Разработка фотокаталитического бетона для очистки атмосферного воздуха и обоснование экологической безопасности строительных конструкций на его основе Фрайнт Михаил Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Научно-технические предпосылки использования фотокаталитического бетона для очистки воздуха атмосферы 10

1.1 Проблема загрязнения атмосферы в городах 10

1.2. Гетерогенный фотокатализ 14

1.3. Фотокатализ с использованием диоксида титана в качестве фотокатализатора 16

1.4. Прикладное использование фотокаталитических реакций 22

1.5. Выводы по главе 1 27

Глава 2. Теоретическое обоснование возможности очищения воздуха атмосферы при помощи фотокаталитических реакций 28

2.1. Фотокаталитические свойства диоксида титана 28

2.2. Кинетическая модель протекания фотокаталитических реакций 32

2.3. Анализ полученной кинетической модели 44

2.4. Выводы по главе 2 47

Глава 3. Экспериментальные исследования по оценке экологической эффективности фотокаталитического бетона 49

3.1. Характеристики исходного сырья 49

3.1. Используемое научно-производственное и научно-исследовательское оборудование 54

3.2. Методики изготовления и испытания тестовых образцов 60

3.3. Организация и планирование экспериментальных работ 65

3.4. Анализ результатов планирования эксперимента 69

3.5. Оценка экологической эффективности фотокаталитического бетона 71

3.6. Выводы по главе 3 76

Глава 4. Технико-экономическая эффективность и рекомендации по применению фотокаталитического бетона 78

4.1. Технология производства 78

4.2. Области применения и преимущества фотокаталитического бетона 81

4.3. Оценка экономического эффекта от использования фотокаталитического бетона в дорожном строительстве 82

4.4. Внедрение результатов работы и экологический эффект 90

от применения фотокаталитического мелкозернистого бетона 90

4.5. Выводы по главе 4 93

Заключение 94

Библиографический список 97

• Фотокатализ с использованием диоксида титана в качестве фотокатализатора
• Прикладное использование фотокаталитических реакций
• Анализ полученной кинетической модели
• Области применения и преимущества фотокаталитического бетона

Введение к работе

Актуальность темы исследования. При оценке экологической ситуации на территории Российской Федерации можно выделить целый ряд проблем, связанных с техногенной деятельностью и экономическим развитием. В первую очередь, это загрязнения гидросферы, атмосферы и почв, обезлесение, радиоактивные загрязнения. По данным Государственной программы Российской Федерации «Охрана окружающей среды» на 2012-2020 годы в 2011 году общий объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу составил 32,5 млн. тонн; в водные объекты сброшено 48 кубических километров сточных вод, из которых 33% являлись загрязненными. Наибольшее количество фактов загрязнения атмосферного воздуха регистрируется на территории крупных городов.

Одним из направлений повышения экологической безопасности и обеспечения устойчивого развития населенных пунктов и территорий является разработка экологически безопасных материалов и технологий для применения в строительстве гражданских и промышленных объектов. Для решения проблемы загрязнения атмосферного воздуха возможно применение фотокаталитических строительных материалов, способствующих снижению концентраций загрязняющих веществ в воздухе атмосферы.

Тема диссертации соответствует паспорту специальности 05.23.19 Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства, пункт 5.

Объект исследования: методы очистки атмосферного воздуха и обоснование экологической безопасности строительных конструкций.

Предмет исследования: разработка фотокаталитического бетона для очистки атмосферного воздуха и обоснование экологической безопасности строительных конструкций на его основе.

Степень разработанности темы. В рамках диссертационного исследования был проведен анализ существующей научно-технической и нормативной литературы российских и зарубежных авторов.

Были проанализированы и обобщены результаты существующих исследований в области проблем экологической безопасности, фотокатализа и его при-

4 кладного использования.

В литературе описаны материалы, способные снижать уровень загрязнения воздуха вследствие протекания на их поверхности реакций фотокаталитического окисления. Возможность протекания таких реакций обоснована как теоретически, так и экспериментально. Однако для подтверждения возможности практического улучшения экологической обстановки при помощи использования фотокаталитических материалов требуются дополнительные исследования. Кроме того, оценка повышения экологической безопасности в городах за счет применения фотокаталитических материалов в литературе не рассматривается.

