1、光催化混凝土綜述摘要:文章簡要介紹了光催化的發(fā)展歷史，光催化混凝土的制備方法、性能研究進(jìn)展、及其在降解空氣中氮氧化物方面的應(yīng)用，簡單總結(jié)了光催化混凝土現(xiàn)在所存在的問題。1. 關(guān)鍵字：光催化混凝土氮氧化物引言如今隨著社會的快速發(fā)展，產(chǎn)生了各種各樣的社會問題，環(huán)境問題就是其中的主要問題之一。環(huán)境問題是指全球環(huán)境或區(qū)域環(huán)境中出現(xiàn)的不利于人類生存和發(fā)展的各種現(xiàn)象。工業(yè)革命之后，由于工業(yè)的密集，燃煤量和燃油量劇增，世界各個國家的城市飽受空氣污染之苦。隨著社會發(fā)展的需求人口的增加，全世界使用礦物燃料的量是有增無減，使得全球氮氧化物和二氧化硫排放量逐年劇增，導(dǎo)致全球大氣污染變得越發(fā)嚴(yán)重，影響人類正常生活。現(xiàn)

2、代化城市中汽車尾氣排放造成的環(huán)境污染問題日益加劇，如何更有效地凈化汽車排放污染物主要為氮氧化物NOx已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。這些大氣污染物還是酸雨的主要形成原因，酸雨的產(chǎn)生在土壤、湖泊、植被和建筑等方面都存在巨大的危害。而近幾年的光催化技術(shù)可以很好的解決氮氧化物對大氣環(huán)境的污染，光催化凈化是基于光催化劑在紫外線照射下具有的氧化復(fù)原能力而凈化污染物。利用光催化凈化技術(shù)去除空氣中的氮氧化物具有反應(yīng)條件溫和常溫常壓、可分解污染物為二氧化碳和水等無機(jī)物凈化效果徹底且二次污染小、半導(dǎo)體光催化劑化學(xué)性質(zhì)溫度，制備成本低、直接利用太陽能可有效緩解能源短缺的問題等特點(diǎn)。常見的光催化劑多為金屆氧化物和硫化物，如T

3、iO2,ZnO,CdS,WO3等，其中TiO2的綜合性能最好，應(yīng)用最廣。TiO2具有良好的抗光腐蝕性和催化活性，而且性能穩(wěn)定，價廉易得，無蠹無害，是目前公認(rèn)的最正確光催化劑。在現(xiàn)在的建筑行業(yè)中，混凝土材料早就已經(jīng)不僅僅是作為骨架結(jié)構(gòu)在應(yīng)用了，隨著社會的發(fā)展技術(shù)的革新，出現(xiàn)了各種各樣的功能混凝土材料。而納米光催化劑和混凝土的結(jié)合也在上世紀(jì)九十年代開始被研究及相應(yīng)的應(yīng)用，這種自活潔的光催化混凝土的研究對豐富混凝土的功能具有重要的意義，同時可以緩解當(dāng)前城市的環(huán)境和能源問題，提供應(yīng)人們一個較為安全潔凈的生活環(huán)境。2. 光催化應(yīng)用的發(fā)展歷史1972年，F(xiàn)ujishima1和Honda在Nature上發(fā)表

4、了一篇關(guān)于n-型半導(dǎo)體TiO2電極上發(fā)現(xiàn)光催化分解水的文章，繼而首次提出將TiO2作為光催化劑的設(shè)想，揭開了多相光催化的序幕。1976年加拿大科學(xué)家Carey2首次報(bào)道了利用TiO2/UV的光催化分解多氯聯(lián)苯的研究，這是在光催化降解水中污染物方面的開拓性工作，開辟了光催化技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。20世紀(jì)90年代初期，納米光催化劑已廣泛地應(yīng)用于建筑外墻材料和內(nèi)部裝飾材料以及衛(wèi)浴材料中。1996年,日本首先提出將TiO2作為一種空氣凈化催化劑，隨后幾年里市場上就有了大量用于室內(nèi)或者室外的空氣凈化產(chǎn)品。2002年在日本東京由Kawasaki重工生產(chǎn)的Folium光催化劑產(chǎn)品已成功應(yīng)用于公路、隧

