光催化分解汽车尾气沥青路面材料应用技术研究.docx

光催化分解汽车尾气沥青路面材料应用技术研究（120字以内）：研究获得利用可见光进行汽车尾气分解的改性二氧化钛光催化剂，研究其掺加方式及掺量对催化剂效能发挥的影响，并创建室外汽车尾气降解效果评价体系模型，将该改性光催化剂负载到路面材料中开发可降解汽车尾气的路面材料，减少汽车尾气排放造成的大气污染。一、项目立项依据（包括国内外技术发展现状、技术瓶颈和发展趋势，知识产权情况，项目对福建科技、经济和社会发展的作用及产业化前景，2000字内）1、项目的背景汽车尾气的排放是造成城市大气污染的主要原因之一，并且会对人类健康构成极大的危害。汽车尾气中含有大量的有害物质，包括一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物和固体悬浮颗粒等，其中氮氧化物也是形成酸雨的重要原因之一。据福建省环境保护厅发布的2015年福建省环境状况公报显示：全省2015年降水的PH值年均值为5.17,较上年上升0.06；酸雨出现频率为40.5%。目前，福建省改善汽车尾气污染主要途径是推广清洁能源以及对“黄标车”的限制等,这些方法多数都集中在汽车本身和燃油消耗上,但是从道路铺装角度去减少汽车尾气污染的研究几乎处于空白状态。由于机动车的排气管与路面很接近，排出的大量尾气首先与路面接触，如果能开发出降解汽车尾气的路面铺装材料，这将是一个很好的解决汽车尾气污染的途径。研究发现：纳米TiO2光催化材料在紫外光的照射下，通过光能转化为化学能，可以将污染物完全催化氧化为无害物质。该材料与其他光催化材料相比具有无毒、环境友好、具有较强的氧化还原能力等特点，成为最具有前途的绿色环保催化剂。本文将纳米Tio2光催化剂负载到路面材料中，开发出可降解汽车尾气的路面材料，从而达到在光照条件下将汽车尾气中一氧化碳和碳氢化合物降解为水和二氧化碳、氮氧化物降解为无害的硝酸盐的目的。2、国内外研究2.1 国外研究现状光催化是催化化学、光电化学、半导体物理、材料科学和环境科学等多学科交叉的新兴研究领域。光催化反应是在光和催化剂同时作用下进行的化学反应。自1972年日本发现光催化效应以来，半导体光催化剂在净化环境污染方面进入了一个新的时代。日本千叶县一条公路在铺路时添加了一种呈粉末状的光催化剂二氧化钛。据环境卫生的测试,该公路可吸收汽车尾气中至少四分之一的氮氧化物，需要的只是太阳光和雨水。目前，光催化材料在日本最大规模的实施案列是在道路隔音墙的应用，主要目的在于降低道路空气污染程度。此隔音墙为多孔复合型材料，具有隔音及去除空气污染物的功效。欧美国家如美国、意大利等国也将光催化材料广泛应用于路面材料中。美国洛杉矶市在交通主干道路两侧,通过铺设涂抹有二氧化钛光催化的混凝土地砖，已达到净化氮氧化物,减少对人体损害的目的。2002年，在意大利米兰市7000Itf的城市道路道路路面铺设了光催化净化材料，居民反映当地空气环境质量得到明显改善，通过检测发现，试验街道路段空间氮氧化物浓度降低60%以上。比利时道路研究中心在一个主要枢纽停车道上铺设10000m2带TiO2光催化剂的混凝土路面砖，现场取样、实验室测量结果显示，路面砖的空气净化率和持久性良好。法国一家公司研制了光催化涂装材料，可以使有机气体排放量减少10%40%,可以运用到声屏障、停车场、隧道及路面。2.2 国内研究现状目前我国汽车尾气污染日趋严重，我国各行各业都采取相应的措施来减少汽车尾气污染，从道路工程角度，我国己有少数的科研单位，将光催化材料应用的道路工程中，包括涂覆在城市道路交通基础设施的表面以及应用到路面材料中，都能起到降解汽车尾气的效果。但总体上来说我国在这方面的研究相对较少，因此函需作进一步的深入研究，使得汽车尾气降解效果更加明显，近年来，我国在该领域主要有以下研究：东南大学材料科学与工程学院钱春香教授带领其团队在光催化材料降解技术方面进行了较深入的研究，以路面材料为载体,在水泥混凝土和沥青混合料中加一定量二氧化钛材料,检测两者对尾气的净化效果。