生態(tài)型納米光催化礦物負載瀝青路面技術研究★

樊佳楠 陳永康 嚴書婷 魏 冬

(浙江大學寧波理工學院，浙江 寧波 315000)

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生態(tài)型納米光催化礦物負載瀝青路面技術研究★

樊佳楠 陳永康 嚴書婷 魏 冬

(浙江大學寧波理工學院，浙江 寧波 315000)

結合光催化劑二氧化鈦在國內(nèi)外道路工程中的應用研究現(xiàn)狀，介紹了礦物負載型光催化組分的制備及試驗方法，分析了二氧化鈦光催化劑開發(fā)應用存在的問題，最后對其發(fā)展前景進行了展望。

光催化劑，二氧化鈦，道路，汽車尾氣

1 概述

隨著經(jīng)濟發(fā)展，普通汽車因便捷、舒適、經(jīng)濟性使汽車走進了千家萬戶，我國汽車保有量不斷上升。截至2014年年底，我國機動車保有量達2.64億輛，其中汽車1.54億輛；機動車駕駛人突破3億人，其中汽車駕駛人超過2.46億人。據(jù)顯示，未來2020年我國各類汽車總保有量可能突破3億大關，說明我國城市化水平在不斷提高。與此同時，高保有量的汽車也導致產(chǎn)生了大量的汽車尾氣。汽車尾氣是造成空氣污染的重要因素之一。當汽車產(chǎn)生的尾氣總量小于自然自凈能力所能處理的限值時，環(huán)境自身可以解決尾氣。但是現(xiàn)如今車輛基數(shù)大，各個城市堵車常態(tài)化，汽車產(chǎn)生的尾氣已經(jīng)超出了自然的自凈能力，對空氣造成嚴重的污染。處理汽車尾氣帶來的危害已成為了全球關注的重點。

汽車尾氣對空氣的影響主要表現(xiàn)為光化學污染、酸雨、霧霾、人類呼吸道疾病等等方面。它的主要污染物包括一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、硫化物、醛及微粒物等。尤其是無機含氮污染物，是對生物界危害巨大的環(huán)境污染物之一。氮氧化物被人體吸入后可能引起呼吸困難、咳嗽等，嚴重者造成一系列較嚴重的呼吸道問題，如哮喘。溫血動物一次射入亞硝酸鹽最小致死劑量為20 mg/kg體重，其毒性比硝酸鹽(最小致死劑量為117 mg/kg)大的多，尤其它進入人體后，在特定條件下轉化為致癌物質(zhì)亞硝胺[2]。二氧化氮在日照作用下產(chǎn)生一系列光化學煙霧的循環(huán)反應，從而不斷產(chǎn)生臭氧，高濃度的臭氧加重空氣污染反應。反應如下：反應過程為2NO2→2NO+2O，2NO+O2→2NO2，O+O2→O3。另外，氮氧化物也是酸雨的成因之一。

新華網(wǎng)北京11月3日電新華社授權發(fā)布了《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》中提出了推動交通綠色發(fā)展?，F(xiàn)如今處理汽車尾氣的主要方法是改進汽車的排氣系統(tǒng)，通過洗氣之后排放的方式減少汽車尾氣排放量。而作為提供汽車行駛的道路——最直接與汽車尾氣接觸的承載體，在治理尾氣方面尚未有所作為。所以我們的實驗通過二氧化鈦催化吸收二氧化氮有重要的社會意義和時代意義。

本文通過查閱大量資料，系統(tǒng)地介紹了二氧化鈦的使用性能，并研究了二氧化鈦催化分解二氧化氮的效率，旨在為今后新型道路的發(fā)展提供一定的參考價值，城市建設中交通設施凈化空氣提供一定的方法，是未來解決空氣污染問題的一個可考慮的辦法。

2 光催化劑二氧化鈦研究現(xiàn)狀

光催化這個詞匯近年來已走進我們的日常生活中。其中以光催化劑二氧化鈦為最。納米級光催化材料二氧化鈦是一種白色固體或粉末狀的兩性氧化物。二氧化鈦的主要晶型有金紅石型、銳鈦型、板鈦型三種。二氧化鈦具有親水性，熱穩(wěn)定性好。尤其是金紅石型二氧化鈦在高能吸收輻射較其他兩種晶型相比較大，對紫外線的反射率遠遠低于銳鈦型和板鈦型。二氧化鈦作為光催化劑的基本領域現(xiàn)在可分為“空氣凈化”“水凈化”“抗菌、殺菌”以及“防污防霧”四個方面。

