Übersicht zum Verbundprojekt „PureBau“

„Untersuchung von Werkstoffsystemen für photokatalytisch hocheffiziente Baustoffe“
Dr. Horst Purwin, Dr. Thomas Koch
KRONOS INT. INC., Research Services, Peschstr. 5, 51373 Leverkusen

1 Hintergrund

Städtische Räume besitzen durch die Bebauung eine sehr große Oberfläche, die hauptsächlich durch Baustoffe wie Beton, Fassadenfarbe, Dachziegel, Glas usw. gebildet wird. Fast alle Baustoffe können potenziell durch die Ausrüstung mit Titandioxid (TiO2) mit einer photokatalytischen Aktivität versehen werden. Diese verspricht enorme Vorteile:

  • Abbau von Luftschadstoffen zur Verbesserung des städtischen Klimas
  • Abbau von Anhaftungen und dadurch Verringerung der Oberflächenver­schmutzung (weniger Wartungsaufwand, längere Lebensdauer)

Beide Effekte werden bereits heute im Labor mit großer Effizienz erreicht. Im Einsatz am Freilandobjekt jedoch können diese Laborergebnisse aktuell nicht erreicht werden. Die Verbundpartner haben zum Teil über das vorherige Verbundprojekt HelioClean aber auch unabhängig davon in den Bereichen Grundlagen und Normung, Messtechnik und Geräteentwicklung und Materialien und Rezepturen vielfältige Erfahrung im Bezug auf Photokatalyse und deren Applikationen, die im Projekt PureBau mit seiner vielseitigen Vernetzung ideal ergänzen (siehe Bild 1).

 

Grafische Zusammenfassung der Vorerfahrung der Projektpartner

Abb. 1: Grafische Zusammenfassung der Vorerfahrung der Projektpartner


 

2 Projektziele

Ziel des Verbundvorhabens ist es, die Erforschung neuer, verbesserter photokatalytisch aktiver Werkstoffe für die Bauwirtschaft nachhaltig von einem rein empirischen zu einem gezielten, besser planbaren Prozess zu überführen und mittels dieser neuen Möglichkeiten Demonstratoren mehrerer innovativer photokatalytischer Materialien für Bauanwendungen zu realisieren.

Am Markt werden immer mehr Produkte mit photokatalytisch aktiven Oberflächen angeboten. Diese Produkte bieten grundsätzlich die Möglichkeit zur Zersetzung von Schadstoffen in der Luft und im Wasser, zum Abbau von oberflächlichen Anhaftungen und zur Verhinderung von biologischem Bewuchs. Diese Produkte werden hauptsächlich in der Bauwirtschaft (Straße/Gehsteig, Fassade, Dachfläche) eingesetzt. Alle Photokatalyseanwendungen haben dabei eine Gemeinsamkeit: das photokatalytisch wirksame Material (der Photokatalysator, im Folgenden auch PK abgekürzt) ist immer in einem Materialgemisch eingebettet (im Rahmen der Projektbeschreibung im Weiteren als Werkstoff-, Baustoff- oder Materialsystem bezeichnet), das je nach Anwendung sehr unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften aufweist. Der Einfluss des Werkstoffsystems auf die photokatalytische Aktivität wurde bisher kaum untersucht und wird aktuell nur ansatzweise verstanden. Die Erforschung und Entwicklung der bisherigen Materialien, Werkstoffe und Baustoffe geschah aus diesem Grund größtenteils nach dem Versuch-und-Irrtum-Prinzip. Diese empirische Herangehensweise war und ist sehr zeit- und kostenintensiv.

Zudem besteht oft eine signifikante Diskrepanz zwischen den im Labor erreichbaren photokatalytischen Effizienzen und denen, die in dem fertigen Produkt bei der praktischen Anwendung gemessen werden. Auch die Produktstabilität kann häufig nur in sehr geringem Maße im Vorfeld bestimmt oder aus Anwendungsbeobachtungen heraus definiert werden. So schwankt z. B. die photokatalytische Effizienz einiger produzierter Betonfertigwaren zwischen 4 - 16 %, trotz Homogenität der Zusammensetzung. Dies ist in den fertigungstechnischen Varianzen begründet.

