اقرأ في هذا المقال
- ما هي الخرسانة التحفيزية الضوئية؟
- كيف يعمل التنظيف الذاتي في الخرسانة التحفيزية الضوئية؟
- الرطوبة الفائقة في الخرسانة التحفيزية الضوئية
- تكوين الخرسانة التحفيزية الضوئية
- تطبيقات الخرسانة التحفيزية الضوئية
ما هي الخرسانة التحفيزية الضوئية؟
تكافح العديد من المدن حول العالم مع زيادة أبخرة عوادم السيارات والضباب الدخاني الصناعي وأشكال أخرى من تلوث الهواء. حيث أنه ينتجان معًا مزيجًا من أكاسيد النيتروجين والمركبات العضوية المتطايرة وأول أكسيد الكربون وأكاسيد الكبريت والجسيمات. قد تمتد الآثار الضارة لهذه الملوثات إلى ما هو أبعد من المصدر الأصلي للانبعاثات. بحيث يتفاعل ثاني أكسيد النيتروجين والمركبات العضوية المتطايرة في الغلاف الجوي لإنتاج ملوثات ثانوية، مثل المطر الحمضي والضباب الدخاني والأوزون، والتي قد تؤثّر على مناطق بعيدة عن المدن والشوارع المزدحمة.
غالبًا ما يُطلق على المناطق الحضرية الأكثر تلوثًا أخاديد الشوارع، حيث تحيط الطرق المزدحمة بالمباني الشاهقة التي تعرقل انتشار أكاسيد النيتريك الضارة وغيرها من الملوثات. أيضًا، يشكل تلوث الهواء تهديدًا خطيرًا على صحة الإنسان والبيئة. ويمكن أن تسبب الملوثات من أنظمة العادم اسوداد قبيح وتدهور مكلف للجدران وواجهات المباني. كما أن ثاني أكسيد النيتروجين هو أحد الملوثات الستة التي حددتها وكالة حماية البيئة في المعايير الوطنية لجودة الهواء المحيط.
لقد أصبح من الواضح بشكل متزايد أن عددًا من الأنشطة البشرية وممارسات التنمية تؤثر سلبًا على الرفاه الاقتصادي والبيئي والاجتماعي للكوكب، ممّا يعرض الأجيال القادمة من البشرية، وكذلك الأنواع الأخرى، للخطر. ومن خلال اختيار مواد البناء المناسبة والعمارة والمناظر الطبيعية يمكن تقليل التأثير السلبي لتلوث الهواء. حيث أحد الحلول التي حظيت بالاهتمام يتضمن معالجة الملوثات بالقرب من مصدرها، في المدينة أو في الشارع.
شاركت مراكز الأبحاث اليابانية في دراسة قدرة الحد من التلوث لمركبات التحفيز الضوئي مثل ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2). بحيث في وجود الشمس أو الضوء الاصطناعي، يتفاعل ثاني أكسيد التيتانيوم المحفز ضوئيًا مع ملوثات الهواء، ويحولها إلى كميات صغيرة من الجزيئات الحميدة نسبيًا. كما تكشف كل من التجارب المعملية والميدانية أن إضافة ثاني أكسيد التيتانيوم إلى سطح الرصيف ومواد البناء يمكن أن يقلل بشكل كبير من تلوث الهواء، بنسبة تصل إلى 60% في بعض التطبيقات.
كيف يعمل التنظيف الذاتي في الخرسانة التحفيزية الضوئية؟
تعمل أشعة الشمس القوية أو الأشعة فوق البنفسجية على تحلل العديد من المواد العضوية في عملية طبيعية بطيئة. على سبيل المثال، في الطريقة التي تتلاشى بها لوحة القيادة البلاستيكية للسيارة وتصبح هشة بمرور الوقت. بحيث تعمل المحفزات الضوئية على تسريع هذه العملية، ومثل الأنواع الأخرى من المحفزات، تحفز التحوّل الكيميائي دون أن يستهلكها التفاعل أو يتلفها.