Научная гипотеза. Введение в состав мелкозернистого бетона фотокатализатора позволит использовать механизм фотоактивированного гетерогенного фотокатализа для нейтрализации загрязнителей, содержащихся в воздухе атмосферы в окружении автомобильных дорог, заводов и других территорий, характеризуемых повышенным уровнем загрязнения воздуха. Данный результат достигается выбором вида фотокатализатора, а также определением оптимального содержания фотокаталитически активной добавки в составе бетона.

Целью диссертационной работы явилась разработка фотокаталитического бетона для очистки атмосферного воздуха и обоснование экологической безопасности строительных конструкций на его основе.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Анализ и обобщение научно-технической и нормативной литературы по использованию гетерогенного фотокатализа в технологиях очистки атмосферного воздуха от загрязнений.

2. Теоретическое обоснование возможности очищения воздуха городской среды при помощи применения фотокаталитических реакций.

3. Разработка и оптимизация состава фотокаталитического мелкозернистого бетона и исследование его экологической эффективности.

5
4. Оценка технико-экономической целесообразности применения фо-

токаталитического бетона. Проведение опытного внедрения.

Научная новизна:

4. Обоснована возможность очищения воздуха городской среды с помощью использования фотокаталитических реакций. Разработана кинетическая модель протекания таких реакций на поверхности фотокаталитического материала.

5. Разработан и оптимизирован состав фотокаталитического мелкозернистого бетона путем введения в состав обычного бетона добавки в виде порошка диоксида титана анатазной модификации. Экологическая эффективность материала обусловлена протеканием поверхностных реакций фотокаталитического окисления, происходящих в результате формирования на поверхности материала OH радикалов, обладающих повышенной окислительной способностью, что позволяет удалять из воздуха атмосферы загрязнители.

6. Установлены зависимости интенсивности протекания реакций фотокаталитического окисления от параметров окружающей среды, таких как влажность и освещенность, с учетом их взаимного влияния. На их основе получена методика оценки экологической эффективности материала по снижению комплексного индекса загрязнения атмосферы (КИЗА), в соответствии с РД 52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы».

7. Технико-экономическое обоснование целесообразности использования фотокаталитического бетона в дорожном строительстве для устройства дорожного покрытия.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработан оптимальный состав экологически эффективного фото-

каталитического мелкозернистого бетона: портландцемент (ЦЕМ I 52,5 Н) – 479 кг/м³, песок (Мк = 2,23) – 1438кг/м³, пластифицирующая добавка (Sika ViscoCrete 125) – 3,5 кг/м³, воздухововлекающая добавка (Bermodol AEA 2800)

6 – 0,4 кг/м³, вода - 253 кг/м³, оксид титана TiO₂ анатазной модификации – 96 кг/м³.

2. Рассчитано снижение комплексного индекса загрязнения атмосферы (КИЗА) в соответствии с РД 52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы» на 21,2%, достигаемое путем использования фотокаталитического бетона для создания строительных конструкций.

3. При опытном внедрении фотокаталитического бетона установлено снижение уровня концентрации оксида азота NO в воздухе на 23,3%, оксида азота NO₂ – на 19,7%.

4. Экономический эффект от внедрения фотокаталитического бетона для устройства дорожного покрытия составил 23 866,92 рубля на 1000 м².

Методология и методы диссертационного исследования. Методология исследования включает в себя теоретический и эмпирический научные методы. На основании выдвинутой научной гипотезы создана теоретическая модель кинетики протекания фотокаталитических реакций на поверхности фотокаталитического бетона. Данная модель эмпирически проверена. Методической основой экспериментального исследования являются методы рентгенофазового и растрового микроструктурного анализа, а также метод определения фотокаталитической активности материала по способности окисления оксида азота NO, в соответствии с ISO 22197-1:2007.

Положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическое обоснование возможности очищения воздуха городской среды при помощи применения фотокаталитических реакций. Кинетическая модель протекания таких реакций на поверхности фотокаталитического материала.

2. Разработка и оптимизация состава фотокаталитического мелкозернистого бетона при помощи введения в состав обычного бетона добавки в виде порошка диоксида титана анатазной модификации. Обоснование и оценка экологической эффективности фотокаталитического бетона.

3. Зависимости интенсивности протекания реакций фотокаталитического окисления от параметров окружающей среды, таких как влажность и освещенность, с учетом их взаимного влияния. Полученная на их основании методика оценки экологической эффективности материала по снижению комплексного индекса загрязнения атмосферы (КИЗА), в соответствии с РД 52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы».

