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24/11/2017 12:22
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L’utilizzo di biossido di titanio nei materiali per l’edilizia: funzione energetica attiva e passiva

V. Belpoliti (Ufficio Tecnico n. 01/2009 1/1/2009) - Documento senza titolo

L’aumento di inquinamento nelle aree urbane, causato in gran parte dalle emissioni nocive del traffico cittadino e dall’esercizio dei sistemi di climatizzazione invernale degli organismi edilizi ha, da qualche tempo, indirizzato la ricerca verso l’impiego di materiali caratterizzati dalla capacità di abbattere tali sostanze nocive presenti in atmosfera. A questo proposito il biossido di titanio, come elemento accessorio dei materiali edilizi convenzionali, presenta interessanti capacità energetiche passive ed attive

Introduzione: caratteristiche e particolarità funzionali del biossido di titanio

Il biossido di titanio (o diossido di titanio, con formula chimica TiO2) si presenta come una polvere cristallina dalla colorazione tendente al bianco, e sembianze fisiche simili a quelle del bicarbonato di sodio utilizzato anche in cucina.
Il TiO2 è presente in natura in tre forme cristalline differenti: il rutilo, l’anatasio (1) e la brookite, colorate a causa di impurità presenti nel cristallo. Il rutilo è la forma più comune delle tre, è in ogni caso verificato che tutte e tre si trovino in quantità abbondanti negli elementi che compongono la crosta terrestre.
Prima di venire a conoscenza delle sue caratteristiche fotocatalitiche, e della possibilità di impiegarle attivamente nei materiali più disparati, il biossido di titanio era utilizzato nelle vernici colorate come opacizzante ma principalmente in quelle bianche, nei tinteggi di paramenti murari, nelle materie plastiche e nel cemento da costruzione come pigmento bianco e, per questa ragione, veniva denominato anche “bianco di titanio”. Si riscontrava in questi casi come il biossido di titanio permettesse al materiale
in oggetto di mantenere nel tempo la colorazione bianca per periodi considerevolmente più lunghi che con qualsiasi altro tipo di pigmento. Questa caratteristica autopulente, come quelle di disinfettante, deodorante e atre descritte in seguito, sono tutte da imputare al particolare fenomeno della fotocatalisi, di cui il TiO2 è proprio.

La fotocatalisi è un fenomeno naturale che ha grande affinità con la fotosintesi clorofilliana (2) (alle volte è infatti denominata fotosintesi artificiale), che attiva un processo di ossidazione che causa la trasformazione di sostanze organiche e inorganiche nocive in composti completamente innocui. Si può pensare alla fotocatalisi come un acceleratore dei naturali processi di ossidazione che comporta la decomposizione più rapida degli inquinanti evitandone l’accumulo in atmosfera, sulla crosta terrestre e, più specificatamente, nelle aree urbane.
Tale processo chimico ha preso il via da uno specifico ramo della ricerca sui sistemi innovativi di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili.

Funzione passiva del biossido di titanio, il processo fotocatalitico

L’aumento di inquinamento nelle aree abitate ha, da qualche tempo, indirizzato la ricerca verso l’impiego di materiali caratterizzati dalla capacità di abbattere tali
sostanze nocive presenti in atmosfera.
Le strutture additivate o rivestite con biossido di titanio consentono di abbattere molti inquinanti atmosferici, fra cui le polveri sottili, gli aromatici policondensati, gli ossidi di azoto, l’ossido di carbonio e l’ossido di zolfo che in ambiente urbano vengono generati dagli scarichi dei mezzi di trasporto e dai fumi emessi dagli impianti di riscaldamento delle costruzioni civili. Inoltre il fenomeno della fotocatalisi avviene anche in caso di pioggia, con ridotto irraggiamento solare, nel qual caso l’acqua meteorica stessa beneficia dell’operazione depurativa.
Il principio attivo fotocatalitico del biossido di titanio non è soggetto a consumo, quindi, in riferimento a materiali da costruzione, l’elemento non necessita manutenzione o sostituzione.

