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Introducción
La atmósfera es un bien indispensable para la vida del que todas las personas deben tener tanto el derecho de su uso como la obligación de su conservación. Por lo anterior, la preservación de la calidad del aire debería ser un tema prioritario de cualquier política ambiental en el mundo, por su condición de recurso clave para la vida misma y por los daños que de su contaminación pueden derivarse para la salud humana. Desafortunadamente, esto no es así, pues existe una ineficiente planeación a mediano y largo plazo por parte de muchos de los países del orbe para mejorar la calidad de vida de su población (Gopalan et al., 2020). Todas las evaluaciones efectuadas en esta materia ponen de manifiesto que, a pesar de las medidas puestas en marcha, tanto los niveles de contaminación como los efectos adversos asociados con estos, siguen resultando muy significativos, particularmente en las aglomeraciones urbanas (Pulvirenti et al., 2020). Además, los más recientes estudios confirman que, de no adoptarse nuevas e inminentes medidas, los problemas ambientales y de salud se recrudecerán en el futuro (Russell et al., 2021).
En la atmósfera existen diferentes tipos de contaminantes que repercuten negativamente tanto en los seres humanos, como en el medio ambiente y en los materiales de construcción. Entre ellos, existen seis considerados como “contaminantes criterio” que son monitoreados por sus efectos adversos en los ecosistemas y en la salud de la población. Estos son: el monóxido de carbono (CO), el ozono troposférico (O3), el plomo (Pb), el material particular (PM), el dióxido de azufre (SO2), y, los óxidos de nitrógeno (NOx) (Zhou et al., 2019). La mayoría de estos contaminantes se generan durante procesos de combustión a altas temperaturas y por la quema incompleta de combustibles fósiles, principalmente en los motores de los vehículos móviles. Así las cosas, este se vuelve un problema relacionado con ambientes urbanos donde existe un enorme parque automotor. Estas emisiones producen una diversidad de problemas en la salud de la población, daños estructurales en los inmuebles, así como efectos ambientales negativos sobre el planeta. La emisión de estos seis contaminantes altamente reactivos a la atmósfera puede iniciar una cascada de procesos químicos que tienen un impacto devastador en la salud humana y en el ecosistema; por lo cual, existen acciones tanto políticas como tecnológicas para reducir su concentración en los ambientes urbanos (Russell et al., 2021). Una tecnología potencial para el abatimiento de los contaminantes atmosféricos es la fotocatálisis heterogénea aplicada en materiales utilizados para la construcción. Estos materiales pueden ser de varios tipos, pero los más estudiados son el concreto (Han et al., 2017a) y el asfalto (Fan et al., 2017), los cuales pueden ser mezclados o rociados con nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2), el fotocatalizador empleado por excelencia (Hamidi y Aslani, 2019).
Desde hace años se estudia la incorporación de nanopartículas específicamente diseñadas en materiales de construcción tradicionales (por ejemplo, recubrimientos, pinturas, vidrio, pavimentos, etc.), los cuales otorgan nuevas propiedades y funcionalidades, como la autocompactación, la autocuración, la resistencia al desgaste, a la degradación fotocatalítica de algunos contaminantes criterio, al material original, mejorando la estabilidad, longevidad y funcionamiento de las infraestructuras (Han et al., 2017b). Además, la incorporación de estas nanopartículas en los materiales de construcción promueve en algunos casos, la reducción de los costos de ciclo de vida, el consumo de recursos y la contaminación ambiental. A estos nuevos materiales se les conoce como “materiales inteligentes” (Khitab et al., 2014). Entre las incorporaciones más importantes se encuentra la adición de nanopartículas fotocatalíticas que le otorga las propiedades de descontaminación, autolimpieza y propiedades antimicrobianas al material de construcción empleado (Pietrzak et al., 2016). Diversos estudios sobre estos materiales han demostrado resultados positivos y altamente prometedores, por lo cual han sido aplicados exitosamente en varios campos dentro de la industria para fabricar diferentes tipos de materiales. En consecuencia, hoy en día se considera a la nanotecnología como la nueva tendencia en la industria de la construcción (Papadaki et al., 2018), al permitir el mejoramiento de sus propiedades químico estructurales a partir de la adición de nanopartículas con propiedades fotocatalíticas. El dióxido de titanio como fotocatalizador es un ejemplo de nanotecnología, al presentar en escala nanométrica propiedades fotocatalíticas que le proporcionan la capacidad de eliminar contaminantes nocivos de la atmósfera, al ser activado con energía solar y vapor de agua (Pietrzak et al., 2016), además de repeler partículas de polvo permitiendo mantener limpias las infraestructuras por más tiempo gracias a su propiedad de autolimpieza.
Proceso fotocatalítico
Se denomina catálisis al proceso donde una reacción química es acelerada mediante la participación de una sustancia denominada catalizador. En la fotocatálisis, este catalizador suele tener las propiedades de un material semiconductor el cual, al igual que un conductor o un aislante, se caracteriza por tener bandas de energía (Folli et al., 2010). Dichas bandas se generan por la gran cantidad de átomos presentes en un material sólido que, al estar tan cerca unos de otros, configuran niveles de energía en forma de bandas, donde cada una tiene una energía diferente, y en su estado fundamental los electrones tienden a llenar estas bandas iniciando desde la más baja hasta la más alta, de forma similar a como los electrones ocuparían los orbitales en un átomo. La banda de energía más alta, la análoga al orbital molecular ocupado más alto (highest occupied molecular orbital, HOMO), se llama banda de valencia. La siguiente banda más abajo, la análoga al orbital molecular desocupado más bajo (lowest unoccupied molecular orbital, LUMO) se llama banda de conducción. Ambas bandas de energía están separadas por una diferencia de energía (Eg), denominada banda prohibida (band gap). Para que un electrón fluya entre las bandas en un material semiconductor sólido, es necesaria la aplicación de radiación electromagnética y que tenga acceso también a una banda energética vacía cercana (Ayyub y Rao, 2020). En un material conductor, como los metales, la banda de valencia y de conducción están sobrepuestas o muy cercanas entre sí, lo cual provoca que los electrones se muevan libremente a través de ellas y accedan fácilmente a las áreas energéticas vacías. En contraparte, en un material aislante los electrones no llegan a fluir entre las capas debido a que la banda de conducción se encuentra demasiado alejada para que los electrones puedan acceder a ella y en general la banda de valencia se encuentra completamente llena de electrones. Sin embargo, en un material semiconductor al estar en un punto intermedio entre ambos, conductor y aislante, la separación entre bandas no es muy alta y al aplicarse una cierta energía electromagnética suficiente, los electrones pueden llegar a fluir desde la banda de valencia hasta la banda de conducción, creando así lo que se denomina el par electrón-hueco. Esta energía electromagnética es de apenas unos pocos electronvoltios (eV) y es propia de cada material semiconductor (Tong et al., 2012).
Cuando la activación del catalizador implica la absorción de luz (fotón, hv) por parte de este, entonces hablamos de fotocatálisis, y el catalizador se denomina comúnmente fotocatalizador. La fotocatálisis engloba un conjunto de reacciones químicas de oxidación-reducción (redox) que se producen en la superficie del material semiconductor cuando estos son irradiados con luz natural o artificial a una longitud de onda (λ) igual o superior a la energía de banda prohibida del material a utilizar (Gołąbiewska et al., 2018). Este proceso se desarrolla frecuentemente en un tipo de fotocatálisis denominada “heterogénea”, pues el medio y el fotocatalizador se encuentran en fases distintas (gas-sólido o líquido-sólido). Sin suficiente o nada de excitación fotónica, el fotocatalizador permanecerá en su estado fundamental donde los electrones estarán confinados en la banda de valencia. Sin embargo, una vez que un fotón con una energía igual o superior a la energía de la banda prohibida (hv ≥ Eg) impacta sobre el semiconductor, los electrones son promovidos a la banda de conducción, dentro de una escala de tiempo de femtosegundos (Hoffmann et al., 1995). La transición de estos electrones conduce a huecos (electrones vacantes) que quedan en la zona de la banda de valencia, produciendo los pares electrón-hueco, es decir, electrones activos (e-) en la banda de conducción y huecos positivos (h+) en la banda de valencia. Estos pares electrón-hueco generados, designados como portadores de cargas libres, pueden, a su vez, migrar a la superficie del semiconductor propiciando una transferencia electrónica con sustancias adsorbidas en la superficie del material. Por una parte, los electrones reducen a un aceptador de electrones (A) y, por otro lado, los huecos aceptan electrones de una especie donadora de electrones (D), de manera que esta última se oxida (Bajorowicz et al., 2018) (Figura 1).
hv = fotón de energía; Eg = energía de banda prohibida; BV = banda de valencia; BC = banda de conducción; h+ = hueco positivo; e- = electrón; A = especie aceptadora de electrones; D = especie donadora de electrones.
Fuente: Elaboración de los autores.
Figura 1 Ilustración esquemática del proceso de fotocatálisis de un semiconductor.
