Základem je heterogenní fotokatalýza. Jde o jeden z pokročilých oxidačních procesů (AOP), které se používají např. k dekontaminaci vody nebo čištění vzduchu. Kromě toho lze využít též tzv. solární samočištění a desinfekci fotokatalyticky ošetřených povrchů. Na těchto površích totiž dochází působením ultrafialového záření k postupné oxidativní degradaci organických látek, a to včetně mikroorganismů. Nakonec se i ty nejsložitější organické struktury přemění na jednoduché neškodné anorganické produkty, jimiž jsou oxid uhličitý, voda a příslušné minerální kyseliny.
Tyto děje jsou založeny na pohlcování fotonů tzv. fotokatalyzátorem, např. ozařovanými částicemi či vrstvami fotoaktivní formy oxidu titaničitého, čímž se v jeho polovodičové elektronové struktuře vytvářejí dvojice oddělených kladných a záporných nábojů. Tyto náboje se zčásti zachytí na povrchu fotokatalyzátoru, kde poté buď přímo oxidují, resp. redukují, adsorbované molekuly, anebo se transformují na vysoce reaktivní hydroxylové radikály, které následně atakují organické látky ve svém okolí. Těmito primárními redoxními ději fotogenerovaných nábojů se zahájí složitý sled radikálových reakcí, které za významné účasti molekulárního kyslíku, přítomného ve vzduchu či rozpuštěného ve vodě, postupně přemění přítomné organické sloučeniny až na zmíněné konečné anorganické produkty (obr. 1). Fotokatalyticky upravené povrchy jsou tedy působením slunečního svitu průběžně zbavovány organických komponent adsorbovaných ze vzduchu. Jde např. o všudypřítomné zplodiny spalování, které na běžných površích tvoří lepkavý povlak, na němž pevně ulpívají prachové částice, jež povrch špiní. V případě fotokatalytické úpravy k tomu nedochází a povrch zůstává i v exponovaných lokalitách dlouhodobě čistý.
I když funkčnost fotokatalýzy byla laboratorně opakovaně prokázána, její praktické nasazení často naráží na dílčí problémy, které je třeba řešit. V případě fotokatalytické povrchové úpravy barevných fasád zateplených domů je možnou potíží pozvolná destrukce organických složek fasádních barev (makromolekulárních pojiv popř. organických barviv), což se projevuje pozvolným „křídováním“, resp. změnou odstínu či sytosti barvy. Fotokatalytická degradace je totiž neselektivní proces, který odbourává nejen nežádoucí organické látky usazené na povrchu, ale také organické molekuly nacházející se v podkladu.
Pro vyřešení tohoto obecného problému byla již před časem navržena a vyvinuta nová nanokompozitní soustava s fotokatalytickou funkcí. Tato soustava se skládá z fotokatalyzátoru a pojiva, přičemž fotokatalyzátorem jsou nanočástice fotoaktivní formy oxidu titaničitého a pojivem nanočástice jiného inertního oxidu. Jejich výchozí vodné suspenze jsou v obou případech stabilizovány povrchovým nábojem nanočástic. Vhodnou volbou poměru nanočástic obou typů dochází po smíchání jejich suspenzí působením rozdílných elektrických nábojů odlišných nanočástic ke vzniku nanokompozitních útvarů, v nichž jsou centrální nanočástice TiO2 obklopeny obaly tvořenými nanočásticemi druhého druhu. Po aplikaci na tuhý povrch zůstávají tyto nanokompozitní útvary zachovány i ve vzniklé vrstvě, jak bylo mikroskopicky potvrzeno. Četné fotokatalytické experimenty a testy urychleného stárnutí prokázaly, že povrchové úpravy na bázi optimalizované nanokompozitní soustavy si zachovávají vysokou fotokatalytickou aktivitu vůči menším molekulám běžných usazených i plynných polutantů (např. těkavé organické sloučeniny či oxidy dusíku), ale zároveň mají výrazně potlačenou schopnost fotokatalyticky odbourávat velké organické molekuly obsažené v materiálu podkladu.
