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Photokatalytische Pigmente
Photokatalyse
Wirkungsweise und Funktion des PS-Photonox System
​Photokatalyse ist eine natürliche Reaktion in Gegenwart von Licht, Wasser und Sauerstoff. Die Reaktion wird durch einen Katalysator
(PS-Photonox) beschleunigt und durch die Energie des UV-Lichts aktiviert („Foto“).
Wenn PS-Photonox dem UV-Licht ausgesetzt wird, entstehen Elektron-Loch-Paare, die Reduktions- und Oxidationsreaktionen durch Bildung adsorbierter Radikale auf der Oberfläche ermöglichen. Diese Radikale sind äußerst reaktionsfreudige Spezies und in der Lage, die Schadstoffe abzubauen, die auf die photokatalytische Oberfläche treffen oder von dieser absorbiert werden.
Die Reaktion des Abbaus wandelt schädliche Stoffe wie Stickoxide, Schwefeloxide, VOC (flüchtige organische Verbindungen) in harmlose Substanzen um.
Der Katalysator (PS-Photonox) wird durch diese Reaktion nicht verbraucht, wodurch ein kontinuierlicher Prozess während der Lebensdauer einer photokatalytischen Oberfläche gewährleistet ist.
Titandioxid ist ein Rohstoff, der in verschiedenen Anwendungen weit verbreitet ist. Es ist das weiße Pigment, das die meisten Gegenstände färbt, die wir in unserem täglichen Leben sehen und verwenden. Beschichtungen, Wandfarben, Kunststoffe und Papier
sind nur einige Beispiele für TiO2 erzielen Sie weiße Farbe sowie, um den erforderlichen Grad der Opazität zu erreichen. Titandioxid ist nicht nur in weiß gefärbten Materialien enthalten, sondern es ist eine Schlüsselkomponente, wenn Opazität benötigt wird. Spezialqualitäten von TiO2 werden in der Keramik, in der Elektronik, in Kosmetika und sogar in Arzneimitteln und Nahrungsmitteln sowie in katalytischen Anwendungen für industrielle Prozesse.
Photokatalytisches TiO2 hat spezifische Eigenschaften und ist unterschiedlich aus der pigmentierten Version. Die Morphologie und die Eigenschaften der ultrafeinen Partikel wurden entwickelt, um die beste katalytische Aktivität zu erzielen und einen optimalen Einbau in eine Vielzahl von Matrices zu ermöglichen. Spezifische Photokatalysatoren werden bei der Pigmentsolution GmbH entwickelt zur Verwendung in Farben, Lacken, zementgebundenen Werkstoffen oder zum direkten Auftragen auf Oberflächen (z. B. auf Filtermedien für Luftaufbereitungsanlagen).
Warum Photokatalyse?
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Photokatalytische Oberflächen können lokal drastisch reduzieren NOx-Werte
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Leistungs-Effekt über längere Zeit quantitativ bewertet Perioden
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Computational Fluid Dynamics-Berechnungen ermöglichen das Definieren optimaler zu behandelnder Oberfläche
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Photokatalytische Beschichtungen sind kostengünstig und einfach aufzutragen.
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Ein nützliches Werkzeug zur Unterstützung der NOx-Reduzierung in Gebieten von Nichterreichung der Luftqualität
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Photokatalytische Materialien zersetzen ebenfalls wirksam organische Flecken, Schimmelpilze und Algen, die sich an exponierten Stellen ansammeln. Der Selbstreinigungseffekt wurde wiederholt nachgewiesen an Gebäudeaußenfassaden, an beschichteten Strukturen und an Verkehrsinfrastrukturen
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Luftverschmutzung und insbesondere NOx-Schadstoffe sind nach wie vor von großer Bedeutung Problem in entwickelten und aufstrebenden Regionen.
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Das Problem zwingt die lokalen Behörden, Maßnahmen zu ergreifen.
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Photokatalyse kann als neuartige und bewährte Lösung vor Ort hilfreich sein die gesetzlichen Obergrenzen einzuhalten.
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Planungs-, Bau- und Nachlassverwaltungsunternehmen können ihre Projekte oder Geschäfte mit wenig differenzieren
Pflege- und Reinigungsmittel.
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Die Pigmentsolution steht den Entwicklern von Beschichtungssystemen mit Ihren akkreditierten Laboren unterstützend zur Seite.
