Dióxido de titânio (TiO2): nanomaterial inovador para promover a autolimpeza de fachadas expostas ao microclima urbano e

evitar a biodeterioração em prédios históricos

UFRGS/NORIE/LAMTAC

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Até o momento, já foram defendidas no NORIE/PPGEC mais de 240 dissertações de mestrado e60 de doutorado, das quais mais de 50% na área de tecnologia dos materiais e desempenho das edificações.No grupo, já foram capacitados cerca de 280 bolsistas de iniciação científica. Além das atividades ligadas àdocência e pesquisa, várias parcerias com iniciativa pública e privada são desenvolvidas, caracterizando aforte interação que o grupo possui com a sociedade (empresas, órgãos públicos, entre outros).

Nos últimos cinco anos, foram desenvolvidos pelo grupo de materiais e desempenho cerca de20 projetos de pesquisa financiados, além das pesquisas relacionadas aos temas de mestrado e doutoradosem financiamento. Estas pesquisas deram origem a mais de 350 publicações em congressos, 70 emperiódicos, além de relatórios de pesquisa, livros e capítulos de livros. Também foram reconhecidas atravésde diversos prêmios recebidos ao longo do tempo.

ORIGEM DOS RECURSOS UTILIZADOS NESTA PESQUISAOs recursos humanos utilizados para a pesquisa foram financiados pelos órgãos de fomento

(CNPq e CAPES) através de bolsas de estudo de mestrado, de doutorado e de iniciação científica. A UFRGScontribuiu com sua infraestrutura e envolvimento dos seus docentes e equipe de laboratório. A empresaSISCOBRÁS, por meio do Engenheiro Henrique Deboni, trouxe o desafio da pesquisa e apoiou a suarealização através da doação dos materiais para a execução dos experimentos.

O Núcleo Orientado para a Inovação da Edificação(NORIE) constitui-se em um núcleo de pesquisa na área deconstrução civil, vinculado ao Programa de Pós-graduação emEngenharia Civil (PPGEC/UFRGS), que nas últimas avaliaçõesrecebeu nota máxima (7) na CAPES, sendo considerado curso deexcelência. No momento, o PPGEC conta com cerca de 220 alunosde mestrado e doutorado.

A área de construção (NORIE/PPGEC) tem comoobjetivo capacitar recursos humanos de alto nível, formandomestres e doutores qualificados para a pesquisa acadêmica e para odesenvolvimento tecnológico.

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EQUIPE ENVOLVIDAO trabalho apresentado foi coordenado pelas professoras Angela Borges Masuero e Denise

Coitinho Dal Molin. A tabela 1 apresenta a equipe multidisciplinar envolvida no desenvolvimento dapesquisa.

Tabela 1 Equipe envolvida no trabalho

Nome Titulação Departamento UFRGS Função

Angela Borges Masuero Doutora (pesquisadora 2 CNPq) Engenharia civil Coordenação

Denise Coitinho Dal Molin Doutora (pesquisadora 1B CNPq) Engenharia civil Coordenação

Augusto Schrank PhD (pesquisador 1A CNPq) Biologia Molecular e Biotecnologia Pesquisador

Hélio Adão Greven PhD (aposentado) Engenharia civil Colaborador

Marilene Vainstein PhD (pesquisadora 1B CNPq) Biologia Molecular e Biotecnologia Pesquisadora

Angela Junges Pós-doutoranda Biologia Molecular e Biotecnologia Pesquisadora

Fernanda Lamego Guerra Doutoranda NORIE/PPGEC Engenharia civil Pesquisadora

Nicolau Sbaraini Doutorando PPGBCM Centro de Biotecnologia Pesquisador

Gabriela Cortes Austria Mestre em engenharia civil NORIE Engenharia civil Pesquisadora

João Pedro Marins Treviso Mestre em engenharia civil NORIE Engenharia civil Pesquisador

Caroline Giordani Mestranda NORIE/PPGEC Engenharia civil Pesquisadora

César Viapiana Graduando engenharia civil UFRGS Engenharia civil Iniciação científica

