材料化學-環(huán)境功能材料

1、材料化學-環(huán)境功能材料第一頁，共36頁。水污染土壤污染大氣污染固廢污染人類正面臨著各種環(huán)境問題！第二頁，共36頁。環(huán)境功能材料環(huán)境功能材料主要是指具有獨特的物理、化學、生物性能，并有優(yōu)良的環(huán)境凈化效果的新型材料。它們可以在經(jīng)典工藝中發(fā)揮重要作用，也可以為人類提供新的環(huán)境工藝。這些材料在環(huán)境工程上表現(xiàn)出其獨特的價值，而且在解決能源危機、全球環(huán)境污染等方面也發(fā)揮著巨大的作用。第三頁，共36頁?；瘜W污染控制：水、大氣、固廢環(huán)境修復：水、大氣、土壤物理污染控制：噪聲、輻射、電磁波環(huán)境功能材料用途第四頁，共36頁。電磁污染控制材料環(huán)境功能材料分類噪聲污染控制材料催化濕式氧化催化劑吸附材料光催化材料新型環(huán)

2、境替代材料電磁污染控制材料能源技術(shù)與功能材料電催化材料介紹這類材料第五頁，共36頁。吸附材料吸附的概述多孔吸附材料無孔吸附材料納米吸附材料前沿與展望12345第六頁，共36頁。1 吸附的概述吸附：當流體與多孔固體接觸時，流體中某一組分或多個組分在固體表面處產(chǎn)生積蓄，這種現(xiàn)象稱為吸附。根據(jù)作用力的不同，通常包括物理吸附和化學吸附。吸附質(zhì)吸附劑吸附質(zhì)物理吸附吸附劑化學吸附第七頁，共36頁。物理吸附化學吸附作用力范德華力化學鍵現(xiàn)象類似于冷凝類似于化學反應熱效應近似于冷凝熱近似于化學反應熱吸附方式單分子層或多分子層一般為單分子層解吸結(jié)果吸附質(zhì)能還原吸附質(zhì)不能還原吸附過程可逆，速度快不可逆物理吸附和化學

3、吸附比較第八頁，共36頁。吸附法是去除環(huán)境中污染物最為快捷有效的方法之一，利用吸附法進行物質(zhì)分離已有漫長的歷史，以活性炭為例：公元前1550年，古埃及有木炭作為醫(yī)用的記載。中國明代李時珍（公元1518-1593年）所編著的本草綱目中提及木炭用于治療疾病。在二十世紀初，歐洲誕生了活性炭工業(yè)。到二十世紀六十年代后，國內(nèi)外的研究者在活性炭的使用和研發(fā)上作出了大量的工作。1 吸附的概述第九頁，共36頁。1 吸附的概述吸附法在環(huán)境保護方面的應用：凈化廢氣，回收溶劑，脫除水中的微量污染物利用吸附法進行水處理：優(yōu)點 缺點適應范圍廣處理效果好可回收有用物料吸附劑可重復使用吸附飽和效果會下降樹脂吸附飽和需解析解

4、析廢液很難處理第十頁，共36頁。1 吸附的概述吸附劑（吸附材料）是決定高效能的吸附處理過程的關(guān)鍵因素，廣義而言，一切固體都具有吸附能力，但是只有多孔物質(zhì)或磨得極細的物質(zhì)由于具有很大的比表面積，才能作為吸附劑。吸附劑的分類：工業(yè)上常用的吸附劑環(huán)境吸附材料活性炭活性氧化鋁硅膠沸石分子篩等多孔吸附材料無孔吸附材料納米吸附材料第十一頁，共36頁。比表面積是吸附材料，特別是多孔吸附材料的重要指標。它的大小較直觀地表明吸附劑吸附能力的大小。例如：常規(guī)活性炭比表面積在6001500m2/g超級活性炭比表面積在25004000m2/gNU-110(金屬有機骨架）比表面積高達7000m2/g在制造吸附劑時，應盡

5、量增大比表面積以增大其吸附能力。1 吸附的概述第十二頁，共36頁。2.1 多孔吸附材料活性炭活性炭是由含碳材料制成的外觀呈黑色，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、表面積大，吸附能力強的一類微晶質(zhì)碳素材料?；钚蕴亢写罅课⒖?，具有巨大的比表面積，吸附效果好且穩(wěn)定，能有效地去除色度、臭味，可去除二級出水中大多數(shù)有機污染物和某些無機物，包含某些有毒的重金屬，是目前水處理中普遍采用的吸附劑。目前工業(yè)上使用的活性炭有粉末狀和顆粒狀兩種，其中以顆粒狀為主。粉末活性炭顆?；钚蕴康谑摚?6頁。2.1 多孔吸附材料活性炭活性炭的制備方法：通常需要經(jīng)過炭化和活化兩個階段，其中活化是造孔階段，最為關(guān)健。活化一般通過氣體活化或

