本发明属于道路材料工程技术领域，涉及沥青混合料对PM2.5中有害气体降解效果的评价技术，尤其涉及一种光催化材料对PM2.5降解效果的评价装置及评价方法。
背景技术：
PM2.5颗粒中含有丰富的SO42‐，、N03‐、CI‐、Na+、K+、NH4+、Cu+、Fe+和CO等。有害气体能二次转化形成SO42‐，、N03‐和NH4+。随着交通运输业的快速建设与高速发展，机动车使人们的生活更加便利，但是，汽车尾气却成为了空气中PM2.5的主要来源之一，不仅破坏着生态环境，更威胁着身体健康。机动车尾气中含有大量的有害物质，包括一氧化碳(CO)，碳氢化合物(HC)和氮氧化合物以及固体悬浮颗粒等。据统计，中国大城市中30％的碳氢化合物，50％的氮氧化合物以及60％的一氧化碳均来源于汽车尾气的排放。为了减少汽车尾气对生态环境以及人类健康的威胁，人们展开了各种对汽车尾气进行降解的研究。由于沥青路面为主要的路面形式，是机动车的主要载体，因此近年有研究者尝试将具有催化分解有害气体的光催化材料应用到沥青混合料，对汽车尾气中的有毒物质进行降解。
谭忆秋等人在《可降解汽车尾气材料在沥青路面中的应用性能评价》(中国公路学报，2010年11月，第23卷，第6期，第21-27页)中研究了将催化材料Tio2以涂覆和掺入两种方式应用于沥青混合料中形成可降解汽车尾气的沥青路面，并提出一套评价降解能力的方法。但是该评价方法中采用紫外灯模拟光照，未使用自然光照，与路面实际的开放性空间状态差异较大。
若在沥青混合料中应用纳米二氧化钛基降解材料可实现对汽车尾气的降解功能，因此有必要开发一种模拟光催化材料对PM2.5降解效果的评价装置及其评价方法。
技术实现要素：
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种光催化材料对PM2.5降解效果的评价装置及其评价方法，其目的是：基于评价装置，结合自然光照，含光催化材料的车辙板试件和ZTD-A1型可移动式环境痕量气体分析仪等模拟添加光催化材料的沥青混合料对有害气体的降解效果，提出评价指标，间接评价光催化材料对PM2.5降解效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光催化材料对PM2.5降解效果的评价装置，包括气体反应室、混合压缩气体产生装置、气体分析仪，其中，所述气体反应室采用无色透明材料制成。所述混合压缩气体产生装置用于混合压缩气体及提供压缩气体；所述压缩气体在所述气体反应室内，在试件及自然光的作用下，被降解成没有任何污染和危害的二氧化碳和水。所述气体反应室采用无色透明材料制成，在室外条件下，可直接利用自然光照进行实验，与路面实际状态接近。
优选的是，所述气体反应室的一个侧面中线上设有两个及以上数量的检测孔。检测孔的设置，更加真实地模拟了路面实际的开放性空间状态，使得获得的结果更接近真实应用。
上述任一方案优选的是，所述气体反应室的一个侧面中线上距实验试件高度为50mm、500mm、1000mm和1500mm四个高度处分别有四个检测孔。检测距离试件不同高度处的气体，更全面、准确地评价含有光催化材料的试件对气体的降解效果。有害气体一般集中在路面以上五米范围内，在1.5米高度以上浓度很低，所以为试验方便，在实验设备不过分巨大的条件下，选取这四个高度进行浓度监测。
上述任一方案优选的是，所述气体反应室的另一个与设有检测孔的侧面相对的侧面中线上设有气压调节孔。气压调节孔一直处于开放状态，使得气体反应室处于开放状态，真实模拟路面情况，且在进行试验时，可通过所述气压调节孔调节箱内外气压，使其保持一致，防止有机玻璃爆裂。如果气体反应室是密闭的，所以通入气体，气体各成分溶度都比实际路面情况要高很多，与实际情况不符。