Henrique Sasso Graduando engenharia civil UFRGS Engenharia civil Iniciação científica

Jéssica Bersh Graduanda engenharia civil UFRGS Engenharia civil Iniciação científica

Maurício Hartmann Graduando engenharia civil UFRGS Engenharia civil Iniciação científica

William Lopes Graduando ciências farmacêuticas UFRGS

Centro de Biotecnologia Iniciação científica

Airton Freitas Técnico em edificações NORIE Engenharia civil Laboratorista

Gilmar Vieira Engenharia civil Auxiliar de laboratório

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OBJETIVOS DA PESQUISAO objetivo geral da pesquisa é avaliar a eficiência do fotocatalizador TiO2 como promotor da

autolimpeza em argamassas expostas ao microclima urbano e como agente de prevenção e recuperação da biodeterioração em prédios históricos.

São objetivos específicos:- verificar a influência do teor de TiO2 na capacidade autolimpante de argamassas expostas em ambiente natural;- avaliar da influência da orientação solar na capacidade autolimpante de argamassas fotocatalíticas;- avaliar a influência da inclinação das superfícies na capacidade autolimpante das argamassas fotocatalíticas; - avaliar a eficiência do fotocatalisador TiO2, quanto ao controle à recorrência do crescimento microbiológico, em condições laboratoriais;- avaliar a eficiência do fotocatalisador TiO2, em prédios históricos biodeteriorados.

CRONOLOGIA DO PROJETO E DE SUAS ETAPASA cronograma físico da pesquisa está detalhado na tabela 2.

Tabela 2 Cronograma físico do projeto

Justificativa e relevância da pesquisaAo longo do tempo, as fachadas das edificações permanecem expostas a diversos

agentes de degradação, sejam eles associados aos próprios materiais empregados ou a fatoresexternos (ação de agentes climáticos, matérias específicas - poeira, fuligem, micro-organismos - eao movimento da água sobre as superfícies). Verhoef (2004) indica que, apesar da possibilidadede danos aos materiais constituintes, o aparecimento de manchas é a consequência maiscomumente verificada e percebida pelos usuários. Estas manchas são normalmente formadas apartir da deposição de partículas poluentes na superfície das fachadas e/ou proliferação demicro-organismos, elevando seus custos para limpeza e manutenção, além de impactarem nadesvalorização econômica do imóvel e degradarem a composição dos cenários urbanos (CHAVES,2009; CINCOTTO, 1988; PETRUCCI, 2000; MARANHÃO, 2009).

Conforme Chaves (2009), as partículas lançadas na atmosfera se aderem às camadassuperficiais e se integram aos revestimentos das fachadas, sendo eliminadas somente por meiode procedimentos específicos de limpeza. Ao longo do tempo, estas partículas se acumulam epermanecem incrustradas às fachadas, alterando-se sob a influência de agentes climáticos e daspróprias características dos materiais.

Com relação ao crescimento biológico, resultando na biodeterioração, os custos paraa limpeza e tratamento de superfícies afetadas são sempre difíceis de estimar, principalmentequando referem-se a edificações históricas. Os procedimentos para prevenir a reincidência doproblema incluem a utilização dos tradicionais biocidas, frequentemente aplicados naconservação de monumentos históricos. No entanto, atualmente, o uso de biocidas vem sendoquestionado devido, principalmente, ao relativo curto tempo de duração deste tipo detratamento. Além disto, muitas vezes os organismos desenvolvem mecanismos de resistência,dificultando a eficiência dos produtos usuais, além da necessidade de reaplicação, sem mencionarquestões relativas à toxicidade (FONSECA, 2010).

Justificativa e relevância da pesquisa

Por se tratar do componente de maior extensão em uma edificação, Chew et al. (2003)indicam que um sistema de fachada deteriorado implica em grande impacto nos custos de manutençãode uma edificação. A NBR 15575-1 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2013) classifica osrevestimentos de fachada como manuteníveis, indicando que "São duráveis, mas necessitam demanutenção periódica, e são passíveis de substituição ao longo da vida útil do edifício". Já Chew et al.(2003) apontam a necessidade de maintainable façades (ou fachadas manuteníveis), que requeirammínimos esforços de limpeza, reparo e substituição de elementos em uso.

