El SOL como Tratamiento ANTIPOLUCIÓN.

Cuando hablamos de calidad del aire, y sobretodo en grandes ciudades, la mayoría de las veces las medidas que se proponen suelen ser pasivas y van encaminadas a reducir los niveles generados en las emisiones de las principales fuentes que originan dicha contaminación, que en este caso suele ser en su mayor parte el tráfico rodado.


Siguiendo este mismo ejemplo del transporte, lo habitual es que las grandes poblaciones afectadas por la contaminación atmosférica actúen concatenando distintas medidas pasivas que suelen seguir la siguiente progresión:
  • La regulación directa de las emisiones que se generan (normativa sobre combustibles, regulación de emisiones en tubos de escape, etc).
  • La búsqueda de renovación en las tecnologías utilizadas para los vehículos (planes y programas PREVER, PIVE, etc.. aunque bien es cierto que también tienen otros motivos).
  • El fomento de medios de transporte públicos, cuyo rendimiento es lógicamente mucho mayor, o de medios menos contaminantes (bajada de precios, bonos de transporte, aumento de interconexiones y rutas, carril bici, etc).
  • El fomento del uso responsable de los medios de transporte (carril BUS-VAO, o carril de alta ocupación, apps para el uso compartido de vehículos, etc.).
  • La reconfiguración urbana de vías, permitiendo así moldear la circulación de los vehículos evitando determinados aspectos del tráfico rodado que son más perjudiciales (vías de alta capacidad sin semáforos, cinturones, zonas de baja velocidad, etc).
  • La disuasión para la utilización del vehículo privado, evitando la incursión de estos en determinadas zonas (cobro de peajes, zonas de estacionamiento limitado, eliminación de plazas de aparcamiento, provisión de aparcamientos disuasorios (normalmente gratuitos) con comunicación a transporte público, etc)
  • El cierre de zonas o la prohibición de circulación (peatonalización de calles, cierre de zonas urbanas al tráfico de vehículos privados no residentes, limitación de circulación por matrículas, etc)
Sin embargo, muchas de estas medidas son limitadas en cuanto a los rendimientos obtenidos, y las que presentan buenos rendimientos por contra suelen ser "poco populares" cuando se aplican, por lo que los gobiernos no suelen hacerlo. Esto hace que al final muchas de las principales urbes continúen teniendo hoy en día serios problemas de contaminación, que además se acentúan cuando se producen determinadas condiciones atmosféricas y meteorológicas.

Ante este panorama empiezan a surgir sectores que proponen también tecnologías encaminadas al tratamiento activo de esta problemática, es decir, a actuar para reducir los niveles de contaminación en inmisión, y una de las soluciones que lleva años esperando su oportunidad es la que propone la utilización de la FOTOCATALISIS.




¿Qué es la Fotocatálisis?

Un proceso de catálisis es aquel en el que una reacción química, termodinámicamente factible, pero de velocidad muy lenta, es acelerada gracias a la presencia de un compuesto, denominado "catalizador", que sin entrar a formar parte de la reacción favorece e incrementa su velocidad.

La catálisis y los catalizadores están presentes en la naturaleza de forma muy extendida, y forman parte de multitud de procesos químicos y biológicos. De hecho la catálisis es uno de los campos más desarrollados de la ciencia aplicada y se utiliza ya en multitud de procesos industriales. Sin embargo, una de sus ramas, la de la Fotocatálisis, quizás sea aún una de las menos extendidas, por lo menos hasta el momento.

La fotocatálisis, descubierta en 1972, es un proceso de catálisis normal, salvo por el hecho de que el catalizador se activa o inactiva en función de la presencia o ausencia de un estímulo externo de origen lumínico. Este proceso, aplicado a la tecnología ambiental, especialmente cuanto se trata de una fotocatálisis heterogénea (permite la oxidación de varios compuestos diferentes)  hace factible el tratamiento de contaminantes en el agua y la atmósfera.

Eligiendo el Fotocatalizador idóneo.

