Năm 2001 RILEM TC 194- một báo cáo về “Ứng dụng xúc tác quang cho ngành vật liệu xây dựng” đã được công bố, trên đề xuất của Dr. Hiroyuki Yamanouchi (Quốc gia RILEM đại biểu cho Nhật). Mục đích của TC 194 là thu thập các dữ liệu lý thuyết và thành tựu thực tế của xúc tác quang TiO2 trong ngành xây dựng. Bắt đầu của thực tế ứng dụng xúc tác quang TiO2 bắt nguồn với việc khám phá của xúc tác quang tách nước trên điện cực TiO2 của hai Nhà Khoa học Nhật Bản Fujishima và Honda năm 1972. Trong những năm
16
sau đó, kỹ thuật xúc tác quang TiO2 đã được phát triển nhanh chóng và trở nên hấp dẫn trong ứng dụng tự làm sạch, làm sạch không khí và tác dụng kháng khuẩn trong ngành xây dựng công nghiệp. Những lợi ích của xúc tác quang TiO2 đang tiếp tục được khai thác cho hiệu ứng làm mát của hiện tượng đảo nhiệt và cho xử lý nước, đất.
Trong báo cáo RILEM TC 194-TDP nêu lên những phần chính trên nguyên tắc của xúc tác quang TiO2 bao gồm: Ứng dụng xúc tác quang TiO2 tác dụng kháng khuẩn và tự làm sạch tới vật liệu gạch ceramic, ứng dụng xúc tác quang TiO2 trên vật liệu xi măng bê tông cho mục đích tự làm sạch, ứng dụng xúc tác quang TiO2 cho làm sạch không khí và tiêu chuẩn hóa của phương pháp kiểm tra cho vật liệu xây dựng đối với xúc tác quang TiO2
[134].
+ Ứng dụng xúc tác quang TiO2 đối với gạch ceramic:
Gạch ceramic tự làm sạch dựa trên cơ sở TiO2 đã được thương mại hóa rộng rãi và đã được ứng dụng. Các công ty nhật đã kết hợp với Gs. Akira Fujishima đăng ký 20 bằng sáng chế trong lĩnh vực công nghệ xúc tác quang.
Để chế tạo bề mặt xúc tác quang TiO2 trên gạch ceramic, người ta thực hiện theo quy trình sau: Một dung dịch huyền phù chứa TiO2 dạng bột hoặc gel được phun trên bề mặt gạch ceramic và được nung ở nhiệt độ 600÷800oC (xử lý nhiệt để làm cho các hạt TiO2 thiêu kết và hút bám mạnh tới bề mặt gạch ceramic). Cuối cùng một màng mỏng được hình thành với độ dày khác nhau, từ vài phần tới một vài micro mét. Kết quả sản phẩm cho thấy các tính chất siêu ưa nước cao và cung cấp sự phân hủy ô nhiễm không khí trong nhà và ngoài trời (hình 1.8).
Hình1.8 Gạch ceramic xúc tác quang (a) trong phòng tắm (b) so sánh giữa gạch ốp tường phủ lớp xúc tác quang/siêu ưa nước (A) với gạch ốp tường thông thường (B)[116]
Thành công mới của gạch xúc tác quang năm 1998 đã thực sự được sản xuất và bán ở Nhật, sau đó đã phát triển hơn 5000 dự án và sự giới thiệu chúng trên thị trường Châu Âu. Các nhà máy sản xuất gốm sứ hàng đầu Châu Âu như Deutsche Steinzeng Cremer và Breuer AG đã giới thiệu kỹ thuật này từ Toto và bắt đầu sản xuất công nghiệp vào năm
17
2000. Toto đã thực sự chuyển giao một gói kỹ thuật, bao gồm cả giấy phép, một số cơ sở sản xuất và cung cấp các dung dịch huyền phù TiO2 phủ trên gạch.
