CN108912790A - 隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料 - Google Patents

Abstract

本发明属于光催化活性原料制备技术领域，公开了一种隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料，所述隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料及制备系统包括：称取模块、静置模块、焙烧模块、配料模块、研磨模块、过滤模块、封装模块。本发明制备的二氧化钛具有颗粒尺寸小，比表面积大，团聚小的优点，通过改变反应过程中加入的固体有机羧酸的种类，得到具有不同纳米结构单元的二氧化钛光催化剂；同时本发明所提供的具有可见光催化功能的环保涂料具有光吸收能力强的优点；本发明所提供的具有可见光催化功能的环保涂料能拓宽光催化技术的应用范围，在可见光下即可净化空气，降解有害物质。

Description

隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料

技术领域

本发明属于光催化活性原料制备技术领域，尤其涉及一种隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料。

背景技术

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。隧道可分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、矿山隧道。隧道的结构包括主体建筑物和附属设备两部分。主体建筑物由洞身和洞门组成，附属设备包括避车洞、消防设施、应急通讯和防排水设施，长大隧道还有专门的通风和照明设备。然而，公路隧道运营期间由于汽车排放出的废气含CO、氮的氧化物和烟雾，对人的健康及行车安全影响较大，但目前隧道内废气的处理一般采取通风换气的方式，不能从根本上解决隧道空气品质差的问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术中二氧化钛在使用过程中对太阳光的利用率较低，特别是在可见光范围内并不具有催化活性；制备的二氧化钛一般产率低，比表面积小，光催化活性不理想；同时由二氧化钛制备的光催化功能的环保涂料净化空气能力差，光吸收能力弱；

(2)反应釜热量损失，温度不宜控制在理想范围，易影响反应物的转化；烘干箱的效果不佳，温度波动幅度较大；球磨机对原料的研磨程度不佳，且均匀性较差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料及制备方法。

本发明是这样实现的，一种隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备方法，所述隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备方法包括以下步骤：

步骤一，通过称取模块称取3.5g草酸于聚四氟乙烯高压反应釜中，快速滴加1g钛酸丁酯，然后往反应釜中加入10ml无水乙醇；

步骤二，通过静置模块将反应釜置于180℃烘箱中静置反应24h；接着，通过焙烧模块在自然冷却至室温，洗涤，60℃下干燥，将所得干燥粉末在空气中焙烧，即可得到二氧化钛粉末；

步骤三，通过配料模块将二氧化钛粉末、氧化铁与氧化锌、氧化锡、钛酸锶、还原石墨烯、硅酸盐、无水石膏粉、钛白粉、粉末抗结剂、固体调理剂、无机颜料、填料进行混合；

步骤四，通过研磨模块将混合的原料加入球磨机中，在710-1500转/分钟速度下研磨0.6-6小时；接着，通过过滤模块用300-400目滤网过滤；

步骤五，通过封装模块将加工好的涂料装入封装容器中，充入压力为0.11MPa-0.13MPa的氮气进行封装。

进一步，所述硅酸盐采用硅酸钠，硅酸钾，硅酸锂，硅酸钙，硅酸镁或硅酸铝中的一种或任意几种的混合物。

进一步，所述填料采用石灰石、氧化锌、重晶石、石英、绢云母或磷酸钙中的一种或任意几种的混合物。

进一步，所述反应釜对温度的控制如下：热量平衡关系为

其中，反应釜内蓄热量的变化，Q₁放出热量，Q₂除去热量；反应器内化学反应所产生的热量如下：

式中，G为反应物的质量流量，Kg/s；ρ为反应物的密度，kg/m³；X₀为反应物的浓度，H为每摩尔的反应热J/mol；c为转化率；

发明所用的反应物和反应釜冷却带走的热量总和为：

Q₂＝Gc_p(T-T_f)+KF(T-T_C)；

其中，T_c为冷却剂的入口温度；T_f、T分别表示反应釜内的温度；C_p为反应物的比热容；K为载热体与反应器内物料总传热系数；F为传热面积；

反应釜内的热量变化为：

其中，v为反应釜的容积；

综上，得到反应釜的动态方程式：

将上式进行增量化，且ΔT＝0，得到下式：

其中，转化率式温度和反应物浓度的函数，即C＝(T，x)；

x变化很小，即x＝x₀；上式可化为：

经拉氏变换，上式化为：

式中，

所述烘干箱的热力学系统模型如下：

拉普拉斯变换，得到根据Q，θ_e和系数参数关于θ_a的表达式。

θ_a＝(Q+θ_e/R_f)/(R_f(1+R_mC_mp)/(1+(R_mC_m+R_fC_m+R_fC_a)p+R_fR_mCmC_ap²))

