IAG157-01-2013EXPERIENCIA DE FIRMES DESCONTAMINANTES EN ZONA URBANA.

EVALUACIN DE LA CAPACIDAD FOTOCATALTICA DEL FIRME TRANSCURRIDO UN TIEMPO MEDIANTE CAPTADORES PASIVOS

EXTERNOS Y MTODOS EN LABORATORIOEXPERINCIA DE ESTRADAS DESCONTAMINANTES EM ZONA

URBANA. AVALIAO DA QUALIDADE DO AR ATRAVS DE CAPTADORES PASSIVOS

Julio Lpez AyerraCTCON

Murcia, Espaajlayerra@ctcon-rm.com

Carlos Rodrguez LpezCTCON

Murcia, Espaacrodriguez@ctcon-rm.com

Antonio Trigueros RomeroCTCON

Murcia, Espaaatrigueros@ctcon-rm.com

Salvador Martnez PeriagoCTCON

Murcia, Espaasmartinez@ctcon-rm.com

Ignacio Garcia-Legaz QuesadaCTCON

Murcia, Espaaigarcialegaz@ctcon-rm.com

Manuel IniestaCTCON

Murcia, Espaaminiesta@ctcon-rm.com

Jose Miguel ArandaCTCON

Murcia, Espaajmaranda@ctcon-rm.com

Resumen

Las reacciones de combustin en presencia de oxgeno (del aire) son el origen de la formacin de compuestos nitrogenados ms conocidos como NOx. Estos compuestos participan en la formacin de lluvia cida y en el smog fotoqumico. Un porcentaje alto de los NOx presentes en la atmsfera proviene de los gases de escape de los coches. El dixido de nitrgeno es un gas irritante que afecta rpidamente a las vas respiratorias, derivando en problemas que pueden ser especialmente peligrosos para los grupos de riesgo, tales como asmticos, ancianos y nios.Los NOx generados en los gases de escape de los vehculos pueden ser destruidos gracias a la accin fotocataltica del xido de titanio (TiO2).Este estudio contempla la descripcin detallada de la aplicacin del TiO2 en la pavimentacin de un firme asfltico en una va urbana y la comprobacin del proceso descontaminante citado. La aplicacin del xido de titanio ha sido realizada mediante deposicin superficial entre la precompactacin, y la compactacin final de la mezcla bituminosa.La evaluacin del efecto descontaminante del firme ejecutado se ha estudiado con dos ensayos diferentes. En primer lugar, se han realizado determinaciones de la calidad del aire en la va urbana donde se ha aplicado el firme descontaminante en periodos de tiempo anterior y posterior a la aplicacin del producto fotocataltico, con objeto de comparar la concentracin de NOx, en las mismas condiciones ambientales y al mismo tiempo. El mtodo utilizado para la medicin de las concentraciones de NOx ha sido in situ, mediante captadores pasivos ubicados en la misma va urbana pavimentada con firme descontaminante.Asimismo, mediante la extraccin de testigos del firme descontaminante se ha evaluado la capacidad fotocataltica del firme despus de transcurrido un tiempo en el laboratorio utilizando un reactor con introduccin de gases contaminantes.

Resumo

As reaces de combusto na presena de oxignio (ar) a origem da formao de compostos de azoto, conhecidos como NOX. Estes compostos esto envolvidos na formao de chuva cida efotoqumico. Uma elevada percentagem de NOX presentes na atmosfera tem origem nos gases de escape dos automveis. O dixido de nitrognio um gs irritante que afeta rapidamente as vias areas, levando a problemas que podem ser especialmente perigosa para os grupos de risco comoos asmticos, idosos e crianas.O NOx gerado nos gases de escape dos veculos pode ser destruda pela aco fotocataltica do xido de titnio (TiO2).Este estudo fornece uma descrio detalhada da aplicao do TiO2 em forte pavimentao asfltica em um descontaminao verificao urbana e citado processo. A aplicao do xido de titnio foi realizado pela deposio de superfcie entre a pr-compactao e compactao dobeto final. A avaliao da firma executado efeito de descontaminao tem sido estudada em doisensaios diferentes. Em primeiro lugar, foram feitas medies da qualidade do ar em estradasurbanas, onde descontaminante firmemente aplicadas em perodos antes e depois da aplicao do

produto fotocataltico, a fim de comparar a concentrao de NOx na mesma condies ambientais e ao mesmo tempo. O mtodo utilizado para medir as concentraes dos NOx foi "in situ", utilizando amostradores passivos localizados na mesma estrada pavimentada urbano com fortedescontaminante. Alm disso, ao retirar o ncleo do descontaminante pavimento foi aviliada a capacidade firme fotocatalitico aps uma hora no laboratrio utilizando um reactor com a introduo do gases poluentes.INTRODUCCION

