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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

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

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作者：李城重庆交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：沥青混合料 tio2@ldo 光催化协同吸附性能长期效能实体工程

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具有汽车尾气光催化-净化效能的沥青胶结料制备及应用

具有汽车尾气光催化-净化效能的沥青胶结料制备及应用

引用

作者：赵佩柔安徽建筑大学

学位级别：硕士

近年来汽车拥有量不断增多,汽车尾气造成的环境污染日益加剧,所以如何进行绿色发展成为研究重点。在此背景下,使用光催化技术负载路面对近路表处进行尾气降解已成为道路工程研究热点。虽然tio对于降解氮氧化物具有一定效果,但是传统tio... 详细信息

近年来汽车拥有量不断增多,汽车尾气造成的环境污染日益加剧,所以如何进行绿色发展成为研究重点。在此背景下,使用光催化技术负载路面对近路表处进行尾气降解已成为道路工程研究热点。虽然tio对于降解氮氧化物具有一定效果,但是传统tio光催化材料降解效率并不高,只有50%左右,同时反应产物也可能造成环境的二次.污染,所以需要对tio做出一些改性。本文选用水滑石(LDHs)与tio结合进行改性,并研究其加入沥青后的相关性能。本文首先制备了tio@ldo复合光催化材料,从宏观上测试了具有光催化效能的沥青胶结料的光催化和吸附效能,微观上通过FTIR和AFM进行了分子特征和表观形貌分析,综合确定了沥青胶结料的最佳光催化剂掺量;其次在此基础上通过基本性能、黏附性能和流变性能三个方面对具有光催化效能的沥青胶浆进行了研究,确定沥青胶浆的最佳粉胶比;最后基于上述研究分别对具有光催化效能的沥青胶结料、沥青胶浆和沥青混合料探究其净化效能,并通过Materials Studio(MS)分子动力学模拟研究tio@ldo与沥青之间的相互作用,进一步揭示作用机理,最后分析其经济效益。本文主要研究内容与结论如下:(1)基于理论研究制备了tio@ldo复合光催化材料,在宏观层面对加入光催化材料tio以及tio@ldo后的沥青胶结料进行了光催化效能与吸附效能评价,发现胶结料的光催化效率与辐照强度呈正相关且只有tio@ldo沥青胶结料具有吸附作用。相同条件下6%tio@ldo的沥青胶结料光催化效率最高,吸附效能也最优,此配比的沥青胶结料光催化效率最高可达53.27%,6%tio@ldo沥青胶结料在试验四天时吸附率最高可以达到38.4%。从微观层面发现光催化材料tio或tio@ldo与沥青之间的相互作用主要是由物理吸附所引起,且tio@ldo可以与沥青中的极性组分表现出更强吸附性。(2)基于得出的最优配比沥青胶结料制备出不同粉胶比的沥青胶浆,常规性能发现随着粉胶比的增大,沥青胶浆的软化点增加、黏附力增大,但是延度与针入度均有下降,当粉胶比为1.0时,对高温、低温均有改善。同时利用DSR进行了流变性能试验,发现在低温时粉胶比对复数剪切模量*、弹性储存模量′与黏性损耗模量′′影响较大,且较低温度时也可以有效增加胶浆的高温抗车辙性能以及抗疲劳开裂能力。当粉胶比增大时可以相应提高沥青胶浆的′和′′,增加沥青胶浆高温抵抗车辙的能力,并在粉胶比为1.0时变化明显。综上可以发现光催化材料掺入量为6%tio@ldo时粉胶比为1.0的沥青胶浆为最优配比。(3)基于沥青胶结料与沥青胶浆最优配比的确定,对具有光催化净化效能的沥青胶结料与沥青胶浆及沥青混合料进行了氮氧化物净化效能试验,发现沥青胶结料与沥青胶浆及沥青混合料NO降解率均受光照与温度影响,且对光照更敏感。在试验温度为25℃,试验设定距离灯光的高度为15cm时具有最高降解率,此时,沥青胶结料和沥青胶浆的降解率分别为19.8%和26.9%。内掺法和粉体涂洒法车辙板试件对NO的降解率最高可分别达到40.0%和78.6%。通过MS对tio@ldo沥青胶结料进行了机理分析,发现随着模拟温度的增大,tio@ldo的扩散系数越大,其高温性能可以得到一定改善,在温度为40℃时沥青与tio@ldo的吸附性最强、粘结强度最大,可以表明净化效能受温度影响。最后经济效益发现tio@ldo沥青路面可带来的环境效益远高于施工成本。

关键词：沥青胶结料 tio2@ldo 分子动力学模拟光催化-吸附协同净化效能

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