Das Werkstoffsystem hat einen erheblichen Einfluss auf die Reaktionsumgebung: So kann z. B. je nach Zusammensetzung der Werkstoffsysteme der pH-Wert der Reaktionsumgebung zwischen 4 und 14 liegen. Zudem ist die photokatalytische Reaktion grundsätzlich unspezifisch, d. h. der Reaktionspartner des Photokatalysators kann jedes im Reaktionsraum vorliegende Molekül sein, welches mit den gebildeten Radikalen wechselwirken kann

Bisher sind diese Wechselwirkungen der Werkstoffsysteme mit dem Photokatalysator und damit der Einfluss der Werkstoffsysteme auf die Photokatalyse nur in sehr geringem Ausmaß untersucht worden.

Das Verständnis für die Langzeitwirkung und die Wechselwirkungen der unterschiedlichsten Umwelteinflüsse auf die photokatalytische Oberfläche ist aktuell nicht ausreichend, um die gemessenen Unterschiede zu erklären und die Schaffung neuer Materialien gezielt voranzutreiben. Diese Problematik will das Verbundprojekt „PureBau“ nachhaltig lösen.

 

3 Vorgehensweise

Drei wesentliche Forschungsschritte sind hierzu erforderlich:

3.1 Verständnis der Wechselwirkungen

  • Photokatalysator auf TiO2-Basis – anorganische und organische Bestandteile der umgebenden Baustoffsysteme
  • Photokatalysator auf TiO2-Basis – pH-Wert der Werkstoffsysteme (Porenwasser)
  • Photokatalysator auf TiO2-Basis – Veränderungen der Baustoffoberflächen (Alterung, Ausblühungen usw.)
  • Photokatalysator auf TiO2-Basis – Lumineszenzfarbstoffe

3.2 Flexibles und Schnelles Messverfahren

  • Quantitative Aussagen über den Abbau organischer Lumineszenzfarbstoffe durch eine photokatalytisch wirkende Oberfläche
  • Messung unabhängig von den Oberflächeneigenschaften Eigenfärbung, Form,Porosität und Struktur sowie Verunreinigungen der Oberfläche
  • Kurze Messdauer (im Minutenbereich), um eine praktikable Durchführung auch außerhalb eines Labors zu ermöglichen
  • Geringe Baugröße der Messapparatur (Handgerät), ebenfalls um eine praktikable Durchführung auch außerhalb eines Labors zu ermöglichen
  • Einfache und effektive Methode zur Kalibrierung der Messeinheit

3.3 Evaluierung der Erkenntnisse

Die dritte wichtige Säule bei der Bearbeitung der Themen ist die Evaluierung der Erkenntnisse über die verschiedenen Wechselwirkungen durch Funktionsmuster verschiedener innovativer industrierelevanter Baustoffe und Materialien für die Bauwirtschaft mit signifikant höherem Wirkungsgrad bei der Schadstoffzersetzung und Selbstreinigung mit folgenden Ansätzen und Materialsystemen:

  • Photokatalysator und Photokatalysator-Granulate/Slurries/Pulver/Premixe mit charakterisierten Bestandteilen der Werkstoffsysteme zum Einsatz in den verschiedenen Werkstoffen
  • Photokatalytisch modifizierte Zemente
  • Betonoberflächen (Fertigteilbeton, Transportbeton)
  • Dachziegel
  • Pflasterstein
  • Fassaden- und Innenfarben auf Silikatbasis

Die Tätigkeiten der Projektpartner werden in steter Abstimmung miteinander durchgeführt. Die Projektergebnisse werden in regelmäßigen Abständen unter allen Partnern diskutiert und der Informationsaustausch zwischen den einzelnen Arbeitspaketen ist integraler Bestandteil der interdisziplinären Arbeitsplanung.

 

4 Arbeitsgruppen

Entsprechend der in Abb. 1 gezeigten Vorerfahrungen bilden die Projektpartner drei Arbeitsgruppen um Themen des Projektes so effizient und umfassend wie möglich zu bearbeiten und die gesteckten Ziele zu erreichen. In Bild 2 sind die Arbeitsgruppen anhand der Firenlogos entsprechend zusammen gefasst.

