Možnosti obrany před znečitěním fasád domů

Na otázky redakce odpovídali postupně Ing. Jiří Rathouský, CSc., a Mgr. Radek Žouželka z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR. Praktické zkušenosti připojil Ing. Jan Hrdlička z firmy Fasádní servis.

Ing. Jiří Rathouský, CSc.

Mgr. Radek Žouželka

Mohli bychom na úvod vysvětlit, jaký problém jste ve své studii řešili?

V současné době je velmi závažným problémem vysoká úroveň znečištění vzduchu oxidy dusíky, tzv. NOx. Překračování povolených denních limitů má neblahý vliv na lidské zdraví, což vede k úmrtím dle statistik až 600 tis. lidí ročně v Evropě. Hlavními zdroji znečištění je průmyslová výroba a automobilová doprava. Imise v důsledku automobilové dopravy představují 40 % celkového množství, z čehož 80 % připadá na dieselové motory. Dopad je o to závažnější, protože dochází k uvolňování imisí v nejnižších vrstvách atmosféry, tedy v úrovních, kde se pohybují lidé. V případě průmyslové výroby jsou emise vypouštěny ve větších výškách odpovídajících výšce komínu. Tím se sice sníží znečištění v bezprostřední blízkosti průmyslových zdrojů, avšak dochází i k zasažení vzdálenějších oblastí.

Chemismus reakcí NOx v atmosféře je velmi složitý proces a významně se na něm podílejí i další přítomné polutanty, jakými jsou těkavé organické látky nebo ozón. Reakcí oxidů dusíku s dalšími polutanty při působení ultrafialového světla vzniká široké spektrum velmi reaktivních radikálů, z nichž mohou vznikat ještě nebezpečnější látky, než jsou samotné oxidy dusíku. Oxid dusnatý zároveň přispívá ke skleníkovému efektu, který způsobuje globální oteplování a stoupání hladin moří.

Proč je tak složité snížit koncentrace NOx v atmosféře?

Odstraňování polutantů ze znečištěného vzduchu je velmi obtížné, protože se jedná o velké objemy vzduchu, které je potřeba vyčistit. Není technicky možné „prohnat“ miliardy metrů krychlových znečištěného městského vzduchu přes nějaké zařízení, v němž by byly molekuly polutantů odstraněny. Proto je nutné hledat nové cesty, kterými by bylo možno tento závažný problém vyřešit. Možným řešením je využití fotokatalytického procesu, při němž dochází k transformaci plynných oxidů dusíku na pevné nitráty na povrchu fotokatalyticky aktivních materiálů. Tento proces je možno realizovat nanesením fotokatalytické vrstvy na vnější plášť budov a na povrch vozovek a chodníků. Velkou předností fotokatalytického procesu je to, že probíhá za běžných atmosférických podmínek. Nevyžaduje přídavek žádných dalších reaktantů a k jeho vyvolání postačí energie dopadajícího slunečního záření.

Dalším předpokladem je dostupnost fotokatalytického materiálu, který vyhoví celé řadě dosti náročných podmínek. Musí být dostatečné aktivní, mechanicky i chemicky stabilní, s dobrou adhezí k povrchu ošetřeného stavebního materiálu. Zároveň nesmí být toxický a nesmí být uvolňován do okolního prostředí. Takový materiál se podařilo vyvinout v České republice a použili jsme jej v naší studii.

Testované vzorky stavebních materiálů s fotokatalytickým nátěrem

Budova v Praze 8-Libňi opatřená fotokatalytickým nátěrem

O využití fotokatalytického efektu se mluví už hodně dlouho, ale vaše studie přináší další nové poznatky. Mohli bychom je zdůraznit a vysvětlit, co by to mohlo přinést českému stavebnictví?

