（一） 項目簡介
快滲透且截留污染物是道路雨水低影響開發技術重要一環。現行普通滲水材料滲透性和滲透負荷因易被雨水污染物堵塞逐年下降，導致路面滲透性能嚴重降低，甚至轉化成非透水道路。因此，本項目擬向快滲透水材料添加納米二氧化鈦和碳化氮石墨烯材料，在日光照射下，材料中的價帶電子躍遷到導帶，將環境中的羥基電子奪過來變成自由基，形成高級氧化環境，氧化去除污染物，恢復滲透材料的滲透率，形成自潔快滲高透的雨污材料。
（二） 研究目的
現行海綿城市建設中的雨水滲水材料（例如透水混凝土和改性瀝青）初期滲透性好，但經歷一段時間后其滲濾材料表面被污染，滲透負荷和滲透強度快速下降，導致地面磚/路面滲透性能嚴重降低，甚至轉化成非透水地面磚/路面，易引起內澇。因此，本項目針對雨水滲透材料存在易污染滲透率逐年下降，滲透性能不持久等問題，擬開展自清潔式雨水快滲材料研究，研發材料應用于地面磚/路面等相關海綿城市建設產品，解決雨水滲透材料易污染易堵塞等問題。
（三） 研究內容
擬在快滲透水材料中添加納米TiO２和碳化氮，利用日光的照射下，滲水材料表面價帶電子躍遷到導帶，價帶的孔穴把周圍環境中的羥基電子奪過來，羥基變成具有強氧化自由基，氧化分解透水材料中的污染物，恢復滲透材料的孔隙，形成自潔快滲高透的雨污材料。
（1）以水泥為膠結材料，以納米TiO２和碳化氮為自清潔材料，在一定條件下制備出生態新材料I型；以改性瀝青為核心材料，以納米TiO２為自清潔材料，在一定條件下制備出生態新材料II型；
（2）研究透水混凝土/改性瀝青與納米TiO２和碳化氮不同配比時，受污染透水混凝土/改性瀝青自清潔水平及滲透系數的變化特征；
（3）研究透水混凝土/改性瀝青厚度對納米二氧化鈦和碳化氮自清潔程度與滲透系數的影響特征；
（4）研究不同雨水中污染物種類與濃度對新材料自清潔水平與滲透系數的影響特征；
（5）研究不同日光強度對新材料自清潔水平與滲透系數的影響特征；
（6）研究自清潔雨水快滲材料最佳應用參數。
（四） 國、內外研究現狀和發展動態
城市擴張導致地面雨水徑流量加大，加重進入受納水體的污染物負荷，增大防洪及生態系統風險。傳統城市排水機制是盡快將雨水排除而忽略雨水作為資源的利用價值，珍貴的雨水資源并沒有通過合理的措施截留至城市中進一步處理后利用；傳統城市排水機制只注重受納水體的排水功能，而忽略水系在增補地下水、緩解城市熱島效應等方面的作用；傳統城市排水系統主要依靠工程措施來解決城市防洪排澇問題，而這種工程措施會增加下游區域的洪峰流量從而造成下游洪水頻發；此外，傳統城市排水系統存在污水處理系統過度集中、污水收集系統建設相對滯后的缺陷，從而導致污水處理的經濟性低，污水普遍未經處理就直接排入城市受納水體。
20 世紀 80 年代，德國開始注意到城市地面的透水設計對提高環境質量極為關鍵，因為水是維系城市生存和植被健康最重要的物質。一個城市，只有當它有能力讓雨水入地以保持地下水位不下降，才能保障城市居住的安全性和舒適度。于是德國城市弗萊堡率先開始了將不透水的硬化地改造為透水路面的工作，德國城市鋪設透水路面的區域包括:人行道、步行街、自行車道、郊區道路和郊游步行路、露天停車場、房舍周邊庭院和街巷的地面、特殊車道及公共廣場等。
由于透水路面鋪裝材料具有高的表面滲透率，降雨通過表面鋪裝材料滲入底基層，在此儲存或者滲入地下水、通過底部暗管排入市政管網或受納水體，因而能在徑流產生之前即將雨水下滲，從而部分或全部消除地表徑。透地面磚/水路面是一種生態型環保地面磚/路面，在保證良好路用性能的同時，又具有透氣透水、吸聲降噪、提高汽車行駛的安全性和舒適性等優點，使得透水路面的的生態性能日益受到重視。目前透水路面材料主要有透水水泥混凝土、高分子透水性混凝土、燒結透水性制品、改性瀝青及透水混合料等。
