隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展,環(huán)境污染問題日趨嚴重,工業(yè)廢水、廢氣,城市汽車尾氣、農(nóng)藥使用、生活污水排放等,對我們的生存環(huán)境產(chǎn)生了很大的負面影響。傳統(tǒng)的環(huán)保處理設(shè)施只是對集中的污染源進行處理,雖然可以降低部分污染,但是存在一些缺點,如化學(xué)處理時會產(chǎn)生二次污染,且運行成本高,二是對于公共區(qū)域.如城市空間的空氣、河流、湖泊的污染水質(zhì),很少使用專門的環(huán)保處理設(shè)備進行處理。光觸媒技術(shù)的發(fā)展,為全面的環(huán)境治理帶來可能。研究表明,光觸媒材料納米二氧化鐵可以在常溫常壓下,將有機物如烴類、鹵代物、表面活性劑、有機酸、有機農(nóng)藥等完全轉(zhuǎn)化為水、二氧化碳等無害物質(zhì)。將納米二氧化欽光觸媒技術(shù)運用到透水混凝土上,制成空氣、水質(zhì)凈化功能透水混凝土,這種全新的材料鋪設(shè)于城市道路、廣場、公園道路、河流和湖泊的護坡,將在城市空氣、水質(zhì)的污染治理方面發(fā)揮巨大的作用。
1光觸媒原理
2提高光觸媒效能
2.1影響光觸媒效能的因素
納米二氧化欽的光催化原理是光產(chǎn)生的電子e和空穴h。但是它們產(chǎn)生后極易重新復(fù)合,一旦重新復(fù)合,光催化的活性就降低了。研究表明,銳欽型二氧化鐵比金紅石型二氧化欽光催化活性高300-2000倍。
提高光觸媒效能的研究主要集中在提高其可見光利用率方面。這是因為TO:是一種寬禁帶半導(dǎo)體,其禁帶寬度為3.2eV,只有波長小于388nm的紫外線才能激發(fā)它的外層電子產(chǎn)生躍遷,從而具有催化活性。然而紫外線具有的能量在太陽光中所占的比例不到6%,而波長為400-700nm的可見光具有的能量則占太陽能的45%,因此充分利用可見光能里是增強光觸媒的催化效能的最現(xiàn)實有效的途徑之一。
2.2提離光觸媒效能的途徑
2.2.1離子摻雜
通過對丁iO:納米粒子的修飾和改性處理,可以將半導(dǎo)體的有效激發(fā)區(qū)由uV區(qū)移到可見光區(qū),實現(xiàn)將太陽能中的可見光用于Ti0:光催化體系。目前研究認為,離子摻雜一方面可以改變Ti02的能級結(jié)構(gòu).另一方面摻雜使電子和空穴分離,延長了電子和空穴的壽命,使單位時間、單位體積內(nèi)的光生電子和空穴數(shù)量增多。離子摻雜可分為金屬離子摻雜和非金屬離子摻雜。
2.2.2表面光敏化
表面光敏化是通過添加適當?shù)墓饣钚悦艋瘎?,而光活性敏化劑根?jù)其物理或化學(xué)特性吸附于Ti0:的表面,這些物質(zhì)在可見光下具有較大的激發(fā)因子。在可見光照射下,吸附態(tài)光活性分子吸收光子后,被激發(fā)產(chǎn)生自由電子,注入到TiO2的導(dǎo)帶,從而擴大了Ti02激發(fā)波長的范圍,使之能利用可光來降解有機物,這一過程稱為催化劑的表面光敏化。
2.2.3表面貴金屬沉積
將微量貴金屬負載在納光二氧化鐵表面,載流子重新分布,相應(yīng)減小了二氧化欽表面的電子密度,從而有效地抑制了電子和空穴的復(fù)合,電子和空穴各自在不同的位置發(fā)生氧化還原反應(yīng)。大大提高了光催化的效能。
2.2.4復(fù)合半導(dǎo)體
當兩種或兩種以上的半導(dǎo)體通過復(fù)合形成一定的微觀結(jié)構(gòu).其光化學(xué)性和物理性質(zhì)會發(fā)生很大改變,復(fù)合半導(dǎo)體主要考慮不同半導(dǎo)體的禁帶寬度,價帶,導(dǎo)帶能級位置和晶型匹配等因素,通過半導(dǎo)體藕合提高電荷分離效率,抑制電子一空穴對(的)復(fù)合,可以擴展光譜的響應(yīng)范圍。
3光觸媒對空氣和水質(zhì)的凈化作用
研究發(fā)現(xiàn),納米二氧化欽能夠降解空氣中超標的有機物和CO,SO2,NO:等有害氣體。利用納米二氧化欽的光催化作用可將這些氣體氧化,形成蒸汽壓低的硝酸和硫酸,這些硝酸和硫酸可利用水溶液吸收,達到凈化的效果。同時,二氧化欽作為一種光催化劑,與吸附劑(如沸石、活性碳、二氧化硅等)相結(jié)合,在弱紫外光的照射的激發(fā)條件下可有效地降解室內(nèi)低濃度的有害氣體,如甲醛、甲苯等有機物可完全被催化分解為二氧化碳和水,
同樣,納米二氧化欽能有效地對鹵代脂肪烴、鹵代芳烴、有機酸類、硝基芳烴、表面活性劑、農(nóng)藥等進行光催化反應(yīng),最終以上有機物生成無機小分子物質(zhì)。所以,納米二氧化欽可處理多種類型的有機廢水,如催化降解染料廢水、油田的含油廢水及含有石油污染物的水體、含苯酚類污染物的洗煤廢水、垃圾填埋場的滲濾液等,均具有良好的降解效果。
