CN109833913B

CN109833913B - 以再生沥青骨料为基体的光催化骨料及其制备方法

Info

Publication number: CN109833913B
Application number: CN201910191659.2A
Authority: CN
Inventors: 苏文悦; 杨宇; 钱心嘉; 季韬; 戴文新; 王心晨
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: CN109833913A

Abstract

本发明涉及一种以再生沥青骨料为基体的光催化骨料及其制备方法。所述光催化骨料由再生沥青骨料和石墨相氮化碳（g‑C₃N₄）组成。取g‑C₃N₄粉末在无水乙醇中超声分散1~3小时，得到g‑C₃N₄分散液；将再生沥青骨料在0.1M的氢氧化钠溶液超声处理30~60分钟得到碱处理的再生沥青骨料；通过浸渍法在碱处理后的再生沥青骨料表面附着g‑C₃N₄；洗涤干燥制得光催化骨料。本发明光催化骨料具有可见光照射下实现降解空气污染物的功能，并且g‑C₃N₄牢固地附着于再生沥青骨料表面，同时结合g‑C₃N₄的疏水性，g‑C₃N₄可以有效克服实际应用中因雨水冲刷而导致的催化剂剥落的问题，拥有良好的应用前景。

Description

以再生沥青骨料为基体的光催化骨料及其制备方法

技术领域

本发明属于环境型材料领域，具体涉及一种以再生沥青骨料为基体的光催化骨料及其制备方法。

背景技术

随着我国经济的高速发展，工业废气和汽车尾气的排放量急剧增加，其中氮氧化物 (NO_x, 主要为NO₂和NO) 不仅参与臭氧层的破坏，形成酸雨和光化学烟雾，而且对人体有致毒作用。

为降低空气污染所带来的危害，政府开展了一系列污染防治工作，包括推行各种排放法规和标准，开展针对污染源的减排和控排研究。这些措施在控制污染物排放总量上取得了一定成效。但是在污染物排放的集中区域，尤其是大中型城市的人口稠密区，由汽车尾气造成的空气污染物浓度仍远高于国家的限定标准。光催化技术是一种绿色可持续的环境修复技术，在太阳光激发下，便可将空气污染物（如：NO_x）转化成低毒的物质（硝酸盐），降解产物在雨水冲刷下脱离催化剂表面，具有持久的污染物净化性能。因此，将光催化技术应用于建筑材料，尤其是接近汽车尾气的路面材料，可以长期有效地降低空气污染物浓度。

目前关于光催化建筑材料的研究，主要涉及在建筑材料中掺入光催化剂，以赋予建筑材料光催化功能。CN103131325A公开了一种自洁性路面汽车尾气降解涂料及制备方法； CN103058581A公开了一种全天候汽车尾气降解路面涂层材料及其制备方法；CN105504842A通过在乳化沥青中添加纳米二氧化钛催化剂，实现有效降解汽车尾气中氮氧化物和碳氢化合物的功能。在此类光催化建筑材料中，催化剂不易均匀分散，且大部分光催化剂被包裹在基体材料中，无法充分接触气体污染物和太阳光，导致效费比较低。此外，现有技术中采用的光催化剂大多为二氧化钛。但二氧化钛只能对波长小于387.5nm的紫外光响应，而紫外光仅占太阳光的4.5%。这极大地限制了该技术的应用。

建筑骨料是最为常用的建筑材料之一，将光催化剂均匀地包覆在骨料表面可有效改善催化剂在建筑材料中分散不均的问题，提高光催化建筑材料的效费比。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）是一种廉价、稳定、无毒、不含金属组分的可见光催化剂。研究证实g-C₃N₄具有良好的可见光降解有机污染物和净化空气污染物的性能。CN108609930A公开了一种含g-C₃N₄的光催化水泥砂浆，其具有吸收可见光催化脱除表面有机污染物的功能。但目前尚未见g-C₃N₄在建筑骨料中的应用研究报道。