Những lợi thế của gạch ceramic xúc tác quang có thể được tóm tắt như sau:
- Phân hủy vi khuẩn, nấm, tảo, rêu và vi trùng, - Loại bỏ các mùi,
- Cải thiện môi trường phòng ở,
- Duy trì các đặc tính đặc biệt của gạch, ví dụ: khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn hóa học,
- Dễ dàng làm sạch, - Tần số làm sạch thấp, - Không độc hại,
- Thân thiện với môi trường, - Bảo hành dài hạn,
- Đa dạng hóa các loại sản phẩm.
Những nơi mà gạch ceramic xúc tác quang có thể được ứng dụng là:
- Phục vụ thương mại và chế biến thực phẩm, - Lĩnh vực y tế,
- Bể bơi và khu vực sức khỏe, - Mặt tiền,
- Khu vực đại diện, - Phòng vệ sinh.
Chất bẩn được làm sạch như thế nào bởi nước mưa tự nhiên hoặc được làm sạch dễ dàng bởi bàn tay con người vì nó không bị hút bám tới gạch ceramic xúc tác quang thể hiện trên hình. Điều này cũng đúng đối với dầu, mỡ mà cho thấy có khuynh hướng tự nhiên để tách riêng ra khỏi gạch.
Hình1.9 So sánh hiệu ứng siêu ưa nước tự làm sạch của gạch ceramic thường (a) và gạch ceramic xúc tác quang (b)[116]
Hiệu suất tự làm sạch đã được xác nhận bởi nhiều thực nghiệm trong và ngoài trời. Các bụi bẩn và vết bẩn chất ô nhiễm dầu lắng đọng trên gạch trang trí nội thất được sử dụng
18
trong nhà vệ sinh hoặc trong bếp luôn là một vấn đề. Ví dụ: axit béo từ xác phòng có thể tạo dạng liên kết hóa học với các ion Ca, Mg trong nước cứng và hút bám tới bề mặt gạch, do đó khó để làm sạch sau lắng đọng chất bẩn. Vai trò của màng TiO2 xen giữa gạch ceramic và bề mặt chất bẩn hữu cơ có thể phá vỡ liên kết của chúng. Giải thích cho quá trình làm sạch dễ dàng hơn trên hình 1.10
Hình 1.10 Chất bẩn không có lực hút bám trên bề mặt của gạch xúc tác quang và được trôi rửa dễ dàng bởi nước [116]
Có một sự cân bằng giữa hoạt tính xúc tác quang oxi hóa và hiệu ứng siêu ưa nước. Để ứng dụng gạch ceramic với bề mặt tăng cường hiệu ứng siêu ưa nước khi TiO2 được pha tạp với SiO2 hoặc hợp chất silicon với liên kết siloxane.
Để ứng dụng gạch ceramic đảm bảo tính năng khử trùng, kháng khuẩn khi TiO2 được pha tạp với các hạt nano như Ag, Cu. Hình 1.11 cho thấy gạch ceramic xúc tác quang có thể phân hủy vi khuẩn như Escherichia coli trên bề mặt của nó. Gạch ceramic xúc tác quang TiO2 pha tạp Ag, Cu đảm bảo hoạt tính kháng khuẩn ngay cả khi không có chiếu sáng, vì vậy nó mạnh lên khi tác dụng diệt khuẩn là quan trọng thậm chí ngay cả ở những nơi bóng râm như là bệnh viện. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
19
Hình 1.11 Hoạt tính diệt khuẩn của gạch xúc tác quang [116]
Một tính chất hữu ích khác trong nhà được xác nhận là phân hủy khói thuốc lá, làm suy giảm chất dễ bay hơi như là benzen hoặc các chất hữu cơ có trong nước tiểu. Trên cơ sở này, một công ty Italian Gambarelli đã phát triển loại gạch ceramic cho tất cả các phòng của căn hộ và sử dụng ngoài trời. Thương hiệu của họ có tên là Oxygena đề cập tới vai trò của oxy hoạt động để thúc đẩy kháng khuẩn và hiệu quả chống sương mù.