4. Экономическое обоснование внедрения фотокаталитического бетона для устройства дорожного покрытия.

Личный вклад соискателя в решение исследуемой проблемы заключается в анализе и обобщении научно-технической и нормативной литературы, развитии теоретических аспектов исследуемого вопроса, а также в разработке программы и проведении экспериментальных исследований с последующими систематизацией, анализом и обобщением полученных в результате эксперимента данных.

Степень достоверности. Достоверность результатов исследования обоснована применением адекватного научной практике исследовательского и аналитического аппарата, использованием высококачественных сертифицированных материалов для проведения экспериментального исследования, а также апробацией полученных результатов при опытном внедрении. При получении новых данных и испытаниях использовалось поверенное оборудование с получением результатов с погрешностью не более 5% при доверительной вероятности 0,95.

Апробация результатов. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на конференции «Международная деятельность студентов, аспирантов и молодых ученых МГСУ» (Москва, 2012), международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых, посвященной фундаментальным научным исследованиям в строительстве «Строительство – формирование среды жизнедеятельности»

8 (Москва, 2014); Российско-Китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (Казань, 2015).

Внедрение результатов исследования.

Фотокаталитический мелкозернистый бетон был внедрен при устройстве покрытия участка открытой складской территории площадью 50 м² на объекте «Склад № 1», расположенном по адресу г. Москва, ул. Шоссейная, д. 110, стр. 6. Снижение концентрации оксида азота NO составило 23,3%, оксида азота NO₂ – 19,7%.

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 5 научных публикациях, в том числе в 4-х работах, опубликованных в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 80 наименований. Работа изложена на 104 страницах текста, содержит 18 рисунков, 23 таблицы.

Фотокатализ с использованием диоксида титана в качестве фотокатализатора

В качестве фотокатализатора в реакциях фотокаталитического окисления чаще всего используются различные полупроводники, например, оксид титана ТЮ2, оксид вольфрама W03, оксид железа -Fe203, титанат стронция SrTi03, оксид цинка ZnO, сульфид цинка ZnS и др. [69]. Из вышеперечисленных материалов наибольшее распространение в промышленности в качестве фотокатализатора получил диоксида титана ТЮ2.

Диоксид титана существует в природе в трех кристаллических модификациях: анатаз, брукит и рутил. Анатаз и рутил могут быть легко синтезированы в лабораторных условиях, в то время как брукит практически не поддается искусственному синтезу. Поэтому наиболее часто в прикладных целях используют ру-тильную и анатазную модификации.

Чаще всего диоксид титана используется в чистом виде, однако в некоторых случаях применяют методы увеличения квантового выхода фотокаталитического эффекта за счет введения ионов переходных металлов и нанесением на его поверхность дисперсных платины, родия и других благородных металлов [53].

Следует также упомянуть работы Хоффмана А.Й., Миллс Г., Йи Г., Хофф-мана М.Р., целью которых было исследование фотохимических характеристик частиц коллоидного размера [51]. Преимущества использования мелких частиц связаны со следующими особенностями: частицы диаметром от 1 до 10 нм проявляют промежуточные свойства между молекулярными и объемными полупроводниками; фиолетовое смещение спектра поглощения в УФ-области коллоидных частиц повышает окислительно-восстановительный потенциал фотогенерирован-ных электронов и дырок; высокое значение удельной площади поверхности приводит к увеличению активности протекания поверхностных реакций. Экспериментальные исследования [41, 42] доказывают эффективность применения наноразмерных фотокатализаторов в целях увеличения их фотокаталитической активности.

Одной из основных проблем, препятствующих протеканию реакций фотокаталитического окисления, является деактивация катализатора. Причинами, приводящими к деактивации, являются: образование продуктов реакции окисления, приводящее к исчезновению активных центров на поверхности фотокатализатора; загрязнение поверхности фотокатализатора.

