De weg van de toekomst: luchtzuiverend asfalt
De weg van de toekomst: luchtzuiverend asfalt
91% van de wereldbevolking ervaart dagelijks een ondermaatse luchtkwaliteit (WGO, 2016). Deze kan leiden tot ernstige gezondheidsproblemen zoals hart- en longziektes, opwarming van de aarde, … In de strijd voor een gezondere toekomst moeten we deze problemen onder handen nemen. Een mogelijke oplossing hiervoor komt uit een verrassende hoek: namelijk luchtzuiverende asfaltwegen.
De Wereldgezondheidsorganisatie (WGO) berichtte in 2016 dat meer dan 91% van de wereldbevolking dagelijks blootgesteld werd aan een ondermaatse luchtkwaliteit. Verschillende schadelijke stoffen zoals roet; koolstofmonoxide en koolstofdioxide; stikstofoxide; vluchtige organische componenten (VOC) etc. kunnen leiden tot ernstige gezondheidsschade en schade aan gebouwen. Daarbovenop dragen ze bij aan de opwarming van de aarde. Om verschillende klimaatdoelstellingen te behalen, en de algemene gezondheid te verbeteren, is het opportuun om deze stoffen in zowel stedelijke- als landelijke gebieden af te breken. Een mogelijke oplossing hiervoor is Titanium Dioxide (TiO2) in asfaltmengsels.
Titanium Dioxide of TiO2, een wonderlijke stof
Titanium Dioxide is een zeer gekende en relatief goedkope photokatalytische halfgeleider. Twee moeilijke woorden die kort samengevat wijzen op een nano-stof die doormiddel van Uv-straling een chemisch proces in gang kan zetten. In dit geval gaat deze halfgeleider door Uv-straling chemische energie gebruiken om verschillende schadelijke stoffen af te breken tot onschadelijke vloeibare stoffen. Het gebruik van TiO2 is al lang gekend en wordt dan ook zeer vaak gebruikt in de onderzoekswereld en industrie. Naast het gebruik als kleurstof kan het dus daadwerkelijk ingezet worden als “luchtreiniger”. Dit is bijvoorbeeld al getest door TiO2 toe te voegen in verschillende soorten verf, beton, cement, …
Asfalt, de oplossing?
TiO2 wordt al voor verschillende doeleinden gebruikt i.Toch blijft een commerciële toepassing uit.. Een nieuwe en zeer interessante mogelijkheid, die nog niet uitgebreid is onderzocht, is het gebruik van TiO2 in asfaltwegen. In België alleen al ligt er meer dan 150.000 km aan wegdek een ongelofelijk groot oppervlak met zeer veel lichtinval.Met andere woorden de perfecte combinatie voor optimale luchtzuivering. Daarnaast beschikken de meeste van onze wegen over een perfect functionerend rioolsysteem waar ons eindproduct, de onschadelijke vloeibare stof, gemakkelijk mee kan worden afgevoerd en behandeld.
Om TiO2 toe te voegen aan een asfaltmengsel, kan men twee keuzes maken: ofwel sprayt men de stof op het asfaltoppverlak, ofwel mengt men de TiO2-deeltjes met het asfaltmengsel. Beide methodes hebben hun voor- en nadelen. Zo zorgt de spray-methode voor een hogere efficiëntie. Door het contact met autobanden is deze echter wel minder duurzaam.. Bij het mengen is dit juist omgekeerd.
Roetdeeltjes, een grote boosdoener!
Tijdens dit onderzoek hebben we ons gefocust op de afbraak van roet, een ernstige schadelijke stof die ontstaat door de onvolledige verbranding van koolstofhoudende brandstoffen (bv. hout of steenkool maar ook benzine en diesel). Roet is ook gekend als elementair koolstof en wordt gekenmerkt door zijn gitzwarte kleur.
Om de afbraak van roet doorheen de tijd vast te kunnen leggen, startten we met het maken van stalen. Hiervoor hebben we kleine asfaltblokjes van 5x5x5cm gemaakt waarop we eerst een mengsel van TiO2 en later een suspensie van roetdeeltjes hebben aangebracht. Op onderstaande afbeelding zijn deze stalen met hun TiO2- en roet-coating duidelijk zichtbaar.