2.1 國外二氧化鈦道路應用研究現(xiàn)狀

1972年,日本化學家Fujishima Akira[1]發(fā)現(xiàn)水溶液中的二氧化鈦在近紫外光照射下能發(fā)生氧化還原反應，持續(xù)分解水分子，這是光催化材料研究領域的首次發(fā)現(xiàn)。1976年J.H.Carey等報道了多氯聯(lián)苯在光照和二氧化鈦的作用下發(fā)生脫氯反應，但它屬于一種特殊的反應，不能應用到一般氧化反應中。TiO2光催化在環(huán)保去污領域的應用研究由此開始。日本東京大學尖端科技技術研究中心的橋本和仁教授[3]曾對光誘導親水性的反應機理進行研究闡述，表明了二氧化鈦的超親水性是起源于光生成的空穴引起二氧化鈦表面結構變化，表面增加了二氧化鈦表面的羥基密度，從而產(chǎn)生的親水性。且金紅石具有較高的親水性，在紫外光強度為1 μW/cm2時就能產(chǎn)生超親水性。利用二氧化鈦與三氧化鎢復合使用可以長時間使之出現(xiàn)超親水性。

1995年日本舉辦的長野冬季奧林匹克運動會建設的信越高速公路上的隧道中，在隧道照明用的防護玻璃上鍍一層二氧化鈦催化劑，來減少清潔的次數(shù)。在此之后已有幾十萬個具有光催化功能的隧道照明器具用于高速公路隧道。在日本，高速公路上設置的聚碳酸酯制的透明隔音墻也開始使用光催化鍍膜。光催化人氣發(fā)揮了超親水性，使二氧化鈦表面呈超親水性，“自潔凈”的功能大幅度提升。

在美國，已經(jīng)成功完成在混凝土表面涂刷有水泥和光催化材料混合而成的薄層，制成光催化水泥和光催化混凝土，使大氣污染物如NOx，SO2分別氧化成硝酸、硫酸而隨雨水排掉。

2.2 國內(nèi)二氧化鈦道路應用研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)各大高校也對光催化材料在道路上的應用進行了大量研究。光催化技術在我國的發(fā)展也存在著巨大的發(fā)展空間與發(fā)展價值。隨著浙江省經(jīng)濟社會水平的發(fā)展，其正面臨著資源約束和環(huán)境污染問題的雙重壓力，因此在浙江地區(qū)開展生態(tài)型納米光催化瀝青路面成套技術研究與應用，對于促進循環(huán)經(jīng)濟、建設環(huán)境友好型和資源節(jié)約型社會，將起著巨大的推進作用。

長安大學公路學院郭重霄，郝培文[4]在二氧化鈦光催化劑在瀝青路面中的應用中提到，當二氧化鈦作為WMA瀝青膠漿添加劑時,混合料減少空氣中氮氧化合物(NOx)的效果并不明顯,可能是由于混合料表面二氧化鈦含量太低。然而當二氧化鈦作為表面撒布式涂層的一部分時,其消除空氣中氮氧化合物的效率卻可以達到31%～55%。混合料消除氮氧化合物的效率在二氧化鈦單位面積用量為0.05 L/m2時最高。此外,空氣流動速度和相對濕度越大,其消除氮氧化合物的效率越低;紫外線強度越高,越有利于提高表面涂層消除氮氧化合物的速率。

長安大學張文剛[5]在“TiO2催化分解汽車尾氣瀝青路面材料研究”中提到常規(guī)二氧化鈦涂料直接涂在路面上易淡化標志線，降低路面抗滑能力，耐磨性差。HMA式催化分解汽車尾氣混合料的拌合過程中因高溫會將部分銳鈦礦二氧化鈦轉化為金紅石型二氧化鈦，降低部分催化效率。采用基質(zhì)瀝青、SBS改性劑、穩(wěn)定劑、驗算、乳化劑、六片磷酸鈉、納米二氧化鈦制備出的二氧化鈦漿液顏色接近于黑色，克服了當前催化涂料色澤發(fā)白或發(fā)黃的缺陷，利于交通安全。

