光敏自洁混凝土自洁机理和研究现状

邱泽忠，陆承方，刘 斌，程 领，袁吉童

(中建西部建设湖南有限公司，湖南 长沙 410004)



光敏自洁混凝土自洁机理和研究现状

邱泽忠，陆承方，刘 斌，程 领，袁吉童

(中建西部建设湖南有限公司，湖南 长沙 410004)

汽车排放的尾气造成大气污染，传统方法无法有效净化尾气。纳米TiO2是一种高效、无毒、价廉、活性高的催化剂，由于其独特的半导体结构，在波长小于387.5 nm的紫外光照射下，禁带电子与空穴分离，形成电子-空穴对，具有很强的氧化还原能力，能分解汽车尾气中的CO、SOx、NOx等有害气体，将纳米TiO2附着在普通混凝土上制备光敏自洁混凝土将能很好的解决汽车尾气污染问题。

大气污染；纳米TiO2；光敏自洁混凝土

伴随社会发展，城市建设不断推进，汽车保有量持续增加。汽车排放的尾气如SOx, NOx、CO等成为城市大气的主要污染源。汽车尾气处理一直是国家环保部门重点治理对象，传统思路是提高汽油燃烧效率，或在汽车上安装尾气催化转换器，对于尾气排放之后再处理的思维还处于初级阶段。尾气排放之后首先接触的是混凝土路面，若混凝土具有降解汽车尾气的自洁功能，将能很好的解决大气污染问题。1972年Fujishima[1]报道了纳米TiO2具有催化作用，此后，纳米TiO2作为一种常温催化剂，具有无毒、价廉、活性高、化学性质稳定且无二次污染等优点而受到关注[2-4]，近年来，许多学者将纳米TiO2添加到混凝土中，制备具有自洁功能的新型混凝土用于汽车尾气净化处理，效果得到初步验证。

1 光敏自洁混凝土自洁机理

纳米TiO2结晶形态主要有三种: 金红石型(Rutile)、锐钛型(Anatase)、板钛矿型(Broolie)。板钛矿没有光催化活性，金红石型和锐钛型具有较好的光催化活性，其中锐钛型活性大于金红石型，但有很多研究表明当锐钛型和金红石型按一定比例配比时，其活性最大。锐钛型和金红石型结构均由钛氧八面体(TiO6)组成，TiO6有两种连接方式，分别是共边连接和共点连接，如图1、图2所示[5]。其中锐钛型是由TiO6共边连接而成，板钛矿和金红石相是由TiO6既共点也共边组成，如图3所示[5]；锐钛型TiO2为亚稳态，在高温条件下会转变成稳态的金红石型TiO2。

图1 TiO6共边连接

图2 TiO6共点连接

图3 TiO2晶体结构

图4 TiO2光催化机理图

(1)

(2)

(3)

2 光敏自洁混凝土研究现状

目前，光敏自洁混凝土主要有四种制备方式：(1)添加型：将适量的纳米TiO2粉体添加到普通水泥中，制备具有光催化活性的水泥，将此水泥作为胶凝材料，与骨料一起制备光敏自洁混凝土[5]。(2)渗透型：在铺筑混凝土多孔道路时，分层掺入一定数量的纳米TiO2，渗入深度距离路面一般为7～8 mm，使之具有光催化降解汽车尾气的功能[6]。(3)包裹型：制备纳米TiO2溶胶，在混凝土部分集料表面包覆一层TiO2薄膜，然后将集料暴露于路面，则可以催化降解汽车尾气[7]。(4)喷洒型：将纳米TiO2制备成浆液，喷洒在混凝土表面而发挥光催化作用，其中渗透型和喷洒型是被普遍采用的方法。

赵联芳等[8]运用喷洒的办法，将纳米TiO2附着于混凝土表面，考察了纳米TiO2浆液浓度，混凝土水化龄期对光催化性能影响，结果表明纳米TiO2浓度在2 g/L以上，龄期为6天时，光催化效率达到80%以上；王剑等[9]将纳米TiO2溶胶涂覆在混凝土表面，以罗丹明B为降解目标物，测试了混凝土的自洁功能，结果表明24 h后，光敏自洁混凝土不仅降解效果好，且性能稳定；杨合等[10]研究表明：在透水的多孔混凝土砌块表面7～8 mm 深度掺入50%以下的纳米TiO2粉体，这种砌块具有很好的去除氮氧化物等有害气体的功能，可用于公路建设的路边材料或建筑物的墙体材料，去除汽车、燃烧设备排放的 NOx、SOx等，使空气质量改善；Shen等[11]采用不同配方的光催化浆液对多孔水泥混凝土进行了处理，并分别测定了不同浆液对应的光催化尾气降解效果。