θ_m/θ_a＝1/(1+R_mC_mp)；

其中，Q烘箱的热能源、Ra减少导管向机箱传播的热电阻、C_a机箱的热容、R_m降低测量洞中烘箱热循环热电阻、C_m测量洞热容、R_f降低朝烘箱外的热循环的泄漏热电阻、C_e烘箱外的热容，θ_a、θ_m、θ_e分别表示烘箱机箱、测量洞和烘箱外温度；

所述球磨机对混合原料的研磨如下：

S_c(t)＝S_c(t-1)+[G_m(t)-F_L(t)/3.6]×DT；

式中，S_c为球磨机内存原料量kg；G_m为给料量kg/s；F_L为球磨机所出力kg/s；D_T为间隔时间s；

G_m(t)＝n_g(t)×m(t)；

式中，n_g为球磨机转速r/s，m为单位转速原料量kg/r；

L_c(t)＝L₀(t)-L(t)；

式中，Lc为料位差值％；L₀为料位设定值％；L为实际料位％；

k₁(t)＝k_h(t)×J_m(t)；

式中，k₁为护甲现状对出力修正系数；k_h为护甲形状系数；J_m为护甲磨损使出力降低修正系数；

式中，φ为钢球充满系数％；G为钢球装载量t；ρ_gq为钢球本身密度t/m³；V为筒体体积(m³；

式中，ρ_m为球磨机中添加料的密度t/m³；M_gq为钢球装载量t；ρ_gq为球磨机中添加料的密度t/m³；

式中，为实际通风与最佳通风之比m³/h；V_tf为通风量m³/h；为最佳通风量m³/h。

本发明的另一目的在于提供一种所述隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备方法使用的制备系统，所述制备系统包括：

称取模块、静置模块、焙烧模块、配料模块、研磨模块、过滤模块、封装模块；

称取模块，与静置模块连接，用于称取3.5g草酸于聚四氟乙烯高压反应釜中，快速滴加1g钛酸丁酯，然后往反应釜中加入10ml无水乙醇；

静置模块，与称取模块、焙烧模块连接，用于密封好之后将反应釜置于180℃烘箱中静置反应24h；

焙烧模块，与静置模块、配料模块连接，用于自然冷却至室温，洗涤，60℃下干燥，将所得干燥粉末在空气中焙烧，即可得到二氧化钛粉末；

配料模块，与焙烧模块、研磨模块连接，用于将二氧化钛粉末、氧化铁与氧化锌、氧化锡、钛酸锶、还原石墨烯、硅酸盐、无水石膏粉、钛白粉、粉末抗结剂、固体调理剂、无机颜料、填料进行混合；

研磨模块，与配料模块、过滤模块连接，用于将混合的原料加入球磨机中，在710-1500转/分钟速度下研磨0.6-6小时；

过滤模块，与研磨模块、封装模块连接，用于涂料研磨完成后先用300-400目滤网过滤；

封装模块，与过滤模块连接，用于将加工好的涂料装入封装容器中，充入压力为0.11MPa-0.13MPa的氮气进行封装。

本发明制备的二氧化钛具有颗粒尺寸小，比表面积大，团聚小的优点，通过改变反应过程中加入的固体有机羧酸的种类，得到具有不同纳米结构单元的二氧化钛光催化剂；同时本发明所提供的具有可见光催化功能的环保涂料具有光吸收能力强的优点；本发明所提供的具有可见光催化功能的环保涂料能拓宽光催化技术的应用范围，在可见光下即可净化空气，降解有害物质；本发明选用具有可见光催化活性的改性纳米氧化铁粉为光催化剂制备成固体粉末涂料，具有成本低、原料易得的优点；减少反应釜热量损失，温度控制良好，利于反应物发生反应；烘干箱的烘干稳定恒定效果好，温度波动幅度小；球磨机对原料的研磨程度好，原料研磨均匀。