上述任一方案优选的是，所述气体反应室的另一个与设有检测孔的侧面相对的侧面中线上距实验试件为250mm和750mm高度处有两个气压调节孔。气压调节孔设置在这样高度，可以调节进入气体反应室的气压，且，可以使气体反应室下部气体流动更加接近路面情况。
上述任一方案优选的是，所述气体分析仪为可移动式环境痕量气体分析仪。采用可移动式环境痕量气体分析仪可以实时监测气体反应室内NOx、CO气体浓度情况，自动记录数据。
上述任一方案优选的是，在气体反应室顶面设有进气孔。
上述任一方案优选的是，所述进气孔设在所述气体反应室顶面距两侧边距离200mm处。进气孔设在顶部能让气体充分混合后再降到底部。需要进行更加复杂的试验时，其中一个进气孔孔既可以作为预留孔，又可以通入指定气体。
上述任一方案优选的是，所述检测孔、气压调节孔和进气孔的直径为20mm，以便于控制气体流量，使得气体通入气体反应室时速度适中，便于试验，贴合实际。
上述任一方案优选的是，所述气体反应室包括试件支架，所述试件支架布置在所述气体反应室底部。
上述任一方案优选的是，所述气体反应室包括紫外灯，所述紫外灯通过连接件与所述气体反应室顶部连接。紫外灯使得在室内条件下，可以模拟光照。
上述任一方案优选的是，所述紫外灯为五个，且可分别控制的紫外线灯管。一个紫外线灯管对应一个开关，分开关控制紫外线灯可以调节紫外线强度，能测量不同紫外线强度条件下的影响。
上述任一方案优选的是，所述气体反应室还包括紫外灯罩，所述紫外灯罩布置于所述紫外灯上方，所述紫外灯固定连接在所述紫外灯罩下方，所述紫外灯罩通过灯罩连接杆与所述气体反应室顶部连接。
上述任一方案优选的是，所述灯罩连接杆可上下移动，从而带动紫外灯及紫外灯罩上下移动，从而模拟不同的紫外光强度。
上述任一方案优选的是，所述紫外灯罩由无色透明材料制成。灯罩设成透明的材质，使得紫外光能够覆盖所述气体反应室内的气体，从而更加真实地模拟室外光照条件。
上述任一方案优选的是，所述气体反应室和紫外灯罩由无色透明有机玻璃材料制成。有机玻璃材质具有极好的透光性能，可透过92％以上的太阳光，紫外线达70％以上，且机械强度较高。
上述任一方案优选的是，所述气体反应室为长方体，其尺寸可根据实际模拟情况选择，优选的是，气体反应室的长为650mm，宽为650mm，高度为1600mm。
上述任一方案优选的是，所述气体反应室下部设有可活动门，通过该可活动门，可将试件放入所述气体反应室内的试件支架上。
上述任一方案优选的是，所述可活动门设在所述气体反应室的无孔侧面。
上述任一方案优选的是，所述可活动门设在所述气体反应室的无孔侧面距底面高度100mm处。
上述任一方案优选的是，所述可活动门宽度×高度为：650mm×500mm。
上述任一方案优选的是，所述可活动门处由橡胶垫和螺栓封闭，密封性良好。
上述任一方案优选的是，所述混合压缩气体产生装置与所述气体反应室的进气孔通过耐压管道连接。
上述任一方案优选的是，所述耐压管道上设置气体流量计，可很好控制所述混合压缩气体通入所述气体反应室的流量，保证反应室气体稳定。
上述任一方案优选的是，所述混合压缩气体产生装置由气泵、带有压力表的储存气体钢瓶、耐腐蚀软管、连接阀组成。高纯度气体和空气按一定比例通过软管流入三通型连接阀进行混合，使得某一单一控制气体达到空气中气体浓度，气体混合均匀之后即通入气体反应室，不会出现分层现象。所采用耐腐蚀软管不仅抗腐蚀，而且抗压，试验需要通入有害气体，所以要抗腐蚀，为了让气体通入时顺利，不被阻碍，软管也要抗压。
上述任一方案优选的是，所述混合压缩气体包含CO、NOx中一种与空气的混合气体。
上述任一方案优选的是，所述试件为车辙板试件。
上述任一方案优选的是，所述车辙板试件用标准轮碾成型机碾压成型，长、宽、高的尺寸分别为30cm×30cm×5cm。实验前，将制备好的含光催化材料的封层材料涂覆到均匀的涂覆到车辙板上，自然晾干后，即可将试件放入气体反应室进行检测。为更大程度的模拟室外环境，在实验过程中将反应容器放在太阳光照射的条件下，并且记录实验过程中的光照强度。
