功能性突發(fā)多孔材料

實用標(biāo)準(zhǔn)文案功能性多孔炭材料在突發(fā)性環(huán)境污染事故中的應(yīng)用【前言】自20世紀(jì)60年代以來，世界范圍內(nèi)已發(fā)生多起突發(fā)性的環(huán)境污染事故，如1986年萊茵河污染事故、2000年多瑙河污染事故和2005年松花江污染事故等。這些環(huán)境污染突發(fā)性事件不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，而且給環(huán)境、人類健康、社會和經(jīng)濟的發(fā)展帶來了巨大的災(zāi)難。因此，對突發(fā)環(huán)境污染事故的應(yīng)急處置引起了世界各國政府的高度重視。人們除了積極開展如何防止及預(yù)測預(yù)警突發(fā)性環(huán)境災(zāi)難事故發(fā)生外，還開展了對泄漏的危險化學(xué)品及廢水的應(yīng)急處置技術(shù)研究，為政府決策、技術(shù)措施的實施提供了技術(shù)支撐和保證。多孔炭材料具有耐熱、耐腐蝕、抗輻射、無毒害、不會造成二次污染、可再生重復(fù)利用等特點。以多孔炭材料為吸附劑，對陸地泄漏物和水中泄漏物的應(yīng)急處置研究近年來逐漸引起人們的關(guān)注。在突發(fā)性環(huán)境污染事件應(yīng)急處置中，主要是利用多孔炭材料優(yōu)異的吸附性能。目前應(yīng)用的多孔炭材料主要有：活性炭、膨脹石墨、炭分子篩、炭納米纖維、碳納米管等。已有的研究證實，多孔炭材料不僅對水中溶解的有機物，如苯類化合物、酚類化合物、石油及石油產(chǎn)品等具有較強的吸附能力，而且對于用生物法及其他方法難以去除的有機物的色度、異臭異味、表面活性物質(zhì)、除草劑、農(nóng)藥、合成洗滌劑、合成染料、胺類化合物以及許多人工合成的有機化合物都有較好的去除效果。這些結(jié)果表明，多孔炭材料在突發(fā)性環(huán)境污染事故應(yīng)急處置方面的應(yīng)用具有巨大的潛力和誘人的前景。一、多孔碳材料的性能及特點多孔炭材料的孔結(jié)構(gòu)高度發(fā)達， 具有大的比表面積， 由此產(chǎn)生的優(yōu)異吸附性能是多孔炭材料吸附最明顯的特征之一。與黏土、珍珠巖和天然沸石等吸附劑相比，炭質(zhì)吸附劑材料的特點是 ：(1)炭材料是非極性的吸附劑，選擇吸附能力可在一定程度上加以調(diào)變； 對炭材料表面進行化學(xué)改性， 可以改善或增強其對極性物質(zhì)的吸附能力； (2)炭材料是疏水性的吸附劑，在有水或水蒸氣存在的情況下仍能發(fā)揮作用； (3)炭材料孔徑分布廣，能夠吸附分子大小不同的物質(zhì)， 其選擇吸附性能較差；(4)炭材料自身具有一定的催化能力； (5)炭材料的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性優(yōu)于硅膠等其他吸附劑； (6)炭材料不但適用于吸附陸地泄漏物，亦可用于吸附水體泄漏物； 而且用于水上除油時，吸附后不會下沉。與木纖維、玉米桿、稻草、木屑等材料相比，多孔炭材料能夠選擇性地吸附油品，吸附的泄漏物可以通過解吸再生回收使用， 解吸后的炭材料可重復(fù)使用。 與聚氨酯、聚丙烯和有豐富網(wǎng)眼狀結(jié)構(gòu)的樹脂等吸附材料相比， 多孔炭材料的價格相對便宜， 且吸附容量較大。 經(jīng)化學(xué)改性處理后，炭材料能夠選擇性地吸附經(jīng)化學(xué)改性處理或能與水互溶的化合物， 具有耐熱、耐腐蝕、抗輻射、無毒害、不會造成二次污染等突出特點。二、多孔炭材料在突發(fā)性環(huán)境污染事故中的應(yīng)用精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案1、多孔炭材料在溢油事故中的應(yīng)用溢油污染是當(dāng)今世界面臨的一個嚴(yán)峻問題。 據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署 (UNEP)估計，因井噴失控、火災(zāi)爆炸、海難、海 (水)上溢油等事故注入海洋的油量達 10萬噸/年，嚴(yán)重威脅著人類的生存環(huán)境。