附图说明

图1是本发明实施提供的隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备方法流程图；

图2是本发明实施提供的隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备系统结构示意图；

图中：1、称取模块；2、静置模块；3、焙烧模块；4、配料模块；5、研磨模块；6、过滤模块；7、封装模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备方法包括以下步骤：

S101，通过称取模块称取3.5g草酸于聚四氟乙烯高压反应釜中，快速滴加1g钛酸丁酯，然后往反应釜中加入10ml无水乙醇；

S102，通过静置模块将反应釜置于180℃烘箱中静置反应24h；接着，通过焙烧模块在自然冷却至室温，洗涤，60℃下干燥，将所得干燥粉末在空气中焙烧，即可得到二氧化钛粉末；

S103，通过配料模块将二氧化钛粉末、氧化铁与氧化锌、氧化锡、钛酸锶、还原石墨烯、硅酸盐、无水石膏粉、钛白粉、粉末抗结剂、固体调理剂、无机颜料、填料进行混合；

S104，通过研磨模块将混合的原料加入球磨机中，在710-1500转/分钟速度下研磨0.6-6小时；接着，通过过滤模块用300-400目滤网过滤；

S105，通过封装模块将加工好的涂料装入封装容器中，充入压力为0.11MPa-0.13MPa的氮气进行封装。

如图2所示，本发明实施例提供的隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备系统包括：称取模块1、静置模块2、焙烧模块3、配料模块4、研磨模块5、过滤模块6、封装模块7。

称取模块1，与静置模块2连接，用于称取3.5g草酸于聚四氟乙烯高压反应釜中，快速滴加1g钛酸丁酯，然后往反应釜中加入10ml无水乙醇；

静置模块2，与称取模块1、焙烧模块3连接，用于密封好之后将反应釜置于180℃烘箱中静置反应24h；

焙烧模块3，与静置模块2、配料模块4连接，用于自然冷却至室温，洗涤，60℃下干燥，将所得干燥粉末在空气中焙烧，即可得到二氧化钛粉末；

配料模块4，与焙烧模块3、研磨模块5连接，用于将二氧化钛粉末、氧化铁与氧化锌、氧化锡、钛酸锶、还原石墨烯、硅酸盐、无水石膏粉、钛白粉、粉末抗结剂、固体调理剂、无机颜料、填料进行混合；

研磨模块5，与配料模块4、过滤模块6连接，用于将混合的原料加入球磨机中，在710-1500转/分钟速度下研磨0.6-6小时；

过滤模块6，与研磨模块5、封装模块7连接，用于涂料研磨完成后先用300-400目滤网过滤；

封装模块7，与过滤模块6连接，用于将加工好的涂料装入封装容器中，充入压力为0.11MPa-0.13MPa的氮气进行封装。

所述反应釜对温度的控制如下：热量平衡关系为

其中，反应釜内蓄热量的变化，Q₁放出热量，Q₂除去热量；反应器内化学反应所产生的热量如下：

式中，G为反应物的质量流量，Kg/s；ρ为反应物的密度，kg/m³；X₀为反应物的浓度，H为每摩尔的反应热J/mol；c为转化率；

发明所用的反应物和反应釜冷却带走的热量总和为：

Q₂＝Gc_p(T-T_f)+KF(T-T_C)；

其中，T_c为冷却剂的入口温度；T_f、T分别表示反应釜内的温度；C_p为反应物的比热容；K为载热体与反应器内物料总传热系数；F为传热面积；

反应釜内的热量变化为：

其中，v为反应釜的容积；

综上，得到反应釜的动态方程式：

将上式进行增量化，且ΔT＝0，得到下式：

其中，转化率式温度和反应物浓度的函数，即C＝(T，x)；

x变化很小，即x＝x₀；上式可化为：

经拉氏变换，上式化为：

式中，

所述烘干箱的热力学系统模型如下：

拉普拉斯变换，得到根据Q，θ_e和系数参数关于θ_a的表达式；

θ_a＝(Q+θ_e/R_f)/(R_f(1+R_mC_mp)/(1+(R_mC_m+R_fC_m+R_fC_a)p+R_fR_mC_mC_ap²))

