Revêtements photocatalytiques pour matériaux de construction : formulation, évaluation de l'efficacité et écotoxicité
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
Photocatalysis shows great potential in the treatment of organic pollution, in gaseous or aqueous phases. Generally, ultrafine TiO2 particles are used for their photocatalytic performance but also for their superhydrophilicity under UV irradiation. These properties are responsible for the depolluting and self-cleaning functions of the resulting product. The aim of this PhD work is to use building materials as air purifiers and to limit levels of biofouling. For this purpose, the photocatalyst is implemented in a glaze. This type of product was chosen for its architectural interest: it allows existing surfaces to be treated while preserving their original appearance. In addition, because photocatalysis is a surface phenomenon, solutions such as coatings are particularly interesting since they can be applied to existing buildings and, at the same time, result in lower TiO2 consumption The coating was formulated using components free of organic solvents to reduce the toxicity of the final product. The stability and homogeneity of the glaze were verified in its storage conditions and the adhesion of the coating obtained was evaluated by abrasion tests. The photocatalytic properties were studied against several pollutants representative of air pollution: nitrogen oxides (NOx) and a mixture of VOCs (BTEX: benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes). Biological growth was assessed on the algae Chlorella (algal species often found in the microbiological composition of soil facades). In order to investigate the possible toxicity of the formulation, the VOC emissions from the glaze and the toxic and genotoxic impact of release into the aquatic environment were assessed. An experimental set-up was developed in order to study the influence of photocatalytic material (formulation and substrate) and operating conditions (humidity, pollutant initial concentration, contact time between the gas and the photocatalytic surface) on the photocatalytic oxidation of VOCs and NOx. The results showed that the performance depended on the humidity of the air, the initial concentration of pollutants and also the nature of the substrate coated. In addition, the durability evaluation of the glaze applied to mortar surfaces showed that the performance of NOx abatement was slightly impacted by the application of abrasion cycles (ISO 11998 and ASTM D2486). Biological growth assays were conducted using two devices to simulate different environmental conditions: a flow of water on inclined surfaces and humidification by capillarity. Whatever the experimental conditions, no inhibition of biofouling could be attributed to the phenomenon of photocatalysis. These observations support some literature results showing that biological development is not influenced by the presence of a photocatalyst, while the depolluting properties of the material have been validated on other compounds. However, in our tests, a slowdown in biological development could be observed using a water-repellent surface, another type of self-cleaning surface. The product toxicity assessment by measurement of VOCs in air showed that compounds characteristic of the composition of the glaze could be detected whatever the lighting conditions. In addition, the ecotoxicity assessment identified a concentration of the glaze beyond which growth inhibition in Xenopus larvae could be measured. However, these studies did not demonstrate genotoxicity in the organisms tested.
Abstract FR:
La photocatalyse est un procédé qui présente un fort potentiel dans le traitement de la pollution organique, qu'elle soit en phase gazeuse, en phase aqueuse ou biologique. Généralement, des particules ultrafines de TiO2 sont employées pour leurs performances photocatalytiques élevées mais également pour leurs propriétés de super-hydrophilie sous irradiation UV à l'origine de propriétés autonettoyantes. L'objectif de ce travail est de conférer aux matériaux de constructions des propriétés photocatalytiques qui permettent de lutter contre la pollution atmosphérique et contre le développement des algues sur les parements en béton. Dans ce but le photocatalyseur a été mis en œuvre dans un revêtement de type lasure. Ce type de produit a été choisi pour son intérêt architectural : il permet le traitement des surfaces existantes tout en conservant leur aspect initial. En outre, il permet d'optimiser les quantités de photocatalyseur utilisées, le phénomène de photocatalyse étant un phénomène de surface. Le travail de formulation de la lasure a été effectué en utilisant des constituants exempts de solvants organiques afin de limiter la toxicité du produit final. La stabilité et l'homogénéité de la lasure ont été vérifiées dans son état de stockage. L'adhésion du revêtement obtenu a été évaluée par des essais d'abrasion. L'efficacité de la lasure a été étudiée vis-à-vis de plusieurs polluants représentatifs de la pollution atmosphérique : les oxydes d'azote (NOx) et un mélange de COV (BTEX : benzène, toluène, ethylbenzène, xylènes). Les propriétés d'inhibition des croissances biologiques ont été évaluées sur l'algue Chlorella, une espèce d'algues souvent rencontrée dans la composition microbiologique des salissures des façades. Dans le but d'étudier l'innocuité de la formulation, les émissions de COV de la lasure ainsi que l'impact toxique et génotoxique d'un re-largage dans le milieu aquatique ont été évalués. Un banc de mesure a été conçu et mis en œuvre afin d'étudier l'influence du matériau photocatalytique (formulation et support d'application) et des conditions opératoires (humidité, concentration initiale en polluant, temps de contact entre le gaz et la surface photocatalytique) sur l'oxydation photocatalytique des COV et des NOx. Les résultats ont montré que les performances dépendaient du taux d'humidité de l'air et de la concentration initiale en polluants mais également de la nature du substrat utilisé pour l'application du revêtement. Par ailleurs, les essais de durabilité de la lasure appliquée sur support mortier ont montré que les performances d'abattement des NOx n'étaient pas impactées par l'application de cycles d'abrasion. Les essais de croissance biologique ont été menés à l'aide de deux dispositifs permettant de simuler deux conditions environnementales différentes : un écoulement de l'eau sur les surfaces inclinées et une humidification par remontées capillaires de l'eau dans le matériau. Quelque soient les conditions expérimentales, aucun ralentissement du développement des salissures biologiques n'a pu être attribué au phénomène de photocatalyse. Ces observations corroborent certains résultats bibliographiques montrant que le développement biologique n'est pas influencé par la présence d'un photocatalyseur, alors que les propriétés dépolluantes du matériau ont été validées sur d'autres composés. Toutefois, dans nos essais, un net ralentissement des développements biologiques a pu être observé en utilisant un hydrofuge de surface, un autre type de surface auto-nettoyante. L'évaluation de l'innocuité du produit par les mesures des émissions de COV dans l'air ont montré que des composés caractéristiques de la composition de la lasure peuvent être détectés quelque soient les conditions d'éclairement. Par ailleurs, l'étude d'écotoxicité a permis d'identifier une concentration de la lasure au-delà de laquelle une inhibition de croissance chez les larves de xénope peut être mesurée. Cependant, ces travaux n'ont pas permis de mettre en évidence une génotoxicité chez les organismes testés.