光敏自洁混凝土不仅集中在实验室研究阶段，在国内外均已有实际应用，国外有关光敏自洁混凝土起步较早，在意大利Bergamo市中心铺就了一条面积约12000 m2的光敏自洁混凝土街道，同时作为测试对比，街道上的混凝土步道砖分为添加和不添加光催化剂两种。两周后测试结果发现，平均一天的 NOx气体降解率达到45%[12]。日本藤田公司等制成TiO2光催化剂水泥，将这种水泥喷涂在路面上可减少汽车尾气的氮氧化物(NOx)污染[13]。同样在比利时 Antwerp市公园里修筑了一条面积约为10000 m2的光敏自洁混凝土步行道。研究人员指出，在这些步道砖服役2年后仍可以进行实验室降解试验，通过清水清洗后其降解NOx气体的能力并没有减弱[14]。国内，东南大学钱春香课题组[15]在2005 年将其研究成果应用于南京长江三桥桥北收费站的水泥混凝土路面。2009年12 月，上海浦东金科路下闸道附近，铺设了长180 m的含纳米TiO2光催化剂的 OGFC沥青混合料上面层，据监测结果显示，降低尾气浓度的效果显著[16]。

3 光敏自洁混凝土存在的问题

光敏自洁混凝土的相关研究与应用尽管取得了一定的进展，但任然面临一些问题，主要集中在以下几点：

(1)通过“喷洒”将纳米TiO2附着于混凝土表面，虽然能直接发挥作用，但纳米TiO2与混凝土的附着力较低，车压和雨水冲刷会使纳米TiO2从混凝土表面剥离，从而使混凝土自洁功能逐渐降低。

(2)通过“渗透”方法制备的光敏自洁混凝土，纳米TiO2附着在混凝土的表面气孔中，气孔容易被灰尘覆盖，影响甚至使混凝土丧失自洁功能。

(3)纳米TiO2必须受光激发才能发挥催化作用，故混凝土的自洁功能受到天气的影响。

4 结 语

光敏自洁混凝土的大面积应用虽然还受到诸多因素影响，但在科技日益进步的今天，相信不久的将来，光敏自洁混凝土面临的问题会不断的被完善和解决，终究会得到大面积的推广，造福人类。

[1] Fujishima A.Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode[J].nature，1972,238: 37-38.

[2] 王瑞芬,王福明,安胜利.镧-氟共掺杂二氧化钛结构及催化性能研究[J].稀有金属材料与工程, 2014,43(9):2293-2296.

[3] 肖循,唐超群.TiO2薄膜的溶胶-凝胶法制备及其光学特性[J].功能材料, 2003, 34(4):442-444.[4] Ni M，Leung MKH, Leung DYC et al.A review and recent developments in photocatalytic water-splitting using TiO2for hydrogen production[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2007,11(3):401-425.

[5] European Gas Research Group (EGRG).Construction materials to adsorb pollution[R].Paris, France, 2004:3.

[6] Ke B C.Exciting future of exhaust gas adsorbing roads in Japan [J].Labor Safety Health, 2001(11):48.

[7] Cu X C.Research and development of concrete containing-photocatalyst [J].J Xiaogan University, 2001, 21(3):53.

[8] 赵联芳, 钱春香, 傅大放.光催化混凝土的制备及其性能研究[J].功能材料, 2004, 35(z1):2546-2549.

[9] 王剑, 方寅生, 熊吉如,等.TiO2中性水溶胶的制备及其在玻璃纤维增强水泥基材料表面的光催化自洁性能研究[J].材料导报, 2015(4):10-13.

[10]杨合.光催化技术及其在混凝土中的应用[J].混凝土,2003(6):46-47.

[11]Shen S H, Burton M, Jobson B, et al.Pervious concrete with titanium dioxide as a photocatalyst compound for a greener urban road environment[J].Construction And Building Materials,2012,35:874-883.

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[13]王程,施惠生,李艳.纳米TiO2光催化功能建筑材料研究进展[J].化工新型材料,2011,39(4):10-13

[14]Beeldens A.Air purification by road materials;results of the testproject in Antwerp[A] Baglioni P, Cassar L, eds.RILEM Int .Symp.on photocatalysis, environment and construction materials[C].Italy, 2007:187-194.

[15]钱春香,赵联芳,付大放,等.路面材料负载纳米二氧化钛光催化降解氮氧化物[J].硅酸盐学报,2005,33(4):422-426.

[16]孙立军,徐海铭,李剑飞,等.纳米二氧化钛处治汽车尾气效果与应用方法的研究[J].公路交通科技,2011,28(4):153-158.

Mechanism and Research Status of Photosensitive Self Cleaning Concrete

QIUZe-zhong,LUCheng-fang,LIUBin,CHENGLing,YUANJi-tong

(China West Construction Group Co., Ltd., Hunan Changsha 410004, China)

Emissions exhausted by automobile causes air pollution, the traditional method can not effectively purify the exhaust gas.Nano-TiO2is a kind of catalyst with efficient, non-toxic, low cost and high activity.Because of its unique semiconductor structure at a wavelength less than 387.5 nm UV irradiation, the band gap separated the electron and hole, formed an electron-hole pairs, had a strong redox ability, which can be decomposed in automobile exhaust CO, SOx, NOxand other harmful gases.Nano-TiO2attached on the ordinary concrete of producing photosensitive self-cleaning concrete will solve the problems of the vehicle exhaust pollution.

air pollution；nano-TiO2；photosensitive self-cleaning concrete

邱泽忠(1988-)，男，工程师助理，研究方向为功能材料。

刘斌(1984-)，男，高级工程师，研究方向为新型混凝土。

TQ178

A

1001-9677(2016)019-0022-03