光敏自潔混凝土自潔機(jī)理和研究現(xiàn)狀

邱澤忠，陸承方，劉 斌，程 領(lǐng)，袁吉童

(中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南 長沙 410004)

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光敏自潔混凝土自潔機(jī)理和研究現(xiàn)狀

邱澤忠，陸承方，劉 斌，程 領(lǐng)，袁吉童

(中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南 長沙 410004)

汽車排放的尾氣造成大氣污染，傳統(tǒng)方法無法有效凈化尾氣。納米TiO2是一種高效、無毒、價(jià)廉、活性高的催化劑，由于其獨(dú)特的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在波長小于387.5 nm的紫外光照射下，禁帶電子與空穴分離，形成電子-空穴對(duì)，具有很強(qiáng)的氧化還原能力，能分解汽車尾氣中的CO、SOx、NOx等有害氣體，將納米TiO2附著在普通混凝土上制備光敏自潔混凝土將能很好的解決汽車尾氣污染問題。

大氣污染；納米TiO2；光敏自潔混凝土

伴隨社會(huì)發(fā)展，城市建設(shè)不斷推進(jìn)，汽車保有量持續(xù)增加。汽車排放的尾氣如SOx, NOx、CO等成為城市大氣的主要污染源。汽車尾氣處理一直是國家環(huán)保部門重點(diǎn)治理對(duì)象，傳統(tǒng)思路是提高汽油燃燒效率，或在汽車上安裝尾氣催化轉(zhuǎn)換器，對(duì)于尾氣排放之后再處理的思維還處于初級(jí)階段。尾氣排放之后首先接觸的是混凝土路面，若混凝土具有降解汽車尾氣的自潔功能，將能很好的解決大氣污染問題。1972年Fujishima[1]報(bào)道了納米TiO2具有催化作用，此后，納米TiO2作為一種常溫催化劑，具有無毒、價(jià)廉、活性高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且無二次污染等優(yōu)點(diǎn)而受到關(guān)注[2-4]，近年來，許多學(xué)者將納米TiO2添加到混凝土中，制備具有自潔功能的新型混凝土用于汽車尾氣凈化處理，效果得到初步驗(yàn)證。

1 光敏自潔混凝土自潔機(jī)理

納米TiO2結(jié)晶形態(tài)主要有三種: 金紅石型(Rutile)、銳鈦型(Anatase)、板鈦礦型(Broolie)。板鈦礦沒有光催化活性，金紅石型和銳鈦型具有較好的光催化活性，其中銳鈦型活性大于金紅石型，但有很多研究表明當(dāng)銳鈦型和金紅石型按一定比例配比時(shí)，其活性最大。銳鈦型和金紅石型結(jié)構(gòu)均由鈦氧八面體(TiO6)組成，TiO6有兩種連接方式，分別是共邊連接和共點(diǎn)連接，如圖1、圖2所示[5]。其中銳鈦型是由TiO6共邊連接而成，板鈦礦和金紅石相是由TiO6既共點(diǎn)也共邊組成，如圖3所示[5]；銳鈦型TiO2為亞穩(wěn)態(tài)，在高溫條件下會(huì)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)態(tài)的金紅石型TiO2。

圖1 TiO6共邊連接

圖2 TiO6共點(diǎn)連接

圖3 TiO2晶體結(jié)構(gòu)

圖4 TiO2光催化機(jī)理圖

(1)

(2)

(3)

2 光敏自潔混凝土研究現(xiàn)狀

目前，光敏自潔混凝土主要有四種制備方式：(1)添加型：將適量的納米TiO2粉體添加到普通水泥中，制備具有光催化活性的水泥，將此水泥作為膠凝材料，與骨料一起制備光敏自潔混凝土[5]。(2)滲透型：在鋪筑混凝土多孔道路時(shí)，分層摻入一定數(shù)量的納米TiO2，滲入深度距離路面一般為7～8 mm，使之具有光催化降解汽車尾氣的功能[6]。(3)包裹型：制備納米TiO2溶膠，在混凝土部分集料表面包覆一層TiO2薄膜，然后將集料暴露于路面，則可以催化降解汽車尾氣[7]。(4)噴灑型：將納米TiO2制備成漿液，噴灑在混凝土表面而發(fā)揮光催化作用，其中滲透型和噴灑型是被普遍采用的方法。