В исследованиях Оби и Брауна было показано, что при росте концентрации загрязнителя происходит деактивация фотокатализатора, сопровождаемая ростом расхода гидроксильных радикалов [66]. В соответствии с характером протекания фотокаталитических реакций стабильность и активность фотокатализатора зависят от вида и количества гидроксильных групп. В ходе протекания реакции количество свободных гидроксильных радикалов на поверхности фотокатализатора уменьшается, что приводит к снижению скорости протекания реакции фотокаталитического окисления, а в пределе - к ее полному прекращению. В исследованиях реакций фотокаталитического окисления толуола было показано, что после деактивации фотокатализатора гидроксильные группы на его поверхности отсутствуют [40]. Продукты реакции, адсорбирующиеся на поверхности катализатора, блокируют активные центры, что приводит к потере фотокаталитической активности. Для восстановления фотокаталитической активности предлагается мытье поверхности фотокатализатора, механическая обработка, облучение УФ-светом и другие методы.

Процесс фотокаталитического разложения загрязнителей окружающей среды, таких как оксид азота NO, формальдегид НСОН, толуол С6Н5СН3 и других, перечисленных в таблице 1.1 настоящей работы, подробно изучается в течение нескольких десятков лет. В начале 70-х годов XX века японскими исследователями Фудзисима и Хонда было открыто явление фотоиндуциорованного гидролиза на электродах из диоксида титана [46]. Форменти и др. разработали дифференци 18 альный динамический реактор для изучения частичного окисления парафинов [45]. Однако ранние работы были посвящены процессам очистки воды. В последние годы стали разрабатываться и применяться технологии очистки наружного и внутреннего воздуха с применением реакций фотокаталитического окисления [48, 66, 70].

Процессы, протекающие на поверхности диоксида титана TiO2 во время поглощения им кванта света и последующего окисления загрязнителя схематично показаны на рисунке 1.2 [64]. При падении на поверхность диоксида титана TiO2 фотона с энергией hv, большей энергии запрещенной зоны E происходит пере ход электронов из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, в объеме фотокатализатора формируются пары электрон-дырка. При выходе на поверхность диоксида титана TiO2 электроны и дырки вступают в окислительно-восстановительные реакции с адсорбированными молекулами окислителя (Ох) и восстановителя (Red). При этом часть пар электрон-дырок могут подвергаться рекомбинации как в объеме, так и на поверхности фотокатализатора.

Одним из наиболее важных процессов фотореакций является фотоактивация, т.е. образование пар электрон-дырок. Для протекания этого процесса необходима энергия, равная энергии запрещенной зоны для перевода электрона из валентного состояния в зону проводимости. Запрещенной зоной полупроводника называют энергетическую область, которая отделяет валентную зону (полностью заполненную электронами) от зоны проводимости. В случае, если сообщаемая энергия (энергия падающего на поверхность полупроводника фотона) больше ширины запрещенной зоны, в полупроводнике образуется пара электрон-дырка, что позволяет осуществиться процессу фотоокисления.

Прикладное использование фотокаталитических реакций

Газораспределительная решетка изготовлена из нержавеющей проволоки и прикреплена на каркасе с живым сечением 57,7 %, который установлен в корпусе. С наружной стороны рабочая камера снабжена дверью с отверстием для забора проб продукта. В верхней части камеры закреплен вытяжной диффузор 5 с сеткой, который препятствует попаданию частиц продукта в циркуляционный трубопровод 6.

В начале рабочей камеры (сверху), и в ее конце (снизу), расположены ротационные дозаторы 3 и 7 секторного типа.

В задних стенках парораспределителя и рабочей камеры и размещены шту 62 цера, служащие для ввода хромель-копелевых термопар (ТХК). В циркуляционном трубопроводе 6 расположен патрубок с вентилем, отвечающий за удаление избытка пара. Внутри парораспределителя 9 и переходника 12 располагаются трубчатые электронагреватели (ТЭНы) типа «C», которые обеспечивают нагрев теплоносителя и прогрев установки до установленной температуры. Рабочая камера крепится нижней частью к парораспределителю 9, соединенному с вентилятором 13 при помощи фланцев через переходник 12.

Диффузор оборудован патрубком, через него из парогенератора 2 подается пар. Измерение скорости теплоносителя проводилось при помощи цифрового анемометра АП1.

Пробы сырья взвешивались на аналитических весах JW-1 с точностью +0,01 г. С целью определения его влажности использовался метод высушивания до постоянной массы [40]. В качестве объекта исследования выступали каштаны и орехи фундук. Перед обжаркой орехи и каштаны очищали от кожуры, а затем нарезали на кубики, линейный размер которых составлял 3…5 мм.

