ZnO/g-C3N4降解NOX性能研究及中短隧道内分布规律模_重庆交通大学鲁浈浈教授课题组

肖霁月

摘要：
光催化材料在可见光作用下,对污染物有降解效果,在改善空气质量领域具有很大发展潜力。截至2020年,我国公路隧道总长度突破两千万米。由于隧道是半封闭管状结构,通风效果极差,易造成机动车尾气堆积,当尾气浓度到达一定限值后会对隧道环境造成污染,同时影响车内人员身体健康。目前使用最多的隧道净化空气的方式是安装通风设备,但其价格昂贵且易造成二次污染。本论文运用ZnO对g-C3N4进行掺杂改性,以NO降解率作为评价指标,系统讨论低、中、高比例下ZCN复合材料的光催化效果。选取效果最好的复合材料,以泡沫陶瓷作为载体进行负载,提出一种新型的泡沫陶瓷构造形式并布置于隧道内,借助Fluent软件模拟中短隧道内NO分布情况,并寻找规律,通过模拟布置负载光催化泡沫陶瓷的隧道内NO分布来验证降解的有效性。主要研究内容如下:(1)用一步法混合制备三聚氰胺和六水合硝酸锌,设计低、中、高三组质量比,在可见光下以NO降解效率作为评价指标。结果表明:复合光催化剂的降解效果与ZnO含量成正比,其中,低比例组中效果最好的样品为0.09-ZCN,降解率为23.84%;中比例组效果最好的是0.6-ZCN,降解率可达36.71%;高比例组最好的比例是0.99-ZCN,降解率为28.48%。并且认为中比例组具有更好的降解率是因为该比例条件下成功构建Z型异质结结构的原因。(2)采用SEM、XRD、FT-IR、UV-Vis、PL对样品进行表征,并解释ZCN复合材料对NO的降解机制。用SEM和XRD表征样品的微观形貌,验证ZnO与g-C3N4的成功复合。采用FT-IR表征样品的化学组成和官能团结构,发现无新的特征吸收峰出现,说明ZnO与g-C3N4复合并没有新物质出现。UV-Vis结果显示,ZnO掺杂改变g-C3N4能带结构,降低能带间隙的同时扩大对可见光的利用,从而提高可见光催化性能;采用PL对样品进行荧光分析,结果表明复合材料能防止电子-空穴对复合,降低荧光强度,电子-空穴对复合速率变小,复合材料内部的还原电子和氧化空穴对污染物的分解作用变大,进一步提高其光催化活性。(3)采用泡沫陶瓷作为载体,负载具有光催化效果的光催化材料。再根据隧道实际情况优化实验室传统光催化反应容器,分别从材质、负载次数、负载块数和光强四方面对光催化降解NO效果的影响进行研究。结果显示,从经济性和实效性考虑,2块负载4次的氧化铝泡沫陶瓷光催化效果最佳。(4)以重庆公路隧道为研究对象,基于CFD流体动力学理论,采用Fluent软件模拟不同规模隧道,在交通情况为正常和阻滞时,不同风速下隧道内NO分布情况,并提出一种理论上可行的泡沫陶瓷分区布置方案模拟布置于隧道内,通过对比模拟布置前后隧道内NO分布来验证光催化降解NO的有效性。

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