具有汽车尾气光催化—净化效能的沥青混合料综合性能研究

作     者：李城 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐亦冬

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：沥青混合料 TiO2@LDO 光催化协同吸附性能 长期效能 实体工程 

摘      要：随着全球汽车数量的持续增长,汽车尾气引发的环境问题变得越来越严重,探索绿色发展路径因此变得尤为重要。采用光催化技术处理路面,以实现汽车尾气的有效降解,已经成为道路工程领域的一个研究热点。尽管TiO2在分解氮氧化物方面显示出了一定的潜力,但这种传统的光催化材料在降解效能上还有待提高,并且其反应后的产物还可能对环境造成二次污染。因此,对TiO2材料进行改性显得十分必要。镁铝水滑石（Mg Al-LDHs）通过煅烧处理得到的产物（Mg Al-LDO）以其高比表面积的多孔结构而闻名,具备优秀的吸附性能和阴离子交换能力,其独特的层状结构促进了电荷的有效转移,有助于防止光催化过程中电子与空穴的复合,可以增强光催化材料的光催化活性和稳定性。本研究制备了复合光催化材料TiO2@LDO,并将其负载于沥青混合料中,得到了具有光催化协同吸附降解性能的复合光催化沥青混合料,探究了不同负载量、负载方式以及环境温度对其效能的影响,综合确定最佳负载量与负载方式。在此基础上对复合光催化沥青混合料进行综合路用性能验证,最后通过实体工程验证复合光催化路面的可行性和经济性。本文主要研究内容与结论如下: （1）光催化降解NO试验结果表明,沥青混合料中内掺沥青含量6%的TiO2@LDO,其光催化降解率达到了32.5%,而进一步增加TiO2@LDO的掺量对光催化效能的提升作用有限。但当沥青混合料中内掺6%TiO2@LDO,并对其表面涂覆TiO2@LDO溶液（浓度为30g/L、涂覆量为50g/900cm2）,其降解率可达70%,这是因为涂覆法使得TiO2@LDO主要附着于沥青混合料表面,能够充分与NO发生催化反应。试验发现,环境温度在25℃以下时,降解率随着温度的升高而增加。此外,添加染色剂对光催化效果并没有明显的负面影响。而在吸附性能方面,含有6%TiO2@LDO的沥青混合料展现出33.6%的硝酸钠吸附率,而再增加TiO2@LDO的掺入量或涂覆量对吸附效果改善作用不大。 （2）通过复合光催化沥青混合料路用性能试验,发现其稳定性、流值、高温稳定性、抗滑性能、渗水性能及水稳定性均达到了规范要求。然而,抗滑性能和渗水性能会受到复合光催化材料溶液浓度和涂覆量的影响,建议在实际应用中需要严格控制复合光催化材料溶液浓度和涂覆量以优化性能。此外,通过模拟轮胎磨耗和雨水冲刷条件,采用图像识别判断涂覆层面积变化以及观测多组试验的NO降解率变化,综合分析复合光催化沥青混合料的长期效能。结果显示,尽管轮胎磨耗会逐渐降低材料的NO降解率及涂覆层面积,但其影响在磨耗3h后变得相对较小;而雨水冲刷对降解效果和涂覆层面积的影响较为微弱,即便持续冲刷8h,光催化降解效果几乎不变。 （3）安装并测试路用NOx气体在线检测系统,随后,对复合光催化沥青路面的光催化效能进行跟踪监测,通过比较不同时间段的NOx平均降解率,确定了NOx真实平均降解率,其在30天内从32%降至23%,此下降趋势主要由于轮胎磨耗以及其他环境因素综合影响,使得路表的复合光催化材料有所损耗。尽管存在这些挑战,复合光催化沥青路面在减少环境污染方面带来的环境效益高于施工成本,表明其具有较好的应用价值和推广潜力。