Znečistěné ovzduší je závažný problém ve většině velkých měst a průmyslových aglomerací po celém světě, Českou republiku nevyjímaje. Cesty k jeho zlepšení jsou složité a teprve nově se ukazuje fotokatalýza jako možné řešení tam, kde ostatní nástroje již selhávají.
Hlavním zdrojem znečištění jsou průmyslová výroba, automobilová doprava a regionálně i spalování fosilních paliv v domácnostech. Ve znečistěném ovzduší je rozptýlena široká škála cizorodých látek, které se tam dostávají v důsledku činnosti člověka. V souhrnu je pro ně používán pojem imise. Tento pojem je někdy zaměňován s pojmem emise, který označuje látky emitované zdrojem znečistění do ovzduší, a to přímo na výstupu z tohoto zdroje. Imise jsou pak výsledným „koktejlem“ cizorodých látek, který byl vytvořen rozptýlením, vzájemnými reakcemi a promícháním emisních látek v ovzduší. Konkrétní chemické složení imisí se regionálně může odlišovat podle struktury zdrojů znečistění. Imise v současném světě negativně ovlivňují jak životní prostředí, tak i zdravotní stav obyvatelstva na rozsáhlých územích. Vzestup výskytu alergií, astma, rakoviny vlivem imisí se stává stále větším problémem, který přináší také reálné a stupňující se škody v ekonomice i sociální oblasti. Úkol snížit koncentrace škodlivých látek v ovzduší je stále naléhavějším, jeho řešení však doposud nebylo vůbec jednoduché. Zásadního zlepšení kvality ovzduší by bylo možno dosáhnout masovým zavedením nových bezemisních, nízkoemisních a čisticích technologií, které nebudou vzduch znečisťovat prakticky vůbec. Dosažení takového cíle však není v několika dalších dekádách realistické.
NEVYČERPATELNÝ OXIDAČNÍ EFEKT Evropská unie a v jejím rámci i Česká republika patří do té části světa, kde je otázkám kvality ovzduší a opatřením na snížení jeho znečistění imisemi věnována dlouhodobá pozornost. Snahou je aktivně prosazovat opatření zaměřená na zlepšování stavu ovzduší. Stát se snaží řešit problém se znečistěným ovzduším dvěma cestami. Jednou jsou legislativní a administrativně-správní opatření (emisní a imisní limity s velmi nepopulární možností omezování automobilové dopravy a průmyslové výroby s následnými negativními dopady na ekonomiku). Tou druhou jsou dotační programy na podporu zavádění moderních nízkoemisních technologií a zařízení na čistění vzduchu od emisí u jejich zdroje. S novou generací fotokatalytických nátěrů vyvinutých v České republice, se rýsuje třetí možnost – dekontaminace ovzduší pomocí nevyčerpatelného oxidačního efektu nátěrů s obsahem nanočástic TiO2, které imise na svém povrchu doslova oxidačně spálí. Efekt opatření a nástrojů dosud používaných státem není dostatečný a situace v oblastech s nejvíce znečistěným ovzduším se v posledních pěti letech v zásadě nelepší, a to i přes rozsáhle prostředky, které byly v této oblasti investovány s využitím fondů EU. Podle údajů ministerstva životního prostředí žije na území se zhoršenou kvalitou ovzduší 51 % obyvatelstva ČR a toto teritorium představuje 22 % její rozlohy. V posledních čtyřech letech byly uzákoněny nové imisní limity, závazné v celé EU, které však ve většině evropských měst nejsou dodržovány. Situace je značně problematická zvláště poté, co International Agency for Research on Cancer (IARC), součást World Health Organization (WHO), klasifikovala v květnu 2012 spaliny z dieselových motorů jako karcinogenní pro člověka (Group 1). Direktiva EU 1999/30/ES zároveň požaduje výrazné snížení emisí oxidů dusíku, a to již od ledna 2010 ve všech členských zemích EU, a nedávné snížení povolených koncentrací benzo(a)pyrenu pod 2 ppb (dvě miliardtiny) reaguje na jeho vysokou nebezpečnost nejenom v ovzduší, ale také ve spodních vodách.
