光催化分解汽車尾氣型瀝青混合料研究

胡建榮，張 益，張文剛

(1．長(zhǎng)安大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710064;2．長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710064)

0 引言

環(huán)境友好型道路的概念已經(jīng)深入道路工作者的理念中，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市熱島效應(yīng)與汽車尾氣污染的現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)人體健康造成了較大的威脅．法國(guó)、日本和意大利等國(guó)家嘗試在道路工程中引入具有光催化分解汽車尾氣功能的二氧化鈦材料，通過(guò)長(zhǎng)期的檢測(cè)觀察，發(fā)現(xiàn)二氧化鈦能夠在一定程度上改善空氣質(zhì)量． 我國(guó)在上海、鄭州等城市也嘗試鋪筑了含有二氧化鈦材料的道路［1-2］． 孫立軍等人［3-5］研究證明，在OGFC 結(jié)構(gòu)中摻入TiO2可以取得良好的汽車尾氣催化分解性能;張文剛等人［6］通過(guò)對(duì)二氧化鈦(TiO2)瀝青混合料光催化分解影響因素的研究得出摻加anatase 相納米TiO2瀝青混合料具有較高的光催化分解性能． 但目前國(guó)內(nèi)對(duì)于二氧化鈦瀝青混合料仍缺乏系統(tǒng)有效的研究，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:一是對(duì)于TiO2瀝青混合料分解汽車尾氣的效果缺乏室內(nèi)研究;二是沒(méi)有找到有效的方法解決由于摻入TiO2所帶來(lái)的瀝青混合料水穩(wěn)定的降低;三是沒(méi)有提出一套完整的光催化分解汽車尾氣型瀝青混合料的制備工藝． 本研究結(jié)合上述問(wèn)題，展開(kāi)對(duì)納米二氧化鈦瀝青混合料的研究，并致力于開(kāi)發(fā)出適用于OGFC 結(jié)構(gòu)的具有優(yōu)良光催化分解汽車尾氣功能且路用性能優(yōu)良的瀝青混合料．

1 二氧化鈦光催化分解機(jī)理及影響因素

二氧化鈦光催化分解汽車尾氣的機(jī)理［7］比較簡(jiǎn)單，可以利用下面的三個(gè)化學(xué)方程式來(lái)解釋．

二氧化鈦在紫外線照射的條件下，可以將汽車尾氣中的CO、HC 及NOx相應(yīng)的分解為碳酸鹽和硝酸鹽，從而實(shí)現(xiàn)分解汽車尾氣的功能．

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究證明，二氧化鈦粒徑大小、二氧化鈦晶體結(jié)構(gòu)、溫度、光照強(qiáng)度等是影響二氧化鈦瀝青混合料光催化分解汽車尾氣功能的主要因素［6］．光照強(qiáng)度越強(qiáng)、溫度越高，二氧化鈦瀝青混合料的尾氣分解功能就越強(qiáng);一般來(lái)說(shuō)，納米二氧化鈦粒徑越小，催化功能越強(qiáng)［8］．

2 試驗(yàn)材料、儀器和方法

2．1 試驗(yàn)原材料

筆者采用SBSI-D 改性瀝青、anatase 相［6］納米TiO2、日本株式會(huì)社生產(chǎn)的TPS 高黏改性劑、輝綠巖、石灰?guī)r礦粉和消石灰粉作為原材料進(jìn)行試驗(yàn)研究．

2．2 高黏瀝青的制備

將SBSI-D 改性瀝青加熱至175 ℃±5 ℃，摻入TPS 改性劑，手工攪拌30 min 后，用高速剪切攪拌機(jī)低速攪拌30 min，再高速攪拌2 ～3 h，然后再低速攪拌2 ～3 h 即得到TPS 高黏改性瀝青．

