水基TiO2涂覆液降解汽车尾气效果评价研究

徐世法，　苑广友，　许　鹰，　段文志

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院 首都世界城市顺畅交通协同创新中心， 北京　100044；2.北京市城市道路养护管理中心， 北京　100069)



水基TiO2涂覆液降解汽车尾气效果评价研究

徐世法1，苑广友1，许鹰1，段文志2

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院 首都世界城市顺畅交通协同创新中心， 北京100044；2.北京市城市道路养护管理中心， 北京100069)

摘要：为了定量评价分析TiO2添加量对汽车尾气中NO、HC、CO三种气体降解效果、涂覆液对沥青混合料抗滑性能的影响以及确定经济合理的添加量，将TiO2光触媒材料添加到水溶液中制备涂覆液并涂覆到AC沥青混合料表面用以开展相关研究. 研究表明：即时降解率可作为TiO2光触媒材料对尾气中的NO等气体降解效果的评价指标；TiO2光触媒材料添加比例占涂覆液含量的2%时最为经济合理；路面的抗滑性能会因涂覆水基TiO2而降低，但仍满足相关规范要求.

关键词：水基TiO2； 汽车尾气； 即时降解率； 降解效果评价； 最合理剂量； 抗滑性能评价

随着汽车保有量的不断提高，汽车尾气逐渐成为影响城市空气质量的主要污染源，为改善城市空气质量，解决尾气污染问题已成为当务之急. TiO2作为一种光催化材料，可以降解尾气中的NO和HC等有害气体，生成无污染的水和盐，其自身清洁、化学稳定性、无毒等特点使其成为目前研究和应用最广泛的光触媒材料. 由于路面覆盖面积大及其可与汽车尾气直接接触，将TiO2添加到路面上光催化降解汽车尾气中的有害物质成为近年来研究的一大热点.

目前，TiO2光触媒材料在沥青混合料中应用方式主要有掺入式和涂覆式. 研究表明将TiO2以掺入方式添加到沥青混合料中和在沥青道路表面涂覆一定量的TiO2均可有效地降解汽车尾气中的NO和HC等[1-2]. TiO2光触媒材料光催化作用的必要条件是光照，故以掺入方式将TiO2添加到沥青混合料中，TiO2的利用率和经济性值得进一步探讨. 本研究将制备一种水基TiO2涂覆液，作为应急措施，喷洒到道路表面，评价其对汽车尾气中NO、HC、CO三种气体的降解效果，确定最佳剂量，并评价涂覆液对沥青混合料路面抗滑性的影响.

1TiO2光催化降解原理

TiO2作为一种光触媒材料，最早由日本学者藤岛昭(Akira Fujishima)发现，在自然界中TiO2以锐钛型和金红石两种形态存在[3-5]. 通过研究锐钛型TiO2光催化性能较金红石型TiO2更优，但锐钛型TiO2的导带与价带之间的间隙为3.2 eV，通过光子

能量E与波长λ之间的关系E=hC/λ可知，只有光源小于380 nm的紫外光才能激发其性能[6]. 在紫外光照射下，锐钛型TiO2可以产生具有强氧化性能的游离空穴(h+)- 电子(e-)对，游离的空穴(h+)- 电子(e-)对可以俘获空气中的有机物与无机物等生成H2O和CO2等[7].

在道路表面涂覆TiO2后，在光照条件下，汽车尾气产生的NO、CO、HC等气体被光催化降解产生的硝酸盐、水等附着在道路的表面，随雨水冲刷流走[8]，其主要反应方程式如下：

2试验检测与评价

2.1载体材料的设计

研究过程中所采用的AC沥青混合料的级配及沥青用量见表1,级配曲线见图1.

表1　AC- 13沥青混合料的级配及沥青用量

2.2水基TiO2涂覆液制备

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，在很短的时间内TiO2会沉淀，且TiO2大多以软团聚和硬团聚的形式存在，如果不将其有效分散，其对有害气体的降解效果将大大减弱. 为防止TiO2在水溶液中沉淀以及使其能够有效分散，在制备水基TiO2溶液的过程中添加了一定量的分散剂，并通过高速剪切更加有效地分散TiO2，制备水基TiO2涂覆液.

为确定分散剂的合理添加量，在研究过程中按TiO2质量的0%、5%、10%、20%四个添加量添加分散剂，制备水基TiO2溶液后，静置24 h，观察水基TiO2溶液的悬浮状态. 观察发现，当分散剂添加量为TiO2的5%时，静置24 h的水基TiO2溶液会产生沉淀，不能形成悬浮状态；当分散剂添加量为10%及20%时，静置24 h后均能产生均匀的TiO2涂覆液，底部基本没有沉淀物. 因此，本文推荐在制备TiO2涂覆液时添加10%～20%的分散剂，通过高速剪切可生成均匀的涂覆液，可用于道路涂覆.

