WO2017085342A1 - Dispositivo para determinación de características fotocatalíticas de materiales - Google Patents

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    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N31/00—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods
    • G01N31/10—Investigating or analysing non-biological materials by the use of the chemical methods specified in the subgroup; Apparatus specially adapted for such methods using catalysis

Definitions

  • the object of the invention falls within the technical field of material analysis. More specifically, the object of the invention is directed to the determination of photocatalytic properties of building materials.
  • No. 2 is the pollutant that has the most unfavorable values in cities such as Madrid, being responsible for the concentration of pollution that can be seen in the City skyline many days.
  • the object of the invention is directed to a device that makes it possible to determine the photocatalytic characteristics of a construction material under several simulated conditions. Said evaluation can be carried out in any relative position with respect to the surface of the material to be studied, either in a vertical, horizontal arrangement or at an angle with respect to it.
  • the device described here is made of corrosion-resistant materials and has a configuration based on a central body as a reactor, which incorporates two chambers: a photocatalytic chamber and a reference chamber.
  • the photocatalytic chamber is defined by a hollow solid, such as an open hollow cylinder in its bases.
  • an irradiation system, an agitation system and a simulation system of meteorological conditions are housed in the photocatalytic chamber.
  • the reference chamber may be housed concentrically with the photocatalytic chamber, in the central body of the device, or in one of the bases thereof.
  • the central body comprises an upper part that is closed by a cover that can be of two types: a blind cover or a sun cover.
  • the device (1) can incorporate a sealing system composed of elastic joints, which are preferably arranged at least in the blind or solar covers to hermetically close the central body.
  • the blind cover has holes to allow the cables of the irradiation system and the agitation system to pass through, as well as the gas outlet pipe.
  • the sun cover is the same as the blind cover but in turn comprises, preferably in its central part, a piece of glass permeable to solar radiation throughout its spectrum, so that sunlight reaches the ground, or defined part by the base, which is inside the photocatalytic chamber.
  • the irradiation system is flexible, LED type irradiation sources of different wavelengths can be used simulating UV light, visible light, infrared light or combinations thereof as desired; also the different light sources can be changed position and placed at different heights thanks to respective supports that can be placed at different points within the photocatalytic chamber.
  • the reference chamber also called the control chamber, can be housed either in the central body, concentric to the photocatalytic chamber, or lodged inside the base.
  • the base is a flat circular crown.
  • the elastic seals of the sealing means are also preferably arranged in the base, the circular crown being of such a thickness that, together with the elastic seals and other sealing elements, they allow the body to be tight when deposited on the surface of the material. to be analyzed, absorbing the roughnesses and imperfections of the surface of the material on which the device of the invention is placed.
  • the complete device can be operated in a complete mixture or as a reactor working in laminar flow, for this purpose the agitation system consisting of one or more fans is used, which is turned on or off as required. These fans, in addition to ensuring the homogenization of the concentration of pollutants inside the chambers, also serve to homogenize the temperature and humidity. The evolution of atmospheric parameters (temperature and humidity) is recorded continuously.
  • the device consists of a system of simulation of conditions that allows to emulate in the device phenomena such as rain and other species present in the air, pollutants or not, as well as climatic conditions such as temperature, humidity, etc.
  • the basic operation of the device can be summarized as follows.
  • the device is fixed on the surface of the study material using specific fastening systems. Once this is done, the air decontamination capacity of the chosen material is determined.
  • a gas flow is introduced into the device through both chambers by means of nozzles located in the reference chamber and in the photocatalytic, with the help of an external pump or pressure bottles.
  • Corresponding gas outlets, located in the photocatalytic chamber and in the reference chamber are each connectable, for example, through outlet nozzles, to at least one gas analyzer, to analyze the relevant gases in each case (NOx , VOCs, etc.).
  • the sample is irradiated in the photocatalytic chamber and the decontamination capacity of the chosen material is analyzed. Throughout the process, along with the concentration of contaminants, temperature and humidity are constantly recorded. The difference between the concentrations in both chambers allows to determine the photocatalytic efficiency for decontamination. If the parameter to be measured is the self-cleaning capacity of the material, this device can be set in the same way, irradiate the previously stained sample with an organic component and evaluate the ability to recover the original color of the target material by measuring with a water analyzer. color.
  • Figure 1. Shows a schematic view of the device of the invention.
