外墻瓷磚表面結(jié)構(gòu)、形成方法及用于公共區(qū)域pm2.5末端治理的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及環(huán)境保護領(lǐng)域，特別涉及一種建筑物外表面特殊結(jié)構(gòu)的形成技術(shù)，以 及利用該建筑物外表面特殊結(jié)構(gòu)對公共區(qū)域PM2. 5末端的治理。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化的加速推進，我國能源消耗以及由此產(chǎn)生的大氣 污染物排放總量不斷增加，空氣質(zhì)量面臨嚴峻挑戰(zhàn)。尤其是大氣PM2. 5(PM :Particulate matter,顆粒物）的污染，不僅導致灰霾現(xiàn)象，且對人體健康產(chǎn)生嚴重威脅。近年來，全國許 多城市（尤其是華北和華東地區(qū)）有關(guān)PM2. 5指數(shù)爆表的新聞頻頻見諸報端，令民眾堪憂。
[0003] 總的說來，要減少PM2. 5的危害可從三個方面入手：
[0004] (1)源頭治理，即通過控制煤炭燃燒總量與汽車保有總量、對燃煤進行脫硫脫硝、 提升燃油品質(zhì)、在排氣口安裝凈化裝置等來減少PM2. 5及其前體物（5024(?、顯3等）的排 放；
[0005] (2)末端治理，即對已經(jīng)排放到大氣中的PM2. 5及其前體物，通過各種手段（如樹 葉吸附、噴霧沉降、光催化氧化還原反應等）捕獲PM2. 5或反應掉前體物；
[0006] (3)個人防護，即通過佩戴仿PM2. 5口罩等手段來減少PM2. 5對人體的侵入。
[0007] PM2. 5的三種不同治理策略，參與的主體是不同的，其效果和社會效應也是不同 的，如圖3所示。其中，源頭治理最為普遍，為實現(xiàn)PM2. 5濃度5年內(nèi)降20%而提出的應對 策略也大多屬于這一類。源頭治理由政府主導，更多取決于國家政策和產(chǎn)業(yè)方向?？紤]到 我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀在相當長的時期內(nèi)難以改變、汽車保有總量仍將不可避免地 持續(xù)增長、對燃煤進行完全脫硫脫硝在技術(shù)和政策執(zhí)行上還存在現(xiàn)實困難、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級 難以一蹴而就，僅依靠源頭治理來實現(xiàn)PM2. 5污染的有效降低是遠遠不夠的。
[0008] 而PM2. 5末端治理作為源頭治理的重要補充，應受到更多重視。由于技術(shù)水平限 制和政府主導的局限性，導致目前末端治理主要集中在公共區(qū)域綠化與個人或私人空間空 氣治理兩個方面，在形式上為綠化植被與各種室內(nèi)空氣凈化裝置。而戶外大面積的公共區(qū) 域，有著大量的建筑物外表面，這些建筑物的表面目前只是作為保護、裝飾等功能，沒有空 氣治理的能力。如果讓公眾參與末端治理，通過大面積的建筑外表面實現(xiàn)公共區(qū)域PM2. 5 的治理，使公眾能夠受益，將是一項有益全社會的公益進步事業(yè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是使公共區(qū)域大量建筑物的外表面具有滯阻污染并降低PM2. 5濃 度、凈化空氣功能，提高民眾的空氣質(zhì)量公共區(qū)域末端治理的意識。
[0010] 為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：
[0011] -種外墻磚表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，由多尺度復雜微結(jié)構(gòu)在瓷磚表面連續(xù)排列而 成，所述多尺度復雜微結(jié)構(gòu)是指：在一個槽寬、槽高均相等的第一代溝槽基礎(chǔ)上，采用不多 于三次的自相似迭代規(guī)則，每次迭代在該溝槽截面的一個溝底及兩側(cè)溝沿上均復制縮小 1/3后的下一代溝槽；在每個多尺度復雜微結(jié)構(gòu)上面均沉積有Ti02納米顆粒。
[0012] 上述方案中，所述槽寬、槽高均為10mm。所述迭代為三次，共產(chǎn)生四代多尺度復雜 微結(jié)構(gòu)。
[0013] -種前述外墻磚表面結(jié)構(gòu)形成方法，其特征在于，包括下述步驟：
[0014] (1)通過壓制成型模具制備出具有多尺度復雜微結(jié)構(gòu)表面的外墻磚；
[0015] ⑵對該外墻磚進行清洗、烘干；
[0016] (3)將1102前驅(qū)溶液涂覆在該外墻磚的所有的多尺度復雜微結(jié)構(gòu)上；
[0017] (4)涂覆完成后，經(jīng)自然冷卻、高溫烘干，所述多尺度復雜微結(jié)構(gòu)上即可牢固附著 Ti0 2納米顆粒。
