掺氮改性纳米TiO2光催化材料的聚合物水泥砂浆的应用研究

掺氮改性纳米TiO2 光催化材料的聚合物水泥砂浆的应用研究

叶青1,莫荣辉1,余亚超2,李国华1,黄珍珍3
[1.浙江工业大学建筑工程学院,浙江杭州310014;2.宝业集团(建设产业研究院),浙江绍兴312030;3.浙江大学建筑工程学院,浙江杭州310058]

0 前言
用掺纳米TiO2 光催化材料[1-2]制得的水泥砂浆,在室外太阳光或室内紫外线作用下可光催化降解NOX。其机理为:


反应副产品硝酸可在降雨过程中除去,从而达到降低大气污染的目的。掺氮改性纳米TiO2 光催化材料[3-5]比未改性的纳米TiO2的光催化效率明显提高。这类水泥砂浆可广泛应用于城市建筑物的立面、围墙和城市道路周围的地面抹面。

1 氮改性纳米TiO2 光催化材料的制备
在室温条件下,将市售P25 纳米TiO2 粉体与氮盐按一定比例在球磨机中混合数小时,然后将此粉体在较高温(400~900 ℃)条件下保温数小时,冷却后(或再球磨)即得氮改性P25 纳米TiO2 粉体。上述制备方法在不提高粉体煅烧温度的前提下使氮能均匀地掺入P25 颗粒的内部,可大幅度提高TiO2 的光催化效率,光催化效率可达到原P25 纳米TiO2 粉体的1.5 倍左右。

2 光催化降解NOX 的测试方法
光催化降解NOX 的测试仪器配置见图1。

图1 光催化降解NOX的测试仪器配置示意
通入的气体:采用干空气和NO2 标准气体的混合气体。光催化反应器:用玻璃管(Φ60 mm×500 mm 用于测试纳米TiO2 粉体的光催化效率,Φ170 mm×500 mm 用于测试掺纳米TiO2 粉体水泥砂浆制品的光催化效率) 制成的光催化反应器。在玻璃管的中部用玻璃板将玻璃管分成上下两部分,上部放试样,并通入混合气体;下部被密封,不通入混合气体。
气体流量控制器:采用美国Fathom 公司的气体流量控制器,精度为1%。
光强度计:采用北师大光电仪器厂生产的光强度计,可测试365~420 nm 和254~297 nm 的紫外线光强度。
光源:采用Philips 公司生产的模拟太阳光光源,型号为D65 和D50。当型号为D65 和D50 模拟太阳光光源同时开启时,测得的光强度如表1 所示。

试验步骤:(1)将干空气和NO2 标准气体按4∶1 混合,并取样测试混合气体的NO2 浓度约为1.2×10-5。(2)将试样放入光催化反应器,当测试纳米TiO2 粉体的光催化效率时,将0.3g 的粉体撒(负载)在玻璃板上,粉体面积为27 mm×450 mm,试样由玻璃板带入光催化反应器;当测试掺纳米TiO2 粉体的水泥砂浆制品的光催化效率时,将2 块面积为85 mm×160mm 的水泥砂浆制品板同时放入光催化反应器。(3)经气体流量控制器将混合气体输入光催化反应器,混合气体流量为80L/h,通气15 min(小反应器)或30 min(大反应器)后开启模拟太阳光光源。(4)经光催化反应后,同时取样测试输入和输出气体的NO2 浓度。(5)根据输入气体和输出气体中NO2 浓度,计算可得光催化效率[(输入气体浓度-输出气体浓度)/输入气体浓度]。