A la par de este proceso, se generan tres rutas probables para los pares electrón-hueco recién formados (Tahir et al., 2020): 1) que ocurra una recombinación electrónica en la superficie o dentro del fotocatalizador (recombinación), en donde los electrones pierden energía y vuelven a su estado de equilibrio al ocupar nuevamente un nivel más abajo de energía (banda de valencia); 2) que los electrones liberados se lleguen a esparcir sobre la superficie del fotocatalizador y reaccionen con las moléculas de oxígeno circundantes (O2, especie aceptadora de electrones) presente en la atmosfera, para producir radicales de oxígeno reactivo (O·2-) (fotorreducción); 3) o que los huecos generados en la banda de valencia oxiden a las moléculas de agua (H2O, especie donadora de electrones) para formar radicales hidroxilos altamente oxidantes (OH·) (fotoxidación). Los radicales hidroxilos (OH·) y los superóxidos (O·2-) generados sobre la superficie del TiO2 han demostrado una gran capacidad para desactivar diferentes microrganismos, una gran variedad de contaminantes orgánicos y otros compuestos inorgánicos, tales como gases NOx y SOx (Zhou et al., 2019).
TiO2 como fotocatalizador
A pesar de que existe una gran variedad de materiales semiconductores reportados, solo unos pocos llegan a ser efectivos como fotocatalizadores. Idealmente, un semiconductor con capacidad fotocatalítica debería ser un material estable, efectivo, ecológico, abundante, fácil de producir, de usar, que sea económico, y que además sea activado con luz visible (Grabowska et al., 2018). De ser así, no sorprendería que ningún semiconductor se ajuste por completo a esta lista ideal; no obstante, existen ciertos materiales semiconductores que cumplen con varias de estas características idóneas y que se han utilizado para llevar a cabo la reacción fotocatalítica, siendo los más relevantes: TiO2, ZnO, CdS, Fe2O3, SnO2, BiOx, PbS, ZnS y el WO3, aunque la mayoría aún son objetos de investigación y carecen de ensayos de campo a gran escala (Tahir et al., 2020). De entre ellos, el dióxido de titanio es el que más se acerca a todas las características deseadas en un fotocatalizador ideal, debido a su asequibilidad, seguridad, estabilidad química, bajo costo, gran actividad fotocatalítica, buena efectividad bajo irradiación de luz solar en ambientes naturales, alta disponibilidad en la corteza terrestre (Castellote y Bengtsson, 2011) y clasificado como material no peligroso de acuerdo con las Naciones Unidas (ONU) y el Sistema Global Armonizado de Clasificación y Etiquetado de Productos Químicos (GHS, por sus siglas en inglés) (Schilling et al., 2010). Asimismo, el TiO2 ofrece otras importantes características como la facilidad de su método de síntesis, su versatilidad de aplicación y su compatibilidad con los materiales de construcción tradicionales (Hamidi y Aslani, 2019).
En la naturaleza el TiO2 se presenta en tres fases cristalográficas: rutilo, anatasa y brookita. La anatasa y el rutilo son las dos fases más importantes para emplearse en aplicaciones prácticas en fotocatálisis debido a su alta fotoactividad y mayor estabilidad en comparación con la brookita. Aunque al rutilo se le considera como la fase más estable y a la anatasa como la fase más fotoactiva (Hanaor y Sorrell, 2011), se ha reportado que a menudo la mezcla sinérgica de ambas fases otorga una mayor fotoactividad en el producto final. El polvo comercial Degussa (Evonik) P25 contiene una mezcla de 80% anatasa y 20% rutilo, con una pureza de 99.5% (Shu et al., 2013). Una de las mayores desventajas en el empleo del dióxido de titanio como fotocatalizador es que solo puede trabajar bajo irradiación UV, limitando su potencial. Se ha documentado que el rutilo posee una energía de banda prohibida de 3.0 eV (equivalente a λ = 413 nm), mientras que la anatasa tiene una banda prohibida ligeramente mayor de 3.2 eV (equivalente a λ = 388 nm). Ambas bandas prohibidas están dentro de la longitud de onda larga perteneciente al espectro UV (315-400 nm de longitud de onda). Se sabe que alrededor del 44% de la energía emitida por el sol tiene una longitud de onda entre 400-700 nm, que corresponde a la luz visible. Cerca del 37% de la emisión se encuentra entre 700 a 1500 nm, que corresponde a la radiación infrarroja (IR) y menos del 7% de la energía solar emitida tiene una longitud de onda menor a 400 nm, que corresponde a la radiación ultravioleta (UV) (Moreno-Huerga, 2018). En consecuencia, la activación del dióxido de titanio se lleva a cabo a través de esa pequeña fracción (alrededor del 5%) del espectro solar que se recibe. A pesar de esta limitación, se considera que sus características positivas superan con creces a esta negativa; así, el dióxido de titanio se ha convertido en el material semiconductor con mayor uso en diversos campos como es el ambiental, el energético y el de salud (Nevárez-Martínez et a., 2017).
El dióxido de titanio es uno de los materiales industriales más populares en nuestra vida cotidiana, pudiéndose encontrar en una plétora de productos comerciales como pigmento para pinturas, cosméticos, productos alimenticios, entre otros (Nakata y Fujishima, 2012). Pero, debido a su capacidad para degradar compuestos contaminantes y a su facilidad para combinar con cualquier elemento, desde hace varios años se ha buscado la implementación de este fotocatalizador a escala nanométrica en los materiales de construcción (cementos, pavimentos, ventanas, etc.) para que estos puedan adquirir sus propiedades fotocatalíticas de descontaminación, desinfección y autolimpieza. El uso de materiales de la industria de la construcción se ha llevado a cabo en mayor o menor medida en el continente europeo y asiático, siendo una de las primeras empresas que empezó a probar este tipo de materiales Italcementi® (Italcementi, 2009), la cual presenta la mayor cantidad de patentes de este tipo de productos y fue la primer empresa en proporcionar el cemento fotocatalítico para la construcción de la iglesia Dives in Misericordia en Roma, Italia, uno de los ejemplos más representativos de una construcción fotocatalítica. Actualmente, se siguen construyendo más edificaciones con materiales a base de cemento y elementos constructivos que contiene TiO2 (Norhasri et al., 2017), en los cuales se profundizará más adelante.
El mecanismo fotocatalítico del dióxido de titanio se explica con la teoría de bandas (de valencia y conducción), descrita anteriormente, donde el proceso de fotoactivación en el TiO2 se da cuando el material absorbe radiación UV (luz solar o lámparas fluorescentes, hv) y ocurre la transferencia de electrones entre bandas, generando los pares electrón-hueco (eq. 1):
Los electrones de la banda de conducción (
Mientras que los huecos positivos de la banda de valencia generados (
Posteriormente, estos radicales libres (
A pesar de la enorme popularidad y ventajas que presenta el uso del TiO2, incluso en materiales de construcción, recientemente se han estado desarrollando estrategias para mejorar su eficiencia en las propiedades fotocatalíticas, así como en lograr su fotoactivación en el espectro de luz visible que supone el 46% de la radiación total que llega a la Tierra. Para esto se han empleado diversas estrategias para hacer al TiO2 un material activo bajo luz visible (Pelaez et al., 2012). Las técnicas o metodologías para lograr esto incluyen la modificación de la superficie a través de materiales orgánicos, la mezcla con otros semiconductores activos en luz visible, el ajuste de la banda prohibida mediante la creación de vacancias de oxígeno, el dopaje y co-dopaje con metales (Cr, Mn, Fe y Ni) (Grabowska et al., 2018) y no-metales (C, N, S e I) (Janus et al., 2019), la preparación de nuevas nanoestructuras del TiO2, las heterouniones con otros elementos, la inclusión con otro compuesto o simplemente con la formación de nuevos compuestos con rendimientos mejorados (Figura 2) (Mamaghani et al., 2020). En los últimos años se han desarrollado varios enfoques innovadores relacionados con las modificaciones químico-estructurales del TiO2, centrándose en obtener mejores rendimientos fotocatalíticos para los procesos de descontaminación, autolimpieza y desinfección. Dicha investigación se ha centrado en aprovechar la luz solar para satisfacer la urgente demanda social de un medio ambiente más limpio y en el desarrollo de nuevos materiales de construcción más ecoeficientes (Janus et al., 2020). Investigadores e ingenieros están dirigiendo su atención hacia el desarrollo de fotocatalizadores más avanzados que aprovechen la radiación de luz solar e incorporarlos en los materiales de construcción. Se espera que estos nuevos materiales, estructural y funcionalmente diseñados, se utilicen para apoyar en mitigar los problemas de contaminación atmosféricos de una manera más económica y eficiente (Gopalan et al., 2020). Por supuesto, esta área de trabajo todavía está en etapas iniciales, pero varios investigadores (Batsungnoen et al., 2020; Gopalan et al., 2020; Yamazaki et al., 2020) consideran que el mejoramiento, la comercialidad, el costo de producción y la facilidad de preparación deben optimizarse en esta dirección mediante una amplia y continua investigación.
