纳米CeO2柱撑蒙脱土改性沥青及其催化降解性能研究

作     者：陈柏臻 

作者单位：长沙理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：钱国平;金娇;赵文秀

授予年度：2020年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：蒙脱土 纳米柱撑 改性沥青 老化 尾气催化降解 

摘      要：蒙脱土(MMT)是一种硅酸盐天然矿物,具有储量大、分布广、价格低廉等特点,因此被广泛应用于各行各业。本文在广泛收集国内外研究成果的基础上,基于MMT的结构和基本特性,利用半导体催化材料(氧化铈CeO2)对MMT进行了无机改性,制备出了 CeO2柱撑蒙脱土(Ce-MMT)沥青改性剂,用于改善沥青路用性能并使其具备催化降解尾气的功能,为无机改性MMT在道路领域的应用提供研究基础。本文选用液相沉淀法的方式,利用Ce(NO3)3对MMT进行无机改性,成功制备出了Ce-MMT。其次,为进一步提高Ce-MMT的光催化性能,利用Cu、Fe、Mn三种金属离子对Ce-MMT进行掺杂改性,分别制备出了三种不同的金属掺杂改性剂(Cu/Ce-MMT、Fe/Ce-MMT、Mn/Ce-MMT),并对掺杂前后的样品进行微观分析及宏观路用性能测试,分析了金属掺杂离子的引入对改性剂及改性沥青性能产生的影响。最后,利用自制的尾气降解检测装置对Ce-MMT、Cu/Ce-MMT、Fe/Ce-MMT、Mn/Ce-MMT改性剂粉末样品及改性沥青的催化效能进行了研究。本文的主要研究结论如下:(1)利用X射线衍射(XRD)、能谱仪(EDS)、同步热分析试验(TG-DSC)、紫外-可见光谱(UV-Vis)等微观手段对MMT、Ce-MMT的化学结构与微观特征进行了表征,结果表明Ce离子成功进入MMT片层中,表明Ce-MMT成功制备,并且改性剂具有良好的热稳定性,紫外吸光度有明显的提升。(2)XRD结果显示,Cu/Ce-MMT、Mn/Ce-MMT中均出现了 CuO和MnO2的特征峰。通过光谱分析,经Cu、Fe、Mn三种金属掺杂后的柱撑蒙脱土对波长范围在350nm～800nm范围内光线的吸光度有较大的提升,进一步增强了改性剂抗紫外老化效果以及光催化性能。(3)三大指标、高温流变性能(DSR)和低温弯曲(BBR)试验表明,Ce-MMT、Fe/Ce-MMT、Mn/Ce-MMT对沥青均具有较好的改性效果,可以提升沥青高温性能以及抗老化性能,得到改性剂的最佳掺量范围为4%～6%。但是Cu/Ce-MMT会加速沥青老化,并且四种改性剂对沥青的低温性能作用不明显。(4)在模拟尾气降解试验中,6%掺量Ce-MMT改性沥青对NO、CO、HC三种气体的降解效率分别达到了 50.8%、10.6%、13.7%。在相同条件下,通过与未掺杂样品进行对比试验可以发现,经过Cu、Fe、Mn三种金属掺杂改性后的样品的降解效率均得到了明显的提升,证明利用金属掺杂可以增强CeO2的光催化降解能力。