1.1活性炭在溢油事故中的應(yīng)用活性炭對油類有很強的吸附作用， 清除泄漏油類時， 一般用顆粒狀活性炭。 被吸附的油類可以通過解吸再生回收使用， 解吸后的活性炭可重復(fù)使用。 研究發(fā)現(xiàn)，影響吸附效率的關(guān)鍵因素是被吸附分子的大小和極性；吸附速率隨著溫度的上升和油品濃度的下降而降低。1.2膨脹石墨在溢油事故中的應(yīng)用除傳統(tǒng)的活性炭吸附劑外， 各國科學(xué)家一直在嘗試采用價廉易得的天然礦物材料作為溢油的吸附劑，以期大幅度降低溢油的處理成本， 其中的一類熱點材料是天然石墨礦物。 可膨脹石墨是天然鱗片石墨通過氧化插層反應(yīng)， 在石墨層片間插入化合物而形成的具有層間插層物的石墨?？膳蛎浭糜诟邷貢r， 層間插層物在高溫的作用下迅速汽化， 形成的氣體將對石墨片層產(chǎn)生巨大的撐張力， 使石墨中的石墨層片發(fā)生膨脹， 膨脹倍數(shù)高達數(shù)十倍到數(shù)百倍甚至上千倍。膨脹石墨的表觀容積達 250mL/g~300mL/g 或更大。膨脹石墨通常呈蠕蟲狀，因此亦稱石墨蠕蟲， 其尺寸在數(shù)百微米到幾毫米之間， 在內(nèi)部有大量獨特的網(wǎng)絡(luò)狀微孔結(jié)構(gòu)。1979年，日本專利首次提出膨脹石墨對重油具有吸附性。但直到 1996年清華大學(xué)康飛宇研究小組對膨脹石墨吸附油品進行較系統(tǒng)的研究后， 膨脹石墨處理溢油的潛力才逐漸引起人們的重視。康飛宇等發(fā)現(xiàn) ，膨脹石墨的孔結(jié)構(gòu)是以大孔和中孔為主，非常適合吸附油類物質(zhì)，而且膨脹石墨具有疏水性和親油性， 可以在水中選擇性地除去油類和非極性物質(zhì)。 他們還指出，膨脹石墨表面具有不規(guī)則的孔隙， 這不但有利于吸附油類， 還使膨脹石墨蠕蟲相互之間黏連、搭接在一起，使膨脹石墨在具有大孔的基礎(chǔ)上， 又形成很多新的開放結(jié)構(gòu)的貯油空間!，這種貯油空間 !非常有利于夾帶黏度較高的油品。通過比較膨脹石墨 (EG)和聚丙烯(PP)對不同油品的吸附行為，可以更清晰地看到膨脹石墨在處理突發(fā)溢油事故中的優(yōu)勢。由表 1可以看出，以膨脹石墨 (EG)為吸附劑，其對汽油、潤滑油、柴油和重油的吸附能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聚丙烯 (PP)的吸附能力。表1油品在膨脹石墨和聚丙烯上的吸附情況 [8]Absorbent OilTimet/min Absorptionamount Absorbentamount/gg -1EG Gasoline 10 39Lubricatingoil 15 45Dieseloil 10 42Heavyoil 30 82PV Gasoline 8 20精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案Lubricatingoil 40 21Dieseloil 1 19Heavyoil 200 32日本的Inagaki教授等在膨脹石墨吸附油品方面也做了大量的工作， 并在1997年日本福岡近海油輪泄漏事故中， 首次將膨脹石墨用于清除泄漏的原油， 取得了很好的效果。 他們發(fā)現(xiàn)， 膨脹石墨對油類物質(zhì)具有優(yōu)異的吸附性能， 油品的吸附量隨著膨脹石墨的膨化倍率而變化，倍率為 200的膨脹石墨吸附重油的比率為 70~80 ；倍率為100的膨脹石墨吸收重油約20~40 。膨脹石墨優(yōu)先吸附的物質(zhì)有： 原油、重油、煤油等液化石油燃料以及機械油、涂料、稀釋劑和食用油等。以膨脹石墨為吸附劑用于突發(fā)環(huán)境污染事故時，有一系列獨特的優(yōu)點： (1)膨脹石墨具有吸附量大，后處理容易，可回收油料，易捕撈、不形成二次污染； (2)再生方法可采用擠壓、離心分離、振動、溶劑清洗、加熱、萃取等方法； (3)再生后的膨脹石墨還可以再次使用或用作其他材料； (4)在膨化之前， 鱗片石墨的堆積體積很小， 因此原料的運輸方便； 針對海上油輪泄漏事故，可制造專用海上吸附船，現(xiàn)場制備膨化石墨，同時捕采打撈； (5)膨脹石墨吸附劑既可以是蠕蟲狀的顆粒， 也可經(jīng)模壓或黏結(jié)制成板狀、 氈狀或柵狀，非常方便。