冬季TiO2光催化建筑墻體降解NOx性能模擬研究

申慧淵，楊亞萍，吳 奇，何文博

(西安航空學院 能源與建筑學院，西安 710077)

0 引言

中國城市的大氣環(huán)境污染嚴重影響城市居民的健康。在冬季的污染物成分中，城市機動車和城市近郊采暖設(shè)備排放的氣態(tài)NOx污染物是二次氣溶膠形成的重要前體物，也是造成灰霾的重要原因[1]。控制、消除冬季霧霾大氣中的NOx污染物，特別是最大限度地阻止NOx等污染物進入居住建筑室內(nèi)，顯示出重要的價值。

控制冬季大氣中的NOx污染物，可以利用在常溫常壓下，無二次污染并且節(jié)能的TiO2光催化降解NOx技術(shù)[2-3]。但是，TiO2對可見光的利用率低[4]，因此，將TiO2光催化材料與面積巨大的建筑表面結(jié)合，形成TiO2光催化建筑表面[5]，可以有效地增加街區(qū)內(nèi)部NOx的降解量。國外的眾多研究機構(gòu)率先將TiO2光催化材料與城市建筑表面結(jié)合，降解氣態(tài)污染物，取得了一定的催化效果[6-8]。為迫切解決中國城市的大氣污染問題，國內(nèi)學者加速推進基于TiO2光催化材料的城市建筑表面技術(shù)，取得了很大的進展[9-11]。然而，在實際應用中，TiO2光催化建筑表面的氧化能力對降解冬季城市大氣中的NOx污染物的性能強弱，還沒有被詳細研究過，特別是TiO2光催化建筑外表面對NOx的降解，影響室內(nèi)NOx分布的強弱。研究TiO2光催化建筑墻體降解室內(nèi)外NOx性能的強弱，對理解局部NOx反應速率下降[12]、建筑表面攜帶NOx污染物氣體的流動問題[13]以及吸/脫附位置的變化[14]，都有著積極的作用。

最后，冬季TiO2光催化建筑墻體降解室內(nèi)外NOx性能的強弱研究，也為結(jié)合TiO2光催化材料的建筑凈化設(shè)備，比如結(jié)合TiO2光催化材料的幕墻，提供比對的對象。為設(shè)計出更加節(jié)能[15-16]、更加有效控制建筑外部表面氣體流動，更加有效地消除玻璃表面污染物的幕墻，提供必要的技術(shù)準備。

綜上所述，不論是控制、消除冬季大氣中的NOx污染物，還是最大限度地阻止冬季NOx污染物進入居住建筑室內(nèi)，都需要研究TiO2光催化建筑墻體降解NOx的性能。本文利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)模擬光催化建筑墻體對室外以及建筑物內(nèi)部NOx統(tǒng)計分布的影響，通過與沒有涂覆TiO2光催化材料的建筑物進行對比，論證了通過光催化墻體實現(xiàn)降解NOx目的的可行性。同時，研究了冬季光催化墻體對建筑內(nèi)部NOx統(tǒng)計分布的影響，為將來進一步優(yōu)化、提高光催化建筑設(shè)備性能打下基礎(chǔ)。

1 TiO2光催化建筑墻體原理

TiO2光催化建筑墻體由外層TiO2材料和內(nèi)層基本墻體構(gòu)成，如圖1所示。在冬季，光催化建筑墻體具備降解外部污染物的功能。光催化建筑墻體結(jié)合TiO2光催化降解作用，在冬季太陽光照下，太陽光中的紫外波段被涂覆在建筑墻體上的TiO2光催化涂層吸收，激發(fā)光催化反應，將室外機動車和冬季采暖排放的氣態(tài)NOx污染物光催化降解。

