کاربرد فتوکاتالیست ها در ساختمان

متین سائسی1- حسین سرپولکی2 مقدمه سیمان های فتوکاتالیستی، سیمان هایی هستند که در ترکیب آنها یک ماده فتوکاتالیست مانند تیتانیا وجود داشته باشد و از خود رفتارهای فتوکاتالیستی، مانند خاصیت خود تمیز شوندگی و ضد آلودگی و نیز جذب و تجزیه اکسیدهای مضر نیتروژن را بروز دهد. استفاده از این سیمان ها به حدود سال های 1995 و 1996 باز میگردد. جایی که محققان پس از مشاهده موفقیت پوشش تیتانیایی بر روی شیشه های لامپ های تونل، تصمیم گرفتند تیتانیا را به عنوان پوشش در سازه های بتنی و سیمانی و نمای ساختمان ها که در معرض آلودگی هوا و دوده، سیاه و کثیف میشد، به کار گیرند به این امید که مانند پوشش شیشه های چراغ های تونل، از خود خاصیت ضد باکتری را نشان دهد چرا که نمای ساختمان ها و سازه ها در معرض نور خورشید و شدت نور ماورای بنفش در فضای باز بود. به همین دلیل در همین سال ها در ژاپن و اروپا تحقیقات و بررسیهایی بر روی سیمان هایی حاوی تیتانیا برای نماهای ساختمان ها و جلوگیری از کثیف شدن و دوده ای شدن آنها انجام گرفت. برای بررسی بهتر و دقیق تر ابتدا لازم است به بررسی جزیی تر خاصیت فتوکاتالیستی بپردازیم. کلمه فتوکاتالیست که شامل دو واژه فتو به معنای نور و کاتالیست به معنای تسریع کننده و فعال ساز میباشد، معرف خاصیتی از یک ماده است که در آن ، هنگامی که ماده در معرض نور قرار میگیرد، شروع به فعالیت نموده و نور و فوتون های برخوردی در آن ایجاد حامل های انرژی مانند الکترون و یا حفره کرده و لذا باعث فعالیت آن میشود. این حامل های تولید شده در یک واکنش شیمیایی نقش ایفا نموده و باعث تسریع انجام یک واکنش شیمیایی میشوند یعنی الکترون ها و حفره ها میتوانند با مولکول های موجود در سطح ذرات واکنش دهند درحالیکه خود دست نخورده باقی میمانند. فتوکاتالیست ها مستقیماً در واکنش های اکسایش و کاهش دخالت ندارند و فقط شرایط مورد نیاز برای انجام واکنش ها را فراهم میکنند. بررسی تاریخچه پیدایش شناخت این پدیده به اوایل قرن بیستم باز میگردد. جایی که در سال 1938 گزارشی درباره ماده تیتانیا منتشر شد که در آن به خاصیت رنگ زدایی و سفیدکنندگی تیتانیا در محیط خلأ و همچنین محیط حاوی اکسیژن اشاره شده بود. همچنین در آن گزارش آمده بود زمانی که تیتانیا در معرض نور قرار میگیرد، در سطح آن اکسیژن فعال تولیدشده و این اکسیژن های فعال رنگ روی سطح ماده را از بین میبرند درحالیکه خود ماده تیتانیا در این فرآیند دست نخورده باقی میماند. این خاصیت را در آن زمان فتوسنسیتایزر یا حساس به نور نامیدند. به طور کلی خواص عمومی مواد فتوکاتالیستی را میتوان به صورت زیر بیان نمود: الف) خاصیت خود تمیز شوندگی و ضد آلودگی به این معنی که یک ماده فتوکاتالیست در فضای آزاد و معرض نور و با بارش باران و برف، هیچ گونه آلودگی مانند دوده یا خاک نخواهد داشت. این خاصیت، خود تمیز شوندگی نام دارد. ب) خاصیت ضد بخار خاصیت دیگر این