基于光催化的汽車尾氣自收集降解技術

摘要：為分析光催化降解汽車尾氣技術的關鍵指標，提高汽車尾氣降解效率，以納米TiO₂為催化劑，設計室內自收集式汽車尾氣降解試驗，以流動的汽車尾氣為試驗源，NO為指標氣體，分析不同納米TiO₂質量濃度、尾氣流速、溫度及紫外線輻照度對汽車尾氣中NO降解效率的影響。試驗結果表明：汽車尾氣中NO的降解效率隨納米TiO₂質量濃度和尾氣流速的增大先增大后減小；納米TiO₂的質量濃度為40 g/m³，尾氣流速為2.5 m/s時，NO的降解效率最大；室內自收集式汽車尾氣降解試驗受外界環境影響小，溫度和紫外線輻照度小范圍變化對NO降解效率影響較小。

關鍵詞：納米TiO₂；光催化；汽車尾氣；NO降解

中圖分類號：U414；U491.9⁺2文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）03-0099-05

引用格式：康憲章，趙之仲，隋明言，等.基于光催化的汽車尾氣自收集降解技術［J］.山東交通學院學報，2024，32（3）：99-103.

KANG Xianzhang， ZHAO Zhizhong， SUI Mingyan，et al. Self-collection and degradation technology of automotive exhaust based on photocatalysis［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（3）：99-103.

0 引言

隨乘用車保有量的持續增大，汽車尾氣已成為城市大氣污染的重要因素之一^[1-2]。汽車尾氣中主要污染物有NO_x、CO、CO₂、HC和顆粒物（particulate matter，PM）等^[3]，長期吸收會極大地損害人體器官，引發惡性腫瘤等疾病^[4-5]。高效治理汽車尾氣、減少污染物排放、改善空氣質量對提高居民生活質量、打造宜居城市至關重要。

車輛限行等措施僅在短期內可有效控制汽車尾氣^[6]，推廣新能源汽車、改善發動機性能及應用機內凈化技術等措施^[7-8]可在源頭解決部分尾氣危害，但燃油車的高保有量導致汽車尾氣污染難題無法得到有效解決。近年來，光催化降解汽車尾氣技術成為學者的研究重點之一^[9-10]。在制備高催化活性納米TiO₂及提高光催化反應效率等方面，魏慧杰^[11]采用不同鈦源和方法制備不同形貌的納米TiO₂結構，通過光催化制氫和光催化降解四環素試驗篩選光催化活性最好的TiO₂納米棒；楊振等^[12]采用陽極氧化法制備TiO₂納米棒以提高光催化效率；饒培文等^[13]通過比較不同分散劑對納米TiO₂分散液的分散作用，研究分散劑對納米TiO₂的光催化降解效率的影響。在光催化降解汽車尾氣道路材料方面，寧雪蓮^[14]以納米TiO₂為光催化材料制備光催化透水混凝土，在不同光照條件下測定其降解汽車尾氣的能力；黃海舟等^[15]通過瀝青混合料尾氣降解試驗分析納米TiO₂降解汽車尾氣的規律，并介紹國內外工程應用實例；李夢晨等^[16]建立瀝青路面降解汽車尾氣試驗全過程的質量控制指標體系。在汽車尾氣降解效果測試設備方面，譚憶秋等^[17]解決現有試驗測試設備不具備光催化反應所需光條件，測試設備使用范圍受限的問題；杜丹豐等^[18]通過計算機輔助測試系統檢測和分析降解材料對汽車尾氣有害成分的降解效能。已有文獻多探究靜態降解汽車尾氣模式，對流動狀態下汽車尾氣的降解效率研究較少。

本文設計室內自收集式汽車尾氣降解裝置，以納米TiO₂為催化劑，采用動態檢測法，保持汽車尾氣持續供應，通過室內試驗研究尾氣的流動速度、光催化劑濃度等因素對汽車尾氣降解效率的影響，為提高光催化降解汽車尾氣效率提供參考。