Materiales de construcción fotocatalíticos
La contaminación atmosférica representa un agente de deterioro ocasionando que muchos edificios se vayan dañando con el paso del tiempo (Di Paola et al., 2012). La suciedad en una fachada puede definirse como el depósito y acumulación de partículas y sustancias presentes en el aire, produciéndose tanto en las superficies exteriores de un edificio como en las paredes interiores del mismo. Su acumulación se considera como un hecho inevitable, puesto que cualquier construcción, al estar rodeada por el aire atmosférico, será susceptible de recibir las partículas orgánicas e inorgánicas que se encuentren suspendidas en él. Este fenómeno se manifiesta aún más en las grandes ciudades donde la contaminación atmosférica es mucho mayor. Los efectos de dicha contaminación sobre los materiales constructivos tienen repercusiones importantes a nivel estético, social, económico y de salubridad (Brand, 2018). Entre los principales contaminantes atmosféricos que afectan las edificaciones se encuentran los óxidos de nitrógeno (NOx), los óxidos de azufre (SOx), los óxidos de carbono (COx) los compuestos orgánicos volátiles (COV’s), el material particulado, el ozono, entre otros (Khin et al., 2012). La mayoría de estos compuestos pueden incluso reaccionar entre sí, por la presencia de humedad en el ambiente, la radiación solar y otros compuestos que facilitan las reacciones para formar nuevos contaminantes denominados “secundarios” (Brand, 2018). Estos nuevos contaminantes llegan a ser igual o más dañinos para los materiales de construcción y para las personas que habitan los inmuebles. De igual forma, la presencia de patógenos en el aire, como bacterias, virus y hongos, provoca efectos nocivos tanto en la salud de los habitantes como en los materiales de construcción (Rodriguez-Gonzalez et al., 2020), los cuales, mediante una acumulación prolongada de microrganismos pueden provocar una disminución en la dureza y estética del material (Chen et al., 2010). Con base en lo anterior, se ha vuelto indispensable reducir los contaminantes y patógenos para una mejor calidad de vida. Esto ha generado áreas de oportunidad para la implementación y puesta a prueba de nuevos avances tecnológicos, específicamente en nuestro caso, mediante el uso de materiales fotocatalíticos en la rama de la construcción.
Desde hace varios años, los investigadores han centrado su atención en desarrollar “materiales de construcción inteligentes” (Han et al., 2017b), incorporando materiales nanoestructurados en elementos comunes de construcción, como es la adición de nanopartículas de dióxido de titanio. La capacidad fotocatalítica en materiales de construcción se ha demostrado en laboratorios, a escala piloto y, recientemente, con algunos programas específicos de monitoreo en campo (como el Proyecto PICADA) para la reducción de los niveles de contaminación urbana y de desarrollo. Lo anterior ha propiciado la creación actual de un mercado de materiales basados en TiO2 donde incluso ya existen empresas como Italcementi, Mitsubishi que comercializan materiales utilizando este fotocatalizador u otros más. Entre los materiales de construcción fotocatalíticos más populares están las pinturas, morteros, fachadas, cubiertas, tejados, azulejos antibacterianos, ventanas inteligentes, filtros de aire, etc. (Chen y Poon, 2009). En la Tabla 1 se muestran empresas enfocadas en la industria de la construcción que han sacado al mercado productos con propiedades fotocatalíticas.
Tabla 1 Empresas dedicadas a la venta de productos fotocatalíticos para el sector de la construcción.
| Compañía | Productos | Nanomaterial |
|---|---|---|
| Agro Buchtal | Productos cerámicos | TiO2, Fe2O3 |
| Asahi Glass | Fabricación de vidrio, electrónica y energía | TiO2 |
| Bioni CS | Pinturas y recubrimientos antibacterianos y antifúngicos | Ag/TiO2 |
| Duravit | Cerámica para sanitarios, accesorios para bañeras | TiO2, Ag |
| ENEQ | Industria de recubrimientos funcionales para el vidrio | Al2O3/TiO2, ZnS |
| Erlus AG | Tejados | TiO2 |
| Industrial Nanotech Inc. | Fabricación de pinturas y materiales de revestimientos | TiO2 |
| Italcementi | Producción de cemento, TX Active | TiO2 |
| Jotun | Pinturas, recubrimientos y estucos | TiO2 |
| Lafarge | Fabricación de cemento, cemento blanco Lafarge, cemento Lafarge bajo en carbono | TiO2 |
| MAXIT Airfresh | Techos y paredes, pinturas fotocatalíticas | TiO2 |
| Mitsubishi Chemical Group Corp. |
Varios materiales de construcción | TiO2, varios |
| Nanoguard | Revestimientos y pinturas | TiO2, ZnO, Al2O3, ZrO2 |
| Nanoshel | Manufacturación de cemento | TiO2, SiO2, Al2O3 |
| Pilkington | Ventanas y vidrios autolimpiantes | TiO2 |
| PPG Industries | Vidrio autolimpiante y energía | TiO2 |
| Relius Roof | Revestimientos de paredes, pinturas y yesos | Acrílico Nanotech |
| Rocca | Productos sanitarios y losa cerámica | TiO2 |
| Villeroy Boch | Productos cerámicos de alta calidad | TiO2 |
Fuente: Elaboración de los autores.
Junto con las ventanas fotocatalíticas, los materiales fotocatalíticos base cemento, como, por ejemplo, los morteros y concretos, se han convertido en los más utilizados en el campo de la construcción debido a dos factores (Daniyal et al., 2019): 1) a la naturaleza de la matriz que es adecuada para incorporar las nanopartículas de TiO2, y, 2) a los distintos usos de este material en el campo de la construcción tradicional. A pesar de eso, su incorporación en materiales cementosos todavía se le considera una tarea desafiante (Feng et al., 2020). Es deseable tener la máxima cantidad de catalizador en la superficie del material, sin el riesgo de perderlo por abrasión o meteorización. Para esto existen dos métodos principales para la incorporación del nanocompuesto en sistemas cementosos: 1) agregar el fotocatalizador al concreto directamente durante el proceso de mezclado, o, 2) rociar el fotocatalizador en forma de solución sobre la superficie del concreto (revestimientos superficiales). En el primer método las nanopartículas de TiO2 se incrustan dentro del material cementoso, proporcionando una mejor estabilidad para la fotodegradación. No obstante, presenta el inconveniente de que cierto porcentaje de partículas no se expondrán para mostrar actividad fotocatalítica, por lo que se desperdicia material potencialmente activo. Además, la fotoactividad del TiO2 se podría reducir significativamente con el tiempo, debido a la cobertura en la superficie del material que conduciría a una eventual supresión de la actividad fotocatalítica. En el segundo método, las nanopartículas de TiO2 se apoyan en la superficie de la matriz del cementante, lo cual otorga un efecto positivo y más eficiente para la fotocatálisis y, por ende, para la degradación de los contaminantes (Wang, Yu, et al., 2020). Sin embargo, este método presenta serios problemas de durabilidad, en particular por la remoción de los componentes fotoactivos debido al viento, a la lluvia y, en general, a todo agente ambiental.
Adsorción de contaminantes
Uno de los factores fundamentales para que ocurra la reacción fotocatalítica, y en muchos casos determinante para su eficiencia, es el fenómeno de adsorción de los contaminantes atmosféricos en la superficie de los materiales de construcción (Abebe et al., 2018). La adsorción se define como un proceso superficial en el cual una sustancia en fase fluida (gas, líquido o sólidos en suspensión) se adhiere, deposita y acumula sobre la superficie de otra fase (generalmente sólido), debido a fuerzas de atracción intermoleculares entre las fases involucradas. El material retenido en la superficie sólida en el proceso de adsorción se denomina adsorbato, mientras que el material sobre el que se retiene se denomina adsorbente (Figura 3). Esta acumulación superficial del adsorbato sobre el adsorbente se le denomina adsorción. Una vez realizado este fenómeno, los materiales adsorbidos pueden difundirse sobre la superficie, permanecer fijos y/o sufrir una reacción química (como la fotocatálisis) (Soledad-Faraldos, 2012). La naturaleza exacta de la unión entre ambas fases depende de varios factores y de las especies involucradas, pero en general se han clasificado en dos tipos: a) la adsorción física o fisisorción en la cual los átomos, iones o moléculas se mantienen unidas a la superficie del material por medio de fuerzas débiles de Van der Waals, o, debido a una atracción electrostática entre las fases presentes, o, b) la adsorción química o quimisorción donde estas se adhieren a la superficie del sólido mediante un enlace químico fuerte, generalmente enlaces covalentes.
Fuente: Elaboración de los autores.
Figura 3 Representación del fenómeno de adsorción de los contaminantes sobre la superficie de un material de construcción fotocatalítico.
La importancia de este fenómeno en los materiales de construcción radica en que para que ocurra una reacción química, los reactivos deben entrar en contacto íntimo, es decir, las especies involucradas deben permanecer lo más próximas posible (Rashed, 2013). Por este motivo la mayor parte de los eventos del proceso fotocatalítico ocurre en la capa más cercana a la superficie del semiconductor y todo lo que podría llegar a incidir en el proceso de adsorción influirá en el rendimiento de fotodegradación. Hoy en día, se tienen identificados varios factores medioambientales que modifican la eficiencia de los procesos de adsorción como es la intensidad de la radiación incidente, la humedad relativa, la temperatura, el viento, entre otros, así como otros factores intrínsecos del fotocatalizador como el método de aplicación, la cantidad del fotocatalizador, la naturaleza del semiconductor, tamaño de partícula, tipo de soporte, por mencionar algunos. Asimismo, es dependiente de otras características como: i) la del adsorbente (tipo de material, porosidad, topografía, tamaño de área específica, tipo de estructura, naturaleza de los agregados, etc.); ii) condiciones de adsorción (magnitud, velocidad, tipo de mecanismo, fuerzas físicas o químicas involucradas), o, iii) condiciones del proceso (temperatura, presión, concentración, tiempo, pH) (Rashed, 2013; Sansotera et al., 2018; Dell’Edera et al., 2021).
