بتن خودتمیزشونده؛ راهکاری نوین در مقابله با اثرات آلودگی هوا

پایداری، به‌ویژه پایداری زیست‌محیطی، به‌ عنوان رویکردی کلیدی، نوظهور و مهم در بین دولت‌ها، سیاست‌گذاران، محققان، صنایع و مردم تبدیل شده است. از این منظر باید صنایع، پیاده‌سازی سیستم‌های مدیریت زیست محیطی را  بر اساس استانداردها و مقررات بین المللی صنایع در طول زمان در دستور کار خود قرار داده و مورد توجه بیشتری قرار ‌دهند. بتن به عنوان یکی از مصالحی شناخته می‌شود که در محیط‌های شهری، کاربردی گسترده و روز افزون دارد؛ هم‌چنین، تقاضای تولید بتن نیز با توسعه شهرها افزایش یافته و می‌یابد؛ لذا می تواند عاملی مهم در پایداری زیست‌محیطی باشد. نقاط مختلفی از شهر نظیر پل‌ها، روسازی‌های بتنی، بلوک‌های بتنی و نمای ساختمان‌ها، پوشیده از بتن است. از سوی دیگر، توسعه شهرها می‌تواند بستری برای تولید بیشتر آلاینده‌ها باشد. آلاینده‌های موجود در هوا، یکی از عوامل اساسی فرسودگی و تخریب سطوح بتنی هستند. این تخریب که بیشتر از منظر زیبایی‌شناسی مورد توجه قرار می‌گیرد، تغییر رنگ سطح بتن و کاهش زیبایی معماری را به دنبال خواهد داشت. بنابراین محققان این حوزه برای مقابله با چنین چالشی به ایده های جدیدی روی آورده‌اند. یکی از راه‌حل های مطرح‌شده در این حوزه، استفاده از سطوح خودتمیز‌شونده بتنی است.

سطح خود تمیز شونده

سطح خودتمیزشونده (Self-cleaning Surface) این قابلیت را دارد که سطح خود را به تنهایی تمیز نماید. تکنولوژی خودتمیزشوندگی از طبیعت الهام گرفته شده است. در سطح خودتمیزشونده، با الهام از نانوساختارهای یک برگ نیلوفر آبی که بر اساس اثر فوق آبگریزی عمل می‌کند، مواد به‌جای‌مانده توسط باران شسته شده و در نتیجه، آلودگی‌ها را از بین می‌رود. این به دلیل خاصیت فوتوکاتالیستی بوده و با افزودن فوتوکاتالیست حاصل می‌شود. واکنش فوتوکاتالیستی از انرژی نور خوشید برای تجزیه مواد آلی استفاده می‌کند. این واکنش، قادر به تسریع فرآیند اکسیداسیون طبیعی و تجزیه سریعتر آلاینده است. خاصیت فوتوکاتالیستی دو مزیت اصلی دارد: سطح را عاری از آلودگی نگه داشته و محیطی تمیزتر را تضمین می کند. مواد مختلفی دارای ویژگی فوتوکاتالیستی هستند که از آن جمله، می توان به نانو ذرات اکسید روی (ZnO) و به ویژه، دی اکسید تیتانیوم (TiO2) اشاره کرد.