Il biossido di titanio ha quindi la caratteristica di depurare l’aria, attraverso l’ossidazione delle sostanze nocive in essa presenti, ma anche di migliorare le qualità del
materiale stesso con cui viene additivato o ricoperto, con funzioni oltretutto deodoranti ed antisettiche, nonché di auto-pulizia e preservazione della colorazione originaria.
Infatti, pur essendo diventato popolare perché utilizzato come additivo nella produzione dei più vari prodotti cementizi (dalle pitture alle malte ai manufatti prefabbricati,
con cui vengono realizzate pavimentazioni, intonaci e ogni tipo di struttura o rivestimento orizzontale e verticale), il primo impiego di biossido di titanio è stato
sperimentato mediante rivestimento a spruzzo, in una soluzione diluita in acqua, su tessuti.
Ancora oggi questa tecnica rimane alla base della ricerca nel settore. Il Dipartimento di Chimica dell’Università di Ferrara, il Politecnico di Torino, sezione Micro e Nanotecnologie, sono alcuni tra i centri di ricerca la cui attività si concentra sull’analisi nanometrica del TiO2, sperimentandolo (Politecnico di Torino) proprio nella sua soluzione diluita in acqua, denominata FOTO-CATAL (3): utilizzando speciali pistole Airless a bassa pressione, è possibile distribuirne uno strato sottile su paramenti murari interni, tendaggi, mobilio come divani o poltrone in stoffa, tappeti, ecc. La parziale evaporazione dell’acqua porta all’essiccazione della soluzione, che permette la formazione di cristalli di Biossido di Titanio sulla superficie, i quali, eccitati dalla luce, daranno inizio al processo di fotocatalisi.

I risultati ottenuti sono sorprendenti: Acetaldeide, Ammoniaca e Solfuro d’Idrogeno vengono in gran parte distrutti (4), inoltre, nella sperimentazioni su tessuti per vestiario si sono riscontrate la proprietà antisettica di eliminazione di batteri, microrganismi, virus e tossine, e deodorante.

Applicazione del biossido di titanio ai materiali da costruzione: prodotti innovativi e casi studio

Sulla base di queste ricerche la Suncover ha presentato Ecosun (5), una soluzione liquida per tessuti per edilizia, come tendaggi, zanzariere o tappeti, applicabile tramite nebulizzatore spray. L’azienda assicura il filtraggio dell’aria dallo smog e un minore impegno nella pulitura dei tessuti. Negli ambienti pubblici (scuole, ospedali, alberghi ecc.) garantisce standard di pulizia molto elevati con costi molto bassi di manutenzione e aria più salutare da respirare. Il trattamento permette un’azione fotocatalitica per una durata di 10 anni, oltre i quali è necessaria un’altra stesura di prodotto.
La rivoluzione in campo edilizio si è avuta però con la produzione dei cementi e dei leganti fotoattivi, come il cemento additivato con TX Active (6) il principio attivo brevettato da Italcementi, industria leader del settore, che dopo lunghi anni di ricerca ha messo sul mercato un prodotto ormai di grande successo non solamente in ambito nazionale, avendo ricevuto riscontri positivi da organi di certificazione internazionali come il LEED (7).

Il costo di calcestruzzi fotocatalitici per componenti edilizie si attesta in media dal 10% al 20% in più di quello per calcestruzzi convenzionali. Inoltre, avendo necessità di esporre tale componente all’irraggiamento solare diretto, è sempre opportuno impiegarlo per superfici esterne (sono sufficienti pochi millimetri di spessore), mentre tutta la porzione di costruzioni interne o non direttamente irradiate, come gli elementi strutturali, può rimanere in calcestruzzo tradizionale. In Italia, la chiesa Dives in Misericordia, a Roma, costruita nel 1996 con progetto dell’architetto americano Richard Meier, è stata la prima esperienza pratica di applicazione di queste tecnologie cementizie a base biossido di titanio. Ad oggi, la proprietà di fotocatalisi, in fase di esercizio del materiale, risponde ottimamente alle simulazioni di laboratorio, non compromettendo minimamente durevolezza e prestazione meccanica, e inoltre permettendo negli anni il mantenimento di un colore bianco di impareggiabile brillanza garantito dalle proprietà autopulenti della superficie.