(a)
(b)
Figuur 1: foto’s van de asfaltstalen op dag 0: (a) TiO2-coating; (b) TiO2- en roet-coating.
De Analyse
In totaal werden er 11 asfaltblokjes aangemaakt die allemaal een verschillende verhouding TiO2 en roet hadden. Al deze blokjes werden vervolgens in een speciale kamer geplaatst waar 24u/24u Uv-straling op het oppervlak scheen. Vervolgens evalueerden we deze stalen met behulp van foto’s en een speciaal computerprogramma op verschillende tijdstippen (0, 1, 4, 7, 14, 28 en 56 dagen) .
Om een mooie analyse te kunnen maken, hebben we de afbraak weergegeven in een complexere grafiek. Echter zijn de resultaten zo duidelijk dat ze al met het blote oog zichtbaar zijn. Daardoor is een visuele analyse, door de foto’s te vergelijken, ook zeer waardevol. Beide manieren zijn terug te zien in onderstaande figuren.
Figuur 2: de asfaltstalen op verschillende tijdstippen: (a) zonder roet; (b) dag 0; (c) dag 1; (d) dag 4; (e) dag 7; (f) dag 14; (g) dag 28 en (h) dag 56.
In figuur 2 is duidelijk zichtbaar dat zeer veel roet op dag 56 is afgebroken in vergelijking met de eerste dag. Hoewel er nog steeds verschillende roetresten zichtbaar zijn, is het grote donkerzwarte oppervlak volledig verdwenen. Aangezien onze hoeveelheid roet 10 keer groter is dan de werkelijke hoeveelheden roet in onze lucht, wijst dit op een zeer succesvolle afbraak. De grafieken bevestigen deze trend. Zo zien we een duidelijke afname van de piek doorheen de tijd, dewelke overeenstemt met de aanwezigheid van roet.
Figuur 3: Een histogram met een piek voor de aanwezigheid van roetdeeltjes.
En wat met de kwaliteit van het asfalt?
Naast de mogelijkheid van TiO2 om schadelijke stoffen af te breken, hebben we meerdere tests uitgevoerd naar de kwaliteit van het asfalt bij aanwezigheid van TiO2. Al deze testen bevestigen dat er geen belangrijke verschillen zijn in de chemische- en fysische aspecten van het asfalt. Dit wil zeggen dat het gebruik van TiO2 in asfalt enkel positieve effecten kan hebben op ons leefmilieu zonder de kwaliteit van onze wegen aan te tasten.
Luchtzuiverend asfalt, een mooi sprookje?
Hoewel er nog wat meer onderzoek moet gebeuren, is er toch duidelijk aangetoond dat asfalt zonder probleem grote hoeveelheden roet kan afbreken zonder de kwaliteit van het asfalt aan te tasten. Hoewel luchtzuiverende asfaltwegen nu nog klinken als mooie toekomstmuziek, is het zeker mogelijk om binnen een aantal jaar te rijden over de wegen van morgen.
Bibliografie
1. Wang, D., et al., Durability of epoxy-bonded TiO 2 -modified aggregate as a photocatalytic coating layer for asphalt pavement under vehicle tire polishing. Wear, 2017. 382-383: p. 1-7.
2. Yu, H., et al., The NOx Degradation Performance of Nano-TiO2 Coating for Asphalt Pavement. Nanomaterials (Basel), 2020. 10(5).
3. Wang, D., et al., Photocatalytic pavements with epoxy-bonded TiO2-containing spreading material. Construction and Building Materials, 2016. 107: p. 44-51.
4. Leng, Z., H. Yu, and Z. Gao, Study on air-purifying performance of asphalt mixture specimens coated with titanium dioxide using different methods. International Journal of Pavement Research and Technology, 2018.
5. Sikkema, J.K., et al., Photocatalytic Pavements, in Climate Change, Energy, Sustainability and Pavements. 2014. p. 275-307.
6. Boonen, E. and A. Beeldens, Recent Photocatalytic Applications for Air Purification in Belgium. Coatings, 2014. 4(3): p. 553-573.
7. Boonen, E., et al., Construction of a photocatalytic de-polluting field site in the Leopold II tunnel in Brussels. J Environ Manage, 2015. 155: p. 136-44.