VELMI NÍZKÉ KONCENTRACE NEBEZPEČNÝCH LÁTEK Ukazuje se, že zaměření na snižování množství emisí cestou legislativních, administrativně- správních regulačních opatření a dotačních programů na zavádění moderních technologií naráží na obtížně překonatelné ekonomické, sociální a politické hranice a také na technické limity využívaných technologií. Současné technologie na čistění vzduchu, využívající filtrace, sorbce, absorbce nebo elektromagnetického odlučování, od emisí u jejich zdroje dokážou snižovat vysoké koncentrace polutantů, ale nejsou schopny si poradit s velmi nízkými koncentracemi značně nebezpečných látek a jejich malými prachovými částicemi. Možnosti dnešních technologií jsou prakticky vyčerpány a pro čistění ovzduší od imisí jsou nepoužitelné. Pokrok v oblasti nanotechnologií nabízí v současnosti nové řešení, které umožňuje snížit koncentrace nebezpečných imisních látek, a tím významně zlepšit kvalitu ovzduší. Jedná se o novou generaci multifunkčních nátěrových hmot s mimořádně silným fotokatalytickým efektem. S pomocí těchto nátěrů lze na zdech, střechách, mostech, protihlukových bariérách a dalších objektech vytvořit vysoce oxidační fotokatalytický povrch, který dokáže zredukovat i velmi nízké koncentrace organických a některých anorganických látek obsažených ve vzduchu. Tento druh „čističky vzduchu“ má proti „standardním“ technologiím několik zásadních výhod: 1. Dokáže velmi efektivně redukovat nejen nejnižší koncentrace polutantů, ale hravě zvládne i koncentrace mnohonásobně překračující imisní limity, jelikož likviduje volné molekuly imisních látek a zároveň suspendované částice PM2,5 a menší. 2. Má dlouhodobou, teoreticky časově neomezenou funkčnost a prakticky nulové náklady na provoz a údržbu. 3. „Čističce vzduchu“ v otevřeném prostoru pomáhá denní světlo a vítr. Fotokatalýza je fyzikální proces vedoucí k oxidačnímu rozkladu látek za přítomnosti fotokatalyzátoru, jímž je světlo. Je-li ma te riál s fotokatalytickými vlastnostmi vystaven světelnému záření vhodné vlnové délky, aktivuje se jeho povrch a spustí se charakteristická reakce. Světelná kvanta jsou pohlcována polovodičovou elektronovou strukturou fotokatalyzátoru, což vede k separaci kladných a záporných nábojů. Následně osvětlený povrch fotokatalyzátoru „krade“ elektron z čehokoli, co mu jej může poskytnout, a umožňuje tak kyslíku oxidovat téměř veškeré organické i některé anorganické látky, se kterými přijde do kontaktu. Tím je zahájen sled degradačních reakcí vedoucích postupně přibližně s padesátiprocentní účinností až k neškodným minerálním produktům, jako jsou molekuly vody a oxidu uhličitého. Mezi látky rozložitelné fotokatalýzou patří například oxidy dusíku, oxidy síry, oxid uhelnatý, ozón, čpavek, sirovodík, chlorované uhlovodíky, dioxiny, chlorbenzen, chlorfenol, jednoduché uhlovodíky, aromatické uhlovodíky (benzen, fenol, toluen, etylbenzen), pesticidy a také bakterie, viry, houby nebo částice mikroprachu.
ZLOM PŘINESLA DRUHÁ GENERACE NÁTĚROVÝCH HMOT Fakt, že fotokatalýza účinně rozkládá velmi širokou škálu imisních látek, je znám, ověřen a prozkoumán mnoha tisíci experimentů a stovkami vědeckých studií, které byly uskutečněny od sedmdesátých let po celém světě. Praktickému využití fotokatalýzy pro čistění ovzduší však dosud bránila nízká fotokatalytická účinnost produktů, které byly na trhu dostupné. Ta se pohybovala pod úrovní 5 % účinnosti čistého fotokatalyzátoru. Zlom přišel v roce 2008, kdy na trh vstoupila druhá generace nátěrových hmot s fotokatalytickým efektem. Společnost Advanced Materials – JTJ nabídla svůj patentovaný typ nátěrových hmot (s označením FN), jehož účinnost se blíží účinnosti čistého fotokatalyzátoru, čímž výrazně překonává kvalitu produktů první generace. Vysokou fotokatalytickou účinnost zajistil nový druh pojiva, které po zaschnutí na povrchu vytvoří minerální nátěrovou porézní vrstvu s ukotveným fotokatalyzátorem tvořeným nanočásticemi TiO2. To je zásadní rozdíl proti fotokatalytickým nátěrovým hmotám první generace