آلودگی هوا در مناطق شهری یکی از چالش‌های بزرگ برای حفاظت از محیط زیست و سلامت عمومی است. منابع اصلی این آلودگی شامل انتشار گازهای ناشی از وسایل نقلیه، سیستم‌های گرمایشی و فعالیت‌های صنعتی می‌شود که منجر به تجمع آلاینده‌هایی مانند اکسیدهای نیتروژن (NOx)، ذرات معلق ریز (PM10 و PM2.5) و ترکیبات آلی فرار (VOC) در جو می‌شوند. این آلاینده‌ها به‌ویژه در شرایط کمبود باد یا بارش، در لایه‌های پایین جو باقی می‌مانند. این مسئله ارتباط مستقیمی با مشکلات تنفسی و سایر بیماری‌ها دارد، همان‌طور که توسط سازمان جهانی بهداشت (WHO) و سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا (EPA) هشدار داده شده است.
مصالح ساختمانی فتوکاتالیستی پاسخ صنعت ساخت‌وساز به نگرانی‌های رو به افزایش درباره کیفیت هوا هستند. این مصالح با استفاده از فرآیندی طبیعی به نام فتوکاتالیز، مشابه با فتوسنتز در گیاهان، مواد مضر را به ترکیبات بی‌ضرر تبدیل می‌کنند.
درک فرآیند فتوکاتالیز
فتوکاتالیز یک پدیده شیمیایی است که در آن ماده‌ای به نام فتوکاتالیست واکنش‌های شیمیایی را با استفاده از نور فرابنفش (UV) تسریع می‌کند. دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) متداول‌ترین فتوکاتالیست مورد استفاده در مصالح ساختمانی است. وقتی TiO₂ توسط نور فرابنفش فعال می‌شود، گونه‌های اکسیژن فعال ایجاد می‌کند که می‌توانند آلاینده‌هایی مانند اکسیدهای نیتروژن و ترکیبات آلی فرار را اکسید کرده و آن‌ها را به مواد بی‌ضرر مانند نیترات‌ها و کربنات‌ها تبدیل کنند. این فرآیند شبیه به اکسیداسیون طبیعی است اما با سرعت بسیار بیشتری انجام می‌شود و از تجمع آلاینده‌ها جلوگیری می‌کند.
کاربرد فرآیند فتوکاتالیز در مصالح ساختمانی
فناوری فتوکاتالیستی در انواع مختلفی از مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار گرفته است، از جمله:
پانل‌های نما و گچ‌های ساختمانی
این مصالح که بر روی نمای ساختمان‌ها اعمال می‌شوند، علاوه بر کاهش آلاینده‌های سطحی، از طریق تجزیه مواد آلی که باعث تغییر رنگ می‌شوند، به حفظ زیبایی ساختمان کمک می‌کنند.
سنگفرش‌ها و کاشی‌های سقفی
این مصالح، آلاینده‌های هوا را تجزیه کرده و سطوح تمیزی را ایجاد می‌کنند که حتی در مواجهه با آلودگی‌های صنعتی و شهری، ظاهر خود را حفظ می‌کنند.
بتن‌های فتوکاتالیستی
در بتن‌های مبتنی بر فناوری فتوکاتالیستی، واکنش‌های اکسیداسیون باعث تجزیه آلاینده‌ها شده و محصولات حاصل به صورت نمک‌های بی‌ضرری مانند نیترات‌ها، سولفات‌ها و کربنات‌های کلسیم (سنگ آهک) درمی‌آیند. این مواد به تدریج توسط آب باران شسته شده و فعالیت فتوکاتالیستی سطح بازسازی می‌شود. این ویژگی موجب ماندگاری مداوم خاصیت ضدآلودگی بتن می‌شود.
این نوع بتن‌ها، به‌ویژه در محیط‌های شهری که کیفیت هوا پایین است و حرکت هوا محدود است، مانند تونل‌ها و ایستگاه‌های مترو، تأثیر بسیار مثبتی دارند. در چنین شرایطی، نور مصنوعی برای فعال‌سازی فرآیند فتوکاتالیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
رنگ‌ها و پوشش‌های داخلی
رنگ‌ها و پوشش‌های حاوی دی‌اکسید تیتانیوم، در تماس با نور خورشید یا نور مصنوعی، فعالیت فتوکاتالیستی را آغاز می‌کنند. این ویژگی نه تنها باعث تجزیه آلاینده‌های هوای داخلی می‌شود، بلکه دارای خاصیت آنتی‌باکتریال است. به همین دلیل، استفاده از این پوشش‌ها در مدارس، بیمارستان‌ها و ادارات، برای بهبود کیفیت هوا و کاهش استفاده از مواد شیمیایی پاک‌کننده توصیه می‌شود.
کاشی‌ها و سطوح داخلی
کاشی‌های فتوکاتالیستی، به دلیل خاصیت آنتی‌باکتریال و خودتمیزشوندگی، نیاز به مواد شوینده را کاهش می‌دهند. نمک‌ها و ترکیبات حاصل از تجزیه آلاینده‌ها به راحتی با پاکسازی روزانه حذف می‌شوند.
مزایای مصالح فتوکاتالیستی
خودتمیزشوندگی
یکی دیگر از مزایای قابل‌توجه مصالح فتوکاتالیستی، خاصیت خودتمیزشوندگی آن‌هاست. تحقیقات انجام‌شده در دانشگاه گنت (بلژیک) نشان داده است که سطوح فتوکاتالیستی ساخته‌شده از محصولات مبتنی بر TiO₂ قادر به تجزیه میکروارگانیسم‌ها، جلوگیری از تجمع جلبک‌ها و کاهش تخریب سطح معماری هستند.
