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Luftreinhaltung durch photokatalytisch wirksame Baustoffe

Titandioxid wirkt photokatalytisch und ist in der Lage Luftschadstoffe wie Stickoxide abzubauen. Voraussetzung hierfür ist, dass Licht mit genügender Energie auf Titandioxid fällt. 

Eine Überprüfung der Schadstoffreduzierung in einer Freilandanwendung durch vergleichende Messungen ist aufgrund der zwangsläufigen gleichzeitigen Variation weitere Parameter wie z.B. Verkehrsdichte und Witterungsbedingungen nicht immer möglich. Aus diesem Grund setzen wir ein numerisches dreidimensionales mikroskaliges Strömungs- und Ausbreitungsmodell ein, um das Stickoxid-Minderungspotential für eine konkrete Anwendung bzw. Planung verlässlich abzuleiten zu können.

Eingangsgröße für die numerische Simulation sich Messungen im Labor (vgl. Abb. 1). Hier stehen verschiedene Messverfahren zur Verfügung, um die photokatalytische Aktivität von Oberflächen zu quantifizieren. Bei dem gängigsten Messverfahren wird eine gasförmige Testsubstanz (z.B. Stickstoffoxide) kontinuierlich durch eine Kammer geleitet, welche den Prüfling enthält. Die Konzentrationsdifferenz in der Abluft während der Beleuchtung im Verhältnis zur Konzentration ohne Beleuchtung gilt als Maß der photokatalytischen Aktivität. 

Abb. 1: Prinzipskizze für die Messung des photokatalytischen Abbaus im Labormassstab, hier in einem ISO-Reaktor 

Mit Hilfe des numerischen Modells wird die im Labor gemessene photokatalytischen Aktivität übertragen auf Anwendungen im Echtmassstab. In der Regel ist das relevant bei Vorhaben im Planungsstadium, bei denen vorab interessiert, wie die Stickoxidkonzentrationen sich verändern, wenn photokatalytisch aktives Material eingesetzt wird. Als Beispiel zeigt Abb. 2 das simulierte Stickoxid-Minderungspotential durch photokatalytisch aktive Oberflächen in einer Strassenschlucht für Tagsituationen bei einer Windgeschwindigkeit von 0,5 m/s und einer UVA-Strahlungsintensität von mehr als 15 W/m². 

Abb. 2: Beispiel für das Stickoxid-Minderungspotential durch photokatalytisch aktive Oberflächen in einer Strassenschlucht für Tagsituationen bei einer Windgeschwindigkeit von 0,5 m/s und einer UVA-Strahlungsintensität von mehr als 15 W/m² in ca. 1,5 m über Grund.

Referenzprojekte

Titel Beginn-Ende Auftraggeber
Tunnel am Universitätsplatz in Magdeburg, Abschätzung des zu erwartenden NOx-Minderungspotentials durch photokatalytisch wirksame Baustoffe 01.2005-04.2005 EUROVIA Beton GmbH, Oebisfelde
Numerische Modellierung der photokatalytischen Wirksamkeit von speziellen Dispersionsfarben der Fa. Sto AG zur Reduktion von Stickoxiden 09.2007-03.2009 Sto AG, Stühlingen
Photokatalytische Wirksamkeit von speziellen Dispersionsfarben der Fa. Sto AG - Nachrechnung der LUBW-Versuche mit dem CFD-Modell PHOENICS 08.2008-04.2009 Sto AG, Stühlingen
Numerische Simulation der Wirksamkeit photokatalytisch aktiver Betonoberflächen 04.2010-02.2012 HeidelbergCement Technology Center GmbH, Leimen
Numerische Simulation der Wirksamkeit von photokatalytisch aktiven Betonoberflächen für die Hohenheimer Straße in Stuttgart 07.2011-11.2012 HeidelbergCement Technology Center GmbH, Leimen
Numerische Simulation der Wirksamkeit von photokatalytisch aktiven TioCem-Betonoberflächen für den Platz der Partnerstädte in Dortmund 08.2012-05-2014 HeidelbergCement AG, Entwicklung & Anwendung, Talheim
Simulationsrechnungen zur Minderungsmöglichkeit der NO-, NO2- und NOx-Belastungen im Tunnel und am Tunnelportal durch den Einsatz von Titandioxid in den Tunnelkassetten 05.2014-noch nicht beendet Bundesanstalt für Straßenwesen (BAST), Bergisch-Gladbach

 

Veröffentlichungen und Vorträge

  • Bolte, G., Flassak, Th. (2012): Numerische Simulation der Wirksamkeit photokatalytisch aktiver Betonoberflächen. In: Internationale Baustofftagung 18. ibausil, 12. - 15. September 2012, Weimar.
  • Bolte, G. und Flassak Th. (2012): Saubere Luft dank Photokatalyse. Immissionsschutz Ausgabe 2/2012, 54-58.
  • Flassak, Th., Sörgel, C., Burgeth, G., Duttlinger, W., Maban M. und Kleffmann J. (2011): Numerische Modellierung des photokatalytischen Stickoxidabbaus durch TiO2-dotierte Gebäudefassaden, Kolloquium Luftqualität an Straßen 2011 der BAST, 30. und 31. März 2011, Bergisch Gladbach.
  • Flassak, Th., (2012): Numerical simulation of the depollution effectiveness of photocatalytic coverings in street canyons. In: Photocatalysis: Science and Application for Urban Air Quality, PhotoPaq conference, Corse, France.
  • Flassak, Th., Riffel, S. und Reuter, U. (2013): Photokatalyse konkret. Modellierung und Messung im Modellprojekt "Hohenheimer Straße" der Stadt Stuttgart. In: 57. Betontage, 5. - 7. Februar 2013, Neu-Ulm.
  • Flassak, Th. und Bolte, G. (2013): Numerical simulation of the effectiveness of photocalalytic active concrete surfaces. In: 1st International Conference on the Chemistry of Construction Materials, 7.-9. Oktober 2013, Berlin
  • Uehlendahl, S., Kurtenbach, R. und Flassak, Th. (2013): Dortmunder Pilotprojekt "Park der Partnerstädte" / Leonie-Reygers-Terrasse mit photokatalytisch aktiver Betonoberfläche. Kolloquium Luftqualität an Straßen 2013 der Bast, 20. und 21. März 2013, Bergisch Gladbach.