Se sabe que todos los sólidos tienen la propiedad de adsorber en su superficie átomos, moléculas o iones que se encuentran a su alrededor. Aun en las superficies más cuidadosamente pulidas, desde un punto de vista microscópico, llegan a presentar defectos e irregularidades. La presencia de ellos es importante en el estudio de los procesos superficiales, como es la fotocatálisis, pues los átomos implicados suelen ser más susceptibles a los campos de fuerza y también son más reactivos (Abebe et al., 2018; Agboola y Benson, 2021). El área superficial es otro factor importante que mejora el proceso de adsorción, esto debido a que con el aumento de la superficie de contacto se aumenta la velocidad de reacción química (actividad fotocatalítica) (Dell’Edera et al., 2021). Esto se puede lograr al disminuir el tamaño de grano del material semiconductor lo que aumenta su área superficial y por consiguiente, se tiene un mayor espacio para que interactúen con las moléculas de los contaminantes (Rafique et al., 2020; Tahir et al., 2020). En ese sentido, una mayor área superficial conduce, generalmente, a una alta capacidad de adsorción y una mayor reactividad superficial, y, en consecuencia, a un incremento en la remoción de los contaminantes. Muchos materiales de construcción presentan irregularidades y grandes áreas superficiales expuestas a una fuente de luz natural o artificial, que en conjunto crean las condiciones óptimas para la aplicación de soluciones fotocatalíticas (Gopalan et al., 2020; Singh et al., 2021).
Propiedad autolimpiante
En un entorno natural, es común que la estética y el brillo de la superficie de un edificio ordinario se pierda con el tiempo debido al envejecimiento paulatino del material. Las fachadas de un inmueble se ensucian debido a una acumulación constante de compuestos orgánicos e inorgánicos que provocan una fuerte adherencia del polvo ambiental y otros compuestos sobre la superficie. Como resultado, la suciedad acumulada en esta altera la apariencia visual y las propiedades de reflectancia, influyendo, además, en un aumento de la temperatura interna del edificio debido a una mayor absorción de calor (Topçu et al., 2020). Se ha establecido que por sus características fisicoquímicas, como son rugosidad, porosidad y composición mineralógica, los materiales a base de cemento facilitan la deposición de contaminantes orgánicos, material particulado y crecimiento microbiano causando ese cambio de color y el deterioro físico y visual en las estructuras de construcción, siendo más evidentes en fachadas con colores claros (Khanna et al., 2020; Wang, Gauvin, et al., 2020) como se esquematiza en la Figura 4.
Fuente: Elaboración de los autores.
Figura 4 Modelo esquemático donde se muestra la contaminación a la que está expuesta una fachada típica de concreto en un ambiente urbano alterando su apariencia visual.
Sin un mantenimiento constante y adecuado, resultaría difícil mantener las propiedades estéticas originales de los edificios (Ganesh et al., 2011). Para mitigar este problema se han utilizado diferentes técnicas como la aplicación de aditivos antiadherentes o pinturas especiales; sin embargo, estas soluciones temporales han supuesto un gasto importante para las personas. Otra opción corresponde al uso de materiales fotocatalíticos basados en TiO2. La limpieza de las superficies con este método se basa en dos procesos fundamentales: i) a la fotoxidación de la capa orgánica responsable de la adherencia de las partículas contaminantes mediante reacciones redox lo que facilita su remoción, y, ii) a la capacidad anfipática del TiO2, es decir, a que puede presentar tanto la propiedad hidrofóbica como hidrofílica. La propiedad anfipática del TiO2 se descubrió por accidente en 1995 (Wang et al., 1999) al encontrar que el semiconductor al ser irradiado con luz UV propiciaba que el ángulo de contacto del agua disminuyera, haciendo que esta se forme en capas en vez de acumularse en forma de gotas (Topçu et al., 2020). Este fenómeno provoca que el agua se pueda extender a una mayor velocidad y por una mayor área superficial en el material que, además de disipar el calor proveniente de la luz solar y, por ende, disminuir el efecto albedo en el edificio, facilita un aumento de la presencia de moléculas de H2O en la zona. Esto provoca, a su vez, un aumento en la formación de radicales hidroxilos (OH·) mediante el proceso de fotoxidación del semiconductor, acelerando la degradación del contaminante. Al ir disminuyendo la energía lumínica sobre el fotocatalizador se provoca un incremento paulatino en el ángulo de contacto del agua formando gotas cada vez más esféricas, hasta generar la propiedad superhidrofóbica. Ese fenómeno induce una mayor movilidad de las gotas sobre la superficie que, además, absorben y desplazan a las partículas previamente fotodegradadas a su paso, creando la propiedad de autolimpieza (Figura 5).
Fuente: Elaboración de los autores.
Figura 5 Modelo que ejemplifica el proceso de autolimpieza: a) la parte orgánica del contaminante es degradada por fotocatálisis dificultando su adherencia a la superficie; b) las gotas de agua se deslizan por la propiedad superhidrofóbica del material absorbiendo los contaminantes a su paso, y, c) los contaminantes son removidos fácilmente dejando una superficie limpia.
Propiedad descontaminante del aire
Sabemos que la calidad del aire es uno de los factores críticos para determinar la calidad de vida del ser humano. El aire que respiramos está contaminado con diversas impurezas, de varios tamaños y composiciones (Fermoso et al., 2020). La mayoría de los contaminantes tienden a dañar la salud humana, la biodiversidad, los ecosistemas y también cualquier obra de infraestructura. Una proporción significativa de la población mundial vive en áreas urbanas, principalmente ciudades, donde las concentraciones de elementos nocivos son aún mayores (Hay et al., 2015). Las exposiciones prolongadas a muchos de los contaminantes varían en gravedad en los seres humanos, pero van desde el deterioro del sistema respiratorio hasta la muerte prematura. En los edificios pueden causar cambios importantes en la apariencia estética de los materiales, así como una disminución en la resistencia mecánica del mismo (Di Paola et al., 2012). Para solucionar este problema ambiental, se han propuesto diversos procedimientos para reducir el nivel de contaminación tales como: la reducción misma de la fuente de contaminación, cambios de comportamiento, uso de transporte público o “activo” (ej. ciclismo) o a través de vehículos de cero emisiones (Hay et al., 2015). Sin embargo, muchos de ellos no son atractivos debido a su impacto lento o al alto costo inicial (Comission, 2015). Por este motivo, la oxidación fotocatalítica de contaminantes atmosféricos se ha vuelto una propuesta atractiva debido a su facilidad de uso, impacto instantáneo y bajo costo en comparación con otros métodos (Fermoso et al., 2020). La manera de actuar de este método es que los contaminantes gaseosos quedan atrapados en la superficie del material fabricado con TiO2, y, al ser este activado con luz solar propicia reacciones de oxidación-reducción descritas transformando los óxidos contaminantes en sales solubles e inocuas (Figura 6).
Fuente: Elaboración de los autores.
Figura 6 Modelo simple del proceso de descontaminación del aire vía fotocatálisis en un material fotocatalítico.
Específicamente hablando de los gases de nitrógeno (NOx) cuando estos son expuestos
a los radicales hidroxilos (OH-), generados en la
superficie del TiO2 durante la fotoactivación, son oxidados y convertidos
a iones de nitrato (
Propiedad antimicrobiana
Las propiedades fotocatalíticas del TiO2 también se pueden utilizar para la inactivación de un amplio espectro de microrganismos, incluidos virus, hongos, polen, algas y bacterias que desencadenan cambios químicos y estéticos no deseados en el material constructivo (Foster et al., 2011; Sagir et al., 2020). La actividad antimicrobiana inducida por la fotoactivación del TiO2 a menudo se denomina como fotoesterilización y es una forma eficaz de reducir el recuento de bacterias. Dichos materiales se pueden emplear en áreas que requieran una limpieza extraordinaria o altos niveles de esterilización como son hospitales, cocinas, escuelas, plantas procesadoras de alimentos, tanques de almacenamiento de agua y similares (Guo et al., 2013). Debido a la complejidad de los microrganismos, se desconoce aún el mecanismo exacto de inactivación que ejerce la fotocatálisis sobre ellos. Lo que sí está documentado es que debido a un ataque prolongado de las especies reactivas de oxígeno (principalmente los radicales hidroxilos, (OH-) que se originan durante el proceso de fotoxidación, se crea un estrés oxidativo en el germen. Este proceso empieza a ocasionar un daño en el microrganismo iniciando en la pared celular y posteriormente en la membrana citoplasmática hasta perforarlas e induciendo la fuga de su sustancia interna. Después de esto, los ROS continúan el ataque introduciéndose en el germen y comenzando un ataque directo contra sus componentes intracelulares, destruyendo en esta etapa su ADN, proteínas y núcleo, de esta forma matan al microrganismo (Figura 7) e incluso evitan la replicación del individuo celular inhibiendo el crecimiento de su población (Ganguly et al., 2018). Actualmente, la mayoría de las investigaciones se restringen a la etapa de laboratorio, las aplicaciones prácticas son muy pocas y las pruebas de campo aún son requeridas para verificar la factibilidad del concreto antimicrobiano (Qiu et al., 2020). En el futuro, se espera que continúe el desarrollo de nuevos materiales de construcción novedosos que sean mejores agentes antimicrobianos, de alta eficiencia, larga duración, amplio espectro y respetuosos con el medio ambiente, además de tener un excepcional desempeño antimicrobiano en el campo de la lucha contra los virus (Chen et al., 2010).
Fuente: Elaboración de los autores.
Figura 7 Ilustración del posible mecanismo de inhibición de los microrganismos a través del proceso de fotocatálisis.