Za účelem praktického použití vyvinutého nanokompozitu v oblasti nátěrových hmot byla před několika lety navázána spolupráce se společností Barvy a laky Teluria, s. r. o. V rámci společného projektu v rámci programu Alfa Technologické agentury České republiky, řešeného v letech 2013 až 2016, byl vypracován postup jeho průmyslové výroby. Produkt s obchodním názvem Balclean je disperze nanočástic foto-aktivního oxidu titaničitého a dalších aditiv ve vodě. Po její aplikaci zůstává povrch trvale čistý, tj. bez lepkavých organických nánosů, na nichž by se, v případě neošetření, postupně usazovaly prachové částice a jiné nečistoty. Kromě tohoto samočisticího účinku je významné též antiseptické působení, které zabraňuje růstu mikroorganismů (virů, bakterií, plísní, lišejníků, řas aj.) Vedle těchto povrchových samočisticích a desinfekčních schopností dochází rovněž k oxidaci organických i anorganických škodlivin obsažených v okolním vzduchu, což ozdravuje interiéry a přispívává též k celkové očistě životního prostředí (mj. snižováním koncentrací oxidu uhelnatého a oxidů dusíku, tj. topných a automobilových emisí). Efektivita fotokatalytického působení je přímo úměrná intenzitě ultrafialového záření, které na ošetřený povrch dopadá, tj. na plochách přímo osvětlených sluncem je velmi vysoká, zatímco na zastíněných venkovních místech a v místnostech dále od oken je snížená, avšak nikoliv nulová. V interiérech je možno fotokatalytickou funkci podpořit umělým zdrojem UV záření (např. osvětlením stropu diodami UV LED, popř. „černými“ UVA zářivkami).
Před čtyřmi lety byl přípravek Balclean poprvé zkušebně aplikován na několik stěn natřených fasádní barvou, různě orientovaných vůči světovým stranám. V současnosti je na všech stěnách jasně patrný ostrý přechod mezi čistými ošetřenými a ušpiněnými neošetřenými plochami. Mikroskopická analýza odebraných hloubkových sond neukázala žádnou destrukci podkladu a makroskopický test neprokázal žádné křídování způsobené přípravkem Balclean (obr. 2). Obdobně průkazný samočisticí efekt byl zaznamenán též v případě aplikace na betonové zdi budovy (na obrázku uprostřed). Algicidní fotokatalytický efekt byl otestován na stěnách budovy, jejíž omítka byla dlouhodobě masivně porostlá zelenými řasami (na obrázku vpravo).
V rámci vývoje byly tyto fotokatalytické nátěry podrobeny testům urychleného stárnutí, při nichž se vzorky různých fasádních barev povrchově ošetřené přípravkem Balclean vystavují mimořádně tvrdým podmínkám simulujícím mnohaleté působení přirozených povětrnostních vlivů. Zde se projevila různá míra destrukce podkladových barev závisející na jejich složení, počtu aplikovaných vrstev přípravku Balclean, přítomnosti či nepřítomnosti speciální oddělující mezivrstvy a dalších vlivech.
Zásluhou firmy Pragotherm, servis fasád, s. r. o., byly začátkem roku 2016 zahájeny první komerční fotokatalytické povrchové úpravy systémem Balclean. Tato společnost se dlouhodobě zabývá revitalizacemi panelových domů, u nichž se jako nový fenomén objevuje růst řas a lišejníků na jejich zateplených fasádách (obr. 3), což vedle možných zdravotních rizik kazí vzhled jinak hezkých renovovaných budov. Tato společnost si je dobře vědoma komplexnosti tohoto problému a obtížnosti jeho řešení. Proto již před časem kontaktovala řešitele výše zmíněného grantového projektu TA ČR, s jejichž pomocí navrhla odborně fundované postupy, jak se s tímto novým fenoménem principiálně vypořádat. Za tím účelem následně navázána úzkou spolupráci se společností Barvy a laky Teluria a několika vědecko-výzkumnými týmy Akademie věd ČR a vysokých škol, která byla v první fázi cíleně zaměřena na vývoj konkrétního nanokompozitního nátěru s fotokatalytickou funkcí, který by s využitím sluneční energie preventivně bránil růstu řas na fasádách zateplených panelových domů a navíc by je, díky samočisticímu efektu fotokatalýzy, udržoval dlouhodobě čisté. Výsledkem je inovovaný systém Balclean vyráběný společností Barvy a laky Teluria, který společnost Pragotherm, servis fasád, v letech 2016 a 2017 už úspěšně aplikovala při sanaci fasád mnoha desítek zateplených panelových domů (obr. 4). Ve stejném období provedla tato společnost plošný monitoring ve všech městech a obcích v České republice, v rámci nějž identifikovala 23 000 panelových domů v majetku SVJ a BD postižených nárůstem řas.
