevados de mantenimiento.

Contaminación atmosférica en la ZMVM En los últimos años la concentración de contaminantes atmosféricos ha comenzado a aumentar, siendo el ozono el principal contaminante responsable del deterioro de la calidad del aire, el cual es resultado de la reacción química entre óxidos de nitrógeno (NOX), monóxido de carbono (CO) y compuestos orgánicos volátiles (COV). Siendo los vehículos a gasolina los que tienen una contribución muy importante en la emisión primaria de los precursores de ozono,

Building Deterioration

Air Quality¡¡

Hong Kong ( Smog Sobre Bogotá (Colombia)

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Medellin Mala Calidad del Aire (Colombia

Halle (Germany)

Si no se interviene pronto para BLOQUEAR, REDUCIR O ELIMINAR la generación de estas sustancias químicas, las consecuencias podrían ser graves y fatales sobre todo 31/10/18 para la actividad biológica en el planeta

LLUVIA LLUVIA ACIDA ACIDA

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EFECTO INVERNADERO

AGUJERO DE OZONO

NIVEL DEL MAR

EFECTO FAVORECIENDO EL DESARROLLO DE LA VIDA EN LOS ULTIMOS 100,000 (-180) AÑOS

EFECTO FAVORECIENDO LA DESTRUCCION DE LA VIDA EN LOS ULTIMOS 180 AÑOS

Efectos Econรณmicos

Efectos Socio Culturales

Efectos Sobre el medio natural

Efectos Tecnologicos Efectos Sobre la salud 31/10/18

Building is Going Balistic!

The relative impact of the built environment is rising as the East catches up with the West!

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Source of graphic: Rick Fedrizzi SMB 2007

Clean Air Institute (2012)

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!!!!We Kill The World ¡¡¡by Boney M. Lyrics (..1980 decade famous song...)

¡¡…don't kill the world…!!

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…Don't kill the world , don't let her down.

Do not destroy basic ground.

Don't kill the world our means of life.

Lend ear to nature's cry.

Don't kill the world She's all we have, And surely is worth to save.

Don't let fighthelp for her kill her thedie, world trees, survive And she'llrobs reward with Pollution air toyou breathe. life And don't just talk, Go on and do the one,who wins is you.

Cherish the world, A present from God On behalf of all creatures

Is the glass Half Empty or Half full?

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..I agree¡¡

TITANIUM DIOXIDE PHOTOCATALYSIS

Akira Fujishima - Japan (1942 - ….)

DEFINITION ECO-MATERIALS CONCEPT WAS PROPOSED BY PROFESSOR YAMAMOTO AND HIS COLLEAGUES IN 1991: THEY ARE THOSE DESIGNED

BY ENVIRONMENTAL LIFE CYCLE ENGINEERING AND SUPERIOR TO CONVENTIONAL MATERIALS IN TERM OF LCA. (LIFE CYCLE ASSESMENT)

Nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2)

LABORATORIO DE PELÍCULAS DELGADAS DEL IFUNAM

FOTOREACTOR

EDIFICIO PRINCIPAL, PRIMER PISO, AMBIENTE No. 15

SOL GEL

Fotocatálisis El proceso fotocatalítico es similar a la fotosíntesis en las plantas, en el que la clorofila actúa como un catalizador para producir oxígeno a partir de dióxido de carbono y agua.

Entendiéndose como fotocatalizador una sustancia semiconductora que puede ser activada químicamente por radiación luminosa que da como resultado una reacción de oxidación-reducción (redox).

La fotocatálisis se puede definir como una reacción de oxidación que se produce cuando la radiación solar activa un catalizador (TiO2); propiciando la descomposición y eliminación de los contaminantes adsorbidos y evitando la acumulación de especies o partículas indeseables en el material base.

Fotocatálisis • Un factor primordial para que ocurra el proceso fotocatalítico, es la presencia de una fuente luminosa ya sea natural o artificial, con el fin de degradar contaminantes orgánicos y otros compuestos inorgánicos tales como NOx. • En el caso del TiO2 la longitud de onda requerida • para que se lleve a cabo el proceso fotocatalítico es de λ<390 nm, la cual está muy cercana a la luz ultravioleta (400 nm ≤ λ ≤100nm).

La radiación solar ultravioleta (UV) se refiere a la radiación emitida por el sol con una longitud de onda (λ) entre 100 y 400 nanómetros.