Dependiendo de la propiedad fotocatalítica que se quiera explotar (descontaminación, autolimpieza o desinfección), será más efectiva su aplicación sobre determinado tipo de elemento constructivo por lo cual se deberá usar en su forma más adecuada.
Aplicaciones
A principios de la década de los años 1990, la posibilidad de utilizar la radiación solar para activar un fotocatalizador impulsó las primeras investigaciones que perseguían la aplicación práctica de la fotocatálisis para la eliminación de residuos contaminantes y patógenos dañinos (Hashimoto et al., 2005). Esto condujo al desarrollo de nuevos tipos de materiales con propiedades mejoradas, por lo que se han realizado diseños conceptuales para la aplicación en práctica de los procesos de oxidación fotocatalítica en la industria de la construcción. Desde entonces, múltiples informes de investigación han estudiado una variedad de materiales de soporte para la industria, como revestimientos a base de cemento (Yang et al., 2018), estucos (Luévano-Hipólito y Martínez-de la Cruz, 2018), pinturas (Salvadores et al., 2020), ventanas (Angulo-Ibáñez et al., 2021), pavimentos (Cordero et al., 2020), etc., la mayoría de ellos enfocados en la eliminación del NOx bajo condiciones de laboratorio y, en menor medida, en condiciones exteriores reales y su impacto en la calidad del aire. Aunque, afortunadamente en la última década varios estudios (Dell’Edera et al., 2021; Russell et al., 2021) sí se han realizado en ambientes naturales obteniendo resultados aceptables. A continuación, se mostrarán los estudios más relevantes sobre diferentes materiales empleados en la construcción.
Pinturas fotocatalíticas
A lo largo del orbe, se han reportado diversos proyectos desarrollados en condiciones de exteriores para fomentar el uso de pinturas fotocatalíticas como posible solución para superar problemas ambientales. En efecto, la pintura fotocatalítica para recubrir edificios es uno de los materiales más usados para este tipo de aplicaciones. Un recubrimiento de pintura fotocatalítica sobre cualquier material constructivo propicia la existencia de un área interfacial más grande disponible para la fotocatálisis, originando superficies fotoactivas para degradar los contaminantes (Ângelo et al., 2014). No obstante, si bien el dióxido de titanio es uno de los componentes principales en la formulación de una pintura, se le considera pigmentario, es decir, su función es dar opacidad a la pintura, principalmente en fase rutilo previniendo cualquier fotoactividad, por lo cual, la sola presencia de TiO2 pigmentario en las pinturas supondría un peligro para la fotodegradación, al actuar como agente bloqueante de la radiación solar, dando como resultado niveles bajos de conversión y selectividad de los contaminantes atmosféricos (Aguia et al., 2011). En consecuencia, la formulación de la pintura se modifica para incorporar el dióxido de titanio. Para esto, el TiO2 pigmentario se elimina de la formulación de la pintura y se remplaza por extensores, los cuales son beneficiosos para la fotoactividad de la película de pintura. Se han reportado diversos casos donde se ha utilizado este material. Por ejemplo, el túnel Umberto I en Roma, Italia, se recubrió con una pintura fotocatalítica (pintura a base de cemento con TX Active®) y se equipó con un sistema de luz UV artificial. Este estudio reportó valores de más del 20% de reducción de NOx (Guerrini, 2012). Boysen® KNOxOUTTM es una pintura comercial fotocatalítica conocida en Europa, utilizada tanto para aplicaciones en interiores (pintura a base de acrílico) como en exteriores (pintura a base de silicona). En el caso de estudio, se utilizó una pintura para interiores cargada con este fotocatalizador para revestir el aparcamiento Vinci en París, Francia. Se recubrió e iluminó un área de aproximadamente 1,800 m2 con luces fluorescentes; se observó una disminución del 90% de la concentración de NOx (Guerrini, 2012). Por otro lado, Maggos y colaboradores reportaron una reducción del 20% de NOx en un estacionamiento revestido con una pintura fotocatalítica e iluminado con lámparas ultravioleta (Maggos et al., 2007). En lo que respecta a las aplicaciones al aire libre, Allen y colaboradores demostraron la efectividad de esta tecnología en un estudio piloto de la fotohabilitación del patio de la escuela Sir John Cass, en Londres, Reino Unido (Allen et al., 2009). Se pintó el patio de recreo con un área de 300 m2 con pintura fotocatalítica marca Boysen® KNOxOUTTM y se midió la concentración de NOx durante 6 meses; aunque evaluar el papel de la pintura fotocatalítica fue muy difícil debido a la naturaleza abierta del parque infantil, fue posible observar una disminución en los niveles de NOx (Claire et al., 2007; Allen et al., 2009). El proyecto EDSA - Everyone Deserves Safe Air, de la empresa Boysen Paints, en Filipinas, coordinado por la Autoridad de Desarrollo de Metro Manila y comisariado por TAO Incorporation, tuvo como objetivo reducir la contaminación atmosférica exterior utilizando elementos artísticos plasmados en paredes, muros, fachadas, etc., empleando pintura fotocatalítica, aunque, desafortunadamente no se realizaron mediciones para reportar su eficiencia (EDSA, 2013).
Maggos y colaboradores evaluaron la eficacia de descontaminación de materiales fotocatalíticos en un estacionamiento interior contaminado con gases de escape de automóviles, cubriendo la superficie del techo con una pintura acrílica blanca que contenía TiO2; reportando una reducción del 19% y 20% para NO y NO2, respectivamente (Maggos et al., 2008). Los mismos autores evaluaron la capacidad de eliminación de NOx por pintura tratado con TiO2 en tres calles con paredes laterales. En dos de ellos se utilizaron paneles revestidos con la pintura fotocatalítica, mientras que en el tercero estuvo ausente el TiO2. Los resultados indicaron que la concentración de NOx en presencia del fotocatalizador era de 36.7% hasta 82.0% más baja que en las muestras de control sin presencia del semiconductor. La variación dependió de las emisiones de la fuente de contaminación, la dirección del viento y la orientación del muro. Salthammer y colaboradores estimaron la reducción de los contaminantes del aire interior (NOx y COVs) en presencia de pinturas para paredes disponibles comercialmente mediante el uso de luz diurna artificial interior, con y sin intercambio de aire (Salthammer y Fuhrmann, 2007). Los resultados mostraron que el NO2 se eliminó en presencia de intercambio de aire, mientras que no se observó ningún efecto fotocatalítico significativo para los COV, en condiciones dinámicas. Guo y colaboradores compararon la autolimpieza y la resistencia a la intemperie de una pintura que contenía TiO2 sobre la superficie de morteros arquitectónicos autocompactantes (SCAM, por sus siglas en inglés), con un 5% de P25-TiO2 mezclado directamente con el SCAM (Guo et al., 2016). La primera muestra exhibió una alta eficiencia de autolimpieza en condiciones a la intemperie, mientras que la última mostró solo una ligera eficiencia para la eliminación de los gases NOx. Por último, Yang y colaboradores investigaron la estabilidad de los agregados recubiertos con pintura de TiO2 para aplicaciones de concreto y encontraron que, después de solo 10 ciclos de lavado, el fotocatalizador se eliminó un 30% (Yang et al., 2018). Considerando la aplicación específica de la degradación del NOx, las pinturas fotocatalíticas presentan dos ventajas principales en comparación con otro tipo de soportes de construcción. Una de ellas es que los recubrimientos de pintura se pueden aplicar en diferentes elementos constructivos, como los edificios, túneles, paredes, techos, entre otros, tanto en interiores como en exteriores, mientras que la otra ventaja es que se presentan como una capa “tridimensional” donde se encuentran disponibles nanopartículas de TiO2 para fotocatálisis con un espesor óptimo reportado de la película de pintura de ~100 μm (Yu et al., 2018). No obstante, su composición orgánica es susceptible de ser oxidada por las especies generadas en los fotocatalizadores.