Os produtos apresentados no mercado brasileiro com objetivo de evitar o manchamento defachadas têm baixa eficiência (MARANHÃO, 2009), sendo que os principais deles adotam a técnica dopós-tratamento com hidrofugantes. Isto adiciona uma etapa no processo de produção dos elementos,muitas vezes altera a coloração das fachadas e pode até ser a origem de novos problemas nasedificações. Além disso, os hidrofugantes exigem manutenções, pois perdem a sua função com o passardo tempo.

Uma vez que permanecem expostas à radiação solar por longos períodos, as fachadas dasedificações têm se mostrado particularmente atraentes para o uso de materiais fotocatalíticos. Estesmateriais são compostos que, sob incidência da luz solar, aceleram a ocorrência de reações químicas eproduzem agentes fortemente oxidantes, transformando as espécies poluentes em produtos inócuos(CASSAR, 2004).

Assim, no âmbito internacional, estudos vêm sendo desenvolvidos com a aplicação deprodutos como dióxido de titânio (TiO2), conferindo propriedades antimicrobianas e autolimpantes aosmateriais construtivos, inclusive apresentando compatibilidade com materiais históricos, mostrando-secom grande potencial para uso em fachadas de edificações (GÓMES-ORTIZ et al., 2013; MARKOWKA-SZCZUPAK et al., 2015; entre outros).

Fundamentação teórica

Na construção civil, o uso de materiais fotocatalíticos teve início na década de 1990, no Japão, quando foram realizadostestes em concretos e materiais cerâmicos por universidades e empresas, avaliando-se a eficiência de autolimpeza de suassuperfícies (FUJISHIMA; ZHANG, 2005). O dióxido de titânio (figura 1) mostra-se compatível aos materiais tradicionalmenteutilizados na construção civil, viabilizando sua adição em argamassas, concretos e pinturas cimentícias. Para Cassar (2004), asmatrizes cimentícias são o substrato ideal para a ocorrência da fotocatálise pelo TiO2, uma vez que é um material básico, quepermite a fixação tanto dos reagentes poluentes quanto dos produtos foto-oxidantes em sua superfície.

No Brasil, o uso do TiO2 ainda é investigado como uma novatecnologia para materiais cimentícios, portanto as pesquisas ainda seencontram em estágios iniciais. Como consequência deste interesse recente,há uma carência na bibliografia acadêmica brasileira relacionada ao assunto.Além disso, ainda são pouco conhecidas as propriedades e características dedesempenho dos materiais que são produzidos com o uso de TiO2. A partirde então, sabendo-se que o TiO2 atua como excelente fotocatalisador e éeficaz para a obtenção de alguns tipos de superfícies autolimpantes,manifesta-se a hipótese de que o material possa ser aplicado em argamassasou concretos, com o objetivo de reduzir manchas e agir como biocida emfachadas de edificações. Deste modo, retardando a velocidade com que assuperfícies das edificações ficam sujas ou manchadas, elimina-se anecessidade de realizar limpezas tão frequentes, reduzindo os custosenvolvidos e suscitando um ambiente urbano mais agradável.

Figura 1 Pó de dióxido de titânio (TiO2)

Fundamentação teórica

Para Fujishima et al. (2000), TiO2 é o material fotocatalítico ideal, especialmente em função de sua grandedisponibilidade, e por se tratar de um recurso relativamente barato, quimicamente estável e altamente oxidante. Adicionalmente,destaca-se por sua hidrofilicidade − caracterizada por ângulos de contato próximos a 0º, implicando na formação de lâminas d'água(em vez de gotas) que contribuem para a remoção de compostos orgânicos nas superfícies (figura 2). O TiO2 constitui-se de um póbranco bastante fino que pode se cristalizar em três diferentes estruturas geométricas, tais como, rutilo (tetragonal), anatase(tetragonal) e bruquita (ortorrômbica). A fase anatase é a que caracteriza-se pela maior intensidade fotocatalítica.