5、道、高速公路隔音板、收費(fèi)站等。同年意大利米蘭用光催化劑和水泥混合漿料涂覆一條7000m的馬路，長期使用后測定路面上光催化劑對氮氧化物的催化氧化效率仍然可到達(dá)20%以上。2003年，日本國內(nèi)所銷售的光催化建筑材料占整個光催化市場60%的份額3。世界上其他國家也相應(yīng)的進(jìn)行了這方面的研究。光催化混凝土的制備方法光催化自活潔混凝土的制備方法一般分為三種：1直接摻入法。在透水多孔混凝土制備過程中，在距離砌塊外表1cm厚度范圍內(nèi)直接摻入TiO2粉末。2集料法。對混凝土中的部分集料包裹一層TiO2膜并在混凝土砌塊制備過程中將這些集料放置在砌塊外表。3涂層法。在老混凝土路面上涂抹一層光催化水泥漿，這層漿體由光

6、催化TiO2、分散劑、水泥和水組成。AnibalMR等4比較了浸涂法和溶膠-凝膠法摻入TiO2的光催化水泥的空氣凈化效果，結(jié)果顯示采用溶膠-凝膠法摻入制備的光催化混凝土并沒有表現(xiàn)出顯著的降解效果。2005年錢春香等5-6提出第四種制備光催化水泥的方法，在水泥混凝土養(yǎng)護(hù)過程中向其噴灑納米TiO2水性漿液，納米TiO2在水泥水化過程中牢固的結(jié)合與表層，使光催化劑能夠充分接觸到太陽光和氣體污染物，從而使光催化性能充分發(fā)揮。且進(jìn)行了南京長江三橋橋北收費(fèi)站廣場的混凝土路面鋪制現(xiàn)場，通車后對該段光催化混凝土路面進(jìn)行了氮氧化物的相關(guān)測評，結(jié)果說明在一年內(nèi)橋南氮氧化物濃度為95-165ug/m3,橋北則為25

7、-80ug/m3,說明經(jīng)過光催化處理的路面對氮氧化物有較明顯的去除效果。其課題組同時進(jìn)行了不同路面材料為載體的研究，結(jié)果水泥混凝土負(fù)載的光催化劑具有優(yōu)越的光催化功能。ChenJ7利用回收的碎玻璃作為骨料制備光催化混凝土并比照了采用河砂制備樣品的催化降解效果。結(jié)果說明用碎玻璃制備的樣品NO去除效率是河砂制備樣品的三倍且較長的齡期會導(dǎo)致光催化活性的嚴(yán)重下降。AurelieHA等8將TiO2粉末在混合加水前按不同的比重添加到十水泥中制備出光催化混凝土，結(jié)果說明含5%TiO2比重的光催化混凝土具有最正確嗎的催化降解效果。孔德玉等9通過納米TiO2對透水型混凝土不同的摻入方式內(nèi)摻法和外摻法、改性后的硬化

8、混凝土強(qiáng)度及光催化性能的影響做了較系統(tǒng)的分析，結(jié)果說明內(nèi)摻法引入TiO2會使得透水混凝土的強(qiáng)度先顯著增加然后乂緩慢下降，其最正確摻入量為6%,外摻法中浸提法優(yōu)于噴灑法，最正確外摻齡期為1天,此法可以制備出與內(nèi)摻法相同催化效果的樣品。光催化混凝土的性能及其催化效果研究進(jìn)展目前對汽車尾氣的凈化效果的測試通常是通過光譜分析的理化手段或者采用XRD和SEM對材料粉體進(jìn)行測試分析或者通過謝樂公式進(jìn)行計(jì)算分析10。但是這些測試手段都存在精度低且不能及時得到催化過程中各個時段的樣品催化效果。關(guān)強(qiáng)等11在利用噴涂負(fù)載技術(shù)制備光催化混凝土樣品后通過自行開發(fā)設(shè)計(jì)的室內(nèi)模擬自動檢測系統(tǒng)試驗(yàn)得出了樣品催化降解過程中各