Sulla scia di questa esperienza, Italcementi ha commissionato ancora a Richard Meyer la sede del suo nuovo centro ricerca e sviluppo sito nel polo scientifico del Kilometro Rosso, nei pressi di Bergamo. Anche in questo caso, l’edificio sarà costruito con la tecnologia TX Active, dalla colorazione bianca, tanto cara all’architetto americano.In quest’ottica, l’additivo al biossido di titanio può essere impiegato nella produzione dei più diversi prodotti per la realizzazione di pavimentazioni, intonaci e ogni tipo di struttura o rivestimento orizzontale e verticale.
Così, per esempio, l’azienda Keim Farben (8), leader nel campo dei tinteggi per l’edilizia, produce una sua gamma di prodotti fotocatalitici con buoni risultati in outdoor ed ottimi in indoor, dove la IEQ (Indoor Environmental Qualità – qualità dell’ambiente interno) subisce notevoli miglioramenti.

Altro caso simile è quello della vasta gamma di pavimentazioni da esterno che va dagli autobloccanti in cemento, ora largamente usati nella costruzione di grandi aree come piazze o parcheggi, all’asfalto per manti stradali. In quest’ultimo caso, si rileva un promettente abbattimento dei gas nocivi e del particolato prodotti dagli scarichi delle autovetture.

Infine, ancora una volta in riferimento ai rivestimenti esterni per partizioni verticali od orizzontali, pare interessante il pannello Eco TiCM dell’azienda Alu Build s.r.l. (9), direttamente in titanio preossidato: in questo caso il rivestimento non appare come una lastra riflettente (come succede per il museo Guggenheim di Bilbao o la Walt Disney Orchestra di Los Angeles dell’architetto
Frank Gehry), ma è parzialmente opacizzato dal suo stesso ossido, l’elemento che permette l’azione fotocatalitica. La gamma di colori e di impieghi risulta quindi vasta ed estremamente flessibile con le necessità progettuali. In questo caso appare interessante come la necessità compositiva di avere il materiale titanio in sé comporti l’accessoria funzione ecosostenibile, e non, come nel caso dei prodotti menzionati in precedenza, dove il TiO2 è un elemento extra aggiunto nel processo di produzione del componente edilizio.

Funzione attiva del biossido di titanio, il processo fotoelettrochimico

Il processo fotocatalitico descritto nei paragrafi precedenti è alla base delle più recenti ricerche finalizzate alla produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili. Il principio di fotosintesi artificiale, in questo caso, implica l’adozione di un sistema ausiliario che “chiude” il flusso di corrente attraverso l’utilizzo di un conduttore e di un sistema associato per accumulare e/o distribuire l’energia elettrica autoprodotta. Il metodo, meglio conosciuto come sintesi fotoelettrochimica, permette di convertire la luce solare in elettricità, analogamente a quello che succede nel più conosciuto processo fotovoltaico. Tale processo consente inoltre di produrre idrogeno dall’acqua, o sinte-tizzare sostanze come alcol e amminoacidi più economicamente e velocemente.

