Photokatalytische Beschichtung f. Zement Verringert Photokatalyse die Schadstoffkonzentration in der Luft?

Experiment zur photokatalytischen Schadstoffreduktion im Leopold-II-Tunnel in Brüssel.
Experiment zur photokatalytischen Schadstoffreduktion im Leopold-II-Tunnel in Brüssel.

Photokatalytische Beschichtungen an Straßen sollen Schadstoffe wie Stickoxide und Kohlenwasserstoffe abbauen und somit die Luft reinigen. Grundsätzlich funktioniert die Photokatalyse für die Schadstoffreduktion - alleine kann sie jedoch nicht verhindern, dass die Grenzwerte unterschritten werden.

Weltweit lebt mehr als die Hälfte der Menschen in Sdten unBallungszentren. Durch erhöhtes Verkehrsaufkommen und Industrieanlagen leidet dort häufig die Luftqualität. Verschiedene Projekte und Initiativen zur Verbesserung der Luftqualität wurden iniziiert: In Großstädten, wie München etc. wurden beispielsweise Umweltzonen für Kraftfahrzeuge eingerichtet um die Feinstaubbelastung zu verringern und Luftqualität zu verbessern. Das europäische Forschungsprojekt “Photo PAQ” untersucht ebenfalls eine Methode zur Verbesserung der Luftqualität. Photokatalytische Beschichtungen an Straßen sollen Schadstoffe wie Stickoxide (NOx) und Kohlenwasserstoffe abbauen und auf diese Weise die Luft reinigen.

Die Photokatalyse ist seit fast einem Jahrhundert bekannt [1] und wird seit etwa drei Jahrzehnten für die Luftreinhaltung diskutiert und eingesetzt: An Titandioxidoberflächen entstehen unter UV-Einstrahlung Radikale, die Luftschadstoffe wie Stickoxide oder flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds, VOC) zu Kohlendioxid und Nitrat oxidieren. 

Durch Reduzierung der primären Schadstoffe NOx und VOC, entstehen durch Gasphasenoxidation auch weniger sekundäre Schadstoffe, wie Ozon. Auf diese Weise kann beispielsweise Sommersmog reduziert werden. V. a. NO2-Konzentrationen überschreiten in urbanen Regionen oft den EU-Jahresmittelgrenzwert von 40 μg·m3. Oberstes Ziel in den Städten ist es NO2 zu reduzieren, da bisherige Maßnahmen nicht sehr erfolgreich waren [2] und Stickoxide toxisch sind, setzen Forscher nun auf  Photokatalyse.

Ausgangslage

Bisher lieferten Pilotstudien in Straßenschluchten und Verkehrstunneln widersprüchliche Ergebnisse zur Effizienz des photokatalytischen NOx-Abbaus. Teilweise wird in Studien eine Effizienz von bis zu 80 Prozent angegeben [3–8], während in anderen Studien der beobachtete Abbau unterhalb der Messgenauigkeit liegt [9–11]. Zudem wurden v. a. in früheren Studien schädliche Abbauprodukte, wie Formaldehyd oder salpetrige Säure nicht berücksichtigt [12].

Photo PAQ (Demonstration of Photocatalytic remediation Processes on Air Quality) schätzt daher nicht nur realistische Reduktionspotenziale für Luftschadstoffe ab, sondern prüft auch, inwieweit sich schädliche Reaktionsprodukte bilden und damit die Wirkung der Photokatalyse als luftqualitätsverbessernde Maßnahme einschränken. In Laborstudien und experimentellen Messungen wurden dazu photokatalytisch-aktive Zementoberflächen in einem Verkehrstunnel [13,14] und einer Modellstraßenschlucht [15] getestet.

Photokatalyse im Tunnel

Die experimentellen Tests im Verkehrstunnel fanden von 2011 bis 2013 im Leopold-II-Tunnel in Brüssel statt [13,14]. Der Tunnel ist ca. 2,5 km lang und Einfallstor in die belgische Hauptstadt. Täglich passieren etwa 65.000 Fahrzeuge den Tunnel.

Für die Messungen wurden 70 m lange oder 160 m lange Abschnitte einer Tunnelröhre mit photokatalytischem Spritzmörtel beschichtet und zur Aktivierung des Belags mit UV-Lampen beleuchtet (Bild 1). Zwei Messstationen in einem Technikraum über der Fahrbahn erfassen vor und nach dem aktiven Tunnelabschnitt (Luv und Lee) die Messwerte. Aufgrund der kinetischen Labordaten und Modellrechnungen zu den eingesetzten Oberflächen [13], sowie einer älteren Tunnelstudie [7] ist eine Effizienz im zweistelligen Prozentbereich für den photokatalytischen NOx-Abbau zu erwarten. Beim periodischen Ein- und Ausschalten der UV-Lampen wurde das erwartete Ergebnis jedoch nicht bestätigt. Es zeigten sich keine großen Änderungen zwischen Luv und Lee (Bild 2). Um die statistische Aussagekraft zu erhöhen und unabhängig von Emissionsschwankungen im Tunnel zu sein, wurde CO2 als photokatalytisch inaktiver Tracer für Fahrzeugemissionen verwendet. Veränderungen im mittleren NOx-zu-CO2-Verhältnis sind dann ein Maß für den photokatalytischen Abbau. Ein Vergleich der NOx/CO2-Daten zeigte, dass kein photokatalytischer NOx-Abbau messbar war. Für den 160 m langen Tunnelabschnitt wurde ein Wert von 2 Prozent ermittelt. Um das von der Theorie abweichende Ergebnis zu verstehen, wurden Laborstudien mit im Tunnel verwendeten rtelproben durchgeführt [14]. Die Messungen zeigen eine starke Deaktivierung der photokatalytischen Aktivit. Ursache dafür sind die hohe Belastung mit Schadstoffen und Partikeln, sowie die schwache UVA-Bestrahlung (ca. 2 W·m–2 verglichen mit bis zu 50 m–2 bei idealer Sonneneinstrahlung). Modellrechnungen, die diese Deaktivierung berücksichtigten, ergaben eine theoretische NOx-Reduktion von 0,4 Prozent. Der ermittelte Wert liegt unter der Nachweisgrenze der experimentellen Messungen. Das Ergebnis wurde r andere untersuchte Schadstoffe bestätigt.

Schadstoffbildung an katalytischen Oberflächen

Im Tunnel bildete sich Formaldehyd (HCHO). Die toxische, leicht flüchtige, organische Substanz und weitere Schadstoffe bildeten sich beim photokatalytischen Abbau von organischen Additiven im Spritzmörtel. HCHO-Emissionen nehmen zwar durch den photokatalytischen Abbau der organischen Additive mit der Zeit ab, jedoch entsteht auch beim Abbau von VOC aus der Luft Formaldehyd als Nebenprodukt.

Bevor photokatalytische Oberflächen in die Anwendung gehen, ist daher bei der Entwicklung darauf zu achten, dass sich keine sekundären Schadstoffe bilden.