1 室內自收集式汽車尾氣降解試驗設計

1.1 納米TiO₂光催化降解汽車尾氣機理

在光照作用下，納米TiO₂晶體結構中的電子被光能激發至價帶，產生電子-空穴，在納米TiO₂晶格中分離。電子被激發到導帶形成自由電子，空穴留在價帶上，自由電子和空穴可與吸附在納米TiO₂表面或周圍的分子發生反應，電子還原氧分子或氧化劑，產生活性的氫氧自由基。汽車排出的尾氣與納米TiO₂接觸，在光源作用下，納米TiO₂表面產生有極強氧化能力的氫氧自由基，將汽車尾氣中的CO、HC和NO_x分別氧化為CO₂、H₂O和NO₃^－，反應原理^[19-20]為：

CO+O₂光照，納米TiO₂CO₂，HC+O₂光照，納米TiO₂H₂O+CO^2－₃，NO_x+O₂光照，納米TiO₂NO^－₃。

1.2 試驗裝置及設備

在試驗裝置中設置主動控制變量部件，可改變汽車尾氣流動速度與光催化劑濃度，室內自收集式汽車尾氣降解裝置如圖1所示。汽車尾氣由進氣管1進入，在集氣箱中沉積到穩定濃度后，由風量控制器控制尾氣，經進氣管2進入反應室，開啟紫外線高壓汞燈后，標志試驗開始，尾氣經反應室降解后，通過排氣管排出。

選取MTI-2081型分散液，將納米TiO₂粉體分散在水相介質中，形成高度分散化、均勻化和穩定化的透明液體，其氧化性能強，無毒無害，化學穩定性良好；選取PLT300-NO泵吸式氣體檢測儀，儀器監測數據精確；SWEVY SW-6036風速儀記錄風速、攝氏溫度、濕度，檢測試驗環境；選取GY250紫外線高壓汞燈，主要波段為315～450 nm，主波長為365 nm。

1.3 試驗條件及流程

根據農業數據大系統數據和全國各地區光照強度，確定本試驗紫外線輻照度為20.03 W/m²，紫外線高壓汞燈高度為45 cm。攝氏溫度為0～25 ℃時，納米TiO₂的催化速率隨溫度上升而增大，超過25 ℃時，攝氏溫度對納米TiO₂催化劑的影響較小^[21]。根據試驗場所的實際情況及試驗中溫度控制的精準性要求，本試驗設置攝氏溫度為25～26 ℃。結合氣象局統計的風速及國內外關于光催化試驗中納米TiO₂質量濃度的研究^[22-23]，設定尾氣流動速度分別為2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、6.0 m/s；納米TiO₂質量濃度分別為30、35、40、45、50 g/m³。

以汽車尾氣中的典型污染物NO為指標氣體，采用流動性尾氣進行光催化降解效率試驗，需嚴格控制環境因素對試驗的干預，具體試驗流程為：1）將試驗車輛的排氣管與尾氣收集箱相連，啟動試驗車輛，穩定在空擋怠速工況，讓尾氣充滿整個試驗裝置，排出儀器內部原有空氣；2）在反應室內均勻噴灑納米TiO₂分散液；3）檢測調整進氣管口處的初始流速，控制汽車尾氣流速達到試驗要求；4）通過紫外線高壓汞燈控制試驗的開始與結束，開啟紫外線高壓汞燈開始光催化過程，關閉紫外線高壓汞燈結束光催化過程；5）將NO空氣檢測儀分別放置在反應室的進氣口與排氣口處，實時觀測NO的體積分數，待其相對恒定時，記錄觀測數值。

2 試驗結果分析

2.1 納米TiO₂質量濃度對尾氣中NO降解效率的影響

不同納米TiO₂質量濃度、不同尾氣流速v下汽車尾氣中NO降解效率如圖2所示。由圖2可知：不同尾氣流速下，隨納米TiO₂質量濃度的增大，NO降解效率先增大后減小；納米TiO₂濃度較小時，不同尾氣流速下NO降解效率均較小，原因是納米TiO₂質量濃度較小時，無法起到有效的催化作用；納米TiO₂質量濃度為40 g/m³時，不同尾氣流速下NO降解效率均最大；納米TiO₂質量濃度大于40 g/m³時，光催化劑分子團聚，阻礙部分NO分子結合，NO的降解效率減小。

