BMBF-Projekt 'HelioClean'

HelioClean® - Nanotechnologisch funktionalisierte Baustoffe zur solarkatalytischen Luft- und Oberflächenreinigung

BMBF-Projekt - FKZ: 03X0069C

Das Projekt HelioClean® wird im Rahmen der „Hightech-Strategie“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenprogramms "Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft - WING" zum Thema "Nanotechnologie im Bauwesen - NanoTecture: Erschließung höherer Ressourcen-/Energiespar und Leistungspotentiale sowie neuer Funktionalitäten" gefördert und vom Projektträger Jülich (PTJ) betreut.

Verbundpartner: Kronos International Inc., Remmers GmbH, IBU-tec GmbH, Dyckerhoff AG, Erlus AG, Leibniz Universität Hannover, Technische Universität Dresden, Universität Kassel

Inhalt des auf drei Jahre angelegten Projektes ist die katalytische Zersetzung von Luftschadstoffen unter Nutzung von Sonnenlicht mittels nanotechnologisch funktionalisierter Baustoffoberflächen. Positive Begleiterscheinung der Funktionalisierung ist ein Selbstreinigungseffekt, der die Bildung von Biofilmen und die damit verbundene Biokorrosion von Baustoffen verhindert.

HelioClean® ist interdisziplinar angelegt und bündelt die Kompetenzen von drei Universitäten und fünf Industriepartnern (s. Verbundpartner). Durch die enge Vernetzung universitärer und industrieller Forschung soll eine deutliche Steigerung der Effizienz des Photokatalysators auch in lichtschwachen Bereichen und eine Erhöhung der effektiven Oberfläche des Photokatalysators in der Baustoffmatrix erreicht werden. Letztlich sollen so Baustoffe und bauchemische Produkte ermöglicht werden, deren Leistungsfähigkeit bei geringerem Preis deutlich über die von bestehenden Produkten hinausgeht.

Die Remmers GmbH hat im Rahmen von HelioClean® die Aufgabe, eine funktionalisierte Beschichtung mit deutlich verbesserter Effizienz in Bezug auf den Abbau von Luftschadstoffen zu entwickeln. Nutzbares Ergebnis ist die an der A1 bei Osnabrück zum Einsatz kommende, photokatalytisch hochaktive Beschichtung „Remmers HC NOX“.

Weitere Infos zum Projekt finden Sie unter: www.HelioClean.de

Photokatalyse

Vor ca. 90 Jahren wurde erstmalig über „Photoreaktionen“ berichtet. Kommerziell genutzt wird die Photokatalyse seit etwa 20 Jahren.

Photokatalysatoren können einen Teil der Energie des Sonnenlichts kurzfristig aufnehmen und dann Reaktionen auslösen, die zum Abbau vieler organischer und anorganischer Schadstoffe führen. Als weitere Reaktionspartner werden dafür nur noch der in der Luft sowieso vorhandene Sauerstoff und (Luft-) Feuchtigkeit benötigt.

Unabhängig davon, ob die Schadstoffe fest oder flüssig sind, ob es sich um z.B. Fett oder Staub handelt: Mit der vom Photokatalysator wieder freigegebenen Energie werden deren chemische Bindungen so aufgebrochen, dass von diesen Stoffen häufig nur noch Wasser und Kohlendioxid übrig bleiben.

Die Photokatalyse kann aber nicht nur zum Abbau von Luftschadstoffen genutzt werden, sondern auch zur Selbstreinigung von Oberflächen beitragen. Dabei spielen zwei Mechanismen eine Rolle:

Vereinfachte Darstellung der Wirkung von Photokatalyse (Prof. Dr. Dietmar Stephan, TU Berlin)
  • Zum einen werden durch den Photokatalysator die auf jeder Oberfläche vorhandenen dünnen Öl- und Fettfilme abgebaut (s.o.). Da diese Filme Verschmutzungen auf den Oberflächen fixieren, hilft deren ständige Beseitigung die Verschmutzungsneigung der aktivierten Oberfläche zu reduzieren.
  • Zum anderen ändert sich beim Bestrahlen geeigneter Photokatalysatoren der Kontaktwinkel von Wasser, was insbesondere in Bezug auf den Tauwasseranfall von Bedeutung ist:

    Normalerweise schlägt sich Tau in Form kleiner Tröpfchen auf der Baustoffoberfläche nieder (wie auf einem beschlagenen Spiegel; Abb. 1a). Auf der photokatalytisch aktivierten Oberfläche bildet sich stattdessen ein dünner Wasserfilm (Abb. 1b), der die Verschmutzungen unterwandern kann, so dass sie sich vom Untergrund lösen und einfach abgewaschen werden können (Abb. 1c).