عند استخدام المحفزات الضوئية على هيكل خرساني، تحلل المحفزات الضوئية المواد العضوية مثل الأوساخ، بما في ذلك السخام والأوساخ والزيت والجسيمات والكائنات البيولوجية، والعفن والطحالب والبكتيريا والمواد المسببة للحساسية والملوثات المحمولة جواً، وحتى المواد الكيميائية التي تسبب الروائح. كما تنقسم المركبات المحفزة إلى أكسجين وثاني أكسيد الكربون والماء والكبريتات والنترات وجزيئات أخرى إمّا مفيدة أو في أسوأ الأحوال لها تأثير حميد نسبيًا على البيئة. ولا يتم تحفيز معظم الملوثات والبقع غير العضوية، بما في ذلك الصدأ.
يستخدم أكسيد التيتانيوم، وهو المكون التحفيزي الأساسي على نطاق واسع كصبغة بيضاء في الطلاء والبلاستيك ومستحضرات التجميل ومجموعة من المنتجات الأخرى. كما يتطلب جعله قادرًا على التحفيز الضوئي معالجة المادة لإنشاء جسيمات دقيقة للغاية بحجم النانو ذات بنية ذرية مختلفة عن تلك الموجودة في الصباغ العادي. وعلى نطاق النانو، يخضع هذا النوع من التيتانيوم لتحويل كمي ويصبح أشباه موصلات.
ينشط ثاني أكسيد التيتانيوم بواسطة الطاقة في الضوء، ويخلق فصل شحنة الإلكترونات وثقوب الإلكترون. كما تتشتت الإلكترونات على سطح المحفز الضوئي وتتفاعل مع المواد الخارجية، ممّا يتسبب في تقليل المواد الكيميائية والأكسدة وتشكيل جذور الهيدروكسيل التي تعمل كمواد مؤكسدة قوية لتحلل المركبات العضوية. وبسبب تفاعلات الأكسدة هذه، يتم تحويل الملوثات إلى مواد أقل ضررًا.
الرطوبة الفائقة في الخرسانة التحفيزية الضوئية:
المحبة الفائقة للماء هي ظاهرة تحدث عندما يتعرض ثاني أكسيد التيتانيوم للإشعاع فوق البنفسجي، تظهر زاوية ملامسة للماء صغيرة جدًا. وعلى هذا السطح، يميل الماء إلى الانتشار بشكل مسطح بدلاً من الانحناء لأعلى. كما أنه قد ثبت أن مقلوب زاوية التلامس يتوافق مع كثافة مجموعات الهيدروكسيل السطحية التي أعيد بناؤها بواسطة الإشعاع فوق البنفسجي. تضعف طاقة الربط بين ذرة التيتانيوم وذرة الأكسجين الشبكي بواسطة الفتحة الناتجة بعد التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية.
لذلك، يمكن لجزيئات الماء الممتصة أن تكسر رابطة ثاني أكسيد التيتانيوم لتشكيل رابطتين جديدتين من أكسيد التيتانيوم ممّا يؤدي إلى محبة الماء الفائقة. في الواقع، ثاني أكسيد التيتانيوم ليس فقط ماء بل أيضًا برمائي بعد تشعيع الأشعة فوق البنفسجية. وقد يمتص السطح كلا من السوائل القطبية وغير القطبية. بحيث عندما يتم شطف الماء على السطح، يمكن غسل الملوثات مثل الزيت.
التأثير الكلّي للتنظيف الذاتي هو في الواقع، تأثير مشترك من المحبة الفائقة للماء وتدهور الرواسب العضوية. على الرغم من أن المحبة المائية الفائقة الناتجة عن الصور وتدهور الملوثات العضوية هي عمليات مختلفة، إلا أنها قد تسري في وقت واحد. كما أنه من الصعب التمييز بين الآلية الأكثر أهمية للتنظيف الذاتي. وتجدر الإشارة أيضًا إلى حقيقة مثيرة للاهتمام مفادها أنه، إلى حد ما قد يكون هناك تأثير تآزري للتحفيز الضوئي والضوضاء الفائقة التي تعزز التنظيف الذاتي.
تكوين الخرسانة التحفيزية الضوئية:
كلمة التحفيز الضوئي هي كلمة مركبة تتكون من صورة أو ضوء وتحفيز أو تسريع معدل تفاعل كيميائي بإضافة محفز. حيث أن المحفز هو مادة بالرغم من أنها تتحد مع المواد المتفاعلة المشاركة في تفاعل كيميائي ولكنها تظل دون تغيير، ومن ثم فإنّ التحفيز الضوئي هو تفاعل يستخدم الضوء لتسريع معدل التفاعل الكيميائي دون أن يتورط في نفسه.