De forma general, un fotocatalizador es un semiconductor que al ser incidido por luz en determinadas longitudes de onda, absorbe fotones y genera pares de electrón-hueco, produciendo un campo eléctrico que actúa acelerando la reacción de oxidación de aquellas sustancias que estén cerca de su superficie, en lo que se denomina como Fotocatálisis heterogénea.

Existen multitud de semiconductores, y muchos aún que tienen propiedades fotocatalizadoras útiles (esencialmente óxidos y calcogenuros sólidos con una red tridimensional), pero sin embargo la elección del fotocatalizador idóneo para el tratamiento de contaminantes en la atmósfera está regida por ciertos aspectos que el semiconductor debe garantizar:
  • En primer lugar, el espectro de absorción en el que se mueva el semiconductor es muy importante, y vendrá determinado esencialmente por el ancho de su banda prohibida (que deberá encontrarse entre 2,4 eV y 3,5 eV). Serán idóneos para los fines pretendidos aquellos semiconductores que utilizan los fotones de la luz visible o, como poco, aquellos que utilicen la luz ultravioleta.
  • En segundo lugar, se precisa que el semiconductor tenga  un buen potencial redox, es decir, que el potencial de la banda de valencia del semiconductor debe ser el adecuado como para oxidar cualquier molécula que entre en contacto con su superficie y, a su vez, el potencial de la banda de conducción debe ser el suficiente como para garantizar la reducción del oxígeno.
  • En tercer lugar, el semiconductor que seleccionemos deberá ser estable y, en especial, deberá de observarse que sus cationes metálicos generen óxidos insolubles, y que por lo tanto el fotocatalizador sea resistente a la corrosión y a su disolución en agua. 
  • Por último, también es importante seleccionar aquel fotocatalizador que no quede sujeto a la fotocorrosión, lo que también quedará determinado por la posición de sus bandas con respecto a las cuplas redox disueltas.
Estructura de la Anatasa.
(Elaboración propia)
Llegados a este punto de exigencia, pocos fotocatalizadores soportan las duras pruebas y tan sólo el Dióxido de Titanio (TiO2) parece resistir adecuadamente y presentar las propiedades necesarias para asumir los retos que aparecen en el terreno de la aplicación práctica (por lo menos hasta ahora). 

Este óxido no es precisamente un desconocido para el mundo industrial, pues su utilización como pigmento blanco en la industria de las pinturas o de los plásticos es predominante, e incluso es habitual encontrárselo en campos como la cosmética, el papel o incluso la alimentación.

En este sentido, el TiO2 es un viejo conocido, por lo que en principio es un materia accesible. Sin embargo los estudios realizados en los últimos años demuestran que es su forma polimórfica denominada Anatasa, una de las tres que presenta este óxido, la que tiene mejores propiedades fotocatalizadoras y la que mas interesa para los fines buscados, algo que ya no es tan común en los mercados, pues la especie cristalina más utilizada es el rutilo.

El funcionamiento del TiO2 aplicado a los tratamientos fotocatalíticos es sencillo, cuando el fotocatalizador es estimulado por la luz solar, absorbe un fotón, y con esta energía libera un electrón a su capa de conducción, generando un hueco en su capa de valencia. A este hueco es atraída cualquier molécula que se encuentre cerca de la superficie y que sea susceptible de ser oxidada, mientras que el electrón liberado en la capa de conducción permite la reducción de las moléculas que reaccionarán con el contaminante.

En el caso de los NOx, por ejemplo, se produce su oxidación a nitratos y nitritos, sales solubles que se eliminarán de la superficie del fotocatalizador mediante un sencillo lavado con agua (la misma lluvia puede servir para limpiar estos fotocatalizadores). Además, sobre la superficie del fotocatalizador podrán oxidarse también otros contaminantes atmosféricos, como el benceno (C6H6), que pasará a formar CO2 y agua, o el tolueno, los hidrocarburos aromáticos policíclicos, etc.