 

Grafische Darstellung der Zusammensetzung Arbeitsgruppen des Projekts

Abb. 2: Grafische Darstellung der Zusammensetzung Arbeitsgruppen des Projekts


 

Zur Organisation wurden drei Arbeitsgruppen (AG) gebildet:

  • AG Analytik bestehend aus TU Berlin - Institut für Bauingenieurwesen (BAU), Kiwa GmbH (Kiwa), Uni Hannover - Institut für Technische Chemie (TCI); Leitung: Herr Prof. Stephan, BAU
  • AG Messsystem bestehend aus TU Braunschweig - Institut für Hochfrequenztechnik (IHF), Fraunofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST), Omicron-Laserage Laserprodukte GmbH (Omicron); Leitung: Herr Neumann, IST
  • · AG Werkstoffe bestehend aus Dyckerhoff GmbH (Dyckerhoff), ERLUS AG (ERLUS), F.C. Nüdling Betonelemente GmbH & Co. KG (FCN), Keimfarben GmbH (Keimfarben) und Kronos International, Inc. (KRONOS); Leitung: Herr Prof. Dr. Bahnemann, TCI

Diese Arbeitsgruppen dienen als kleinere organisatorische Gruppen, die effektiv und effizient Zwischenergebnisse diskutieren und schnelle Entscheidungen zum weiteren Vorgehen abstimmen können. Die Abbildung 2 zeigt eine vereinfachte Arbeitsaufteilung und Vernetzung zwischen den AGs.

In der dritten Arbeitsgruppe Analytik geht es im Wesentlichen um die Analyse und das Verständnis der auftretenden Wechselwirkungen und um die standardisierte Analyse der im Projekt hergestellten Proben. An dieser Gruppe sind unter der Leitung von Prof. Dr. Stephan (BAU) neben BAU, Kiwa und TCI indirekt viele Partner beteiligt, da fast alle Erfahrung im Umgang mit Photokatalysatoren aus dem HelioClean-Projekt mitbringen. <>In der zweiten Arbeitsgruppe Messsystem unter der Leitung des IST, bestehend aus den Partnern Kiwa, Omicron, IST und IHF, die sich mit der Entwicklung eines portablen Messgerätes beschäftigt das photokatalytischen Abbau von Organika qualitativ und quantitativ anzeigen kann.

In der dritten Arbeitsgruppe Werkstoffe, die sich mit der Herstellung von photokatalytisch aktiven zwischen und Endprodukten beschäftig, arbeiten KRONOS, ERLUS, Dykerhoff, Keimfarben und FCN zusammen, um z. B. mit neuen Formulierungen die Anwendung und die Testung der Photokatalysatoren in der Applikation voran zu treiben und die theoretischen und praktischen Erkenntnisse der anderen beiden Gruppen zu überprüfen und Applikation einzuarbeiten.

 

Grafische Darstellung der Vernetzung der Arbeitsruppen

Abb. 3: Grafische Darstellung der Vernetzung der Arbeitsruppen
 

Das Projektkonsortium wird mit der unter 3. definierten Vorgehensweise innerhalb dieser drei stark miteinander vernetzten Arbeitsgruppen (siehe Abb. 3) im Rahmen des dreijährigen Projekts iterative Analysen durchführen. Dabei wird die gesamte Wertschöpfungskette der Werkstoffproduktion einbezogen, von den wissenschaftlichen Grundlagen, über Rohstoffe bis hin zur Herstellung von Werkstoffen und industrierelevanten Materialien aus diesen Werkstoffen. Aus diesem Ansatz entstehen nicht nur mehrere Demonstratoren hocheffektiver Photokatalyse-Werkstoffe, sondern es wird vor allem das Verständnis für die Grundlagen wesentlich erhöht und damit der gesamte Technologiebereich vorangetrieben. Das Projekt hat damit eine herausragende Bedeutung für den städtischen Lebensraum und für die deutsche Wirtschaft.