3 试验结果与讨论
3.1 掺氮改性纳米TiO2 粉体的光催化效率(见表2)
表2 掺氮改性纳米TiO2粉体的光催化效率

由表2 可知,在未负载粉体试样时,将玻璃板放入光催化反应器,测得的光催化效率为0.4%。将0.3 g P25 纳米TiO2 粉体负载在玻璃板上,并由玻璃板带入光催化反应器,测得的光催化效率为47.8%。而将0.3 g 掺氮改性纳米TiO2 粉体负载在玻璃板上,并由玻璃板带入光催化反应器,测得的光催化效率为54.7%~81.0%,随制备条件中保温时间的增加而提高,掺氮改性纳米TiO2 粉体吸收效果明显。
3.2 掺氮改性纳米TiO2 粉体水泥砂浆的光催化效率
水泥:42.5 级普通水泥,市售;建筑用砂:粒径小于2.5 mm;萘系减水剂,减水率约为20%,市售。未掺纳米TiO2 的水泥砂浆的组成为m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(萘系减水剂)=100∶50∶300∶0.5,纳米TiO2 按水泥质量掺入,并取代水泥用量,减水剂按固体计量。水泥砂浆的配比及试验结果见表3。
表3 掺氮改性纳米TiO2 粉体的水泥砂浆的光催化效率

由表3 可知,水泥砂浆的光催化效率随氮改性纳米TiO2粉体掺量的增加而提高,但不是线性递增,当掺量达到10%~15%时光催化效率增加不明显,趋于饱和掺量。
3.3 掺氮改性纳米TiO2 粉体聚合物水泥砂浆的应用实例
本文所述的光催化降解NOX 用的聚合物水泥砂浆,可以作为建筑物的立面和地坪抹面砂浆的面层使用;也可以限制粗砂的加入,而加入粒径小于0.63 mm 的砂或不加砂,以适用于喷涂施工。适用于喷涂施工或手工涂布用的聚合物水泥浆,其原材料为42.5 级普通水泥、氮改性纳米TiO2 粉体、聚合物(市售乙烯-乙酸乙烯酯共聚乳胶粉,按固体计量)、水和减水剂,不加砂(也可不加减水剂),配合比如表4 所示的B 系列试样。在氮改性纳米TiO2 粉体掺量为10%的条件下测得试样B2 和B3 的光催化效率分别为65%和63%。适用于喷涂施工或手工涂布用的聚合物水泥砂浆,其原材料为42.5 级普通水泥、氮改性纳米TiO2 粉体、聚合物(市售乙烯-乙酸乙烯酯共聚乳胶粉,按固体计量)、水和减水剂,加入适量粒径小于0.63 mm 的砂(也可不加减水剂),配合比如表4 所示的C 系列试样。在氮改性纳米TiO2 粉体掺量为10%的条件下测得试样C1 和C2 的光催化效率分别为62%和65%。适用于建筑物的立面和地坪抹面面层用的聚合物水泥砂浆,其原材料为42.5 级普通水泥、氮改性纳米TiO2 粉体、聚合物(市售乙烯-乙酸乙烯酯共聚乳胶粉,按固体计量)、水、砂和减水剂(也可不加减水剂),配合比如表4 所示的D 系列试样。在氮改性纳米TiO2 粉体掺量为10%的条件下测得试样D1、D2 和D3 的光催化效率分别为62%、64%和63%。
表4 掺氮改性纳米TiO2 粉体水泥砂浆的应用实例配合比及其光催化效率

4.结语
氮改性纳米TiO2 粉体的光催化效率比市售P25 纳米TiO2 粉体的光催化效率提高了40%,氮改性效果明显。将氮改性纳米TiO2 粉体掺入水泥砂浆,砂浆的光催化效率随氮改性纳米TiO2 粉体掺量的增加而提高,掺量为10%时,光催化效率已达到60%以上。应用于建筑物的立面和地坪抹面砂浆的面层使用时,可采用掺氮改性纳米TiO2 光催化材料的水泥砂浆和聚合物水泥砂浆;用于喷涂施工或手工涂布作业时,采用粒径小于0.63mm 的砂制成聚合物水泥砂浆,或不加砂制成聚合物水泥浆。

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