基于光催化的汽車尾氣自收集降解技術(shù)

摘要：為分析光催化降解汽車尾氣技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)，提高汽車尾氣降解效率，以納米TiO₂為催化劑，設(shè)計(jì)室內(nèi)自收集式汽車尾氣降解試驗(yàn)，以流動(dòng)的汽車尾氣為試驗(yàn)源，NO為指標(biāo)氣體，分析不同納米TiO₂質(zhì)量濃度、尾氣流速、溫度及紫外線輻照度對(duì)汽車尾氣中NO降解效率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：汽車尾氣中NO的降解效率隨納米TiO₂質(zhì)量濃度和尾氣流速的增大先增大后減?。患{米TiO₂的質(zhì)量濃度為40 g/m³，尾氣流速為2.5 m/s時(shí)，NO的降解效率最大；室內(nèi)自收集式汽車尾氣降解試驗(yàn)受外界環(huán)境影響小，溫度和紫外線輻照度小范圍變化對(duì)NO降解效率影響較小。

關(guān)鍵詞：納米TiO₂；光催化；汽車尾氣；NO降解

中圖分類號(hào)：U414；U491.9⁺2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(shù)［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，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(xù)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(zhǎng)期吸收會(huì)極大地?fù)p害人體器官，引發(fā)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(zhì)量對(duì)提高居民生活質(zhì)量、打造宜居城市至關(guān)重要。

車輛限行等措施僅在短期內(nèi)可有效控制汽車尾氣^[6]，推廣新能源汽車、改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能及應(yīng)用機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)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(dǎo)致汽車尾氣污染難題無(wú)法得到有效解決。近年來(lái)，光催化降解汽車尾氣技術(shù)成為學(xué)者的研究重點(diǎn)之一^[9-10]。在制備高催化活性納米TiO₂及提高光催化反應(yīng)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(jié)構(gòu)，通過(guò)光催化制氫和光催化降解四環(huán)素試驗(yàn)篩選光催化活性最好的TiO₂納米棒；楊振等^[12]采用陽(yáng)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(guò)比較不同分散劑對(duì)納米TiO₂分散液的分散作用，研究分散劑對(duì)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(cè)定其降解汽車尾氣的能力；黃海舟等^[15]通過(guò)瀝青混合料尾氣降解試驗(yàn)分析納米TiO₂降解汽車尾氣的規(guī)律，并介紹國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用實(shí)例；李夢(mèng)晨等^[16]建立瀝青路面降解汽車尾氣試驗(yàn)全過(guò)程的質(zhì)量控制指標(biāo)體系。在汽車尾氣降解效果測(cè)試設(shè)備方面，譚憶秋等^[17]解決現(xiàn)有試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備不具備光催化反應(yīng)所需光條件，測(cè)試設(shè)備使用范圍受限的問題；杜丹豐等^[18]通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)和分析降解材料對(duì)汽車尾氣有害成分的降解效能。已有文獻(xiàn)多探究靜態(tài)降解汽車尾氣模式，對(duì)流動(dòng)狀態(tài)下汽車尾氣的降解效率研究較少。

本文設(shè)計(jì)室內(nèi)自收集式汽車尾氣降解裝置，以納米TiO₂為催化劑，采用動(dòng)態(tài)檢測(cè)法，保持汽車尾氣持續(xù)供應(yīng)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究尾氣的流動(dòng)速度、光催化劑濃度等因素對(duì)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(nèi)自收集式汽車尾氣降解試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 納米TiO₂光催化降解汽車尾氣機(jī)理

在光照作用下，納米TiO₂晶體結(jié)構(gòu)中的電子被光能激發(fā)至價(jià)帶，產(chǎn)生電子-空穴，在納米TiO₂晶格中分離。電子被激發(fā)到導(dǎo)帶形成自由電子，空穴留在價(jià)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(fā)生反應(yīng)，電子還原氧分子或氧化劑，產(chǎn)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(chǎn)生有極強(qiáng)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(yīng)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(yàn)裝置及設(shè)備

在試驗(yàn)裝置中設(shè)置主動(dòng)控制變量部件，可改變汽車尾氣流動(dòng)速度與光催化劑濃度，室內(nèi)自收集式汽車尾氣降解裝置如圖1所示。汽車尾氣由進(jìn)氣管1進(jìn)入，在集氣箱中沉積到穩(wěn)定濃度后，由風(fēng)量控制器控制尾氣，經(jīng)進(jìn)氣管2進(jìn)入反應(yīng)室，開啟紫外線高壓汞燈后，標(biāo)志試驗(yàn)開始，尾氣經(jīng)反應(yīng)室降解后，通過(guò)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(zhì)中，形成高度分散化、均勻化和穩(wěn)定化的透明液體，其氧化性能強(qiáng)，無(wú)毒無(wú)害，化學(xué)穩(wěn)定性良好；選取PLT300-NO泵吸式氣體檢測(cè)儀，儀器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精確；SWEVY SW-6036風(fēng)速儀記錄風(fēng)速、攝氏溫度、濕度，檢測(cè)試驗(yàn)環(huán)境；選取GY250紫外線高壓汞燈，主要波段為315～450 nm，主波長(zhǎng)為365 nm。