Naše publikovaná studie poprvé poskytla kvantitativní data týkající se skutečné rychlosti, s jakou se snižuje koncentrace plynných oxidů dusíku na fotokatalytické vrstvě nanesené na povrchu reálných stavebních materiálů. V provedeném výzkumu byl zohledněn vliv koncentrace oxidů dusíku, charakteru proudění vzduchu, vlhkosti vzduchu, intenzity dopadající světla i vlastností stavebních materiálů. Velmi obsáhlá experimentální studie tak poskytla závislost rychlosti odstraňování oxidů dusíku z proudícího vzduchu na všech relevantních parametrech v širokém rozsahu jejich hodnot. Například jsme i použili několik různých typů průtočných reaktorů pro reakce v plynné fázi, což je ve fotokatalytických publikacích zcela neobvyklé.

Provedený výzkum poskytuje architektům, projektantům, urbanistům a pracovníkům státní správy možnost, jak vypočítat množství odstraněných oxidů dusíku (NOx) pomocí 1 m2 fotokatalytického nátěru za 1 hodinu, což je základní údaj pro zavedení této technologie do praxe. Zásadní význam má skutečnost, že použitý fotokatalytický nátěr se průmyslově vyrábí v České republice a je snadno komerčně dostupný. V naší studii jsme testovali vlastnosti toho fotokatalytického nátěru na betonech a omítkách, což jsou základní stavebniny používané u nás. Získaná data proto mají přímou použitelnost.

Máte nějaká srovnání o využívání fotokatalytických nátěrů ve světě. Předpokládám, že v jižních oblastech jsou možnosti daleko širší a seveřané budou mít zřejmě smůlu...

Významnou předností naší studie je její komplexnost a relevance, protože jsme zahrnuli všechny základní vlivy, ovlivňující fotokatalytický proces. Zásadní význam měla i skutečnost, že jsme použili vysoce kvalitní fotokatalytický materiál. Studie zahraničních kolegů jsou často rozporné, protože je mnohdy opomíjen vliv některého z významných parametrů, což znemožňuje smysluplné srovnání dat a platnou predikci pro reálné podmínky. Typickými nedostatky jsou například zcela nevhodně zvolená koncentrace oxidů dusíku, zanedbání vlivu proudění vzduchu či nedostatečně aktivní nebo stabilní fotokatalytický materiál.

Velmi důležitý je pochopitelně i vliv intenzity slunečního záření, která závisí na zeměpisné šířce. Oblasti blíže rovníku mají samozřejmě výhodu, ale náš výzkum ukázal, že intenzita slunečního záření v našich šířkách je dostatečná pro fotokatalytický proces, a to i v zimních měsících.

Aparatura pro stanovení účinnosti fotokatalytických vzorků při odstraňování oxidů dusíku z proudícho vzduchu

Detail fotokatalytické aparatury z předešlého obrázku

Vidíte i možnost uplatnění fotokatalýzy v památkové péči?

Mimo výzkum v oblasti fotokatalýzy pro zlepšení životní prostředí se věnujeme i pokročilým nanotechnologiím pro ochranu našeho kulturního dědictví. Vyvinuli jsme unikátní mikroemulze a gely pro čištění povrchů historických artefaktů, nanostrukturní gely pro konsolidaci rozrušených stavebních materiálů či biocidy založené na nanočásticích kovů a polovodičů. Oblast památkářství má však svoje specifika, která je nutno zohlednit. Nesmí dojít k významnější změně vzhledu, například barevnost nebo index lomu světla, a fyzikálně-chemických vlastností. Mezi ně patří paropropustnost a smáčivost. Nežádoucí je také vytvoření povrchové krusty.

Tato specifika je nutno dodržet i při aplikaci fotokatalytických nátěrů na historická díla, což není jednoduché. Ukazuje se však, že fotokatalýza má zajímavé možnosti uplatnění při ochraně historických a uměleckých artefaktů umístěných zejména v exteriéru. První aplikace byly realizovány na moderních stavbách jako je budova Mánesu v Praze či zámku Paskov na Frýdecko-Místecku, kdy jsou požadavky na fotokatalytický materiál bližší novostavbám. Funkce fotokatalytických vrstev na památkových objektech zahrnuje samočisticí a biocidní efekt a současně i zlepšení kvality vzduchu v jejich okolí.

Jaký bude váš další postup, co vás v nejbližší době ještě čeká?