Cada ao mueren entre 16.000 y 20.000 personas en Espaa, unas 300.000 en Europa y ms de dos millones en todo el mundo a causa de la mala calidad del aire. Los estudios realizados por diversos organismos acreditados, entre los que se encuentra la Organizacin Mundial de la Salud (OMS), revelan que el trfico genera alrededor del 75% de los contaminantes ms dainos, que causan desde alteraciones pulmonares y problemas cardacos, hasta la muerte. Entre los contaminantes que genera el trafico, estn los NOx que provienen principalmente de la combustin de la gasolina, el carbn y otros combustibles siendo los principales causantes del esmog fotoqumico y de la lluvia cida. El primero, una mezcla entre niebla y humo, que se produce por la reaccin entre los xidos de nitrgeno con los compuestos orgnicos voltiles. En altas concentraciones, puede producir dificultades respiratorias en las personas asmticas, accesos de tos en nios y trastornos en general del sistema respiratorio. La lluvia cida se forma cuando la humedad en el aire se combina con los NOx, as como con el dixido de azufre emitido por fbricas, centrales elctricas y vehculos. Afectando a la vegetacin y alterando la composicin qumica del agua de los lagos y ros.La importancia de reducir los niveles de xido de nitrgeno y compuestos orgnicos voltiles tambin radica en que son precursores del ozono troposfrico, un potente agente oxidante que se forma mediante una serie de reacciones fotoqumicas en las que participan estos dos elementos y la radiacin solar. Por ello, el rea mediterrnea y, en particular, la Regin de Murcia, experimenta valores elevados de este contaminante entre los meses de mayo y agosto.Una de las vas de actuacin para reducir la contaminacin y aumentar la calidad del aire pasa por disminuir el trfico motorizado. Sin embargo, ante la dificultad que supone cambiar un estilo de vida basado en desplazamientos motorizados, una de las soluciones pasa por fabricar superficies cercanas al foco de contaminacin capaces de absorber las sustancias nocivas para la salud humana.En este sentido, surgen principios activos, como el Dixido de Titanio que permiten, mediante procesos de fotocatalizacin, reducir las concentraciones de NOx, cuando estos se aplican sobre las capas de rodadura en las vas urbanas (Figura 1). Adems de reducir la contaminacin atmosfrica en las ciudades, el Dixido de Titanio tiene propiedades bactericidas y de degradacin de la materia orgnica.

Figura 1: Esquema del proceso descontaminante de los fotocatalizadores

El objetivo de este trabajo experimental ha sido evaluar la capacidad de mejora de la calidad del aire por el empleo de un firme asfltico con Dixido de Titanio (TiO2). Para ello se han realizado mediciones en la va pavimentada durante los meses previos y posteriores a la aplicacin del producto.

PLAN EXPERIMENTAL

Caractersticas de los catalizadores

Para la eleccin del TiO2 ms adecuado se realizaron ensayos previos sobre el material directamente. En primer lugar se evalu la capacidad de degradacin de materia orgnica. Para llevar a cabo este ensayo, se realizaron deposiciones sobre dos bandejas de un catalizador compuesto por TiO2 comercial (Dupont Ti-Pure R-706) de tamao de partcula 360 nm , y de otro nanoestructurado de anatasa con tamao de partcula de 20 nm a las que se le aadi rodamina en estado slido y mezclada con agua. En la fotografa 1 se aprecian bandejas con el TiO2 convencional (bandeja grande) y el TiO2 nanoestructurado fotocataltico (bandeja pequea)(Fotografa 1).

Fotografa 1: Bandejas con los TiO2 (normal y nanoestructurado)

En las primeras 12 horas, el catalizador nanoestructurado haba eliminado totalmente el residuo orgnico incorporado con agua, mientras que el TiO2 normal lo haba hecho solo parcialmente (Fotografia 2). La rodamina solida (sin agua) no fue eliminada por ninguno de los catalizadores empleados.