Исследования процесса обжарки сырья проводились при различных температурах: для орехов фундук - при 130… 160 оС, для каштанов - при 150… 180 оС и скоростях теплоносителя 0,8…2 м/с. Начальная влажность продукта составляла: орехи фундук - 35-40 %, каштаны - 45-50 %. В ходе обжарки влажность продукта уменьшалась до 3-5 %. Продолжительность процесса составляла 24-52 мин, при этом удельная нагрузка продукта на решетку - 9,8±0,2 кг/м2. В качестве теплоносителя был выбран перегретый пар атмосферного давления, его основными преимуществами перед топочными газами и нагретым воздухом являются отсутствие кислорода, провоцирующего реакции окисления, значительная удельная теплоемкость и высокий энергетический КПД [25, 32, 59].

Для разработки рациональных режимов обжарки растительного сырья требуется изучение гидродинамики процесса а, в частности, определения величины по 63 розности слоя є и гидравлического сопротивления слоя рсл. Рассмотрим гидродинамику процесса [4] на примере обжарки ореха фундук. Анализ изменения гидравлического сопротивления слоя орехов фундук в процессе обжарки при температурах перегретого пара в интервале от 403 до 433 К и скоростях в интервале от 0,8 до 2 м/с показал, что в начале процесса обжарки гидравлическое сопротивление АР экспоненциально уменьшается, что обусловлено снижением влажности продукта (рисунок 2.11).

Это было подтверждено экспериментальными данными. На всем протяжении заданных интервалов скоростей и температур зависимость сохраняется. В дальнейшем гидравлическое сопротивление слоя обжариваемых орехов фундук практически не менялось, что объясняется малым изменением влажности орехов.

Изменение гидравлического сопротивления слоя частиц орехов фундук от времени при различных скоростях перегретого пара, v, м/с: а - 0,8; б - 1,2; в - 1,6; г - 2 Изменение АР объясняется изменением усадки частиц продукта, влагосо-держания и порозности слоя [1, 4, 19].

Также установлено, что коэффициент гидравлического сопротивления слоя частиц продукта Л зависит в значительной степени от скорости перегретого пара (рисунок 2.12). Вычисляя коэффициент гидравлического сопротивления по формуле [50]: HaРv , (2.31) где а - удельная поверхность слоя, было установлено, что для инженерных расче 0,4151 0,4146 0,4141 0,4136 0,4131 0,41 112

В области движения перегретого пара, где преобладают силы инерции (Re 2000), коэффициент гидравлического сопротивления Л зависит от удельной поверхности слоя продукта, являющейся функцией влагосодержания и скорости пара. По ходу движения перегретого пара сквозь слой высушиваемого сырья его насыщение влагой и температура уменьшаются, что влечет изменение вязкости пара.

Значения критерия Re, которые были вычислены с учетом варьирования всех входящих в него величин в процессе обжарки частиц орехов перегретым паром, изменялись в диапазоне от 111,9 до 115,4. В соответствии с данными, полученными Жаворонковым [35], это позволяет охарактеризовать режим движения теплоносителя как турбулентный. Результаты обработки экспериментальных данных позволили определить зависимость коэффициента гидравлического сопротивления, как функцию А, = f(Re): 1 = 1,05/Re0 137. (2.32) Величина достоверности аппроксимации составила Я2 = 0,9132. Таким образом, данные, полученные для орехов фундук, позволяют правильно организовать процесс обжарки растительного сырья перегретым паром.

Исследование усадки в процессе обжарки растительного сырья проводили на примере орехов фундук. В процессе обжарки перегретым паром технологические параметры изменялись в следующих диапазонах: температура перегретого пара 403… 433 К; скорость потока перегретого пара на входе в слой - 0,8… 2м/с, средняя высота слоя орехов - 0,018… 0,020 м.

В ходе проведения исследований было выявлено изменение высоты слоя частиц орехов фундук с 18…20 мм в начале процесса до 9…15 мм в конце обжарки, что объясняется их усадкой (рисунок 2.13). Растрескивание - один из факторов, ухудшающих качество орехов фундук при обжарке. Происходит растрескивание из-за развития объемно-напряженного состояния свыше предельно допустимого. Поля влагосодержания и температуры внутри продукта распределяются неравномерно (недопустимая усадка), что и вызывает это напряженное состояние [10, 12]. После обжарки частица ореха должна сохранить свой объем и структуру, поэтому необходимо оценить величину усадки количественно.