上述任一方案优选的是，所述气体反应室底部设有底座，可很好的移动和固定。
上述任一方案优选的是，所有设孔处均采用球阀控制开关，气密性良好。
另一方面，本发明提供一种采用上述评价装置的光催化材料对PM2.5降解效果的评价方法，按照先后顺序包括以下步骤：
步骤一：制备含光催化材料的车辙板；
步骤二：将制备好的车辙板放在气体反应室内；
步骤三：将气体反应室用不透光罩遮住，通入混合气体，通过实时监测系统监测气体反应室内气体浓度，通过控制流量计流量控制出口气体浓度；
步骤四：待达到所需气体浓度后，撤掉不透光罩，开始监测并记录气体反应室内浓度变化，监测过程中持续通入气体，并持续监测并记录光照强度；
步骤五：待反应室内气体稳定后停止监测；
步骤六：对监测数据进行处理，计算光催化材料对有害气体的降解效能。
优选的是，所述含光催化材料的车辙板试件通过如下方法制备：将制备好的含有二氧化钛基光催化材料的封层材料均匀的涂覆到车辙板上，自然晾干即可。
上述任一方案优选的是，所述降解效能为气体初始浓度与稳定后浓度之差，再与初始浓度之比的百分数，降解效能其中，所述气体初始浓度为在气体反应室被遮光布裹覆时，将混合气体通入气体反应室后气体保持均匀稳定的状态下所测定的气体浓度值。所述降解后稳定浓度为将遮光布取走，在光照条件下持续降解一段时间后，同一检测孔处的气体浓度平稳或者变化较小的状态下的气体浓度值。
上述任一方案优选的是，所述车辙板试件为长方形或正方形，根据实际模拟情况设计尺寸。
上述任一方案优选的是，所述车辙板试件长度为300mm，宽为300mm，高为50mm。
上述任一方案优选的是，所述二氧化钛基光催化材料的添加量为封层材料的1％～4％。
上述任一方案优选的是，所述光催化材料对PM2.5降解效果的评价方法，具体按照先后顺序包括以下步骤：
(1)将涂有二氧化钛基光催化材料的车辙板放在气体反应室的试件支架上，并通过紧固件将可活动门与气体反应室本体连接，保证可活动门处气密性，并采用不透光的幕布将所述气体反应室遮住，将痕量气体分析仪与检测口处相连；采用不透光幕布遮住气体反应室，可以保证试验前气体不发生反应且达到稳定状态。
(2)调节气体反应装置，控制混合气体流入所述气体反应室的流速，通过所述痕量气体分析仪实时检测气体反应室内部气体浓度变化，当达到需要的气体浓度时保持流速不变；
(3)待所述气体反应室内气体浓度稳定，保持流速并撤掉不透光幕布或控制打开所述紫外灯，使气体反应室暴露在光照条件中或紫外光中，并每隔10min记录一次光照强度的变化，并每分钟记录一次气体浓度。气体反应室完全暴漏在太阳光下，可很好的检测真实光照对反应室内气体的浓度影响，并采用光照强度仪检测空气中紫外强度；
(4)持续检测内部气体变化，当反应室内同一检测口处气体浓度达到稳定或变化很小后停止检测，记录数据，并通过更换检测口，对距路面不同高度的浓度变化进行检测。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)中气流速度采用气体流量计控制，根据检测结果实时调节气体流量，达到所需浓度后，检测过程中保持气体流量不变。
上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)气体浓度达到稳定，指通过检测仪检测反应室内气体浓度基本处于稳定状态，通过试验发现检测时间在40min左右，本发明规定试验时间不小于1h。
本发明提供的一种模拟光催化材料对PM2.5降解效果的评价装置及其评价方法，简单易懂，评价结果准确，与真实路面对汽车尾气的降解情况相符合，提出的评价指标降解效能可有效评价二氧化钛基光催化材料对空气PM2.5中NOX及CO等气体降解效果。