Produzione elettrica tramite celle con semiconduttore in biossido di titanio: i prodotti alla fase finale di sviluppo

Uno dei prodotti più interessanti dal punto di vista della futura sperimentazione verso un abbattimento dei costi di produzione e dell’impatto ambientale risiede nelle celle PEC (10).
Queste celle utilizzano, come già specificato, il biossido di titanio come collettore solare per avviare il sistema di conversione fotoelettrochimica (11) dell’energia solare in energia elettrica.
La cella solare è composta da un encapsulant vitreo (12) all’interno del quale vengono depositati diversi layer di semiconduttore TiO2 (13) e di altri elementi ausiliari (14).
Il processo di catalizzazione della radiazione solare avviene attraverso un pigmento (15) con cui viene tinto, durante il processo di confezionamento della cella, il biossido di titanio, generalmente di colorazione ocra, che permette la massimizzazione della captazione solare (il colore bianco opalino non permetterebbe livelli di captazione solare accettabili).
La tecnologia PEC ha la qualità di funzionare bene in condizioni di luce non incidente, come nel caso di ombreggiamento (totale o parziale) o di cielo coperto da nuvole, in quanto presenta alti livelli di conversione in relazione a scenari di illuminazione diffusa ed elevati valori di albedo. Oltretutto, avendo caratteristiche di semitrasparenza intrinseca (16) e potendo essere sigillata tra due strati trasparenti (encapsulant vitreo), la cella funziona, in linea teorica, da entrambi i lati (se esposta a sud, il sole non può in effetti colpirla sul retro).
Attualmente l’efficienza di conversione solare da test di laboratorio è stimata intorno al 5%, mentre quella in fase di esercizio del 2,5%. L’esperienza di questi innovativi dispositivi tecnologici si ferma, nella maggior parte dei casi alla ricerca, raggiungendo in talune situazioni le fasi finali di sviluppo e
l’inserimento sul mercato.
È il caso del Solar Wall Panel della Dyesol (17), azienda Australiana che, affiancata da importanti istituti di ricerca, ha recentemente commericializzato un modulo fotoelettrochimico a base biossido di titanio. Il pannello solare brevettato dalla Dyesol è costituito dalle celle PEC sopra descritte, connesse tra loro e sigillate in un sandwich realizzato da due lamine di vetro e completamente incapsulate da pellicola polimerica trasparente resistente alla radiazione UV.
I Solar Wall Panels sono stati progettati per essere adoperati per sovrapposizione su facciata esistente o per integrazione nel progetto ex novo.

Conclusioni

Il biossido di titanio è una realtà la cui efficacia è comprovata dai maggiori istituti di ricerca del settore, sebbene risulti complicata la valutazione dell’effettivo
abbattimento di sostanze nocive garantito dal suo effetto fotocatalitico, soprattutto in relazione a materiali edilizi da esterno, dove l’area d’azione non è confinata.
La sua sintetizzazione è sostanzialmente a costo economico ed energetico nullo, e di conseguenza il suo impiego nei materiali da costruzione diverrà, col tempo, ancora più frequente e sistematico. Anzi, bisognerà cominciare a pensare al TiO2 come un “ingrediente” base di ogni componente edilizio.