圖1TiO2光催化建筑墻體原理示意圖

圖2墻體表面光催化反應原理示意圖

光催化降解原理具體為：建筑墻體表面在太陽光的輻射下，當紫外線輻射能量大于禁帶寬度時，TiO2價帶上的電子受激發(fā)躍遷至導帶，成為光生電子(e-)，而在價帶上產(chǎn)生一個光生空穴(h+)，如圖2所示[17]。光生電子具有還原性，光生空穴具有氧化性。在太陽光紫外光輻射下，建筑墻體表面激發(fā)產(chǎn)生光生空穴和電子后，存在以下四個過程：(1)光生空穴躍遷至TiO2建筑墻體的表面，與表面吸附的 O2、OH-和 H2O 等發(fā)生一系列反應，產(chǎn)生具有強氧化能力的·O2-、·OH 和 H2O2等活性基團，與表面吸附物發(fā)生了氧化反應的過程；(2)光生電子躍遷至 TiO2建筑墻體的表面，經(jīng)過一系列反應與與表面吸附物發(fā)生還原反應的過程；(3)光生空穴-電子對躍遷至 TiO2的表面，發(fā)生界面復合的過程；(4)光生空穴-電子對在 TiO2材料內(nèi)部發(fā)生內(nèi)部復合的過程。

綜上所述，在冬季，太陽輻射中的紫外波段通過建筑墻體外側(cè)，使激發(fā)的光催化劑產(chǎn)生光生電子(e-) 和空穴(h+)，將吸附在催化劑表面的NOx污染物降解。最后，由建筑墻體上的進氣口將潔凈空氣送向建筑室內(nèi)。

2 數(shù)學模型

2.1 控制方程組

建筑墻體附近的氣體流動被連續(xù)性方程、動量方程和能量方程控制。NOx濃度被看作被動標量，其光催化表面反應過程通過組分輸運方程和 Langmuir-Hinshelwood (L-H) 動力學模型進行簡化，最終由被動標量方程控制?？刂品匠探M如下：

式中，a為分子擴散系數(shù)；v為分子運動粘性系數(shù)；〈ui〉是i方向的雷諾平均速度分量；〈T〉雷諾平均溫度變量；〈C〉為雷諾平均濃度變量；σij是由分子粘性決定的應力張量。τij、qi和ri這三項需要利用湍流和光催化建筑壁面反應模型封閉。

2.2 湍流模型

本文采用重整化群(Renormalization Group，RNG)k-ε湍流模型，在相關(guān)文獻中其針對湍流模擬的準確性得到了驗證。RNG k-ε湍流模型的湍動能k和湍動耗散率ε方程如下：

式中，αk是關(guān)于湍動能k的有效湍流普朗特數(shù)的倒數(shù)；αε是關(guān)于湍動能耗散率ε的有效湍流普朗特數(shù)的倒數(shù)。

2.3 光催化玻璃壁面反應模型

在本文中，NOx濃度被看作被動標量，其光催化表面反應過程通過組分輸運方程和Langmuir-Hinshe lwood (L-H) 動力學模型進行簡化，ri為：

式中，k0為本征動力學速率常數(shù)；K為Langmuir吸附平衡常數(shù)；Cs為催化劑表面NOx濃度；I為催化劑表面紫外線光輻射通量密度；α取決于催化劑表面電子-空穴對形成與結(jié)合的效率。

2.4 網(wǎng)格劃分及求解器設(shè)置

計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分基于ICEM平臺，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。最小網(wǎng)格設(shè)置為2.5m，網(wǎng)格漸變率采用1.2，整體網(wǎng)格數(shù)量為234,706個，建筑室外環(huán)境的計算域如圖3所示，其中b為建筑寬度，取值為50m，建筑高度為60m。

圖3 室外計算域

進口速度、湍動能和耗散率剖面分別取為：

式中，k取為0.40，u*取為1.18 m·s-1，Cμ取為 0.09，進口NOx濃度為0.0043mol·L-1。

選取第一層樓層的一個房間，作為考察室外NOx對室內(nèi)空氣質(zhì)量影響的對象。其室內(nèi)建筑計算域平面如圖4所示，房間高度為3m。

考慮到建筑室內(nèi)進氣口與建筑外部大氣環(huán)境連通，取速度進口邊界條件作為進氣口處的邊界條件，速度大小為0.007m·s-1，室外溫度取0℃，NOx污染物濃度取0.0043mol·m-3。出氣口邊界條件取Outflow邊界條件。

