生态型纳米光催化矿物负载沥青路面技术研究★

樊佳楠 陈永康 严书婷 魏 冬

(浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315000)



·道路·铁路·

生态型纳米光催化矿物负载沥青路面技术研究★

樊佳楠 陈永康 严书婷 魏 冬

(浙江大学宁波理工学院，浙江 宁波 315000)

结合光催化剂二氧化钛在国内外道路工程中的应用研究现状，介绍了矿物负载型光催化组分的制备及试验方法，分析了二氧化钛光催化剂开发应用存在的问题，最后对其发展前景进行了展望。

光催化剂，二氧化钛，道路，汽车尾气

1 概述

随着经济发展，普通汽车因便捷、舒适、经济性使汽车走进了千家万户，我国汽车保有量不断上升。截至2014年年底，我国机动车保有量达2.64亿辆，其中汽车1.54亿辆；机动车驾驶人突破3亿人，其中汽车驾驶人超过2.46亿人。据显示，未来2020年我国各类汽车总保有量可能突破3亿大关，说明我国城市化水平在不断提高。与此同时，高保有量的汽车也导致产生了大量的汽车尾气。汽车尾气是造成空气污染的重要因素之一。当汽车产生的尾气总量小于自然自净能力所能处理的限值时，环境自身可以解决尾气。但是现如今车辆基数大，各个城市堵车常态化，汽车产生的尾气已经超出了自然的自净能力，对空气造成严重的污染。处理汽车尾气带来的危害已成为了全球关注的重点。

汽车尾气对空气的影响主要表现为光化学污染、酸雨、雾霾、人类呼吸道疾病等等方面。它的主要污染物包括一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、硫化物、醛及微粒物等。尤其是无机含氮污染物，是对生物界危害巨大的环境污染物之一。氮氧化物被人体吸入后可能引起呼吸困难、咳嗽等，严重者造成一系列较严重的呼吸道问题，如哮喘。温血动物一次射入亚硝酸盐最小致死剂量为20 mg/kg体重，其毒性比硝酸盐(最小致死剂量为117 mg/kg)大的多，尤其它进入人体后，在特定条件下转化为致癌物质亚硝胺[2]。二氧化氮在日照作用下产生一系列光化学烟雾的循环反应，从而不断产生臭氧，高浓度的臭氧加重空气污染反应。反应如下：反应过程为2NO2→2NO+2O，2NO+O2→2NO2，O+O2→O3。另外，氮氧化物也是酸雨的成因之一。

新华网北京11月3日电新华社授权发布了《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》中提出了推动交通绿色发展。现如今处理汽车尾气的主要方法是改进汽车的排气系统，通过洗气之后排放的方式减少汽车尾气排放量。而作为提供汽车行驶的道路——最直接与汽车尾气接触的承载体，在治理尾气方面尚未有所作为。所以我们的实验通过二氧化钛催化吸收二氧化氮有重要的社会意义和时代意义。

本文通过查阅大量资料，系统地介绍了二氧化钛的使用性能，并研究了二氧化钛催化分解二氧化氮的效率，旨在为今后新型道路的发展提供一定的参考价值，城市建设中交通设施净化空气提供一定的方法，是未来解决空气污染问题的一个可考虑的办法。

2 光催化剂二氧化钛研究现状

光催化这个词汇近年来已走进我们的日常生活中。其中以光催化剂二氧化钛为最。纳米级光催化材料二氧化钛是一种白色固体或粉末状的两性氧化物。二氧化钛的主要晶型有金红石型、锐钛型、板钛型三种。二氧化钛具有亲水性，热稳定性好。尤其是金红石型二氧化钛在高能吸收辐射较其他两种晶型相比较大，对紫外线的反射率远远低于锐钛型和板钛型。二氧化钛作为光催化剂的基本领域现在可分为“空气净化”“水净化”“抗菌、杀菌”以及“防污防雾”四个方面。

2.1 国外二氧化钛道路应用研究现状

1972年,日本化学家Fujishima Akira[1]发现水溶液中的二氧化钛在近紫外光照射下能发生氧化还原反应，持续分解水分子，这是光催化材料研究领域的首次发现。1976年J.H.Carey等报道了多氯联苯在光照和二氧化钛的作用下发生脱氯反应，但它属于一种特殊的反应，不能应用到一般氧化反应中。TiO2光催化在环保去污领域的应用研究由此开始。日本东京大学尖端科技技术研究中心的橋本和仁教授[3]曾对光诱导亲水性的反应机理进行研究阐述，表明了二氧化钛的超亲水性是起源于光生成的空穴引起二氧化钛表面结构变化，表面增加了二氧化钛表面的羟基密度，从而产生的亲水性。且金红石具有较高的亲水性，在紫外光强度为1 μW/cm2时就能产生超亲水性。利用二氧化钛与三氧化钨复合使用可以长时间使之出现超亲水性。

1995年日本举办的长野冬季奥林匹克运动会建设的信越高速公路上的隧道中，在隧道照明用的防护玻璃上镀一层二氧化钛催化剂，来减少清洁的次数。在此之后已有几十万个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，高速公路上设置的聚碳酸酯制的透明隔音墙也开始使用光催化镀膜。光催化人气发挥了超亲水性，使二氧化钛表面呈超亲水性，“自洁净”的功能大幅度提升。

在美国，已经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层，制成光催化水泥和光催化混凝土，使大气污染物如NOx，SO2分别氧化成硝酸、硫酸而随雨水排掉。

