纳米TiO2涂层在沥青路面及稀浆封层中降解汽车尾气的效果对比试验研究∗

钱国平，朱俊文，周大垚

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004）



纳米TiO2涂层在沥青路面及稀浆封层中降解汽车尾气的效果对比试验研究∗

钱国平，朱俊文，周大垚

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004）

摘要：纳米TiO2材料可有效降解汽车尾气中的NOx等气体。为改善由于汽车尾气排放对环境所造成的污染，文中采用硅烷偶联剂将纳米TiO2材料分别涂于普通沥青砼和乳化沥青稀浆封层上制得TiO2涂层，并通过制作车辙板进行光催化降解试验，测试该涂层材料应用于两种路面结构时对汽车尾气中NO气体的降解效果。结果显示，当TiO2与硅烷偶联剂按质量比1∶3混合时制得的涂层材料对NO降解效果最佳，该涂层用于普通沥青路面时1 h内对NO的降解率达到40%，用于路面封层时对NO的降解率接近30%，略低于相同条件下的普通沥青路面。

关键词：公路；纳米TiO2；沥青路面；稀浆封层；汽车尾气；光催化降解

当今社会因汽车尾气排放所带来的环境问题日益突出。当汽车处于低速行驶或怠速状态时，发动机燃烧不完全，会排出大量尾气污染物，随着汽车数量的增多，汽车尾气的排放已成为城市大气污染的最主要原因。近年来，纳米级催化剂在净化汽车尾气方面的作用已日益受到重视。其中纳米TiO2材料因其来源丰富、无毒，且在光照条件下即可发生催化反应的特点而受到国内外道路研究者的关注。

现阶段，城市道路路面类型以沥青砼路面为主，而在旧路改造与养护领域，稀浆封层作为一种路面养护新技术，已在高等级路面养护中得到广泛应用。该文以纳米TiO2材料为基础，考虑采用偶联剂将TiO2材料以涂层的形式应用于普通沥青路面及稀浆封层上，以期通过白天太阳光照射实现对汽车尾气的催化降解。通过进行模拟试验，分别测试这两种情况下TiO2涂层对汽车尾气中NO气体的降解效果。

1　纳米TiO2的光催化机理

半导体材料具有不连续的能带结构（由充满电子的低能价带和空的高能导带构成），价带与导带间存在禁带，这种禁带宽度因材料而异，也称为带隙。半导体材料的光吸收波长阈值λg与带隙Eg的关系式为：

当入射光波长小于或等于λg，即入射光能量大于或等于带隙值时，材料低能价带上的电子（e-）会受激发跃迁到导带成为带负电的具有强还原性的电子，同时价带上产生带正电的具有强氧化性的光生空穴（h+）。这种强氧化性使其能与溶剂中的电子或半导体材料表面的有机物发生氧化反应，同时电子受体会接受表面的电子而发生还原反应。以上即为半导体材料在光照条件下发生氧化还原反应的基本原理。

2　试验方法

2.1试验设备

采用一种可控性光催化循环反应测试装置（见图1）进行试验。该装置顶部和底部分别装有制冷压缩机和发热丝，用以实现试验过程中对温度的控制。采用UV-LED紫外线灯作为光源安置在反应室上部，通过不锈钢槽与室内隔离，其强度调节按百分比计算，范围为0～100%。

图1　光催化反应测试系统

气体浓度检测装置采用精度高、反应灵敏的泵吸式气体浓度分析仪，通过将抽气口和排气口与装置内部连接在一起（见图2），检测时可实现气体的循环利用。2台仪器分别检测NO和NO2的浓度值，量程均为0～10 ppm，精度为0.001 ppm，响应时间为20 s。

图2　气体浓度检测装置

2.2试验条件

（1）光照强度。参照2011年中国紫外线分级标准（见表1），采用4级紫外线强度为参照标准，设置光照强度为13%（16～25 W/m2）。

表1　中国紫外线分级标准（2011年）

（2）气体初始浓度。为了准确了解路面范围内汽车尾气的含量，确定NO气体的初始浓度，在广州市主干道上的立交桥底、隧道内部及上坡路段3种典型路段进行实际气体浓度监测。这3种路段上汽车行驶速度较低，尾气排放量通常较多。实际监测结果表明路面附近污染气体浓度值较小，通常小于1 ppm。因此，试验设定打入气体浓度不大于1.5 ppm。

（3）反应温度。试验温度控制在27℃左右，因为在这一温度下反应室内的NO气体状态较稳定，且浓度值达到稳定的时间较短，有利于观察TiO2涂层对NO的降解效果。

2.3试验安排

试验材料选用锐钛矿型纳米TiO2粉末和KH -550型硅烷偶联剂，偶联剂因其同时具有亲无机物和亲有机物两种官能团的特点，常被用来改善无机物与有机物之间的界面作用来提高复合材料的各种性能。为确定纳米TiO2涂层材料中硅烷偶联剂的最佳掺量，先将0.2 g纳米TiO2与0.2 g活性炭粉末机械搅拌混合均匀，将混合后粉末分散到10 g去离子水中，然后分别加入0、0.2、0.4、0.6、1.0 g KH-550型硅烷偶联剂，利用超声波清洗器分散2 h。将得到的5组材料分别涂覆在面积为30 cm× 15 cm的普通沥青砼车辙板试件表面，并依次编号为1#、2#、3#、4#和5#。分别对这5组试件进行降解试验，根据试验数据选择最佳材料组合方案，并将该方案制得的涂层材料均匀涂覆在相同面积的具有乳化沥青稀浆封层的车辙板试件表面，通过光催化降解试验研究其应用于稀浆封层时的降解效果。