2．3 汽車尾氣光催化分解測(cè)試方法

應(yīng)用自行開(kāi)發(fā)的瀝青混合料光催化分解汽車尾氣性能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)包括汽車尾氣采集裝置(尾氣收集袋)、尾氣濃度測(cè)試裝置(便攜式尾氣分析儀、石英玻璃容器330 mm×330 mm×200 mm)、人造紫外線光源(高低溫變溫箱、紫外線燈管——產(chǎn)生的光波長(zhǎng)為320 ～400 nm)等組成，其中紫外線光源的強(qiáng)度為2 500 μW/cm2．尾氣分析儀可測(cè)量汽車尾氣中CO、CO2、HC、NO 等氣體的濃度．試驗(yàn)所用瀝青混合料試件為普通車轍板試件．具體操作步驟如下:

(1)制備瀝青混合料車轍板;

(2)調(diào)節(jié)紫外線燈管功率，使光照強(qiáng)度為2 500 μW/cm2;

(3)將車轍板放入石英玻璃容器中，密封后置于高低溫變溫箱內(nèi)，控制高低溫變溫箱內(nèi)部試驗(yàn)溫度為25 ℃，保溫5 h;

(4)充入規(guī)定濃度的汽車尾氣，通過(guò)尾氣分析儀記錄容器各砌體濃度初始值;

(5)每5 min 記錄一次各氣體的濃度，試驗(yàn)時(shí)間為80 min．

3 高黏瀝青混合料的制備

向?yàn)r青中分別添加8%(瀝青質(zhì)量百分比)TPS 高黏改性劑，制備高黏瀝青，并進(jìn)行性能測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表1．

表1 不同TPS 含量高黏瀝青的技術(shù)性能Tab．1 Performance of high viscosity asphalt with different TBS content

研究選取OGFC-13 結(jié)構(gòu)作為汽車尾氣催化分解型瀝青混合料的級(jí)配類型，具體級(jí)配采取規(guī)范中值．相關(guān)研究證明，TPS 高黏瀝青能夠大大提高瀝青混合的水穩(wěn)定性，這恰恰可以克服加入納米TIO2帶來(lái)的瀝青混合料水穩(wěn)定性的降低［9-10］，同時(shí)研究采用過(guò)篩消石灰代替20%的礦粉來(lái)進(jìn)一步提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性能． 研究采用TPS 高黏瀝青混合料的最佳油石比為4．8%．試驗(yàn)中納米TiO2的添加方式采用直接與混合料拌合的方式．

4 最佳納米TiO2摻量的確定

研究主要以納米TiO2瀝青混合料對(duì)HC 和CO 的光催化分解性能來(lái)確定TiO2的摻量． 在試驗(yàn)中由于HC 和CO 在光照作用下會(huì)有一定的自我分解，再加上尾氣分析儀會(huì)吸收部分尾氣進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成了一定的影響，研究采用修正N 值來(lái)排除由此引發(fā)的試驗(yàn)誤差．

4．1 修正N 值

定義試驗(yàn)開(kāi)始的瞬間石英玻璃容器內(nèi)部汽車尾氣的濃度量化值為100，尾氣濃度為0 mg/m3時(shí)量化值為0，則試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試數(shù)據(jù)均可以轉(zhuǎn)化為0 ～100 之間的一個(gè)數(shù)值M，定義氣體濃度N值等于100 -M，則N 值便是汽車尾氣實(shí)時(shí)累計(jì)分解率的表征參數(shù)．試驗(yàn)采用不含TiO2車轍板來(lái)獲取測(cè)試系統(tǒng)的氣體濃度損失率，圖1 為根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制的氣體濃度損失率與時(shí)間的關(guān)系曲線圖．

圖1 氣體濃度損失率與時(shí)間的關(guān)系曲線圖Fig．1 Relationship between loss ration of gas concentration and time

根據(jù)上圖可以回歸出CO 和HC 濃度損失與時(shí)間的關(guān)系公式，如下式(1)和(2)，式中LHC和LCO分別為HC 和CO 的氣體濃度損失值，t 為光照時(shí)間．

