Potenziale von Baustoffen zur Luftreinhaltung durch Zwischenspeicherung und Abbau von Luftschadstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Adsorption von Luftschadstoffen durch Baustoffe ist grundsätzlich bekannt, es wurde bisher jedoch nicht untersucht, wie unterschiedliche Baustoffe zur Gesamtadsorption beitragen. Dieses Projekt sollte die Lücke zwischen Adsorptionsmessungen an ausgewählten Baustoffen und der Messung vor Ort mit komplexem Materialmix schließen. Es wurde die Adsorption von organischen und anorganischen Schadgasen an selbst hergestellten und genau definierten Prüfkörpern auf Basis unterschiedlicher Bindemittel (CEMI, CEMIII, Gips, Kalk, Alkali Aktivierte Bindemittel, Lehm etc.) gemessen. In diesem Zusammenhang wurden die Zusammensetzung der Baustoffe und ihre unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmt und mit dem Sorptionsverhalten korreliert. Die Baustoffe zeichnen sich durch unterschiedliche Porengehalte und Porengrößenverteilungen aus. Erste Untersuchungen wurden mit dem vorhandenem Messequipment durchgeführt, das sich hinsichtlich der Messgenauigkeit und -geschwindigkeit der Analysegeräte sowie der Genauigkeit der Prüfgasdosierung als ungeeignet herausstellte. Sowohl die Messaufbauten als auch die Analytik mussten für die Adsorptionsmessungen von Stickstoffmonoxid (NO) und flüchtigen organische Verbindungen (VOC) neu entwickelt werden. Der komplexe und zeitaufwendige Aufbau dieser Entwicklungen ließ im Rahmen des Projektes damit weniger grundlegende Messungen zu als geplant waren. Dennoch konnten ausreichend Messungen zur Einschätzung des Adsorptionsverhalten von NO und Toluol auf Baumaterialien gewonnen werden. Die aufgebaute Methodik kann und wird bereits in Folgeprojekten eingesetzt. Die spezifische Oberfläche (BET) eines Baustoffes und dessen Porosität haben einen entscheidenden Einfluss auf das Adsorptionsverhalten gegenüber NO und VOC. Große Oberflächen bieten viel Adsorptionsfläche für Gasmoleküle. Diese steht für eine Adsorption jedoch nur zur Verfügung, wenn auch größere Poren zur Gasdiffusion ins Innere der Probe vorhanden sind. Je poröser ein Material ist, umso effizienter ist die Diffusion. Gleichzeitig sinken die Dichte und somit auch die BET-Oberfläche des Materials im selben Volumen. So führte eine Erhöhung des Wasser/Bindemittel (W/B)-Wertes immer zu einer Erhöhung der Porosität, die auf dasselbe Volumen bezogene BET-Oberfläche wurde jedoch in der Regel vermindert. Trotzdem war die NO-Adsorption bei den Proben mit hohem W/B-Wert größer, was die beschriebenen Zusammenhänge bestätigt. Auch Messungen an Alkali Aktiviertem Bindemittel belegen diesen Zusammenhang. Das Material besitzt eine der höchsten BET-Oberflächen, jedoch die geringste Porosität, was dazu führt, dass die NO-Adsorption nur im Mittelfeld liegt. Für das Adsorptionsvermögen ist auch die chemische Zusammensetzung des Materials von Bedeutung. Bei den Untersuchungen ergaben sich zwar keine stärkeren Korrelationen zwischen der Adsorption von NO bzw. Toluol und den Gehalten an CaO und Al2O3 und nur eine schwache Korrelation mit dem SiO2-Gehalt. Aber zusätzlich eingebrachtes nano-TiO2 mit sehr hoher BET-Oberfläche brachte hier wesentliche Erkenntnisse. So führte das nano-TiO2 immer zu einer Erhöhung der BET-Oberfläche, gleichzeitig jedoch auch immer zu einer geringeren NO-Adsorption. Da sich die Porenstruktur durch die Zugabe von TiO2 nicht signifikant änderte, ist dies ein Hinweis darauf, dass die zusätzlich eingebrachte TiO2-Oberfläche unter den gegebenen Messbedingungen nicht für die Adsorption zur Verfügung steht. Dass der Einfluss der chemischen Zusammensetzung nicht auch bei verschiedenen Bindemitteln zu sehen ist, liegt vermutlich an zwei Punkten: Einerseits wird der Einfluss der chemischen Zusammensetzung vermutlich durch den viel stärkeren Einfluss der spezifischen Oberfläche und Porosität überlagert. Andererseits ist wahrscheinlich auch der Bindungszustand der Metalloxide entscheidend und nicht nur deren absolute Konzentration. Um diese Frage klären zu können, müssten zukünftig Proben mit ähnlicher chemischer Zusammensetzung (vergleichbare Gehalte an Metalloxiden), aber unterschiedlicher mineralogischer Zusammensetzung (unterschiedliche Verbindungen der Metalloxide) untersucht werden. Die getesteten Schichtdicken der Materialien von 1 bis 5 mm wirkten sich nicht auf die Adsorptionskapazität aus. Dies ist damit zu erklären, dass in den relativ kurzen Messzeiträumen keine Diffusion der Gasmoleküle in tiefere Schichten erfolgt und somit nur der Randbereich < 1 mm für die Adsorption zur Verfügung steht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Pufferwirkung mineralischer Baustoffe für organische Luftschadstoffe, GDCh-Tagung Fachgruppe Bauchemie, 2017, Weimar
C. Ehm, D. Stephan