2.4数据记录与评价方法

为了更好地描述NO气体浓度的变化过程，每分钟记录一次NO气体分析仪数据，首先注入NO气体稳定30 min→紫外线光照60 min→撤去紫外线光照30 min，全过程120 min。采用光催化反应过程1 h内NO成分的降低百分比作为TiO2降解NO效果的评价指标，计算公式如下：

3　试验结果分析

3.1普通沥青路面模拟试验

根据模拟普通沥青路面试验所得数据绘制NO气体浓度随时间变化关系曲线（见图3）。同一曲线上的节点处按时间顺序分别表示开灯和关灯的时间，并在节点处标明该点的坐标（x，y）。

图3　普通沥青路面NO降解试验结果

从图3可以看出：1）开灯前各组试验的NO气体浓度较稳定，开灯后各有不同程度减少，说明开灯时纳米涂层对气体开始产生降解作用。2）当纳米TiO2与硅烷偶联剂质量比从1∶1变为1∶3时，NO气体的降解速率逐渐增大；而当TiO2与硅烷偶联剂质量比为1∶5时，NO气体浓度没有明显减少。说明一定用量范围内，硅烷偶联剂的增加可有效提高TiO2晶体的表面活性，有利于提高材料的光催化降解速率，但其用量太大时，会导致部分纳米TiO2晶体被裹覆，材料降解性能反而降低。3）纳米TiO2与硅烷偶联剂的质量比为1∶3左右时，材料降解效果最佳。

3.2稀浆封层对比试验

根据纳米涂层在模拟普通沥青路面时的降解试验结果，选择纳米TiO2与硅烷偶联剂质量比为1∶3制得的涂层材料进行乳化沥青稀浆封层对比试验，将试验数据绘制成NO气体浓度随时间变化关系曲线（见图4）。同一曲线上的节点处按时间顺序分别表示开灯和关灯的时间，并在节点处标明该点的坐标（x，y）。

图4　NO气体对比降解试验结果

从图4可以看出：1）模拟稀浆封层试验的NO曲线降解速率与模拟普通沥青路面的比较接近，说明该涂层材料应用于上封层对NO气体也可取得良好的降解效果。2）计算开灯1 h内两组试验对NO气体的累计降解率，得纳米涂层在上封层和普通沥青路面上1 h内对NO气体降解率分别为29.5%和40.2%，材料在应用于上封层时降解效果较普通沥青路面略微有所降低。

4　结论

（1）TiO2涂层材料中，硅烷偶联剂的用量对TiO2的光催化活性会有一定影响，随着TiO2与偶联剂质量比的增加，TiO2的活性会先升高后降低，采用纳米TiO2与硅烷偶联剂质量比为1∶3制得的涂层材料对汽车尾气中NO气体的催化降解效果最佳。

（2）涂层应用于上封层的降解效果较普通沥青路面略差，主要原因是上封层路面孔隙比普通沥青路面少，减少了材料与气体的接触面积，从而降低了光催化反应效率。

（3）涂层材料应用于沥青路面时，对其路面抗滑性能会有一定影响，沥青混合料表面的构造深度随着材料用量的增加将逐渐降低，一般为保证路面行车安全，沥青路面的构造深度不得小于0.55 mm，材料的用量也存在上限值。

（4）考虑汽车尾气排放具有一定的路域性，可选择在车流量较大且车速缓慢的路段（如收费站、道路交叉口等）铺筑，这样既可减轻涂层对路面行车安全性能的影响，又能有效降解汽车尾气，节约成本。

参考文献：

［1］ 周晓鹏.浅谈我国汽车尾气排放现状与对策［J］.科学与财富，2015，7（增刊1）.

［2］ 甘志永，王敏，刘浩，等.纳米级催化剂在汽车尾气净化方面的研究［J］.环境科技，2015，28（5）.

［3］ 赫利君，欧阳熙，曾涛，等.Au纳米催化剂在内燃机排气净化中的应用［J］.内燃机，2012（1）.

［4］ Victor Ferrer，Dora Finol，Roger Solano，et al.Reduction of NO by CO using Pd-CeTb and Pd-CeZr catalysts supported on SiO2and La2O3-Al2O3［J］.Journal of Environmental Sciences，2015，27（1）.

［5］ Marwa Hassan，Louay N Mohammad，Heather Dylla，et al.Laboratory and field evaluation of sustainable photocatalytic asphalt pavements［A］.AAPT 2012 Annual Meeting and Technical Sessions Agenda［C］.2012.

［6］ 谢杰光，匡亚川.纳米TiO2光催化技术及其在降解汽车尾气中的应用［J］.材料导报，2012，26（15）.

［7］ 赵路，钱国平.纳米二氧化钛在沥青路面中的综合应用［J］.价值工程，2013（8）.

［8］ 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.

［9］ 张龙，葛折圣.半柔性路面负载纳米TiO2降解汽车尾气技术［J］.华南地震，2014（增刊1）.

［10］ 王斌，杨田.浅析乳化沥青稀浆封层技术在公路工程中的应用［J］.中华民居，2011（8）.

［11］ 张楠.乳化沥青稀浆封层在公路养护中的应用分析［J］.城市建筑，2014（17）.

［12］ 邵庆辉，洪伟.纳米TiO2光催化材料催化机理及其在环境污染防治中的应用研究［J］.北方环境，2011（9）.

式中：a为开灯时NO气体浓度值；b为开灯1 h时NO气体浓度值。

中图分类号：U416.217

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0088-03

基金项目：∗广东省交通运输厅科技计划项目（2011-04-004）

收稿日期：2016-02-23