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摘要：将光触媒的自洁功能运用到透水砖中。二氧化钛（TiO2）在环保领域可以降解工业废水 光催化分解废水中的有机和无机污染物，如分解农药残留物和污染地下水的有机污染物;还可将污水中含有的无机物如铅、铬、汞等金属和氧化物分解为对环境无害的物质。利用光催化性质抗菌。纳米二氧化钛在光照下具有强氧化能力，可以有效抵抗细菌的成长。二氧化钛作表面涂层的屋顶，利用光合作用，能够将空气中90% 有害物质转化为无害物质。仅仅200平方米，就可以分解一辆小汽车行驶1.7万千米排放的一氧化碳、氧化氮、碳氢化合物。使之变成二氧化碳、氨气和水，从而净化空气。我们的自洁式透水砖完美融合了透水砖工艺与光触媒技术，因此能够很好地应对海绵城市需要解决的内涝问题。

关键词：光触媒、自洁、透水砖

前言：地球环境污染问题是世界上最难解决的问题之一，最为常见的就是人们的交通工具，每天都在排放大量的有毒有害气体以及污染物，严重污染了周围生活环境。而纳米级光触媒TiO2，以其降解有毒有害气体、抗菌、防霉、抗污、除臭等功能以及对人体无害的特点，是当今世界上最先进的环保技术。

嘉兴地处江南，气候湿润多雨。雨水排泄不畅造成的路面积水影响道路交通安全，城市内涝造成了很大的损失和负面影响。因此“建设自然积存、自然渗透、自然净化的海绵城市”的概念油然而生。透水砖的透水性能好，具有很高的孔隙率，即使下暴雨，雨水也能迅速透过地表渗入地下，留住宝贵的淡水资源，同时改善城市内涝。可一旦孔隙堵塞， 透水砖的透水性会大大降低。目前广泛被认可的透水砖堵塞原因主要有粉尘和径流污染物， 近年来我国的环境治理虽然逐步改善， 但空气中的含尘量仍然很高， 扬尘和污泥水等颗粒物质都可能使透水砖中的排水通道受到堵塞从而降低透水性能甚至完全丧失透水功能。解决透水砖的堵塞问题， 不但能提高透水砖的使用寿命，还能促进透水砖的推广及使用。而我们团队研究的自洁式透水砖运用了光触媒技术，通过新技术研发和新的构造设计优化，满足城市建设中透水砖的强度、透水性和自洁功能的协调统一。本项目结合现有自洁式砖的科研基础上，开展关于“透水性、自洁”两个方面功能有机统一的最优方案的研究。透水性材料良好的水渗透功能可以防止内涝并减轻城市热岛效应引起的连锁反应。科学合理地使用可以减少城市噪声，适当调整城市的小气候并防止内涝发生，以此提升城市宜居度。

一.光触媒的特性

1.1永久性

光触媒原液具有速干性的特性，涂于基材表面后即能速干并变成非水溶性物质，10天内便可达到相当于铅笔4H的硬度。  在环境污染不严重的条件下，只要不磨损、不剥落，光触媒本身不会发生变化和损耗。在光的照射下可以持续不断的净化污染物，具有时间持久、持续作用的优点。

1.2超亲水性

通常情况下，光触媒涂覆表面与水有较大的接触角，但经紫外光照射后，与水接触角减小到5°以下，甚至可达到0°，即水滴完全浸润在光触媒表面，显示非常强的超亲水性。停止光照后，表面超亲水性可维持数小时到一周左右，随后慢慢恢复到照射前的疏水状态。再用紫外光照射，又可表现为超亲水性。

1.3自净性

经光触媒加工的表面，通过紫外线的照射后受到激发，可以把接触的有机物分解掉，不仅起到杀菌作用，还能将有害物质分解为无害小分子物质。同时由于光照条件下表现出的超亲水特性，当灰尘落于光触媒涂层上时，只需以清水清洗便达到洁净表面的目的。