Анализ полученной кинетической модели

В главе 2 получены зависимости, описывающие протекание поверхностных реакций фотокаталитического окисления оксидов азота NO и NO2. Уравнения 2.36 и 2.37 позволяют проанализировать влияние различных параметров на ход процесса фотокаталитического окисления. При этом для оценки влияния какого-либо фактора остальные параметры должны оставаться неизменными. В таблице 2.3 приведены стандартные параметры, при которых проводился анализ влияния различных факторов на ход реакции окисления.

Полученная кинетическая модель позволяет оценить влияние содержания фотокатализатора в фотокаталитическом материале, над которым пропускают загрязненный воздух, на ход процесса фотокаталитического окисления загрязнителя. Зависимость концентрации оксида азота NO после прохождения загрязненного воздуха над фотокаталитическим материалом от концентрации фотокатализатора в его составе проиллюстрирована на графике 2.4.

График зависимости концентрации оксида азота NO после прохождения газа над фотокаталитическим материалом от концентрации фотокатализатора Кроме того, полученная модель позволяет проиллюстрировать влияние освещенности и влажности воздуха ( р, %) на концентрацию оксида азота NO после прохождения загрязненного воздуха над фотокаталитическим материалом. Соответствующие графики изображены на рисунках 2.5 и 2.6.

На основании проведенного анализа механизма протекания реакций фотокаталитического окисления можно сделать вывод о возможности и целесообразности использования данного процесса для очищения атмосферного воздуха. Данные, приведенные в главе 2, свидетельствуют о том, что при помощи гетерогенного фотокатализа возможно проводить нейтрализацию широкого спектра загрязнителей воздуха атмосферы. В результате рассмотрения и анализа характера процессов, протекающих на поверхности такого фотокатализатора, как диоксид титана, можно сделать вывод о возможности применения данных процессов для очистки воздуха от различных загрязнителей. Такой метод очистки включает в себя следующие стадии:

Анализ строения и структуры диоксида титана ТЮ2 позволяет сделать вывод о том, что среди всех существующих модификаций диоксида титана наиболее целесообразным является использование его анатазной фазы в качестве фотокатализатора. Исходя из приведенного описания механизма протекания реакций фотокаталитического окисления, можно заключить, что для снижения вероятности рекомбинации фотогенерированных электронов и дырок в объеме и на поверхности фотокатализатора следует использовать частицы размером менее 100 нм.

На основании приведенного описания процесса фотокаталитического окисления оксида азота NO разработана теоретическая кинетическая модель. С учетом аналогичности механизма протекания реакций фотокаталитического окисления вне зависимости от окисляемого вещества можно сделать вывод о том, что разработанная кинетическая модель может быть применена для описания кинетики реакций окисления широкого спектра загрязняющих атмосферу веществ. При этом с учетом значений реальных концентраций загрязняющих веществ в воздухе целесообразно применять упрощенную модель.

Приведенные в главе 2 теоретические обоснования позволяют предположить, что при введении фотокатализатора в состав композита, например, мелкозернистого бетона, можно получить фотокаталитический материал, способный снижать концентрацию загрязняющих веществ в воздухе. Для оценки экологической эффективности такого материала необходимо провести экспериментальное исследование, а также сопоставить результаты такого эксперимента с реально существующим уровнем загрязнения атмосферы в городах. ГЛАВА 3. Для получения фотокаталитического бетона были использованы следующие материалы: вяжущее вещество, мелкий заполнитель, фотокатализатор, пластификатор и воздухововлекающая добавка. Вяжущее вещество В качестве вяжущего вещества применялся портландцемент без минеральных добавок ПЦ 50-Д0-Н (ЦЕМ I 52.5 Н) производства ОАО «Холсим (Рус) СМ», г. Коломна Московской области. Класс В52,5Н. В таблицах 3.1, 3.2, 3.3 приведены результаты физико-химических испытаний, а также сведения о химическом составе цемента и минералогическом составе клинкера.

Области применения и преимущества фотокаталитического бетона

Приготовление бетонных смесей с фотокаталитической добавкой в виде высокодисперсного порошка диоксида титана TiO2 сопряжено с несколькими технологическими особенностями, связанными с решением задачи равномерного распределения частиц фотокатализатора в объеме бетона, а также с высокой удельной поверхностью фотокатализатора. Кроме того, при работе с фотокатализатором необходимо соблюдать дополнительные меры безопасности.