试验结果显示：水泥混凝土的光催化效果较沥青的效果要好，并从其他方面，如混凝土的吸光、透光能力等作了深入的探讨。还铺筑了水泥混凝土试验路对尾气降解效果进行长期观测，提出了关于基于路面材料的二氧化钛光催化降解尾气中氮氧化物的有机模型。同济大学孙立军教授等人自主研发了室内测试试验设备,在路面材料基础上对不同添加方式的光催化材料降解尾气效果进行试验研究，并对尾气降解性能的影响因素进行了探讨，同时还验证了添加纳米二氧化钛的的沥青混合料的路用性能。结果表明：纳米Ti(h光催化效果明显，且温度、光照等因素对光触媒材料净化机动车废气效果影响较大；在沥青混合料中加入纳米Ti(h后，其路用性能变化不大。李剑飞等人针对纳米二氧化钛对于汽车尾气中的一氧化碳、碳氢化合物的催化分解效果进行了研究，发现在室内光照条件下，纳米二氧化钛对于各种含碳化合物几乎没有催化分解效果；在室外光照条件下，对各种含碳化合物的催化分解能力大大提高。谭忆秋等人采用纳米二氧化钛作为光催化材料,分别利用涂抹和掺入的方式应用于沥青混凝土中，用来吸收汽车尾气中的有害其他，对其进行降解处理，并提出了一整套的科学试验方法和评价指标。分别推荐了在采用涂抹和掺入方式时的最佳纳米二氧化钛的使用量范围，并提出了在掺量不同时对沥青混合材的其他性能的影响问题。张文刚等人针对光催化分解汽车尾气问题提出了全新的测试系统、评价指标以及计算公式。采用多种复合材制备了光催化分解汽车尾气乳化沥青材料。并着重说明了光催化分解汽车尾气路面材料的工作机理，分析了紫外线辐射照度对该材料的工作性能的影响程度，当紫外线照度增加时，该材料的降解汽车尾气中CO、NO、HC等有害气体的能力显著提升。3、技术瓶颈目前国内对于光催化降解汽车尾气路面材料的应用较少，主要集中在室内的一些试验分析，包括自制光催化测试装置进行催化效果研究，对材料降解效果进行初步评价以及反应机理等面，在福建省更是没有研究和应用的先例，而且还存在以下不足：一是光催化对紫外光的依赖性很强，太阳光中紫外光只占3%-4%,光催化剂的利用率较低；二是负载于沥青路面的效果欠佳，有待改进；三是催化降解产物是否会对路面材料造成侵蚀；四是光催化产品的评价方法和标准相对滞后。上述局限使得负载二氧化钛路面材料暂时不能大规模的应用于工程实际，因此，急需对其进行深入及完善地研究，扩大推广应用，这对缓解机动车尾气污染，维护“清新福建”具有重大意义。二、研究开发及主要创新点(2000字内)1、具体研究开发内容和重点解决的关键技术具体研究开发本文通过不同的使用场合并结合理论分析、室内试验、以及实体工程的现场测试等拟开展的研究内容如下：(1)改性二氧化钛光催化剂研究对现有的二氧化钛光催化剂进行分子改性，提高其分解率，降低生产成本，提高工程使用率，并采用其他的复合材作为助剂来提升改性二氧化钛光催化剂的效能，摆脱当前光催化剂仅限于对紫外线利用，探索可吸收可见光范围光线的改性二氧化钛光催化剂，降低对紫外线照度的高需求和高依赖性。(2)光催化分解汽车尾气沥青混凝土研究(添加方式及掺量对沥青混合料性能及尾气分解的影响及相关评价方法）在得到改性二氧化钛光催化剂后，研究其在采用不同的掺加方式、掺加次序、以及某种特定工况下的最佳掺量和最佳效能，并获取因此对原基材的各项性能影响程度，包括其他添加剂的掺加对该二氧化钛光催化剂的效力发挥影响，更深一步的分析改性二氧化钛光催化剂的工作原理机制。创建在实验室内的环境下对以上各因素复合作用下的汽车尾气降解的评价指标和系统及理论计算模型。（3）现场工程应用以及室外汽车尾气分解评价方法进一步将该研究推向实际工程中，考虑更加复杂的实际工程环境中的影响因素。开创贴近于实际工程的各项施工工艺、施工流程和管理以及各方的协调问题，是其发挥各大效能。