1.3 試驗(yàn)條件及流程

根據(jù)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)大系統(tǒng)數(shù)據(jù)和全國(guó)各地區(qū)光照強(qiáng)度，確定本試驗(yàn)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(shí)，納米TiO₂的催化速率隨溫度上升而增大，超過(guò)25 ℃時(shí)，攝氏溫度對(duì)納米TiO₂催化劑的影響較小^[21]。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)所的實(shí)際情況及試驗(yàn)中溫度控制的精準(zhǔn)性要求，本試驗(yàn)設(shè)置攝氏溫度為25～26 ℃。結(jié)合氣象局統(tǒng)計(jì)的風(fēng)速及國(guó)內(nèi)外關(guān)于光催化試驗(yàn)中納米TiO₂質(zhì)量濃度的研究^[22-23]，設(shè)定尾氣流動(dòng)速度分別為2.0、2.5、3.0、4.0、5.0、6.0 m/s；納米TiO₂質(zhì)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(biāo)氣體，采用流動(dòng)性尾氣進(jìn)行光催化降解效率試驗(yàn)，需嚴(yán)格控制環(huán)境因素對(duì)試驗(yàn)的干預(yù)，具體試驗(yàn)流程為：1）將試驗(yàn)車輛的排氣管與尾氣收集箱相連，啟動(dòng)試驗(yàn)車輛，穩(wěn)定在空擋怠速工況，讓尾氣充滿整個(gè)試驗(yàn)裝置，排出儀器內(nèi)部原有空氣；2）在反應(yīng)室內(nèi)均勻噴灑納米TiO₂分散液；3）檢測(cè)調(diào)整進(jìn)氣管口處的初始流速，控制汽車尾氣流速達(dá)到試驗(yàn)要求；4）通過(guò)紫外線高壓汞燈控制試驗(yàn)的開始與結(jié)束，開啟紫外線高壓汞燈開始光催化過(guò)程，關(guān)閉紫外線高壓汞燈結(jié)束光催化過(guò)程；5）將NO空氣檢測(cè)儀分別放置在反應(yīng)室的進(jìn)氣口與排氣口處，實(shí)時(shí)觀測(cè)NO的體積分?jǐn)?shù)，待其相對(duì)恒定時(shí)，記錄觀測(cè)數(shù)值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 納米TiO₂質(zhì)量濃度對(duì)尾氣中NO降解效率的影響

不同納米TiO₂質(zhì)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(zhì)量濃度的增大，NO降解效率先增大后減??；納米TiO₂濃度較小時(shí)，不同尾氣流速下NO降解效率均較小，原因是納米TiO₂質(zhì)量濃度較小時(shí)，無(wú)法起到有效的催化作用；納米TiO₂質(zhì)量濃度為40 g/m³時(shí)，不同尾氣流速下NO降解效率均最大；納米TiO₂質(zhì)量濃度大于40 g/m³時(shí)，光催化劑分子團(tuán)聚，阻礙部分NO分子結(jié)合，NO的降解效率減小。

2.2 尾氣流速對(duì)尾氣中NO降解效率的影響

不同尾氣流速、不同納米TiO₂質(zhì)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(zhì)量濃度下，尾氣流速為2.0～2.5 m/s時(shí)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(shí)，降解效率最大，原因是隨尾氣流速的增大，反應(yīng)室內(nèi)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(shí)，NO降解效率隨尾氣流速的增大而持續(xù)減小，原因是尾氣流速過(guò)大會(huì)阻礙NO與納米TiO₂的接觸，導(dǎo)致降解效率減小。

2.3 溫度對(duì)尾氣中NO降解效率的影響

尾氣流速為2.5 m/s，納米TiO₂質(zhì)量濃度為40 g/m³時(shí)，NO降解效率最佳，以此組合為前提，分析溫度對(duì)尾氣中NO降解效率的影響。通過(guò)外置采暖設(shè)備對(duì)試驗(yàn)區(qū)域升溫，測(cè)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(dāng)升溫后，光催化降解效率增大，但增幅較小，對(duì)NO的降解效率影響較小。

2.4 紫外線輻照度對(duì)尾氣中NO降解效率的影響

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

3 結(jié)論

為分析光催化降解汽車尾氣技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)，設(shè)計(jì)室內(nèi)自收集式汽車尾氣降解裝置進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分析不同納米TiO₂質(zhì)量濃度、尾氣流速、溫度及光照對(duì)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(zhì)量濃度的增大，NO降解效率先增大后減小，納米TiO₂質(zhì)量濃度為40 g/m³時(shí)汽車尾氣的降解效率最大。

2）納米TiO₂質(zhì)量濃度不變時(shí)，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(shí)NO降解效率最大。

室內(nèi)自收集式汽車尾氣降解技術(shù)受外界環(huán)境影響小，溫度和紫外線輻照度的變化范圍較小，對(duì)汽車尾氣中NO降解效率影響較小，降解效果較穩(wěn)定。下一步可研究外界環(huán)境因素對(duì)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(zé)任編輯：趙玉真）