Cemento fotocatalitico

, ,
cemento fotocatalitico

Sappiamo che il cemento è un materiale fondamentale nelle costruzioni, sempre più evoluto nel tempo. Recentemente, infatti, i materiali cementizi hanno subito diversi studi per poter ottenere sempre più prestazioni e applicazioni, con un minore impatto ambientale.

Ecco come nasce il cemento con funzioni fotocatalitiche, molto apprezzato tra i cementi multifunzionali – con diverse funzioni oltre a quella costruttiva.

Le proprietà del cemento fotocatalitico

La formulazione di questo calcestruzzo include un elemento, il biossido di titanio (TiO2), inserito come additivo o come strato superficiale.

Il biossido di titanio dona le sue proprietà di foto-catalizzatore: utilizza la luce solare e l’umidità per trasformare e degradare alcuni agenti inquinanti presenti nell’aria circostante.

Attira e trattiene le molecole d’acqua sospese in aria sotto forma di umidità, catturando contemporaneamente le polveri sottili, l’ossido di azoto e altre particelle sospese – finché non si decompongono.

Questo materiale, quindi, possiede una doppia funzionalità: è adatto alla costruzione e aiuta la degradazione degli inquinanti. È definito, infatti, “cemento mangia-smog”.

Cosa significa nello specifico?

Cos’è la fotocatalisi e come si applica al cemento

Un materiale fotocatalitico può ossidare e scomporre la materia organica.

Questo processo (fotodegradazione) avviene tramite le reazioni chimiche del materiale catalizzatore, in grado di agire quando viene illuminato dalla luce.

Si tratta di un fenomeno naturale conosciuto, e i materiali che possiedono proprietà fotocatalitiche sono già stati individuati.

La novità è data dallo sviluppo delle nanotecnologie, che ha permesso di aumentare le proprietà dei materiali cementizi, applicando materiali ridotti a particelle di dimensioni nanometriche.

Il biossido di titanio, che abbiamo citato, possiede un’attività fotocatalitica anche con dimensioni nanometriche: le particelle mantengono le loro proprietà quando vengono inglobate nel cemento.

Ad esempio, un fotocatalizzatore molto usato nel cemento è l’atanasio: una forma minerale naturale del biossido di titanio, che troviamo sotto forma di piccoli cristalli.

Il vantaggio? Purifica l’aria!

Questo cemento fotocatalitico può eliminare alcuni inquinanti organici come gli ossidi di azoto – riconosciuti come uno dei principali fattori legati alle malattie respiratorie.
Il biossido di titanio Trasforma questi ossidi (NO e NO2) in ioni nitrato (NO3-), che verranno lavati via dalla pioggia o inclusi nel calcestruzzo formando dei composti stabili e non più nocivi.

Dato che la qualità dell’aria è al centro di molte normative e strategie ecologiche, la scelta di usare il cemento fotocatalitico nelle superfici esterne degli edifici, potrebbe contribuire a disinquinare l’ambiente circostante.

Altro punto a favore di questo cemento: il suo contenuto di biossido di titanio fotocatalitico (TiO2) è stabile e non tossico. Non aumenta i rischi per la salute delle persone, rispetto a quelli noti per il cemento classico.

La capacità autopulente del cemento

Ecco un altro fattore importante. Generalmente, i metodi comuni per rimuovere gli inquinanti atmosferici sono la filtrazione e l’assorbimento. I materiali che assorbono gli agenti inquinanti, vengono puliti e trattati con una rimozione fisica.

Al contrario, i prodotti creati secondo il principio fotocatalitico sono dotati di “performance” di auto-pulizia. Questa proprietà è dovuta allo sviluppo della “superidrofilicità”.

Si tratta di un effetto correlato alla decomposizione delle sostanze inquinanti, dato che il processo di fotocatalisi può attivare il meccanismo autopulente.

Le particelle di acqua non formano delle gocce sulle superfici trattate con il biossido di titanio. La conseguenza sarà che l’acqua non si adagia ma cade (anche sotto forma di vapore), trascinando con sé i residui e le particelle di sporco.

La superficie si pulisce anche in assenza di detergenti: le polveri inorganiche difficilmente riescono depositarsi e i microrganismi già degradati con la fotocatalisi vengono eliminati tramite le superfici alcaline del calcestruzzo.

Come effetto collegato a questo, la costante auto-pulizia degli edifici ne mantiene l’estetica e il colore originario, esigendo meno manutenzione.