LHC= -0．001 7t2+0．696 8t-0．317 5;(1)

LCO=0．283 8t+0．231 4． (2)

利用式(1)和(2)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)得的氣體濃度N 值進(jìn)行修正，并定義經(jīng)過(guò)修正后的N 值稱為修正N 值，用來(lái)代表瀝青混合料光催化分解汽車尾氣性能的指標(biāo)性參數(shù)，修正N 值越大，瀝青混合料累計(jì)催化分解的汽車尾氣比例就越高．

4．2 納米TiO2 最佳摻量的確定

納米TiO2的摻量根據(jù)瀝青混合料的光催化分解汽車尾氣性能及路用性能共同決定，研究采用0．4%、0．6%、0．8%、1．0%、1．2%(瀝青混合料質(zhì)量百分比)等5 種不同納米TiO2摻量來(lái)進(jìn)行研究．將不同納米TiO2含量的瀝青混合料制成車轍板，并進(jìn)行汽車尾氣光催化分解測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 和3．

圖2 納米二氧化鈦摻量對(duì)CO 催化分解功能影響Fig．2 Influence of nanometer TiO2 dosages to the photoeatalytic performance of CO

分析圖2 可知，20 min 之后CO 濃度修正N值隨著納米TiO2的含量的增加而不斷增大，這種規(guī)律在試驗(yàn)的各個(gè)時(shí)刻都比較明顯．

圖3 納米TiO2摻量對(duì)HC 催化分解功能影響Fig．3 Influence of nanometer TiO2 dosages to the photoeatalytic performance of HC

而HC 濃度修正N 雖然也表現(xiàn)出隨著TiO2含量的增大而不斷增大的現(xiàn)象，但這種增大幅度在TiO2含量超過(guò)0．8%之后便不是十分明顯．

相關(guān)研究證明，TiO2的摻入會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料的水穩(wěn)定性能降低，所以需要對(duì)不同TiO2摻量下的高黏瀝青混合料進(jìn)行路用性能測(cè)試，以保證其路用性能滿足規(guī)范要求．

表2 納米二氧化鈦用量下高黏瀝青混合料路用性能Tab．2 Performance of high viscosity asphalt different nano meter TiO2 dosages

由表2 可以看出，TiO2的摻入使得高黏瀝青混合料的穩(wěn)定度在一定程度上得到了提高，但同時(shí)也使得飛散損失隨著其摻量的增加而增加，并對(duì)高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性造成了較大的影響，所以不能一味地增加TiO2的含量來(lái)提高其光催化分解汽車尾氣的性能，需要考慮高黏瀝青混合料的路用性能． 研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)納米TiO2含量為0．8%時(shí)，高黏瀝青混合料具有較高的光催化分解汽車尾氣性能并且路用性能優(yōu)良，所以選擇0．8%作為納米TiO2的最佳摻量．

5 結(jié)論

(1)向TPS 高黏瀝青混合料中摻入納米TiO2后會(huì)導(dǎo)致的瀝青混合料水穩(wěn)定性的降低，但降低幅度較小．

(2)瀝青混合料對(duì)HC 和CO 的光催化分解性能雖則納米TiO2摻量的增加而提高;納米TiO2摻量為0．8%時(shí)，瀝青混合料在80 min 內(nèi)可以分解20%左右的CO 及40%左右的HC．

(3)可以得出光催化分解汽車尾氣型瀝青混合料的制備工藝:向SBSI - D 改性瀝青中加入8%(瀝青質(zhì)量百分比)的TPS 可以制得性能優(yōu)良的高黏瀝青;以此制備瀝青OGFC -13 瀝青混合料，并采用過(guò)篩消石灰代替20%礦粉，在混合料拌合過(guò)程中摻入0．8%納米二氧化鈦便可以制得路用性能優(yōu)良的具有光催化分解汽車尾氣性能的瀝青混合料．

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