膨脹石墨在凈化含油廢水方面亦顯示出優(yōu)異的性能， 因此，可在城市供水部門應(yīng)對水源突發(fā)污染事件中發(fā)揮重要的作用。表 2的結(jié)果顯示，膨脹石墨可有效去除含油廢水中的油品， 為各種含油廢水的吸附處理提供了一種有效途徑。表2膨脹石墨處理含油廢水的效果 [18]Sample Beforeabsorption(10 -6 ) Afterabsorption(10 -6) Maximumabsorptionamount/gg-1Mixtureofwaterandheavyoil 430 40 22.78Mixtureofwaterandheavyoil 298 14 19.51WastewaterfromOilfield 100 5 19.30WastewaterfromOilfield 6 0.5 13.431.3其他多孔炭材料在溢油事故中的應(yīng)用膨脹石墨盡管有許多優(yōu)點，但也有一些不足之處， 如， 機械強度低、彈性差， 導(dǎo)致其循環(huán)使用性能變差。 因此，人們又致力于開發(fā)其他多孔炭材料用于溢油事故的應(yīng)急處置。Inagaki等利用炭纖維氈回收重油，發(fā)現(xiàn)吸附材料的飽和吸附量可達到 20，且吸附材料的性能在重復(fù)使用過程中沒有變化。 最近，德國生態(tài)炭素公司基于廉價的褐煤， 開發(fā)了一種可用于溢油事故應(yīng)急處置的新型的溢油吸附材料，目前，該技術(shù)已實現(xiàn)商品化。這一事例說明，新結(jié)構(gòu)、高性能且經(jīng)濟實用的炭素吸附材料將是未來工作的重點。、多孔炭材料在有毒化學(xué)品事故中的應(yīng)用在突發(fā)性環(huán)境污染事故中， 除溢油等油品污染外， 有毒化學(xué)品的泄漏也是需要緊急應(yīng)對和處置的一類事故有毒化學(xué)品的泄漏事故， 包括劇毒農(nóng)藥和有毒有害化學(xué)物質(zhì)和重金屬離子精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案等， 其發(fā)生更突然，來勢更迅猛，危害更嚴(yán)重。在2005年11月的松花江水污染事件中，所采用的城市供水應(yīng)急處理技術(shù)就是根據(jù)污染物硝基苯的特性，應(yīng)急處理中設(shè)置了粉末活性炭和顆?；钚蕴康碾p重屏障，即在取水口處投加粉末活性炭和水廠內(nèi)采用顆?；钚蕴康奶可盀V池改造，在水源水中硝基苯超標(biāo)數(shù)倍的條件下，處理后水廠出水中的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的限值，應(yīng)急處理取得成功，及早恢復(fù)了哈爾濱市的市政供水。王燕春等研究了用活性炭吸附脫除水中雙酚A(BPA)的基本規(guī)律、吸附特性和吸附處理效果，發(fā)現(xiàn)活性炭吸附是一種有效的處理含BPA廢水的方法；其吸附規(guī)律是：活性炭吸附BPA的速度快，1h達到平衡；pH值對活性炭吸附BPA有一定的影響，活性炭吸附BPA時宜控制在偏酸性；苯胺對BPA存在競爭吸附，使吸附容量減小，且苯胺濃度愈大，競爭吸附愈明顯。宋燕等考察了不同結(jié)構(gòu)的活性炭樣品對高濃度和低濃度甲苯蒸汽的吸附行為，發(fā)現(xiàn)孔容積大的活性炭對高濃度甲苯蒸汽吸附容量亦大，而具有豐富微孔和較小平均孔徑的活性炭對低濃度甲苯蒸汽顯示出高的吸附容量。瀝青基活性炭纖維對低濃度甲苯蒸汽有較高的吸附能力。隨比表面積的增大，活性炭纖維對低濃度甲苯蒸汽的吸附容量略有增加。沈萬慈等[23]研究了有毒極性化學(xué)品在膨脹石墨上的吸附行為，發(fā)現(xiàn)膨脹石墨對甲醛的吸附等溫線為I型，屬多分子層吸附，比表面積是影響吸附過程的重要因素；甲酸在膨脹石墨上的吸附量較大，其原因可能是甲酸極性較小和黏度較大，而乙酸丁酯在膨脹石墨上的吸附量較大，則主要是其分子尺寸較大和溶解度較小的緣故。