  • Figure 2. Shows a graph of the measurements made in a prefabricated sidewalk of photocatalytic concrete to evaluate the photocatalytic efficiency for NOx decontamination.
  • a device (1) shown in Figure 1 for determining photocatalytic characteristics of materials comprising:
  • the photocalytic chamber (22) includes:
  • a stirring system (4) comprising one or more fans.
  • An irradiation system (3) intended to generate preferably light radiation inside the central body (2).
  • a relative humidity and temperature measurement system (12) comprising a series of relative humidity and temperature sensors.
  • the body (2) is covered by its upper part by means of a cover (6), while fixing means (not shown) located in a lower part of the body (2), preferably at the base (21), allow fixing at least temporarily the device (1) on the surface of the material whose photocatalytic characteristics are to be determined.
  • the device (1) of the invention additionally incorporates a sealing system based on elastic joints (8) and other sealing elements that allow the central body (2) to be sealed when deposited on the surface of the material whose photocatalytic characteristics are to be determined.
  • the reference chamber (23) is located concentrically outside the photocatalytic chamber (22) although it can also be found arranged in the base (21) with the entrance (9) and the first outlet (10) of the measuring gas arranged analogously to the arrangement described above.
  • the elastic seals (8) are preferably arranged at least in the base (21).
  • the irradiation system (3) comprises a series of lamps, preferably of the LED type, to generate preferably light radiation inside the body (2).
  • the cover (6) which is intended to cover the central body (2) by its upper part, also comprises elastic seals (8) between the cover (6) and the upper part of the central body (2), preferably between that part of the cover (6) covering at least partially the reference chamber (23) defining the other part of the sealing system mentioned above.
  • the cover (6) comprises a window (61), also called a vain, which allows the passage of sunlight into the body (2), window (61) in which a glass permeable to solar radiation is placed throughout its spectrum, although in a possible alternative embodiment the cover (6) has no window (61).
  • the photocatalytic effect is clearly visible, which is indicated in a striped area in Figure 2.

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Abstract

Dispositivo (1) para determinación de características fotocatalíticas de materiales. Presenta dos cámaras, cámara fotocatalítica (22) y cámara de referencia (23),así como una serie de componentes,como un sistema de simulación,que permiten recrear en el interior de la cámara fotocatalítica (22)distintas situaciones ya sean de índole climática o atmosférica,a la vez que presenta dos configuraciones distintas de tapa (6) que permiten activar con luz artificial o luz solar un material fotocatalítico y permiten medir tanto en horizontal como en vertical, todo ello para permitir determinar in-situ y en tiempo real las propiedades fotocatalítiticas de un material.

Description

DISPOSITIVO PARA DETERMINACIÓN DE CARACTERÍSTICAS FOTOCATALÍTICAS
DE MATERIALES
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención se enmarca dentro del campo técnico del análisis de materiales. Más concretamente el objeto de la invención va dirigido a la determinación de propiedades fotocatalíticas de materiales de construcción.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Uno de los mayores problemas medioambientales con que se enfrentan las administraciones locales, y específicamente las grandes aglomeraciones urbanas es el de la contaminación del aire.
Por ejemplo, de entre los diferentes contaminantes contemplados por la actual normativa vigente (RD 102/2011), el N02 es el contaminante que presenta valores más desfavorables en ciudades como Madrid, siendo el responsable de la concentración de contaminación que se aprecia en el horizonte de las ciudades muchos días.
Así, en la actualidad, se está estudiando la incorporación de aditivos fotocatalíticos en la composición de los materiales para construcción y pavimentación y, de esta manera, reducir el impacto medioambiental de los contaminantes presentes en la atmósfera, por la capacidad de dichos aditivos fotocatalíticos de eliminación de NOx y otros contaminantes, principalmente COVs, además de proporcionarles propiedades de autolimpieza.
Sin embargo, una vez colocados, es muy difícil medir la eficiencia fotocatalítica de dichos materiales. En la actualidad, se toman testigos del material en cuestión, que posteriormente se llevan a analizar a un laboratorio, no existiendo dispositivos que permitan realizar la determinación de características fotocatalíticas de los materiales de manera directa, con la consiguiente pérdida de tiempo y recursos; por otra parte, los testigos son representativos de ciertas zonas de muestra del material a las cuales pertenece el testigo tomado, pudiendo ser el resto del material de distintas características.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención se dirige a un dispositivo que permite determinar las características fotocatalíticas de un material de construcción en varias condiciones simuladas. Dicha evaluación se puede llevar a cabo en cualquier posición relativa con respecto de la superficie del material a estudiar, ya sea en disposición vertical, horizontal o formando un ángulo con respecto de la misma.
