低溫環(huán)境下路面噴涂納米TiO2降解汽車尾氣效能的試驗(yàn)研究

楊揚(yáng) 劉海蘋 錢國(guó)平 武鶴 王國(guó)峰

摘?要：為探究低溫環(huán)境下路面噴涂納米TiO2降解汽車尾氣效能，模擬低溫環(huán)境，設(shè)計(jì)汽車尾氣室內(nèi)降解試驗(yàn)，觀察有害氣體（CO、HC、NO）的降解效能。將納米TiO2漿料噴涂至車轍試件表面，放入自制密閉的低溫試驗(yàn)倉(cāng)，通入汽車尾氣，達(dá)到設(shè)定的初始濃度時(shí)，開啟仿太陽(yáng)光燈，每隔10 min開啟尾氣分析儀吸氣裝置6 s，記錄對(duì)應(yīng)的氣體濃度。試驗(yàn)結(jié)果表明：溫度為-10 ℃時(shí)，在0～40 min時(shí)間內(nèi)各有害氣體濃度降低速率均較大，在60 min時(shí)，氣體HC的平均濃度穩(wěn)定在23.7 ppm，CO的平均濃度穩(wěn)定在0.13%，NO的平均濃度穩(wěn)定0 ppm。在相同的試驗(yàn)條件下，低溫和常溫環(huán)境，有害氣體濃度曲線變化規(guī)律具有一致性，反應(yīng)倉(cāng)中HC、CO、NO的濃度均隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸下降，說明低溫環(huán)境不影響光催化反應(yīng)的進(jìn)行，但低溫對(duì)降解速率有一定的影響;納米TiO2對(duì)汽車尾氣中的NO氣體降解效能可達(dá)100%，明顯高于HC和CO，反映出納米TiO2材料對(duì)NO氣體降解效果最佳。在低溫-10 ℃時(shí)，NO的平均降解速率高于常溫20 ℃時(shí)，說明試驗(yàn)時(shí)溫度對(duì)NO降解效能沒有影響，但對(duì)NO降解速率有一定的影響。

關(guān)鍵詞：低溫;路面;噴涂;TiO2;降解;汽車尾氣

中圖分類號(hào)：U414;U416.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8023（2019）06-0072-05

Experimental Study on Degradation Efficiency of Automotive Exhaust

by Nano-TiO2 Spraying on Pavement in Low Temperature Environment

YANG Yang1*， LIU Haiping1， QIAN Guoping2， WU He1， WANG Guofeng1

（1.College of Civil and Architectural Engineering， Heilongjiang Institute of Technology， Harbin 150050;

2.School of Traffic and Transportation Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114）

Abstract：In order to explore the degradation efficiency of automobile exhaust by nano-TiO2 spraying on pavement in low temperature environment and simulate low temperature environment， indoor degradation test of automobile exhaust was designed to observe the degradation efficiency of harmful gases （CO， HC， NO）. The nano-sized TiO2 slurry was sprayed on the surface of rutting specimens， put into a self-made closed low-temperature test chamber， put into the automobile exhaust， and when the initial concentration was set， the imitation solar lamp was turned on， and the exhaust gas analyzer suction device was turned on every 10 minutes for 6 seconds to record the corresponding gas concentration. The results show that the decreasing rate of harmful gas concentration is larger in 0-40 min at - 10 C. At 60 min， the average concentration of HC， CO and NO is stable at 23.7 ppm， 0.13% and 0 ppm respectively. Under the same experimental conditions， the concentration curve of harmful gases is consistent at low and normal temperatures. The concentration of HC， CO and NO in the reactor decreases gradually with the increase of time， which indicates that the low temperature environment does not affect the photocatalytic reaction， but the low temperature has some effect on the degradation rate. Nano-TiO2 can degrade NO in automobile exhaust effectively. It is 100% higher than HC and CO， reflecting that nano-TiO2 material has the best degradation effect on NO gas. At a low temperature of -10 °C， the average degradation rate of NO is higher than the temperature of 20 °C， indicating that the temperature has no effect on the degradation efficiency of NO， but has a certain effect on the degradation rate of NO.