V současné době připravujeme nový projekt, který bude zaměřen na získání kvantitativních dat pro odstraňování polutantů z plynných směsí obsahujících kromě NOx i těkavé organické látky, případně ozón. V plánu je vybudování potřebného experimentální zařízení a vytvoření metodik pro vyhodnocení získaných dat. Dlouhodobějším cílem je vytvoření nových norem, které umožní skutečně kvantitativně vyhodnocovat účinnost fotokatalytických materiálů při čištění vzduchu za podmínek reálného prostředí, což současné normy neumožňují. Souběžně k laboratornímu výzkumu plánujeme i realizovat venkovní měření ve znečištěných lokalitách, což nám umožní verifikaci vytvořených modelů. Je pro nás důležité hlouběji porozumět vztahům mezi strukturou materiálu a jeho funkcí v různých procesech (v tomto případě ve fotokatalýze) a tyto souvislosti kvantifikovat. Z toho vyplývá i komplexní přístup, který jsme zvolili. Naše úsilí se však neomezuje jen na základní výzkum, ale i usilujeme o propojení s aplikační sférou a zavádění inovativních postupů. Spolupráce s oblastí stavebnictví je oboustranně výhodná, protože naši průmysloví partneři získají zásadní poznatky o možnosti aplikace fotokatalytické technologie a my máme zase možnost ověřit naše modelové závěry v reálných podmínkám.

Studie byla publikována v prestižním časopise Applied Catalysis B: Environmental a v současné době je tzv. open access: na adrese https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.06.009

Fotokatalýza v praxi dle ing. Jana Hrdličky

Jaké jsou nejčastější problémy novodobých zateplených fasád?

Moderní zateplené fasády v Česku trpí zejména špatnou ochranou proti znečištění, UV záření, řasám, plísním a nedostatečnou profesionální údržbou. Ochranná řešení na chemicko-biocidní bázi jsou však jen krátkodobá.

Své zkušenosti s péčí o fasády popisuje dále šéf společnosti Fasádní servis Ing. Jan Hrdlička.

Je fotokatalytická ochrana fasád podle vás lepší?

Podle mých zkušeností určitě ano. Zateplené fasády totiž hojně rozšířené na všech bytových a panelových stavbách výrazně ohrožuje z hlediska jejich životnosti UV záření a jeho degradační účinky, atmosférická mastnota, řasy, plísně i opakované mytí a čištění. Pro opakované strojové mytí totiž nejsou tyto povrchy zcela vhodné a uzpůsobené. Ovšem bez něj to také nejde, jelikož zateplené fasády zasažené plošným výskytem řas a výsevem plísní jsou nejen ošklivé, ale představují i ohrožení zdraví obyvatel domů. A co více, organizmy prorůstají svrchní vrstvu omítkoviny, pronikají do zateplení a ničí celý fasádní systém.

To vše může ještě výrazně umocnit nešetrný technologický postup realizačních, mycích a čistících firem. Opakované čištění zateplených fasád může způsobovat opotřebení probarvené svrchní fasádní vrstvy, která může být časem až o polovinu tenčí. Výsledkem je podstatné zkrácení životnosti a povrchové soudržnosti zateplených fasád. Na trhu jsou běžně nabízená ochranná řešení, jež vyžadují opakované čištění a opakovanou aplikaci po dvou či pěti letech. V dnešní době lze ovšem nalézt i taková řešení, které se bez nutnosti opakovaného čištění aplikuji až po 10 a více letech.

Jak takové závady na fasádách spolehlivě zjistit?

Nejčastější závady na fasádách, a to především na těch zateplených, bývají dvojího druhu. Za prvé jde o závady konstrukční či statické, které se projevují narušenou vnitřní stabilitou a povrchovou nesoudržností. Druhým typem závad jsou povrchové degenerativní vlivy, které způsobuje především UV záření v kombinaci s atmosférickou mastnotou, která po určité době snižuje paropropustnost zateplené fasády. Tím vznikají životní podmínky pro bakterie, tvorbu řas a po čase i plísní. Týká se to zejména fasád zateplených systémem ETICS, jež je v Česku v tomto směru nejrozšířenější technologií. Pokud se problém neřeší včas, může dojít – a dochází – ke vzniku povrchových závad. Jejich společným jmenovatelem je v důsledku zkracování životnosti fasády jako celku.