二.各类光触媒材料

目前，主要的光触媒材料种类有半导体氧化物氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO2） 、氧化锡（SnO2），半导体硫化物硫化镉（CdS）、硫化钯（PdS），及金属氧化物氧化铁（Fe2O3）。结合各种材料的特性，下文将对二氧化钛（TiO2）进行重点分析：

2.1氧化锌（ZnO）

氧化锌（ZnO）是一种具有光催化性能的材料，在治理环境污染方面可以发挥重要的作用。纳米氧化锌是一种性能优良的光催化材料可以有效抗红外、紫外和杀菌。但氧化锌的缺点是化学性质不稳定，会在光催化的同时发生光溶解，溶出有害的金属离子具有一定的生物毒性。

2.2硫化镉（CdS）

硫化镉（CdS）与氧化锌的光催化反应过程和机理基本相同，但它作为光触媒材料更多地被应用在处理纺织业产生的燃料废水。在水环境中的光腐蚀反应极大的降低了其使用时间和寿命，限制了其作为光催化剂的应用。

2.3氧化铁（Fe2O3）

关于氧化铁（Fe2O3）降解有机污染物的机理研究存在诸多争议，其反应过程比较复杂。当前研究认为，其反应过程是光催化反应机理、表面配合物机理等诸多因素综合作用的结果;还与液体环境的酸碱性（酸性环境促进降解）、铁存在价态的不同等因素有关，并非像二氧化钛一样是单纯光催化反应的结果，故还需要进一步研究。

2.4二氧化钛（TiO2）

纳米TiO2作为光催化剂已经在工业领域和日常生活方面得到了广泛的应用，具体有以下几个方面：

（1）在环保领域可以降解工业废水 光催化分解废水中的有机和无机污染物，如分解农药残留物和污染地下水的有机污染物，分解照相业和纺织印染业排出的染料废水、含油废水等;还可将污水中含有的无机物如铅、铬、汞等金属和氧化物分解为对环境无害的物质。

（2）在空气污染治理方面，二氧化钛可通过光催化降解汽车尾气中的CO、HC、NO、NO₂、SO2和H2S 等污染气体。

（3）利用光催化性质抗菌，纳米二氧化钛在光照下具有强氧化能力，可以有效抵抗细菌的成长，已经被应用在医药卫生、日用品、家电、建材、文具等多个领域，如日本研制的农田抗菌剂，可以抑制土壤中的细菌，未来显示出非常美好的应用前景。

因为二氧化钛（TiO2）耐候性、耐化学腐蚀性和化学稳定性较好，因此我们采用二氧化钛（TiO2） 作为我们自洁式透水砖的光触媒材料。

如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同的位置。TiO2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，生成超氧自由基·O2-;而空穴H+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H₂O分子氧化成羟基自由基·OH;·OH和·O2-的氧化能力极强，几乎能够使各种有机物的化学键断裂，因而能氧化绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、CO2和H₂O等物质。反应过程如下：

由机理反应可知，TiO2光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。

以碳纳米管（CNT）和TiO2为原料，通过溶胶-凝胶工艺制得废水降解用 CNT/TiO2复合材料。

光催化实验结果表明：最优 CNT 添加量为 6%（w），最优 CNT/TiO2加入量为 0.6 g/L。

性能表征结果表明：CNT/TiO2中TiO2和CNT是简单的物理复合;CNT 在TiO2表面均匀分布;6%CNT/TiO2具有比TiO2更大的比表面积、孔体积和孔径;6%CNT/TiO2复合催化剂具备较优的磁性和重复使用性，导电性比TiO2更强。

三.光催化活性分析

在 CNT/TiO2加入量为 0.6 g/L 的条件下，不同 CNT 添加量对 RhB 降解率的影响见图 1。由图1可见：在暗反应条件下，CNT/TiO2催化剂具有比TiO2更优的吸附性能，暗反应60min后吸附与脱附基本达到动态平衡;在光反应条件下，未添加CNT的TiO2催化剂反应180min后只有接近40%的RhB降解率;添加CNT后，降解率随反应时间的延长明显增加;相对于纯TiO2，CNT/TiO2催化剂表现出了更强的吸附性能及更优的光催化性能，随CNT添加量的增大，RhB降解率表现出先增加后减小的变化规律，这是由于CNT添加量过大时CNT将会堆叠到TiO2的表面，从而对紫外线的辐射造成阻挡，同时也会抑制TiO2的激活过程。综合考虑，以6%作为最优的 CNT 添加量。

