徐世法，　苑廣友，　許　鷹，　段文志

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院 首都世界城市順暢交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京　100044；2.北京市城市道路養(yǎng)護(hù)管理中心， 北京　100069)

?

水基TiO2涂覆液降解汽車尾氣效果評(píng)價(jià)研究

徐世法1，苑廣友1，許鷹1，段文志2

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院 首都世界城市順暢交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京100044；2.北京市城市道路養(yǎng)護(hù)管理中心， 北京100069)

摘要：為了定量評(píng)價(jià)分析TiO2添加量對(duì)汽車尾氣中NO、HC、CO三種氣體降解效果、涂覆液對(duì)瀝青混合料抗滑性能的影響以及確定經(jīng)濟(jì)合理的添加量，將TiO2光觸媒材料添加到水溶液中制備涂覆液并涂覆到AC瀝青混合料表面用以開展相關(guān)研究. 研究表明：即時(shí)降解率可作為TiO2光觸媒材料對(duì)尾氣中的NO等氣體降解效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)；TiO2光觸媒材料添加比例占涂覆液含量的2%時(shí)最為經(jīng)濟(jì)合理；路面的抗滑性能會(huì)因涂覆水基TiO2而降低，但仍滿足相關(guān)規(guī)范要求.

關(guān)鍵詞：水基TiO2； 汽車尾氣； 即時(shí)降解率； 降解效果評(píng)價(jià)； 最合理劑量； 抗滑性能評(píng)價(jià)

隨著汽車保有量的不斷提高，汽車尾氣逐漸成為影響城市空氣質(zhì)量的主要污染源，為改善城市空氣質(zhì)量，解決尾氣污染問(wèn)題已成為當(dāng)務(wù)之急. TiO2作為一種光催化材料，可以降解尾氣中的NO和HC等有害氣體，生成無(wú)污染的水和鹽，其自身清潔、化學(xué)穩(wěn)定性、無(wú)毒等特點(diǎn)使其成為目前研究和應(yīng)用最廣泛的光觸媒材料. 由于路面覆蓋面積大及其可與汽車尾氣直接接觸，將TiO2添加到路面上光催化降解汽車尾氣中的有害物質(zhì)成為近年來(lái)研究的一大熱點(diǎn).

目前，TiO2光觸媒材料在瀝青混合料中應(yīng)用方式主要有摻入式和涂覆式. 研究表明將TiO2以摻入方式添加到瀝青混合料中和在瀝青道路表面涂覆一定量的TiO2均可有效地降解汽車尾氣中的NO和HC等[1-2]. TiO2光觸媒材料光催化作用的必要條件是光照，故以摻入方式將TiO2添加到瀝青混合料中，TiO2的利用率和經(jīng)濟(jì)性值得進(jìn)一步探討. 本研究將制備一種水基TiO2涂覆液，作為應(yīng)急措施，噴灑到道路表面，評(píng)價(jià)其對(duì)汽車尾氣中NO、HC、CO三種氣體的降解效果，確定最佳劑量，并評(píng)價(jià)涂覆液對(duì)瀝青混合料路面抗滑性的影響.

1TiO2光催化降解原理

TiO2作為一種光觸媒材料，最早由日本學(xué)者藤島昭(Akira Fujishima)發(fā)現(xiàn)，在自然界中TiO2以銳鈦型和金紅石兩種形態(tài)存在[3-5]. 通過(guò)研究銳鈦型TiO2光催化性能較金紅石型TiO2更優(yōu)，但銳鈦型TiO2的導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的間隙為3.2 eV，通過(guò)光子

能量E與波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系E=hC/λ可知，只有光源小于380 nm的紫外光才能激發(fā)其性能[6]. 在紫外光照射下，銳鈦型TiO2可以產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性能的游離空穴(h+)- 電子(e-)對(duì)，游離的空穴(h+)- 電子(e-)對(duì)可以俘獲空氣中的有機(jī)物與無(wú)機(jī)物等生成H2O和CO2等[7].

在道路表面涂覆TiO2后，在光照條件下，汽車尾氣產(chǎn)生的NO、CO、HC等氣體被光催化降解產(chǎn)生的硝酸鹽、水等附著在道路的表面，隨雨水沖刷流走[8]，其主要反應(yīng)方程式如下：

2試驗(yàn)檢測(cè)與評(píng)價(jià)

2.1載體材料的設(shè)計(jì)

研究過(guò)程中所采用的AC瀝青混合料的級(jí)配及瀝青用量見表1,級(jí)配曲線見圖1.