Jakým způsobem se dá proti těmto přírodním vlivům bránit a jaké typy závad jsou nejkomplikovanější?

Předcházet degenerativním a znečisťujícím vlivům na fasádách a zateplených fasádách lze včasnou prevencí. Za prvé to znamená zabránit degradaci způsobené UV zářením, za druhé omezit výskyt popínavých rostlin, které při svém růstu povrchově a dokonce i hloubkově narušují fasádní omítkové pojivo či přímo tepelně-izolační systém ETICS. Za třetí je to zamezení ulpívání a výskytu řas a plísní, které se šíří vzduchem. Nejsložitější je podle mých zkušeností boj s plísněmi, které prorůstají do omítky fasády a stávají se součástí fasádního podkladu, přičemž fasádu ničí. Problém plísní je běžně zavedenými postupy velmi složitě odstranitelný. A je to o to horší, protože tyto organizmy narušují soudržnost fasádního pojiva. V kombinaci s UV zářením jejich výskyt vede k tomu, že při snaze o jakkoli šetrné očištění se fasádní pojivo prakticky rozpadá. Řasy, jejichž výskyt je podobně častý jako u plísní, zabarvují omítku a pronikají do ní.

Máte na to nějaký osvědčený postup? Předpokládám, že nejde dělat všechno najednou a je třeba zvolit i vhodný čas…

Osvědčený postup je jediné možné řešení. Je to již zmíněná včasná prevence. To znamená předcházení stavu středního či vysokého zasažení organickým znečištěním, které se projevuje zelenáním fasád či atmosférickým znečištěním (polutantním znečištěním), které se projevuje šednutím fasád. V rámci osvědčeného postupu je dobré zvolit načasování údržby. Tím je v klimatickém pásmu České Republiky především období od dubna do října. Údržba fasády má několik možných úrovní od základního oplachu či mytí přes hloubkové čištění včetně aplikace ochranných systémů. U nich se dá vybírat ze dvou možností: Základní dočasná ochrana, jež redukuje výskyt popsaných jevů po dobu 3 až 5ti let nebo dlouhodobá samočisticí fotokatalytická ochrana, která ho zcela eliminuje po dobu garanční lhůty 10 let.

Exteriérové fotokatalytické ochranné systémy mají své zastánce, ale i odpůrce. Mohl byste objasnit funkci takového nátěru a přidat nějakou vaši konkrétní zkušenost?

Exteriérové fotokatalytické multifunkční povrchy a systémy jsou podle mého názoru zcela revoluční inovací z hlediska prodloužení životnosti a ochrany stávajících a nově vznikajících fasád, především omítkových fasád včetně fasád systému ETICS. Odpůrcem může být každý, kdo není připraven akceptovat jejich vyšší vstupní cenu od 395 korun za metr čtvereční v porovnání s běžnými a dočasnými základními ochrannými systémy, které stojí od 65 korun za metr čtvereční. Ovšem odpor k vyšší ceně v tomto případě znamená jednoznačně zkrácení životnosti fasády. Což v důsledku znamená nutnost celkově nesrovnatelně vyšší investice, než je ta do fotokatalytického povrchu. Fotokatalytické – samočistící – ochranné systémy označované zkratkou FN (Fotokatalytic nanocoating) mají nespornou výhodu ve variabilitě z hlediska funkcí, které jako dlouhodobé ochranné systémy nabízejí a umožňují. Jelikož se jedná o suspenzní nátěrové systémy, lze je kolorovat do barvy stávající fasády a tím dosáhnout optického oživení a zlepšení povrchových paropropustných vlastností díky jejich hydrofilitě. Dalším důkazem jedinečnosti je unikátní schopnost samočištění fasádního povrchu. Odpadá tak nutnost opakovaného čištění, které fasádě, jak již bylo řečeno, vůbec neprospívá. Fotokatalytické systémy totiž rozkládají na svém povrchu všechny organické a atmosférické nečistoty a odpařují je zpět do atmosféry. Fasáda je tak dlouhodobě trvale zcela čistá bez jakékoliv UV degradace, bez řas, plísní i atmosférické nečistoty.

