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基于全寿命周期的光催化路面环境效益分析

来源:草根论文网 时间:2017-03-31 字体:[ ] 收藏 我要投稿 浏览:

 TiO2等光催化剂在光照条件下可降解污染物,但光催化剂对污染物的降解速率受光照强度、湿度、温度等外部条件的影响。相关研究表明,TiO2的添加对沥青砼道路流变性能、老化流变性能的影响很小,高温稳定性和剪切模量等路用性能均能满足道路使用要求。将光催化剂运用到道路工程中,常见的添加方式有掺人式与涂覆式。该文主要对比在满足道路使用性能条件下两种添加方式光催化沥青砼与普通沥青砼路面的环境效益。

1方案设计

主要比较普通沥青砼、掺人式和涂覆式光催化沥青砼路面在全生命周期中的成本,以对NO的降解量作为经济效益。掺人式:TiO2与矿粉混合使用,使TiO2处于路面的上表面,更好地与空气、尾气接触,为加大催化效果,可在集料表面包裹TiO2 .涂覆式:将常规道路涂料、固化剂和TiO:按合适的比例调和均匀后涂覆在道路表面,令光催化剂和汽车尾气充分接触,将光催化作用效果最大化。

根据相关资料,TiO2粉末掺加比例达到5U0o时,催化效率才有显现,但进一步提高掺量会带来造价过高的问题,出于经济性考虑,将TiO2粉末掺量定为5U0o。对于涂覆式光催化沥青砼,将光催化剂与涂覆粘结剂分别按3%,5%,8%10%15%,20%的比例混合进行试验,发现随着光催化剂比例的上升,催化效率得到一定程度提升,但到达一定比例((8%)后提升效果不明显。因此,出于经济性考虑,将涂料的光催化剂含量定为8%.

2成本分析

2.1施工用量对比

试验段为20 m双向四车道二级公路,长度100 m。假设沥青砼面层厚度为18 cm,按照当前盛行的“4+6+8”体系分配,上面层、中面层、下面层厚度分别为4,6,8 cm。有资料显示,在多孔沥青砼表面7-8 mm范围内掺人50%以内的TiO2微粉可制成光催化沥青砼。因此,这里主要研究路面的上面层,假定上面层主要由AC-16沥青砼建成。采用由蒋应军等设计的AC-16沥青砼(该沥青砼路用性能良好,且能节省8%-10%沥青用量),密度为2.5 g/cm3,最佳油石比为4.56 0 o,各集料占比为9.5-19 mm:4.75-9.5  m m:2.36-4.75 mm,机制砂:矿粉=2726172640

根据试验段情况,该路段需耗费的AC-16沥青砼为80 m3,硅质量为200 t(见表1)0

掺人式沥青砼用TiO:代替一半矿粉,集料比例除矿粉外与普通沥青砼相同,矿粉用量为3. 82 t,TiO2用量为3.82 t

涂覆式沥青砼的集料用量与普通硅相同,只是在表面涂覆TiO2涂层。对于AC-16沥青砼,当涂覆量过小时,涂料极易起皮剥落;涂覆量过大时,路面抗滑能力又不能达到道路使用要求。经过剥落度研究和抗滑性能研究,将AC-16的涂料上限定为500 g/m2,下限定为350 g/m2,考虑到抗滑性能的重要性,试验段选用350 g/m2。涂料用量为20 m *100 m * 0. 35 kg/m2 = 700 kg; TiO2用量为56kg;涂料载体粘结剂用量为644 kgo2.2施工成本对比

根据相关资料,10#石油沥青的价格为3 857/t9.5-194.75}-9.52.36-4.75 mm碎石的价格均为52.78/t,机制砂为60.90/t,矿粉为310/t;锐钦型TiO2的价格约为8 600/t;涂料载体粘结剂的价格为8/kg。计算得试验段AC- 16普通沥青砼路面各材料的成本见表2,试验段普通沥青砼路面总成本为46 261.34元。

掺人式光催化沥青砼是将TiO2代替一部分矿粉,其他集料的级配及比例与普通沥青砼相同。其TiO2掺量为5000,矿粉为3.82 t, TiO23.82 t,则试验段AC- 16掺人式沥青砼道路的施工成本为77 926.04元。

涂覆式光催化沥青砼道路是在普通沥青砼道路的表面涂覆一层TiO2作为光催化材料,TiO2的成本为481.6。元,涂料载体粘结剂的成本为5 152.00元,则试验段AC-16涂覆式光催化沥青砼道路的原料成本为51 894.94元。3种道路的建设成本对比见表30