Para ello el dispositivo aquí descrito se fabrica en materiales resistentes a corrosión y presenta una configuración basada en un cuerpo central a modo de reactor, que incorpora dos cámaras: una cámara fotocatalítica y una cámara de referencia. La cámara fotocatalítica está definida por un sólido hueco, como puede ser un cilindro hueco abierto en sus bases. En la cámara fotocatalítica se alojan un sistema de irradiación, un sistema de agitación y un sistema de simulación de condiciones meteorológicas. La cámara de referencia puede estar alojada de forma concéntrica con la cámara fotocatalítica, en el cuerpo central del dispositivo, o bien en una de las bases del mismo.
El cuerpo central comprende una parte superior que se cierra mediante una tapa que puede ser de dos tipos: una tapa ciega o una tapa solar. Para mantener estanqueidad, según se explicará más adelante, el dispositivo (1) puede incorporar un sistema de estanqueidad compuesto por juntas elásticas, que preferentemente están dispuestas al menos en las tapas ciega o solar para cerrar herméticamente el cuerpo central. La tapa ciega dispone de orificios para permitir pasar unos cables del sistema de irradiación y del sistema de agitación, así como la canalización de salida de gas. La tapa solar es igual que la tapa ciega pero a su vez comprende, preferiblemente en su parte central, una pieza de cristal permeable a la radiación solar en todo su espectro, de forma que la luz del sol llegue hasta el suelo, o parte definida por la base, que queda dentro de la cámara fotocatalítica. El sistema de irradiación es flexible, se pueden usar fuentes de irradiación tipo LED de distintas longitudes de onda simulando luz UV, luz visible, luz infrarroja o las combinaciones de las mismas que se deseen; asimismo las distintas fuentes de luz se pueden cambiar de posición y colocarse a distintas alturas gracias a respectivos soportes que se pueden colocar en distintos puntos dentro de la cámara fotocatalítica.
La cámara de referencia, también denominada de control, puede alojarse o bien en el cuerpo central, concéntrica a la cámara fotocatalítica, o bien alojarse en el interior de la base.
La base la constituye una corona circular plana. Las juntas elásticas de los medios de estanqueidad también están preferentemente dispuestas en la base, siendo la corona circular de un espesor tal, que junto con las juntas elásticas y otros elementos de estanqueidad, permiten que el cuerpo sea estanco al depositarlo sobre la superficie del material a analizar, absorbiendo las rugosidades e imperfecciones de la superficie del material sobre el cual se coloca el dispositivo de la invención.
El dispositivo completo puede funcionar en mezcla completa o como reactor trabajando en flujo laminar, para ello se hace uso del sistema de agitación que consiste en uno o más ventiladores, que se encienden o apagan según se requiera. Estos ventiladores además de garantizar la homogenización de la concentración de contaminantes en el interior de las cámaras, también sirven para homogeneizar la temperatura y la humedad. La evolución de los parámetros atmosféricos (temperatura y humedad) se registra de forma continua.
Por otro lado, el dispositivo consta de un sistema de simulación de condiciones que permite emular en el dispositivo fenómenos tales como lluvia y otras especies presentes en el aire, contaminantes o no, así como condiciones climáticas tales como temperatura, humedad, etc.
El funcionamiento básico del dispositivo se puede resumir de la siguiente forma. El dispositivo se fija en la superficie del material de estudio utilizando sistemas específicos de sujeción. Una vez hecho esto se procede a determinar la capacidad de descontaminación del aire del material elegido. Para ello se introduce un flujo de gas en el dispositivo a través de ambas cámaras mediante sendas boquillas situadas en la cámara de referencia y en la fotocatalítica, con la ayuda de una bomba externa o botellas a presión. Correspondientes salidas de gas, ubicadas en la cámara fotocatalítica y en la cámara de referencia, son cada una conectables, por ejemplo, a través de boquillas de salida, a al menos un analizador de gases, para analizar los gases pertinentes en cada caso (NOx, COVs, etc.). Una vez el gas está homogeneizado, se irradia la muestra, en la cámara fotocatalítica y se analiza la capacidad descontaminante del material elegido. Durante todo el proceso, junto con la concentración de contaminantes, se registra de forma constante la temperatura y la humedad. La diferencia entre las concentraciones en ambas cámaras permite determinar la eficiencia fotocatalítica para descontaminación. Si el parámetro a medir es la capacidad de autolimpieza del material, este dispositivo se puede fijar de igual forma, irradiar la muestra previamente teñida con un componente orgánico y evaluar la capacidad de recobrar el color original del material objetivo mediante la medición con un analizador de color.