[0018] 上述方法中，所述清洗分為三步，分別是：丙酮清洗、酒精清洗和清水清洗。所述涂 覆采用噴霧勻膠機完成。所述高溫烘干是指：先90°C烘30min，后500°C烘2. 5h。
[0019] 一種前述外墻磚表面結(jié)構(gòu)的用途，其特征在于，將具有多尺度復雜微結(jié)構(gòu)表面外 墻磚貼于建筑物上，該外墻磚多尺度復雜微結(jié)構(gòu)表面將空氣中的PM2. 5顆粒捕獲，并通過 多尺度復雜微結(jié)構(gòu)表面的1102光觸媒將PM2. 5前體物催化分解生成無害氣體釋放、或生成 相關(guān)非氣態(tài)產(chǎn)物滯留于該多尺度復雜微結(jié)構(gòu)中，并在被雨水沖刷下從地面排走，實現(xiàn)對公 共區(qū)域PM2. 5的末端治理。
[0020] 本發(fā)明把原本用來裝飾或保護的建筑的外墻磚利用起來，通過表面設計與加工， 使其具有有效滯阻PM2. 5、凈化空氣的功能。多尺度復雜微結(jié)構(gòu)和光觸媒的應用，使建筑 表面成為和綠化植物類似，甚至在某些方面具有更優(yōu)越的功能（比如城市綠化用地畢竟有 限）。從某種意義上講，項目的實施大致可以等效城市的綠化面積成倍增加，以改善當前霧 霾天氣狀況，凈化排放的有害氣體，增強公眾健康、使生活更加安全舒適。
【附圖說明】
[0021] 以下結(jié)合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0022] 圖1為公共區(qū)域末端治理方法原理圖。
[0023] 圖中：1、PM2. 5顆粒；2、PM2. 5前體物（如S02、N0、NH3其他有機成分等）；3、無害 氣體；4、外墻磚表面結(jié)構(gòu)及其上沉積的Ti02納米顆粒；5、多尺度復雜表面外墻磚；6、雨水。
[0024] 圖2為本發(fā)明外墻磚多尺度復雜表面的斷面結(jié)構(gòu)。其中，a圖為基本結(jié)構(gòu)（第一 代）；b圖為第二代結(jié)構(gòu)；c圖為第三代結(jié)構(gòu)；d圖為第四代結(jié)構(gòu)。
[0025] 圖3為外墻磚多尺度復雜表面沉積1102納米顆粒示意圖（第二代結(jié)構(gòu)）。
[0026] 圖中：7、墻瓷基底；8、圖2中的多尺度復雜表面結(jié)構(gòu)；9、瓷磚表面沉積的Ti02納米 顆粒。
【具體實施方式】
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明的一種公共區(qū)域末端治理方案：在建筑物表面設置本發(fā)明具 有多尺度微結(jié)構(gòu)的外墻磚5,當空氣中的PM2. 5顆粒1碰撞或接觸建筑物表面后，被外墻磚 多尺度復雜表面結(jié)構(gòu)滯阻而附著于其上，該多尺度復雜結(jié)構(gòu)表面可附著較多的顆粒，并使 其在風力及震動作用下再次逃逸的幾率下降。此外，該外墻磚多尺度復雜表面上還沉積有 納米顆粒的Ti02，當該材料暴露在陽光之下，可對PM2. 5前體物2 (如S02、NO、NH3其他有 機成分等）進行光催化分解，生成無害氣體3,并返回大氣，或生成相關(guān)非氣態(tài)產(chǎn)物滯留于 外墻磚多尺度復雜表面。通過這種方式，可以減少PM2. 5的產(chǎn)生，其反應公式如下：
[0028]
[0033] 在雨天，得益于Ti02的超疏水性質(zhì)，外墻磚多尺度復雜表面沉積的PM2. 5、以及 由光催化反應生成的非氣態(tài)物質(zhì)可被雨水6沖刷掉，最終進入地下排污系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對 PM2. 5的末端治理。
[0034] 參考圖2,在本發(fā)明外墻磚多尺度復雜表面結(jié)構(gòu)設計中，考慮成型瓷磚磨具的成本 因素，基本結(jié)構(gòu)（第一代）為一個溝槽（a圖）尺度為10mmX 10mm(槽寬X槽高），采用不 多于三次的自相似迭代規(guī)則，每次迭代在該溝槽截面的一個溝底及兩側(cè)溝沿上均復制縮小 1/3后的下一代子溝槽結(jié)構(gòu)；第一次迭代見b圖；接著，在每個子溝槽結(jié)構(gòu)上采用相同的迭 代規(guī)則，進行第二次迭代，得到c圖的第三代溝槽結(jié)構(gòu)（孫溝槽尺度為基本結(jié)構(gòu)的1/9); 最后通過第三次迭代組成圖d的第四代溝槽結(jié)構(gòu)（重孫溝槽尺度為基本結(jié)構(gòu)的1/27)。
[0035] 參考圖3,外墻磚多尺度復雜表面可通過壓制成型模具的設計實現(xiàn)。多尺度復雜表 面沉積110 2納米顆粒的方法，包括如下步驟：
[0036] (1)對外墻磚多尺度復雜表面8依次用丙酮、酒精和清水進行各5min的清洗，在 l〇〇°C的溫度下烘干。
[0037] (2)利用勻膠機（奧地利EVG公司出品的101CS噴霧勻膠機）將Ti02前驅(qū)液旋涂 到外墻磚多尺度復雜表面上，旋涂參數(shù)如下：低速400r/min，5s，高速2000r/min，30s。