Der beschriebene Effekt wird bereits für selbstreinigende Fensterscheiben und Spiegel mit Anti-Beschlag-Wirkung genutzt und kann auch bei bauchemischen Produkten zur Anwendung kommen.

Titandioxid

Titandioxid (TiO2) ist das IV-wertige Oxid des Titans. Es ist ungiftig, lichtbeständig, chemisch inert und wird als Lebensmittelzusatzstoff („E 171“ in z.B. Zahnpasta, Kaugummis) oder auch als Pigment in Kosmetika genutzt. Weiter findet TiO2 als UV-Blocker in Sonnencremes und als Aufheller in Arzneimitteln (Tabletten) Verwendung. Die weitaus größte Menge des produzierten TiO2 geht allerdings als Weißpigment in Beschichtungsstoffe.

Titandioxid ist ein Halbleiter. Dies bedeutet, dass das mit Elektronen gefüllte Valenzband durch eine Bandlücke von dem Leitungsband getrennt ist. Durch Absorption von Lichtquanten mit einer Energie, die grösser ist als die für die Überwindung der Bandlücke notwendige Energie, werden Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt; es bilden sich Elektron-Loch-Paare.

Einfache schematische Darstellung der beschriebenen Prozesse (Prof. Dr. Dietmar Stephan, TU Berlin).

Im Falle des reinen Titandioxids ist die Anregung nur mit ultraviolettem Licht möglich. Die Elektron-Loch-Paare rekombinieren im Halbleiter innerhalb von wenigen Nanosekunden oder sie wandern an die Oberfläche des Materials und reagieren dort mittels Elektronentransfer mit redoxaktiven Stoffen (Elektronenakzeptoren und –donatoren), die sich nahe dieser Oberfläche aufhalten. Solche Redoxreaktionen, die im Falle des Titandioxids auch durch den UV-Anteil im Sonnenlicht eingeleitet werden, können für die chemisch-oxidative Reinigung der Umwelt von Schadstoffen genutzt werden (s. Abb.).

Titandioxid gilt derzeit als der vielversprechendste heterogene Photokatalysator. Es wird allgemein erwartet, dass Titandioxid eine bedeutende Rolle bei der Lösung von Problemen im Energie- und Umweltsektor durch die effiziente Nutzung des Sonnenlichts in technischen Systemen spielen wird.

Obwohl schon vor vielen Jahren der Nachweis erbracht wurde, dass Titandioxid als Katalysator geeignet ist photokatalytisch Wasserstoff aus organisch belastetem Wasser zu erzeugen, sind weitere Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen notwendig. Eine der wissenschaftlichen Herausforderungen besteht darin, Titandioxid dahingehend zu modifizieren, dass es nicht nur durch ultraviolettes, sondern auch durch energieärmeres, sichtbares Licht angeregt wird.

Die Entwicklung von photokatalytisch aktiven und zugleich durch sichtbares Licht anregbaren Farben, Keramiken, Ziegeln, Pflastersteinen und anderen Bauprodukten ist das Ziel des BMBF-Projektes HelioClean®. Diese TiO2-haltigen Produkte zerstören unter Einwirkung des Sonnenlichts in städtischen Räumen Stickoxide und andere Umweltschadstoffe, die von Industrie und Verkehr an die Luft abgegeben werden und tragen so zu einer Verbesserung der Lebensbedingungen in städtischen Ballungsgebieten bei. Die Vision der sich selbstreinigenden Stadt soll so schon bald Wirklichkeit werden.

BASt-Pilotprojekt

Das BASt-Pilotprojekt zur Schadstoffreduzierung an der Autobahn A1 – Mit Titandioxid gegen Stickoxide

Seit dem 01.01.2010 gelten strenge EU-Grenzwerte für die Luftqualität für Stickstoffdioxid. Werden die Grenzwerte in einer Kommune überschritten, müssen Luftreinhaltepläne bzw. Aktionspläne aufgestellt werden. Die Einrichtung von Umweltzonen ist eine deutlich sichtbare Konsequenz dieser Pläne.

Da es aber trotz intensiver Bemühungen kurz- und mittelfristig nicht möglich sein wird, alle Quellen der Luftverschmutzung auszuschalten, wird versucht, die vorhandenen Luftschadstoffe und deren Verschmutzungen möglichst effizient mit Hilfe der Photokatalyse abzubauen.

