CN105089219A - 外墙瓷砖表面结构、形成方法及用于公共区域pm2.5末端治理 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外墙瓷砖表面结构、形成方法及用于公共区域PM2.5末端治理，其特征在于：结合仿生学分析植物结构特征对PM2.5的滞阻机理，建立表面结构和材料对PM2.5的滞阻作用模型，从而通过工程技术加工出具有多尺度复杂微结构的建筑物外墙瓷砖，实现PM2.5高效滞阻的目的；同时在多尺度复杂微结构上制备光触媒材料(TiO2)，通过光催化作用降低PM2.5前体物浓度，达到进一步降低PM2.5浓度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护领域，特别涉及一种建筑物外表面特殊结构的形成技术，以及利用该建筑物外表面特殊结构对公共区域PM2.5末端的治理。
背景技术
随着经济的快速发展，城市化的加速推进，我国能源消耗以及由此产生的大气污染物排放总量不断增加，空气质量面临严峻挑战。尤其是大气PM2.5(PM：Particulatematter,颗粒物)的污染，不仅导致灰霾现象，且对人体健康产生严重威胁。近年来，全国许多城市(尤其是华北和华东地区)有关PM2.5指数爆表的新闻频频见诸报端，令民众堪忧。
总的说来，要减少PM2.5的危害可从三个方面入手：
(1)源头治理，即通过控制煤炭燃烧总量与汽车保有总量、对燃煤进行脱硫脱硝、提升燃油品质、在排气口安装净化装置等来减少PM2.5及其前体物(SO2、NOX、NH3等)的排放；
(2)末端治理，即对已经排放到大气中的PM2.5及其前体物，通过各种手段(如树叶吸附、喷雾沉降、光催化氧化还原反应等)捕获PM2.5或反应掉前体物；
(3)个人防护，即通过佩戴仿PM2.5口罩等手段来减少PM2.5对人体的侵入。
PM2.5的三种不同治理策略，参与的主体是不同的，其效果和社会效应也是不同的，如图3所示。其中，源头治理最为普遍，为实现PM2.5浓度5年内降20％而提出的应对策略也大多属于这一类。源头治理由政府主导，更多取决于国家政策和产业方向。考虑到我国以煤为主的能源结构现状在相当长的时期内难以改变、汽车保有总量仍将不可避免地持续增长、对燃煤进行完全脱硫脱硝在技术和政策执行上还存在现实困难、产业结构升级难以一蹴而就，仅依靠源头治理来实现PM2.5污染的有效降低是远远不够的。
而PM2.5末端治理作为源头治理的重要补充，应受到更多重视。由于技术水平限制和政府主导的局限性，导致目前末端治理主要集中在公共区域绿化与个人或私人空间空气治理两个方面，在形式上为绿化植被与各种室内空气净化装置。而户外大面积的公共区域，有着大量的建筑物外表面，这些建筑物的表面目前只是作为保护、装饰等功能，没有空气治理的能力。如果让公众参与末端治理，通过大面积的建筑外表面实现公共区域PM2.5的治理，使公众能够受益，将是一项有益全社会的公益进步事业。
发明内容
本发明的目的是使公共区域大量建筑物的外表面具有滞阻污染并降低PM2.5浓度、净化空气功能，提高民众的空气质量公共区域末端治理的意识。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种外墙砖表面结构，其特征在于，由多尺度复杂微结构在瓷砖表面连续排列而成，所述多尺度复杂微结构是指：在一个槽宽、槽高均相等的第一代沟槽基础上，采用不多于三次的自相似迭代规则，每次迭代在该沟槽截面的一个沟底及两侧沟沿上均复制缩小1/3后的下一代沟槽；在每个多尺度复杂微结构上面均沉积有TiO2纳米颗粒。
上述方案中，所述槽宽、槽高均为10mm。所述迭代为三次，共产生四代多尺度复杂微结构。
一种前述外墙砖表面结构形成方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)通过压制成型模具制备出具有多尺度复杂微结构表面的外墙砖；
(2)对该外墙砖进行清洗、烘干；
(3)将TiO2前驱溶液涂覆在该外墙砖的所有的多尺度复杂微结构上；
(4)涂覆完成后，经自然冷却、高温烘干，所述多尺度复杂微结构上即可牢固附着TiO2纳米颗粒。
上述方法中，所述清洗分为三步，分别是：丙酮清洗、酒精清洗和清水清洗。所述涂覆采用喷雾匀胶机完成。所述高温烘干是指：先90℃烘30min，后500℃烘2.5h。
一种前述外墙砖表面结构的用途，其特征在于，将具有多尺度复杂微结构表面外墙砖贴于建筑物上，该外墙砖多尺度复杂微结构表面将空气中的PM2.5颗粒捕获，并通过多尺度复杂微结构表面的TiO2光触媒将PM2.5前体物催化分解生成无害气体释放、或生成相关非气态产物滞留于该多尺度复杂微结构中，并在被雨水冲刷下从地面排走，实现对公共区域PM2.5的末端治理。
本发明把原本用来装饰或保护的建筑的外墙砖利用起来，通过表面设计与加工，使其具有有效滞阻PM2.5、净化空气的功能。多尺度复杂微结构和光触媒的应用，使建筑表面成为和绿化植物类似，甚至在某些方面具有更优越的功能(比如城市绿化用地毕竟有限)。从某种意义上讲，项目的实施大致可以等效城市的绿化面积成倍增加，以改善当前雾霾天气状况，净化排放的有害气体，增强公众健康、使生活更加安全舒适。
附图说明