Fotografa 2: Accin fotocataltica de los TiO2 despus de 12 horas de ensayo

Paralelamente, se realizaron pruebas para evaluar la capacidad de reduccin de NOx. Para ello, se realizaron ensayos en una cmara estanca en la que se introdujo gas con una concentracin de 2000 ppm de CO2, y 400 ppm de NO2, y una bandeja que contena los fotocatalizadores (TiO2) que se evaluaron (Fotografa 3).

Fotografa 3: Ensayo para determinar la reduccin de NO2.

En la grafica 1 se muestran los resultados obtenidos. Como se puede apreciar, despus de 135 minutos se produce una reduccin total de los NO2 usando el TiO2 nanoestructurado. En el caso del TiO2 de tamao convencional, la reduccin de NO2 es ms lenta y no llega a reducirse al 100% durante el tiempo del ensayo. Se realiz un ensayo en blanco, sin catalizador, comprobndose que no exista reduccin de NO2 en el transcurso del tiempo.

Grfica 1: Reduccin de los NO2.

0

20

40

60

80

100

120

140

5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 165 175

ppm

NO

2

Tiempo en minutos

Reduccin de NO2

TiO2 nano

TiO2 normal

0% TiO2

En definitiva, y despus de analizar estos resultados previos se decidi emplear TiO2 nanoestructurado, dado que tena una mayor capacidad de reducir los NOx. Las caractersticas tcnicas del fotocatalizador empleado se presentan en la tabla 1.

Tabla 1: Caracterizacin del TiO2

Propiedad Ensayo Resultado

Estructura cristalina Anatasa

Tamao (nm) Microscopio 20

Superficie especifica (m2/gr) ISO 4562 100PH ISO 787/9 5

TiO2 contenido (%) Ignicin 900 C0 98

Dosificacin y puesta en obra

La aplicacin del TiO2 en la superficie de va urbana, puede hacer que ste acte rebajando las concentraciones de xido de nitrgeno, y por lo tanto descontaminando el ambiente urbano. Este estudio consiste en comprobar estos pavimentos descontaminantes en vas cntricas de la ciudad de Murcia rodeadas de zonas comerciales donde existe abundante trfico a baja velocidad (< 30 Km/h). El tipo de pavimento asfltico de rodadura donde se ha aplicado el TiO2 ha sido AC16 SURF 35/50 S, siendo la mezcla ms habitual usada en vas urbanas de esa tipologa de trfico.El vial tratado tiene una longitud de 80 metros por 8 metros de ancho (640 m aprox.), arquitectnicamente est rodeada de edificios altos, siendo esta circunstancia negativa para la disipacin de los gases de combustin de los vehculos (Fotografa 4).

Fotografas 4: Calle Madre Esperanza. Murcia

Existen varias tcnicas de aplicacin de estos tratamientos en las superficies asflticas, siendo las ms habituales las siguientes:- Percolacin de una lechada de TiO2 sobre mezcla bituminosa. Esta aplicacin se realiza

en mezclas bituminosas drenantes. En nuestro caso no sera recomendable utilizarla por el tipo de mezcla que vamos a tratar.

- Pulverizacin. Esta tcnica es ms verstil y menos costosa que la tcnica anterior. Consiste en la aplicacin de TiO2 mediante su deposicin superficial mediante pulverizacin entre la precompactacin, y la compactacin final de la mezcla bituminosa despus de extenderla en la va urbana. Es el mtodo de ejecucin que se ha utilizado.

La dotacin de TiO2 utilizada ha sido de 25 grs./m.

Fotografas 5 y 6: Pulverizacin y final de compactacin del firme.

En las Fotografas 5 y 6 se aprecian detalles de la aplicacin por pulverizacin del TiO2, as como el aspecto del firme despus de compactarse.Se ha comprobado que esta tcnica de aplicacin por pulverizacin del TiO2 en los firmes asflticos, despus de su extendido y antes de la compactacin, presentan propiedades de adhesividad con el ligante y de durabilidad para soportar el desgaste debido a las cargas de trfico y a los fenmenos meteorolgicos, ya que en algunas zonas que quedaron con aplicacin irregular se ha mantenido el fotocatalizador adherido al ligante despus de transcurrido un tiempo.