2.2 国内二氧化钛道路应用研究现状

目前，国内各大高校也对光催化材料在道路上的应用进行了大量研究。光催化技术在我国的发展也存在着巨大的发展空间与发展价值。随着浙江省经济社会水平的发展，其正面临着资源约束和环境污染问题的双重压力，因此在浙江地区开展生态型纳米光催化沥青路面成套技术研究与应用，对于促进循环经济、建设环境友好型和资源节约型社会，将起着巨大的推进作用。

长安大学公路学院郭重霄，郝培文[4]在二氧化钛光催化剂在沥青路面中的应用中提到，当二氧化钛作为WMA沥青胶浆添加剂时,混合料减少空气中氮氧化合物(NOx)的效果并不明显,可能是由于混合料表面二氧化钛含量太低。然而当二氧化钛作为表面撒布式涂层的一部分时,其消除空气中氮氧化合物的效率却可以达到31%～55%。混合料消除氮氧化合物的效率在二氧化钛单位面积用量为0.05 L/m2时最高。此外,空气流动速度和相对湿度越大,其消除氮氧化合物的效率越低;紫外线强度越高,越有利于提高表面涂层消除氮氧化合物的速率。

长安大学张文刚[5]在“TiO2催化分解汽车尾气沥青路面材料研究”中提到常规二氧化钛涂料直接涂在路面上易淡化标志线，降低路面抗滑能力，耐磨性差。HMA式催化分解汽车尾气混合料的拌合过程中因高温会将部分锐钛矿二氧化钛转化为金红石型二氧化钛，降低部分催化效率。采用基质沥青、SBS改性剂、稳定剂、验算、乳化剂、六片磷酸钠、纳米二氧化钛制备出的二氧化钛浆液颜色接近于黑色，克服了当前催化涂料色泽发白或发黄的缺陷，利于交通安全。

3 矿物负载型光催化组分的制备及试验方法

采用不同负载方式在再生骨料与再生粉料上负载纳米TiO2光催化剂，制得矿物负载型光催化组分，利用扫描电镜探明纳米TiO2在其内的生长形态，运用X射线光电子能谱揭示物质表层元素结构及与其他元素间的结合状态，分析样品表面存在的元素及元素原子所处的化学状态，并建立再生骨料与再生粉料负载纳米TiO2光催化反应动力学模型。运用分子动力学软件Materials Studio模拟结构的形成，在微/纳米尺度下对微结构及结合力进行量化处理，构建基于物理力学参数的纳米TiO2在载体上的生长模型。

利用矿物的结构和物理化学系性能负载纳米级颗粒，可以成为未来土建工程材料发展的研究方向。本实验中就是主要通过探究沥青混凝土的结构和物理化学性质并负载纳米级二氧化钛来研究制得的矿物负载型光催化组分，着重于使用不同的方式进行负载及载体对负载型纳米级二氧化钛光催化反应的影响，分析其物理化学性能及光催化性能的变化趋势，建立生态绿色型纳米光催化沥青路面的模拟施工工艺。

我们采用的是将沥青混凝土试验路面放入反应室中，反应室内部的顶端安装了提供紫外线光源的紫外灯，控制了光照强度。反应室下端置有温度计检测温度。利用汽车尾气收集袋收集汽车尾气应用于试验中。汽车尾气收集袋通入处装有流量计。反应室中装有可开关的小孔，定时使用二氧化氮检测仪实时检测反应室内二氧化氮浓度。

4 二氧化钛光催化剂开发应用存在的问题及前景展望

从目前的研究与应用状况来看，我国在二氧化钛光催化方面的应用技术仍处于起步探索阶段，但在一些发达国家已经快速发展。而且，二氧化钛光催化的研究开发对环境保护方面有着显著的效果，符合节能环保的时代要求。因此，为了可持续发展，我们要进一步将二氧化钛推广应用。但在推广过程中还存在诸多困难，比如二氧化钛在接触水后表面会产生超亲水性，掺杂在沥青混凝土中效率低，如何解决这个问题有待于我们进一步地实验研究。同时，在再生沥青混凝土路面上，二氧化钛能否重复再利用也值得我们进一步地实验观察。在不同温度下二氧化钛的催化效率是否会产生大幅度变化也是我们需要考虑的。如果解决了上述问题，那么对于二氧化钛在光催化领域的应用将会是一个巨大的提升。随着汽车尾气污染的加剧，对城市人群的生活环境造成了严重的影响。如果国内大面积普及利用光催化剂二氧化钛在路面上催化分解汽车尾气的技术，就可以起到较好的调节空气污染的效果，因此光催化剂二氧化钛催化分解汽车尾气的技术具有很大的前景。

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

[2] 于兵川,吴洪特,张万忠.光催化纳米材料在环境保护中的应用[J].石油化工,2005,34(5):491.

[3] 橋本和仁，藤島昭.図解光触媒のすべて[M].邱建荣，朱从善，译.北京：科学出版社，2007.

[4] 郭重霄，郝培文.二氧化钛光催化剂在沥青路面中的应用[J].材料试验与应用，2013(5):18-19.

[5] 张文刚.TiO2催化分解汽车尾气沥青路面材料研究[D].西安：长安大学，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★：宁波市自然科学基金(项目编号：2015A610297)

樊佳楠(1994- )，男，在读本科生； 陈永康(1994- )，男，在读本科生； 严书婷(1994- )，女，在读本科生；

1009-6825(2016)16-0128-03

U416.217

A

魏 冬(1995- )，男，在读本科生