Photokatalytische Pigmente
Folgende Schadgase bzw. Schadstoffe werden abgebaut:
• Schadgasbelastungen, wie sie durch Industrieanlagen und Autoverkehr entstehen, also primär Stickoxide.
• Fettartige Verschmutzungen wie z. B. Stearate.
• Auch Bakterien und Schimmelpilzsporen können durch die Nutzung der Photokatalyse deutlich reduziert werden.
•Formulierungen mit photokatalytischen Pigmenten sind in der Lage, durch den Einfluss von Licht organische Verschmutzungen auf
molekularer Ebene wirksam zu zersetzen. Abbauprodukte können durch Regen unterspült und abgewaschen werden. Die Ansiedlung
von Moos und Algen wird im Außenbereich stark gehemmt. Die Anwendung ist grundsätzlich auf allen geschlossenen oder offenporigen
mineralischen Untergründen einsetzbar.
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Photokatalytische Selbstreinigung bezeichnet eine Eigenschaft von Oberflächen, die mit Photokatalysatoren, zum Beispiel Nanopartikeln aus Titandioxid (TiO2), beschichtet wurden. Durch Bestrahlung mit (Sonnen)-Licht werden organische Materialien auf der Oberfläche zersetzt. Die Oberflächen bleiben sauber und wirken antimikrobiell. Bei manchen dieser Oberflächen bildet Wasser keine Tröpfchen sondern eine dünne Schicht, sodass mit dem Auge kein Beschlagen dieser Oberflächen zu erkennen ist („superhydrophile Oberfläche“).
Wirkungsweise am Beispiel Titandioxid
Grundlage des Verfahrens ist die Photokatalyse. Titandioxid (TiO2) ist ein Halbleiter; Licht erzeugt darin Elektron-Loch-Paare, wenn die Energie der Photonen größer als die Bandlücke Eg ist (innerer photoelektrischer Effekt). Die Elektronen oder Löcher können im Titandioxid an die Oberfläche diffundieren und erzeugen dort Radikale, die zur Zersetzung organischer Substanzen führen. Insbesondere die Löcher haben eine hohe oxidative Wirkung; aus Wasser (H2O) werden OH-Radikale gebildet. Organische Substanzen werden dadurch zersetzt; Endprodukte sind CO2 und Wasser.
Die Bandlücke von Anatas, der für Photokatalyse effizientesten Form von TiO2, liegt bei 3,2 eV (bei der weniger effizienten Kristallstruktur Rutil ca. 3,0 eV), dies entspricht eine Licht-Wellenlänge von ca. 390 nm. Damit wird für die Photokatalyse ultraviolettes Licht benötigt. Da der UV-Bereich nur einen geringen Teil des Sonnenlichts ausmacht, gibt es Bestrebungen, die Bandlücke von Anatas durch Dotieren zu verringern und so einen größeren Bereich des Sonnenlicht-Spektrums auszunutzen.
Die superhydrophilen Eigenschaften der Oberflächen kommen durch Sauerstoff-Leerstellen an der TiO2-Oberfläche zustande. An diesen Stellen werden OH-Gruppen gebunden, die zur guten Benetzung mit Wasser führen.
Photonox: Zusatz in der Vorsatzschalung von Pflastersteinen
Der Betonprüfkörper "Photonox" wurde auf den Abbau von NO in der Gasphase untersucht und vor der Messung für 5 Tage mit
1 mW/cm2 UV-A Licht vorbestrahlt.
Abbau von NOx
Die photokatalytische NO-Oxidation wird in einer Apparatur gemessen, in der Luft (relative Luftfeuchte 50%) mit einem Gehalt von 1 ppm NO und einer Flussrate von 3 L/min über eine Probe der Größe 50 x 100 mm2 geleitet wird. Die Analyse erfolgt mit einem NO/NO2-Analysator, der über einen Fluoreszenzdetektor mit einer Nachweisgrenze von 1 ppb NO verfügt. Die Bestrahlung erfolgt mit UV-(A ) Lampen, wobei die Lichtintensität an der Probenoberfläche 1 mW/cm2 beträgt.
Auswertung:
Die Bestrahlungsleistung beträgt 1 mW/cm2, was bei einer Probengröße von 50 cm2 einer Gesamtleistung von 50 mW entspricht.