Ensayos

Captadores pasivos

Para la evaluacin del efecto descontaminante en el firme ejecutado se ha procedido de dos formas distintas.En primer lugar, se han realizado determinaciones de la calidad del aire en la va urbana ejecutada en periodos de tiempo anterior y posterior a la aplicacin del producto fotocataltico, con objeto de comparar las mediciones de concentracin de NOx, en las mismas condiciones ambientales y al mismo tiempo. El mtodo utilizado para la medicin de las concentraciones de NOx ha sido in situ, mediante captadores pasivos ubicados en la misma va urbana pavimentada con firme descontaminante.Los captadores pasivos son unos dispositivos que adsorben los contaminantes de gas o de vapor de la atmsfera, con una velocidad controlada por un proceso fsico como la difusin a travs de una capa de aire esttico, o de permeacin a travs de una membrana, sin la intervencin de un movimiento activo de aire a travs del captador.El captador posee una geometra de tipo longitudinal en forma de tubo.El captador pasivo para medida de dixido de nitrgeno se basa en el principio de que el NO2 en la atmsfera se difunde a lo largo del tubo captador para ser quimiadsorbidos en el filtro impregnado de trietanolamina (TEA) que se encuentra al fondo del captador. El NO2 se quimiadsorbe en la TEA como nitrito. Al concluir cada periodo de muestreo, se procedi a la retirada de los equipos y ala recogida de las muestras, que, junto a los ensayos en blanco, fueron selladas in situ, y almacenadas en condiciones adecuadas (refrigeracin y atmsfera controlada) hasta su posteriortratamiento y anlisis en el laboratorio mediante espectrofotometra.Se colocaron dos captadores pasivos de xidos de Nitrgeno en la calle del centro de la ciudad de Murcia donde se iba a utilizar el firme descontaminante (Fotografa 7). El captador nmero 1se instal en la esquina de la va pavimentada con material descontaminante, mientras que elcaptador nmero 2 se instal a mitad de dicha va. La localizacin exacta de los dos medidores semuestra en la Fotografa 8

Fotografas 7: Captador pasivo Fotografas 8: Localizador captadoresPara evitar que se saturaran los tubos captadores se realizaron muestreos cada quince (15) das. Se llevaron a cabo cuatro determinaciones (dos meses) en los periodos anterior y posterior a la ejecucin del tratamiento. Los resultados obtenidos se exponen en la Tabla 2:

Tabla 2: Resultados de concentracin de NOx en los captadores pasivos

LOCALIZACION CAPTADOR PERIODO MEDICION

Concentracin NOX (g/m)

13,60

14,74

12,34

13,7510,4711,5210,9512,52

ANTERIOR AL TRATAMIENTO ( mediciones cada quince das)

POSTERIOR AL TRATAMIENTO ( mediciones cada quince das)

PUNTO 1

LOCALIZACION CAPTADOR PERIODO MEDICION

Concentracin NOX (g/m)

14,8015,0213,8211,5512,5011,9814,2013,45

PUNTO 2

ANTERIOR AL TRATAMIENTO ( mediciones cada quince das)

POSTERIOR AL TRATAMIENTO ( mediciones cada quince das)

En los resultados se aprecia que en los periodos de tiempo despus del tratamiento descontaminante en el punto 1 existe una disminucin de la concentracin de NOx, siendo en el punto 2 los valores ms similares. Por lo tanto, se deberan aumentar el nmero de determinaciones para que los resultados sean ms representativos y concluyentes. Siendo recomendable en prximas experiencias realizar ms determinaciones de la calidad del aire a lo largo del tiempo, adems de determinaciones de la calidad del aire en zonas cercanas, donde no se ha aplicado el producto, con objeto de comparar las mediciones de concentracin de NOx, en las mismas condiciones ambientales y en el mismo periodo, que en las zonas donde se ha aplicado el producto fotocataltico.

