何建彬 孫德環(huán) 劉思銓 丑志靜 許 鷹，3

(1.北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044;2.中交一公局集團(tuán)第三工程有限公司，北京 101102; 3.北京市城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程技術(shù)研究中心，北京 100044)

近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車保有量的迅速上升，汽車尾氣污染成為社會(huì)關(guān)注焦點(diǎn)。以北京市為例，25%以上的PM2.5是由機(jī)動(dòng)車尾氣造成的，居所有來(lái)源之首［1］。TiO2在紫外光作用下，可降解尾氣中的NOX，CO等有害氣體，是目前研究和應(yīng)用最廣泛的光降解材料［2］。但陽(yáng)光中紫外光強(qiáng)度不超過(guò)5%，導(dǎo)致普通TiO2較難被激活，降解效率較低［3］。Asahi等［4］對(duì) TiO2進(jìn)行了氮摻雜改性，可有效提高其光催化活性，這引起了眾多學(xué)者對(duì)二氧化鈦非金屬改性的極大關(guān)注。

目前，TiO2在路面上的應(yīng)用方式主要有摻入式和涂覆式。有研究表明:摻入式 TiO2用量大、經(jīng)濟(jì)性差，降解效果不理想［5］;TiO2水基涂覆液與路面的粘附性差，TiO2顆粒在車輪磨耗后極易流失，導(dǎo)致后期降解效果嚴(yán)重下降，降解耐久性不足。

為使TiO2在道路中的應(yīng)用既具有可靠的降解效果又滿足耐久性要求，本文擬在室外真實(shí)光照和大氣污染物濃度環(huán)境下，進(jìn)行霧封層氮摻雜二氧化鈦對(duì)尾氣中NOX，CO的降解效能和降解耐久性研究，為TiO2光催化材料的深入開發(fā)和性能改善奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料的制備

1.1 TiO2基涂覆液

由于TiO2不溶于水及封層材料，如果直接摻加TiO2，制備的涂覆液極不穩(wěn)定，易團(tuán)聚沉淀。因此需添加TiO2質(zhì)量的10% ～20%的羧甲基纖維素鈉作為分散穩(wěn)定劑，以保證TiO2基涂覆液分散均勻，并可穩(wěn)定儲(chǔ)存一定時(shí)間。

1.1.1 水基TiO2涂覆液

將一定量羧甲基纖維素鈉摻加到去離子水中并用剪切儀以3 000 r/min高速剪切5 min后，摻加2%摻量(TiO2與涂覆液的質(zhì)量比)的TiO2繼續(xù)高速剪切30 min，即可制備水基TiO2涂覆液。

1.1.2 霧封層TiO2涂覆液

霧封層材料選擇快裂陽(yáng)離子乳化瀝青，按照上述水基TiO2涂覆液制備方法先制備一定量的TiO2水溶液，然后將TiO2水溶液和快裂陽(yáng)離子乳化瀝青按照一定比例機(jī)械混合并高速剪切，即可制備霧封層TiO2涂覆液。

1.2 光催化降解試件

本文成型車轍板作為TiO2基涂覆液的載體試件，采用AC-13型級(jí)配，粗集料采用石灰?guī)r，細(xì)集料采用機(jī)制砂，填料采用石灰?guī)r礦粉，膠結(jié)料為高黏改性瀝青，所用集料與瀝青各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范。

2 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 尾氣降解試驗(yàn)

本文開發(fā)了一種在實(shí)際光照和真實(shí)大氣污染物濃度環(huán)境下降解效果的高精度測(cè)試設(shè)備，主要包括3個(gè)部分:氣源系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和氣體反應(yīng)室。分別將水基TiO2涂覆液以556 mL/m2的用量，霧封層TiO2涂覆液以600 g/m2的用量均勻噴涂到車轍板表面，待水分蒸發(fā)晾干后和乳化瀝青破乳后用于尾氣降解測(cè)試。

將4塊車轍板放入氣體反應(yīng)室內(nèi)，氣體反應(yīng)室材質(zhì)選用無(wú)色透明有機(jī)玻璃，具有極好的透光性能。試驗(yàn)開始時(shí)，先用黑布將反應(yīng)室箱體完全遮光，向反應(yīng)室內(nèi)通入NOX，CO和氮?dú)獾幕旌蠅嚎s氣體，使箱內(nèi)污染氣體的濃度達(dá)到穩(wěn)定的初始值——C初;撤掉黑布使TiO2開始光催化降解反應(yīng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)反應(yīng)室內(nèi)各污染氣體濃度變化，當(dāng)NOX和CO氣體濃度再次達(dá)到穩(wěn)定后記為C穩(wěn)，以降解效能W來(lái)評(píng)價(jià)TiO2路面對(duì)NOX和CO的降解效果，其計(jì)算公式為:

2.2 車輪磨耗試驗(yàn)

采用多功能車轍儀對(duì)含TiO2車轍板進(jìn)行車輪磨耗試驗(yàn)，以模擬實(shí)際車輪運(yùn)行對(duì)路面TiO2顆粒造成的損耗，然后通過(guò)尾氣降解試驗(yàn)測(cè)試磨耗后路面對(duì)NOX和CO的降解效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 降解效能分析

3.1.1 兩種納米TiO2降解效能對(duì)比

普通納米TiO2和氮摻雜二氧化鈦(N-TiO2)對(duì)NOX和CO的降解情況見圖1，圖2。

與普通納米TiO2相比，N-TiO2對(duì)NOX與CO的降解效能均有明顯提高。水溶液型N-TiO2對(duì)NOX與CO的降解效能分別提高46.3%和40.0%，霧封層型N-TiO2對(duì)NOX與CO的降解效能分別提高44.8%和38.8%。這說(shuō)明對(duì)普通納米TiO2進(jìn)行氮摻雜改性，能顯著提高其降解效能，滿足路面對(duì)降解效果高效性的要求。

3.1.2 不同應(yīng)用方式下N-TiO2降解效能對(duì)比

圖1 兩種納米TiO2降解效能（水溶液型）

圖2 兩種納米TiO2降解效能（霧封層型）

N-TiO2的水基涂覆液和霧封層涂覆液對(duì)NOX和CO的降解情況見圖3。

圖3 兩種應(yīng)用方式下N-TiO2降解效能

相較水溶液型，霧封層型對(duì)NOX與CO的降解效能分別降低13.1%和11.4%。其原因?qū)?N-TiO2摻加于霧封層中，有部分TiO2顆粒被瀝青裹覆，導(dǎo)致其降解效能降低，但紫外光能穿透較薄的霧封層，TiO2受光照激發(fā)后產(chǎn)生的活性氧化劑也能穿透較薄的瀝青膜與污染氣體接觸進(jìn)行降解反應(yīng)，因此霧封層型的降解效能略低于水溶液型。

3.2 降解耐久性分析

車輪磨耗前后，N-TiO2對(duì)NOX與CO降解效能見圖4，圖5。

圖4 磨耗前后降解效能對(duì)比（水溶液型）

圖5 磨耗前后降解效能對(duì)比（霧封層型）

車輪磨耗后，N-TiO2對(duì)NOX和CO的降解效能均有降低。水溶液型對(duì)NOX與CO的降解效能分別降低36.8%和29.6%，霧封層型對(duì)NOX與CO的降解效能降低14.4%和10.7%。這是因?yàn)檐囕喣ズ脑斐绍囖H板表面的TiO2顆粒減少，從而削弱了降解效果。

但磨耗試驗(yàn)后，霧封層型對(duì)NOX與CO降解效能反而比水溶液型高4.0%和3.7%，表明霧封層型的耐久性相對(duì)較好。TiO2顆粒的損失與涂覆劑和路面的黏附性有關(guān)，霧封層與路面的黏附性較好，車輪磨耗后TiO2顆粒的損失較小;而水溶液與路面的黏附性較差，在車輪磨耗下TiO2顆粒極易損失，降解效能也明顯降低。

4 結(jié)語(yǔ)

1)N-TiO2對(duì)汽車尾氣中NOX與CO的光催化降解效能更好。推薦對(duì)普通納米TiO2進(jìn)行氮摻雜改性，以滿足路面對(duì)降解效果高效性的要求。

2)N-TiO2霧封層涂覆液對(duì)NOX與CO的降解效能略低于水溶液型，這可能與部分TiO2顆粒被瀝青裹附有關(guān)。

3)車輪磨耗試驗(yàn)后，霧封層N-TiO2對(duì)NOX與CO降解效能比水溶液型高4.0%和3.7%，說(shuō)明霧封層N-TiO2涂覆液降解耐久性相對(duì)較好。推薦采用霧封層的應(yīng)用方式，以提高路面的降解耐久性。