La forma compacta del dispositivo en la que todos los sistemas están incluidos dentro del reactor, dota al mismo de la posibilidad de ser un reactor de mezcla completa o flujo laminar. Asimismo las posibles realizaciones de tapas ciega o solar dotan al dispositivo de la flexibilidad necesaria para llevar a cabo distintos tipos de aplicaciones; finalmente cabe destacar la posibilidad de determinación de la eficiencia fotocatalítica de descontaminación del aire o autolimpieza de un material mediante medidas tanto en horizontal como en vertical.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista esquemática del dispositivo de la invención.
Figura 2.- Muestra una gráfica de las medidas realizadas en una acera de prefabricado de hormigón fotocatalítico para evaluar la eficiencia fotocatalítica para descontaminación de NOx. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En un ejemplo de realización del dispositivo (1) de la invención se tiene un ensayo llevado a cabo en material que es una acera de prefabricado de hormigón fotocatalítico para evaluar la eficiencia fotocatalítica para descontaminación de NOx (tal y como se aprecia en la figura 2).
En este ejemplo de realización, se hace uso de un dispositivo (1) mostrado en la figura 1 para determinación de características fotocatalíticas de materiales, que comprende:
Un cuerpo (2) central hueco del dispositivo (1) que presenta una base (21), donde dicho cuerpo (2) comprende definidas en su interior una cámara fotocatalítica (22) y una cámara de referencia (23) ubicada de forma concéntrica exterior a la cámara fotocatalítica (22). Dichas cámaras (22,23) se encuentran conectadas a una entrada (9) de gas de medida donde la cámara de referencia (23) comprende una primera salida de gas (10) que permite salir gas desde la cámara de referencia (23), mientras que la cámara fotocalítica (22) comprende una segunda salida de gas (11) que permite salir gas desde la cámara fotocalítica (22). Asimismo la cámara fotocalítica (22) comprende en su interior:
Un sistema de agitación (4) que comprende uno o más ventiladores.
Un sistema de simulación (5) de condiciones destinado a emular en el interior del cuerpo (2) central fenómenos atmosféricos, condiciones climáticas y contaminantes.
Un sistema de irradiación (3) destinado a generar radiación preferiblemente lumínica en el interior del cuerpo (2) central.
Un sistema de medida de humedad relativa y temperatura (12) que comprende una serie de sensores de humedad relativa y temperatura.
El cuerpo (2) se encuentra tapado por su parte superior mediante una tapa (6), mientras que unos medios de fijación (no representados) ubicados en una parte inferior del cuerpo (2), preferiblemente en la base (21), permiten fijar al menos temporalmente el dispositivo (1) sobre la superficie del material cuyas características fotocatalíticas se quieren determinar. El dispositivo (1) de la invención incorpora adicionalmente un sistema de estanqueidad basado en juntas elásticas (8) y otros elementos de estanqueidad que permiten que el cuerpo (2) central sea estanco al depositarlo sobre la superficie del material cuyas características fotocatalíticas se quieren determinar, donde en una realización preferente la cámara de referencia (23) se encuentra ubicada de forma concéntrica exterior a la cámara fotocatalítica (22) si bien ésta también se puede encontrar dispuesta en la base (21) con la entrada (9) y la primera salida (10) del gas de medida dispuestas de manera análoga a la disposición anteriormente descrita. Las juntas elásticas (8) están dispuestas preferentemente al menos en la base (21).
El sistema de irradiación (3) comprende una serie de lámparas, preferiblemente de tipo LED, para generar radiación preferiblemente lumínica en el interior del cuerpo (2).
