Nano-engineered brick surfaces for biofouling prevention: experimental results and analytical modelling

Building façades, including brick façades, are inevitably subjected to the deterioration caused by the colonization of microorganisms. These microorganisms may be bacteria, algae, cyanobacteria, fungi, lichens and other. Algae and cyanobacteria are the first colonizers, which pave the way for the implantation and growth of other microorganisms systems. Beyond traditional intervention methods, innovative coatings with unfavourable intrinsic parameters to the development of biological stains are now developing. In this direction, the use of nanotechnology, especially the use of photocatalytic nanocoating, has recently raised. The most diffuse material in nanocoating applications is titanium dioxide (TiO2) because of its non-toxicity, photochemical stability and low cost. This research aims to study the efficiency of TiO2 toward algal biofouling when it is applied on brick elements. The research focuses on the ability of TiO2 to limit the adhesion of algal cells under both UV and visible radiation. Moreover, it studies the effect of substrata properties, mainly roughness and porosity, on the biocide effect of TiO2. Experimental activity, at the base of this research, consists to subject brick specimens to wet&dry cycles with algae suspension, under monitored climatic conditions. Biofouling was measured through time by digital image analysis and colorimetric measurements. Results show that TiO2 was able to inhibit the algal adhesion, in some cases, it is able to completely stop the growth of microorganisms. The efficiency of TiO2 is strictly related to physical properties of substrata like porosity and roughness. The addition of other noble metal (Ag, Cu) to the TiO2 solution seems to produce no significant improvement. This research extends experimental results to numerical modelling by applying the Avrami's law. The model shown to be adequate to reproduce laboratory tests and it has the potential to be applied for biofouling prediction on real building façades.

Le facciate degli edifici sono inevitabilmente soggette al deterioramento causato dalla colonizzazione di microorganismi quali batteri, alghe, cianobatteri, funghi, licheni, etc. Oltre ai tradizionali metodi manutentivi, si stanno sviluppando rivestimenti innovativi con caratteristiche sfavorevoli allo sviluppo di macchie biologiche. In questa direzione, si sta sviluppando l’applicazione di nanotecnologie, in particolare nano-rivestimenti fotocatalitici. Il materiale più diffuso in questo settore è il biossido di titanio (TiO2) grazie alla sua non-tossicità, stabilità foto-chimica e basso costo. La ricerca ha l’obiettivo di studiare l’efficienza del TiO2 contro la bio-incrostazione algale su superfici in laterizio. La ricerca si concentra sull’abilità del TiO2 di limitare l’adesione delle cellule algali sotto l’azione dei raggi UV e in condizioni di luce visibile. Inoltre, vengono analizzate le relazioni tra il substrato e l’efficienza fotocatalitica, principalmente la rugosità e la porosità. L’attività sperimentale consiste nel sottoporre campioni di laterizio a cicli di bagnatura/asciugatura con una sospensione algale, in condizioni climatiche controllate. La bio-incostrazione è stata valutata nel tempo attraverso l’analisi digitale dell’immagine e misure colorimetriche. I risultati hanno evidenziato che il TiO2 ha l’abilità di inibire l’attecchimento delle cellule algali e in alcuni casi è in grado di arrestare del tutto la crescita dei microorganismi. L’efficienza è strettamente legata alla porosità e alla rugosità del substrato. Infine, l’addizione di nano-particelle di Ag e Cu alla soluzione di TiO2 non ha evidenziato miglioramenti significativi. La ricerca, partendo dai dati sperimentali, ha sviluppato un modello analitico basato sulla legge di Avrami. Il modello ha dimostrato un’ottima accuratezza nel riprodurre i risultati sperimentali e può essere potenzialmente applicato per la predizione del processo di bio-incrostazione su reali facciate in laterizio.