Pavimentos fotocatalíticos
En los últimos años, el fotocatalizador TiO2 se ha incorporado en muestras de asfalto y concreto utilizando varios métodos de aplicación, incluida la adición directa, la modificación del aglutinante y la pulverización en suspensión (Segundo et al., 2018). Muchos de los estudios se han focalizado en la fotoxidación de gases NOx, y sus resultados han sido altamente favorables. Por ejemplo, parte de la calle Borgo Palazzo en Bérgamo en Italia, se cubrió con adoquines fotocatalíticos (piedras de concreto recubiertas con TX Active® producido por Italcementi) y se midió la concentración de NOx durante dos semanas. Los resultados se compararon con la fracción no modificada de la calle pavimentada con asfalto. El aire circundante del pavimento fotocatalítico mostró una concentración de NOx de aproximadamente 30-40% menor que los valores de referencia (Italcementi, 2009). En Amberes, Bélgica, se desarrolló un proyecto similar. Se recubrió un área de 10,000 m2 con bloques de pavimento fotocatalítico y se evaluó la correspondiente eficiencia hacia la fotohabilitación de NOx. A pesar de que se realizaron pruebas de laboratorio para demostrar la eficiencia fotocatalítica de estos bloques a lo largo del tiempo (mediante equipo de intemperismo acelerado), en el exterior sus resultados no fueron tan prometedores (Beeldens et al., 2011). Pero esto se debió a que, en el exterior, y a pesar de que se encontró una disminución en la concentración de NOx, no fue posible extraer conclusiones sólidas ya que las mediciones se realizaron solo durante un periodo relativamente pequeño. De Melo y colaboradores evaluaron la eficiencia del pavimento fotocatalítico en el campo durante un año en Brasil encontrando una reducción dramática de la eficiencia de degradación de NOx después de este tiempo (De Melo et al., 2012). Folli y colaboradores realizaron un estudio de campo de elementos de pavimentación purificadores de aire que contenía TiO2, y observaron que en condiciones climáticas ideales (es decir, en verano), la concentración promedio mensual de NO era alrededor de un 22% más baja que en el área de referencia, en contraste con los resultados del laboratorio donde la degradación por NO fue de más del 78% (Folli, 2015). Fan y colaboradores prepararon una muestra asfáltica compuesta de TiO2 rociando polvo de TiO2 en suspensión sobre esteras de fibra de vidrio tratadas con asfalto emulsionado, y reportaron un excelente desempeño en la remoción de NOx (Fan et al., 2017). Pérez-Nicolás y colaboradores recrearon casi el mismo experimento, pero sin la fibra de vidrio y obtuvieron conclusiones similares (Pérez-Nicolás et al., 2017). Por otro lado, en lugar de usar métodos de rociado, Chen y colaboradores agregaron polvo de TiO2 modificado en la superficie de un asfalto poroso (Chen y Liu, 2010). Los resultados mostraron que las muestras de asfalto permeable tenían un buen efecto descontaminante de NOx, pero se veía significativamente afectado por las fuentes de luz. Particularmente, se obtuvieron mejores eficiencias al utilizar lámparas de 254 nm que al usar fuentes de 365 nm. Esto impacta negativamente durante la aplicación de los materiales, pues la luz solar emite una pequeña parte de radiación UV (365 nm) y una mayor parte de luz visible. Por lo cual, para asegurar buenas eficiencias fotocatalíticas se deben realizar modificaciones al fotocatalizador TiO2 para mejorar su absorción en la región visible del espectro solar y de este modo, asegurar la remoción de los contaminantes en ambientes exteriores.
Por su parte, para mejorar la durabilidad del mortero fotocatalítico, Wang y colaboradores mezclaron un mortero de cemento con TiO2 pulverizado y lo adhirieron a la superficie del pavimento asfáltico utilizando resina epoxi (Wang et al., 2016). Basándose en los resultados de la prueba, observaron una eficiencia en la degradación del NOx más duradera incluso después de varias pruebas por intemperismo acelerado, indicando que este método podría ser factible para su implementación práctica. Sin embargo, encontraron que mediante este método (mezcla) la degradación fotocatalítica de NOx fue relativamente baja incluso con altas dosis de TiO2 (Hassan et al., 2010; Chen et al., 2011). Por estos motivos, varios estudios concuerdan que, con el método de incorporación directa, el material adquiere una mayor degradación fotocatalítica debido a una mayor concentración de TiO2 en la superficie de las muestras de hormigón (Yousefi et al., 2013; Guo et al., 2017).
Por último, Ballari y colaboradores realizaron una demostración a gran escala del pavimento purificador de aire en Hengelo, Países Bajos (Ballari y Brouwers, 2013). Todo el ancho de una calle se pavimentó de un hormigón que contenía TiO2 en una longitud de 150 m (“DeNOx street”). Otra parte de la calle, de unos 100 m, fue pavimentada con adoquines normales (“Calle Control”). El monitoreo al aire libre lo realizaron durante 26 días por un periodo superior a un año, y los parámetros medidos incluyeron la intensidad del tráfico, concentraciones de NO, NO2 y ozono, temperatura, humedad relativa, velocidad y dirección del viento e irradiancia de luz visible y ultravioleta. Para estas mediciones de campo, los bloques usados también se midieron en el laboratorio para evaluar su desempeño. Los resultados indicaron que la concentración de NOx fue, en promedio, 19% (considerando todo el día) y 28% (considerando solo las tardes) menor a los valores obtenidos en la calle control. Sin embargo, en condiciones climáticas ideales (alta radiación y baja humedad relativa) observaron una disminución de la concentración de NOx cerca del 45%.
Estucos fotocatalíticos
Los estucos son una forma de terminación o decoración de paredes y techos, interiores o exteriores, basados en diferentes tipos de morteros que permite la obtención de diversas texturas. El desarrollo de este tipo de material de construcción con propiedades fotocatalíticas forma parte de las nuevas estrategias ecológicas para reducir la contaminación atmosférica; no obstante, no se han realizado muchos estudios al respecto. Cros y colaboradores estudiaron la remoción de NO y NO2 por un estuco mezclado con TiO2 en condiciones naturales al aire libre (Cros, 2013). A través de un diseño de experimento factorial se encontró que los aumentos en la humedad relativa o la temperatura condujeron a disminuciones significativas en la remoción de NO y NO2. Asimismo, un aumento en los niveles de contaminantes orgánicos en el aire condujo a una disminución significativa en la remoción de NO, pero el NO2 no se vio afectado significativamente.
Existe otro estudio sobre el desarrollo de un estuco fotocatalítico mediante la incorporación de TiO2 sintetizado por el método sol-gel (Luévano-Hipólito y Martínez-de la Cruz, 2018). En este, se evaluó su rendimiento para eliminar los gases NOx tanto en condiciones artificiales (Figura 8a) como de intemperismo natural siguiendo las recomendaciones establecidas por las normas internacionales ISO22197-1 e ISO11341:2004. Según sus resultados, la eficiencia del recubrimiento fotocatalítico para la remoción de los gases NOx mejoró en condiciones de alta humedad (es decir, en días lluviosos), debido a que el ambiente aportaba más moléculas de agua para iniciar la formación de los radicales hidroxilos que tienen un papel importante en la fotoxidación de gases NOx. Luego de 1 año de exposición, el recubrimiento aún reportaba actividad fotocatalítica para la remoción de NOx en condiciones reales, la cual fue potenciando luego de un simple mantenimiento que consistió en lavarlo con agua desionizada, como se observa en la Figura 8b.
Ventanas fotocatalíticas
El vidrio es uno de los materiales de referencia más utilizados para crear desarrollos comerciales y residenciales modernos. Su ubicuidad actual es el resultado de toda una nueva gama de tecnologías que significan poder utilizarlo para mucho más que simples ventanas. Las innovaciones en los recubrimientos han otorgado al vidrio una variedad de propiedades beneficiosas como el aislamiento térmico, así como el control solar y del ruido. Una de las propiedades más populares, por sus ventajas estéticas, son los recubrimientos de TiO2 que otorgan al vidrio una propiedad de autolimpieza (Figura 9). Desde que el vidrio fotocatalítico estuvo disponible comercialmente, se ha vuelto frecuente en los diseños de edificios, especialmente porque la tecnología permite ayudar a los arquitectos a garantizar que sus edificios se vean inmaculados por más tiempo, y a los propietarios una disminución sustancial sobre el costo de mantenimiento. Sin embargo, la mayoría de los estudios se han enfocado en la propiedad de autolimpieza y muy pocos han estudiado los efectos y niveles de degradación de un contaminante aprovechando su propiedad de descontaminación. Angulo-Ibáñez y colaboradores desarrollaron una ventana fotocatalítica duradera revistiéndola con sustratos de vidrio de SiO2 como capa protectora interna y una capa exterior de anatasa (TiO2) mesoporosa con área superficial mejorada y tamaño de cristal nanoscópico (30-60 nm) (Angulo-Ibáñez et al., 2021). Para medir el rendimiento de las ventanas fotocatalíticas diseñadas, se utilizó la fotodegradación del CO2 a metanol, obteniendo como resultados valores altos, por encima del 72% después de 2 horas de iluminación UV. También encontraron que la transformación del CO2 a metanol aumentaba para las ventanas fotocatalíticas preparadas a partir de mezclas que contenían del 5 a 20% de TiO2, relacionándolo con la reducción del tamaño de los cristales y al aumento de la porosidad de los recubrimientos de anatasa. Cantidades más altas de fotocatalizador mostraron una disminución en la formación del metanol, atribuido a un aumento del contenido de N y S los cuales tendían a cubrir los poros. De igual forma, se encontró que las ventanas fotocatalíticas con monocapa de TiO2 mostraron rendimientos más bajos en la transformación de CO2 a metanol y una estabilidad fotocatalítica más deficiente, lo que demostró para los autores la importancia de aplicar una capa extra como material de soporte para el fotocatalizador y de esta forma mantener su capacidad fotocatalítica por más tiempo.
Fuente: Elaboración de los autores.
Figura 9 Representación esquemática del principio de autolimpieza de una ventana fotocatalítica: a) acumulación de los contaminantes en la superficie de la ventana; b) activación de la capa fotocatalítica por irradiación solar, y, c) descomposición fotocatalítica de los contaminantes y remoción por agua de lluvia.
Ji y colaboradores desarrollaron un revestimiento de dos capas en una ventana para purificar el aire interior y reducir la entrada de energía solar al tiempo que conservaba su función principal de acristalamiento, siendo este el permitir un buen contacto entre el interior y el exterior con la iluminación natural (Ji et al., 2019). Para esto, crearon una bicapa termocrómica la cual proporcionaba un rendimiento de energía solar dependiente de la temperatura, y otra fotocatalítica compuesta de TiO2/VO2 capaz de destruir contaminantes (uno de ellos NOx) en el interior. Con base en los resultados obtenidos, los autores confirmaron que la bicapa fotocatalítica TiO2/VO2 exhibió una purificación del aire mejorada en comparación con la de una sola capa de TiO2, debido al calentamiento de la película subyacente de VO2 que absorbía infrarrojos. Tanto así que la tasa de degradación fotocatalítica casi se duplicó para la película bicapa de TiO2/VO2 en comparación con la de TiO2 de una sola capa. Los revestimientos se depositaron mediante pulverización reactiva sobre vidrio calentado, ambos eran nanocristalinos y la fase anatasa predominaba en el TiO2.