Ceramic Oxygena được bảo vệ bởi sáng chế Quốc tế được đặt thương hiệu năm 2003. Sự đổi mới của gạch Ceramic Oxygena nằm trong hệ thống nung. Thật vậy, TiO2 có nhược điểm là làm mất tính chất xúc tác quang của nó tại 900oC. Gambarelli đã thành công trong việc tăng hệ thống nung mà ngăn cản tính năng làm mất tính chất chống ô nhiễm, cho phép gạch được nung ở nhiệt độ 1130oC, do vậy đảm bảo chất lượng tốt nhất của độ bền cơ học, chống mài mòn và tính chất chống ô nhiễm của gạch.
Một kiểm tra cho thấy rằng 1m2 gạch Oxygena chiếu sáng một ngày loại bỏ trong 8 giờ chất bẩn như là NOx, làm sạch một thể tích không khí là 72 m3. Như vậy dòng sản phẩm này dễ dàng loại bỏ các bụi bẩn lượng nhỏ bởi gió, mưa ngoài trời hoặc đơn giản là làm sạch trong nhà. Oxygena là sự lựa chọn của một vài khách sạn, biệt thự du lịch, trung tâm thể thao, phi trường và cũng có thể là các cá nhân.
Hình 1.12 và hình 1.13 là hình ảnh ứng dụng của gạch ceramic xúc tác quang Oxygena và Dahlia trong ngành vật liệu xây dựng.
20
Dahlia sản xuất và bán Ceramic Singapore và gạch men chức năng hóa TiO2 anata kích cỡ hạt nano với đặc biệt nhấn mạnh về hướng ứng dụng trong bếp và phòng tắm. Hongsheng Ceramic (Suzhou Industrial Park) Co.Ltd. đã thành công trong phát triển TiO2
phủ trên gạch Ceramic (Dahlia Design®) mà không ảnh hưởng đến tinh tế của gạch men. Họ cho rằng xúc tác quang phủ là một thế hệ mới của gạch kính, gạch ceramic tự làm sạch, kháng khuẩn, kháng nấm. Đây là sự mong đợi của mức cao của cuộc sống, chất lượng môi trường khoảng không gian xung quanh và mong muốn của mỗi người tới cuộc sống trong môi trường thoải mái, sạch sẽ và khỏe mạnh.
Hình1.12 Gạch Ceramic Oxygena sắp xếp từ dạng truyền thống tới hiện đại [116]
Hình1.13 Gạch Ceramic Dahlia sử dụng trong bếp và phòng tắm[116]
Gạch trong nhà và ngoài mặt tiền không những ứng dụng vật liệu ceramic xúc tác quang mà đối với gạch ốp mái cũng thực sự được phát triển thương mại bởi Công ty
21
German Erlus trong rất nhiều dạng khác nhau về hình dạng, kích cỡ và màu sắc (đỏ, nâu và đen) thể hiện trên hình 1.14 Sản phẩm có tên là Erlus Lotus, sản phẩm này là mái ngói làm sạch đầu tiên, phân hủy hạt bẩn hữu cơ như là mỡ lắng đọng, bụi bẩn, rêu và tảo sử dụng chiếu sáng mặt trời. Nước mưa làm rửa sạch các chất bẩn được tạo ra từ phản ứng. Dòng sản phẩm này đã giành được giải thưởng thiết kế trong ngành vật liệu trong danh mục của “Materials”.
Hình 1.14 Gạch ốp mái ceramic xúc tác quang[116]
+ Ứng dụng xúc tác quang TiO2 đối với bê tông:
Vật liệu xúc tác quang TiO2 cũng được ứng dụng đối với vật liệu kết cấu bê tông xúc tác quang. Có hai nhược điểm liên quan khi lắng đọng lớp (thông thường bề dày 0,3÷1,5cm) của bê tông xúc tác quang bao phủ chất nền, đó là:
- Các phản ứng và sự khuếch tán của sản phẩm có thể đưa từ lớp này tới vật liệu nền mà có thể trải qua sự phá hủy.