本发明对一种模拟光催化材料对PM2.5降解效果的评价装置及评价方法，气体反应室处于开放状态，试验过程可使用自然光照，模拟路面实际的开放性空间状态，并且采用气体痕量分析仪检测气体反应室不同高度的气体浓度，并提出降解效能来评价光催化材料对PM2.5的降解效果，评价结果更为接近真是情况。
该评价装置及评价方法，可适用于添加任何光催化材料(如光催化材料)的任何沥青路面对大气中有害气体(如汽车尾气中的CO、NOx)降解效果的评价。
附图说明
图1为按照本发明的一种光催化材料对PM2.5降解效果的评价装置的一优选实施例示意图；
图中标注说明：1—ZTD-A1型可移动式环境痕量气体分析仪，2—混合气体产生装置，3—耐压管道，4—检测孔，5—进气孔，6—检测试件，7—试件支架，8—紫外灯管，9—灯罩，10—侧门盖，11—电源线，12—气体反应室,13—气压调节孔。
具体实施方式
为了更清楚、正确地了解本发明的发明内容，下面将结合附图及具体实施例对本发明的发明内容做进一步的阐述。
实施例1
一种光催化材料对大气中有害气体的降解效果的评价装置，如图1所示，包括气体反应室12、混合压缩气体产生装置2、气体分析仪1，气体反应室12包括试件支架7。试件支架7布置在气体反应室12底部，用于支撑试件6。
本实施例中，气体反应室12的一个侧面中线上距实验试件6高度为50mm、500mm、1000mm和1500mm四个高度处分别有直径为20mm的四个检测孔4，与该侧面相对的侧面中线上距实验试件为250mm和750mm高度处有直径为20mm的两个气压调节孔13；在气体反应室12顶面上中线位置分别距两侧边距离200mm处分别设有直径为20mm的进气孔5，进气孔5用于通入混合气体，其他时候处于封闭状态；所有设孔处均采用球阀控制开关，气密性良好。在无孔侧面距底面高度100mm处有宽度×高度为：650mm×500mm的侧门10，该侧门10处由橡胶垫和螺栓封闭，密封性良好；在气体反应室12底部设置试件支架7，试件6放于试件支架7之上。
本实施例中，混合压缩气体产生装置2通过耐压管道3和进气孔5连接，并且，在耐压管道3上设置气体流量计，通过该气体流量计，可很好地控制混合气体通入气体反应室12的流量及流速，保证气体反应室12内气体稳定。
本实施例中，混合压缩气体产生装置2由气泵、带有压力表的储存气体钢瓶、耐腐蚀软管、连接阀组成。高纯度气体和空气按一定比例通过软管流入三通型连接阀进行混合，使得某一单一控制气体达到空气中气体浓度，气体混合均匀之后即通入气体反应室，不会出现分层现象。
本实施例中，气体分析仪1为ZTD-A1型可移动式环境痕量气体分析仪，且通过耐压管道3与不同的检测孔4连接。
本实施例中，气体反应室12底部还设有底座，气体反应室12、混合气体产生装置2和ZTD-A1型可移动式环境痕量气体分析仪均布置在所述底座上，使得该评价装置可很好的移动和固定。
本实施例中，气体反应室12的长为650mm，宽为650mm，高度为1600mm。
本实施例中，气体反应室12由无色透明有机玻璃材料制成，有机玻璃材质具有极好的透光性能，可透过92％以上的太阳光，紫外线达70％以上，且机械强度较高。
将本实施例中的评价装置用于评价含有光催化材料的沥青路面对CO的降解效果，具体包括以下步骤：
第一步：制备含有光催化材料的车辙板试件：将制备好的含有二氧化钛基光催化材料的封层材料均匀的涂覆到车辙板上，自然晾干，车辙板试件用标准轮碾成型机碾压成型，长、宽、高的尺寸分别为30cm×30cm×5cm；其中，二氧化钛基光催化材料的添加量为封层材料的2％；
其中车辙板的制备：室内成型热拌AC-13沥青混合料，所用沥青为高粘改性沥青，沥青混合料的油石比为4.6％，空隙率为4.2％，AC-13沥青混合料的矿料级配如表1所示。