Ensayo evaluacin capacidad fotocataltica en laboratorio

Otro mtodo para comprobar la capacidad fotocataltica del firme descontaminante transcurrido un tiempo, se realizo mediante la extraccin de testigos de dicho firme y se han sometido a la norma UNE-EN 22197-1, comprobando la capacidad que tiene el firme con material fotocataltico de eliminar el xido ntrico. El mtodo de ensayo descrito pretende obtener el rendimiento en la purificacin de aire de materiales fotocatalticos mediante la exposicin de una probeta a un aire contaminado modelo bajo iluminacin ultravioleta (UV). La eleccin del xido ntrico (NO) se debe a que es un contaminante tpico en el aire y a que genera productos no voltiles en la fotocatlisis. La probeta, que se coloca en un foto-reactor de tipo flujo, se activa con iluminacin UV, y adsorbe y oxida NO en fase gaseosa formando cido ntrico (o nitrato) en su superficie. Una parte del NO se convierte en dixido de nitrgeno (NO2) en la probeta. El rendimiento en la purificacin de aire se determina por la cantidad eliminada neta de xidos de nitrgeno (NOx) (= NO eliminado NO2 formado). La adsorcin y desorcin simple de NO por parte de la probeta (no debida a la fotocatlisis) se evala mediante ensayos en la oscuridad. Aunque la actividad fotocataltica se reduce por la acumulacin de productos de reaccin, esta normalmente se restaura mediante el lavado con agua. El ensayo de elucin proporcionado aqu da informacin sobre la facilidad de regeneracin y sobre el balance material de contaminantes.El equipo de ensayo permite examinar la capacidad de eliminacin de contaminantes de un material fotocataltico mediante el suministro continuado del gas de ensayo mientras se proporciona irradiacin para activar el fotocatalizador. Est formado por un suministrador de gas de ensayo, foto-reactor, fuente de luz, y equipamiento para la medicin de contaminantes. Un esquema del equipo seria lo siguiente (Grfico 2) :

Grfica 2: Esquema del foto-reactor de laboratorio.

1.- Fuente de luz3.- Probeta8.- Mezcladores de gases10.- Analizador

Los resultados obtenidos por este ensayo nos mide la cantidad de xidos de nitrgeno (NOx) eliminados por la probeta expresada en mol durante 5 horas de fotoirradiacin, mediante la siguiente frmula:

nNOx eliminados = nNOx adsorbido + nNO eliminado nNO2 formado n NOx desorbido

Se han extrado dos testigos en la calle donde se extendi el firme descontaminante en los puntos donde se ubicaron los dos captadores pasivos (punto 1 y 2) transcurridos cuatro meses de su puesta en obra.

TESTIGO 2.1.- AC16-SURF 35/50-S.- Muestra de firme descontaminante - Punto 1TESTIGO 2.2.- AC16-SURF 35/50-S.- Muestra de firme descontaminante - Punto 2

Se ha realizado una determinacin por testigo y los resultados han sido los siguientes (Tabla 3):

Tabla 2: NOx eliminado en testigos segn norma UNE ISO 221797-1

TESTIGO NOX ELIMINADO (mol)TEST. 2.1 - TiO2 0,55

TEST. 2.2 - TiO2 0,44

En la actualidad se est pendiente de realizar ms determinaciones a los mismos testigos y de extraer ms especmenes (testigos) de los mismos firmes ensayados para poder sacar conclusiones objetivas.

CONCLUSIONES

Esta tecnologa permite utilizar un sistema descontaminante (productos fotocatalticos en firmes asflticos de rodadura) junto al principal foco de contaminacin de las grandes ciudades como son los gases de combustin de los vehculos.

En referencia al mtodo de pulverizacin de aplicacin del TiO2 utilizado, se comprueba que puede ser efectivo para la durabilidad del firme descontaminante por la ptima adhesividad del producto fotocataltico al ligante.

Las mediciones realizadas con captadores pasivos nos demuestra la capacidad descontaminante de los firmes con productos fotocatalticos, si bien los resultados no han sido concluyentes, siendo necesaria la realizacin de ms mediciones para cuantificar la reduccin de los NOx de los firmes descontaminantes.

AGRADECIMIENTOS

Los autores de este trabajo manifiestan su agradecimiento a la Concejala de Calidad Urbana e Infraestructuras del Ayuntamiento de Murcia (Espaa) por su colaboracin en el proyecto realizado.

REFERENCIAS

UNE ISO 12197-1.- Mtodos de ensayo relativos al funcionamiento de materiales fotocatalticos semiconductores para la purificacin del aire. Parte 1.- Eliminacin del oxido ntrico.

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