بازتاب بالای نور خورشید
کاشی‌ها و پوشش‌های فتوکاتالیستی، حتی در شرایط آلودگی ناشی از انتشار خودروها و فرآیندهای صنعتی، بازتاب بالای نور خورشید را حفظ می‌کنند. این ویژگی، به‌ویژه در نمای ساختمان‌ها، باعث کاهش نیاز به خنک‌سازی داخلی می‌شود. پوشش‌های فتوکاتالیستی با بازتاب تابش خورشیدی، انتقال گرما به داخل ساختمان را کاهش داده و آسایش حرارتی داخلی را افزایش می‌دهند.
کاهش اثر جزیره گرمایی شهری (UHI)
کاربرد مصالح فتوکاتالیستی به‌ویژه در کاهش پدیده جزیره گرمایی شهری بسیار مؤثر است. این پدیده که در مناطق پرتراکم شهری رخ می‌دهد، به دلیل تجمع گرما ناشی از فعالیت‌های انسانی و جذب انرژی خورشیدی توسط سطوح تیره ساختمان‌ها و جاده‌ها، منجر به افزایش دمای محیط می‌شود. پوشش‌های فتوکاتالیستی با بازتاب نور خورشید و کاهش دمای سطوح، به کاهش این اثر کمک می‌کنند.
مطالعه موردی: بازسازی تونل Umberto I در رم با استفاده از مصالح فتوکاتالیستی
تونل Umberto I، واقع در مرکز شهر رم و یکی از مهم‌ترین تونل‌های حمل‌ونقل شهری، در سال ۲۰۰۷ به کمک رنگ‌های سیمانی فتوکاتالیستی بازسازی شد. این پروژه به‌عنوان یکی از نمونه‌های موفق استفاده از فناوری فتوکاتالیستی برای کاهش آلودگی هوا شناخته می‌شود.
اهداف پروژه
- کاهش آلودگی هوا: تمرکز اصلی پروژه بر کاهش غلظت اکسیدهای نیتروژن (NOx) در داخل تونل بود، چرا که این گازها از آلاینده‌های اصلی هوای شهری به شمار می‌روند.
- بهبود شرایط بهداشتی: هدف دیگر، کاهش مواجهه رانندگان و عابران با آلاینده‌های مضر و ارتقاء سلامت عمومی بود.
- کاهش هزینه‌های نگهداری: به دلیل خاصیت خودتمیزشوندگی مصالح فتوکاتالیستی، نیاز به تمیزکاری‌های مکرر و هزینه‌بر کاهش یافت.
روش اجرا
در این پروژه از دو نوع رنگ سیمانی فتوکاتالیستی استفاده شد:
- رنگ خاکستری: برای پوشش دیواره‌ها تا ارتفاع ۱.۸ متری.
- رنگ سفید: برای پوشش سطوح بالایی تونل.
رنگ‌های مورد استفاده حاوی دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) بودند که با استفاده از نور فرابنفش (UV) تولید شده توسط سیستم روشنایی تونل، واکنش‌های فتوکاتالیستی را فعال می‌کردند.
برنامه نظارت
برای ارزیابی کارایی این روش، دو دوره نظارتی انجام شد:
- دوره اول: از ۳ ژولای تا ۲۰ ژولای ۲۰۰۷.
- دوره دوم: از ۲۵ سپتامبر تا ۱۲ اکتبر ۲۰۰۷.
در این دوره‌ها، داده‌هایی از جمله غلظت NOx، شرایط ترافیکی، و وضعیت آب‌وهوایی (دما، رطوبت، سرعت باد) ثبت شدند.
نتایج پروژه
- کاهش غلظت NOx: در مرکز تونل، غلظت NOx حدود ۲۰% کاهش یافت. همچنین در مقایسه با داده‌های رسمی ایستگاه‌های محیط زیست رم، این کاهش در برخی نقاط تونل بیش از ۵۰% بود.
- بهبود کیفیت هوا: هوای داخل تونل پس از بازسازی به طور قابل توجهی پاک‌تر شد، که نه تنها به سلامت رانندگان کمک کرد بلکه ایمنی بیشتری را برای تردد فراهم آورد.
- کاهش نیاز به نگهداری: خاصیت خودتمیزشوندگی دیوارها به کاهش تعداد عملیات نظافتی و کاهش هزینه‌های مربوطه منجر شد.
این پروژه نشان داد که استفاده از رنگ‌های فتوکاتالیستی می‌تواند به طور موثری آلودگی هوا را کاهش داده و کیفیت زندگی در محیط‌های شهری به‌ویژه در مناطق پرترافیک را بهبود بخشد. تونل Umberto I اکنون به‌عنوان نمونه‌ای موفق از کاربرد مصالح فتوکاتالیستی در محیط‌های داخلی شناخته می‌شود و الگویی برای پروژه‌های مشابه در سراسر جهان است.
نتیجه‌گیری
مصالح فتوکاتالیستی با استفاده از فناوری پیشرفته TiO₂، راه‌حلی مؤثر برای کاهش آلودگی هوا، افزایش دوام معماری و بهبود کیفیت زندگی در مناطق شهری ارائه می‌دهند. این مصالح نه تنها در کاهش آلاینده‌های مضر مانند NOx، PM2.5 و VOC تأثیرگذار هستند، بلکه با کاهش نیاز به مواد شوینده و انرژی مصرفی در ساختمان‌ها، به حفاظت از محیط زیست نیز کمک می‌کنند. با توسعه این فناوری، می‌توان آینده‌ای پاک‌تر و سالم‌تر برای محیط‌زیست شهری رقم زد.
source