Note
(1) L’anatasio è la forma minerale del biossido di titanio che garantisce le migliori prestazioni in termini di fotocatalisi. Si trova sempre nella forma di piccoli cristalli di colorazione scura, isolati e sviluppati in modo netto che cristallizzano con sistema tetragonale.
(2) Il processo fotocatalitico si ha quando il fotocatalizzatore (TiO2) assorbe un fotone di energia superiore al gap tra banda di valenza e banda di conduzione, modificando così la sua struttura molecolare con elettroni della banda di valenza che passano alla banda di conduzione formando lacune che vengono colmate generando un flusso di corrente superficiale. Il più alto livello energetico della banda di valenza determina il potere ossidante delle lacune. Quando le sostanze nocive si diffondono sulla superficie fotocatalitica danno inizio a reazioni redox (reductionoxidation: reazione chimica che descrive un cambiamento nel numero di ossidazione), che portano a una loro ossidazione e trasformazione in elementi innoqui.
(3) FOTO-CATAL (101/102/301). è una soluzione acquosa di biossido di titanio nanometrico, in formulazione idonea a fungere da catalizzatore nel processo di ossidazione delle sostanze inquinanti presenti nell’aria, in special modo negli ambienti chiusi ove la luce solare è filtrata dalle vetrate e quindi è minima nella sua componente ultravioletto. Funziona con luce nel campo visibile e con luci artificiali, meglio se a fluorescenza: neon a luce bianca. www.nanotecnica.it
(4) Riduzione ossidi: Distruzione della FORMALDEIDE da concentrazione 1.2 a 0.2 in9 ore. Riduzione dell’84 % Distruzione del Benzene da 4500 ppm a 500 ppm in 7 ½ ore Fonte: www.nanotecnica.it
(5) Suncover. Ecosun. www.suncover.it
(6) Italcementi. Cemento TX Active www.italcementi.it
(7) LEED. Leadership in Energy and Environmental Design www. usgbc.org
(8) Keim Farben. Tinteggi fotocataliticiwww.keim.it
(9) Alu Build s.r.l. Eco TiCM www.alubuild.it
(10) Cella solare PEC: Photoelectrochemical Cells, dette anche celle solari sensibilizzate con pigmenti (DSC – dye-sensitised solar cells), a cui a volte si fa riferimento con il nome Grätzel cells (dal Professor Michael Grätzel, che per primo le sperimentò nel 1990).
(11) L’effetto fotoelettrochimico si ha quando un elettrone liberato dai fotoni solari, viene immediatamente trasferito allo strato conduttore dell’anatasio, adiacente allo strato di vetro di chiusura della cella (di tipo simile a quello dei film sottili in silicio amorfo). La lacuna che si viene a creare viene immediatamente colmata da un elettrolito a reazione redox che, così facendo, chiude il circuito permettendo il sussistere di corrente elettrica.  In una seconda fase, attraverso sistemi ausiliari di tipo BOS, tale corrente viene accumulata e/o distribuita.
(12) Con il termine Encapsulant si fa riferimento all’involucro esterno della cella fotovoltaica in genere. In questo caso la cella PEC è ricoperta da una capsula di vetro da ambo i lati.
(13) Layer della cella PEC: lo strato semiconduttore mette in funzione l’effetto fotovoltaico, e per farlo nel modo più produttivo viene suddiviso in tre pellicole, di cui quella più vicina allo strato conduttore deve essere solida (per non permettere all’elettrolito liquido di raggiungere il conduttore stesso), mentre le successive diminuiscono in densità e dimensione delle molecole di TiO2, permettendo allo strato complessivo di assumere una struttura porosa che, oltre ad aumentare dell’ordine di 1000 volte la superficie esposta all’irradiamento, assicura una migliore adesione del pigmento in fase di produzione della cella.  Per concludere, il trasporto degli elettroni a generare elettricità avviene anch’esso come meccanismo a sé stante.
(14) Un elettrolito a reazione redox, che può essere solido o liquido, per permettere lo scorrere del circuito elettrico, e uno strato conduttore EVA, completamente trasparente, simile a quello utilizzato per le celle fotovoltiache in silicio.
(15) Il pigmento denominto black dye è un complesso composto metallico, generalmento di colorazione ocra, applicato in fase di produzione della cella a uno strato poroso formato da biossido di titanio delle dimensioni di alcuni μm. Il pigmento viene trattato in modo tale da poter agire sulla maggior parte dello spettro solare per massimizzarne la captazione. Le recenti ricerche hanno portato addirittura all’impiego di un pigmento cromatico estratto dai mirtilli.
(16) Alcuni dispositivi fotovoltaici sono detti a semitrasparenza intrinseca nel caso in cui il materiale semiconduttore stesso possieda proprietà semitrasparenti grazie alla sua particolare composizione chimica, a differenza dei casi in cui avviene un’operazione meccanica (tipo incisione laser) in cui viene generata parziale trasparenza del materiale.
Fonte: G. Bizzarri, V. Belpoliti, I. Di Federico Sistemi fotovoltaici semitrasparenti, una review della tecnologia attraverso l’esame delle sue potenzialità nei sistemi integrati Congresso ATI 2007, Salerno, settembre 2007.
(17) Dyesol. Solar Wall Panel www.dyesol,com

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