9、種氣體污染物的濃度變化，自能動態(tài)檢測使得觀察者隨時能夠了解催化效果的變動對試驗(yàn)樣品效果有了更好的掌握。Beelden爵12對光催化混凝土步道磚降解NO氣體的性能進(jìn)行了研究，結(jié)果說明通過增加反應(yīng)的外表積、降低氣體流動速度和增加污染物在容器中的攪拌速度均可有效增加NO的降解率。孟濤等13通過XRD、SEM及相關(guān)宏觀性能等測試，研究了TiO2摻入對混凝土力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。由于早期TiO2的成核作用，早期水泥砂漿的水化產(chǎn)物數(shù)量明顯增加，使水泥砂漿早期抗壓強(qiáng)度明顯增加，但28天后卻明顯降低且流動性也顯著下降。試驗(yàn)結(jié)果顯示摻入0.5%的SM高效減水劑和10%的礦粉將會顯示出良好的效果。熊國宣等14

10、制備了具有介電特性和電磁波防護(hù)功能的水泥基復(fù)合材料，用紅外光譜等測試手段測試了納米TiO2在水泥中的均勻性和穩(wěn)定性。結(jié)果說明納米TiO2具有較好的穩(wěn)定性，摻5%TiO2的水泥基復(fù)合材料的電導(dǎo)率可達(dá)57.010-3s/cm,在12.518GHz頻率范圍KU波段內(nèi)具有較好的介電性能和吸波性能。孫鳳英等15在釵燈的照射下，研究了涂有納米TiO2光催化混凝土試樣對汽車尾氣中NOx的降解效果及光催化劑的不同含量和重復(fù)使用對于光催化降解效率的影響，并對NOx的轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行了討論，結(jié)果顯示經(jīng)過5小時的反應(yīng)時間，光催化試樣對NO的去除率到達(dá)了95%,10小時后的NO去除率到達(dá)100%,同時認(rèn)為摻入20%TiO

11、2光催化劑的試樣比10%的試樣對NOx的降解效果更好。光催化劑重復(fù)使用時活性減弱，用水沖洗后活性可得到恢復(fù)。MichaelJW等16采用不同的固化劑混合TiO2粉末制備光催化混凝土外表材料，并比較了摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)TiO2對催化降解速度的影響，結(jié)果說明TiO2含量增加時降解速度增加。AndreaF等17-18應(yīng)用兩種商業(yè)TiO2樣品微米級與納米級摻入不同離子介質(zhì)Na+、K+、Ca2+、Cl+、SO42+和不同pH的水泥砂漿中制備光催化混凝土，通過檢測離子與離子的相關(guān)性對在水泥環(huán)境中的TiO2微粒團(tuán)聚起到關(guān)鍵的作用并通過相關(guān)測定證實(shí)了這種團(tuán)聚現(xiàn)在在真實(shí)水泥中存在。其還應(yīng)用兩種商業(yè)TiO2樣品摻入

12、水泥砂漿中制備光催化混凝土在通過化學(xué)降解Rh-B來檢測光催化水泥的自活潔和凈化NOx的能力。結(jié)果說明納米級TiO2存在更高的比外表積即表現(xiàn)出對NOx更高的降解效果。BallariM等19從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了TiO2混凝土鋪路磚催化降解NOx,提出了動力學(xué)模型來描述光降解NOx的反應(yīng)和影響混凝土鋪路磚性能的因素NOx進(jìn)入溶度、反應(yīng)器高度、氣流速度、相對濕度和輻射度。201砰PanesarD御Dolatabadi20M比照研究了使用普通水泥和光催化水泥所配制混凝土的性質(zhì)，結(jié)果說明與普通水泥相比，光催化水泥更難引入氣孔，但力學(xué)性能和普通水泥相當(dāng)，光催化水泥的工作性和耐久性仍需進(jìn)一步研究.光催化混凝土