2.2 尾氣流速對尾氣中NO降解效率的影響

不同尾氣流速、不同納米TiO₂質量濃度ρ（TiO₂）下，NO降解效率如圖3所示。由圖3可知：不同納米TiO₂質量濃度下，尾氣流速為2.0～2.5 m/s時NO降解效率隨尾氣流速的增大而增大；尾氣流速為2.5m/s時，降解效率最大，原因是隨尾氣流速的增大，反應室內部分子的活躍性提高，NO可充分接觸光催化劑，提高降解效率；尾氣流速為2.5～6.0 m/s時，NO降解效率隨尾氣流速的增大而持續減小，原因是尾氣流速過大會阻礙NO與納米TiO₂的接觸，導致降解效率減小。

2.3 溫度對尾氣中NO降解效率的影響

尾氣流速為2.5 m/s，納米TiO₂質量濃度為40 g/m³時，NO降解效率最佳，以此組合為前提，分析溫度對尾氣中NO降解效率的影響。通過外置采暖設備對試驗區域升溫，測得25～26、27～28、29～30 ℃下尾氣中NO的降解效率分別為68.4%、69.1%、69.4%，適當升溫后，光催化降解效率增大，但增幅較小，對NO的降解效率影響較小。

2.4 紫外線輻照度對尾氣中NO降解效率的影響

尾氣流速為2.5 m/s，納米TiO₂質量濃度為40 g/m³時，改變光源的架設高度，分析紫外線輻照度對尾氣中NO降解效率的影響，結果如表1所示。由表1可知：隨光源的架設高度增大，紫外線輻照度降低，NO降解效率減小；光源的架設高度從45 cm降至35 cm時，NO降解效率提升0.6%；光源的架設高度從45 cm升至55 cm時，NO降解效率降低0.9%。整體上紫外線輻照度對尾氣中NO降解效率影響較小。

3 結論

為分析光催化降解汽車尾氣技術的關鍵指標，設計室內自收集式汽車尾氣降解裝置進行室內模擬試驗，分析不同納米TiO₂質量濃度、尾氣流速、溫度及光照對汽車尾氣中NO降解效率的影響。

1）在相同尾氣流速下，隨納米TiO₂質量濃度的增大，NO降解效率先增大后減小，納米TiO₂質量濃度為40 g/m³時汽車尾氣的降解效率最大。

2）納米TiO₂質量濃度不變時，NO降解效率隨尾氣流速的增大而先增大后減小，尾氣流速為2.5 m/s時NO降解效率最大。

室內自收集式汽車尾氣降解技術受外界環境影響小，溫度和紫外線輻照度的變化范圍較小，對汽車尾氣中NO降解效率影響較小，降解效果較穩定。下一步可研究外界環境因素對光催化降解汽車尾氣效率的影響。

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Self-collection and degradation technology of automotive exhaust

based on photocatalysis

KANG Xianzhang¹， ZHAO Zhizhong^1*， SUI Mingyan²， LIANG Hao³，

XUE Jun⁴， LIU Zhimin⁵

1.School of Civil Engineering， Shandong Jiaotong University，Jinan 250357， China;

2.Beijing Civil Aviation Design and Research Institute" Co.， Ltd.， China Design Group， Beijing 101300， China;

3.Shandong Luzhong Highway Construction Co.， Ltd.， Zibo 255086， China;

4.Shandong Luqiao Group Co.， Ltd.， Jinan 250014， China;

5.Jinan Kingyue Highway Engineering Co.， Ltd.， Jinan 250101， China

Abstract：In order to analyze the key indicators of photocatalytic degradation of automobile exhaust technology and improve the efficiency of automobile exhaust degradation， nano-TiO₂ is used as a catalyst， and an indoor self-collection automobile exhaust degradation test is designed. Flowing automobile exhaust is used as the test source， and NO is used as the index gas to analyze the effects of different nano-TiO₂ mass concentrations， exhaust flow rates， temperatures， and ultraviolet irradiance on the degradation efficiency of NO in automobile exhaust. The experimental results show that the degradation efficiency of NO in automobile exhaust increases first and then decreases with the increase of nano-TiO₂ mass concentration and exhaust flow rate; The degradation efficiency of NO is maximum when the mass concentration of nano-TiO₂ is 40 g/m³ and the exhaust flow rate is 2.5 m/s; The indoor self-collecting automobile exhaust degradation test is less affected by the external environment， and the temperature and ultraviolet irradiance has little effect on the degradation efficiency of NO.

Keywords：nano-TiO₂; photocatalysis; automobile exhaust; NO degradation

（責任編輯：趙玉真）