表1　AC- 13瀝青混合料的級(jí)配及瀝青用量

2.2水基TiO2涂覆液制備

由于TiO2不溶于水，且TiO2的比重是4.26，如果把TiO2直接添加到水溶液中，在很短的時(shí)間內(nèi)TiO2會(huì)沉淀，且TiO2大多以軟團(tuán)聚和硬團(tuán)聚的形式存在，如果不將其有效分散，其對(duì)有害氣體的降解效果將大大減弱. 為防止TiO2在水溶液中沉淀以及使其能夠有效分散，在制備水基TiO2溶液的過(guò)程中添加了一定量的分散劑，并通過(guò)高速剪切更加有效地分散TiO2，制備水基TiO2涂覆液.

為確定分散劑的合理添加量，在研究過(guò)程中按TiO2質(zhì)量的0%、5%、10%、20%四個(gè)添加量添加分散劑，制備水基TiO2溶液后，靜置24 h，觀察水基TiO2溶液的懸浮狀態(tài). 觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分散劑添加量為TiO2的5%時(shí)，靜置24 h的水基TiO2溶液會(huì)產(chǎn)生沉淀，不能形成懸浮狀態(tài)；當(dāng)分散劑添加量為10%及20%時(shí)，靜置24 h后均能產(chǎn)生均勻的TiO2涂覆液，底部基本沒有沉淀物. 因此，本文推薦在制備TiO2涂覆液時(shí)添加10%～20%的分散劑，通過(guò)高速剪切可生成均勻的涂覆液，可用于道路涂覆.

3試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1噴涂方式及噴涂量

為研究不同水基TiO2劑量對(duì)降解效果的影響，按1%、2%和4%三個(gè)添加比例配制TiO2溶液，按556 ml/m2涂覆量涂覆到車轍板上， 分析其對(duì)尾氣中NO、HC和CO三種氣體的降解效果.

3.2模擬尾氣降解系統(tǒng)

試驗(yàn)過(guò)程中所采用的模擬尾氣試驗(yàn)系統(tǒng)包括3個(gè)部分：氣體反應(yīng)室、尾氣來(lái)源和尾氣實(shí)時(shí)檢測(cè)儀. 系統(tǒng)中尾氣由本田EC6500CX汽油發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后提供；尾氣實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)采用尾氣分析儀，該儀器可以精確檢測(cè)到CO、HC、NO等氣體；氣體反應(yīng)室為自行研發(fā)的圓柱形無(wú)色透明有機(jī)玻璃密閉容器，該氣體反應(yīng)室可較好地模擬實(shí)際道路添加TiO2對(duì)尾氣中的CO、HC、NO等氣體的降解效果.

3.3評(píng)價(jià)指標(biāo)

鑒于NO等氣體在空氣中會(huì)自行反應(yīng)、在試驗(yàn)過(guò)程中采取空白試件對(duì)照試驗(yàn)以減小以上因素對(duì)尾氣濃度造成的影響，見圖2. 據(jù)此提出了即時(shí)降解率指標(biāo)，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，定義為t時(shí)刻不添加TiO2與添加TiO2時(shí)反應(yīng)室中濃度差值與t時(shí)刻不添加TiO2時(shí)氣體反應(yīng)室內(nèi)濃度的比值，計(jì)算公式見公式(1).

(1)

式中：Pt——?dú)怏wt時(shí)刻即時(shí)降解率

Ct，空——t時(shí)刻不添加TiO2時(shí)氣體反應(yīng)室內(nèi)各氣體濃度

Ct，TiO2——t時(shí)刻添加TiO2時(shí)氣體反應(yīng)室內(nèi)各氣體濃度

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1添加量對(duì)降解效果的影響

鑒于TiO2的添加量對(duì)尾氣中的NO、CO、HC等的降解效果有顯著的影響，本文在研究過(guò)程將TiO2按照1%、2%和4%三個(gè)添加比例添加到水溶液中，涂覆到瀝青混合料表面自然晾干后，通過(guò)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行尾氣降解分析實(shí)驗(yàn)，采用所提出的降解指標(biāo)即時(shí)降解率分析不同TiO2添加比例對(duì)尾氣中的NO、CO、HC等氣體的降解效果，確定TiO2的最佳添加比例.

不同TiO2添加比例制備的水基TiO2溶液對(duì)尾氣中的NO、CO、HC等氣體的降解效果見圖3～圖5.

不同TiO2添加比例對(duì)尾氣中的NO、HC、CO氣體的降解效果見圖6.

通過(guò)上述圖表對(duì)比可以得到以下結(jié)論：

1) 將TiO2添加到水溶液中制備成水基TiO2溶液，隨著TiO2光催化劑添比例的增加，尾氣中的NO、HC、CO三種氣體的降解效果不斷增加；

2) 將TiO2添加到水溶液中制備成水基TiO2溶液，當(dāng)添加比例在1%～2%時(shí)的即時(shí)降解率比添加比例在2%～4%時(shí)即時(shí)降解率增加較快，說(shuō)明當(dāng)TiO2在水溶液中添加比例超過(guò)2%時(shí)降解效果隨添加比例的增加而增加緩慢，綜合考慮技術(shù)與經(jīng)濟(jì)因素，推薦TiO2在水溶液中的添加比例為2%.