趙聯(lián)芳等[8]運(yùn)用噴灑的辦法，將納米TiO2附著于混凝土表面，考察了納米TiO2漿液濃度，混凝土水化齡期對(duì)光催化性能影響，結(jié)果表明納米TiO2濃度在2 g/L以上，齡期為6天時(shí)，光催化效率達(dá)到80%以上；王劍等[9]將納米TiO2溶膠涂覆在混凝土表面，以羅丹明B為降解目標(biāo)物，測試了混凝土的自潔功能，結(jié)果表明24 h后，光敏自潔混凝土不僅降解效果好，且性能穩(wěn)定；楊合等[10]研究表明：在透水的多孔混凝土砌塊表面7～8 mm 深度摻入50%以下的納米TiO2粉體，這種砌塊具有很好的去除氮氧化物等有害氣體的功能，可用于公路建設(shè)的路邊材料或建筑物的墻體材料，去除汽車、燃燒設(shè)備排放的 NOx、SOx等，使空氣質(zhì)量改善；Shen等[11]采用不同配方的光催化漿液對(duì)多孔水泥混凝土進(jìn)行了處理，并分別測定了不同漿液對(duì)應(yīng)的光催化尾氣降解效果。

光敏自潔混凝土不僅集中在實(shí)驗(yàn)室研究階段，在國內(nèi)外均已有實(shí)際應(yīng)用，國外有關(guān)光敏自潔混凝土起步較早，在意大利Bergamo市中心鋪就了一條面積約12000 m2的光敏自潔混凝土街道，同時(shí)作為測試對(duì)比，街道上的混凝土步道磚分為添加和不添加光催化劑兩種。兩周后測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均一天的 NOx氣體降解率達(dá)到45%[12]。日本藤田公司等制成TiO2光催化劑水泥，將這種水泥噴涂在路面上可減少汽車尾氣的氮氧化物(NOx)污染[13]。同樣在比利時(shí) Antwerp市公園里修筑了一條面積約為10000 m2的光敏自潔混凝土步行道。研究人員指出，在這些步道磚服役2年后仍可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室降解試驗(yàn)，通過清水清洗后其降解NOx氣體的能力并沒有減弱[14]。國內(nèi)，東南大學(xué)錢春香課題組[15]在2005 年將其研究成果應(yīng)用于南京長江三橋橋北收費(fèi)站的水泥混凝土路面。2009年12 月，上海浦東金科路下閘道附近，鋪設(shè)了長180 m的含納米TiO2光催化劑的 OGFC瀝青混合料上面層，據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，降低尾氣濃度的效果顯著[16]。

3 光敏自潔混凝土存在的問題

光敏自潔混凝土的相關(guān)研究與應(yīng)用盡管取得了一定的進(jìn)展，但任然面臨一些問題，主要集中在以下幾點(diǎn)：

(1)通過“噴灑”將納米TiO2附著于混凝土表面，雖然能直接發(fā)揮作用，但納米TiO2與混凝土的附著力較低，車壓和雨水沖刷會(huì)使納米TiO2從混凝土表面剝離，從而使混凝土自潔功能逐漸降低。

(2)通過“滲透”方法制備的光敏自潔混凝土，納米TiO2附著在混凝土的表面氣孔中，氣孔容易被灰塵覆蓋，影響甚至使混凝土喪失自潔功能。

(3)納米TiO2必須受光激發(fā)才能發(fā)揮催化作用，故混凝土的自潔功能受到天氣的影響。

4 結(jié) 語

光敏自潔混凝土的大面積應(yīng)用雖然還受到諸多因素影響，但在科技日益進(jìn)步的今天，相信不久的將來，光敏自潔混凝土面臨的問題會(huì)不斷的被完善和解決，終究會(huì)得到大面積的推廣，造福人類。

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Mechanism and Research Status of Photosensitive Self Cleaning Concrete

QIUZe-zhong,LUCheng-fang,LIUBin,CHENGLing,YUANJi-tong

(China West Construction Group Co., Ltd., Hunan Changsha 410004, China)

Emissions exhausted by automobile causes air pollution, the traditional method can not effectively purify the exhaust gas.Nano-TiO2is a kind of catalyst with efficient, non-toxic, low cost and high activity.Because of its unique semiconductor structure at a wavelength less than 387.5 nm UV irradiation, the band gap separated the electron and hole, formed an electron-hole pairs, had a strong redox ability, which can be decomposed in automobile exhaust CO, SOx, NOxand other harmful gases.Nano-TiO2attached on the ordinary concrete of producing photosensitive self-cleaning concrete will solve the problems of the vehicle exhaust pollution.

air pollution；nano-TiO2；photosensitive self-cleaning concrete

邱澤忠(1988-)，男，工程師助理，研究方向?yàn)楣δ懿牧稀?/p>

劉斌(1984-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾滦突炷痢?/p>

TQ178

A

1001-9677(2016)019-0022-03