In diesem Zusammenhang wird seit einigen Jahren diskutiert, die Stickoxid-Konzentrationen an belasteten Standorten durch Verwendung von photokatalytisch aktivem TiO2 zu verringern. Insbesondere in Ballungsräumen mit besonders großen Gebäudeflächen bieten photokatalytisch aktivierte Beschichtungen eine sehr attraktive Möglichkeit zur Luftreinigung.

Vor diesem Hintergrund startete im Oktober 2011 das von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) initiierte und in Zusammenarbeit mit der Niedersächsischen Landesbehörde für Straßenbau und Verkehr (NLStBV) betreute Pilotprojekt zur Schadstoffreduzierung.

Remmers HC NOX

Die Remmers GmbH hat im Rahmen von HelioClean® die Aufgabe, eine funktionalisierte Beschichtung mit deutlich verbesserter Effizienz in Bezug auf den Abbau von Luftschadstoffen zu entwickeln. Nutzbares Ergebnis ist die an der A1 bei Osnabrück zum Einsatz kommende, photokatalytisch hochaktive Beschichtung „Remmers HC NOX“.

Remmers HC NOX wurde in enger Zusammenarbeit mit den Verbundpartnern entwickelt und zeigt eine zurzeit einzigartige photokatalytische Effizienz beim Stickoxidabbau. Die positiven Eigenschaften des Produkts resultieren aus der Verwendung spezieller Photokatalysatoren der Fa. Kronos in Verbindung mit einer neuartigen, äußerst beständigen Bindemittelkombination.

Eine der Anforderungen an die Beschichtung resultierte daraus, dass die hochaktiven Photokatalysatoren alles andere als „smart“ sind: So bauen sie unterschiedslos nahezu alles organische Material ab, das sich in direktem Kontakt mit dem Photokatalysator befindet. Es wird also nicht zwischen dem notwendigen Bindemittel einer Farbe und abzubauenden Luftschadstoff unterschieden. Als Folge kreidet die photokatalytisch aktive Beschichtung, was einen erheblich negativen Einfluss auf die Langlebigkeit der Beschichtung hat.

Eine der Herausforderung bei der Entwicklung von Remmers HC NOX bestand entsprechend darin, den hochaktiven Photokatalysator über eine geeignete Bindemittelkombination dauerhaft zu binden.

Als weitere Anforderung resultierte im Zusammenhang mit dem Pilotprojekt der BASt die Vorgabe, dass Remmers HC NOX die schallabsorbierende Wirkung der Lärmschutzwände nachweislich nicht nennenswert beeinträchtigt.

Unabhängig davon war aber ausschlaggebendes Kriterium für die Wahl des Versuchsproduktes Remmers HC NOX eine – im Vergleich mit der im Rahmen von HelioClean® definierten Benchmark - um Faktor 5 bessere Wirksamkeit in Bezug auf den NO-Abbau.

Das von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) und der Niedersächsischen Landesbehörde für Straßenbau und Verkehr (NLStBV) betreute Pilotprojekt „Schadstoffreduzierung an der Autobahn A1“ dient gleichzeitig als sogenannter „Demonstrator“ für das Projekt HelioClean®.  

Dazu wurden zunächst entlang eines 2 km langen Teilstückes beidseitig der A1 zwischen Osnabrück Hafen und Osnabrück Nord insgesamt 28 Meßstellen zur Erfassung der Stickoxid-Belastung und von Wetterdaten aufgestellt. Die Meßstellen befinden sich sowohl in unterschiedlicher Höhe und Entfernung vom Fahrbahnseitenstreifen als auch im Hinterland. Anschließend wurde die photokatalytisch hochaktive Beschichtung „Remmers HC NOX“ auf die Beton-Lärmschutzwände einer Hälfte des Teilstückes (auf 1 km Länge, beidseitig, jeweils sowohl der Autobahn ab- und zugewandt) appliziert.

Im Rahmen eines Langzeitversuches werden jetzt die an den beiden Teilstrecken (beschichtet / unbeschichtet) gewonnenen Daten erfasst und so miteinander verglichen, dass die Effizienz einer solchen Maßnahme bewertet werden kann. Die Messungen werden voraussichtlich bis 2013 bzw. 2014 laufen.  

www.bast.de

www.strassenbau.niedersachsen.de

www.helioclean.de

 


Wir danken dem BMBF für die finanzielle Unterstützung. FKZ: 03X0069C.

www.bmbf.de