θ_m/θ_a＝1/(1+R_mC_mp)：

其中，Q烘箱的热能源、R_a减少导管向机箱传播的热电阻、C_a机箱的热容、R_m降低测量洞中烘箱热循环热电阻、C_m测量洞热容、R_f降低朝烘箱外的热循环的泄漏热电阻、C_e烘箱外的热容，θ_a、θ_m、θ_e分别表示烘箱机箱、测量洞和烘箱外温度；

所述球磨机对混合原料的研磨如下：

S_c(t)＝S_c(t-1)+[G_m(t)-F_L(t)/3.6]×DT；

式中，S_c为球磨机内存原料量kg；G_m为给料量kg/s；F_L为球磨机所出力kg/s；D_T为间隔时间s；

G_m(t)＝n_g(t)×m(t)；

式中，n_g为球磨机转速r/s，m为单位转速原料量kg/r；

L_c(t)＝L₀(t)-L(t)；

式中，Lc为料位差值％；L₀为料位设定值％；L为实际料位％；

k₁(t)＝k_h(t)×J_m(t)；

式中，k₁为护甲现状对出力修正系数；k_h为护甲形状系数；J_m为护甲磨损使出力降低修正系数；

式中，φ为钢球充满系数％；G为钢球装载量t；ρ_gq为钢球本身密度t/m³；V为筒体体积(m³；

式中，ρm为球磨机中添加料的密度t/m³；M_gq为钢球装载量t；ρ_gq为球磨机中添加料的密度t/m³；

式中，为实际通风与最佳通风之比m³/h；V_tf为通风量m³/h；为最佳通风量m³/h。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备方法，其特征在于，所述隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备方法包括以下步骤：

步骤一，通过称取模块称取3.5g草酸于聚四氟乙烯高压反应釜中，快速滴加1g钛酸丁酯，然后往反应釜中加入10ml无水乙醇；

步骤二，通过静置模块将反应釜置于180℃烘箱中静置反应24h；接着，通过焙烧模块在自然冷却至室温，洗涤，60℃下干燥，将所得干燥粉末在空气中焙烧，即可得到二氧化钛粉末；

步骤三，通过配料模块将二氧化钛粉末、氧化铁与氧化锌、氧化锡、钛酸锶、还原石墨烯、硅酸盐、无水石膏粉、钛白粉、粉末抗结剂、固体调理剂、无机颜料、填料进行混合；

步骤四，通过研磨模块将混合的原料加入球磨机中，在710-1500转/分钟速度下研磨0.6-6小时；接着，通过过滤模块用300-400目滤网过滤；

步骤五，通过封装模块将加工好的涂料装入封装容器中，充入压力为0.11MPa-0.13MPa的氮气进行封装。

2.如权利要求1所述的隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备方法，其特征在于，所述硅酸盐采用硅酸钠，硅酸钾，硅酸锂，硅酸钙，硅酸镁或硅酸铝中的一种或任意几种的混合物。

3.如权利要求1所述的隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备方法，其特征在于，所述填料采用石灰石、氧化锌、重晶石、石英、绢云母或磷酸钙中的一种或任意几种的混合物。

4.如权利要求1所述的隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备方法，其特征在于，所述反应釜对温度的控制如下：热量平衡关系为