3试验方法和评价指标

3.1喷涂方式及喷涂量

为研究不同水基TiO2剂量对降解效果的影响，按1%、2%和4%三个添加比例配制TiO2溶液，按556 ml/m2涂覆量涂覆到车辙板上， 分析其对尾气中NO、HC和CO三种气体的降解效果.

3.2模拟尾气降解系统

试验过程中所采用的模拟尾气试验系统包括3个部分：气体反应室、尾气来源和尾气实时检测仪. 系统中尾气由本田EC6500CX汽油发电机运行稳定后提供；尾气实时检测系统采用尾气分析仪，该仪器可以精确检测到CO、HC、NO等气体；气体反应室为自行研发的圆柱形无色透明有机玻璃密闭容器，该气体反应室可较好地模拟实际道路添加TiO2对尾气中的CO、HC、NO等气体的降解效果.

3.3评价指标

鉴于NO等气体在空气中会自行反应、在试验过程中采取空白试件对照试验以减小以上因素对尾气浓度造成的影响，见图2. 据此提出了即时降解率指标，这是一个动态指标，定义为t时刻不添加TiO2与添加TiO2时反应室中浓度差值与t时刻不添加TiO2时气体反应室内浓度的比值，计算公式见公式(1).

(1)

式中：Pt——气体t时刻即时降解率

Ct，空——t时刻不添加TiO2时气体反应室内各气体浓度

Ct，TiO2——t时刻添加TiO2时气体反应室内各气体浓度

4实验结果分析

4.1添加量对降解效果的影响

鉴于TiO2的添加量对尾气中的NO、CO、HC等的降解效果有显著的影响，本文在研究过程将TiO2按照1%、2%和4%三个添加比例添加到水溶液中，涂覆到沥青混合料表面自然晾干后，通过开发的实验设备和实验方法进行尾气降解分析实验，采用所提出的降解指标即时降解率分析不同TiO2添加比例对尾气中的NO、CO、HC等气体的降解效果，确定TiO2的最佳添加比例.

不同TiO2添加比例制备的水基TiO2溶液对尾气中的NO、CO、HC等气体的降解效果见图3～图5.

不同TiO2添加比例对尾气中的NO、HC、CO气体的降解效果见图6.

通过上述图表对比可以得到以下结论：

1) 将TiO2添加到水溶液中制备成水基TiO2溶液，随着TiO2光催化剂添比例的增加，尾气中的NO、HC、CO三种气体的降解效果不断增加；

2) 将TiO2添加到水溶液中制备成水基TiO2溶液，当添加比例在1%～2%时的即时降解率比添加比例在2%～4%时即时降解率增加较快，说明当TiO2在水溶液中添加比例超过2%时降解效果随添加比例的增加而增加缓慢，综合考虑技术与经济因素，推荐TiO2在水溶液中的添加比例为2%.

4.2水基TiO2涂覆液对沥青路面抗滑性能影响

将TiO2按照1%、2%和4%三个添加量添加到水溶液中，制备成水基TiO2涂覆液，涂覆到沥青混合料表面自然晾干后，采用摩擦系数评价其对沥青混合料的抗滑性能影响，检测结果见表2.

表2　涂覆量对摩擦系数的影响

由上述图表可以发现，将普通TiO2按照一定比例配制成水基TiO2涂覆液后涂覆到车辙板上，自然晾干，路面抗滑性能随涂覆剂量增加在一定范围内降低，但仍满足规范要求.

5结论

1) 为保证水基TiO2涂覆液稳定性，推荐添加10%～20%的稳定剂；

2) 所提出的即时降解率为动态降解指标，可较好地分析评价TiO2光催化材料对尾气的降解效果；

3) TiO2光触媒材料添加比例占涂覆液含量的2%时最为经济合理；

4) 将水基TiO2溶液涂覆到沥青混合料表面，对沥青混合料路面的抗滑性有一定的负面影响，但仍满足相应的规范要求.

参考文献：

[1]谭忆秋,李洛克,魏鹏,孙政.可降解汽车尾气材料在沥青路面中的应用性能评价[J].中国公路学报,2010(6):21-27

[2]孙立军,徐海铭,李剑飞,刘黎萍.纳米纳米二氧化钛处治汽车尾气效果与应用方法的研究[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]张文刚,邹雨芯,孙国庆,王芳.二氧化钛沥青混合料光催化性能影响因素研究[J].武汉理工大学学报,2012(3):38-41，50

[9]周晓东.尾气分解型沥青混合料路面材料设计研究[J].中外公路,2014(3):261-264

[责任编辑：佟启巾]

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

中图分类号：U414； U416.2

文献标志码：A

作者简介：徐世法(1963-)，男，教授，博士，研究方向：路面材料.

基金项目：国家自然科学基金项目(51178024)；北京市交通行业科技项目(kj2014-10)

收稿日期：2015-11-06

文章编号：1004-6011(2016)01-0027-04