文|浮生
編輯|浮生
●—≺ 前言 ≻—●
納米二氧化鈦是一種光催化材料，具有安全無毒、高效穩定的特點，在空氣凈化、水污染處理、建築材料等領域都發揮著巨大作用，顯現出優異的應用前景。
為了更好的驗證納米二氧化鈦控制透水磚堵塞技術的可行性，本文將從使用成本、生態功能、社會需求三個層面，綜合評價納米透水磚的經濟、生態、社會效益。
●—≺環境效益分析 ≻—●
甲基橙是一種性能較好的模型化合物，常用來人工配製有機廢水，對驗證納米二氧鈦的光催化性有著良好的指示作用。
氨氮（NH3-N）和總磷（TP）是導致富營養化的主要因素，也是城市地表徑流污染關注的重點對象。
因此本文將通過試驗探究納米二氧化鈦光催化性能對甲基橙、氨氮（NH3-N）和總磷（TP）的去除作用，以此評價納米二氧化鈦對透水磚生物堵塞的控制效果，探究納米透水磚在水質凈化方面的作用。
從中的結果來看，陶瓷透水磚自身對溶液中的甲基橙、氨氮和磷具有一定去除效果。
其中對磷的去除效率高於其他兩種污染物，且隨著時間的增長去除能力逐漸降低，去除率在14%～16%之間。
對甲基橙和氨氮的去除率維持在約10%，表明陶瓷透水磚對溶液中的污染物的去除較為緩慢。
納米透水磚對溶液中磷的去除效果較好，在90min內去除率可達90%；其次是甲基橙、氨氮，在相同時間內去除率可達到60%、70%。
相比陶瓷透水磚，納米透水磚對污染物質表現出高效的去除效果，體現納米二氧化鈦可持續的光催化能力。
納米二氧化鈦在光照條件下會發生水的持續氧化還原光催化反應，來去除污染物。
所以納米透水磚在雨過天晴後能夠實現原位去除磚體吸附截留的溶解性有機或無機污染物質，避免內部營養物質富集引發的生物堵塞。
因此研發納米透水磚，利用納米二氧化鈦親水性和光催化性能，能夠高效無污染的緩解和預防透水磚的堵塞。
可以說納米二氧化鈦負載透水磚技術，符合建築材料與生態環境的協調發展，適應低影響開發和海綿城市建設的整體規劃，具有優異的生態環境效益。
針對高性能的防堵緩堵透水磚，上述研究已經證明親水性銳鈦礦型納米二氧化鈦有著優化陶瓷透水磚工作性能的作用。
為了更好的探究納米二氧化鈦控制透水磚堵塞技術的推廣潛力，選用與陶瓷透水磚同種規格的混凝土透水磚（簡稱混凝土磚）和燒結型風積沙透水磚（簡稱風積沙磚），採用5～10nm規格的親水性納米二氧化鈦。
按噴塗/0.5g負載方式製備納米混凝土透水磚和納米風積沙透水磚，在實驗室內模擬堵塞過程，研究分析這兩種材質的透水磚在堵塞過程中的性能變化。
納米混凝土磚與未負載納米材料的混凝土磚在相同試驗條件下堵塞試驗中透水係數隨時間的變化曲線。
結果表明：在混凝土磚表面負載親水性的納米二氧化鈦可以提高其的透水能力且透水磚透水性能的提升集中體現在試驗進行的前40min內。
同理由可知納米風積沙磚的透水性提升集中體現在試驗進行的前20min內，其他時段透水能力無明顯提升。
根據三種材質的納米透水磚在同等負載條件下初始透水係數和終點透水係數相對其未負載透水磚透水係數的增幅比統計。
數據表明納米二氧化鈦對陶瓷透水磚的工作性能優化的效果最好，其次是混凝土透水磚、風積沙透水磚。
究其原因，風積沙磚以沙漠沙粒為骨料來源，結構孔隙小而豐富，表面非常緻密，負載的納米二氧化鈦大多會聚集在磚體表面。
所以過水初期在親水性作用下透水係數會增加，但隨著與水的充分接觸，會在磚體表面上形成水膜，達到吸水飽和，因此透水係數增幅不明顯。