Dlouhodobým cílem spolupráce obou společností se zmíněnými vědecko-výzkumnými týmy je vyvíjet inovativní fotoaktivní nanokompozitní systémy se solární samočisticí a desinfekční funkcí a následně je specificky využívat, a to jednak pro výše zmíněné ošetřování zateplených panelových domů jako prevenci růstu řas a jednak pro povrchovou ochranu historických staveb a jiných památkově chráněných objektů.
Co se týče možných dopadů fotokatalytických povrchových úprav systémem Balclean na životní prostředí, lze je rozdělit na přímé a nepřímé. Přímé negativní ekologické vlivy jsou minimální a pouze hypotetické. Komponenty systému Balclean jsou vodné koloidní suspenze, jejichž složky se po aplikaci a odpaření vody pevně spojí se substrátem a jsou následně ve vodě zcela nerozpustné. Je však třeba předpokládat, že v mnohaletém horizontu podlehne i tato povrchová úprava běžné erozi a její složky nakonec přejdou do životního prostředí. Pak se ale stanou pouze jeho neškodnou součástí, neboť obě hlavní minerální komponenty se v přírodě běžně vyskytují. Nad malými přímými vlivy naprosto převažují vlivy nepřímé, které mají pozitivní ekologické dopady. Současný způsob odstraňování řas pomocí biocidních přípravků je totiž velmi problematický, neboť jde o chemické škodliviny kumulativně zatěžující životní prostředí. Jejich nahrazení systémem Balclean je tedy z hlediska ekologického jednoznačně přínosné.
Na základě dosavadních pozitivních zkušeností se současným systémem Balclean má nyní společnost Barvy a laky Teluria vyšší ambice, a to vyvíjet inovované nanokompozitní systémy pro ošetřování historických objektů ve variantách kompatibilních s jejich původními materiály. Za tím účelem se tato společnost rozhodla navrhnout Technologické agentuře České republiky nový projekt, na jehož řešení by spolupracovala se společností Pragotherm, servis fasád a s výše zmíněnými vědecko-výzkumnými týmy.
České vědecko-výzkumné instituce bývají opakovaně kritizovány, že nereagují dostatečně pružně na potřeby českého průmyslu a že výsledky jejich výzkumu nenacházejí v požadované míře využití ve výrobní praxi. V našem případě lze naopak konstatovat, že koordinovaným úsilím výzkumníků z ústavů Akademie věd České republiky a českých vysokých škol se v úzké spolupráci se soukromými společnostmi Barvy a laky Teluria a Pragotherm, servis fasád podařilo vyvinout a do praxe zavést produkt Balclean, což je inovativní transparentní nanokompozitní systém se solární fotokatalytickou samočisticí a desinfekční funkcí, určený k povrchové úpravě fasádních a minerálních podkladů, tj. zejména zateplených stěn panelových domů, ale též fasád restaurovaných historických objektů, mající navíc perspektivu dalších budoucích použití.
JAROMÍR JIRKOVSKÝ
foto archiv autora
RNDr. Jaromír Jirkovský, CSc., (*1952)
vystudoval analytickou chemii na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého v Olomouci. Poté absolvoval vědeckou přípravu v Ústavu fyzikální chemie a elektrochemie J. Heyrovského ČSAV v Praze, kde je od roku 1979 zaměstnán jako vědecký pracovník. V posledních letech se zabývá především základním a aplikovaným výzkumem heterogenní fotokatalýzy. V tomto oboru byl řešitelem, resp. spoluřešitelem, řady domácích i mezinárodních výzkumných projektů. V rámci pedagogické činnosti přednáší na Univerzitě Palackého fotochemii životního prostředí. Jako hostující profesor opakovaně působil na Univerzitě Blaise Pascala v Clermontu-Ferrandu ve Francii a na Univerzitě ve Vídni.
Máte-li požadavek na doplnění či rozšířejní tohoto tématu nebo k němu chcete autorsky sami přispět dalšími informacemi, piště do redakce na mas@bmone.cz.