- Chỉ có một phần nhỏ của TiO2 sử dụng làm việc thực sự là xúc tác quang, do đó nó không đạt tới hoạt tính xúc tác quang bởi sự chiếu sáng.
Để giải quyết vấn đề này, sử dụng một lớp mỏng silica trơ làm lớp chặn đặc biệt chống lại sự ion hóa và khuếch tán phân tử hợp chất. Bê tông xúc tác quang với hướng nghiên cứu sử dụng nguồn chiếu sáng là năng lượng mặt trời, làm mở rộng ứng dụng hoạt tính bề mặt chất bán dẫn phân hủy chất bẩn. Hướng thú vị để giành được mục tiêu này là việc thay đổi số lượng cát trong phối liệu chuẩn bị làm bê tông với thủy tinh tái chế. Với sự truyền qua tốt của thủy tinh, tia sáng có thể xâm nhập thực sự qua bề dày lớn hơn so với bê tông thông thường. Ở đây các hạt SiO2 làm tăng phân tán ánh sáng tới đáng kể. Ánh sáng do vậy được phản xạ bởi kính và cho tia sáng dài hơn đi qua lớp cát trong bê tông trên hình 1.15 Như vậy sử dụng vật liệu tái chế làm tăng lên giá trị của vật liệu compozit này.
Vật liệu xúc tác quang nano TiO2 ứng dụng cho bê tông xúc tác quang được chế tạo theo quy trình: TiO2 được hỗ trợ một cách hiệu quả bằng cách ngâm tẩm trên chất hỗ trợ xốp như là đá bọt. Kỹ thuật này cho phép hấp phụ 50g/m2 chất xúc tác trên viên đá bọt.
22
Sau đó vật liệu trở nên mềm, được làm vừa khít trên chất nền chặt, như là xi măng trước khi đông cứng nó. Kết quả là vật liệu có thể dễ dàng tạo ra vật liệu kết cấu và làm suy giảm ô nhiễm không khí. Độ xốp của bột viên được mô tả là một phương tiện thông minh để tăng cường phản ứng quang.
Hình 1.15 Đường đi của ánh sáng và sự kích hoạt của TiO2 [116] trong một lớp bề mặt bê tông sử dụng thủy tinh nghiền
Những ứng dụng đầy đủ của bề mặt xúc tác quang ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu xây dựng đối với các sản phẩm; gạch ceramic, sứ vệ sinh ceramic, kính xây dựng, bê tông, được thể hiện là ngôi nhà Eco-life-type cho thấy ở hình 16 và 1.17 được công nhận bởi “Pana Home”, một công ty nhà Panasonic.
Hình 1.16 Ngôi nhà Eco-life-type sử dụng xúc tác quang tự làm sạch[116]
Ngôi nhà Eco-life-type với tính năng như sau:
- Sức khỏe và sự thoải mái: Bằng việc sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng gió tự nhiên kết hợp với thông gió cơ khí, sử dụng vật liệu tự nhiên, chất lượng không khí và độ ẩm môi trường được cải thiện.
- An toàn và an ninh: Cấu trúc của vật liệu kết cấu có độ bền đặc biệt đảm bảo an toàn với chống động đất cao.
- Sản xuất năng lượng và tiết kiệm năng lượng: Hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời được tích tụ ở mái ngói hoặc tiền sảnh, với hiệu ứng tự làm sạch được mang tới bởi kỹ thuật xúc tác quang giữ cho các bức tường bên ngoài ngôi nhà luôn được sạch sẽ, đồng thời nó cũng làm phân hủy ô nhiễm không khí đảm bảo môi trường không khí xung quanh luôn sạch sẽ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
23
Hình 1.17 Hình ảnh ứng dụng vật liệu xúc tác quang trong lĩnh vực vật liệ u xây dựng (Nhật Bản)[134]