文|浮生
编辑|浮生
●—≺ 前言 ≻—●
纳米二氧化钛是一种光催化材料，具有安全无毒、高效稳定的特点，在空气净化、水污染处理、建筑材料等领域都发挥着巨大作用，显现出优异的应用前景。
为了更好的验证纳米二氧化钛控制透水砖堵塞技术的可行性，本文将从使用成本、生态功能、社会需求三个层面，综合评价纳米透水砖的经济、生态、社会效益。
●—≺环境效益分析 ≻—●
甲基橙是一种性能较好的模型化合物，常用来人工配制有机废水，对验证纳米二氧钛的光催化性有着良好的指示作用。
氨氮（NH3-N）和总磷（TP）是导致富营养化的主要因素，也是城市地表径流污染关注的重点对象。
因此本文将通过试验探究纳米二氧化钛光催化性能对甲基橙、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）的去除作用，以此评价纳米二氧化钛对透水砖生物堵塞的控制效果，探究纳米透水砖在水质净化方面的作用。
从中的结果来看，陶瓷透水砖自身对溶液中的甲基橙、氨氮和磷具有一定去除效果。
其中对磷的去除效率高于其他两种污染物，且随着时间的增长去除能力逐渐降低，去除率在14%～16%之间。
对甲基橙和氨氮的去除率维持在约10%，表明陶瓷透水砖对溶液中的污染物的去除较为缓慢。
纳米透水砖对溶液中磷的去除效果较好，在90min内去除率可达90%；其次是甲基橙、氨氮，在相同时间内去除率可达到60%、70%。
相比陶瓷透水砖，纳米透水砖对污染物质表现出高效的去除效果，体现纳米二氧化钛可持续的光催化能力。
纳米二氧化钛在光照条件下会发生水的持续氧化还原光催化反应，来去除污染物。
所以纳米透水砖在雨过天晴后能够实现原位去除砖体吸附截留的溶解性有机或无机污染物质，避免内部营养物质富集引发的生物堵塞。
因此研发纳米透水砖，利用纳米二氧化钛亲水性和光催化性能，能够高效无污染的缓解和预防透水砖的堵塞。
可以说纳米二氧化钛负载透水砖技术，符合建筑材料与生态环境的协调发展，适应低影响开发和海绵城市建设的整体规划，具有优异的生态环境效益。
针对高性能的防堵缓堵透水砖，上述研究已经证明亲水性锐钛矿型纳米二氧化钛有着优化陶瓷透水砖工作性能的作用。
为了更好的探究纳米二氧化钛控制透水砖堵塞技术的推广潜力，选用与陶瓷透水砖同种规格的混凝土透水砖（简称混凝土砖）和烧结型风积沙透水砖（简称风积沙砖），采用5～10nm规格的亲水性纳米二氧化钛。
按喷涂/0.5g负载方式制备纳米混凝土透水砖和纳米风积沙透水砖，在实验室内模拟堵塞过程，研究分析这两种材质的透水砖在堵塞过程中的性能变化。
纳米混凝土砖与未负载纳米材料的混凝土砖在相同试验条件下堵塞试验中透水系数随时间的变化曲线。
结果表明：在混凝土砖表面负载亲水性的纳米二氧化钛可以提高其的透水能力且透水砖透水性能的提升集中体现在试验进行的前40min内。
同理由可知纳米风积沙砖的透水性提升集中体现在试验进行的前20min内，其他时段透水能力无明显提升。
根据三种材质的纳米透水砖在同等负载条件下初始透水系数和终点透水系数相对其未负载透水砖透水系数的增幅比统计。
数据表明纳米二氧化钛对陶瓷透水砖的工作性能优化的效果最好，其次是混凝土透水砖、风积沙透水砖。
究其原因，风积沙砖以沙漠沙粒为骨料来源，结构孔隙小而丰富，表面非常致密，负载的纳米二氧化钛大多会聚集在砖体表面。
所以过水初期在亲水性作用下透水系数会增加，但随着与水的充分接触，会在砖体表面上形成水膜，达到吸水饱和，因此透水系数增幅不明显。
而混凝土透水砖结构孔隙较大，透水堵塞试验条件下颗粒物质的快速堵塞作用不明显，在透水初期利用亲水性纳米二氧化钛吸附水作用下使渗入砖体的径流增多，堵塞终点仍保持大于0.01cm/s的透水能力。
而陶瓷透水砖孔隙尺寸介于混凝土透水砖和风积沙透水砖之间，为纳米二氧化钛负载在砖表面和内部提供有力的场所。
可见利用纳米二氧化钛的亲水性来优化透水砖性能是可行，但需要我们针对不同类型的砖体，做出相应的技术改良。
综上所述，纳米二氧化钛的亲水性能够有效增加陶瓷透水砖的透水能力，缓解颗粒物质引起透水砖的物理堵塞问题，延长透水砖的有效使用寿命，提高透水砖应对城市内涝风险的能力。
同时纳米二氧化钛的光催化性也能够辅助透水砖对污染物质雨后去除，降低城市面源污染的爆发。
如果能将纳米透水砖的研究从实验室推广到实际工业化的生产，势必会带动整个城市的生态建设，加速我国社会的可持续发展。
●—≺ 纳米二氧化钛控制透水砖堵塞机理≻—●
据研究表明对成型透水砖而言，在砖内部堵塞物质的量、介质中水分的形式及空气阻力是决定稳定入渗率的关键因素。
透水砖的内部有复杂的连通孔道，应用其进行路面铺装不仅可以削减地表径流量，避免城市内涝，还可以含蓄雨水，净化环境。
但是由于地表径流的入渗，携带进入透水砖内的部分颗粒物质会滞留在内部不易流出，从而削弱透水砖的透水能力使透水砖堵塞。