Keywords：Low temperature; pavement; spray; TiO2; degradation; automotive exhaust

0?引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展， 汽車保有量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，給人們?nèi)粘Ｉ顜肀憷耐瑫r(shí)對(duì)空氣污染也越來越嚴(yán)重。生態(tài)環(huán)境部2018年公布的《中國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)》[1]，正式確認(rèn)汽車尾氣成為首要空氣污染源，是造成灰霾、酸雨、光化學(xué)煙霧污染和溫室效應(yīng)的重要原因。汽車尾氣污染物有固體懸浮微粒（PM）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化合物（NOX）、鉛（Pb）及硫氧化合物（SOX）等，這些尾氣污染物的排放嚴(yán)重影響人們的健康生活，破壞生態(tài)環(huán)境。

對(duì)于治理汽車尾氣污染的思路已由過去的改進(jìn)汽車的設(shè)計(jì)和制造工藝，或是進(jìn)行汽車燃料的開發(fā)向鋪筑綠色環(huán)保型路面材料進(jìn)行轉(zhuǎn)變。近年來，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)路面材料負(fù)載TiO2降解汽車尾氣進(jìn)行了一系列的研究[2-6]。都雪靜等研究發(fā)現(xiàn)納米TiO2光催化材料對(duì)汽車尾氣中NOX、HC、CO等因子具有一定的影響效能[7];張文剛等分析發(fā)現(xiàn)納米TiO2含量、表面噴涂量、紫外光強(qiáng)度和溫度等對(duì)表面涂層催化分解性能的影響顯著[8]。譚憶秋等將光催化材料二氧化鈦以涂覆和摻入兩種添加方式應(yīng)用于瀝青路面材料中，形成可以降解汽車尾氣的環(huán)保型瀝青路面，提出一套尾氣降解能力的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)[9]。王選倉(cāng)等進(jìn)行了TiO2改性乳化瀝青薄層罩面的凈化性能研究，研究結(jié)果表明隨著溫度和紫外光輻照度的增大，TiO2光催化降解尾氣性能明顯增大[10]。因此，TiO2光催化降解汽車尾氣技術(shù)在道路中的應(yīng)用對(duì)降低汽車尾氣污染，改善空氣質(zhì)量，保護(hù)環(huán)境具有積極的作用。我國(guó)在納米TiO2光催化降解汽車尾氣技術(shù)在道路中的應(yīng)用研究屬起步階段，尤其是低溫環(huán)境下TiO2催化分解汽車尾氣的效能研究尚少。本文從納米TiO2光催化分解汽車尾氣的機(jī)理入手，進(jìn)行低溫環(huán)境下路面噴涂納米TiO2降解汽車尾氣效能的模擬試驗(yàn)研究。

1?納米TiO2光催化降解汽車尾氣的機(jī)理

TiO2納米材料屬于n型半導(dǎo)體，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為存在一個(gè)滿的價(jià)帶和一個(gè)空的導(dǎo)帶，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在禁帶，禁帶寬度稱為帶隙能。當(dāng)光子能量等于或大于其帶隙能時(shí)，價(jià)帶上的一個(gè)電子就會(huì)被激發(fā)，越過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，由此形成空穴電子對(duì)?？昭ㄅc吸附在TiO2表面的O2、H2O等發(fā)生一系列反應(yīng)，生成羥基自由基（OH）、超氧離子自由基（O2）以及H2O自由基[11]，具體反應(yīng)式如下：

TiO2+hvTiO2+h++e-（1）

H2O+h+OH+H+ （2）

O2+e-O-2（3）

O-2+H+HO2 ?（4）

2H2OO2+H2O2（5）

H2O2+O-2OH+OH-+O2（6）

在這個(gè)反應(yīng)的過程中，TiO2本身并不參與反應(yīng)，只是扮演催化劑的作用。在紫外線的照射下，路面上噴涂的納米TiO2可以把汽車尾氣中CO、HC和NOX光催化分解成碳酸鹽、硝酸鹽和水分等，并附著在路的表面，當(dāng)降雨時(shí)可沖刷排走，從而達(dá)到降解汽車尾氣的目的。