圖4房間計算域

求解器基于Fluent 平臺，采用基于壓力求解器，壓力和速度耦合求解采用SIMPLE算法。離散格式均選用二階格式。湍流模型選取RNG k-ε湍流模型，壁面函數(shù)選取標準壁面函數(shù)。穩(wěn)態(tài)計算過程中，設(shè)置能量方程殘差小于10-6，設(shè)置連續(xù)性方程、動量方程和RNG k-ε湍流模型方程殘差小于10-3。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 TiO2光催化建筑外部NOx分布

圖5給出了涂覆TiO2光催化材料建筑周圍的NOx相對濃度云圖。NOx相對濃度指某一點的NOx濃度與參考NOx濃度0.0043mol·L-1的比值。從圖5可以看出，在建筑后部的尾流區(qū)域中，NOx濃度出現(xiàn)了大面積降低，越靠近建筑后立面，污染物濃度就越低。這主要是因為，建筑的TiO2光催化墻體對污染物進行了降解，不但使得建筑表面的NOx濃度降低，也使得下游的污染物濃度減小?？梢?，具備TiO2光催化墻體的建筑對室外空氣的質(zhì)量起到了一定的提高作用。

圖6給出了具備TiO2光催化墻體的建筑壁面上的NOx相對濃度云圖。從圖6中可以看出，建筑的側(cè)壁面上的NOx相對濃度等值線出現(xiàn)較小值，這主要是由于側(cè)面的氣流分離帶走了一部分NOx，同時剩余的NOx發(fā)生降解，在建筑物側(cè)面前緣形成了低濃度的NOx分布區(qū)域。而在不涂覆TiO2光催化材料的建筑物墻面上，則不會出現(xiàn)NOx相對濃度降低的區(qū)域，在建筑物周圍NOx濃度維持在0.0043mol·L-1。

圖5光催化建筑周圍NOx分布

圖6光催化建筑墻面NOx分布

由上述分析，可以看到，通過TiO2光催化墻體，建筑物對室外環(huán)境可以起到凈化作用。同時，對建筑表面的室內(nèi)進風口處的空氣也可以起到凈化作用。

3.2 TiO2光催化建筑室內(nèi)NOx分布

圖7給出了具備TiO2光催化墻體的建筑室內(nèi)NOx相對濃度云圖。選取位于一樓的某個房間進行考察，其進口處的NOx濃度從光催化建筑墻面上提取。從圖7中可以看出，由于進氣口處的NOx不斷被建筑外表面降解，所以，室內(nèi)NOx濃度以進氣口為中心，不斷減小，但是其減小幅度很微弱，變化幅度可以忽略不計，其NOx濃度保持在0.0042mol·L-1左右。

圖8給出了沒有涂覆TiO2光催化材料墻體的建筑的室內(nèi)NOx相對濃度云圖。從圖8中可以看出，其室內(nèi)的NOx濃度變化較小，只有在靠近房間出口處，濃度有所降低，但是其減小幅度依舊很微弱，變化幅度可以忽略不計，其NOx濃度保持在0.0043mol·L-1左右。

圖7光催化建筑室內(nèi)NOx分布

圖8普通建筑室內(nèi)NOx分布

由上述分析，可以看到，將TiO2光催化材料涂覆到建筑墻體外表面，也可以對室內(nèi)環(huán)境起到一定的凈化作用，但是，其凈化效率需要進一步提高。

4 結(jié)語

通過模擬分析，可知本文中，墻體涂覆TiO2光催化材料的建筑可以對室外空氣環(huán)境起到一定的凈化作用，雖然降解率不高，但是考慮到整個街區(qū)的建筑表面積巨大，所以，其對室外NOx的整體降解量很大。冬季城市NOx污染問題日益突出，通過光催化材料與建筑墻體的結(jié)合，可以有效地起到凈化室外空氣的作用。同時，涂覆TiO2光催化材料的建筑對其建筑外壁面NOx的降解，可以促進室內(nèi)空氣品質(zhì)的提高。本文的研究工作證實了TiO2光催化建筑墻體降解室內(nèi)外NOx的可行性，為進一步利用光催化墻體降解室內(nèi)外污染物，優(yōu)化墻體的整體降解性能打下基礎(chǔ)。