而混凝土透水磚結構孔隙較大，透水堵塞試驗條件下顆粒物質的快速堵塞作用不明顯，在透水初期利用親水性納米二氧化鈦吸附水作用下使滲入磚體的徑流增多，堵塞終點仍保持大於0.01cm/s的透水能力。
而陶瓷透水磚孔隙尺寸介於混凝土透水磚和風積沙透水磚之間，為納米二氧化鈦負載在磚表面和內部提供有力的場所。
可見利用納米二氧化鈦的親水性來優化透水磚性能是可行，但需要我們針對不同類型的磚體，做出相應的技術改良。
綜上所述，納米二氧化鈦的親水性能夠有效增加陶瓷透水磚的透水能力，緩解顆粒物質引起透水磚的物理堵塞問題，延長透水磚的有效使用壽命，提高透水磚應對城市內澇風險的能力。
同時納米二氧化鈦的光催化性也能夠輔助透水磚對污染物質雨後去除，降低城市面源污染的爆發。
如果能將納米透水磚的研究從實驗室推廣到實際工業化的生產，勢必會帶動整個城市的生態建設，加速我國社會的可持續發展。
●—≺ 納米二氧化鈦控制透水磚堵塞機理≻—●
據研究表明對成型透水磚而言，在磚內部堵塞物質的量、介質中水分的形式及空氣阻力是決定穩定入滲率的關鍵因素。
透水磚的內部有複雜的連通孔道，應用其進行路面鋪裝不僅可以削減地表徑流量，避免城市內澇，還可以含蓄雨水，凈化環境。
但是由於地表徑流的入滲，攜帶進入透水磚內的部分顆粒物質會滯留在內部不易流出，從而削弱透水磚的透水能力使透水磚堵塞。
另一方面，城市徑流中懸浮物質，粒徑主要集中在5-50μm之間，由於顆粒粒徑越小其比表面積越大，吸附污染物的能力較強，顆粒物質吸附較多污染物質後更容易黏附在透水磚內，納米二氧化鈦不僅具有光催化特性，還具備超親水特性。
在自然光照射下，由於本身的光催化降解性能，可以分解吸附在表面上有機化合物；利用親水性，僅在水的下沖刷下，便能輕鬆帶走表面灰塵。
為此如果能夠在透水磚的結構表層中，負載親水性納米二氧化鈦，利用其親水性能破壞水的表面張力，避免在透水磚表面形成水珠並減少孔道對水的阻力增加透水量。
且納米二氧化鈦與水充分接觸後形成水膜隔離層，減少顆粒物質在表面黏附，可以從根本上緩解透水磚的堵塞。
根據薄膜的親水原理，可將薄膜表面的親水性分為對水的化學和物理吸附，適當地將薄膜負載在一定粗糙結構表面，能夠提高對水物理吸附。
研發了一種超親水的粗糙表面，該粗糙結構分別由幾百納米的宏觀粗糙度、幾十納米和幾個納米的二氧化鈦粒子簇或粒子。
研究表明在光照條件負載納米二氧化鈦的沸石，當負載量50%~90%範圍內時，複合納米二氧化鈦的光催化活性優於純納米二氧化鈦粉體。
研究表明通過使用苯丙樹脂與含量僅有0.5%的納米二氧化鈦顆粒複合，製成性能良好的親水自潔面層。因此在陶瓷透水磚的內部有著豐富的孔隙。
透水磚使用的骨料，表面有著大量的粗糙介孔，都為在透水磚內負載納米二氧化鈦提供長久可靠的保障。
半導體能帶理論進一步分析揭示親水性銳鈦礦型納米二氧化鈦對透水磚堵塞控制機理。
在紫外光照下，銳鈦礦型納米二氧化鈦的電子能夠從禁帶寬度（3.2eV）被激發到高能導帶，形成高活性電子e-同時在低能帶形成下正電荷空穴h+，二者構成電子空穴對。
與空氣中OH-、H2O、O2接觸在納米二氧化鈦表面形成高活性•OH基團。
•OH基團有著強極性遇水形成化學吸附水，在水的黏性作用下進而形成水膜，同時在光照下•OH基團強氧化能力發揮作用，將納米二氧化鈦表面的有機污染物降解生成H2O和CO2。
綜上所述，親水性納米二氧化鈦（銳鈦礦型）負載在透水磚表面，利用其「超親水性」在透水磚和孔道表面形成水膜隔離層，可以實現降低顆粒物質黏附在透水磚表面的機率。
