Comprobación de la actividad fotocatalítica del recubrimiento FNNANO FN2 según los métodos y estándares ISO

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1 Documento de laboratorio: TPK 57//26 Comprobación de la actividad fotocatalítica del recubrimiento FNNANO FN2 según los métodos y estándares ISO a) Eliminación de NOx: ISO b) Eliminación de acetaldehído: ISO c) Eliminación de formaldehído: ISO d) Eliminación del tolueno: ISO Cliente: Advanced Materials-JTJ s.r.o Dirección: Kamenné Žehrovice 2, PSČ 27 Realizado por: Technopark Kralupy VŠCHT Praha Žižkova 7, 278 Kralupy nad Vltavou Prof. Dr. Ing. Josef Krýsa Ing. Michal Baudys, Ph.D. director: Ing. Milan Petrák 5 de septiembre 26 Persona de contacto: Ing. Jan Procházka Realizado por: Prof. Josef Krýsa, krysaj@vscht.cz Ing. Michal Baudys, Ph.D., baudysm@vscht.cz

2 Objetivo... 2 Metodología Equipo utilizado Descripción de las pruebas Cálculos Eliminación de NOx Eliminación de acetaldehído Eliminación de formaldehído Eliminación de tolueno... 8 Resultados y conclusiones Determinación de la actividad fotocatalítica con acetaldehído (ISO ) Determinación de la actividad fotocatalítica con formaldehído (ISO ).... Determinación de la actividad fotocatalítica con tolueno (ISO 2297-)....4 Determinación de la actividad fotocatalítica con eliminación de NOx (ISO 2297-) Conclusiones

3 Objetivo El objetivo de este proyecto es la comprobación de la actividad fotocatalítica de las muestras entregadas, utilizando los gases contaminantes mezclados al aire conforme el método estándar ISO. El recubrimiento fotocatalítico FNNANO FN2 se aplicó sobre bloques de hormigón ( x 5 x 2 cm) mediante rodillo. El recubrimiento se realizó con dos capas, cuando la segunda se aplicó 24 horas después de la primera capa. Se realizaron pruebas con las muestras recubiertas para su capacidad de eliminar contaminantes en forma gaseosa según los métodos estándares ISO: a) Eliminación de NOx: ISO b) Eliminación de acetaldehído: ISO c) Eliminación de formaldehído: ISO d) Eliminación de tolueno: ISO Metodología 2. Equipo utilizado El equipo de pruebas permite examinar el material fotocatalítico, de su capacidad para eliminar los contaminantes, mediante el suministro continuo del gas de prueba, cuando se conecta la radiación luminaria para la activación del fotocatalizador. Consiste en el suministro de gas de prueba, fotoreactor, fuente de luz, equipo de medida de contaminante. El diagrama esquemático del equipo de pruebas se muestra en la Fig. 2.. En caso de la eliminación fotocatalítica de los contaminantes orgánicos el análisis se realiza con CG-FID, en caso de la eliminación de NOx la concentración de NO, NO2 y la suma de NOx se realiza mediante analizador de quimio-luminiscencia. El corte de sección de foto-reactor se ilustra en la Fig. 2.2.

4 2.: Diagrama esquemático del equipo de testeo 2.2: Corte de sección para ver el fotoreactor (-ventana óptica, 2-pieza de testeo, -flujo de gas testeado, 4-plancha de ajuste de altura, 5-espesor de flujo de aire 4