表1 AC-13沥青混合料的矿料级配
在上述级配条件下，通过马歇尔设计方法，确定AC-13沥青混合料的最佳油石比为4.6％，并对所设计的沥青混合料的路用性能(高温性能、低温性能和水损害性能)进行验证，验证满足试验规范后，按照规范要求成型长度为300mm，宽为300mm，高为50mm的沥青混合料车辙板；
第二步：将制备好的车辙板放在气体反应室内：打开侧门10，并将含有二氧化钛基光催化材料的封层材料的车辙板试件放在试件之间7上，然后通过紧固件(如螺丝螺母)将侧门10与气体反应室12本体连接，保证侧门10处气密性；
第三步：将气体反应室12用不透光罩遮住，通入经过混合压缩气体产生装置2的由CO和空气组成的混合气体，使得气体反应室12内最底部检测孔的浓度检测的CO气体浓度达到稳定，即不在变化或变化非常小；刚开始通入混合气体时，根据检测结果实时调节气体流量，达到所需浓度后，检测过程中保持气体流量不变；
第四步：当气体反应室12内的CO气体浓度达到稳定后，撤掉不透光罩，开始监测并1分钟记录一次气体反应室12内CO气体浓度变化，监测过程中持续通入混合气体，并持续监测并记录光照强度，每隔10min记录一次光照强度的变化；气体反应室12完全暴漏在太阳光下，可很好的检测真实光照对气体反应室12内气体的浓度影响，并采用光照强度仪检测空气中紫外强度；整个评价装置处于自然光照射环境中，并且由于气体反应室12上设有气压调节孔13，整个反应体系处于开放状态，与路面真实状态相近，能真实地模拟路面对大气中CO的降解效果；并通过更换检测口，对距路面不同高度的浓度变化进行检测；
第五步：待反应室内气体稳定后停止监测：通过试验发现检测，实验开始约40min左右后，同一检测孔4的CO浓度不再变化或变化非常小，此时，认为气体反应室12内气体达到稳定状态，但为了进一步保证测量数据、评价结果的准确，本实施例中，仍然继续进行实验、检测，直到实验时间不小于1h，然后，停止检测气体反应室12内的CO气体浓度。本实施例中，考察所述装置最底部检测孔处的降解效果，以气体反应室12内距离试件50mm高度处检测孔处CO气体降解后的稳定浓度为降解后CO气体浓度稳定值。
步骤六：对监测数据进行处理，计算含有光催化材料的路面对CO的降解效能。取通入混合气体并达到稳定后五分钟内的CO气体浓度平均值为气体初始浓度稳定值，取一小时的最后五分钟的CO气体浓度平均值为降解后浓度稳定值，得到二氧化钛基光催化材料对CO的降解效能为
本实施例中的光催化材料对CO气体的降解效果的评价装置及评价方法，气体反应室12处于开放状态，试验过程可使用自然光照，模拟路面实际的开放性空间状态，并且采用气体痕量分析仪检测气体反应室不同高度的气体浓度，并提出降解效能来评价光催化材料对CO的降解效果，结果准确、可靠。
本实施例以沥青混合料为载体，通过涂覆方式加入纳米二氧化钛基光催化材料，实现沥青混合料对CO气体(比如来自汽车尾气)的降解，从而减少其转化为PM2.5颗粒，从而控制空气中PM2.5浓度，减少PM2.5对环境污染以及对人体的伤害。人们对汽车尾气治理的研究一般集中在两个方面，一个是汽车本身的改良，另一个是对燃料本身的改良，但是以道路为角度考虑确实相对空白的。目前，通用的路面材料为沥青材料，即使有人针对沥青材料对汽车尾气的降解进行研究，并应用于实际路面，但是还没有人对一种模拟光催化材料(如光催化材料)对PM2.5降解效果的评价装置进行研究。添纳米二氧化钛基光催化材料的沥青混合料路面具有吸附，降解汽车尾气的功能，因此它除了可用于任何道路，更加适用于汽车尾气浓度较高的部分城市道路，对有害气体起到一定的降解作用，降低了汽车尾气对环境的污染以及对人体健康的破坏，具有重要的社会意义。
实施例2