其中，反应釜内蓄热量的变化，Q₁放出热量，Q₂除去热量；反应器内化学反应所产生的热量如下：

式中，G为反应物的质量流量，Kg/s；ρ为反应物的密度，kg/m³；X₀为反应物的浓度，H为每摩尔的反应热J/mol；c为转化率；

发明所用的反应物和反应釜冷却带走的热量总和为：

Q₂＝Gc_p(T-T_f)+KF(T-T_C)；

其中，T_c为冷却剂的入口温度；T_f、T分别表示反应釜内的温度；C_p为反应物的比热容；K为载热体与反应器内物料总传热系数；F为传热面积；

反应釜内的热量变化为：

其中，v为反应釜的容积；

综上，得到反应釜的动态方程式：

将上式进行增量化，且ΔT＝0，得到下式：

其中，转化率式温度和反应物浓度的函数，即C＝(T，x)；

x变化很小，即x＝x₀；上式可化为：

经拉氏变换，上式化为：

式中，

所述烘干箱的热力学系统模型如下：

拉普拉斯变换，得到根据Q，θ_e和系数参数关于θ_a的表达式；

θ_a＝(Q+θ_e/R_f)/(R_f(1+R_mC_mp)/(1+(R_mC_m+R_fC_m+R_fC_a)p+R_fR_mC_mC_ap²))

θ_m/θ_a＝1/(1+R_mC_mp)；

其中，Q烘箱的热能源、R_a减少导管向机箱传播的热电阻、C_a机箱的热容、R_m降低测量洞中烘箱热循环热电阻、C_m测量洞热容、R_f降低朝烘箱外的热循环的泄漏热电阻、C_e烘箱外的热容，θ_a、θ_m、θ_e分别表示烘箱机箱、测量洞和烘箱外温度；

所述球磨机对混合原料的研磨如下：

S_c(t)＝S_c(t-1)+[G_m(t)-F_L(t)/3.6]×DT；

式中，S_c为球磨机内存原料量kg；G_m为给料量kg/s；F_L为球磨机所出力kg/s；D_T为间隔时间s；

G_m(t)＝n_g(t)×m(t)；

式中，n_g为球磨机转速r/s，m为单位转速原料量kg/r；

L_c(l)＝L₀(t)-L(t)；

式中，Lc为料位差值％；L₀为料位设定值％；L为实际料位％；

k₁(t)＝k_h(t)×J_m(t)；

式中，k₁为护甲现状对出力修正系数；k_h为护甲形状系数；J_m为护甲磨损使出力降低修正系数；

式中，φ为钢球充满系数％；G为钢球装载量t；ρ_gq为钢球本身密度t/m³；V为筒体体积(m³；

式中，ρ_m为球磨机中添加料的密度t/m³；M_gq为钢球装载量t；ρ_gq为球磨机中添加料的密度t/m³；

式中，为实际通风与最佳通风之比m³/h；V_tf为通风量m³/h；为最佳通风量m³/h。

5.一种如权利要求1所述隧道二衬结构内壁改善空气质量具有光催化活性的原料的制备方法使用的制备系统，其特征在于，所述制备系统包括：

称取模块、静置模块、焙烧模块、配料模块、研磨模块、过滤模块、封装模块；

称取模块，与静置模块连接，用于称取3.5g草酸于聚四氟乙烯高压反应釜中，快速滴加1g钛酸丁酯，然后往反应釜中加入10ml无水乙醇；

静置模块，与称取模块、焙烧模块连接，用于密封好之后将反应釜置于180℃烘箱中静置反应24h；

焙烧模块，与静置模块、配料模块连接，用于自然冷却至室温，洗涤，60℃下干燥，将所得干燥粉末在空气中焙烧，即可得到二氧化钛粉末；

配料模块，与焙烧模块、研磨模块连接，用于将二氧化钛粉末、氧化铁与氧化锌、氧化锡、钛酸锶、还原石墨烯、硅酸盐、无水石膏粉、钛白粉、粉末抗结剂、固体调理剂、无机颜料、填料进行混合；

研磨模块，与配料模块、过滤模块连接，用于将混合的原料加入球磨机中，在710-1500转/分钟速度下研磨0.6-6小时；

过滤模块，与研磨模块、封装模块连接，用于涂料研磨完成后先用300-400目滤网过滤；

封装模块，与过滤模块连接，用于将加工好的涂料装入封装容器中，充入压力为0.11MPa-0.13MPa的氮气进行封装。