 

2.3道路养护成本对比

假设试验段为二级公路,使用年限为14年。掺人式光催化沥青砼道路的寿命最长为7年,即第8年需重新修建上面层才能保证催化效果。对于涂覆式光催化沥青砼道路的寿命,采用推论法,通过了解道路标线的寿命推论其涂层寿命。根据相关文献,不同路况下标线的寿命为3-36个月,热熔标线和预成标线的寿命超过12个月。对于涂覆式光催化沥青砼路面,涂料本身并未采用上述寿命较长的热熔法或预成标线法,其寿命不可能超过12个月,而且试验段处于车流量较大的区域,寿命还会有一定减少。综上,暂定涂覆式光催化沥青砼路面的使用寿命为8个月,即每8个月需重新铺设一次光催化涂层,以保证光催化效果。

普通沥青道路投人使用3-5年后就会出现路面破坏。假设试验段的破坏临界点为5年,并在其全生命周期中需修补路面的5400;对于路面破坏,假设其为按年平均分布,即对于生命周期14年的道路,每年需修补道路总面积的600。对于掺人式光催化沥青砼道路,由于第8年需重建道路,其修补合计为道路总面积的2400。对于涂覆式光催化沥青砼道路,其不仅要考虑每年的道路修补成本,还需每8个月对光催化涂层进行再覆盖。

道路修补时需将面层破损部分凿除。假设凿除部分为面层以下20 mm,面层修补材料为原建设材料AC-16沥青砼混合料。根据AC-16沥青砼级配,得到各类型路面修补所需材料用量(见表4)

结合上述材料价格,计算得到各类型道路维护阶段的实际费用支出见表5

 

由表5可以看出:AC-16普通沥青砼道路的维护成本为12 467.11元。掺人式光催化沥青砼道路的TiO2费用为3 956元,则其道路维护成本为9 360.19;另外,掺人式光催化沥青砼道路在第8年需重新建设,其维护成本还需加上再次建设的成本77 415.74元。涂覆式光催化沥青砼道路的使用寿命和普通沥青道路一样为14年,且道路面层内部材料相同,期间的道路修补费用同AC-16沥青砼道路,为12 467.11;还需加上涂料覆盖TiO2费用10 113.6元、涂料载体粘结剂费用108 192元。各类型道路维护成本对比见表60

3环境效益分析

3.1使用阶段降解尾气

在理想条件下,假设汽车产生的尾气100%被光催化路面催化,且有足够的NO提供,已达到上文所假设的NO吸收效率。在两组光催化道路的14年中,被吸收的NO量如下(14年中有4年为闰年,全年按366 d计算):掺人式光催化沥青砼道路(假定其第8年重建耗费30 d,14年中各项维修耗费60d)434.07 t;涂覆式光催化沥青砼道路(假定每8个月重新铺设一次涂料层,每次花费8 d,14年中各项维修耗费60 d)717.66 to

运用SCR法进行大气处理时,依靠氨气(NH3 )作为还原剂去除NO是较普遍的方式。相关化学方程式如下:

根据分子式的摩尔质量,NH317 g/mol, NO30 g/mol,可得到两种道路寿命周期内所吸收的NO量。在实验室条件下去除等量NO所需NH3质量如下:掺人式光催化沥青砼道路为434.07t * 17 g/mo1 * 4-30 g/mo1=6=163.98 t;涂覆式光催化沥青砼道路为717.66t * 17 g/mo1 * 4-30 g/mot-6=271.12 t

根据市场参考价,氨气的价格约为363/kg,得到SRC法的去除成本如下:掺人式光催化沥青砼道路为59 524 74。元,涂覆式光催化沥青砼道路为98 416 560元。

3.2环境效益对比

为了使对比更加直观,将上述数据运用时间价值进行换算,折现率取800,公式为F=P(F/P,80o,N)。将3种路面的建造成本、养护及SCR技术成本采用该公式计算,得到各类道路第14年年末终值(见表7)和环境效益(见表8).

结论

通过对比,得到光催化剂掺人式沥青砼道路与涂覆式沥青砼道路造价分别超出普通沥青砼道路造价的68.4 %12.2 %;道路维护费用分别超出普通沥青砼道路的596%949%。但其带来的环境效益分别为两者成本的273. 7 472. 64倍。该试验段假设中未考虑光催化剂对其他污染物的吸收带来的环境效益。综上所述,光催化道路带来的环境效益远高于其成本。

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作者:郑编辑 责任编辑:郑编辑

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