Экспериментальное исследование диоксида титана, как фотокатализатора для цементных композиций с эффектом самоочищения

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 691.32

Экспериментальное исследование диоксида титана, как фотокатализатора для цементных композиций с эффектом самоочищения

Тимохин Денис Константинович1, Геранина Юлия Сергеевна2

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»1

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»2

Аннотация

В представленной работе изложена экспериментальная составляющая изучения процесса фотокаталитического эффекта различных порошков диоксида титана в цементных системах.

Ключевые слова: n-TiO2, m-TiO2, фотокатализ, цементная система.

Experimental study of titanium dioxide as a photocatalyst for the cement composition with EFFECT independently peeled

Timokhin Denis Konstantinovich1, Geranina Yulia Sergeevna2

Federal State Educational Institution of Higher Education «Saratov state technical University named after Y. A. Gagarin»1

Federal State Educational Institution of Higher Education «Saratov state technical University named after Y. A. Gagarin»2

Abstract. The paper presents an experimental study of the process component of the photocatalytic effect of different titanium dioxide powders in cement systems.

Keywords: n-TiO2, m-TiO2, photocatalysis, cement system.

Наиболее экологически опасными загрязнителями в современных городах, являются выделяемые автомобильными транспортными средствами - угарный газ, различные окиси азота (NOx), органические соединения и макрочастицы. Такие загрязнители оказывают большое влияние на качество городского воздуха, также в результате действия солнечного света на NO2 и другие соединения, происходит образование озона за счет фотохимических реакций. Кислотный дождь - еще один из загрязнителей оказывающий побочное действие на окружающую среду, образующийся под влиянием NOx выделяемых автотранспортом, с последующим окислением в воздухе до NO3 и дальнейшим образованием азотной кислоты на поверхности строительных материалов (коррозия поверхности). Одним из современных вариантов решения проблемы загрязнения окружающего воздуха может быть в нейтрализации загрязнителей максимально близко к источнику их возникновения. Поэтому целесообразно использование фотокаталитических компонентов в составе поверхностных слоев строительных материалов для наружной отделки. В сочетании со светом загрязнители окисляются в присутствии фотокатализатора и удаляются с поверхности материала дождем или смываются водой.[1,3]

В процессе исследования двух промышленных образцов диоксида титана охарактеризованы, протестированы и изучены их дисперсионные эффективности и фотокаталитические активности в цементном тесте и строительных растворах. В таблице 1 и таблице 2 представлено описание использованных образцов диоксида титана, их промышленные названия, производители, процесс синтеза и основные физико-химические характеристики представленные в технических паспортах двух продуктов.[2]

Следует отметить, что в образцах m-TiO2 и n-TiO2 буква указывает на размерность частиц: для m-размерного образца Tioxide A-HR размер частиц соответствует приблизительно 170 нм, что характеризует их, как микроразмерные; для n-размерного PC -105 размер частицы составляет приблизительно 17 нм, что характеризует его, как наноразмерный.

Таблица 1 - Описание образцовTiO2

фотокаталитический диоксид титан цементный

Таблица 2 - Физико-химические характеристики указанные производителем в спецификациях

В ходе проведения лабораторных исследований были приготовлены две серии образцов фотокаталитического цементного теста, по одному для каждого из двух представленных образцов TiO2. TiO2 и белый портландцемент марки (CEM I 52,5 R) в сухом состоянии перемешивались в массовом соотношении 4:96. 20 г сухой смеси впоследствии затворялось 8 мл дистиллированной воды (В/Ц = 0,4). Третья серия (контрольная) изготавливалась без фотокатализатора. Процесс приготовления цементного теста осуществлялся в следующей последовательности:

20 г сухой перемешанной смеси цемента с добавкой TiO2 затворялось (20 г белого цемента без добавления диоксида титана для изготовления контрольных образцов) 8 мл дистиллированной воды.

Продолжительность перемешивания при 500 оборотах в минуту составила 3 мин;

Для контроля не размешанных компонентов перемешивание прекращали на 2 минуты.

Продолжительность перемешивания при 2000 оборотах в минуту составила 2 мин.

После перемешивания полученное тесто отливали в цилиндрические формы диаметром 42 мм и толщиной 10 мм, в них образцы твердели в течение одного дня при комнатной температуре. Для каждого образца диоксида титана изготовлены шесть цементных дисков.

Аналогичный эксперимент был проведен для двух составов фотокаталитических цементных тест, содержащих m-TiO2 и n-TiO2, а так же образцы без добавления TiO2. Образцы твердели в течение семи суток при температуре 20°С в запечатанных пластиковых пакетах и, далее в течение семи суток без пакетов. После 14 дней твердения образцы были изучены на обесцвечивание.

