納米TiO2涂層在瀝青路面及稀漿封層中降解汽車尾氣的效果對比試驗研究?

錢國平，朱俊文，周大垚

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004）

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納米TiO2涂層在瀝青路面及稀漿封層中降解汽車尾氣的效果對比試驗研究?

錢國平，朱俊文，周大垚

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004）

摘要：納米TiO2材料可有效降解汽車尾氣中的NOx等氣體。為改善由于汽車尾氣排放對環境所造成的污染，文中采用硅烷偶聯劑將納米TiO2材料分別涂于普通瀝青砼和乳化瀝青稀漿封層上制得TiO2涂層，并通過制作車轍板進行光催化降解試驗，測試該涂層材料應用于兩種路面結構時對汽車尾氣中NO氣體的降解效果。結果顯示，當TiO2與硅烷偶聯劑按質量比1∶3混合時制得的涂層材料對NO降解效果最佳，該涂層用于普通瀝青路面時1 h內對NO的降解率達到40%，用于路面封層時對NO的降解率接近30%，略低于相同條件下的普通瀝青路面。

關鍵詞：公路；納米TiO2；瀝青路面；稀漿封層；汽車尾氣；光催化降解

當今社會因汽車尾氣排放所帶來的環境問題日益突出。當汽車處于低速行駛或怠速狀態時，發動機燃燒不完全，會排出大量尾氣污染物，隨著汽車數量的增多，汽車尾氣的排放已成為城市大氣污染的最主要原因。近年來，納米級催化劑在凈化汽車尾氣方面的作用已日益受到重視。其中納米TiO2材料因其來源豐富、無毒，且在光照條件下即可發生催化反應的特點而受到國內外道路研究者的關注。

現階段，城市道路路面類型以瀝青砼路面為主，而在舊路改造與養護領域，稀漿封層作為一種路面養護新技術，已在高等級路面養護中得到廣泛應用。該文以納米TiO2材料為基礎，考慮采用偶聯劑將TiO2材料以涂層的形式應用于普通瀝青路面及稀漿封層上，以期通過白天太陽光照射實現對汽車尾氣的催化降解。通過進行模擬試驗，分別測試這兩種情況下TiO2涂層對汽車尾氣中NO氣體的降解效果。

1　納米TiO2的光催化機理

半導體材料具有不連續的能帶結構（由充滿電子的低能價帶和空的高能導帶構成），價帶與導帶間存在禁帶，這種禁帶寬度因材料而異，也稱為帶隙。半導體材料的光吸收波長閾值λg與帶隙Eg的關系式為：

當入射光波長小于或等于λg，即入射光能量大于或等于帶隙值時，材料低能價帶上的電子（e-）會受激發躍遷到導帶成為帶負電的具有強還原性的電子，同時價帶上產生帶正電的具有強氧化性的光生空穴（h+）。這種強氧化性使其能與溶劑中的電子或半導體材料表面的有機物發生氧化反應，同時電子受體會接受表面的電子而發生還原反應。以上即為半導體材料在光照條件下發生氧化還原反應的基本原理。

2　試驗方法

2.1試驗設備

采用一種可控性光催化循環反應測試裝置（見圖1）進行試驗。該裝置頂部和底部分別裝有制冷壓縮機和發熱絲，用以實現試驗過程中對溫度的控制。采用UV-LED紫外線燈作為光源安置在反應室上部，通過不銹鋼槽與室內隔離，其強度調節按百分比計算，范圍為0～100%。

圖1　光催化反應測試系統

氣體濃度檢測裝置采用精度高、反應靈敏的泵吸式氣體濃度分析儀，通過將抽氣口和排氣口與裝置內部連接在一起（見圖2），檢測時可實現氣體的循環利用。2臺儀器分別檢測NO和NO2的濃度值，量程均為0～10 ppm，精度為0.001 ppm，響應時間為20 s。

圖2　氣體濃度檢測裝置

2.2試驗條件

（1）光照強度。參照2011年中國紫外線分級標準（見表1），采用4級紫外線強度為參照標準，設置光照強度為13%（16～25 W/m2）。

表1　中國紫外線分級標準（2011年）

（2）氣體初始濃度。為了準確了解路面范圍內汽車尾氣的含量，確定NO氣體的初始濃度，在廣州市主干道上的立交橋底、隧道內部及上坡路段3種典型路段進行實際氣體濃度監測。這3種路段上汽車行駛速度較低，尾氣排放量通常較多。實際監測結果表明路面附近污染氣體濃度值較小，通常小于1 ppm。因此，試驗設定打入氣體濃度不大于1.5 ppm。