（1）透水水泥混凝土 以水泥為膠結材料、采用單一級配集料，不用或少用細集料配制的無砂、多孔混凝土。
（2）高分子透水性混凝土 采用單一粒級的粗集料，以瀝青或高分子樹脂為膠結材料配制的透水性混土。與水泥混凝土相比，其強度較高，但成本也高。
（3）燒結透水性制品 以廢棄的瓷磚、長石、高嶺土、粘土等礦物的粒狀物和漿體拌合，壓制成坯體，經高溫鍛燒而成有多孔結構的塊體材料。該類透水性材料強度高，耐久性優良。
（4）改性瀝青及透水混合料 通常在瀝青中加入某些高分子聚合物，通過剪切、攪拌等方法使聚合物均勻地分散于瀝青中，形成瀝青—聚合物共混材料，瀝青聚合物良好的物理化學性能來彌補瀝青本身的缺陷，從而可以有效地改善瀝青的高溫抗車轍性能、抗疲勞開裂性能、抗低溫開裂性能、增加雨水的滲透率，有效地提高路面的使用壽命。
透水材料在國外的研究和應用取得了較好的效果，國內也進行了一定的研究和工程應用示范，但均存在滲透率逐年下降且易堵，需要開發自清潔透水路面材料。
自清潔材料廣泛應用于現代人類的生產生活中。威爾豪等科學家揭秘荷葉表面效應的防沾污、自清潔性能，為人類開發模仿荷葉表面效應的高性能自清潔材料提供了理想的方向。Honda等在TiO2半導體電極上發現水能夠被光催化分解，科學家Frank將這種具有光催化作用的納米TiO2半導體用于降解污物，發現了其對有機物的分解作用。自此，具有光傕化能力的半導體物質如Zno、TiO２等被廣泛應用于空氣凈化、衛生保健、廢水處理等環境治理方面。Choi等用TiO２作光敏化劑，采用溶膠一凝膠法制備了Ｎ滲雜的納米二氧化欽，并用旋轉涂層法在玻璃表面轅了一層二氧化鐵薄膜，成功制備出了具有自清潔性能的玻璃。
透水材料在國外的研究和應用取得了較好的效果，國內也進行了一定的研究和工程應用示范，但均存在滲透率逐年下降且易堵塞，無法持久性滲透雨水。納米光觸媒有著原料易得、造價低廉、分解污染物能力強等特性，但科學家光催化自清潔材料的研究主要集中于玻璃金屬片、陶瓷等硬質、耐高溫基材。因此，將納米TiO２摻雜于透水路面材料形成自清潔雨水快滲生態材料研究是目前透水材料研究的熱點與重點，且具有重要經濟與社會意義。
（五） 創新點與項目特色
（1）研究理念創新。擬在現行快滲透水材料中添加納米二氧化鈦和碳化氮石墨烯，利用日光的照射下，價帶電子躍遷到導帶，價帶的孔穴把周圍環境中的羥基電子奪過來，羥基變成自由基，形成高級氧化環境，氧化去除滲透材料中堵塞的污染物，研究內容利用可見光進行自清潔材料的研發具有理念創新，也是本項目的特色。
（2）研究內容創新。本項目以現行快滲透水材料為基礎，以二氧化鈦和碳化氮石墨烯可見光環境下降解污染物為核心，研究納米二氧化鈦和碳化氮石墨烯在不同環境中，其在滲透材料中的配比和氧化分解能力。因此，核心研究內容創新性強。
（3）項目特色明顯。本項目針對透水路面滲透率逐年下降且易堵塞，無法持久性滲透雨水現狀，利用納米光觸媒有著原料易得、造價低廉、分解污染物能力強等特性，開展自清潔式雨水快滲生態材料研究，項目創新性、理論性和應用性特色明顯。
（六） 技術路線、擬解決的問題及預期成果
1、技術路線
項目將以水泥為膠結材料，以納米TiO２和碳化氮為自清潔材料，在一定條件下制備出生態新材料I型；以改性瀝青為核心材料，以納米TiO２和碳化氮為自清潔材料，在一定條件下制備出生態新材料II型，分別研究I和II型自清潔雨水快滲生態材料的相關特性，具體技術如下：
2、擬解決的關鍵問題
（1）自清潔雨水快滲材料核心問題之一為降雨后利用陽光照射產生自由基，氧化分解滲濾材料表面的污染物，恢復滲透力，因此納米二氧化鈦和碳化氮石墨烯在不同環境中，其在滲透材料中的配比和氧化分解能力是本研究需要解決的主要問題之一。