8. Maggos, T., et al., Photocatalytic degradation of NOx gases using TiO2-containing paint: a real scale study. J Hazard Mater, 2007. 146(3): p. 668-73.
9. de Melo, J.V.S., et al., Development and evaluation of the efficiency of photocatalytic pavement blocks in the laboratory and after one year in the field. Construction and Building Materials, 2012. 37: p. 310-319.
10. Smits, M., et al., Photocatalytic degradation of soot deposition: Self-cleaning effect on titanium dioxide coated cementitious materials. Chemical Engineering Journal, 2013. 222: p. 411-418.
11. Hassan, M.M., et al., Laboratory Evaluation of Environmental Performance of Photocatalytic Titanium Dioxide Warm-Mix Asphalt Pavements. Journal of Materials in Civil Engineering, 2012. 24(5): p. 599-605.
12. Hu, C., et al., Evaluation of Nano-TiO2Modified Waterborne Epoxy Resin as Fog Seal and Exhaust Degradation Material in Asphalt Pavement. Journal of Testing and Evaluation, 2017. 45(1).
13. Rocha Segundo, I., et al., Physicochemical and Rheological Properties of a Transparent Asphalt Binder Modified with Nano-TiO2. Nanomaterials (Basel), 2020. 10(11).
14. Rocha Segundo, I., et al., Photocatalytic asphalt mixtures: semiconductors’ impact in skid resistance and texture. Road Materials and Pavement Design, 2019. 20(sup2): p. S578-S589.
15. Wang, H., et al., Preparation Technique and Properties of Nano-TiO2 Photocatalytic Coatings for Asphalt Pavement. Applied Sciences, 2018. 8(11).
16. Toro, C., et al., Photoactive roadways: Determination of CO, NO and VOC uptake coefficients and photolabile side product yields on TiO2 treated asphalt and concrete. Atmospheric Environment, 2016. 139: p. 37-45.
17. Van Hal, M., et al., Image analysis and in situ FTIR as complementary detection tools for photocatalytic soot oxidation. Chemical Engineering Journal, 2019. 367: p. 269-277.
18. Kameya, Y. and K.O. Lee, Soot Cake Oxidation on a Diesel Particulate Filter: Environmental Scanning Electron Microscopy Observation and Thermogravimetric Analysis. Energy Technology, 2013. 1(11): p. 695-701.
19. Jaleh, B. and N. Shahbazi, Surface properties of UV irradiated PC–TiO2 nanocomposite film. Applied Surface Science, 2014. 313: p. 251-258.
20. Roy, R., Growth of Titanium Oxide Crystals of Controlled Stochiometry and order. Materials Research Laboratory, 1972: p. 78-84.
21. Feng, Z.-g., et al., FTIR analysis of UV aging on bitumen and its fractions. Materials and Structures, 2015. 49(4): p. 1381-1389.
22. Rajakumar, G., et al., Fungus-mediated biosynthesis and characterization of TiO(2) nanoparticles and their activity against pathogenic bacteria. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc, 2012. 91: p. 23-9.
23. Yaseen, G. and I. Hafeez, Effect of Cereclor as Rejuvenator to Enhance the Aging Resistance of Reclaimed Asphalt Pavement Binder. Materials (Basel), 2020. 13(7).
24. Pipintakos, G., et al., Exploring the oxidative mechanisms of bitumen after laboratory short- and long-term ageing. Construction and Building Materials, 2021. 289.
25. Wu, S., et al., Laboratory Study on Ultraviolet Radiation Aging of Bitumen. Journal of Materials in Civil Engineering, 2010. 22(8): p. 767-772.
26. Li, B., et al., Influence of Ultraviolet Aging on Adhesion Performance of Warm Mix Asphalt Based on the Surface Free Energy Theory. Applied Sciences, 2019. 9(10).
27. Zhang, L., et al., Laboratory Evaluation of Rheological Properties of Asphalt Binder Modified by Nano-TiO2/CaCO3. Advances in Materials Science and Engineering, 2021. 2021: p. 1-13.
28. Mohamed Noor, N., et al., Physical and rheological properties of Titanium Dioxide modified asphalt. E3S Web of Conferences, 2018. 34.