Conforme Fujishima et al. (2000), dentre as principais propriedades desenvolvidas por materiais contendo dióxido detitânio, obtidas a partir dos processos oxidativos avançados e da hidrofilicidade, podem ser citadas : a) autolimpeza de superfícies;b) purificação do ar; c) purificação da água; e) autoesterilização (efeito antibactericida).

Figura 2 Molhabilidade das superfícies (ALHANATI, 2013)

Fundamentação teórica

A atividade fotocatalítica do TiO2 pode ser comparada à reação que ocorre, por exemplo, com as plantas ao realizarem afotossíntese (figura 3), na qual através da captação da luz solar pela clorofila das plantas, ocorre uma reação com a formação de O2 apartir do CO2 e da água (Ohama e Van Gemert , 2011). Para que ocorra, a fotocatálise necessita de uma fonte de radiação ultravioleta,a qual se decompõe em três tipos: UV-A, UV-B e UV-C. Nos revestimentos externos, essa radiação é fornecida através da luz solar, já nosrevestimentos internos, pode ser fornecida por meio de luzes fluorescentes, porém, com uma menor porcentagem de radiaçãoultravioleta, o que resulta em uma diminuição dos efeitos benéficos da fotocatálise (PARAMÉS, 2008).

As substâncias fortemente oxidantes e degradantes, formadas a partir da absorção de raios UV, reagem com a sujidade oucom outros compostos orgânicos e inorgânicos e provocam a sua dissociação e desintegração (AZEVEDO; AGUIAR; TORGAL, 2012).Quando chove, ocorre a redução do ângulo de contato e o arraste das partículas aderidas. O arraste dos subprodutos que se depositamna superfície é muito importante, caso contrário eles impedem novos ciclos de foto-ativação, pois agem como barreira ao UV(MARANHÃO, 2009). O modelo do funcionamento de um material com propriedade fotocatalítica está exemplificado na figura 4.

ABSORÇÃO DE LUZ PELA CLOROFILA

ABSOÇÃO DE LUZ PELO FOTOCATALISADOR TiO2

Figura 4 (a) o CO2 como produto de reação de decomposição depoluentes; (b) a lâmina de água provocada pela super-hidrofilicidade do semicondutor, lavando os produtos dasreações de decomposição (Adaptado de FUJISHIMA et al., 2008).

Figura 3 Paralelo entre a fotossíntese e a atividade fotocatalítica (Traduzido a partir de Ohama e Van Gemert, 2011)

Contribuição técnica e aplicabilidadeA primeira etapa deste trabalho buscou avaliar a capacidade autolimpante de argamassas e coberturas fotocatalíticas de

TiO2 expostas a diferentes configurações de posicionamento no microclima urbano da cidade de Porto Alegre. Para isto, foramconfeccionadas amostras de argamassa e coberturas de pasta ou argamassa contendo diferentes teores de TiO2 (0%, 5%, 10% e 15%), asquais foram manchadas com Rodamina B e, a seguir, expostas sob diferentes condições de posicionamento, voltadas para as orientaçõesnorte, sul, leste e oeste, à 0º, 45º e 90º. Ao longo do período de exposição, foram realizadas leituras cromáticas (sistema CIELab) nasuperfície das amostras, tendo em vista a descoloração dos manchamentos aplicados. A degradação do corante se mostrou maiseficiente nas argamassas com maiores teores de TiO2 e nas configurações de posicionamento que recebem maior incidência de radiaçãosolar. As coberturas de pasta apresentaram valores mais elevados de variação de cor (ΔE) e refletância (L*), na comparação à aplicaçãodo TiO2 como cobertura de argamassa ou incorporado à mistura − métodos, os quais, mostraram resultados equivalentes.