3 礦物負載型光催化組分的制備及試驗方法

采用不同負載方式在再生骨料與再生粉料上負載納米TiO2光催化劑，制得礦物負載型光催化組分，利用掃描電鏡探明納米TiO2在其內(nèi)的生長形態(tài)，運用X射線光電子能譜揭示物質(zhì)表層元素結構及與其他元素間的結合狀態(tài)，分析樣品表面存在的元素及元素原子所處的化學狀態(tài)，并建立再生骨料與再生粉料負載納米TiO2光催化反應動力學模型。運用分子動力學軟件Materials Studio模擬結構的形成，在微/納米尺度下對微結構及結合力進行量化處理，構建基于物理力學參數(shù)的納米TiO2在載體上的生長模型。

利用礦物的結構和物理化學系性能負載納米級顆粒，可以成為未來土建工程材料發(fā)展的研究方向。本實驗中就是主要通過探究瀝青混凝土的結構和物理化學性質(zhì)并負載納米級二氧化鈦來研究制得的礦物負載型光催化組分，著重于使用不同的方式進行負載及載體對負載型納米級二氧化鈦光催化反應的影響，分析其物理化學性能及光催化性能的變化趨勢，建立生態(tài)綠色型納米光催化瀝青路面的模擬施工工藝。

我們采用的是將瀝青混凝土試驗路面放入反應室中，反應室內(nèi)部的頂端安裝了提供紫外線光源的紫外燈，控制了光照強度。反應室下端置有溫度計檢測溫度。利用汽車尾氣收集袋收集汽車尾氣應用于試驗中。汽車尾氣收集袋通入處裝有流量計。反應室中裝有可開關的小孔，定時使用二氧化氮檢測儀實時檢測反應室內(nèi)二氧化氮濃度。

4 二氧化鈦光催化劑開發(fā)應用存在的問題及前景展望

從目前的研究與應用狀況來看，我國在二氧化鈦光催化方面的應用技術仍處于起步探索階段，但在一些發(fā)達國家已經(jīng)快速發(fā)展。而且，二氧化鈦光催化的研究開發(fā)對環(huán)境保護方面有著顯著的效果，符合節(jié)能環(huán)保的時代要求。因此，為了可持續(xù)發(fā)展，我們要進一步將二氧化鈦推廣應用。但在推廣過程中還存在諸多困難，比如二氧化鈦在接觸水后表面會產(chǎn)生超親水性，摻雜在瀝青混凝土中效率低，如何解決這個問題有待于我們進一步地實驗研究。同時，在再生瀝青混凝土路面上，二氧化鈦能否重復再利用也值得我們進一步地實驗觀察。在不同溫度下二氧化鈦的催化效率是否會產(chǎn)生大幅度變化也是我們需要考慮的。如果解決了上述問題，那么對于二氧化鈦在光催化領域的應用將會是一個巨大的提升。隨著汽車尾氣污染的加劇，對城市人群的生活環(huán)境造成了嚴重的影響。如果國內(nèi)大面積普及利用光催化劑二氧化鈦在路面上催化分解汽車尾氣的技術，就可以起到較好的調(diào)節(jié)空氣污染的效果，因此光催化劑二氧化鈦催化分解汽車尾氣的技術具有很大的前景。

[1] Fujishima,A.,Honda,K.Nature,1972(238)：37-38.

[2] 于兵川,吳洪特,張萬忠.光催化納米材料在環(huán)境保護中的應用[J].石油化工,2005,34(5):491.

[3] 橋本和仁，藤島昭.図解光觸媒のすべて[M].邱建榮，朱從善，譯.北京：科學出版社，2007.

[4] 郭重霄，郝培文.二氧化鈦光催化劑在瀝青路面中的應用[J].材料試驗與應用，2013(5):18-19.

[5] 張文剛.TiO2催化分解汽車尾氣瀝青路面材料研究[D].西安：長安大學，2014.

On asphalt roadbed technique of ecological nanotechnoligy photocatalusis mineral loading★

Fan Jianan Chen Yongkang Yan Shuting Wei Dong

(NingboCollegeofTechnology,ZhejiangUniversity,Ningbo315000,China)

The paper introduces the preparation and testing methods for the mineral loading photocatalusis unit by combining with its application in road projects at home and abroad, analyzes the problems in the development of the titanium dioxide photocatalusis, and provides the prospect for its development.

photocatalusis, titanium dioxide, road, waste gas of automobile

2016-03-27★：寧波市自然科學基金(項目編號：2015A610297)

樊佳楠(1994- )，男，在讀本科生； 陳永康(1994- )，男，在讀本科生； 嚴書婷(1994- )，女，在讀本科生；

1009-6825(2016)16-0128-03

U416.217

A

魏 冬(1995- )，男，在讀本科生