再生沥青骨料来源于旧路翻修改造过程中产生的废旧沥青混合料。废旧沥青混合料经过回收、破碎、筛分等一系列工艺后得到表面保留少量沥青的再生沥青骨料。在再生沥青骨料的表面附着g-C₃N₄制得的光催化骨料，不仅可以在可见光照射下实现净化空气污染物的功能，而且克服了催化剂在光催化建筑材料中不易分散的问题，提高了光催化建筑材料的效费比。再生沥青骨料表面的残留沥青具有较好的粘附性和疏水性。相比于天然骨料，再生沥青骨料表面包裹的残留沥青不仅能更加牢固的附着g-C₃N₄，而且由于沥青与g-C₃N₄的疏水性，可以有效克服实际应用中因雨水冲刷而导致的催化剂剥落的问题，维持其高效持久的光催化功能。该光催化骨料可广泛应用于道路，装饰工程等领域，起到净化空气的作用。经过大量的专利及文献检索尚未见以再生沥青骨料为基体的光催化骨料的研究报道。

发明内容

鉴于现有技术的空白和不足，本发明提供一种以再生沥青骨料为基体的光催化骨料及其制备方法。

本发明提出的一种以再生沥青骨料为基体的光催化骨料，该光催化骨料由再生沥青骨料和石墨相氮化碳（g-C₃N₄）组成，其中再生沥青骨料和g-C₃N₄按重量百分比计：再生沥青骨料为：92~99%，g-C₃N₄为1~8%，两者总重量为100%。

本发明中所述再生沥青骨料为经过破碎、水洗、除尘、筛分后得到表面包裹少量沥青的各种规格（0.05~20 mm）的骨料，其主要成分为：沥青 0~6%，SiO₂ 30~50%，CaCO₃ 20~43%，Fe₂O₃ 0~5%，Al₂O₃0~15%。所述再生沥青骨料表面的残留沥青具备粘附性和疏水性。

本发明中，所述光催化剂为块状和纳米片状的g-C₃N₄。其中块状g-C₃N₄以如下方法制得：块状g-C₃N₄的制备方法如下：称取2 g的三聚氰胺置于带盖瓷坩埚中，以3 ℃/min的升温速率，加热到550℃，保温4个小时，待冷却至室温时收集产物研磨得到粒径为0.3~10 µm块状g-C₃N₄。纳米片状的g-C₃N₄以如下方法制得：称取2g三聚氰胺和10g氯化铵，混合均匀后置于带盖瓷坩埚中，以3 ℃/min的升温速率，加热到550℃，保温4个小时，待冷却至室温时收集产物研磨均匀得到厚度为5 nm直径为0.2~10 µm的纳米片状g-C₃N₄。相比于仅在紫外光驱动下发生光催化反应的二氧化钛，g-C₃N₄不仅可以吸收紫外光而且可以对太阳光谱中波长小于475 nm 的蓝紫光响应，拓宽了其对太阳光谱的利用，有效实现可见光驱动下的光催化反应。

本发明所述以再生沥青骨料为基体的光催化骨料的制备方法，具体步骤如下：

（1）取g-C₃N₄粉末在无水乙醇中超声分散1~3小时，得到g-C₃N₄分散液，其中无水乙醇和g-C₃N₄的质量比为：5~80；

（2）取再生沥青骨料在0.1M的氢氧化钠溶液超声处理30~60分钟激活表面活性，烘干得到碱处理的再生沥青骨料颗粒，其中再生沥青骨料和氢氧化钠溶液的质量体积比为：1~30:100；

（3）将步骤（2）中所得的碱处理再生沥青骨料颗粒浸渍于步骤（1）中的g-C₃N₄分散液12~48小时后，洗涤干燥得到光催化骨料。

相比于天然骨料，再生沥青骨料表面的残留沥青可以更牢固的附着g-C₃N₄，同时由于沥青和g-C₃N₄的疏水性，可以有效抵御实际应用中的雨水冲刷，减少g-C₃N₄的流失，维持高效持久的光催化净气功能。