Последовательность приготовления фотокаталитической бетонной смеси приведена ниже. 1. Мелкий заполнитель (песок) подвергается виброгрохочению и затем при помощи ленточного конвейера подается в сушильный барабан. После высушивания мелкий заполнитель пропускают через вибросита и подают его в бункеры для соответствующих фракций. 2. В качестве вяжущего вещества используется портландцемент, который загружается в расходный бункер. 3. Добавки (диоксид титана TiO2, пластификатор и воздухововлекаю-щая добавка) загружаются в соответствующие расходные бункеры. 4. Через дозаторы мелкий заполнитель подается на винтовой конвейер, который доставляет его в смеситель. Вводят 1/3 воды затворения и перемешивают в течение 1 минуты. 5. Смеситель останавливают. Через дозаторы в смеситель вводят цемент и добавки (диоксид титана TiO2, пластификатор и воздухововлекающая добавка). 6. Смеситель запускают еще на 2 минуты и после этого вводят еще 1/3 воды затворения. 7. Смеситель останавливают на 2 минуты. 8. Смеситель запускают на 2 минуты и вводят последнюю 1/3 воды затворения, регулируя подвижность смеси до необходимой. Технологическая схема производства сухой смеси для фотокаталитического бетона представлена на рисунке 4.1.

Альтернативным способом введения мелкодисперсного диоксида титана в состав бетонной смеси является приготовление суспензии фотокатализатора в смеси воды и этанола. Введение дополнительного стабилизатора суспензии не требуется. Однако в этом случае наблюдается замедление процесса гидратации цемента. Кроме того, влияние этанола на фотокаталитические процессы требует дополнительного изучения.

При работе с порошком диоксида титана необходимо использовать следующие индивидуальные средства защиты: - маски от пыли с фильтром частиц Р2; - защитные перчатки из следующих материалов: нитрильный каучук, бутиловый каучук, ПВХ; - защитные очки с боковыми щитками. Кроме того, в целях обеспечения производственной гигиены во время работы с порошком диоксида титана запрещается принимать пищу, напитки и курить. Перед перерывами и в конце рабочего дня необходимо промыть руки и лицо водой. Рисунок 4.1 – Технологическая схема приготовления сухой смеси для фотокаталитического бетона

Возможные области применения фотокаталитического бетона достаточно широки. В первую очередь, применение данного материала целесообразно на объектах с повышенным уровнем загрязнения атмосферного воздуха. К таким объектам относятся: объекты дорожного строительства (особенно автомагистрали, скоростные автодороги, а также обычные, не скоростные дороги категорий IB, II и III в соответствии с ФЗ № 257 от 08.11.2007 г.); промышленные объекты с повышенными показателями токсичных выбросов; жилые и общественные здания, строящиеся в районах с неблагоприятной экологической ситуацией.

Одной из наиболее перспективных областей применения фотокаталитического бетона является дорожное строительство. В силу того, что автомобильный транспорт является одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха, устройство верхнего слоя дорожной одежды из фотокаталитического бетона позволило бы оказать существенное влияние на общий уровень загрязнения атмосферы в городе.

Кроме положительного эффекта от применения фотокаталитического бетона, связанного с его способностью очищать воздух описанного в настоящей работе, следует упомянуть о преимуществах данного материала для дорожного строительства по сравнению с традиционно применяемым для устройства верхнего слоя дорожной одежды асфальтобетоном. К ним можно отнести следующие характеристики дорожного покрытия из фотокаталитического бетона:

Кроме того, фотокаталитический бетон является самоочищающимся, что позволяет сократить расходы на очистку его поверхности. Данное свойство особенно актуально при применении данного материала для отделки фасадов и в дорожном строительстве, для конструкций, которые должны регулярно очищаться. Для оценки экономического эффекта от применения фотокаталитического бетона проведем анализ затрат материально-технических ресурсов (МТР) на устройство и ремонт дорожного покрытия автомобильной дороги с использованием традиционного асфальтобетона и с использованием фотокаталитического покрытия в течение пятилетнего периода.

Устройство дорожного покрытия толщиной 5 см из горячих асфальтобетонных смесей Рассмотрим затраты на 1000 м2 покрытия из горячей асфальтобетонной смеси, плотной мелкозернистой типа А, с плотностью каменных материалов 2,5-2,9 т/м3. Определим затраты материальных ресурсов по ГЭСН 2001-27 «Ав томобильные дороги».