6、藥劑活化實現(xiàn)。生產(chǎn)顆粒狀活性炭，微孔居多，更適合吸附小分子污染物，生產(chǎn)成本較低，對環(huán)境污染小，但活性炭吸附效率不高，活化溫度較高。氣體活化藥劑活化加入ZnCl2,KOH制備粉狀活性炭，孔徑可控，可制備出以微孔或中微孔為主的產(chǎn)品，但對設備腐蝕性大，環(huán)境污染嚴重。第十四頁，共36頁。2.1 多孔吸附材料活性炭活性炭的改性方法：活性炭改性主要是指針對其表面結(jié)構(gòu)特性和表面化學性質(zhì)進行改性，以適合吸附不同的污染物。物理結(jié)構(gòu)改性化學性質(zhì)改性物理或化學方法增大活性炭比表面積控制孔徑大小及分布提高物理吸附性能氧化還原反應調(diào)節(jié)極性、親水性提供特定吸附活性點對各極性物質(zhì)吸附能力第十五頁，共36頁。2.1 多孔吸附

7、材料活性炭活性炭的性能表征：孔結(jié)構(gòu)、比表面積和表面基團對污染物的吸附影響最大?；钚蕴康目讖教卣鳎浩渲形⒖自谖竭^程中起主導作用，吸附性能好的活性炭微孔可占總表面積的90-95%以上，是影響吸附能力的主要因素，其所占比例越大，吸附能力也就越強。IUPAC分類法(國際純粹與應用化學聯(lián)合會)微孔中孔（介孔）大孔孔隙直徑或孔寬小于2nm孔隙直徑或孔寬小于2-50nm孔隙直徑或孔寬大于50nm第十六頁，共36頁?；钚蕴康谋砻婊鶊F：活性炭的吸附主要是范德華力作用引起的物理吸附，其吸附性能不僅與物理性質(zhì)有關(guān)，還與其表面化學官能團有關(guān)?；钚蕴勘旧硎欠菢O性的，但由于表面的共價鍵不飽和，易與其他元素如氧、氫結(jié)合，

8、生成各種含氧官能團，使其帶有微弱的極性。改性后的活性炭，表面極性官能團增加，極性大大增強，有利于吸附極性污染物。2.1 多孔吸附材料活性炭第十七頁，共36頁。城市給水處理 在城市給水工藝中，活性炭可以去除水中存在的天然有機物以及消毒工藝產(chǎn)生的副產(chǎn)物。通常，在投加活性炭前，需先去除部分溶解性有機物和懸浮物，以發(fā)揮活性炭的最大吸附效能。在應急供水中，活性炭是最常用的有效吸附材料。2.2 活性炭的應用第十八頁，共36頁。純凈水的制備 活性炭可將自來水進行進一步的凈化達到直飲水或純凈水等的水質(zhì)要求，一般采用粒狀活性炭進行處理，主要的作用是進一步吸附水中的有機物和嗅味物質(zhì)，并對水進行脫氯處理。2.2 活

9、性炭的應用活性炭凈水器第十九頁，共36頁。脫硫脫氮 煙氣治理的發(fā)展方向，價廉高效，即可硫氮分別吸附、分別回收，也可以同時進行。相比于其他吸附材料，活性炭吸附效率快、吸附量大、效果明顯。問題是活性炭再生緩慢，混有氧氣時容易導致著火甚至爆炸。2.2 活性炭的應用第二十頁，共36頁。空氣凈化 活性炭吸附可以達到脫濕、去除有害氣體（甲醛二甲苯等）、脫臭的效果。相對通風條件不好或空調(diào)通風系統(tǒng)能耗大的地方，活性炭吸附凈化器可以用來彌補不足。 應用于2.2 活性炭的應用空氣凈化器家居除異味車載除味等第二十一頁，共36頁?；钚匝趸X： 做催化劑的載體處理汽車尾氣重金屬廢水的處理、飲用水去氟、水體除磷硅膠： 用