مواد، ضد بخار بودن است. بخار زمانی بر روی یک سطح مینشیند که بخار یک ماده روی سطح سرد و متراکم شود و به شکل قطره در آید. بر روی یک سطح آب دوست، هیچ قطره ای شکل نمیگیرد و به جای آن، یک فیلم نازک پیوسته از مایع، تشکیل میشود. این فیلم نازک از تشکیل بخارهای سطحی جلوگیری مینماید. زمانی که سطح آب دوست باشد، به مدت چند روز تا یک هفته خاصیت خود را حفظ میکند لذا میتوان به راحتی از این خاصیت استفاده کرد و شیشه ها و آینه هایی با این خاصیت ساخت. در ژاپن از این خاصیت برای تجهیز آینه های کناری خودروهای تولیدشده ژاپنی، استفاده گردید. ج)خاصیت تصفیه آلاینده های هوا به خصوص اکسیدهای نیتروژن یا “NOX” مواد فتوکاتالیستی در حضور نور و بارش، اکسیدهای نیتروژن را تجزیه میکنند. این خاصیت بسیار مهم است چرا که اکسیدهای نیتروژن بسیار مضرند. سیمان ها و بتن های فتوکاتالیستی پس از مشاهده موفقیت پوشش تیتانیایی بر روی شیشه های لامپ های تونل، محققان تصمیم گرفتند تیتانیا را به عنوان پوشش در سازه های بتنی و سیمانی و نمای ساختمان ها که در معرض آلودگی هوا و دوده، سیاه و کثیف میشد، به کار گیرند به این امید که مانند پوشش شیشه های چراغ های تونل، از خود خاصیت ضد باکتری را نشان دهد چرا که نمای ساختمان ها و سازه ها در معرض نور خورشید و شدت نور ماورای بنفش در فضای باز بود. به همین دلیل در همین سال ها در ژاپن و اروپا تحقیقات و بررسیها به سمت سیمان هایی حاوی تیتانیا برای نماهای ساختمان ها و جلوگیری از کثیف شدن و دوده ای شدن آنها رفت. در سال 2005، استفاده از سیمان ها و بتن های فتوکاتالیستی و تولید آنها به شدت گسترش یافت. به طوری که در سراسر دنیا و به خصوص ژاپن و اروپا از سیمان ها و بتن های فتوکاتالیستی در ساخت ساختمان ها، جاده ها، پیاده روها و غیره استفاده شد. امروزه، تحقیق و کار بر روی سیمان ها و بتن های فتوکاتالیستی همچنان ادامه دارد. بیشتر بررسیها در جهت رسیدن به سیمان ها و بتن های فتوکاتالیستی با طول عمر بالاتر و بازدهی بیشتر و عملکرد بهتر است. در این راستا، استفاده از ذرات نانو تیتانیا و تلاش برای تولید پوشش هایی پربازده و موثر از نانو تیتانیا، بسیار متداول میباشد. برای نمونه میتوان تحقیق موسسه تحقیقات ساختمانی یونیداد در اسپانیا را در سال 2012 نام برد که محققان در این تحقیق به بررسی فعالیت فتوکاتالیستی تیتانیا در سیمان ها و بتن ها و ملات های مختلف پرداخته اند. آنان نمونه هایی از سیمان های حاوی 3 و 5% تیتانیا (پخش شده در مخلوط اولیه) را بررسی و بیان نموده اند که استفاده از 5% تیتانیا با ذراتی دارای قطر متوسط 10 تا 20 نانومتر و سطح ویژه 80 مترمربع برای هر گرم، تا 77% اکسیدهای نیتروژن را تجزیه مینماید همچنین در برابر آزمایش تخریب رنگ، 100% رنگ را از بین میبرد. 1 دانشجوی کارشناسی ارشد سرامیک، دانشکده مواد دانشگاه علم و صنعت ایران 2 دانشیار گروه سرامیک، دانشکده مواد دانشگاه علم و صنعت ایران