4.2水基TiO2涂覆液對(duì)瀝青路面抗滑性能影響

將TiO2按照1%、2%和4%三個(gè)添加量添加到水溶液中，制備成水基TiO2涂覆液，涂覆到瀝青混合料表面自然晾干后，采用摩擦系數(shù)評(píng)價(jià)其對(duì)瀝青混合料的抗滑性能影響，檢測(cè)結(jié)果見表2.

表2　涂覆量對(duì)摩擦系數(shù)的影響

由上述圖表可以發(fā)現(xiàn)，將普通TiO2按照一定比例配制成水基TiO2涂覆液后涂覆到車轍板上，自然晾干，路面抗滑性能隨涂覆劑量增加在一定范圍內(nèi)降低，但仍滿足規(guī)范要求.

5結(jié)論

1) 為保證水基TiO2涂覆液穩(wěn)定性，推薦添加10%～20%的穩(wěn)定劑；

2) 所提出的即時(shí)降解率為動(dòng)態(tài)降解指標(biāo)，可較好地分析評(píng)價(jià)TiO2光催化材料對(duì)尾氣的降解效果；

3) TiO2光觸媒材料添加比例占涂覆液含量的2%時(shí)最為經(jīng)濟(jì)合理；

4) 將水基TiO2溶液涂覆到瀝青混合料表面，對(duì)瀝青混合料路面的抗滑性有一定的負(fù)面影響，但仍滿足相應(yīng)的規(guī)范要求.

參考文獻(xiàn)：

[1]譚憶秋,李洛克,魏鵬,孫政.可降解汽車尾氣材料在瀝青路面中的應(yīng)用性能評(píng)價(jià)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2010(6):21-27

[2]孫立軍,徐海銘,李劍飛,劉黎萍.納米納米二氧化鈦處治汽車尾氣效果與應(yīng)用方法的研究[J].公路交通科技,2011(4):153-158

[3]Fujishima A. HondaK. Electrochemical photolysis of water at a semi-conductor electrode [J]. Nature, 1972, 238(7): 37-38

[4]Fujishima A. Hashimoto K. TiO2Photocatalysis Fundamentals and Applications [M]. BKC Inc, 1999: 65-77

[5]Fujishima A. Photocatalytic materials and applications [J]. Function and Materials, 2000, 20(1): 9-15

[6]ASAI R, MORIKAWA T,OHWAKI T, et al. Visible-light photocatalysis in nitrogen-doped titanium oxides [J]. Science,2001,293:269-271

[7]Bahnemann Muneer, Haque. Titanium dioxide mediated photocatalysed degradation of few selected organic pollutants in aqueous suspensions[J]. Catalysis Today, 2007,124(3):133-148

[8]張文剛,鄒雨芯,孫國(guó)慶,王芳.二氧化鈦瀝青混合料光催化性能影響因素研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012(3):38-41，50

[9]周曉東.尾氣分解型瀝青混合料路面材料設(shè)計(jì)研究[J].中外公路,2014(3):261-264

[責(zé)任編輯：佟啟巾]

Evaluation on the Automobile Exhaust Decomposition Effect of

TiO2Containing Water-Coating Xu Shifa1, Yuan Guangyou1, Xu Ying1，Duan Wenzhi2

(1.School of Civil and Traffic Engineering, Capital World Metropolis Transportation Coordinate and Innovation Center，Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044 2.Beijing Urban Street Maintenance and Administration Centre， Beijing 100069)

Abstract:Titanium dioxide is blended with water and coated on the surface of AC asphalt mixture for the analysis and evaluation of the decomposition effect on NO, HC and CO of automobile exhaust , the impact to skid resistant performance of asphalt mixture and determination of appropriate coating dosage . Investigation results show that the instant decomposition rate is an effective index to evaluate the decomposition effect on exhaust. Two percent of titanium dioxide is the most economic and reasonable coating dosage. The skid resistant of asphalt mixture is reduced due to coating, and it can still meet the technical requirement of relative specification for asphalt mixture.

Key words:TiO2 containing water-coating; automobile exhaust； instant decomposition rate; decomposition effect evaluation; pavement skid resistance

中圖分類號(hào)：U414； U416.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：徐世法(1963-)，男，教授，博士，研究方向：路面材料.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178024)；北京市交通行業(yè)科技項(xiàng)目(kj2014-10)

收稿日期：2015-11-06

文章編號(hào)：1004-6011(2016)01-0027-04