Materiales fotocatalíticos en el entorno urbano:

Evidentemente, la utilización del TiO2 para el tratamiento de los contaminantes atmosféricos pasa por encontrar la forma de conseguir que este semiconductor disponga de los máximos rendimientos en cuanto su capacidad fotocatalítica, y utilice como substratos fijos los distintos materiales de construcción urbana de tal forma que:
  • No afecte a la funcionalidad y características fundamentales del material que se esté utilizando para soportar el fotocatalizador.
  • No reaccione con el substrato de una forma negativa que le haga perder sus propiedades como fotocatalizador.
  • No se elimine rápidamente con el desgaste habitual de determinados materiales sujetos a procesos abrasivos, como el asfalto.
  • Quede el máximo de superficie del semiconductor expuesta al exterior, de forma que puedan capturarse sobre la misma los contaminantes y se pueda activar por la luz solar.
Para ello, en primer lugar se debe contar con un TiO2 de calidad, tanto en su composición, que mayoritariamente debe ser anatasa, como en el tamaño finalmente adquirido por las partículas, que debe ser el menor alcanzable, garantizando así que se obtiene la mayor superficie de contacto posible. 

En este sentido, parece que los métodos industriales de obtención en cloro, también conocidos como de oxidación en llama, son los idóneos. La adecuada configuración de estos procesos permite obtener mayoritariamente anatasa y tamaños de partícula de rango nanométrico.

En segundo lugar, se debe encontrar la forma de incorporarlo al material de construcción, que utilizaremos como sustrato, en el soporte adecuado y con las técnicas apropiadas para cada caso. Este precisamente es el caballo de batalla que ocupa a la mayor parte de las investigaciones, estudios y desarrollo de aplicaciones en materiales de construcción. Hasta el momento en el mercado se encuentran disponibles productos como:
  • Losas para pavimentación de aceras con actividad fotocatalítica.
  • Lechadas fotocatalíticas de cemento y resina utilizadas como capa exterior de rodadura para calzadas con tráfico.
  • Tratamientos superficiales fotocatalíticos para pavimentos, aceras, carreteras o calles que se aplican por spray.
  • Materiales cerámicos fotocatalíticos.
  • Mortero fotocatalítico.
  • Láminas asfálticas con granulado de dióxido de titanio para la impermeabilización de cubiertas.
  • Pinturas y esmaltes fotocatalíticos.

Calle en Asturias con pavimento fotocatalítico.
Por último, la utilización en entornos urbanos de la fotocatálisis debe tener siempre en cuenta que la descomposición de los contaminantes se realiza de forma no forzada y que dependerá en gran medida de la dispersión que se produzca en la atmósfera de los mismos. Por ello, a la hora de evaluar la utilización de las distintas soluciones constructivas existentes, será muy importante considerar la variable ambiental y de distribución de concentraciones en la zona de aplicación, ya sea mediante modelos de dispersión, evaluación previa en inmisión, etc.

En todo caso, la variedad de productos de construcción actualmente disponible, permitiría la utilización de varias soluciones constructivas en una misma zona, incrementando así considerablemente los niveles de descontaminación alcanzables, y dando lugar a lo que en los últimos años se está denominando como "islas fotocatalíticas", un término muy de moda, pero que no termina de instaurarse en España, aunque ya hay algún proyecto en marcha.


Barreras & Retos de la fotocatálisis:

Desde que la fotocatalisis se descubrió en 1972 su estudio y aplicación como Tecnología de Oxidación Avanzada ha sufrido con el transcurso de los años numerosos altibajos que han ido desde la euforia desmedida del principio, pasando por su posterior abandono, hasta el actual repunte que está teniendo en la última década, fundamentalmente debido al influjo de la nanotecnología. 

Los resultados que se obtienen hoy en día son más que prometedores, pero la aplicación de la fotocatálisis todavía tiene que superar diversas barreras que, si bien no impiden su aplicación directa y actual, si que suponen auténticos retos para conseguir su uso generalizado.