与现有光催化建筑材料相比，本发明具有以下优点：

（1）再生沥青骨料表面的g-C₃N₄可以在可见光照射下光催化净化空气污染物；

（2）将g-C₃N₄均匀地包覆在再生沥青骨料表面，可以有效解决催化剂在建筑材料中分散不均的问题，提高光催化建筑材料的效费比；

（3）利用再生沥青骨料表面沥青的粘附性和疏水性，使得g-C₃N₄牢固地附着于再生沥青骨料表面，同时结合g-C₃N₄的疏水性，附着于再生沥青骨料表面的g-C₃N₄可以有效克服实际应用中因雨水冲刷而导致的催化剂剥落的问题，维持其高效持久的光催化性能。

（4）本发明拓展再生沥青骨料的应用面，变废为宝，减少了其堆放对生态环境造成的污染，具有良好的经济效益和环境效益，应用前景良好。

附图说明

图1为NO_x光催化性能测试系统示意图；其中①高纯空气；②减压阀；③稳流阀；④NO钢瓶气；⑤洗气瓶；⑥流速控制器；⑦温湿度感应器；⑧反应器；⑨NO_x分析仪；⑩尾气吸收瓶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明所保护范围不限于此。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中所得骨料的光催化净气性能通过NO_x光催化性能测试系统（图1所示）来评价：整个测试体系为密闭空间，以一氧化氮为模拟空气污染物，通过气路混合装置控制目标气体浓度为1 ppm的NO，气体流速为1 L/min，湿度为50±2%，温度为25±2℃，反应器中装填质量为5 g的光催化骨料，反应器上方10 mm处安装氙灯（波长>420nm），经过反应器的气体直接进入NO_x分析仪实时采集气体中的NO_x的浓度值，按下式计算光催化骨料的光催化效率：

。

其中ƞ为光催化效率（%），C_off为未开灯时NO浓度，C_on为开灯时NO浓度。

实施例1

本发明实例的以再生沥青骨料为基体的光催化骨料，主要由下列质量百分比的原料制成：再生沥青骨料为：92%，纳米片状g-C₃N₄为8%，两者总重量满足100%。取规格为0.05~3mm的再生沥青骨料，其主要成分如下：沥青 5%，SiO₂ 45%，CaCO₃ 38%，Fe₂O₃ 3%，Al₂O₃9%。

本发明实例的以再生沥青骨料为基体的光催化骨料的制备方法，具体步骤为：

（1）取纳米片状g-C₃N₄在无水乙醇中超声分散3小时，得到纳米片状g-C₃N₄分散液，其中无水乙醇和纳米片状g-C₃N₄的质量比为：8:1；

（2）取再生沥青骨料在0.1M的氢氧化钠溶液超声处理60分钟，烘干得到碱处理的再生沥青骨料，其中再生沥青骨料和氢氧化钠溶液的质量体积比为：7:100；

（3）将步骤（2）中所得的碱处理再生沥青骨料颗粒全部浸渍于步骤（1）中纳米片状g-C₃N₄分散液48小时后，洗涤干燥得到光催化骨料。

对所得光催化骨料进行光催化性能评价，通过NO_x光催化性能测试系统（图1所示）实现，其可见光催化氧化氮氧化物的平均活性为60%。

实施例2

本发明实例的以再生沥青骨料为基体的光催化骨料，主要由下列质量百分比的原料制成：再生沥青骨料为：96%，块状g-C₃N₄为4%，两者总重量满足100%。取规格为3~5 mm的再生沥青骨料，其主要成分如下：沥青 4%，SiO₂ 46%，CaCO₃ 38%，Fe₂O₃ 3%，Al₂O₃9%。