A segunda etapa, voltada à análise da deterioraçãoprovocada por agentes biológicos, avaliou a aplicação superficial dofotocatalisador TiO2 quanto à sua eficiência autolimpante e biocida,em condições laboratoriais e em condições naturais, aplicadas aprédios históricos biodeteriorados. Em laboratório, foramidentificadas e reproduzidas argamassas típicas de edificações do finaldo século XIX, com e sem aplicação de TiO2 . Após, as mesmas foraminoculadas com os fungos isolados e identificados previamente comoos mais frequentes nestas edificações. Com a exposição dasargamassas à radiação UVA, foi observado um crescimento dos fungosmais evidente nas amostras sem TiO2. Na aplicação em condiçõesnaturais, o TiO2 foi aplicado superficialmente na proporção de 5% emágua deionizada, previamente dispersado (figuras 5 e 6). Após umperíodo de 6 meses, ocorreu um visível clareamento domanchamento resultante de crescimento biológico. A seguir sãoapresentados os principais resultados de forma esquemática.

Figura 5 Solução de TiO2 em água deionizada sendo solubilizada em agitador magnético para melhor dispersão das partículas.

Figura 6 Aspersor ou pistola de pressão para aplicação da solução nas superfícies

a serem tratadas

Contribuição técnica e aplicabilidadeANÁLISE EM CONDIÇÕES EXTERIORES

Substrato para análise : placas de argamassa, traço em massa 1:3 (cimento:areia).Tratamento superficial: escovação, lavagem e secagem (24h).Aplicação do TiO2 diluído na água de amassamento (concentrações, 5%, 10% , 15% e controle).Teste com Rodamina B (RhB): corante orgânico de coloração vermelho forte, usado pela indústria têxtil. Comumente utilizado para avaliação de atividades autolimpantes. Manchamento das amostras por imersão.

CLAREAMENTO AO LONGO DO TEMPO

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1 dia 3 dias 7 diasO %5 % TiO210 % TiO215% TiO2

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CLAREAMENTO AO LONGO DO TEMPO

Amostras expostas em ambiente

externo

Sem Titânio

Sem Titânio

Sem Titânio

Sem Titânio

1 dia 3 dias 7 diasSem Titânio

Sem Titânio

Sem Titânio

Sem Titânio

Contribuição técnica e aplicabilidade

Avaliação do fotocatalisador em condiçõescontroladas, com diferentes concentrações para doisisolados de fungos.

Avaliação do fotocatalisador emcondições controladas de laboratório (umidaderelativa, temperatura e incidência de luz constantes),adicionado em substrato de argamassa, traço emmassa 1:2 (cal:areia) para o fungo Cladosporium.

AMOSTRA COM FOTOCATALISADOR

AMOSTRA SEM FOTOCATALISADOR

Crescimento mais evidente

4 concentrações do TiO2/água deionizada

Fungo isolado Aspergillus

Fungo isolado Fusarium

Suspensão e contagem de esporos

Inóculo –concentração de 10 esporos/mL

Placa com meio nutricional

6

Repetições em placas para os dois fungos

Contribuição técnica e aplicabilidade

FACHADA DE EDIFICAÇÃO HISTÓRICA –PRÉDIO NORIE/UFRGS

Observação:Após a aplicação da solução do fotocatalisador, logo em seguida à secagem, notou-se o que a superfície ficou “esbranquiçada” resultado da deposição do pó de TiO2. Após a lixiviação identificou-se a limpeza com clareamento da mancha previamente verificada.

Superfície após aproximadamente seis meses da aplicação – visível clareamento do manchamentoresultante de crescimento biológico.

Aplicação superficial de solução de TiO2 (5% em água deionizada) sobre crescimento biológico.

Considerações finaisOs resultados da pesquisa demostraram que a utilização do material fotocatalítico em estudo foi eficiente em

promover a autolimpeza de fachadas expostas ao microclima de Porto Alegre (simuladas através de corpos de prova), mesmoquando em condições menos favoráveis de exposição (fachada sul, na vertical). Também foi comprovada a capacidade do TiO2 deagir como biocida, tanto em condições de laboratório como quando aplicado em revestimentos de prédios históricos. A maior oumenor eficiência da fotocatálise pode ser relacionada com as características do TiO2 (estrutura cristalográfica, finura, distribuiçãogranulométrica) e com sua forma de aplicação.