2?材料與方法

2.1?原材料選擇

本文研究中載體車轍試件所用粗集料采用石灰?guī)r，細(xì)集料采用機(jī)制砂，填料采用石灰?guī)r礦粉，結(jié)合料為改性瀝青。礦質(zhì)材料和瀝青的技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路工程瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（ JTGF40—2004） 的要求。光催化劑選用北京德科島金科技有限公司的銳鈦礦型納米TiO2，平均粒徑為25 nm，有效成分含量大于99. 9%。在制備過程中摻加KH550型硅烷偶聯(lián)劑，以提高復(fù)合材料的性能，改善無機(jī)物與有機(jī)物之間的界面。參考相關(guān)研究[8-13]，納米TiO2摻量為15%，噴涂量為333.3 g/cm2[14]。 TiO2與硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量比為1∶3[11]。

2.2?試驗(yàn)儀器及設(shè)備

（1）汽車尾氣檢測(cè)儀

本研究選用南華-506型作為汽車尾氣檢測(cè)儀。

（2）光源及紫外線強(qiáng)度檢測(cè)儀

本試驗(yàn)中選用仿太陽(yáng)光燈，仿燈所發(fā)射的光源能有效地模擬太陽(yáng)光中的紫外線。此外，考慮低溫對(duì)納米TiO2降解汽車尾氣的影響，所選用的光源必須具有發(fā)亮?xí)r溫度不能過高的特點(diǎn)，故選用光源為歐司朗300W仿太陽(yáng)光燈（圖1）。根據(jù)紫外線的強(qiáng)度和波長(zhǎng)范圍，選取紫外線AB測(cè)光儀TM-213（圖2）。

（3）氣體反應(yīng)倉(cāng)的搭建

本試驗(yàn)采用車轍板模擬路面，車轍板尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，反應(yīng)倉(cāng)要有能容納車轍板的空間。因此，氣體反應(yīng)倉(cāng)制備的尺寸為400 mm×380 mm×500 mm，右兩邊各開一個(gè)直徑為50 mm的圓孔，分別為進(jìn)氣口和出氣口。頂部開直徑為10 mm的圓孔接入仿日光燈。本次試驗(yàn)是氣體的分解反應(yīng)，會(huì)生成許多化學(xué)物質(zhì)，要求試驗(yàn)倉(cāng)由惰性材質(zhì)構(gòu)成，不易與反應(yīng)物與生成物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，故材質(zhì)選用亞格力板（圖3）。

2.3?試驗(yàn)條件

（1）光照強(qiáng)度

雖然我國(guó)幅員遼闊，各地區(qū)環(huán)境差異大，但體現(xiàn)在照射幅度上時(shí)差別并不太明顯，各地區(qū)的平均照射幅度為320.75 W/m2，平均紫外線輻照度為27.93 W/m2[15]。故選取平均紫外線輻照度為試驗(yàn)輻照度參考值。試驗(yàn)時(shí)通過調(diào)整防太陽(yáng)光燈與車轍板之間的距離來達(dá)到紫外線輻照度，最終確定仿日光燈距車轍板表面距離為200 mm。

（2）氣體濃度

研究中選取哈爾濱市紅旗大街與東直路交叉口為固定測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試時(shí)間選取車流量高峰期（8：00-8：30，17：30-18：00）為取樣時(shí)間段，由于道路所處地通風(fēng)較好，有利于氣體的擴(kuò)散，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定尾氣濃度較低。為了使得降解效果更加明顯，參考已有相關(guān)研究[16]，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定氣體打入初始濃度見表1。

（3）試驗(yàn)時(shí)間

試驗(yàn)時(shí)間的確定要根據(jù)納米TiO2對(duì)汽車尾氣（CO、HC、NO）的降解效果來決定，本文試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間為60 min。