Combinando la fotocatalisi con la superidrofilicità, le proprietà di questo cemento diventano veramente uniche.

cemento fotocatalitico general cover

Prestazioni variabili del cemento fotocatalitico

Visto che il materiale reagisce con la luce, la sua efficienza è influenzata da vari fattori. Le presentazioni dipendono dall’energia e dall’intensità della radiazione solare ricevuta dal fotocatalizzatore: latitudine, stagione, ora del giorno, angolo di esposizione e condizioni meteorologiche.

Per evitare i limiti dell’intensità dei raggi UV, molte ricerche si sono concentrate su come migliorare l’attivazione dell’ossido di titanio anche con la minima luce, aggiungendo azoto al cemento.

Di contro, questo cemento unisce le performance auto-pulenti con quelle dei materiali cementizi classici: la forte capacità di assorbimento.

Grazie alla sua natura porosa, il cemento è un ottimo materiale per il caricamento di fotocatalizzatori. Nasce così un cemento che sfrutta la struttura porosa del calcestruzzo, ingloba le particelle fotocatalitiche, e mantiene le proprietà meccaniche e di resistenza alla compressione.

Preparazione del cemento fotocatalitico

I materiali fotocatalitici a base di cemento vengono creati basandosi sul principio per cui le particelle fotocatalitiche vengono incorporate nel calcestruzzo.

Il processo non è affatto semplice, anzi è stato definito “una sfida” perché bisogna introdurre sulla superficie del materiale cementizio la massima quantità di materiale catalizzatore.

Allo stesso tempo, è necessario fissare le particelle fotocatalitiche, in modo che non si disperdano con l’azione degli agenti atmosferici (pioggia, vento, etc.) e con l’abrasione della superficie cementizia.

Per raggiungere questi obiettivi, sono stati sviluppati due metodi:

  • la miscelazione meccanica delle particelle fotocatalitiche con i materiali cementizi
  • il rivestimento della superficie del calcestruzzo con formulazioni contenenti fotocatalizzatori.

La ricerca su questo materiale era già partita nel 1996 alla Italcementi (grazie agli studi del chimico Luigi Cassar). Inizialmente, con l’obiettivo di trovare un elemento autopulente, che evitasse la formazione di macchie sulle superfici dovute all’inquinamento.

Nel tempo, le ricerche misero in luce le proprietà mangia-smog, e uno dei primi paesi a studiarlo in modo approfondito fu il Giappone. Nel Sol Levante la tecnologia della fotocatalisi è entrata nell’industrializzazione, anche con l’applicazione delle pellicole fotocatalitiche sulla superficie delle piastrelle.

Applicazioni e studi sui materiali fotocatalitici a base di cemento

Nella formulazione con il biossido di titanio attivo, in percentuale 1-5%, il cemento fotocatalitico è diventato disponibile in diversi prodotti, come pavimentazione e altri calcestruzzi strutturali.

Ad oggi, si utilizzano leganti premiscelati per la produzione di questo tipo di cemento catalitico, ma non è un materiale così diffuso.

Il suo prezzo è molto superiore a quello del cemento ordinario, perché il processo di produzione è più complicato. Si devono applicare due strati, in cui la miscela fotocatalitica viene usata per lo strato esterno più sottile (minori quantità ma procedimento complesso).

Per ora, infatti, la sua applicazione su larga scala non è ancora avvenuta, ma questo materiale è stato usato per la costruzione di edifici prestigiosi, dove i costi elevati sono tollerati.

Questo fattore economico viene considerato un piccolo “blocco” alla sostituzione del cemento ordinario con quello fotocatalitico.

Da qualche anno vengono studiate, infatti, varie soluzioni per ottimizzare i costi. Una curiosità? È in fase di sviluppo un calcestruzzo fotocatalitico rinforzato con fibre di vetro (GRC), che consente modifiche minime al processo produttivo.  Questo legante risulta ottimo per i rivestimenti delle pareti esterne, per renderle “attive” con la fotocatalisi.

Nonostante tanti investimenti, non sarà semplice diffondere in tempi brevi questi materiali innovativi, nella pratica edilizia generale.

Dato che rappresentano una risorsa per l’edilizia e l’ambiente, per i tanti motivi che abbiamo esposto, i cementi catalitici sono un investimento sul futuro. Una delle tecnologie più sostenibili nell’edilizia per il disinquinamento atmosferico, soprattutto in ambito urbano.