开展室外的实际道路试验,对汽车尾气的分解程度以及该改性二氧化钛光催化剂贡献率的考证和数据采集，并创建适当的室外汽车尾气分级评价方法模型。关键技术：（1）高效二氧化钛光催化剂研发目前二氧化钛光催化剂在紫外光的照射下催化效率较高,如何通过改性提高其在可见光区域的催化活性是本课题的关键技术之一。（2）纳米二氧化钛催化剂在路面材料中的添加方式不同的添加方式将直接影响汽车尾气的降解效果、路面材料性能及后续的降解效果的持久性，因此需找出纳米二氧化钛催化剂在不同路面材料中最佳的添加方式。（3）室外降解效果评价体系目前，对于纳米二氧化钛光催化路面材料的降解汽车测试主要集中在室内模拟，缺乏实际路段降解效果评价体系，因此需建立一套完善的降解效果评价体系。2、项目的特色或创新之处（1）开发在可见光照射下具有较高催化效率的改性二氧化钛光催化剂，降低对紫外线的依赖，提高光催化剂的工作效能。（2）初步建立室外汽车尾气降解效果评价体系。三、研究开发方案和技术路线（2000字内）（1）光催化机理研究及高效二氧化钛光催化剂研发（2）光催化沥青混合料设计及性能研究通过不同的光催化剂负载方式，对沥青混合料的性能及降解尾气降解性能评价，确定最佳的负载方式、纳米光催化沥青混合料生产工艺及施工工艺。(3)初步建立汽车尾气降解效果评价体系通过铺筑相应的试验路段,在现场测试试验路段汽车尾气降解效果的基础上初步建立汽车尾气降解效果评价体系。四、项目考核内容与指标1、主要技术指标(1000字内)(1)提出纳米光催化沥青路面施工工法1项(2)提供纳米光催化水泥路面施工工法1项(3)提出室外汽车尾气降解效果评价方法1项(4)发表论文3-6篇2、经济社会效益(700字内)汽车尾气目前已成为我国空气污染的重要来源，是造成我国灰霾、光化学烟雾污染的重要原因。据福州市环保部门测算，福州市机动车尾气排放对大气污染的“贡献”率高达近40%o福州市人民政府办公厅于2015年1月5日福州市大气污染防治行动计划实施情况考核办法中已经明确将机动车污染防治作为考核指标之一。据福建省环境保护厅发布的消息，2017年福建省将持续打好水、大气、土壤污染防治三大攻坚战，深入推进生态省建设,建设天更蓝、地更绿、水更净的美丽福建。本项技术研究开发的路面材料可以有效地降解汽车尾气，赋予路面材料环境净化的功能，提高了路面材料的“绿色”含量，符合路面材料可持续发展的需要，对守护“清新福建”这一亮丽名片具有重要意义。五、进度安排时间工作内容2018.04.01-2018.07.31查询国内外近期发表的有关文献资料，完成开题报告，根据相关文献资料，确定研究方案及研究大纲。2018.08.01-2019.07.31光催化机理及高效二氧化钛光催化2019.08.01-2023.07.31纳米光催化沥青混合料配合比设计及性能研究、纳米光催化水泥混凝土研究2023.08.01-2023.12.31试验路铺筑、现场测试汽车尾气降解效果，初步建立汽车尾气降解效果评价体系。2023.01.01-2023.03.31项目验收六、现有研究开发基础和已具备的条件（包括承担单位概况，研究工作基础与知识产权状况，研发队伍与科技服务管理能力等）（1000字内）承担单位概况：福建省建筑科学研究院成立于1958年，是福建省建设系统中专业配置齐全、技术力量雄厚、仪器设备精良的综合性科研开发机构。目前，已有员工1500余人，各类专业技术人员I（X）O余人，其中享受国务院政府特殊津贴专家6人，教授级高工40人，高级工程师100人,硕士、博士研究生300人，国家一级注册工程师百余人。依靠自身雄厚的技术力量和丰富的研究经验，对工程建设关键性技术和共性技术中的热点、难点问题组织攻关，已完成科研成果一百多项，其中获省、部级科学技术奖的成果达56项，1998年至2013年承担省部级重大重点项目共32项，承担国家十二五科技支撑计划项目及“863”计划项目2项，