（3）反應溫度。試驗溫度控制在27℃左右，因為在這一溫度下反應室內的NO氣體狀態較穩定，且濃度值達到穩定的時間較短，有利于觀察TiO2涂層對NO的降解效果。

2.3試驗安排

試驗材料選用銳鈦礦型納米TiO2粉末和KH -550型硅烷偶聯劑，偶聯劑因其同時具有親無機物和親有機物兩種官能團的特點，常被用來改善無機物與有機物之間的界面作用來提高復合材料的各種性能。為確定納米TiO2涂層材料中硅烷偶聯劑的最佳摻量，先將0.2 g納米TiO2與0.2 g活性炭粉末機械攪拌混合均勻，將混合后粉末分散到10 g去離子水中，然后分別加入0、0.2、0.4、0.6、1.0 g KH-550型硅烷偶聯劑，利用超聲波清洗器分散2 h。將得到的5組材料分別涂覆在面積為30 cm× 15 cm的普通瀝青砼車轍板試件表面，并依次編號為1#、2#、3#、4#和5#。分別對這5組試件進行降解試驗，根據試驗數據選擇最佳材料組合方案，并將該方案制得的涂層材料均勻涂覆在相同面積的具有乳化瀝青稀漿封層的車轍板試件表面，通過光催化降解試驗研究其應用于稀漿封層時的降解效果。

2.4數據記錄與評價方法

為了更好地描述NO氣體濃度的變化過程，每分鐘記錄一次NO氣體分析儀數據，首先注入NO氣體穩定30 min→紫外線光照60 min→撤去紫外線光照30 min，全過程120 min。采用光催化反應過程1 h內NO成分的降低百分比作為TiO2降解NO效果的評價指標，計算公式如下：

3　試驗結果分析

3.1普通瀝青路面模擬試驗

根據模擬普通瀝青路面試驗所得數據繪制NO氣體濃度隨時間變化關系曲線（見圖3）。同一曲線上的節點處按時間順序分別表示開燈和關燈的時間，并在節點處標明該點的坐標（x，y）。

圖3　普通瀝青路面NO降解試驗結果

從圖3可以看出：1）開燈前各組試驗的NO氣體濃度較穩定，開燈后各有不同程度減少，說明開燈時納米涂層對氣體開始產生降解作用。2）當納米TiO2與硅烷偶聯劑質量比從1∶1變為1∶3時，NO氣體的降解速率逐漸增大；而當TiO2與硅烷偶聯劑質量比為1∶5時，NO氣體濃度沒有明顯減少。說明一定用量范圍內，硅烷偶聯劑的增加可有效提高TiO2晶體的表面活性，有利于提高材料的光催化降解速率，但其用量太大時，會導致部分納米TiO2晶體被裹覆，材料降解性能反而降低。3）納米TiO2與硅烷偶聯劑的質量比為1∶3左右時，材料降解效果最佳。

3.2稀漿封層對比試驗

根據納米涂層在模擬普通瀝青路面時的降解試驗結果，選擇納米TiO2與硅烷偶聯劑質量比為1∶3制得的涂層材料進行乳化瀝青稀漿封層對比試驗，將試驗數據繪制成NO氣體濃度隨時間變化關系曲線（見圖4）。同一曲線上的節點處按時間順序分別表示開燈和關燈的時間，并在節點處標明該點的坐標（x，y）。

圖4　NO氣體對比降解試驗結果

從圖4可以看出：1）模擬稀漿封層試驗的NO曲線降解速率與模擬普通瀝青路面的比較接近，說明該涂層材料應用于上封層對NO氣體也可取得良好的降解效果。2）計算開燈1 h內兩組試驗對NO氣體的累計降解率，得納米涂層在上封層和普通瀝青路面上1 h內對NO氣體降解率分別為29.5%和40.2%，材料在應用于上封層時降解效果較普通瀝青路面略微有所降低。

4　結論

（1）TiO2涂層材料中，硅烷偶聯劑的用量對TiO2的光催化活性會有一定影響，隨著TiO2與偶聯劑質量比的增加，TiO2的活性會先升高后降低，采用納米TiO2與硅烷偶聯劑質量比為1∶3制得的涂層材料對汽車尾氣中NO氣體的催化降解效果最佳。

（2）涂層應用于上封層的降解效果較普通瀝青路面略差，主要原因是上封層路面孔隙比普通瀝青路面少，減少了材料與氣體的接觸面積，從而降低了光催化反應效率。

（3）涂層材料應用于瀝青路面時，對其路面抗滑性能會有一定影響，瀝青混合料表面的構造深度隨著材料用量的增加將逐漸降低，一般為保證路面行車安全，瀝青路面的構造深度不得小于0.55 mm，材料的用量也存在上限值。

（4）考慮汽車尾氣排放具有一定的路域性，可選擇在車流量較大且車速緩慢的路段（如收費站、道路交叉口等）鋪筑，這樣既可減輕涂層對路面行車安全性能的影響，又能有效降解汽車尾氣，節約成本。

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式中：a為開燈時NO氣體濃度值；b為開燈1 h時NO氣體濃度值。

中圖分類號：U416.217

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0088-03

基金項目：?廣東省交通運輸廳科技計劃項目（2011-04-004）

收稿日期：2016-02-23