CN105170083A - 利用活性炭吸附性提高沥青路面对汽车尾气降解效果的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种于利用活性炭多孔吸附性能负载纳米二氧化钛(TiO₂)提高沥青路面对汽车尾气降解效果的方法，属于汽车尾气治理技术领域，解决目前沥青路面负载的TiO₂光催化效率低、降解效果差的问题。先通过溶胶-凝胶法制备纳米TiO₂溶胶，并使活性炭与TiO₂溶胶充分混合后，在真空负压下通过浸渍法负载纳米TiO₂，煅烧制得活性炭-TiO₂复合光催化剂；采用扫描电镜，比表面氮吸附仪器表征该复合光催化材料的吸附效果，并结合其对汽车尾气降解实验结果确定TiO₂最佳负载量；然后把负载TiO₂的活性炭颗粒作为细集料以不同掺量添加到沥青混合料中成型沥青混合料试件，测试试件对汽车尾气降解效能和各项路用性能，确定该复合光催化剂的最佳掺量，提高沥青路面降解汽车尾气效果。

Description

利用活性炭吸附性提高沥青路面对汽车尾气降解效果的方法

技术领域

本发明是一种于利用活性炭的多孔高吸附性能负载纳米二氧化钛(TiO₂)提高沥青路面对汽车尾气降解效果的方法，属于汽车尾气治理技术领域。

背景技术

随着经济的快速发展，我国的汽车保有量急剧增加，汽车尾气问题也日趋严峻。研究者们对降低汽车尾气污染的相关工作也持续了近半个世纪，虽然有越来越多的新材料、新技术、新措施应用于尾气净化上，但机动车尾气污染仍然得不到较好的解决，各种各样的尾气净化技术有其局限性。近年来，纳米光催化技术发展迅速，几乎能降解所有的污染物，并且具有反应条件温和、能耗低、二次污染少等突出的优点，因此在环境污染治理中的开发应用发展很快，道路工作研究者们考虑从汽车的载体-路面入手，开发一种新型的可降解汽车尾气的路面材料，以路面为载体，降解汽车尾气。到目前为止，这项新技术在国际上已取得了一定的成果，证实了其应用的可行性。日本、英国、意大利等国家已经开始了这方面的研究并通过对实际测试路段的分析总结，取得了一定的成果。特别是日本，已经将可降解汽车尾气中氮氧化物成分的沥青混合料研究作为开发一种新型的路面材料提上了研究日程。沥青路面作为我国公路、城市道路和机场道面的主要铺装形式，这种新型光催化材料可利用沥青路面为载体通过添加到沥青混合料的方式形成光催化环保路面，以达到吸附、降解有害气体，净化空气的目的。

但是，将TiO₂作为光降解材料应用于沥青路面还存在一些问题有待解决。首先，由于TiO₂光催化剂自身对污染物的吸附性差，污染物在催化剂表面难以富集，致使污染物分子与TiO₂分子碰撞减少，光催化效应发挥不完全，光降解效率低；其次，纳米TiO₂的比表面积大，比表面能高，是热力学不稳定体系，由于范德华力和库仑力的存在促使表面粒子相互依靠，形成硬团聚和软团聚，导致纳米TiO₂在沥青混合料中分散性较差，致使纳米TiO₂失去应有的功能和物理性质，在降解污染物时，催化效果较差；最后，由于沥青表现出亲油憎水性，与无机TiO₂的亲水憎油性相冲突，如直接提高TiO₂负载量，会影响沥青混合料路用性能。所以，考虑如何提高沥青路面负载的TiO₂光催化性能的同时不严重影响沥青混合料路用性能尤为重要。

为了解决上述问题，近年来研究者开始致力于结合物理吸附和化学降解作用，将催化剂负载于吸附材料上，制备具有协同效应的吸附型光催化反应器。因此，考虑将纳米TiO₂负载于强吸附材料上，制备吸附型光催化复合材料可有效解决纳米TiO₂在沥青路面中负载量小和光催化效率低的问题。在众多吸附型材料中，活性炭作为一种多孔吸附材料，由于其特殊比表面积和孔隙结构，以及较强的吸附性能，可以提高TiO₂表面氧与污染物物的浓度，增大污染气体与光催化材料的接触面积。

所以，本发明以活性炭为载体，通过利用活性炭的多孔高吸附性能，以提高沥青路面中纳米TiO₂的负载量，减少对沥青路面使用性能影响，同时可避免直接添加TiO₂带来的分散不均匀，导致光催化效率低，从而充分利用纳米TiO₂的光催化性能，对基于沥青路面载体净化空气质量具有重要的现实意义。

发明内容

(1)技术问题

本发明是一种于利用活性炭的高吸附特性，通过吸附与降解的协同作用提高沥青路面负载的纳米TiO₂对汽车尾气的光催化降解效率和降解效果的方法，解决目前沥青路面负载的纳米TiO₂光催化效率低、降解效果差的问题。

(2)技术方案

目前常采用直接掺加TiO₂的方法难以提高沥青路面降解汽车尾气的效果，且影响沥青路面的使用性能和耐久性。本发明利用活性炭多孔高吸附性的特点，通过溶胶-凝胶法制备纳米TiO₂溶胶，在TiO₂溶胶状态下采用磁力搅拌器高速搅拌使活性炭与TiO₂溶胶充分混合后，在真空负压下通过浸渍法负载纳米TiO₂，煅烧得到活性炭-TiO₂复合光催化材料。通过扫描电镜，比表面氮吸附仪器表征该复合光催化材料的吸附效果，并结合其对汽车尾气降解实验结果确定TiO₂最佳负载量，然后把负载TiO₂的活性炭颗粒作为细集料以不同掺量添加到沥青混合料中成型沥青混合料车辙板试件，测试该试件对汽车尾气降解效能和沥青混合料的各项路用性能，确定最佳活性炭-TiO₂复合光催化材料掺量。