13、的應(yīng)用1996年，日本首先提出將TiO2作為一種空氣凈化催化劑，1998年日本東陶公司首先應(yīng)用TiO2光催化劑制成廚房和浴池用瓷磚，汽車噴涂材料。在2002年日本和意大利相繼進(jìn)行了光催化混凝土路面的實(shí)地試驗(yàn)，并都取得了一定的效果。2005年在中國南京長7工三橋橋北收費(fèi)站應(yīng)用了東南大學(xué)綠色建筑材料技術(shù)研究所錢春香教授課題組功能性路面材料”研究成果。以混凝土材料為載體，摻入納米TiO2光催化劑實(shí)現(xiàn)汽車尾氣的凈化，試驗(yàn)結(jié)果說明，光催化效率可到達(dá)80%以上，比日本和意大利鋪設(shè)的光催化混凝土路面表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。200祁比利時道路研究中心在安特衛(wèi)普市城區(qū)一主十道上鋪設(shè)了1000"方米的光催化混

14、凝土路面磚，通過用蒸僻水活洗路面磚的外表和水中已知的N含量來確定NOx減少量的最小值。結(jié)果顯示在不同的環(huán)境條件下空氣凈化效果存在很大差異21。2008年上海世博場館的1000"方米的停車場是完全使用意大利技術(shù)和產(chǎn)品的場地，監(jiān)測說明治污效果很好。3. 光催化混凝土應(yīng)用尚未解決的問題1TiO2光催化劑只受紫外光輻射激發(fā)，而不能被可見光激發(fā)，所以其利用效果還是很低。雖然現(xiàn)在可見光響應(yīng)的光催化劑種類很多且效果很好，但是還沒有研究出能夠有效應(yīng)用的廉價的能夠推廣的光催化劑。2TiO2光催化劑在光催化作用后產(chǎn)生的礦物及硝酸會吸附在混凝土外表影響光催化混凝土的功能持久性，且會對混凝土外表產(chǎn)生腐蝕，需

15、要經(jīng)常沖洗。這就限制了TiO2光催化混凝土的使用，只能在雨水充足的地區(qū)使用才有較好的效果。3將光催化劑與混凝土結(jié)合對混凝土本身的強(qiáng)度，耐久性等性能的影響還沒有系統(tǒng)理論性的解決方案，并且光催化混凝土的光催化性能及其自活結(jié)耐久性使用等許多問題都有待解決。4納米TiO2光催化劑的特殊性能使的其受到廣泛的應(yīng)用，但同時也因?yàn)楸旧淼募{米性能使其可通過空氣、水、土壤等多種途徑進(jìn)入到生態(tài)環(huán)境，影響生態(tài)環(huán)境的發(fā)展，也可能對人體的健康存在一定的危害。1 參考文獻(xiàn)FujishimaA,HondaK.ElectrochemicalphotolysisofwateratasemiconductorelectrodeJ.

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17、50-760.4 AnibalMR,KristofD,NeleDB,TapioM,ErkkiL.Titaniumdioxidecoatedcementitiousmaterialsforairpurifyingpurposes:Preparation,characterizationandtolueneremovalpotentialJ.BuildingandEnvironment,2012:832-838.5 錢春香，趙聯(lián)芳,付大放，李麗，王瑞興.路面材料負(fù)載納米二氧化鈦光催化降解氮氧化物J.硅酸鹽學(xué)報(bào)，2005,33(4):423-427.6 李麗,錢春香.南京長7工三橋光催化功能性混凝土

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