Немецкие инженеры предложили решение по снижению содержанию вредных примесей в воздухе.

Во всех развитых странах автомобили с бензиновыми двигателями уже давно оборудуются так называемыми каталитическими нейтрализаторами выхлопных газов. И действительно, эти устройства, в обиходе обычно именуемые автокатализаторами или просто катализаторами, весьма существенно снижают токсичность выбрасываемых автомобилем отработавших газов. Но с середины 70-х годов, когда началось внедрение катализаторов, количество автомобилей на душу населения выросло в разы, соответственно увеличилась и интенсивность автотранспортных потоков, поэтому во многих крупных городах Германии, несмотря на предпринимаемые усилия, уровень содержания окислов азота в атмосфере порой превышает предельно допустимые значения, установленные в нормативных документах Евросоюза. Тем более, что требования к чистоте воздуха все это время постоянно повышались и продолжают повышаться. Даже введение так называемых экологических зон, жестко ограничивающих въезд в центры городов автотранспорта с высоким уровнем эмиссии вредных веществ, лишь несколько разрядило ситуацию, но не смогло решить проблему.

Диоскид титана в асфальте и на ограждениях автотрасс

Теперь немецкие инженеры предложили новый подход: сделать ставку на диоксид титана. В частности, только что успешно прошли испытания инновационного дорожного покрытия, которое предстоит уложить на одной из автотрасс близ аэропорта Гамбурга. Аня Баум (Anja Baum), научная сотрудница отдела охраны окружающей среды Федерального ведомства дорожного строительства в Бергиш-Гладбахе, говорит: "Это - открытопористый асфальт. И в эти поры вводится шлам, содержащий диоксид титана". На ту же субстанцию сделана ставка и в другом проекте, который также курирует Аня Баум: "В Нижней Саксонии, к северу от Оснабрюка, мы нанесли титандиоксидную суспензию на шумозащитные экраны вдоль автобана А1. Посмотрим, что получится. Проект только-только начался".

Разработчики рассчитывают на то, что обработанные такие образом дорожные покрытия и шумозащитные сооружения очистят воздух от вредных примесей путем их химического разложения. Главная мишень - оксиды азота. "Мы надеемся, что таким образом сумеем снизить уровень содержания вредных компонентов выхлопных газов - прежде всего, окислов азота, - до уровня, предписанного нормативными документами Евросоюза", - говорит Аня Баум.

Ставка - на фотокаталитическую активность

Дело в том, что диоксид титана является полупроводником и обладает высокой фотокаталитической активностью. Под воздействием солнечного излучения происходит интенсивное образование пар электрон-дырка, генерирующих свободные радикалы, так что реакционная способность материала резко повышается. Загрязняющие воздух молекулы оксидов азота вовлекаются в химические реакции и разлагаются. Штефан Блёсс (Stephan Blöß), сотрудник компании Kronos в Леверкузене, производящей диоксид титана, поясняет: "Из всех этих оксидов азота в конечном счете образуются нитраты - соли азотной кислоты. Они прекрасно растворяются в воде, поэтому легко смываются тающим снегом и дождем и попадают в почву, где служат удобрением для растений". По крайней мере, таков наш замысел, продолжает Штефан Блёсс: "В условиях лаборатории разложение оксидов азота функционировало вполне успешно. А как пойдет дело в условиях реальной автотрассы, покажут наши пилотные проекты".

Расчеты на компьютерной модели показали, что титандиоксидное покрытие на шумозащитных экранах может снизить концентрацию оксидов азота в воздухе на 7 процентов. Это не так уж много, но на некоторых участках трассы может оказаться достаточно, чтобы уложиться в предельно допустимые нормы ЕС.

Диоксид титана с легирующими добавками

В то же время ученые ищут способ повысить фотокаталитическую активность диоксида титана. Штефан Блёсс поясняет: "Примерно 5 процентов всей солнечной энергии приходится на ультрафиолетовое излучение. Видимый свет составляет около 45 процентов, а остальные 50 процентов - это излучение в инфракрасном диапазоне, то есть тепло. Однако диоксид титана реагирует только на ультрафиолетовое излучение. Наша задача - модифицировать это вещество так, чтобы оно активировалось и видимым светом, то есть более эффективно использовало солнечное излучение для катализа". Эту задачу Штефан Блёсс и его коллеги решают в рамках проекта HelioClean. "Модификация состоит в том, что в расплав чистого диоксида титана вводятся так называемые легирующие добавки. Это может быть, например, железо - оно позволяет сдвинуть диапазон поглощения твердого тела в видимую часть спектра. Но это могут быть и так называемые антенные молекулы - они улавливают световые фотоны и передают возбуждение титандиоксидному покрытию, которое в результате этого резко повышает свою фотокаталитическую активность".

Ученый всегда должен быть готов к неудаче

В частности, ученым уже удалось с помощью фталоцианинов - органических соединений, используемых в производстве пигментов, - запустить фотокатализ диоксида титана в диапазоне красного видимого света. "На сегодняшний день можно смело утверждать, что реализуемость нашего подхода доказана, - говорит Штефан Блёсс. - Теперь предстоит наладить производство таких материалов, но это тоже отнюдь не простая задача". Пока же на рынке есть лишь один продукт, в котором нашел применение диоксид титана с расширенным диапазоном светопоглощения: это краска для внутренних помещений, нейтрализующая запахи.

Что же касается борьбы за чистоту воздуха на автотрассах, то там эксперименты только начались, и никто не берется предсказывать их исход. "Проект может постичь и неудача, - говорит Аня Баум. - В науке от этого никто и никогда не застрахован".

С текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка добавок для дорожного строительства можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок модифицирующих добавок для дорожного строительства в России».

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Марина Борисова