5 2.2 Descripción de las pruebas El controlador de masas se ajusta para alcanzar la concentración inicial del gas de prueba. Se establece el ratio de aire húmedo/seco mediante válvulas de aguja para obtener la humedad de 5 %. Antes de los experimentos los ejemplos se pre-tratan con la iluminación UV (24 horas, 2x tubo fluorescente Eiko, máxima emisión en el rango de 5 nm, intensidad de la luz UV mw/cm2). La intensidad de la luz UV durante el experimento fotocatalítico se establece a mw/cm2 cambiando la longitud óptica (fuente de UV - 2x tubo fluorescente Eiko, máxima emisión en el rango de 5 nm). Primero el gas de prueba se carga fuera del reactor (by pass) para alcanzar la concentración estable del contaminante. Después de introducir el gas al fotoreactor se cubre con una hoja de aluminio para observar el proceso de adsorción de la pieza de prueba. Cuando la concentración iguala la concentración inicial del gas de prueba, se enciende la luz de activación al eliminar la hoja de aluminio. Después del arranque de iluminación, la concentración de gas se mide en continuo durante horas en caso de formaldehido, acetaldehído y tolueno y durante 5 horas en caso de NOx. En caso de acetaldehído, formaldehido y tolueno la actividad fotocatalítica se expresa en la cantidad eliminada del contaminante durante la última hora de la prueba. En caso de las pruebas de la actividad fotocatalítica en la eliminación de NOx la actividad se expresa en la cantidad de NOx eliminada durante las 5 horas de la iluminación UV. Las condiciones del método estándar ISO se presentan en la tabla Tab. 2. Estándar contaminante concentración (ppm) flujo de gas total (dm/min) tiempo de experimento (horas) intensidad de la luz UV (mw/cm2) explicación de la actividad fotocatalítica ISO NO ISO acetaldehído 5 ISO tolueno 5,5 ISO formaldehído 5 volumen de NOx eliminado durante la prueba volumen de acetaldehído eliminado en la última hora de la prueba volumen de tolueno eliminado en la última hora de la prueba volumen de formaldehído eliminado en la última hora de la prueba 2.: Condiciones estándar de método ISO 5

6 2. Cálculos 2.. Eliminación de NOx La cantidad neta de NOx eliminado por la pieza de pruebas se calcula mediante la fórmula (), nnox nads nno nno2 ndes cantidad de eliminación de NOx por la pieza de prueba (micromole) cantidad de adsorción de NOx por la pieza de prueba (micromole) cantidad de eliminación de NO por la pieza de prueba (micromole) cantidad de eliminación de NO2 por la pieza de prueba (micromole) cantidad de eliminación de NOx por la pieza de prueba (micromole) = + 2 () La cantidad de NOx adsorbido por la pieza de pruebas (nads) se calcula mediante la fórmula (2), φnoi φno φno2 f fracción de volumen suministrado de NO (ppm) fracción de volumen suministrado de NO en la salida de reactor (ppm) fracción de volumen de dióxido de nitrógeno NO2 en la salida de reactor (ppm) el flujo de aire convertido en estado estándar ( C,,kPa, base de gas seca) (dm/min) = ( ( 22,4 ) 2 ) (2) La cantidad de NOx desorbido por la pieza de prueba (ndes) se calcula mediante la fórmula (), φno φno2 f fracción de volumen suministrado de NO en la salida de reactor (ppm) fracción de volumen suministrado de NO2 en la salida de reactor (ppm) el flujo de aire convertido en estado estándar ( C,,kPa, base de gas seca) (dm/min) = ( + 22,4 2 ) () 6

7 La cantidad de eliminación de NO (nno) por la pieza de prueba se calcula con la fórmula (4), φnoi φno f fracción de volumen suministrado de NO (ppm) fracción de volumen suministrado de NO en la salida de reactor (ppm) el flujo de aire convertido en estado estándar ( C,,kPa, base de gas seca) (dm/min) = ( ( 22,4 ) ) (4) La cantidad de NO2 (nno2) formada por la pieza de prueba se calcula con la fórmula (5): φno2 f fracción de volumen suministrado de NO2 en la salida de reactor (ppm) el flujo de aire convertido en estado estándar ( C,,kPa, base de gas seca) (dm/min) = ( 2 ) (5) 2..2 Eliminación de acetaldehído La cantidad de acetaldehído eliminado (na) se calcula con la fórmula (6): RA φa φa f eliminación porcentual de acetaldehído por la pieza (7) (%) fracción de volumen suministrado de acetaldehído (ppm) cantidad de acetaldehído en la salida de reactor (ppm) el flujo de aire convertido en estado estándar ( C,,kPa, base de gas seca) (dm/min),6 6 = 22,4 (6) = (7) Cuando RA es o debajo de 5% o más de 95%, el porcentaje de eliminación se debe representar como menos que 5% o más que 95%, respectivamente por motivos de la norma ISO no entendidos. 7