Además de la necesaria mejora en la inclusión de la anatasa sobre distintos sustratos utilizados para la construcción, consiguiendo reducir su desgaste y apantallamiento, estos son los retos a los que se enfrenta el sector actualmente y las líneas que se están siguiendo para superarlos:
  • Si bien el material que se utiliza actualmente para aplicaciones fotocatalíticas empieza a presentar diámetros de partículas muy pequeñas (entre los 30 y 100 nm para los principales productos comerciales disponibles) continua existiendo una tendencia elevada de las partículas a su agregación en el momento de su aplicación, lo que finalmente podría perjudicar el rendimiento del catalizador al disminuir su superficie útil de contacto.
En todo caso, comienzan a surgir nuevas técnicas y tecnologías para la obtención de anatasa que parece que están dando ya solución a estos problemas en los productos de tercera generación, dando así respuesta a las necesidades del mercado para este material.
  •  El TiO2 sólo absorbe el 5% del espectro de luz solar que alcanza la superficie terrestre, lo que repercute y mucho en la eficiencia del mismo bajo la radiación solar visible. 
Las nuevas técnicas de nanoestructuración de este semiconductor están dando lugar a óxidos dopados con otros óxidos alternativos, metales e incluso gases como el nitrógeno, que parece que en algunos casos están consiguiendo buenos resultados, incrementando el espectro de luz útil y adaptándolo a la luz visible, lo que permitirá tener en un futuro próximo fotocatalizadores mucho más eficientes.
  • El uso de nanopartículas y sus efectos sobre el medio ambiente y la salud humana está todavía en fase de estudio. Existen diversos estudios sobre el TiO2 y los efectos de sus nanopartículas sobre animales, pero los resultados no son concluyentes, y en algunos casos son hasta contradictorios, lo que aporta aún mucha incertidumbre.
La implicación de las autoridades sanitarias en el estudio de los efectos de estas partículas y la multitud de estudios que se están llevando a cabo, permitirán en pocos años conocer la realidad de los efectos sobre la salud y el medio ambiente de las nanopartículas de TiO2.
  •  Existe un cierto grado de inhibición del efecto fotocatalítico a temperaturas por debajo de los 20ºC (y por encima de 80ºC) lo que puede perjudicar al rendimiento descontaminante de ciertos materiales en épocas de invierno y zonas de sombra. 
Este aspecto sin embargo, es fácilmente resoluble si en la utilización de los materiales en el entorno urbano se tiene especial cuidado en el estudio de los condicionantes ambientales. Por otro lado, el dopaje de las estructuras a escala nanométrica también parece que podría solventar, al menos parcialmente, este problema.
  • Se necesitan normalizar y estandarizar adecuadamente los métodos de ensayo existentes para la evaluación de la eficiencia catalítica de un material, pues los resultados que se obtienen con uno u otro de los actualmente existentes son muy dispares, lo que en mucho casos puede llevar a confusión o incluso inducir desconfianza.
Aunque ya se está trabajando bajo esta premisa, e ISO ya ha publicado normas intentando sentar precedentes en la regulación de este campo, es todavía una asignatura pendiente.
  • Determinadas sustancias pueden influir en la eficiencia de la fotocatálisis, al inhibir de forma parcial o total la superficie del catalizador o al competir con los contaminantes y su adsorción sobre la superficie, que es lo que ocurre con algunos compuestos como los cloruros, los sulfatos o los fosfatos, o incluso con los propios nitratos generados con la oxidación de los NOx, cuando estos se producen en grandes cantidades y por periodos de tiempo prolongados.
La inhibición parcial del fotocatalizador se consigue eliminar en muchas ocasiones con una adecuada limpieza con agua de su superficie, lo que diluye y arrastra gran parte de las sales inhibidoras. Si bien esta limpieza puede realizarse de forma natural con agua de lluvia, en determinadas zonas no es suficiente y resultaría vital para el buen funcionamiento de esta tecnología la planificación de limpiezas periódicas de las superficies.
 Algunas referencias bibliográficas de interés en este tema:

El fotocatalizador: síntesis, propiedades y limitaciones.
Semiconductores con actividad fotocatalítica
Guía práctica de la fotocatalisis aplicada a infraestructuras urbanas - AIF






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