2.4 試驗(yàn)方法

將車轍板用水清洗并用吹風(fēng)機(jī)吹干，取30 g納米TiO2漿料噴涂至車轍板表面待干燥后，放入試驗(yàn)倉(cāng)中，并放置于低溫箱中以試驗(yàn)溫度恒溫不少于5 h;根據(jù)試驗(yàn)光照要求，開啟相應(yīng)的仿太陽(yáng)光燈;用軟管連接汽車排氣管和試驗(yàn)箱進(jìn)氣口，通入豐田RAV4汽油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的尾氣，并使用汽車尾氣探測(cè)儀檢測(cè)試驗(yàn)箱內(nèi)各氣體濃度;打開尾氣分析儀吸氣裝置，吸取反應(yīng)室內(nèi)的氣體，觀察氣體濃度變化，待氣體濃度分別達(dá)到設(shè)定的初始濃度時(shí)，采集數(shù)據(jù)，并將時(shí)間置零;抽出汽車尾氣探測(cè)儀，并將進(jìn)氣口和出氣口封住放入U(xiǎn)TM低溫設(shè)備中;每隔10 min開啟尾氣分析儀吸氣裝置6 s，記錄對(duì)應(yīng)的氣體濃度;試驗(yàn)進(jìn)行到60 min時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

3?試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究低溫環(huán)境下路面噴涂納米TiO2降解汽車尾氣效能，試驗(yàn)時(shí)分別選取溫度為低溫-10℃和常溫20 ℃環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)。數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間為10 min，在相同的試驗(yàn)條件下對(duì)3組平行試件產(chǎn)生有害氣體的濃度變化進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)尾氣降解效能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1?有害氣體的濃度變化

由圖4、圖5可以看出，在相同的試驗(yàn)條件、不同試驗(yàn)溫度下的3組平行試件，由于儀器測(cè)量誤差、操作誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。同時(shí)在低溫-10 ℃和常溫20 ℃環(huán)境下，有害氣體濃度曲線變化規(guī)律具有一致性，反應(yīng)室中HC、CO、NO的濃度均隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸下降，說明低溫環(huán)境下不影響光催化反應(yīng)的進(jìn)行。在試驗(yàn)過程中，溫度為-10 ℃時(shí)，在0～40 min時(shí)間內(nèi)各有害氣體濃度降低速率較大，在40 min之后各有害氣體濃度趨于平穩(wěn)。到60 min時(shí)，氣體HC的平均濃度變化穩(wěn)定在23.7 ppm，CO的平均濃度變化穩(wěn)定在0.13%，NO的平均濃度變化穩(wěn)定0 ppm。

3.2?尾氣降解效能評(píng)價(jià)

綜合參考國(guó)內(nèi)外已有研究中的尾氣評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文采用降解反應(yīng)時(shí)間、降解效能、平均降解速率進(jìn)行尾氣降解評(píng)價(jià)[17-18]。由表2可知，在常溫和低溫下路面噴涂納米TiO2光催化劑對(duì)汽車尾氣降解效果顯著，尤其是對(duì)NO氣體，降解效能可達(dá)100%，明顯高于HC和CO，反映出納米TiO2材料對(duì)NO氣體降解效果最佳。在低溫-10 ℃時(shí)NO平均降解速率高于常溫20 ℃時(shí)，說明試驗(yàn)時(shí)溫度對(duì)NO降解效能沒有影響，但對(duì)NO降解速率有一定的影響。這對(duì)進(jìn)一步展開寒區(qū)可降解汽車尾氣的環(huán)保型路面材料的研究提供了參考，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

4?結(jié)論

（1）為了模擬道路的實(shí)際環(huán)境狀況，研制了納米TiO2光催化分解汽車尾氣分解試驗(yàn)倉(cāng)，試驗(yàn)設(shè)備可以滿足各種工況下的尾氣降解試驗(yàn)，為今后實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

（2）在相同的試驗(yàn)條件、不同試驗(yàn)溫度下，有害氣體濃度曲線變化規(guī)律具有一致性，反應(yīng)室中HC、CO、NO的濃度均隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸下降，說明低溫環(huán)境下不影響光催化反應(yīng)的進(jìn)行。

（3）納米TiO2光催化劑對(duì)汽車尾氣降解效果顯著，尤其是對(duì)NO氣體，降解效能可達(dá)100%，明顯高于HC和CO，反映出納米TiO2材料對(duì)NO氣體降解效果最佳。在低溫-10 ℃時(shí)，NO的平均降解速率高于常溫20 ℃時(shí)，說明試驗(yàn)時(shí)溫度對(duì)NO降解效能沒有影響，但對(duì)NO降解速率有一定的影響。

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