[0038] (3)旋涂完成后，自然冷卻，先90°C烘30min，后500°C烘2.5h，最后，外墻磚多尺度 復雜表面8上即可附著1102納米顆粒9。
[0039] 本發(fā)明基于PM2. 5的滯阻機理，建立表面結(jié)構(gòu)和材料對PM2. 5的滯阻作用模型，從 而通過工程技術(shù)加工出具有相應功能的建筑物外墻磚多尺度復雜表面結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對PM2. 5 高效滯阻的目的，后在外墻磚多尺度復雜表面上制備光觸媒材料，通過光催化作用降低 PM2. 5前體物濃度，達到進一步降低PM2. 5的目的，使公共區(qū)域PM2. 5末端治理取得顯效。
【主權(quán)項】
1. 一種外墻磚表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，由多尺度復雜微結(jié)構(gòu)在瓷磚表面連續(xù)排列而成， 所述多尺度復雜微結(jié)構(gòu)是指：在一個槽寬、槽高均相等的第一代溝槽基礎(chǔ)上，采用不多于三 次的自相似迭代規(guī)則，每次迭代在該溝槽截面的一個溝底及兩側(cè)溝沿上均復制縮小1/3后 的下一代溝槽；在每個多尺度復雜微結(jié)構(gòu)上面均沉積有TiO 2納米顆粒。2. 如權(quán)利要求1所述的外墻磚表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述槽寬、槽高均為10mm。3. 如權(quán)利要求1所述的外墻磚表面結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述迭代為三次，共產(chǎn)生四代多 尺度復雜微結(jié)構(gòu)。4. 一種權(quán)利要求1所述外墻磚表面結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，包括下述步驟： (1) 通過壓制成型模具制備出具有多尺度復雜微結(jié)構(gòu)表面的外墻磚； (2) 對該外墻磚進行清洗、烘干； (3) 將1102前驅(qū)溶液涂覆在該外墻磚的所有的多尺度復雜微結(jié)構(gòu)上； (4) 涂覆完成后，經(jīng)自然冷卻、高溫烘干，所述多尺度復雜微結(jié)構(gòu)上即可牢固附著TiO2 納米顆粒。5. 如權(quán)利要求4所述的外墻磚表面結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述清洗分為三步， 分別是：丙酮清洗、酒精清洗和清水清洗。6. 如權(quán)利要求4所述的外墻磚表面結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述涂覆采用噴霧 勻膠機完成。7. 如權(quán)利要求4所述的外墻磚表面結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述高溫烘干是指： 先 90°C 烘 30min，后 500°C 烘 2. 5h。8. -種權(quán)利要求1所述外墻磚表面結(jié)構(gòu)的用途，其特征在于，將具有多尺度復雜微結(jié) 構(gòu)表面外墻磚貼于建筑物上，該外墻磚多尺度復雜微結(jié)構(gòu)表面將空氣中的PM2. 5顆粒捕 獲，并通過多尺度復雜微結(jié)構(gòu)表面的1102光觸媒將PM2. 5前體物催化分解生成無害氣體釋 放、或生成相關(guān)非氣態(tài)產(chǎn)物滯留于該多尺度復雜微結(jié)構(gòu)中，并在被雨水沖刷下從地面排走， 實現(xiàn)對公共區(qū)域PM2. 5的末端治理。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種外墻瓷磚表面結(jié)構(gòu)、形成方法及用于公共區(qū)域PM2.5末端治理，其特征在于：結(jié)合仿生學分析植物結(jié)構(gòu)特征對PM2.5的滯阻機理，建立表面結(jié)構(gòu)和材料對PM2.5的滯阻作用模型，從而通過工程技術(shù)加工出具有多尺度復雜微結(jié)構(gòu)的建筑物外墻瓷磚，實現(xiàn)PM2.5高效滯阻的目的；同時在多尺度復雜微結(jié)構(gòu)上制備光觸媒材料(TiO2)，通過光催化作用降低PM2.5前體物濃度，達到進一步降低PM2.5濃度的目的。
【IPC分類】E04F13/072, B01D53/86, B01D46/00
【公開號】CN105089219
【申請?zhí)枴緾N201510405129
【發(fā)明人】王海容, 付廣龍, 孫僑, 陳洪鳳, 陳曉偉, 吳志東, 吳九匯
【申請人】西安交通大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年7月10日