s pojivem na bázi silikátu nebo sol-gel, které redukuje fotokatalytickou účinnost tím, že obalí drtivou většinu nanočástic TiO2 a zablokuje fotokatalytický efekt. Spe ciální minerální pojivo nátěru FN vytvoří vysoce porózní houbovitou strukturu a nanočástice fotokatalyzátoru jsou vytlačeny na povrch. Jeden metr čtvereční pokrytý nátěrem FN tak v sobě obsahuje 500 m2 fotoaktivní plochy obsahující nanočástice TiO2, které umožňují, aby probíhal fotokatalytický proces. Metodika laboratorního měření účinnosti fotokatalytické degradace je v současnosti velmi dobře zvládnuta. V ČR dokáže příslušné analýzy degradace konkrétních látek kvalifi - kovaně provádět několik vědecko-výzkumných pracovišť, která jsou vybavena jak potřebnou laboratorní technikou, tak i kvalifi kovanými pracovníky. Ke stanovení kvality fotokatalytické účinnosti konkrétního materiálu je zapotřebí provádět testování ideálně pomocí kombinace testů využívajících více modelových látek, například NOx, podle normy ISO 22197-1, a VOC, jako je hexan, aceton, toluen, formaldehyd nebo n-butanol, přičemž za teoretické maximum fotokatalytické účinnosti lze považovat účinnost čistého fotokatalyzátoru TiO2 (jako standard je používán materiál Degussa P25). V závislosti na druhu látky se fotodegradační rozklad pohybuje na úrovni 40–60 % při jednom kontaktu látky s excitovaným povrchem fotokatalyzátoru. Často se také měří tzv. samočisticí efekt (fotokatalytické povrchy mají samočisticí vlastnosti).
ZÁKLADNÍ OTÁZKA Úroveň fotokatalytické účinnosti produktu při degradaci polutantů je pro praktickou využitelnost k účinnému čistění ovzduší zcela zásadní a pro dekontaminaci měst, jako jsou Třinec nebo Ostrava, nelze použít žádný produkt, který nevykazuje účinnost alespoň 30 % teoretického maxima. Lze demonstrovat, že pokud se na ploše o průměru 1 km použijí různé fotokatalytické nátěrové hmoty a uvažujeme-li o imisemi kontaminovaném vzduchu o výšce 300 m, dopracujeme se k objemu 235 500 000 m3 ošetřeného vzduchu. Do úvahy jsou zahrnuty faktory jako proudění a turbulence vzduchu, různé úrovně koncentrací imisí, největší znečistění v průmyslových a městských aglomeracích v nejnižších vrstvách atmosféry do 300 m, typ a zdroje znečištění, velikost vhodných ploch pro vytvoření fotokatalytických povrchů na daném území a různá intenzita UV záření v závislosti na zeměpisné šířce a ročním období. Základní otázka, kterou je nutno řešit, zní: Jak velkou plochu je nutné ošetřit fotokatalytickými nátěry s různou úrovní účinnosti, aby byly během jednoho dne v daném prostoru odstraněny z ovzduší všechny fotokatalyticky degradovatelné polutanty? Použijeme-li zjednodušený výpočet, dojdeme k zajímavým číslům. Při účinnosti produktu 5 % je nutné natřít téměř 1 000 000 m2 plochy. V případě, že účinnost produktu je 50 % (10krát vyšší než v minulém případě), stačí natřít pouze desetinu plochy, tj. necelých 100 000 m2. Je zřejmé, že v případě využití nátěrových hmot s nízkou fotokatalytickou účinností je k dosažení významnějšího efektu třeba natřít příliš velký rozsah ploch, což může v podmínkách husté městské zástavby představovat prakticky neřešitelný právní a organizační problém, nehledě na mimořádně vysoké náklady takové operace. Praktické využití nátěrových hmot s fotodegradativní účinností přes 50 % je snadné a ekonomicky úsporné. Investice do pokrytí 82 000 m2 zdí, fasád, střech a mostních konstrukcí by při dnešních cenách činila přibližně 29 000 000 Kč a polutantů zbavené ovzduší by bez jakýchkoliv dalších nákladů na energie a údržbu dosahovalo objemu 235,5 milionu m3 po dobu minimálně 10 let. V Ostravě se právě připravuje projekt největší fotokatalytické čističky na světě, který má demonstrovat výhody této technologie v podmínkách České republiky. Realizátorem projektu je firma Nano4people. Natřená budova o velikosti Národního divadla bude schopna ročně vyčistit přes 15 miliard m3 vzduchu, eliminovat negativní dopad ročního provozu dvou městských autobusů a zůstat přitom čistá.
Pavel Šefl , Jan Procházka