一种光催化材料对PM2.5的降解效果评价方法，其所用评价装置与实施例1相同，方法也与实施例1基本相同，不同的是，实施第三步的时候，所述混合气体是由NO2和空气组成，且得到气体反应室12内NO2气体初始浓度稳定值为84.7μg/m3；NO2气体降解后稳定浓度为68.4μg/m3，得到二氧化钛基光催化材料对NO2的降解效能为P＝19.24％。
实施例3.1
一种光催化材料对大气中有害气体的降解效果评价装置，与实施例1基本相同，不同的是，本实施例中，气体反应室12内还包括紫外灯8，紫外灯8上方设有紫外灯罩9，紫外灯罩9用于固定紫外灯8，紫外灯罩9采用无色透明有机玻璃制成，紫外灯罩9通过灯罩连接杆与气体反应室12的顶部连接，且所述灯罩连接杆可以上下伸缩，从而带动紫外灯罩9和紫外灯8上下移动，从而调节紫外灯8和试件6之间的距离，用于模拟不同光照强度，期间，用光照强度仪检测空气中紫外强度。
本实施例中，紫外灯8为五个，且可分别控制。气体反应室12采用无色透明材料制成。试件6为车辙板试件。
本实施例中的评价装置适用于室外实验及室内实验，为进一步研究提供基础。
实施例3.2
一种光催化材料对大气中有害气体的降解效果评价装置，与实施例4.1基本相同，不同的是，本实施例中，紫外灯8为七个。
实施例4.1
一种光催化材料对PM2.5的降解效果评价方法，其所用评价装置与实施例1相同，方法也与实施例1基本相同，唯一不同的是，本实施例中，二氧化钛基光催化材料的添加量为封层材料的1％，且气体反应室12内CO气体初始浓度稳定值为17.781mg/m3；CO气体降解后稳定浓度为16.641mg/m3，因此，二氧化钛基光催化材料的添加量为封层材料的1％时，含有二氧化钛基光催化材料路面对CO气体的降解效能为P＝6.41％。
实施例4.2
一种光催化材料对PM2.5的降解效果评价方法，其所用评价装置与实施例1相同，方法也与实施例1基本相同，唯一不同的是，本实施例中，二氧化钛基光催化材料的添加量为封层材料的4％，且得到气体反应室12内CO气体初始浓度稳定值为14.896mg/m3；CO气体降解后稳定浓度为13.104mg/m3，因此，可以得出二氧化钛基光催化材料的添加量为3％时，含有二氧化钛基光催化材料路面对CO气体的降解效能为P＝12.03％。
实施例5.1
一种光催化材料对PM2.5的降解效果评价方法，其所用评价装置与实施例1相同，方法也与实施例2基本相同，唯一不同的是，本实施例中，二氧化钛基光催化材料的添加量为封层材料的1％，且得到气体反应室12内NO2气体初始浓度稳定值为74.8μg/m3；NO2气体降解后稳定浓度为66.2μg/m3因此，二氧化钛基光催化材料的添加量为封层材料1％时，含有二氧化钛基光催化材料路面对NO2的降解效能P＝11.50％。
实施例5.2
一种光催化材料对PM2.5的降解效果评价方法，其所用评价装置与实施例1相同，方法也与实施例2基本相同，唯一不同的是，本实施例中，二氧化钛基光催化材料的添加量为封层材料4％，且气体反应室12内NO2气体初始浓度稳定值为97.6μg/m3；NO2气体降解后稳定浓度为76.1μg/m3，因此，二氧化钛基光催化材料的添加量为封层材料4％时，含有二氧化钛基光催化材料路面对NO2的降解效能P＝22.03％。
实施例6
一种光催化材料对PM2.5的降解效果评价方法，其所用评价装置与实施例1相同，方法与实施例1基本相同，唯一不同的是，本实施例中，施第三步的时候，所述混合气体是由NO和空气组成。
实施例7.1
一种光催化材料对PM2.5的降解效果评价方法，与实施例1基本相同，不同的是，所用光催化材料为二氧化锆。
实施例7.2
一种光催化材料对PM2.5的降解效果评价方法，与实施例1基本相同，不同的是，所用光催化材料为氧化锌光催化材料。
需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。