(3)有益效果

纳米TiO₂由于其良好的光催化性，可用于沥青路面中降解汽车尾气，净化空气环境。但在沥青路面中，由于沥青结构致密，汽车尾气基本上不能透入内部，并且沥青的颜色为黑色，对光线有较强的吸收作用和较弱的透光性，大大减弱了到达位于沥青混合料内部的光催化材料的光强，沥青混合料内部的光催化剂不能充分的接触反应物质和紫外光，只有表面极少量的光催化剂发挥微弱的光催化活性。而由于无机TiO₂表现出的亲水憎油性，过大掺杂量直接添加纳米TiO₂又会严重影响沥青路面路用性能。本发明提供一种基于活性炭多孔高吸附性的特点，先采用溶胶-凝胶-浸渍法负载纳米TiO₂，制备活性炭-TiO₂复合光催化材料并用于沥青路面，其与沥青表现出的同样的亲油憎水性有利于提高纳米TiO₂在沥青路面中的分散能力，且由于活性炭多孔特征和吸附的性能，通过其与纳米TiO₂的吸附与降解的协同作用提高沥青路面负载的纳米TiO₂对汽车尾气的光催化降解效率和降解效果，同时可减少对沥青混合料路用性能影响，提高沥青路面耐久性。

具体实施方式

本发明是一种于利用活性炭的多孔高吸附性能负载纳米二氧化钛(TiO₂)提高沥青路面对汽车尾气降解效果的方法，具体实施步骤如下：

(1)取适量的活性炭颗粒，放入烧杯中，加入一定量的蒸馏水，加热至沸腾后，倒出沸腾液，再换取一定量的蒸馏水，加热至沸腾后倒出，反复三次，然后放入烘箱中，在80℃下干燥12小时，从而去除活性炭在存放过程中所吸附的杂质，完成活性炭预处理；

(2)采用溶胶-凝胶法制备TiO₂溶胶，在TiO₂溶胶中采用磁力搅拌器高速搅拌的状态下按照活性炭颗粒与TiO₂的不同掺量比例缓慢加入干燥后的活性炭，继续搅拌3小时使活性炭与TiO₂溶胶充分混合后，放入真空设备内真空负压浸渍2小时，在电热恒温鼓风干燥箱干燥内12小时后，在500℃的马弗炉中煅烧2小时制得活性炭-TiO₂复合光催化材料；

(3)利用扫描电镜，比表面氮吸附仪测试活性炭-TiO₂复合光催化材料的吸附效果，并结合活性炭-TiO₂复合光催化材料对汽车尾气降解实验结果，确定活性炭对纳米TiO₂最佳负载量；

(4)沥青混合料配合比设计和制备过程中，把负载TiO₂的活性炭颗粒作为细集料以不同掺量添加到沥青混合料中，成型沥青混合料车辙板试件，测试活性炭-TiO₂复合光催化剂不同掺量的车辙试件对汽车尾气降解效能影响；

(5)利用添加不同掺量活性炭-TiO₂复合光催化剂制备的沥青混合料成型各种试件，分别测试沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，根据这些路用性能测试结果，并结合汽车尾气降解效能，确定沥青混合料中活性炭-TiO₂复合光催化剂最佳掺量。

Claims (1)

1.本发明是一种于利用活性炭的多孔高吸附性能负载纳米二氧化钛(TiO2)提高沥青路面对汽车尾气降解效果的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)取适量的活性炭颗粒，放入烧杯中，加入一定量的蒸馏水，加热至沸腾后，倒出沸腾液，再换取一定量的蒸馏水，加热至沸腾后倒出，反复三次，然后放入烘箱中，在80℃下干燥12小时，从而去除活性炭在存放过程中所吸附的杂质，完成活性炭预处理；

(2)采用溶胶-凝胶法制备TiO₂溶胶，在TiO₂溶胶中采用磁力搅拌器高速搅拌的状态下按照活性炭颗粒与TiO₂的不同掺量比例缓慢加入干燥后的活性炭，继续搅拌3小时使活性炭与TiO₂溶胶充分混合后，放入真空设备内真空负压浸渍2小时，在电热恒温鼓风干燥箱内干燥12小时后，在500℃的马弗炉中煅烧2小时制得活性炭-TiO₂复合光催化材料；

(3)利用扫描电镜，比表面氮吸附仪测试活性炭-TiO₂复合光催化材料的吸附效果，并结合活性炭-TiO₂复合光催化材料对汽车尾气降解实验结果，确定活性炭对纳米TiO₂最佳负载量；

(4)沥青混合料配合比设计和制备过程中，把负载TiO₂的活性炭颗粒作为细集料以不同掺量添加到沥青混合料中，成型沥青混合料车辙板试件，测试活性炭-TiO₂复合光催化剂不同掺量的车辙试件对汽车尾气降解效能影响；

(5)利用添加不同掺量活性炭-TiO₂复合光催化剂制备的沥青混合料成型各种试件，分别测试沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，根据这些路用性能测试结果，并结合汽车尾气降解效能，确定沥青混合料中活性炭-TiO₂复合光催化剂最佳掺量。