Fotocatálisis en carreteras

La fotocatálisis  consistente en una reacción fotoquímica que convierte la energía de la luz solar en energía química, optimizando los procesos ambientales. La opinión pública demanda soluciones ante la contaminación del aire que constituye ya una alerta social. La mejora de la calidad del aire es un tema prioritario en la agenda del Gobierno de España, sometido a la presión de la Unión Europea para el cumplimiento de objetivos en esta materia.

Es por ello, y en cumplimiento de directivas comunitarias, el Consejo de Ministros aprobó, el 27 de septiembre de 2019, el Programa Nacional de Control de la Contaminación Atmosférica 2019-2022, que fija el compromiso de España de reducción de emisiones, en cuanto a NO₂, en al menos un 41% para cada año entre 2020 y 2029, en un 62% a partir del año 2030. Todas las medidas recogidas en este Programa se encuadran principalmente dentro de las prioridades establecidas tanto para calidad del aire, energía y cambio climático, como para los sectores de agricultura, industria y transporte.

Zonas de emisión. Fotocatalisis

Es un hecho que las principales zonas de emisiones antrópicas coinciden con las de riesgo (por coincidir concentraciones elevadas de estos contaminantes y de personas) y los focos de emisión del transporte por carretera son determinantes, y por tanto, prioritarios en la batalla contra la polución.

Para paliar la presencia de estos indeseables productos en la atmósfera la comunidad científica planteó la posibilidad de aprovechar el descubrimiento del efecto fotocatalítico de determinadas sustancias. La fotocatálisis es un método de oxidación avanzada, consistente en una reacción fotoquímica que convierte la energía de la luz solar en energía química en la superficie de un catalizador, es decir, la presencia de un material que acelera la velocidad de reacción.

Durante las últimas décadas hemos asistido a un crecimiento y desarrollo enorme del sector del transporte. En relación a Europa es de destacar que el transporte de mercancías por carretera se ha incrementado en un 54% desde 1980 y el transporte de pasajeros por carretera se ha elevado en un 46% en los últimos diez años.

Red de carreteras

La Red de Carreteras del Estado refleja incrementos anuales de tráfico que, en vehículos-km., se cifra en aproximadamente un 3%. Asimismo, el transporte de mercancías en toneladas-km en la red del Estado sube aproximadamente un 8%.

El transporte de viajeros por carreteras representa un 86,21% sobre el total de transporte de viajeros en distintos modos (ferrocarril, aéreo, marítimo, etc.); y en el caso de mercancías, asciende a 83,07%.

Si nos centramos en España, las  emisiones del transporte por carretera suponen un 26,8% del total de las emisiones, con un incremento interanual del +0,6%.

Las emisiones procedentes de los vehículos tienen una particular relevancia debido al rápido ritmo de crecimiento del sector de los transportes y a que del total de partículas de NO_x, hidrocarburos y de CO presentes en el aire, estas ocasionan el 58%, el 50% y el 75% respectivamente de las cantidades de estos elementos.

En países como España cerca del 40% de su consumo total energético es destinado a este segmento y fundamentalmente con origen en combustibles fósiles. Por ello, y aun considerando solo las emisiones directas, los contaminantes de óxidos de nitrógeno producidos por el transporte suponen más del 40% del total de las emisiones totales de esos productos. Y en relación a la exhalación de gases de efecto invernadero, actualmente este sector genera aproximadamente una cuarta parte del total de las emitidas en España.

Por modos de transporte, la carretera representa casi el 95% de las emisiones, mientras que la contribución de otros modos de transporte es bastante más minoritaria.

Fotocatálisis

La fotocatálisis es un método de oxidación avanzada, consistente en una reacción fotoquímica que convierte la energía de la luz solar en energía química en la superficie de un catalizador, es decir, la presencia de un material que acelera la velocidad de reacción.

Existe un gran número de materiales fotocatalíticos en el mercado capaces de ser activados por la radiación ultravioleta (UV), radiación visible o ambas. Los fabricantes han desarrollado fotocatalizadores con características específicas en virtud de los cuales se obtienen altas tasas de reducción de la contaminación, en particular de los NO_x; por ello estos procesos reciben también el nombre de destoxificación solar.

El fotocatalizador más utilizado debido a sus diferentes propiedades es el TiO₂. El TiO₂ es normalmente elegido como aditivo fotocatalizador debido a las propiedades que posee tales como baja toxicidad, compatibilidad con los materiales de construcción, su alta estabilidad y su elevada actividad fotocatalítica. Se utiliza en forma de nanopartículas.

El funcionamiento del proceso de descontaminación por la acción del TiO₂ como agente catalítico comienza con la formación de los radicales sobre su superficie. El NO_x que se encuentra como contaminante en el ambiente entra en contacto con estos radicales dando lugar a la formación de ácido nítrico que, al entrar en contacto con el carbonato cálcico presente en el cemento, reacciona formándose nitrato cálcico y liberando CO₂ y agua a la atmósfera.

Nitratos

Los nitratos depositados sobre la superficie se disuelven con el agua de lluvia, escurriendo hacia las alcantarillas en un proceso natural y sencillo de eliminación.

Un requisito esencial para que actué un fotocatalizador es que exista contacto físico entre la superficie del fotocatalizador y la sustancia contaminante transformada. Este contacto (en conjunción con la energía proporcionada por la radiación normalmente, ultravioleta y/o radiación visible) permite las reacciones químicas que generan el proceso de reducción de la contaminación.

En consecuencia, en presencia de un foco emisor o de una concentración alta de contaminantes, la extensión de la superficie sobre la que se aplica. La recepción del fotocatalizador de la radiación es esenciales para que el proceso de reducción de la contaminación pueda funcionar correctamente.

El empleo de nanopartículas de TiO₂, en su mayoría anatasa, sobre materiales a base de cemento. Lo que confiere propiedades auto-limpiantes y una capacidad de degradación de compuestos orgánicos. Estos compuestos presentes en el agua o en el aire sin consumo de producto.

De los estudios realizados, se desprende que el principal problema en las aplicaciones ligadas a la calzada, es el desgaste y la no regeneración. En exposiciones prolongadas se desarrolla en estos productos un cierto grado de nitrificación de su superficie con la consiguiente pérdida  de su actividad fotocatalítica. Esta pérdida de actividad de un catalizador heterogéneo se la denomina desactivación del catalizador.

Fuentes:

• Libro Blanco de la Fotocatálisis. ASOCIACIÓN IBÉRICA DE LA FOTOCATÁLISIS.
• Curso Medioambiente COEX.
• Máster en Infraestructuras Sostenibles. EADIC.

Autor: Diego Herreros Laguía docente del Máster en Diseño, Construcción y Mantenimiento de Carreteras.