基于沥青路面载体吸附并降解隧道汽车尾气技术研究

发布时间：2017-08-14 05:29

  本文关键词：基于沥青路面载体吸附并降解隧道汽车尾气技术研究

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【摘要】：随着我国国民经济发展和隧道建设水平的不断提高,大型公路隧道和城市地下通道数量逐渐增加,由于隧道是半封闭的管状结构,排风不畅,车速较低,导致隧道内的汽车尾气浓度明显高于隧道外,造成严重空气污染,危害司乘人员健康。目前隧道主要采用通风设备等物理方法来排除、稀释汽车尾气,难以达到化学方法实质性降解的作用。本文研发一种用于沥青路面并适应隧道光照环境条件的复合光催化剂,赋予沥青路面吸附并降解汽车尾气功能,对提高隧道内及其出口附近空气质量具有重要意义。首先,本文基于流体动力学理论分析不同行车工况下隧道内汽车尾气浓度分布规律,重点研究路表附近汽车尾气浓度梯度分布规律,为研发具有光催化功能的沥青路面提供理论依据。计算结果表明,汽车怠速或行驶工况下,汽车尾气短时间内贴近路表逐渐向周围扩散,且向隧道两侧扩散尤为明显,这为以沥青路面为载体吸附并降解汽车尾气提供了有利条件。其次,本文采用溶胶-凝胶法制备了Fe~(3+)掺杂纳米TiO_2,表征了不同Fe~(3+)掺量的光催化剂表观形貌、表面化学成分、电子能带结构、光学性能等。结果发现,Fe~(3+)掺杂降低了TiO_2费米能级,减小了光学能带间隙,吸收带边发生明显红移,对可见光吸收显著增强;同时,Fe~(3+)掺杂导致TiO_2晶格畸变形成陷阱捕获光生电子,降低了电子-空穴对复合率,加快了空穴与电子的界面传递反应,提高了TiO_2光催化性能;并采用本文研发的汽车尾气净化测试系统研究了不同Fe~(3+)掺量的TiO_2对尾气的降解效果,确定合适的Fe~(3+)掺量。然后,以具有强吸附性的椰壳活性炭颗粒作为吸附载体,基于溶胶-凝胶法负载纳米TiO_2,制备AC/TiO_2复合光催化剂。采用扫描电镜、能谱分析仪、BET比表面积与孔径分布仪等研究了不同负载次数的复合光催化剂的表观形貌、活性炭孔隙分布及吸附性能等。结果表明,活性炭表面官能团和独特的孔结构提高了纳米TiO_2表面污染物浓度,充分发挥活性炭吸附性能和纳米TiO_2光催化性能的协同效应,提高了光催化降解效率,使活性炭孔隙可原位再生;通过尾气降解试验并结合表征分析结果确定了活性炭负载纳米TiO_2合适次数和负载率。最后,把AC/TiO_2复合光催化剂作为细集料添加到OGFC沥青混合料中制备掺入式光催化型沥青路面试件进行尾气降解和各项路用性能试验研究。结果发现,光催化降解效率随着复合光催化剂掺量的增加而提高,不同掺量的复合光催化剂对沥青混合料路用性能影响很小;作为对比研究,把不同掺量的纳米TiO_2添加到水泥砂浆中,灌注OGFC沥青混合料试件孔隙中,制备光催化型半柔性路面试件。研究发现,水泥砂浆负载TiO_2提高了半柔性路面的光催化效能和路用性能,光催化剂在半柔性路面中应用具有较好的可行性。本文研究为基于隧道路面载体吸附并降解汽车尾气,净化隧道交通环境,减少汽车尾气对司乘人员健康危害提供了新思路和理论依据。
【关键词】：沥青路面 汽车尾气 TiO_2 Fe~(3+)掺杂 活性炭 光催化 降解尾气
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U416.217;X734.2
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-23
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-19
• 1.2.1 隧道尾气净化技术研究现状11-12
• 1.2.2 隧道污染浓度监测与分布规律研究12-13
• 1.2.3 纳米TiO_2光催化活性研究13-14
• 1.2.4 纳米TiO_2光催化剂制备与改性研究14-15
• 1.2.5 纳米TiO_2光催化剂负载方法研究15-16
• 1.2.6 基于沥青路面降解汽车尾气研究16-19
• 1.3 目前存在的问题19
• 1.4 本文主要内容及技术路线19-23
• 1.4.1 本文主要内容19-20
• 1.4.2 研究方案与技术路线20-23
• 第二章 隧道内汽车尾气浓度分布规律研究23-36
• 2.1 机动车排放污染物危害性23
• 2.2 流体力学基本方程23-24
• 2.2.1 质量守恒方程23
• 2.2.2 动量守恒方程23-24
• 2.2.3 能量守恒方程24
• 2.3 流体运动分类24-26
• 2.4 隧道尾气扩散模型构建及求解过程26-28
• 2.4.1 隧道尾气扩散模型构建26
• 2.4.2 数值模拟方法及求解过程26-27
• 2.4.3 初始与边界条件27-28