在CNT添加量为6%的条件下，CNT/TiO2加入量对RhB降解率的影响见图2。由图2可见，当 CNT/TiO2加入量由0.2g/L 增大至0.6g/L、反应时间为180min时，RhB 降解率由 55.6%升高至 77.9%。引起上述变化的原因是CNT/TiO2加入量增大后，生成了更多OH-和O2-，从而发挥更强的氧化作用，促进了反应速率的加快，实现了光催化效率的大幅提升。进一步提高CNT/TiO2加入量后，出现了RhB降解率减小的情况，这是由于提高催化剂加入量后，导致溶液混浊度的增大，减小了光透过率，减弱了光催化性能。经综合考虑，以0.6g/L作为最优的CNT/ TiO2加入量。

CNT、TiO2和 6%CNT/TiO2的比表面积、孔体积和平均孔径见表1。由表1可见：TiO2及6%CNT/TiO2的比表面积及孔体积都较小，表明试样中存在部分尺寸较大的孔径;同时发现6%CNT/TiO2试样获得了比TiO2更大的比表面积、孔体积和孔径，因此为污染物提供了更大的接触面积，实现了光催化活性的提升。

四.结论

1）相对于纯TiO2，添加 CNT 后催化剂表现出了更强的吸附性与更优的光催化效果。最优 CNT 添加量为 6%，最优 CNT/ TiO2加入量为 0.6 g/L。在此条件下，最大 RhB 降解率达86%。

2）CNT/TiO2中TiO2和 CNT 是简单的物理复合，CNT 在TiO2表面均匀分布。6%CNT/ TiO2 试样获得了比 TiO2 更大的比表面积、孔体积和孔径，提供了更大的接触面积，实现了光催化活性的提升。

3）6%CNT/TiO2 复合催化剂具备较优的磁性，当其受到外部磁场作用后可以与 RhB 溶液发生快速分离。6%CNT/TiO2具备稳定的催化性能，可以满足重复利用的要求。6%CNT/ TiO2获得了比TiO2更高的光电流，载流子能够发生更高效转移，对光生载流子的分离能力更强。因此我们采用6%CNT/TiO2作为我们自洁式透水砖的光催化材料。

五.结语

二氧化钛（TiO2）光催化技术是一种新兴技术，在节能环保领域展现出独特的优势，对于当今社会环境问题的解决提供了新的方法和途径。光催化剂可以利用太阳能实现把污染物分解成无毒无害的小分子物质，绿色安全。光催化技术具有极高的潜在应用价值，在能源环境以及新材料领域将会发挥巨大的作用。其中光催化技术发展最重要的是半导体光催化剂光催化性能的改善，开发新型高效光催化剂是一项具有重要意义的课题。从拓展可见光的吸收，促进光生载流子的分离，增强表面反应动力学三个方面着手进行光催化剂的改性。虽然光催化发展已经接近50年，其材料功能性方面还远低于预期，远未达到实际生产的要求。光催化技术对于染料废水、含氮有机物和细菌病毒等都有很好的处理效果，对于解决水污染问题具有极大优势。纳米TiO2作为一种新型的环境材料，在绿色环保方面有巨大的应用潜力。相信随着科技进步将不断完善纳米TiO2表面修饰技术，开发研制纳米TiO2改性材料，纳米TiO2必将应用于生活空间的多种场合，发挥其多功能效应，成为一种极其重要的环保材料。

本项目研究同时我们向透水砖中加入了光触媒材质，即6%CNT/TiO2 ，通过增加接触面积实现光催化活性的提升，使RhB降解率达 86%，有效降解污染物，满足透水砖的自洁效果。自洁式透水砖符合国家要求的透水砖的强度和透水性能，自洁式透水砖符合国家提倡的可持续发展原则，在嘉兴海绵城市建设和发展中日趋重要。

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