8 2.. Eliminación de formaldehído La cantidad de formaldehído eliminado (nf) se calcula con la fórmula (8): RF φf φf f eliminación porcentual de formaldehído por la pieza (9)) (%) fracción de volumen suministrado de formaldehído (ppm) fracción de volumen de formaldehído en la salida de reactor (ppm) el flujo de aire convertido en estado estándar ( C,,kPa, base de gas seca) (dm/min),6 6 = 22,4 (8) = (9) Cuando RF es o debajo de 5% o más de 95% RF se expresa como menos 5% o más de 95% respetivamente. Esta cantidad de formaldehído se calcula por formula () y () respectivamente. =,6 () = 2,585ϕF () 2..4 Eliminación de tolueno La cantidad de tolueno eliminado (nt) se calcula con la fórmula (2), RT eliminación porcentual de tolueno por la pieza ())(%) φt fracción de volumen suministrado de tolueno (ppm) φt fracción de volumen de tolueno en la salida de reactor (ppm) f el flujo de aire convertido en estado estándar ( C,,kPa, base de gas seca) (dm/min),6 6 = 22,4 (2) = () La cantidad de tolueno eliminado (nt) se calcula por la fórmula 2. Cuando RA es o debajo de 5% o más de 95%, el porcentaje de eliminación se debe representar como menos que 5% o más que 95%, respectivamente. 8

9 Resultados y conclusiones. Determinación de la actividad fotocatalítica con acetaldehído (ISO ) fecha de la prueba: temperatura en el laboratorio ( C) humedad relativa en el laboratorio (%) inicio del experimento fase oscura encendida la luz UV apagada la luz UV C 7 9:9 9:57 :5 :4.: Condiciones de la prueba con acetaldehído :7 :9 : 2:4 :55 5:7 tiempo by pass UV off UV on.2: La concentración de acetaldehído en el tiempo dependiendo del proceso fotocatalítico En la Fig..2 se puede observar en tiempo la concentración de acetaldehído durante el tiempo de exposición a la luz UV. Cuando la luz UV activa la fotocatálisis se reduce el acetaldehído en un ratio de conversión de aproximadamente 46% lo que corresponde a la eliminación de 6,2 micromole de acetaldehído en la última hora de la prueba. RA na 46% 6,2 micromole.: Cantidad de acetaldehído eliminado 9

10 .2 Determinación de la actividad fotocatalítica con formaldehído (ISO ) fecha de la prueba: temperatura en el laboratorio ( C) humedad relativa en el laboratorio (%) inicio del experimento fase oscura encendida la luz UV apagada la luz UV ,5 C 8:4 9:8 9:5 2:9.4: Condiciones de la prueba con formaldehído, 2, 8, 6, 4, 2 8:24 9:6 :48 2: :2 tiempo by pass UV off UV on.5: La concentración de formaldehído en el tiempo dependiendo del proceso fotocatalítico En la Fig..5 se puede observar en tiempo la concentración de formaldehído durante el tiempo de exposición a la luz UV. Cuando la luz UV activa la fotocatálisis se reduce el formaldehído en un ratio de conversión de aproximadamente % lo que corresponde a la eliminación de 2,6 micromole de formaldehído en la última hora de la prueba. RF nf % 2,6 micromole.6: Cantidad de formaldehído eliminado