Cementos fotocatalíticos
Los cementos fotocatalíticos son los materiales ecológicos más aplicados dentro de la industria de la construcción, así que describir cada uno de los estudios realizados tanto a nivel de laboratorio como de campo sería una tarea ardua y extensa, por lo cual se mencionarán algunos de los casos más importantes. Chen y colaboradores evaluaron los cambios de color del colorante rodamina B en varias mezclas de mortero con TiO2 agregado a la matriz de cemento usando el sistema CIE L*a*b* con un espectrómetro (Chen et al., 2011). El colorante se desvaneció a una velocidad independiente del contenido del fotocatalizador indicando que el material fotocatalítico fue eficaz para decolorar el tinte bajo la radiación UV a través de su capacidad de autolimpieza. Diamanti y colaboradores evaluaron los cambios de color en morteros reforzados con fibra con cantidades variables de anatasa tanto en polvo como en suspensión (Diamanti et al., 2015). Las muestras, que eran blancas al comienzo de la prueba, se monitorearon usando un espectrofotómetro. Se produjo un cambio de color en casi todas las muestras que se expusieron al exterior. En general, las muestras con mayor actividad fotocatalítica disminuyeron su efecto amarillento. Guo y colaboradores evaluaron los efectos de la intemperie sobre la actividad fotocatalítica de cementos que contenían partículas de TiO2 midiendo la remoción de NOx y rodamina B bajo radiación UV o luz visible (Guo et al., 2015). Sus resultados mostraron que las capacidades de autolimpieza y purificación del aire de los materiales de construcción no se veían afectadas por las condiciones climáticas, los cuales son buenos indicios si se desea aplicar a mayor escala. Esto se repite cuando la eficacia de la fotohabilitación de NOx utilizando paneles de concreto con TiO2 (recubiertos con TX Active®) se probó en condiciones exteriores en Francia (Maggos et al., 2008). En este caso de estudio, se construyeron tres calles con paredes laterales y se monitorearon los niveles de concentración de NOx. Las paredes ubicadas en los laterales de las calles cubiertas con paneles de mortero de TiO2 mostraron valores de fotohabilitación de NOx en el rango de 37-82%, dependiendo de la concentración de contaminantes, la dirección del viento y la orientación de la luz solar. Por otro lado, Boonen y colaboradores reportaron el estado del arte del envejecimiento acelerado de materiales a base de cemento y la validación de procedimientos de envejecimiento seleccionados combinados con pruebas de actividad fotocatalítica normalizada para la reducción de NOx (Boonen et al., 2017). En su estudio se encontró que, en un ambiente natural la durabilidad del material y de la fotocatálisis permanecían con poca alteración. Solo en un ambiente muy abrasivo podría ocurrir casi una completa remoción de la capa superior del material y, por ende, desprendimientos del fotocatalizador. El proyecto europeo PICADA (Photocatalytic Innovative Coverings Applications for Depollution Assessment) pretendía verificar los beneficios proporcionados por el uso de TiO2 fotocatalítico en materiales cementosos sobre un aparcamiento y paredes verticales (Almazán-Cruzado, 2020). El efecto de autolimpieza se llevó a cabo mediante la degradación de la rodamina B, medidas por colorimetrías y exponiéndolas a una lámpara de luz ultravioleta de 300 W a un metro de las muestras. Los resultados experimentales mostraron que las muestras recuperaron alrededor del 65% de su coloración inicial en menos de un día de exposición a la luz artificial. La evidencia experimental también demostró que la reducción de gases contaminantes peligrosos como NOx puede alcanzar, en condiciones óptimas de exposición a la luz, circulación del viento, concentración inicial de contaminantes y condiciones del tráfico, un umbral del 60%. La iglesia de Dives in Misericordia en Milán fue un proyecto diseñado por el arquitecto americano Richard Meyer en el año 2000 y es un ejemplo clásico y pionero en la construcción con materiales fotocatalíticos. El diseño está claramente marcado por tres enormes estructuras fabricadas con 346 bloques de hormigón blanco prensado adicionado con dióxido de titanio. Seis años después de su construcción, se evaluó su propiedad autolimpiante tanto de los bloques de hormigón exteriores como interiores no encontrando diferencias significativas (Chen y Poon, 2009). Las mediciones del cambio de color se tomaron 6 veces en 5 puntos de cada uno de los 30 paneles de hormigón seleccionados. Para ello utilizaron el sistema CIEL*a*b* (Comission International de l’Edairage) y las conclusiones fueron las siguientes: en los tres primeros años, las tres estructuras presentaron el mismo comportamiento, con un cambio de color entre sutil a ligeramente evidente. A partir del 5º año de comenzar las mediciones, se observó una clara diferencia con las estructuras exteriores, las cuales variaron de evidente a muy evidente, mientras que las estructuras interiores se mantuvieron casi iguales La última medición la realizaron en el 6º año y mostró una estabilización del color tanto de superficies exteriores como interiores.
En la Figura 10 se muestra un esquema de la aplicación de cementos fotocatalíticos con actividad fotocatalítica. En este caso, el cemento fue incorporado con nanopartículas de TiO2 dopadas con nitrógeno para mejorar su absorción de luz solar, además de nanopartículas de silica. Sin embargo, estas nanopartículas fueron depositadas por el método sol-gel, el cual podría presentar desprendimiento de material durante su vida útil. Por lo cual, es importante continuar investigando nuevas estrategias para el depósito adecuado de nanopartículas que permitan la purificación del aire, la creación de superficies autolimpiantes, así como evitar la dispersión de virus, hongos y bacterias en el medio ambiente.
Isla fotocatalítica
Muchos de los productos fotocatalíticos aplicados sobre las infraestructuras urbanas se han estudiado de manera individual. Pero ¿qué ocurriría si los aplicáramos todos conjuntamente sobre un barrio o zona localizada de una ciudad con altas cotas de contaminación? Precisamente esto es lo que se ha desarrollado como “isla fotocatalítica” (Almazán-Cruzado, 2020). Se trata de una medida pionera en España, pero que en otros países como Japón se está popularizando rápidamente (Soledad-Faraldos, 2012); consiste en aplicar los materiales fotocatalíticos sobre una zona muy localizada, que puede ser una calle o un barrio, donde se den cita todas las aplicaciones anteriormente mencionadas, de tal forma que se creara una especie de “eco-barrio”. Este concepto está íntimamente relacionado con las smart cities que parten de la base de crear espacios que mejoren la calidad de vida en las ciudades a través de la implementación de materiales inteligentes (Han et al., 2017b). El concepto de “isla fotocatalítica” se podría aplicar sobre calles o barrios ya existentes, a nivel de conservación y mantenimiento, o bien sobre nuevas urbanizaciones (Almazán-Cruzado, 2020). En el caso de infraestructuras existentes, podría aplicarse espray sobre la fachada o la acera existente, siempre y cuando se encuentren en buen estado y sin necesidad de colocar pavimento o concreto nuevo, repintado sobre el mobiliario urbano, rehabilitación de fachadas existentes o impermeabilización de cubiertas existentes. De esta forma, un barrio o calle actual podrían ser convertidos fácilmente en una isla fotocatalítica. Lo interesante de estas experiencias sería establecer un protocolo de medidas de niveles de contaminación en la zona donde se pretendiera ubicar la isla fotocatalítica, con objeto de comparar estos resultados con los que se obtendrían una vez llevada a cabo la citada isla. En el caso de nuevos planes urbanísticos o la creación de nuevas calles o urbanizaciones a menor escala, tendría más sentido incorporar directamente en los proyectos de construcción este tipo de materiales, fotocatalíticos, con el objetivo principal de respirar un aire más limpio dentro de una ciudad, zona o barrio con problemas de contaminación (Soledad-Faraldos, 2012).
Limitaciones y retos para superar
Aunque los efectos de autolimpieza, descontaminación y desinfección de los materiales de construcción fotocatalíticos son evidentes, aún existen problemas y limitación importantes sin resolver cuando estos materiales se utilizan, principalmente en aplicaciones de la vida real.
Una limitante es que el fotocatalizador solo es capaz de degradar los contaminantes que son absorbidos en su superficie. En espacios muy abiertos, la eficacia en la eliminación de contaminantes puede ser baja, pues solo una pequeña fracción de los contaminantes puede quedar atrapada. Por esta razón, la aplicabilidad de los materiales de construcción fotocatalíticos en ambientes exteriores está restringida a espacios confinados y calles cerradas donde, debido a la baja dispersión de contaminantes y la mala ventilación, la degradación de las sustancias peligrosas de interés se vuelve significativa (Witkowski et al., 2019).