عندما يتم دمج محفز ضوئي في الخرسانة، فإنّه يتحلل المواد العضوية مثل الأوساخ والعفن والطحالب والبكتيريا والمواد المسببة للحساسية وملوثات الهواء والدخان والتبغ وما إلى ذلك في وجود الضوء. بحيث تنقسم المركبات المحفزة إلى أكسجين وثاني أكسيد الكربون والماء والكبريتات والنترات ومواد أخرى إمّا مفيدة أو لها تأثير ضئيل نسبيًا على البيئة. كما يُعرف هذا النوع من الخرسانة الذي يحتوي على مادة ضوئية فيه باسم الخرسانة التحفيزية الضوئية أو الخرسانة ذاتية التنظيف، وهي مادة بناء خضراء.
تعتبر الخرسانة المحفزة ضوئيًا جنبًا إلى جنب مع صفاتها الهيكلية مثل الخرسانة العادية مادة قوية للتلوث. وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) أو التيتانيا هو مادة محفز ضوئي مختلطة مع الخرسانة، حيث في وجود الضوء، تخلق تيتانيا شحنة تشتت على سطح المحفز الضوئي، وتتفاعل مع المواد الخارجية لتحلل المركبات العضوية. يمكن بسهولة غسل منتجات التفاعل بالماء، ويمكن للمطر أو الشطف البسيط إزالة نواتج التفاعل بسهولة ويبدو المبنى نظيفًا وجميلًا مثل المبنى الجديد، واستخدام ثاني أكسيد التيتانيوم في جميع أنواع الخرسانة، بما في ذلك الجص والملاط.
إلى جانب ثاني أكسيد التيتانيوم، يمكن أيضًا استخدام محفزات ضوئية أخرى مثل أكسيد الزنك وثالث أكسيد التنغستن وإلمينيت وتيتانات السترونشيوم في الخرسانة لنفس الغرض. حيث عندما تضرب أشعة الشمس سطح الخرسانة، يتم تحييد معظم الملوثات العضوية، وهذا من شأنه أن يغير لون الأسطح الخرسانية. كما ذكرنا سابقًا، لا يتم استهلاك محفز الصور لأنه يكسر الملوثات، بل يستمر في العمل إلى أجل غير مسمى، مع الخرسانة التحفيزية الضوئية:
- يمكن أن تنعكس حرارة الشمس ويمكن أن تنخفض فواتير الطاقة بشكل كبير.
- داخل المستشفيات والمختبرات، يمكن التقليل من انتشار الجراثيم أو حتى القضاء عليها.
- يمكن تحسين جودة الهواء في المناطق الحضرية بشكل كبير.
- يمكن بناء الهياكل التي تبدو جديدة لعقود.
تطبيقات الخرسانة التحفيزية الضوئية:
يتم بالفعل استخدام الأسمنت التحفيزي للضوء في حواجز الصوت وكتل الرصف الخرسانية وعناصر الواجهة. كما يعزز التقدم في البحث الأكاديمي بشكل كبير تطبيقاته العملية، بما في ذلك مجال البناء التحفيزي الضوئي ومواد البناء. مواد البناء المعدلة (ثاني أكسيد التيتانيوم) هي الأكثر شيوعًا لأن ثاني أكسيد التيتانيوم يستخدم تقليديًا كصبغة بيضاء.
تشمل التطبيقات الرئيسية لمواد البناء التحفيزية الضوئية القائمة على ثاني أكسيد التيتانيوم معالجة التلوث البيئي والتنظيف الذاتي والتطهير الذاتي. بحيث تكون ميزة استخدام الضوء الشمسي ومياه الأمطار كقوة دافعة مجالًا جديدًا لمواد البناء الصديقة للبيئة. كما تشمل التطبيقات الأخرى للخرسانة التحفيزية الضوئية:
- الألواح الخرسانية سابقة الصب والمعمارية.
- الأرصفة ورصف الطرق والأرصفة.
- الجِبص الذي يكون أساسه أسمنت بورتلاند لتطبيقات الطلاء النهائي.
- وحدات البناء الخرسانية وبلاط الأسقف والبلاط الأسمنتي.
- منتجات الترميم القائمة على الأسمنت.