شکل ۱. تصویر شماتیک فرآیند خودتمیزشوندگی

تیتانیوم دی اکسید و خواص فوتوکاتالیستی

از اواسط دهه ۱۹۹۰ میلادی، توانایی تیتانیوم دی اکسید (TiO2) برای اکسیدکردن و تجزیه مواد یا آلاینده‌های معدنی و آلی، در طیف گسترده ای از محصولات فوتوکاتالیستی (پارچه ها، سیستم‌های تصفیه و غیره) استفاده شده است. پوشش‌های خودتمیزشونده می‌توانند سطوح را با برخورد نور خورشید تمیز کنند. تحت تابش پرتوهای فرابنفش (UV)، تیتانیوم دی اکسید موجود در سطح، جفت الکترونی تولید می کند که با شرکت در واکنش شیمیایی اکسیداسیون، ذرات معلق متصل به سطح مانند دود یا آلاینده ناشی از سوخت‌های فسیلی سوخته و گرد و غبار را تجزیه می کند. بنابراین می توان گفت سطوح خودتمیزشونده، سطوحی هستند که با بکارگیری مکانیزم‌های مذکور، اقدام به حذف آلاینده کرده و آن را به صورت دیگری از مواد که حداقل مضر نباشند و حتی می توانند مفید واقع شوند، تبدیل می‌نماید.
 امکان به کارگیری خواص فوتوکاتالیستی در بتن، از طریق افزودن تیتانیوم دی اکسید در سیمان مورد مطالعه قرار گفته است. نتایج نشان داده است که ماتریس سیمانی اصلاح‌شده با تیتانیوم دی اکسید، قادر به تجزیه ترکیب آلی چسبیده به سطح و فوتوکاتالیز تبدیل اکسید های نیتروژن (NOx) به نیترات (NO3-) و تجزیه ترکیبات آلی فرار (volatile organic compounds: VOCs) است. ذرات تیتانیوم دی اکسید با اندازه میکرو و نانو، به ترتیب در تجزیه آلودگی ناشی از مولکول‌های برزگ و کوچک موثر هستند. پس از فرآیند تجزیه، شست و شوی سطح عموما به وسیله باران نیز می تواند موجب تسهیل امر تمیزشوندگی شود.

شکل ۲. تصویر پیوند شیمیایی و پودر تیتانیوم دی اکسید

روش های استفاده از ساز و کار خودتمیزشوندگی

از تیتانیوم دی اکسید در بتن های خود تمیز شونده به دو روش استفاده می‌شود:

۱.به عنوان پوشش
۲.استفاده در مخلوط بتن

شکل ۳. تصویر شماتیک ترکیب شیمیایی تیتانیوم دی اکسید با ذرات آلاینده و فرآورده‌های واکنش آن‌ها

نتایج مثبت در حوزه استفاده از بتن خودتمیزشونده

خواص فوتوکاتالیستی در بتن از دو جنبه حائز اهمیت هستند. اولین جنبه در بحث حفظ زیبایی است که در نگهداری سازه‌ها و میراث تاریخی اهمیت ویژه‌ای دارد. با در نظر گرفتن این که روش‌های تمیز کردن مکرر (شستشو، برس زدن، میکرو سند بلاست، عملیات شیمیایی و …) می‌توانند هزینه‌ی بیشتری نسبت به استفاده از پوشش خودتمیزشونده داشته باشند و ممکن است به‌خودی‌خود، باعث آسیب بیشتر به بتن شوند، پوشش‌های خود تمیز شونده ممکن است یک روش موثر در کاهش تأثیر آلاینده ها بر میراث فرهنگی از طریق کاهش آسیب های زیبایی شناختی (کثیف شدن) و فرسودگی مرتبط با بتن ارائه دهند. هم‌چنین از دیدگاه توسعه پایدار در کاهش آلودگی های محیطی نیزمی‌توانند موثر واقع شوند. این فناوری، قادر به ایجاد و حفظ زیبایی محیطی بوده و در عین حال، باعث تصفیه هوای داخل خانه شده و مشکلات تنفسی ناشی از آلاینده‌های معلق را نیز می توان به کمک آن، کاهش داد. استفاده از فوتوکاتالیست، سطح اکسیژن محیط را افزایش داده و گرمایش جهانی را کاهش می دهد. محصولات بتنی که در طول عمر خود در معرض نور خورشید هستند (مانند پانل های ساختمانی پیش ساخته، بلوک های بتنی نیوجرسی، سنگفرش ها و روسازی و نماهای بتنی) مستعد بهره‌گیری از خواص فوتوکاتالیستی هستند.