另一方面，城市径流中悬浮物质，粒径主要集中在5-50μm之间，由于颗粒粒径越小其比表面积越大，吸附污染物的能力较强，颗粒物质吸附较多污染物质后更容易黏附在透水砖内，纳米二氧化钛不仅具有光催化特性，还具备超亲水特性。
在自然光照射下，由于本身的光催化降解性能，可以分解吸附在表面上有机化合物；利用亲水性，仅在水的下冲刷下，便能轻松带走表面灰尘。
为此如果能够在透水砖的结构表层中，负载亲水性纳米二氧化钛，利用其亲水性能破坏水的表面张力，避免在透水砖表面形成水珠并减少孔道对水的阻力增加透水量。
且纳米二氧化钛与水充分接触后形成水膜隔离层，减少颗粒物质在表面黏附，可以从根本上缓解透水砖的堵塞。
根据薄膜的亲水原理，可将薄膜表面的亲水性分为对水的化学和物理吸附，适当地将薄膜负载在一定粗糙结构表面，能够提高对水物理吸附。
研发了一种超亲水的粗糙表面，该粗糙结构分别由几百纳米的宏观粗糙度、几十纳米和几个纳米的二氧化钛粒子簇或粒子。
研究表明在光照条件负载纳米二氧化钛的沸石，当负载量50%~90%范围内时，复合纳米二氧化钛的光催化活性优于纯纳米二氧化钛粉体。
研究表明通过使用苯丙树脂与含量仅有0.5%的纳米二氧化钛颗粒复合，制成性能良好的亲水自洁面层。因此在陶瓷透水砖的内部有着丰富的孔隙。
透水砖使用的骨料，表面有着大量的粗糙介孔，都为在透水砖内负载纳米二氧化钛提供长久可靠的保障。
半导体能带理论进一步分析揭示亲水性锐钛矿型纳米二氧化钛对透水砖堵塞控制机理。
在紫外光照下，锐钛矿型纳米二氧化钛的电子能够从禁带宽度（3.2eV）被激发到高能导带，形成高活性电子e-同时在低能带形成下正电荷空穴h+，二者构成电子空穴对。
与空气中OH-、H2O、O2接触在纳米二氧化钛表面形成高活性•OH基团。
•OH基团有着强极性遇水形成化学吸附水，在水的黏性作用下进而形成水膜，同时在光照下•OH基团强氧化能力发挥作用，将纳米二氧化钛表面的有机污染物降解生成H2O和CO2。
综上所述，亲水性纳米二氧化钛（锐钛矿型）负载在透水砖表面，利用其“超亲水性”在透水砖和孔道表面形成水膜隔离层，可以实现降低颗粒物质黏附在透水砖表面的机率。
水膜的润滑作用能够使堵塞物质易被带走，降低透水砖堵塞风险，同时增加透水砖的透水性能。
另一方面纳米二氧化钛在光照条件下会发生水的持续氧化还原光催化反应降解污染物，实现雨后能原位降解砖体吸附截留的溶解性有机或无机污染物质，避免在透水砖内部营养物质富集导致生物堵塞。
虽然有许多国内外学者尝试采用不同的负载方式，在透水路面材料引入纳米二氧化钛，并证明负载后路面材料具有光催化性能，能够降解一定的无机和有机污染物实现对雨水、空气和汽车尾气的净化。
但鲜有学者关注纳米二氧化钛“超亲水性”在透水路面堵塞控制中发挥的作用，缺少对亲水性纳米二氧化钛负载后的透水路面在雨水入渗时透水效果的探究和评价。
因此，本文将通过在实验室内模拟透水砖堵塞试验，对纳米二氧化钛对透水砖的堵塞控制影响进行全面的分析研究。
主要的研究内容确定为以下几个方面为了更好探究在透水砖表面负载亲水性纳米二氧化钛对透水砖堵塞形成和恢复的控制作用，对传统的透水砖渗透性测试方法进行改进。
针对在使用过程中因雨水携带颗粒物质入渗砖体引起透水砖的堵塞问题，在装置运行中充分考虑影响透水砖堵塞的因素。
选定在实验室内采用透水砖堵塞模拟装置进行透水砖堵塞试验的具有代表性和便于操作实现的堵塞条件。
为了优选出在透水砖堵塞过程中具有明显抗堵、缓堵作用的纳米二氧化钛负载条件。
本文负载试验采用浸提法和喷涂法将分散后的纳米二氧化钛溶液高温固结在透水砖表面制备出不同负载量的纳米透水砖。
通过研究分析负载前后透水砖在快速堵塞过程中表现的透水性能、堵塞物质截留性能、堵塞恢复性能和微观结构的变化，分析纳米二氧化钛负载对透水砖堵塞控制的影响，并筛选出最佳的纳米二氧化钛负载条件。
为了综合地评价纳米二氧化钛控制透水砖堵塞技术手段的发展潜力，从经济效益、环境效益、社会效益三个层面入手，分析纳米透水砖的经济成本、净化环境的能力和社会需求的应用优势，为纳米透水砖的推广提供依据。
●—≺ 结语 ≻—●
纳米二氧化钛负载能够延长透水砖的使用寿命，从长远考虑，纳米透水砖在有限使用年限的摊销价格降低60%，其应用推广还会降低城市建设的投入费用，具有长远的经济效益。
纳米二氧化钛负载在陶瓷透水砖后增强透水砖对溶解性污染物净化效果，为预防透水砖堵塞提供了可能。
纳米透水砖对甲基橙、总磷和氨氮有良好的去除效果，其去除率可达60%～90%。利用纳米二氧化钛的亲水性来优化透水砖性能是可行，需要我们针对不同类型的做出相应的技术改良。
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