Для приготовления строительных растворов использовалась сухая смесь TiO2 (m-TiO2 или n-TiO2) и белого портландцемента марки (CEM I 52,5 R) в массовом соотношении 4:96. Строительный раствор приготавливался на мытом речном песке с модулем крупности 1,1. 450 г смеси затворяли 225 мл дистиллированной воды (В/Ц = 0,5). Третья серия (контрольная) изготавливалась без фотокатализатора. Процесс приготовления строительного раствора осуществлялся в следующей последовательности::

450 г сухой смеси цемента и TiO2 затворялось (450 г цемента для серии контрольных образцов) 225 мл дистиллированной воды.

Полученную пасту перемешивали на скорости 1оборот в течение 30 с.

Равномерными порциями вводился песок в процессе перемешивания в течение 30 с.

Перемешивался полученный раствор при скорости 4 оборота в течение 30 секунд.

Перемешивание завершалось в течение 90 с при контроле отсутствия не промешанных частиц цемент и песка.

Завершающее перемешивание строительного раствора при скорости 4 оборота в течение 60 секунд.

После этапов перемешивания раствора формовались образцы диаметр 90 мм толщиной 10 мм с последующим твердением в течение суток при температуре 20°С. Двенадцать образцов-дисков из строительного раствора были отформованы для каждого из образцов диоксида титана.

Аналогичный эксперимент был проведен для двух составов фотокаталитических цементных растворов, содержащих m-TiO2 и n-TiO2 , а так же образцы без добавления TiO2. Образцы твердели в течение семи суток при температуре 20°С в запечатанных пластиковых пакетах и, далее в течение семи суток без пакетов при относительной влажности 60%.

Полученные растворные диски были испытаны на фотокаталитическую активность при обесцвечивании родамина B (RhB).

Полученные из цементного теста образцы покрывались 20 мл 0,5 г/л водного раствора родамина B, площадь покрытия составляла около 1,2 см2, а образцы кондиционировали в течение 30 мин. Серии образцов твердевшие в течение 1 суток, использовались для оценки влияния различной освещенности во время кондиционирования. Три образца из шести серии (один с m-TiO2, один с n-TiO2 и один без фотокатализатора) выдерживались в течение 30 минут при дневном свете, а остальные три покрывались и кондиционировались в течение 30 минут в темноте. Все три комплекта впоследствии облучались ультрафиолетовой лампой (основная длина волны 312 нм). Серии образцов отверждавшихся в течение 14 суток используются для оценки влияния старения цемента. Три образца из шести серии (один с m-TiO2, один с n-TiO2 и один без фотокаталитической добавки) выдерживались в течение 30 мин при дневном свете и облучались под ультрафиолетовой лампой. Во всех экспериментах расстояние между образцами и лампой составляло 10 см.

Фотокаталитическое окисление NO на чистом TiO2 является сложной химической реакцией равновесия системы. Адсорбированная H2O, и O2 реагируют с валентной зоной, образуя адсорбированные гидроксильные радикалы ОН-. Эти радикалы непосредственно реагируют с NO, переводя в азотную кислоту, HNO3, проходя через нестабильную азотистую кислоту, HONO и диоксид азота, NO2. Данные механизм реакции окисления NO при помощи TiO2 в цементной системе может продолжаться далее, но из-за высокого pH среды, продукты реакции и промежуточные звенья, вероятно, будут связаны в нитраты, NO3 - и нитриты, NO2 -, вместо азотных и азотистых кислот. Следует отметить, что образующиеся кислоты представляют опасность для цементных систем. ОН- группы - находящаяся в цементной системе связывают NO, образуя. HONO и HNO3. Образующиеся кислотные соединения адсорбируясь в порах цементной системы без дальнейшего воздействия на них ОН-групп могли бы уменьшить pH системы ниже предела стабильности C-S-H фазы (приблизительно 11,5) и привести к коррозии цементного камня. Данная проблема является весь актуальной и малоизученной. Сравнивая химическую активность двух разновидностей TiO2 при взаимодействии с NO после 90 минут воздействия установлено, что n-TiO2 реагирует более активно, чем m-TiO2. Данный эффект объясним более высокой удельной поверхность частиц n-TiO2 перед m-TiO2 из-за размеров отдельных частиц (табл.2). Таким образом определяясь с выбором фотокатализатора для цементной системы следует учитывать исходный размер отдельных частиц TiO2 и их удельную поверхность.

Библиографический список

1. Fujishima A., Honda K. (1972), Electrochemical Photolysis of water at a semiconductor electrode, Nature, 238, 37-38.

2. Beeldens. A. An environmental friendly solution for air purification and self-cleaning effect: the application of TiO2 as photocatalyst in concrete. In Proceedings of Transport Research Arena Europe - TRA. 2006. Goteborg, Sweden.

3. Тимохин Д.К. Отходы стеклобоя в декоративном бетоне с фотокаталитическим эффектом .Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона /Д.К. Тимохин, Ю.С. Геранина // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции. - Саратов. 2014. С.84-88.

Размещено на Allbest.ru