（1）取块状g-C₃N₄在无水乙醇中超声分散2小时，得到块状g-C₃N₄分散液，其中无水乙醇和块状g-C₃N₄的质量比为：16:1；

（2）取再生沥青骨料在0.1M的氢氧化钠溶液超声处理45分钟，烘干得到碱处理的再生沥青骨料颗粒，其中再生沥青骨料和氢氧化钠溶液的质量体积比为：23:100；

（3）将步骤（2）中所得的碱处理再生沥青骨料颗粒全部浸渍于步骤（1）中的块状g-C₃N₄分散液36小时后，洗涤干燥得到光催化骨料。

对所得光催化骨料进行光催化性能评价，通过NO_x光催化性能测试系统（图1所示）实现，其可见光催化氧化氮氧化物的平均活性为35%。

实施例3

本发明实例的以再生沥青骨料为基体的光催化骨料，主要由下列质量百分比的原料制成：再生沥青骨料为：95%，纳米片状g-C₃N₄为5%，两者总重量满足100%。取规格为5~10mm的再生沥青骨料，其主要成分如下：沥青 4%，SiO₂ 46%，CaCO₃ 38%，Fe₂O₃ 3%，Al₂O₃9%。

（1）取纳米片状g-C₃N₄在无水乙醇中超声分散1小时，得到纳米片状g-C₃N₄分散液，其中无水乙醇和纳米片状g-C₃N₄的质量比为：10:1；

（2）取再生沥青骨料在0.1M的氢氧化钠溶液超声处理30分钟，烘干得到碱处理的再生沥青骨料，其中再生沥青骨料和氢氧化钠溶液的质量体积比为：29:100；

（3）将步骤（2）中所得的碱处理再生沥青骨料颗粒全部浸渍于步骤（1）中纳米片状g-C₃N₄分散液24小时后，洗涤干燥得到光催化骨料。

对所得光催化骨料进行光催化性能评价，通过NO_x光催化性能测试系统（图1所示）实现，其可见光催化氧化氮氧化物的平均活性为50%。

Claims

1.一种再生沥青骨料为基体的光催化骨料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）取g-C₃N₄粉末在无水乙醇中超声分散1~3小时，得到g-C₃N₄分散液，其中无水乙醇和g-C₃N₄的质量比为：5~80：1；

（2）取再生沥青骨料在0.1M的氢氧化钠溶液超声处理30~60分钟，烘干得到碱处理的再生沥青骨料颗粒，其中再生沥青骨料和氢氧化钠溶液的质量体积比为：1~30:100；

（3）将步骤（2）中所得的碱处理再生沥青骨料颗粒全部浸渍于步骤（1）中的g-C₃N₄分散液12~48小时后，洗涤干燥得到光催化骨料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述其中再生沥青骨料和g-C₃N₄按重量百分比计：再生沥青骨料为：92~99%，g-C₃N₄为1~8%，两者总重量为100%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述再生沥青骨料为废旧沥青混合料经过破碎、水洗、除尘、筛分后得到表面包裹沥青的0.05~20 mm规格的骨料，其主要成分包括：沥青 0~6%，SiO₂ 30~50%，CaCO₃ 20~43%，Fe₂O₃ 0~5%，Al₂O₃0~15%。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨相氮化碳g-C₃N₄为块状纳米g-C₃N₄或纳米片状的g-C₃N₄。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述块状g-C₃N₄的制备方法为：称取2g的三聚氰胺置于带盖瓷坩埚中，以3 ℃/min的升温速率，加热到550℃，保温4个小时，待冷却至室温时收集产物研磨得到粒径为0.3~10 µm块状g-C₃N₄。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述纳米片状的g-C₃N₄以如下方法制得：称取2g三聚氰胺和10g氯化铵，混合均匀后置于带盖瓷坩埚中，以3 ℃/min的升温速率，加热到550℃，保温4个小时，待冷却至室温时收集产物研磨均匀得到厚度为5 nm直径为0.2~10 µm的纳米片状g-C₃N₄。