（2）自清潔雨水快滲材料核心問題之一為滲透雨水后，滲透系數的恢復是關鍵科學問題，因此探尋滲透系數恢復與環境因素間的關系是本研究需解決的主要問題之一。
3、預期成果
（1）制備自清潔雨水快滲生態材料I與II型；
（2）獲得自清潔雨水快滲生態材料受環境條件影響特征及規律；
（3）在國內外期刊或者學術會議上發表1篇學術論文；
（4）力求形成自己的知識產權成果，申請專利1項。
（七） 項目研究進度安排
1、第一年度
目標：調研和收集資料，制備出I和II型自清潔雨水快滲生態材料。
內容：（1）收集資料和調研，研究自清潔銳晶體TiO2和碳化氮制備過程；
（2）制備出自清潔銳晶體TiO2和碳化氮材料；
（3）研究透水材料（透水混凝土/改性瀝青）制備過程，試制透水材料；
（4）依據上面研究過程，制備出I和II型自清潔雨水快滲生態材料。
2、第二年度
目標：研究I和II型自清潔雨水快滲生態材料相關特性，撰寫結題報告，申請專利。
內容：（1）研究I/II型自清潔雨水快滲生態材料在不同條件下滲透率變化特征及規律；
（2）研究I/II型自清潔雨水快滲生態材料在不同條件下自清潔能力特征及規律；
（3）撰寫學術論文和結題報告。
（4）申請專利。
（八） 已有基礎
1. 與本項目有關的研究積累和已取得的成績
項目組成員為給排水科學與工程專業學生，通過大一基礎課程和部分專業基礎課程的自主學習，掌握比較扎實的理論基礎和實驗技能，具備了一定的分析能力，高等數學和計算機的學習使我們掌握了數據分析工具，普通化學、有機化學、水分析化學等課程使我們具備了一定的化學反應理論和較強的實驗動手能力，項目組成員英語能力較強，能夠熟練查閱外文文獻，掌握多種軟件的運用，能熟練應用計算機進行文檔編輯和分析工作。
在對專業課程的學習過程中，對自清潔透水材料產生了濃厚的興趣，尤其是一些新技術和新理論的應用與研究，在學習過程中了解到海綿城市建設系統是環境專家學者研究的熱點，而自清潔雨水快滲材料具有較大的潛力和優勢，非常希望通過實驗研究出該材料。
項目組成員人員搭配合理，興趣濃厚，已經制訂了詳細的試驗研究計劃，相信在指導老師指導下，能夠圓滿完成研究任務，取得預期的成果。本項目小組已經查找并閱讀了大量關于自清潔材料、海綿城市建設和透水材料的論文，并且組員們在學校和學院的科技立項以及航模比賽，具備了良好的科研功底和能力，為項目開展打下了良好的基礎。
2. 已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
目前水利工程學院擁有 “水沙科學與水災害防治” 湖南省重點實驗室、“洞庭湖水環境治理與生態修復”湖南省重點實驗室、湖南省環境保護河湖疏浚污染控制工程技術中心、水利實驗中心。水利實驗中心下設護河湖疏浚污染控制工程實驗室、水處理材料實驗室、水分析實驗室和水環境污染與控制實驗室。具備開展材料研發與檢測、化學分析、水質指標檢測等項目，實驗室擁有液相色譜-質譜聯機、離子色譜、原子吸收、原子力顯微鏡、氣相色譜(具有電子捕獲，氫火焰，熱導檢測器)、液相色譜LC-10A（紫外，熒光，熱導檢測器）、TOC測定儀、電位分析儀、水平ATR測定儀（衰減全反射傅里葉變換紅外線光譜儀）等多種分析儀器、多功能取樣器、水質在線監測儀等設備。
目前，項目組已具備開展本申請項目的所有硬件和軟件研究條件，水利工程學院對本課題高度重視，將在儀器設備、人員配置、科研用房等方面將給予全方位的支持。
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