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SiO2-TiO2复合气凝胶功能梯度砂浆的设计和性能分析

作者:完美论文网  来源:www.wmlunwen.com  发布时间:2021/3/5 15:54:16  

摘要:SiO2-TiO2复合气凝胶光催化降解污染物性能优异,但其现有的制备工艺对设备和成本的要求较高,不利于工业化生产,此外要运用到实际生活中还面临着负载体的选择问题。在日常生活中,建筑物和构筑物往往与污染物直接接触,水泥基材料作为最常见的建筑材料,若能将作为SiO2-TiO2复合气凝胶的负载体,研究和开发出具有降解污染物功能的新型建筑材料,不但对改善环境意义重大,对未来环保城市的建设也具有重大的现实价值。现有的光催化建筑材料普遍催化效率低,催化剂的利用率低,且往往在力学性能和功能性之间无法兼顾,实用价值有限。鉴于此,本文围绕半导体催化剂SiO2-TiO2气凝胶的制备、改性及其与不同水泥基体系的结合情况展开研究,引入功能梯度的概念,探索制备具有光催化性能的SiO2-TiO2气凝胶功能梯度砂浆。

本试验采用溶胶凝胶法,结合一步溶剂交换-表面改性技术,常压下制备出高比表面、具有锐钛矿相SiO2-TiO2复合气凝胶,考察了硅钛比和硅含量对样品结构和光催化性能的影响,对样品进行XRD、SEM、N2吸附-脱附、FTIR等表征,并考察了样品的憎水性、导热性能及其对甲基橙溶液的光催化降解活性。试验结果表明:制备的气凝胶中SiO2与TiO2混合均匀,硅基气凝胶的存在有效阻碍了TiO2相结晶配位的转化,制成的气凝胶呈现疏松多孔状态,水接触角在135 °左右,具有较好憎水性,在硅含量为10%,硅钛比为5:1时,综合性能最佳,此时气凝胶对甲基橙的光催化降解效率达到98.04%。

以SiO2-TiO2复合气凝胶(硅含量为10%,硅钛比为5)作为骨料,掺入三种不同水泥基(PO、HBC、CSA)体系的砂浆中,对砂浆进行了SEM、FTIR、热重、XRD等表征,结合化学收缩的变化情况,考察气凝胶在复合砂浆中的结合情况,结果表明改性后的气凝胶较好的憎水性有效地阻止了水溶液的浸入,阻碍了气凝胶颗粒与胶凝材料的反应,保证了气凝胶在砂浆中的稳定性,但也使得其与砂浆的胶结情况较差,气凝胶与骨料的结合松散。

将SiO2-TiO2复合气凝胶的憎水性加以利用,在一体化制备过程中,通过强力振捣的方式使得气凝胶在砂浆中呈现由上而下,逐层递减的梯度分布。制备的砂浆呈现由上及下,依次为功能层-过渡层-强度层的功能梯度结构,最大程度上保留了水泥基的高强度和气凝胶的高催化活性。采用体积法设计砂浆配合比,考察不同气凝胶取代率下,SiO2-TiO2复合气凝胶掺量对功能梯度砂浆的性能影响。试验结果表明:制备出的功能梯度砂浆功能层具有较好的憎水性,且光催化降解污染物性能优异,在气凝胶取代率为100%条件下,砂浆对甲基橙溶液的降解率可以达到90%以上。与普通的复合方式相比,功能梯度的结构有效的缓解了由于气凝胶的加入而带来的力学性能上的衰减情况。结合成本、施工、综合性能等方面的考量,HBC和PO型水泥基与SiO2-TiO2气凝胶的结合情况较好,SiO2-TiO2复合气凝胶功能梯度砂浆的气凝胶取代率在60% ~ 70%为宜。

关键词:SiO2-TiO2复合气凝胶;功能梯度砂浆;光催化活性;稳定性;物理力学性能

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