Además, la actividad fotocatalítica puede disminuirse por cambios físicoquímicos en la superficie del cemento (Topçu et al., 2020). Dicha desactivación del efecto fotocatalítico puede deberse a la deposición de especies superficiales, productos intermedios, subproductos o contaminantes difíciles de descomponer por los procesos de oxidación-reducción (Han et al., 2017a). Esto implicaría la necesidad de un mantenimiento y lavados periódicos de las superficies para mantener las propiedades de remediación de la contaminación del aire, lo que para algunos esto podría conllevar un gasto extra. También se han encontrado otros factores que afectan el rendimiento fotocatalítico, los cuales pueden ser divididos principalmente en dos ambientes: interno y externo (Nguyen et al., 2020). Los factores internos incluyen la recombinación par electrón-hueco del catalizador e hidratos con el material, la morfología del catalizador, tamaño de la partícula, la composición del material, la cantidad de fotocatalizador, su distribución dentro del material, el dopaje, el grado de exposición, dureza, entre otros. Como factores externos está la humedad, la temperatura, las condiciones de luz, las condiciones atmosféricas, la velocidad del viento, los niveles de abrasión, la dispersión de los contaminantes, la situación geográfica, la intensidad de luz, la disponibilidad de oxígeno, la concentración del contaminante en el medio, la durabilidad del material de soporte, por mencionar algunos. Y es que los recubrimientos fotocatalíticos, cuando están presentes en superficies externas en condiciones de la vida real, están sujetos a diversos elementos naturales y al intemperismo ambiental (Singh et al., 2021). Estos factores a la postre propician la gran variabilidad de resultados registrados en la reducción de NOx tanto en campo como en laboratorio. De igual manera, este rango de resultados también se debe a las diferencias en el diseño del estudio y las métricas utilizadas para cuantificar la reducción del contaminante. Aunque los resultados de los estudios de laboratorio han mostrado ser más homogéneos que los resultados de campo, aún existen problemas en la estandarización. En general, se encuentran diferentes estándares de laboratorio que se utilizan para probar la eliminación del NOx atmosférico por fotocatálisis (Soledad-Faraldos, 2012) y varios estudios no se ajustan a ninguno de ellos o citan diferentes métricas para la reducción del NOx. De acuerdo con el estudio realizado por Rafique y colaboradores, el 50% de las investigaciones se llevaron a cabo utilizando alguna de las normas ISO, por lo cual los resultados eran comparables, mientras que el resto utilizaron su propia configuración, sin estandarización o basándose parcialmente en una. Incluso, algunos estudios deliberadamente no utilizan ningún tipo de norma porque consideraron que las condiciones impuestas en el estándar no son suficientes para recrear las condiciones reales en un entorno urbano (Rafique et al., 2020).
Por otro lado, se ha registrado que las propiedades convencionales de los materiales a base de cemento cambian con la adición de nanopartículas. A pesar de que la mayoría de los estudios se enfocan en mejorar las propiedades del cemento, la fuerza, la resistencia, la estabilidad, la porosidad, entre otros, pueden verse directamente afectados por la adicción del TiO2 (Loh et al., 2018; Wang et al., 2018). Esto se puede observar en algunos estudios que muestran resultados contradictorios, principalmente en cuanto a la resistencia mecánica se refiere. Sin embargo, es importante señalar que este efecto depende de las características del fotocatalizador adicionado (por ejemplo, cantidad, microestructura, dispersión) y su metodología de implementación (Yamazaki et al., 2020).
Por estos motivos, los efectos de las nanopartículas de TiO2 sobre las propiedades inherentes de las pastas, morteros, concreto u hormigón aún deben examinarse a fondo, ya que la literatura proporciona información controvertida, o no muy clara, sobre la cuestión de si la adición de este fotocatalizador en escala nanométrica introduce actividad puzolánica, o si este actúa simplemente como un relleno no reactivo con fotoactividades (McIntyre y Hart, 2021). Si bien varios reportes han documentado que el TiO2 es químicamente inerte en el proceso de hidratación del cemento, también se ha sugerido que puede incentivar la creación de nuevos núcleos cristalinos durante esta etapa, provocando una disminución en la resistencia a la compresión de los morteros (Gopalan et al., 2020). Además, se ha reportado que la alta fragilidad y las grietas internas que podrían generarse debido a la inclusión de fotocatalizadores son las razones de la disminución del rendimiento fotocatalítico y la vida útil de los materiales de construcción. En general, se entiende de la literatura que la incorporación de TiO2 en compuestos a base de cemento redujeron el tiempo de fraguado y mejoraron la resistencia de los morteros y hormigones, pero esta información solo se obtuvo de sus primeras etapas, por lo que su influencia sobre las propiedades mecánicas a largo plazo es todavía tema de discusión (Gopalan et al., 2020).
Otro factor intrínseco, que muchas veces no se toma en cuenta, está asociado con las características internas del material de soporte, por ejemplo, su calidad, composición química, tipo y tamaño de grano, resistencia, conductividad, rugosidad, etc., que podrían afectar la fotoactividad del semiconductor utilizado. Es decir, no solo depende del tipo fotocatalizador y cómo afecta al material, sino, además, a cómo el tipo de material a utilizar puede influir en el rendimiento fotocatalítico (Janus y Zajac, 2016). Se ha demostrado que el rendimiento fotocatalítico depende de la composición de la matriz cementosa, y la razón la han explicado con base en los potenciales de oxidación-reducción y la energía de fotoabsorción de los diferentes constituyentes (Jimenez-Relinque et al., 2015).
Por el tamaño de grano, varios reportes indican que cuando las nanopartículas de TiO2 se utilizan en revestimiento con base en cemento, tienden a aglomerarse cuando la mezcla todavía está en fase solución, conduciendo a la disminución de los sitios activos y a su actividad fotocatalítica. Para evitar este problema, se ha sugerido emplear ultrasonido antes de mezclarlas con el cemento (Ershad-Langroudi et al., 2019) o dispersarla mediante alto cizallamiento o molienda de bolas, lo que para varios investigadores se traduce en gastos extra.
Otro problema importante es que el TiO2 presenta fotoactividad restringida al espectro ultravioleta (3.0 - 3.2 eV) que representa apenas ~5% de la radiación solar recibida en la Tierra, por lo cual existe un gran desafío para expandir su actividad a la región de luz visible (Nakata y Fujishima, 2012). Para lograr que el TiO2 sea activo en luz visible se han incluido diversas modificaciones, como se muestra en la Figura 2. No obstante, muchos de estos enfoques requieren mucho tiempo, están limitados a múltiples pasos e involucran metodologías con equipo costoso, lo cual, en última instancia, excluye por el momento la posibilidad de producción comercial de materiales de construcción a gran escala.
Otro ejemplo es el factor económico. Aunque los precios pueden variar en un intervalo amplio según el precio de mercado y la calidad del material, hoy en día, la baja rentabilidad económica del TiO2 a base de materiales fotocatalíticos es la principal limitación para su uso extensivo (Nakata y Fujishima, 2012). Esta evaluación de costos es todavía muy difícil de determinar porque se deben tomar en consideración varios parámetros como los costos de fabricación, aplicación y mantenimiento a largo plazo. Sin olvidar que las ventajas de la aplicación de estos materiales como la mejora de las condiciones ambientales son muy difíciles de cuantificar en términos económicos. Asimismo, no existen muchos estudios acerca de la factibilidad económica sobre este tipo de material en el usuario final. Si se tiene constancia de que el coste del cemento fotocatalítico es muy superior al del cemento convencional (Jimenez-Relinque et al., 2015), pero los ahorros económicos a largo plazo todavía no son muy claros.
Otra limitante concierne a que la fotocatálisis heterogénea como estrategia para remover el contaminante atmosférico se le considera secundario, dado que hoy en día algunos estudios todavía reportan bajos porcentajes en la degradación de contaminantes (Cordero et al., 2020; Nguyen et al., 2020). De tal modo, se ha propuesto emplear, a la par de este proceso, otras medias medioambientales como son el empleo de menos autos, la transición a autos eléctricos, nuevas metodologías ecoeficientes para los productos y servicios, así como el empleo de nuevos materiales “verdes”, que en conjunto apoyen este proceso de descontaminación (Zhou et al., 2019).
A pesar de los diversos estudios prácticos ya realizados a nivel de campo sobre la efectividad en la remediación de contaminantes de estos materiales en varias ciudades del mundo, todavía se requiere más investigación al respecto, pero en otras latitudes donde las condiciones climatológicas y la calidad de los productos con los que se realizarían no han sido explorado aún a plenitud. Principalmente en Latinoamérica (Nevárez-Martínez et al., 2017; González-Barriga, 2018; Moreno-Huerga, 2018), donde existen casi nulos estudios sobre el tema, y donde su clima y condiciones socioeconómicas podrían afectar el rendimiento del producto final.
Conclusiones
Desde hace tiempo se ha establecido que la mala calidad de aire representa un riesgo importante medioambiental y un problema creciente. La exposición constante a los contaminantes del aire ha causado diversos efectos en la salud, ha provocado un deterioro gradual en los inmuebles debido a la deposición de materia orgánica y contaminantes sobre su superficie. Debido a esto ha surgido un nuevo grupo de materiales inteligentes para la construcción que buscan reducir la contaminación del aire mediante la adicción de nanopartículas fotocatalíticas de TiO2 a su sistema. Estos nuevos materiales fotocatalíticos tendrán el potencial de mantener la ciudad limpia y de mejorar la calidad de vida de sus habitantes. Para esto, se han realizado varios estudios que ya han pasado del laboratorio a condiciones naturales, donde se están obteniendo resultados aceptables. Y a pesar de las limitaciones e inconvenientes que este tipo de materiales pudieran presentar, aún se considera que su aplicación podría ser una solución viable para la remediación de la contaminación del aire bajo luz solar.