10、作干燥劑、催化劑載體、氣體和液體凈化劑等沸石分子篩： 用作干燥劑，可以吸附廢氣中的SO2和NOx 吸附樹脂： 吸附水溶液中的有機物（非離子型）水質(zhì)軟化（鈣、鎂），可再生利用2.3 其他多孔吸附材料第二十二頁，共36頁。3 無孔吸附材料無孔吸附材料纖維材料生物材料玻璃纖維棉纖維化學纖維藻類菌絲體殼聚糖活性污泥比表面積較大但遠低于多孔材料吸附發(fā)生在表面大分子的污染物礦物材料磁鐵礦重金屬凝膠材料涂覆其他材料重金屬等第二十三頁，共36頁。3 無孔吸附材料活性污泥微生物群體及它們所依附的有機物質(zhì)和無機物質(zhì)的總稱。其中含有大量碳，可吸附水中的異嗅味、色素、表面活性劑、重金屬等；還有大量微生物和有機官能團，

11、復雜的微生物與廢水中的有機營養(yǎng)物（污染物）形成了復雜的食物鏈，可以起到吸附水中有機污染物并將其降解的作用。如今，活性污泥法及其衍生改良工藝是處理城市污水最廣泛使用的方法之一。第二十四頁，共36頁。3 無孔吸附材料污水處理公司使用活性污泥去除重金屬和降解有機污染物等第二十五頁，共36頁。4 納米吸附材料納米吸附材料 具有較大的比表面積和表面吸附活性，之前針對納米材料，環(huán)境領域主要研究其環(huán)境存在、遷移和歸趨以及生物毒性，而作為污染控制材料的研究相對較少，但有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＶ饕ㄌ技{米管石墨烯富勒烯二氧化鈦納米管較好的吸附能力光催化降解污染物第二十六頁，共36頁。碳納米管尺寸很小，但是單壁納米管

12、理論比表面積可高達3000m2/g，在水處理中：吸附Pb2+,Cd2+,Hg2+等重金屬離子對酚類、酯類等也有強吸附作用存在問題：循環(huán)再生 降低成本 二次污染4 納米吸附材料短期內(nèi)難以取代傳統(tǒng)吸附材料第二十七頁，共36頁。MOFs材料金屬有機骨架材料（即多孔配位聚合物），由含氧或含氮的有機配體與金屬鹽通過金屬配體絡合作用自主裝而成具有周期性網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的晶體。從微觀角度看，金屬有機骨架材料先由金屬鹽在空間形成三維次級構(gòu)筑單元（SecondaryBuildingUnits），再由有機配體將金屬構(gòu)筑單元通過配位鍵（甚至超分子作用）連接，從而形成具有永久孔隙度的空間有序網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。5 前沿與展望第二十八頁

13、，共36頁。揮發(fā)性有機化合物（VOCs）由于排放量大、毒性高，是環(huán)境空氣污染的主要污染物之一已被世界各國列為優(yōu)先控制污染物。金屬有機骨架材料（MOFs)是近20年快速發(fā)展起來的一類新型多孔材料。這類材料在環(huán)境有害氣體吸附方面的應用已得到了廣泛研究。5 前沿與展望第二十九頁，共36頁。MOFs空間結(jié)構(gòu)高比表面積、大孔容第三十頁，共36頁。MOFs空間結(jié)構(gòu)高比表面積、大孔容傳統(tǒng)的多孔吸附材料,如活性炭和分子篩等的BET比表面積通常1001000m2/g近年來開發(fā)的KOH活化改性活性炭的BET比表面積可以達到30004000m2/g。與這些材料相比MOF-210等典型MOFs吸附材料在比表面積上具有

14、很大的優(yōu)勢!第三十一頁，共36頁。MOFs材料孔徑通常集中于微孔（2nm，目前報道唯一能達到中孔的IRMOF-16有效孔徑2.88nm), 只適用于小分子VOCs吸附。分子尺寸篩選效應第三十二頁，共36頁。VOCs分子形狀進入方式乙苯 對二甲苯 尺寸小的截面進入 鄰二甲苯 間二甲苯 尺寸大的截面進入吸附量小第三十三頁，共36頁。MOFs相比傳統(tǒng)吸附材料吸附VOCs的：MOFs材料是一種新型的潛在優(yōu)良吸附材料，在吸附凈化VOCs領域具有廣闊的應用前景。現(xiàn)有研究的VOCs主要集中在苯系物和烷烴,對其它VOCs醛酮類等的研究尚有待進一步完善。除了氣態(tài)的VOCs吸附研究,對水中的吸附凈化應用可行性也需要開展研究。5 前沿與展望優(yōu) 勢吸附容量大吸附速率快氣體相對壓力低