以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为公共区域末端治理方法原理图。
图中：1、PM2.5颗粒；2、PM2.5前体物(如SO2、NO、NH3其他有机成分等)；3、无害气体；4、外墙砖表面结构及其上沉积的TiO2纳米颗粒；5、多尺度复杂表面外墙砖；6、雨水。
图2为本发明外墙砖多尺度复杂表面的断面结构。其中，a图为基本结构(第一代)；b图为第二代结构；c图为第三代结构；d图为第四代结构。
图3为外墙砖多尺度复杂表面沉积TiO2纳米颗粒示意图(第二代结构)。
图中：7、墙瓷基底；8、图2中的多尺度复杂表面结构；9、瓷砖表面沉积的TiO2纳米颗粒。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种公共区域末端治理方案：在建筑物表面设置本发明具有多尺度微结构的外墙砖5，当空气中的PM2.5颗粒1碰撞或接触建筑物表面后，被外墙砖多尺度复杂表面结构滞阻而附着于其上，该多尺度复杂结构表面可附着较多的颗粒，并使其在风力及震动作用下再次逃逸的几率下降。此外，该外墙砖多尺度复杂表面上还沉积有纳米颗粒的TiO2，当该材料暴露在阳光之下，可对PM2.5前体物2(如SO2、NO、NH3其他有机成分等)进行光催化分解，生成无害气体3，并返回大气，或生成相关非气态产物滞留于外墙砖多尺度复杂表面。通过这种方式，可以减少PM2.5的产生，其反应公式如下：
在雨天，得益于TiO2的超疏水性质，外墙砖多尺度复杂表面沉积的PM2.5、以及由光催化反应生成的非气态物质可被雨水6冲刷掉，最终进入地下排污系统，从而实现对PM2.5的末端治理。
参考图2，在本发明外墙砖多尺度复杂表面结构设计中，考虑成型瓷砖磨具的成本因素，基本结构(第一代)为一个沟槽(a图)尺度为10mm×10mm(槽宽×槽高)，采用不多于三次的自相似迭代规则，每次迭代在该沟槽截面的一个沟底及两侧沟沿上均复制缩小1/3后的下一代子沟槽结构；第一次迭代见b图；接着，在每个子沟槽结构上采用相同的迭代规则，进行第二次迭代,得到c图的第三代沟槽结构(孙沟槽尺度为基本结构的1/9)；最后通过第三次迭代组成图d的第四代沟槽结构(重孙沟槽尺度为基本结构的1/27)。
参考图3，外墙砖多尺度复杂表面可通过压制成型模具的设计实现。多尺度复杂表面沉积TiO2纳米颗粒的方法，包括如下步骤：
(1)对外墙砖多尺度复杂表面8依次用丙酮、酒精和清水进行各5min的清洗，在100℃的温度下烘干。
(2)利用匀胶机(奥地利EVG公司出品的101CS喷雾匀胶机)将TiO2前驱液旋涂到外墙砖多尺度复杂表面上，旋涂参数如下：低速400r/min,5s，高速2000r/min，30s。
(3)旋涂完成后，自然冷却，先90℃烘30min，后500℃烘2.5h，最后，外墙砖多尺度复杂表面8上即可附着TiO2纳米颗粒9。
本发明基于PM2.5的滞阻机理，建立表面结构和材料对PM2.5的滞阻作用模型，从而通过工程技术加工出具有相应功能的建筑物外墙砖多尺度复杂表面结构，实现对PM2.5高效滞阻的目的，后在外墙砖多尺度复杂表面上制备光触媒材料，通过光催化作用降低PM2.5前体物浓度，达到进一步降低PM2.5的目的，使公共区域PM2.5末端治理取得显效。
Claims (8)
1.一种外墙砖表面结构，其特征在于，由多尺度复杂微结构在瓷砖表面连续排列而成，所述多尺度复杂微结构是指：在一个槽宽、槽高均相等的第一代沟槽基础上，采用不多于三次的自相似迭代规则，每次迭代在该沟槽截面的一个沟底及两侧沟沿上均复制缩小1/3后的下一代沟槽；在每个多尺度复杂微结构上面均沉积有TiO2纳米颗粒。
2.如权利要求1所述的外墙砖表面结构，其特征在于，所述槽宽、槽高均为10mm。
3.如权利要求1所述的外墙砖表面结构，其特征在于，所述迭代为三次，共产生四代多尺度复杂微结构。
4.一种权利要求1所述外墙砖表面结构的形成方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)通过压制成型模具制备出具有多尺度复杂微结构表面的外墙砖；
(2)对该外墙砖进行清洗、烘干；
(3)将TiO2前驱溶液涂覆在该外墙砖的所有的多尺度复杂微结构上；
(4)涂覆完成后，经自然冷却、高温烘干，所述多尺度复杂微结构上即可牢固附着TiO2纳米颗粒。
5.如权利要求4所述的外墙砖表面结构的形成方法，其特征在于，所述清洗分为三步，分别是：丙酮清洗、酒精清洗和清水清洗。
6.如权利要求4所述的外墙砖表面结构的形成方法，其特征在于，所述涂覆采用喷雾匀胶机完成。
7.如权利要求4所述的外墙砖表面结构的形成方法，其特征在于，所述高温烘干是指：先90℃烘30min，后500℃烘2.5h。
8.一种权利要求1所述外墙砖表面结构的用途，其特征在于，将具有多尺度复杂微结构表面外墙砖贴于建筑物上，该外墙砖多尺度复杂微结构表面将空气中的PM2.5颗粒捕获，并通过多尺度复杂微结构表面的TiO2光触媒将PM2.5前体物催化分解生成无害气体释放、或生成相关非气态产物滞留于该多尺度复杂微结构中，并在被雨水冲刷下从地面排走，实现对公共区域PM2.5的末端治理。
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