Tyto funkce mají všechny výrobky, na kterých je uvedeno, že jsou fotokatalytické? Zkušenosti tomu ale úplně nenasvědčují…

Je důležité vědět, že ve fotokatalytických ochranných systémech můžete narazit na velmi značné kvalitativní rozdíly. Jejich efektivita je totiž dána obsahem fotokatalytických nanočástic, které má výrobek obsahovat. Minimální norma pro účinné samočištění je stanovena minimální hodnotou 65 procent, což český patentovaný systém FN NANO, který používáme, beze zbytku splňuje, ba do konce významně převyšuje. V současnosti již letité realizace této technologie v ČR dokazují jeho stálou stoprocentní samočisticí schopnost. Stačí se podívat například na komplex Villa Bianca v Praze 6, obytné domy patřící pražským společenstvím vlastníků jednotek Nad Okrouhlíkem 2135; Letovská 544; sídlo firmy Techniserv v Moskevské 86; či sídlo společnosti Allcom Na Sychrově 6. Příkladů již je k dispozici celá řada.

Stále častější bývá také boj s graffiti. Máte i tady nějaký recept?

Graffiti a ochrana proti jeho vzniku je časným tématem dnešní doby a jistě také doby budoucí. Hlavním nástrojem jsou dnes již dobře fungující a odolné anti-graffiti ochranné nátěry fasádních povrchů v transparentním paropropustném provedení, které není na první pohled zcela viditelné, neboť ochranné systémy již obsahují polyuretanové složky a tudíž na povrchu nevytvářejí odlesky a optické zvýraznění. Dnešní doba má již k dispozici plast-polymerní nanotechnologie, které důkladně brání a chrání fasádní povrch před průnikem barevných pigmentů a dobře odolávají rozpouštědlovým složkám. Tyto systémy již nepracují na bázi takzvané obětující se ochranné vrstvy, kterou bylo vždy nutné obnovit po chemickém odstranění graffiti. Dalším velmi podstatným kritériem je včasnost zjištění a následného odstranění vzniklého graffiti. Ideálně by mělo být graffiti z fasádního povrchu odstraněno do 48 hodin, čímž lze předejít především u fasád bez anti-graffiti ochranného systému průniku barevných pigmentů a rozpouštědlových složek do fasády.

Jaký bude podle vás další vývoj fotokatalytických ochranných systémů v tuzemsku?

Dle našich zkušeností se vývoj a potenciál ochranných fotokatalytických systémů začíná dostávat do povědomí zákazníků a realizačních firem. Započalo to unikátním vývojem v ČR, který provádí firma Jana Procházky Advanced Materials JTJ a následnou osvětou těchto technologií. Druhým faktorem je osvěta ze strany výrobců fasádních systému, jako jsou například Weber – Terranova (Saint Gobain System), Baumit, Stomix. Také oni se započaly zabývat vývojem fotokatalytických fasádních systémů a barev, aby dosáhly delší životnosti a čistoty fasádních systémů a dosáhly každý po svém konkurenčních výhod. Budoucnost je těmto systémům nakloněna a záleží již jen na tom, kdy se informace dostanou do opravdu širokého povědomí. Mimochodem, firma Advanced Materials JTJ svůj systém FN NANO bude nabízet i na fasády Bílého domu, sídla amerických prezidentů.

Jak by mohl vypadat takový ideální dům budoucnosti z hlediska zdravé a doživotně čisté fasády v klimaticky problematické lokalitě?

Takovýto dům si lze představit jako fotokatalyticky ochráněný z hlediska fasády, střechy, plotu a dalších svislých ploch ihned od začátku výstavby a instalace. Tak lze předejít rovnou od začátku stárnutí a znečištění fasádních, střešních či plotových povrchů a zcela zastavit jejich UV degradaci. Po uplynutí minimálně desetileté lhůty životnosti bude zcela dostačující provedení obnovy ochranných fotokatalytických systémů bez nutnosti opakovaného čištění a následně tak i v problematické lokalitě bude možno udržet trvale čistou fasádu.