Bei einer mittleren Bestrahlungswellenlänge von 350 nm gilt: 50 mW = 1, 47 x 10-7 molhν/ s
Die kontinuierliche Messapparatur wird mit einer Flussrate von 3 L/min betrieben. Für ein ideales Gas gilt:
24 L Gas = 1 mol (bei p = 1 bar und 25°)
d.h., in 8 min strömt 1 mol Gas über die Probe. Davon sind 1 ppm NO, also strömen 10-6 mol NO über die Probe. In dieser Zeit wird
die Probe mit 1, 47 x 10-7 molhν / s x 60 s/min x 8min = 70 x 10-6 molhν bestrahlt.
Bei einem vollständigen Abbau des zudosierten NO würde die Photoneneffizienz ζ somit:
ζ = 10-6 mol NO / 70 x 10-6 molhν = 0, 0143 = 1,43 %
betragen. Misst man einen Abbau von x ppm NO, so berechnet sich die Photoneneffizienz entsprechend nach folgender Formel:
ζx = x (ppm) * 1,43 (% / ppm)
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Ergebnisse Photonox
NO-Abbau : 0,159 ppm (Anfang)
Photoneneffizienz ζ = 0,23%
NO-Abbau : 0,148 ppm (Ende)
Photoneneffizienz ζ = 0,21%
NOx-Abbau : 0,102 ppm (Anfang)
Photoneneffizienz ζ = 0,146%
NOx-Abbau : 0,0565 ppm (Ende)
Photoneneffizienz ζ = 0,081 %
NO2-Bildung : 0,057 ppm (Anfang)
Photoneneffizienz ζ = 0,082%
NO2-Bildung : 0,0915 ppm (Ende)
Photoneneffizienz ζ = 0,13%
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Die hier verwendeten Testbedingungen entsprechen der Norm ISO 22197-1 (1 ppm NO, 3 L/min Luftströmung, 50% relative Luftfeuchtigkeit (RH), 1 mW/cm2 UV (A) Bestrahlung). Somit kann aus den hier gemessenen Daten, entsprechend der ISO Norm 22197-1, die abgebaute Menge NO in μmol berechnet werden: n NO = 3L min-1 / 22,4 L mol-1 x (C NO,in - C NO,out ) x 300 min
Für "Photonox":
C NO,in - C NO,out = 0,148 ppm, d.h., 0,148 μL/L n NO = 5,95 μmol (in 5 h Bestrahlungszeit)
Analog berechnet sich die Menge an abgebautem NOx:
n NOx = 3L min-1 / 22,4 L mol-1 x (C NOx,in - C NOx,out ) x 300 min
Für "Photonox":
C NOx,in - C NOx,out = 0,0565 ppm, d.h., 0,0565 μL/L n NOx = 2,3 μmol (in 5 h Bestrahlungszeit)
sowie abschließend die Menge an gebildetem NO2:
n NO2 = 3L min-1 / 22,4 L mol-1 x (C NO2,in - C NO2,out ) x 300 min
Für "Photonox": C NO2,in - C NO2,out = 0,0915 ppm, d.h., 0,0915 μL/L n NO = 3,7 μmol (in 5 h Bestrahlungszeit )
Alternativ wird die folgende Berechnung häufig durchgeführt:
Das Molekulargewicht von NO beträgt 30 g mol-1, die beleuchtete Oberfläche beträgt 0,005 m2.
Der Abbau von 1 μmol entspricht 30 μg oder 6 mg/m2.
Der Prüfkörper Photonox baut 5,95 μmol in 5h, d.h. 1,19 μmol/h oder 7,14 mg NO/m2h ab.
Ein Wert von mehr als 5,0 mg NO/m2h kann als ausgezeichnete Abbauleistung angesehen werden.
Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse:
Mit einer Effizienz von ζ = 0,21% (NO-Abbau Endwert) zeigt der hier untersuchte Prüfkörper Photonox eine sehr gute Aktivität für den photokatalytischen Abbau von NO in der Gasphase.
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Unsere Bewertungsskala: ausreichend: 0,01% < ζ < 0,05%
befriedigend: 0,05% < ζ < 0,1%
gut: 0,1% < ζ < 0,2%
sehr gut: 0,2% < ζ < 0,5%
exzellent: ζ > 0,5%)