水膜的潤滑作用能夠使堵塞物質易被帶走，降低透水磚堵塞風險，同時增加透水磚的透水性能。
另一方面納米二氧化鈦在光照條件下會發生水的持續氧化還原光催化反應降解污染物，實現雨後能原位降解磚體吸附截留的溶解性有機或無機污染物質，避免在透水磚內部營養物質富集導致生物堵塞。
雖然有許多國內外學者嘗試採用不同的負載方式，在透水路面材料引入納米二氧化鈦，並證明負載後路面材料具有光催化性能，能夠降解一定的無機和有機污染物實現對雨水、空氣和汽車尾氣的凈化。
但鮮有學者關注納米二氧化鈦「超親水性」在透水路面堵塞控制中發揮的作用，缺少對親水性納米二氧化鈦負載後的透水路面在雨水入滲時透水效果的探究和評價。
因此，本文將通過在實驗室內模擬透水磚堵塞試驗，對納米二氧化鈦對透水磚的堵塞控制影響進行全面的分析研究。
主要的研究內容確定為以下幾個方面為了更好探究在透水磚表面負載親水性納米二氧化鈦對透水磚堵塞形成和恢復的控制作用，對傳統的透水磚滲透性測試方法進行改進。
針對在使用過程中因雨水攜帶顆粒物質入滲磚體引起透水磚的堵塞問題，在裝置運行中充分考慮影響透水磚堵塞的因素。
選定在實驗室內採用透水磚堵塞模擬裝置進行透水磚堵塞試驗的具有代表性和便於操作實現的堵塞條件。
為了優選出在透水磚堵塞過程中具有明顯抗堵、緩堵作用的納米二氧化鈦負載條件。
本文負載試驗採用浸提法和噴塗法將分散後的納米二氧化鈦溶液高溫固結在透水磚表面製備出不同負載量的納米透水磚。
通過研究分析負載前後透水磚在快速堵塞過程中表現的透水性能、堵塞物質截留性能、堵塞恢復性能和微觀結構的變化，分析納米二氧化鈦負載對透水磚堵塞控制的影響，並篩選出最佳的納米二氧化鈦負載條件。
為了綜合地評價納米二氧化鈦控制透水磚堵塞技術手段的發展潛力，從經濟效益、環境效益、社會效益三個層面入手，分析納米透水磚的經濟成本、凈化環境的能力和社會需求的應用優勢，為納米透水磚的推廣提供依據。
●—≺ 結語 ≻—●
納米二氧化鈦負載能夠延長透水磚的使用壽命，從長遠考慮，納米透水磚在有限使用年限的攤銷價格降低60%，其應用推廣還會降低城市建設的投入費用，具有長遠的經濟效益。
納米二氧化鈦負載在陶瓷透水磚後增強透水磚對溶解性污染物凈化效果，為預防透水磚堵塞提供了可能。
納米透水磚對甲基橙、總磷和氨氮有良好的去除效果，其去除率可達60%～90%。利用納米二氧化鈦的親水性來優化透水磚性能是可行，需要我們針對不同類型的做出相應的技術改良。
參考文獻
[1] 畢娟.喀斯特城市水體、不透水面、植被與地表溫度關係研究[D].桂林:廣西師範大學,2017.
[2] 王哲,謝傑,謝強,等.透水鋪裝地面滯蓄凈化城鎮雨水徑流研究進展[J].環境科學與技術,2013,36(2):138-143.
[3] 張躍榮.多孔透水磚滲流特性實驗與模擬研究[D].天津:河北工業大學,2015.
[4] 韓暖.基於海綿城市理念下的透水磚及鋪裝設計[D].重慶:西南交通大學,2017.
[5] 孫芳.基於海綿城市的城市道路系統化設計研究[D].西安:西安建築科技大學,2015.
[6] 韋甦,吳力平,李軍.透水磚應用于海綿城市建設的若干問題探討[J].中國給水排水,2017,33(12):1-5.
[7] 蔣怡萍,龐勝華,江羽,等.基於海綿城市的透水磚應用[J].住宅與房地產,2018,10(24):262-267.
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