La tapa (6), que está destinada a tapar el cuerpo (2) central por su parte superior, también comprende juntas elásticas (8) entre la tapa (6) y la parte superior del cuerpo (2) central, preferentemente entre aquella parte de la tapa (6) que cubre al menos parcialmente la cámara de referencia (23) definiendo la otra parte del sistema de estanqueidad anteriormente citado. En una realización del dispositivo (1) para determinación de características fotocatalíticas de materiales de la invención, la tapa (6) comprende una ventana (61), también denominada vano, que permite el paso de luz solar al interior del cuerpo (2), ventana (61) en la cual se coloca un cristal permeable a la radiación solar en todo su espectro, si bien en una posible realización alternativa la tapa (6) no presenta ventana (61).
El ensayo llevado a cabo en una acera de prefabricado de hormigón fotocatalítico para evaluar la eficiencia fotocatalítica para descontaminación de NOx de este ejemplo de realización presenta una medida que se ha realizado con aire ambiente de entrada cerca de un coche en marcha (por lo que la concentración sin fotocatálisis no es fija sino que varía en función del régimen del motor y del viento que circula en cada momento), usando un sistema de irradiación (3), que comprende lámparas tipo LED a una longitud de onda de 365 nm, arroja una intensidad de luz de 3,5W/m2, el caudal de aspiración natural de un medidor de quimiluminiscencia utilizado y T=14°C y HR=40%. Se aprecia claramente el efecto fotocatalítico, que se indica en una zona rayada en la figura 2.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. Dispositivo (1) para determinación de características fotocatalíticas de materiales, caracterizado por que comprende:
· un cuerpo (2) central que presenta una base (21), cuerpo (2) en el interior del cual se encuentra definida una cámara fotocatalítica (22) y una cámara de referencia (23) ubicada de forma concéntrica exterior a la cámara fotocatalítica (22), cámaras (22,23) que se encuentran conectadas a una entrada (9) de gas de medida, donde la cámara de referencia (23) comprende una primera salida de gas (10) que permite salir gas desde la cámara de referencia (23), mientras que la cámara fotocalítica (22) comprende una segunda salida de gas (11) que permite salir gas desde la cámara fotocalítica (22), siendo la primera salida de gas (10) y la segunda salida de gas (11) conectables cada una a al menos un analizador de gases, y donde la cámara fotocalítica (22) comprende en su interior:
· un sistema de agitación (4) que comprende uno o más ventiladores,
un sistema de simulación (5) de condiciones destinado a emular en el interior del cuerpo (2) central fenómenos atmosféricos, condiciones climáticas y contaminantes,
un sistema de irradiación (3) destinado a generar radiación preferiblemente lumínica en el interior del cuerpo (2) central, y un sistema de medida de humedad relativa y temperatura (12), una tapa (6) destinada a tapar el cuerpo (2) central por su parte superior, y unos medios de fijación ubicados en una parte inferior del cuerpo (2) y destinados a fijar al menos temporalmente el dispositivo (1) sobre la superficie del material cuyas características fotocatalíticas se quieren determinar.
2. Dispositivo (1) para determinación de características fotocatalíticas de materiales, según reivindicación 1 caracterizado por que el sistema de irradiación (3) comprende una serie de lámparas.
3. Dispositivo (1) para determinación de características fotocatalíticas de materiales según reivindicación 2, caracterizado por que las lámparas del sistema de irradiación (3) son tipo LED.
4. Dispositivo (1) para determinación de características fotocatalíticas de materiales según reivindicación 1 , caracterizado por que adicionalmente comprende un sistema de estanqueidad basado en juntas elásticas (8) que permiten que el cuerpo (2) central sea estanco al depositarlo sobre la superficie del material cuyas características fotocatalíticas se quieren determinar, estando dispuestas las juntas elásticas (8) al menos en la base (21).
5. Dispositivo (1) para determinación de características fotocatalíticas de materiales según reivindicación 1 , caracterizado por que la tapa (6) comprende una ventana que permite el paso de luz solar al interior del cuerpo (2).
6. Dispositivo (1) para determinación de características fotocatalíticas de materiales según reivindicación 5, caracterizado por que la ventana de la tapa (6) comprende un cristal permeable a la radiación solar en todo su espectro.
7. Dispositivo (1) para determinación de características fotocatalíticas de materiales según reivindicación 1 , caracterizado por que adicionalmente comprende juntas elásticas (8) dispuestas entre la tapa (6) y la parte superior del cuerpo (2) central del cuerpo (2).
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DATABASE WPI Derwent World Patents Index; *

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