Projekt 25306/01

Verbesserung der Luftqualität durch photokatalytische Pflastersteine

Projektträger

F. C. Nüdling Betonelemente GmbH & Co. KG
Ruprechtstr. 24
36037 Fulda
Telefon: 06 61/83 87-2 15

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

- Optimierung des Abbaupotentials an Luftschadstoffen /z.B. NOx) mittels Betonsteine durch Veränderung von Zusatzstoffen und der Oberfläche. Damit soll auch die Sorptionskapazität für Luftschadstoffe an Betonsteinen erhöht und die photokatalytische Aktivität über lange Zeiträume erhalten bleiben.
- Abbau von organischen Luftschadstoffen durch TiO2-dotierte Pflastersteine
- Nachweis einer Umweltentlastung durch die Verwendung von TiO2-dotierten Pflastersteinen durch Durchführung einer prospektiven Umweltrisikoabschätzung


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden- Herstellung von Mustersteinen und Musterflächen für Langzeitversuche sowie für detaillierte Freilandversuche
- Laborstudien unter standardisierten Bedingungen, Durchführung von Bestrahlungsversuchen- Untersuchungen im Technikum zur Annäherung an reale Bedingungen mit der Möglichkeit der Einstellung von definierten Umweltbedingungen und Schadstoffkonzentrationen bzw. Schadstoffzusammensetzung
- Messungen im Freiland an Referenzflächen in Ballungsgebieten (z.B. Erfurt, Frankfurt Fraport) unter Einbeziehung der mobilen Messkammer
- Durchführung von Versuchen mit mobiler Messkammer mit Steinen der erstellten Musterfläche
- Untersuchung der photokatalytischen Reaktion hinsichtlich der Entstehung ökotoxikologischer Metabolite und der Versickerung von Abbauprodukten in Grund- und Abwasser, z.B. für Nitrat


Ergebnisse und Diskussion

Durch eine Reihe von Experimenten ist belegt, dass Schadstoffe photokatalytisch durch spezielle Betonsteinoberflächen, die mit TiO2 angereichert sind, abgebaut werden. Bei Weiterverfolgung der vielversprechenden Ansätze blieb jedoch eine Reihe von Fragen offen, die im Rahmen des beantragten Vorhabens geklärt werden sollen. In einem ersten Schritt werden Mustersteine hergestellt, die vergleichenden Untersuchungen im Labor nach ISO 22197-1 unterzogen wurden. Hierbei konnte gezeigt werden, dass - distinkte und reproduzierbare Ergebnisse zur Wirksamkeit der untersuchten Materialien erzielt werden.- von daher die Messapparatur die Möglichkeit bietet, diejenigen Oberflächen respektive Rezepturen zu identifizieren, die die höchste Wirksamkeit zur photolytischen Minderung von NOx aus der Luft besitzen.
- auf dieser Basis eine fundierte Entscheidung getroffen werden kann, welche der Steine bzw. welche Rezeptur(en) für die großflächige Verlegung am besten geeignet sind.
- Es kann eine Abbaukapazität von nahezu 90% (ausgedrückt als %NO-Abbau) nachgewiesen werdenHinsichtlich einer Ursachenanalyse für die höhere bzw. niedrigere Wirksamkeit können die Schlussfolgerungen gezogen werden:- Die Verfügbarkeit des TiO2 hat erwartungsgemäß einen sehr großen Einfluß.
- Die Mikrostruktur der Oberfläche beeinflusst ebenfalls das verfügbare TiO2.Durch den Bau einer mobilen Messkammer wird die Wirksamkeit einer Pflastersteinfläche von ca. 2m2 und bei einer betrachteten Höhe von 35 cm über dem Pflaster zunächst unter standardisierten Bedingungen und in einem zweiten Schritt an realen Standorten gemessen. Erste Messungen unter standardisierten Bedingungen zeigen, dass lediglich eine etwa 5%-ige NO-Reduzierung festgestellt wird. Die im Vergleich zur kleinen Labormesskammer wesentlich geringere Wirksamkeit kann folgende Ursachen haben:- Das über der Steinfläche vorhandene Luftvolumen ist deutlich größer. Eine einfache Umrechnung zeigt die Abhängigkeiten der NO-Minderung von der Geometrie des Bezugsvolumen der Luft über der Fläche und der Windgeschwindigkeit bei angenommener laminarer Strömung- Die Lichtintensität auf der Oberfläche des Prüfgutes ist in der mobilen Messkammer deutlich niedriger im Vergleich zur Labor-Messkammer.In einem weiteren Schritt wurde die Wirksamkeit eines ausgewählten Steins unter Einsatz der Messzelle aus der Messeinrichtung zur Analyse nach ISO 22197-1 unter realen Umweltbedingungen getestet. Dazu wurden Autoabgase mit einer NO-Konzentration in Höhe von etwa 1 ppm über den Stein geleitet, der in der betreffenden Messzelle angeordnet war. Die Bestrahlung erfolgte durch Sonnenlicht bei Höchststand der Sonne (20.6.2008, gegen 12:00 Uhr) und klarem Himmel. Bei dieser Anordnung konnte - analog zur Anordnung nach ISO 22197-1- ein etwa 90%iger Abbau nachgewiesen werden.Die Erfassung der Bildung von eluierbarem Nitrat zeigt, dass NOx zunächst zu NO2, dann zu Nitrat umgesetzt wird. Unter der Annahme von urbanem runoff und dem anschließenden Transport in die Kläranlage kann abgeschätzt werden, dass die in die Kläranlage und ggf. später in die Umwelt eingetragenen Nitratmengen unterhalb der zurzeit gültigen Grenzwerte liegen


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

1. Präsentation anlässlich eines Erfahrungsaustausches mit der Universität Enschede (NL) am 4.12.2007: Vorgehen bei der Testung von photokatalytischem Pflaster
2. Vortrag im Rahmen des Workshops Wirksamkeitsmesstechnik für Beschichtungen mit Nanomaterialien am 12./13.3.2008, Schmallenberg: Problemangepasste Teststrategien zur Bestimmung von Effektivität und Umweltauswirkungen photokatalytischer Beschichtungen
3. Poster, European SETAC-Conference, Warschau, 26.-29.5.2008: Photocatalytic pavement significantly improves air quality


Fazit

Das im Antrag vorgeschlagene Versuchsdesign ist geeignet, die gestellten Fragen zu beantworten. Der Zeit- und Kostenrahmen wird voraussichtlich nicht überschritten werden, sondern kann eingehalten werden. Die mit TiO2 dotierten Pflastersteine scheinen dazu geeignet zu sein, die NOx-Konzentration in der Luft zu reduzieren und damit einen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten. Zu den Einzelergebnissen siehe Ergebnisse und Diskussion.