• 2.5 模型离散化及求解方法28-30
• 2.6 计算结果分析30-35
• 2.7 本章小结35-36
• 第三章 铁掺杂纳米TiO_2制备与性能表征36-69
• 3.1 纳米TiO_2光催化原理36-37
• 3.2 纳米TiO_2制备37-41
• 3.2.1 溶胶-凝胶法简介37
• 3.2.2 溶胶-凝胶法制备纳米TiO_2主要影响因素37-38
• 3.2.3 溶胶-凝胶法制备纳米TiO_238-41
• 3.3 Fe离子掺杂纳米TiO_2的制备41-43
• 3.3.1 纳米TiO_2光催化性能影响因素41-42
• 3.3.2 Fe离子掺杂制备纳米TiO_242-43
• 3.4 纳米TiO_2粒子的表征方法43-44
• 3.4.1 X射线衍射43
• 3.4.2 透射电子显微镜43
• 3.4.3 紫外-可见分光光度计43
• 3.4.4 X射线光电子能谱43-44
• 3.5 纳米TiO_2微观结构及光学性能研究44-53
• 3.5.1 X射线衍射分析44-45
• 3.5.2 透射电镜分析45-48
• 3.5.3 紫外-可见分光漫反射分析48-50
• 3.5.4 X-射线光电子能谱分析50-53
• 3.6 纳米TiO_2对尾气光催化性能试验研究53-57
• 3.6.1 纳米TiO_2对尾气光催化试验系统研发53-55
• 3.6.2 纳米TiO_2对尾气光催化试验方法55-57
• 3.7 纳米TiO_2对尾气光催化试验结果与分析57-67
• 3.7.1 纳米TiO_2对HC的降解效果分析57-60
• 3.7.2 纳米TiO_2对CO的降解效果分析60-62
• 3.7.3 纳米TiO_2对CO_2的降解效果分析62-64
• 3.7.4 纳米TiO_2对NO_x的降解效果分析64-67
• 3.8 本章小结67-69
• 第四章 活性炭基纳米TiO_2复合光催化剂制备与性能表征69-86
• 4.1 活性炭孔结构及化学成分组成69-70
• 4.1.1 活性炭孔径分布69-70
• 4.1.2 比表面积70
• 4.1.3 活性炭的化学成分70
• 4.2 AC/TiO_2复合光催化剂制备70-73
• 4.2.1 AC/TiO_2协同增强催化作用机制分析70-71
• 4.2.2 吸附剂负载纳米TiO_2方法71
• 4.2.3 溶胶-凝胶法制备负载型纳米TiO_271-73
• 4.3 AC/TiO_2复合光催化剂性能试验方法73
• 4.3.1 BET比表面积及孔径分布仪73
• 4.3.2 场发射扫描电镜73
• 4.3.3 X射线能谱仪73
• 4.4 AC/TiO_2复合光催化剂性能试验结果与分析73-78
• 4.4.1 AC/TiO_2比表面积及孔径分布73-75
• 4.4.2 TiO_2负载量测定75
• 4.4.3 AC/TiO_2复合体系微观吸附和化学成分研究75-78
• 4.5 AC /TiO_2复合催化剂净化尾气试验研究78-85
• 4.5.1 AC/TiO_2对HC降解效果与净化效率78-80
• 4.5.2 AC/TiO_2对CO降解效果与净化效率80-82
• 4.5.3 AC/TiO_2对CO_2降解效果与净化效率82-83
• 4.5.4 AC/TiO_2对NO_x降解效果与净化效率83-85
• 4.6 本章小结85-86
• 第五章 光催化型隧道沥青路面吸附并降解尾气试验研究86-110
• 5.1 原材料性能86-91
• 5.1.1 集料86-87
• 5.1.2 矿粉87
• 5.1.3 沥青87-88
• 5.1.4 OGFC沥青混合料配合比设计88-91
• 5.2 光催化型OGFC性能试验研究91-99
• 5.2.1 光催化型OGFC试件制备91-92
• 5.2.2 路用性能试验研究92-93
• 5.2.3 光催化型OGFC净化尾气试验研究93-99
• 5.3 光催化型半柔性路面性能试验研究99-108
• 5.3.1 水泥砂浆原料及配比99-100
• 5.3.2 光催化型水泥砂浆制备100-101
• 5.3.3 光催化型半柔性路面试件制备101-102
• 5.3.4 光催化型半柔性路面净化尾气试验研究102-106
• 5.3.5 光催化型半柔性路面路用性能研究106-108
• 5.4 本章小结108-110
• 第六章 结论与展望110-112
• 6.1 主要研究结论及创新点110-111
• 6.1.1 主要研究结论110-111
• 6.1.2 创新点111
• 6.2 研究展望111-112
• 参考文献112-117
• 攻读硕士学位期间取得学术成果117-118

【参考文献】

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本文编号：671040