Portando, o uso do TiO2 na construção civil pode ser visto como uma potencial solução inovadora para reduzir oimpacto com os gastos de manutenção de fachadas de prédios novos, quando o mesmo é incorporado durante a confecção daedificação, e de prédios em uso, tendo ou não valor histórico, quando aplica-se o fotocatalizador na superfície dos materiais jádegradados com manchas ou agentes biológicos. Além do impacto econômico, a autolimpeza e a ação biocida trazem comovantagem a melhoria do ambiente urbano através da valorização estética dos imóveis que compõe esses cenários .

Diante do desempenho comprovado nesta pesquisa, abrem-se diversas perspectivas de mercado. A empresaSISCOBRÁS Sistemas Construtivos do Brasil, por exemplo, que apoiou financeiramente e acompanhou a pesquisa desde seu início,foi pioneira no Brasil no uso do TiO2 para execução de peças pré-fabricadas, e desde janeiro de 2017 utiliza fotocatalizador em todosos seus produtos (figura 7). Dentro do campo de uso para restauro de prédios históricos, a empresa Lebes, em parceria com aempresa Engenhosul obras, estudam a viabilidade da utilização do TiO2 para recuperação da argamassa do prédio Guaspari, nocentro da cidade de Porto Alegre, cujas obras estão em andamento (figura 8).

Figura 7 Pré-fabricados produzidos pela SISCOBRÁS com adição de TiO2

Figura 8 Prédio da antiga loja Guaspari: estudoda viabilidade do uso de TiO2 para o restauro dafachada

Produção científica realizada a partir desta pesquisa

Trabalhos completos publicados em anais de congressos

THOME, C. ; AUSTRIA, G. C. Adição de dióxido de titânio em materiais cimentícios: uma revisão de métodos para evitar a formação demanchas em fachadas prediais. in: CPBAT 2016 - Congresso Brasileiro de Patologia das Edificações, 2016, Belém do Pará. Anais doCongresso Brasileiro de Patologia das Construções CBPAT2016, 2016.

TREVISO, J. P. ; DAL MOLIN, D. C. C. ; AUSTRIA, G. C. Argamassas autolimpantes para fachadas: eficiência da adição de dióxido de titânio(TiO2). in: IV CIRMARE - Congresso Internacional na 'recuperação, manutenção e restauração de edifícios', 2015, Rio de Janeiro - RJ. IVCIRMARE - repensando as cidades, 2015.

TREVISO, J. P. ; DAL MOLIN, D. C. C. ; BERSCH, J. Photocatalytic mortars: self-cleaning activity under different orientations exposure. In:International Conference on Engineering: engineering for society, 2015, Covilhã. Proceedings of International Conference on Engineering:engineering for society, 2015.

Dissertações de mestrado e qualificação de doutorado

João Pedro Marins Treviso. Avaliação da eficiência de autolimpeza em argamassas com TiO2 expostas ao microclima urbano. 2016.Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Conselho Nacional de DesenvolvimentoCientífico e Tecnológico. Orientador: Denise Carpena Coitinho Dal Molin.

Gabriela Cortes Austria. Argamassa autolimpante para revestimento de fachadas: o efeito das propriedades fotocatalíticas do dióxidode titânio (TiO2). 2015. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Orientadoras: DeniseCarpena Coitinho Dal Molin e Angela Borges Masuero.

Fernanda Lamego Guerra. Biodeterioração de argamassas históricas de superfícies interiores: estudo dos mecanismos de deterioraçãopor fungos filamentosos e investigação da eficiência do TiO2 como prevenção à recorrência. 2016. Qualificação de doutorado -Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Orientadoras: Denise Carpena Coitinho Dal Molin e Angela Borges Masuero.

Observação: Todas as referências bibliográficas citadas ao longo deste documento constam nas dissertações e qualificação acima referenciadas