11 . Determinación de la actividad fotocatalítica con tolueno (ISO 2297-) La determinación de la actividad fotocatalítica con el tolueno se realiza en el Departamento de la Tecnología Inorgánica UCT Praga. El equipamiento utilizado es similar al equipamiento en la Fig fecha de la prueba: temperatura en el laboratorio ( C) humedad relativa en el laboratorio (%) inicio del experimento fase oscura encendida la luz UV apagada la luz UV ,8 4 :8 :49 2:8 5:2.7: Condiciones de la prueba con tolueno pieza de prueba sin previa exposición :2 2:4 by pass :26 UV off 4:8 UV on 5:5 tiempo.8: La concentración de tolueno en el tiempo dependiendo del proceso fotocatalítico En la Fig..8 se puede observar en tiempo la concentración de tolueno durante el tiempo de exposición a la luz UV. Cuando la luz UV activa la fotocatálisis se reduce el tolueno en un ratio de conversión de aproximadamente 4% lo que corresponde a la eliminación de 2,4 micromole de tolueno en la última hora de la prueba. RT nt 4% 2,4 micromole.9: Cantidad de tolueno eliminado

12 .4 Determinación de la actividad fotocatalítica con eliminación de NOx (ISO 2297-) fecha de la prueba: temperatura en el laboratorio ( C) humedad relativa en el laboratorio (%) inicio del experimento fase oscura encendida la luz UV apagada la luz UV : 6:7 6:48 :5.: condiciones de las pruebas con NOx,2,8,6,4,2 5:45 6:57 8:9 9:2 : NO.: La concentración de NOx en el tiempo dependiendo del proceso fotocatalítico nads,6 micromole ndes,9 micromole nno 2 micromole nno2 2 micromole nnox micromole.2: Cantidad de NOx eliminado 2 :45 NO2 2:57 NOx

13 fecha de la prueba: temperatura en el laboratorio ( C) humedad relativa en el laboratorio (%) inicio del experimento fase oscura encendida la luz UV apagada la luz UV :56 7: 7: 2:5.: Condiciones de la prueba con NOx En este caso la actividad fotocatalítica se comprobó con las piezas de prueba previamente utilizadas para las pruebas con formaldehído y acetaldehído. Cuando comparamos las Fig.. y.4 y los resultados en.2 y.5 se puede determinar que la piezas de prueba después de eliminar contaminantes orgánicos muestran la actividad similar como piezas de prueba sin uso previo.,2,8,6,4,2 6:28 7:4 8:52 :4 NO NO2 :6 2:28 :4 NOx.4: La concentración de NOx en el tiempo dependiendo del proceso fotocatalítico pieza de prueba utilizada anteriormente para pruebas con acetaldehído y formaldehído nads, micromole ndes - nno 9 micromole nno2 27 micromole nnox 2 micromole.5 Cantidad de NOx eliminado con ejemplos utilizados para pruebas con acetaldehído y formaldehído

14 acetaldehído formaldehído tolueno NOx.6: Comparativa de la eliminación de contaminantes durante las pruebas fotocatalíticas En la Fig..6 se puede apreciar la comparativa de la actividad fotocatalítica mostrada como la cantidad de contaminantes eliminados durante las pruebas. Se puede confirmar que las superficies aplicadas con FNNANO FN2 son capaces de eliminar acetaldehído, formaldehído, tolueno y también NOx. La cantidad de contaminante eliminado está diferente al seguir los diferentes estándares de los métodos ISO. En el caso de los contaminantes orgánicos la degradación se calcula como el volumen de la conversión media durante la última hora de la prueba, en caso del NOx la cantidad eliminada es proporcional a la diferencia de valores integrados de concentraciones de NO y NO2 respectivamente durante un tiempo de la prueba de 5 horas. 4 Conclusiones La actividad fotocatalítica del recubrimiento FNNANO FN2 se comprueba utilizando varios métodos ISO. Se comprobó que el recubrimiento FN2 puede descomponer formaldehído, acetaldehído, tolueno y también NOx. Las muestras utilizadas en primer lugar para formaldehído y acetaldehído demuestran la actividad fotocatalítica similar en eliminar NOx actividad idéntica a las muestras que no se utilizaron con anterioridad con los contaminantes orgánicos. Según los resultados alcanzados se puede concluir que FNNANO FN2 se puede aplicar para los procesos de tratamientos del aire, especialmente en aplicaciones sobre grandes superficies como fachadas de los edificios. 4