日本已在高速公路兩側(cè)、隧道內(nèi)設(shè)盆了涂復(fù)納米二氧化欽的光催化板,用于除去氮氧化物來防治汽車尾氣。納米鐵白粉的光催化作用還能殺菌,如納米二氧化欽對綠膿桿菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等有強殺菌力,可將其用于醫(yī)院手術(shù)臺和墻壁、浴缸、瓷磚及衛(wèi)生間等地方。
4空氣水質(zhì)凈化功能的透水混凝土
透水混凝土作為一種新型的生態(tài)環(huán)保的鋪地材料,已被廣泛運用在城市道路、廣場、園陵、河流湖泊的生態(tài)護坡上。以透水混凝土作為光觸媒的載體,優(yōu)勢在干:一是透水混凝土表面為多孔結(jié)構(gòu),比表面積遠大于平面的面積;二是多孔構(gòu)造表面,即使表面有磨損,孔內(nèi)的光觸媒物質(zhì)不會被破壞,因而能保證光觸媒效能的持久性;三是它作為一種道路材料,鋪設(shè)面積廣,廣泛使用空氣水質(zhì)凈化功能的透水混凝土后,對環(huán)境改善效果明顯。
4.,光觸媒表面涂石材料的選擇
通常選擇銳欽型二氧化欽,需要在納米級(一般要求小于1 Onm)才能有足夠的表面積使其進行光觸媒反應(yīng)。但顆拉越小所需要的生產(chǎn)成本越高,現(xiàn)在有些從業(yè)者為了降低成本采用徽米級的光觸媒,雖然價格便宜,但是效果有限。 從光觸媒涂菠材料的耐久性來看.二氧化欽的固定是另一個關(guān)鍵點。固定化的過程則必須考慮光觸媒反應(yīng)活性及耐久性兩大問題,用有機物作為固定材料時,有機物本身有被分解的問題,用無機物作為固定材料時,光觸媒表面被無機物菠蓋,不能發(fā)揮功效。因此需要在反應(yīng)活性與耐久性之間找到一個比較好的平衡點。
4.2空氣水質(zhì)凈化功能透水混凝土試驗
4.2.1光觸媒表面涂覆材料的選擇
南京標美彩石研制的凈化功能透水混凝土涂覆材料;光觸媒選用銳欽型納米級的二氧化鐵(粒徑小于10nm),固定相選用耐磨性、耐水性、耐堿、抗紫外線、抗老化性能優(yōu)良的有機樹脂,另外樹脂還應(yīng)具備多孔和透氣性的特點。配合多種添加劑把光波響應(yīng)范圍擴大到可見光區(qū)。
4.2.2透水混凝土采用南京標美彩石透水混凝土。
4.2.3試驗方法
1)空氣凈化檢ZI按JC/T1074-2008(室內(nèi)空氣凈化功能涂覆材料凈化性能)制樣和送檢:
2)水質(zhì)凈化,將透水混凝土制成200mm200mm"30mm的試塊;
3)試塊成型養(yǎng)護3天后,在表面噴涂凈化功能透水混凝土涂粗材料;
4)噴完千燥1天后進行試驗。
4.2.4結(jié)果與討論
1)空氣凈化檢驗結(jié)果見表10
2)水質(zhì)凈化試驗
空氣水質(zhì)凈化功能透水混凝土樣塊如圖1;
對亞甲基藍水樣凈化試驗如圖2;
對河底污水樣抑制菌藻生長試驗如圖30
3)討論
空氣水質(zhì)凈化功能透水混凝土用于城市道路建設(shè)時,通過光觸媒的催化作用,有效、徹底地消除大氣中的各種污染物,包括汽車尾汽、含各種有機污染物的氣體,而光觸媒本身沒有任何的揮發(fā)性和化學(xué)毒物釋放,凈化空氣后的最終產(chǎn)物是水和二氧化碳等的無害物質(zhì),不存在二次污染問題,因此在使用過程中對人體安全可靠。
在水質(zhì)凈化方面,通過在河道和湖泊的護坡鋪設(shè)空氣水質(zhì)凈化功能透水混凝土.能同樣有效的消除水體中的有機污染物,殘留農(nóng)藥等,降低水體的化學(xué)耗氧最,并能抑制菌藻的生長,其本身對水體不會造成任何污染。
空氣水質(zhì)凈化功能透水混凝土用千凈化空氣和水質(zhì),具有以下優(yōu)點:
(1)全面地凈化水質(zhì)和空氣,有效的消除大氣和水中各種有機污染物,還可有效地殺滅土壤、空氣和水中的各種致病細菌和病毒,預(yù)防疾病的流行;
(2)凈化汽車尾氣,消除日益繁忙的城市交通帶來的空氣污染;
(3)在具備道路和河堤護坡的使用功能和美觀功能外,同時具備空氣凈化功能;
(4)由于二氧化欽的化學(xué)穩(wěn)定度很高,在反應(yīng)過程中本身不發(fā)生變化和損耗,在光照下可持續(xù)凈化污染物,具有持續(xù)作用的優(yōu)點,它的空氣凈化功能具有持久性,研究表明,一般凈化功能可以保持10年以上;
(5)通常的環(huán)保處理過程和消毒方法會形成二次污染。而二氧化鐵的化學(xué)穩(wěn)定性,使其無毒、無害,對人體安全可靠;它凈化各種物質(zhì)最終的反應(yīng)產(chǎn)物為二氧化碳、水和其他無害物質(zhì),不產(chǎn)生二次污染;
(6)在凈化空氣和水質(zhì)時,不需要投入原料,也不需要投入能源,只需要有光照就可以持續(xù)地凈化空氣和水質(zhì),完全符合節(jié)能環(huán)保的要求。
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