•Radiación UV-C: comprendida entre los 100 a 280 nm. La capa de ozono y la atmósfera la absorbe en su totalidad.

•Radiación UV-B: comprendida entre los 280 y 315 nm. Parte de ella penetra en la tierra.

•Radiación UV-A: comprendida entre los 315 y 400 nm. El 90% de la radiación que llega a nosotros es de este tipo.

TiO2 ● TiO2 powder

●

●

Anatase

Rutile

●

Brookite

dipole moment: 6.7D

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Principle of photocatalysis of TiO2

â&#x2014;? Schematic of the photocatalysis reaction of the surface of TiO2

http://www.purico.pl

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• Índice de refracción 2.7 • Químicamente inerte • No tóxico • Durabilidad • Brillo

TiO2 in Building Materials UV-A

NO and NO2

=

AIR PURIFICATION

La fotocatĂĄlisis (3) Las especies residentes generadas sobre la superficie pueden: 1. Destruir contaminantes

2. Dar lugar a superficies superhidrofĂ­licas

Estos dos procesos dan lugar a la propiedad de Auto-limpieza

Aplicaciones de la fotocatรกlisis (3) Purificaciรณn de aguas MB test (JIS 1703-2:2007 or DIN52980) UV lamp of 20W with peak intensity at 351nm Irradiation on the sample 1mW.cm-2 Lamp support with adjustable height Ultraviolet lamp

Radiometer Test cell

sensor

Test support with adjustable height

Dra. Yolanda de Miguel, TECNALIA

Aplicaciones de la fotocatálisis (4) Auto-limpieza / Anti-vaho

La superficie fotocatalítica por un lado destruye la suciedad y por otro forma una fina película superhidrófila sobre la cual las gotas de agua no se depositan. Tiene por lo tanto propiedades de auto-limpieza y de anti-vaho al mismo tiempo.

60

Contact angle (º)

50

40

30

20

10

time (min) P25 TiO2 hybrid coating TiO2-less coating

0 0 47 50

10

20

30

40

30

21

21

11

4

5

9

8

5

6

7

5

53

51

50

53

50

54

60

54

70

57

80

56

90

56

100

54

110

55

120

55

Productos fotocatalíticos APLICACIONES •Superficies Anti-Bacteria (p. ej. uso en hospitales, etc.)

•Purificación de Aguas •Auto-limpieza / Anti-vaho •Purificación de Aire (NOx, VOCs)

1.1 μm

300 nm

Aplicaciones de la fotocatálisis (5) Purificación de aire: VOCs (acetaldehido), NOx

Misericordia Church, Roma (2003)

Musique et des Beaux Arts à Chambéry (2000) Sensor hum edad Sensor dede humedad

Aire purificado

Lámpara de UV

Placa de vidrio 5 mm 5 mm

1,1

Lámpara de UV

Acetaldehído contenido en N2 Ac etaldehído c ontenido en N 2 (A) Entrada de gas

Ventilación Ventilación

Aire purificado

(A) Salida de gas

Entrada de gas

Plac a de vidrio

Salida de gas

frente Vista de Vista de frente Separador de altura

Recubrimiento (50 x 100 mm)

Separador de altura

concentración de NOx (ppm)

Controlador del Controlador del flujo de masa flujo de masa

Private buildings close to Bergamo (1997-1998)

0,9

Recubrimiento (50 x 100 mm )

NO NOX

arriba Vista desde Vista desde arriba (B) (B)

0,7 0

1

2

3

tiempo de irradiación (h)

4

5

PHOTOCATALYTIC CEMENTITIOUS MATERIALS

Cassar et al. (2003) Rome (Italy)

Ostend (Belgium)

Cassar et al. (2003) Rome (Italy)

Ostend (Belgium)

SELF-CLEANING PROJECTS

TIO2 PHOTOCATALYSIS: HYDROPHILICITY

UV-A TiO2 crystal

TiO2 crystal Amphiphilicity Hydrophobic Hydrophobi Nanoscale

Rutile (110) – [001]

=

c Hydrophilic Nanoscale Rutile (110) – [001]

Glass coated with TiO2 after UV-A irradiation

Glass coated with TiO2 before UV-A irradiation

Microscale

Hydrophobic

Microscale

Hydrophilic

Wang et al. (1997)

SELF-CLEANING

TIO2 PHOTOCATALYSIS: HYDROPHILICITY

UV-A

=

SELF-CLEANING