、多孔炭材料在污水處理中的應(yīng)用迄今為止，應(yīng)用多孔炭材料對泄漏的有毒化學(xué)品進行處置的研究報道相對較少，而用多孔炭材料處理污染廢水的文獻資料則十分豐富。值得注意的是，在污染廢水中，特別是石化企業(yè)排放的廢水中，通常含有大量的有毒化學(xué)品，因此，從多孔炭材料處理污染廢水的文獻中，可以獲取大量有價值的信息，為開展有毒化學(xué)品泄漏處置技術(shù)的研究提供一些有參考價值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。3．1活性炭在污水處理中的應(yīng)用目前，活性炭吸附法已成為城市污水、工業(yè)廢水深度處理和污染水源凈化的一種有效手段?；钚蕴课椒ㄔ谖鬯幚碇械膽?yīng)用，可歸納為：(1)飲用水的凈化處理；(2)含酚廢水的處理；(3)水中鎘、鉻、鎳、銅等重金屬離子的去除；(4)造紙廢水的處理；(5)含氰廢水處理；(60)染料廢水處理；(7)制藥廢水處理；(8)多氯聯(lián)苯廢水處理；(9)煉油廢水處理；(10)從低含碘油田水中回收碘等。用活性炭吸附法處理污水或廢水就是利用其多孔性固體表面，吸附去除污水或廢水中的有機物或有毒物質(zhì)，使污水和廢水得到凈化。研究表明，活性炭對分子量500~1000 范圍內(nèi)的有機物具有較強的吸附能力?；钚蕴繉τ袡C物的吸附受其孔徑分布和有機物特性的影響，與被吸附物 ---有機物的極性和分子量的大小密切相關(guān)。同樣大精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案小的有機物，溶解度越大，親水性越強，其在活性炭上的吸附就越差，反之，活性炭對溶解度小， 親水性差、極性弱的有機物如苯類化合物、酚類化合物等具有較強的吸附能力。馬蓉等認(rèn)為活性炭的吸附性能主要由其結(jié)構(gòu)特征和表面化學(xué)性質(zhì)決定。 他們對活性炭的結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)和水質(zhì)化學(xué)安全性指標(biāo)進行了相關(guān)性分析， 發(fā)現(xiàn)活性炭的比表面積、 孔容積、平均孔徑與有機物去除率有一定的相關(guān)性。 因此，如何選擇適于飲用水處理的活性炭顯得尤為重要。張巍等提出了一種新型的水處理活性炭選型方法，由于活性炭原料、生產(chǎn)工藝的不同，使其具有不同的吸附性能。該活性炭選型技術(shù)以碘值、甲基藍(lán)值、苯酚值和丹寧酸值 4種吸附容量性能指標(biāo)為依據(jù)，可以有效地預(yù)測活性炭對于水中各種大小不同污染物的去除能力；BET測試結(jié)果證明了這 4項指標(biāo)數(shù)據(jù)對于活性炭孔徑分布預(yù)測的準(zhǔn)確性； 2，4二氯苯酚和腐殖酸等目標(biāo)化合物的吸附容量實驗結(jié)果也都驗證了這 4項指標(biāo)的預(yù)測功用，說明這種簡便的活性炭選型技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用價值。 使用該活性炭選型方法， 可以減少應(yīng)用測試時的備選炭型， 從而大大降低活性炭水處理技術(shù)的運行成本。為進一步提高處理后廢水的水質(zhì)， 人們還研究利用活性炭、 改性活性炭和活性炭聯(lián)用技術(shù)處理廢水，并取得了一定進展，如將活性炭作為催化劑和催化劑載體、作為生物載體，表面化學(xué)改性活性炭以及幾種活性炭聯(lián)用技術(shù)等。3．2其他炭材料在污水處理中的應(yīng)用除了活性炭外， 人們還采用其他炭材料， 如膨脹石墨、活性炭纖維、碳納米管等用于水處理。在研究膨脹石墨用于環(huán)境廢水處理中，為避免膨脹石墨在使用時發(fā)生破碎變形， 將膨脹石墨加壓制成低密度板后用于處理毛紡廠的印染廢水， 在靜態(tài)條件下，廢水中化學(xué)需氧量(COD)的平均去除率達到 40%，色度平均降低 40% ?，F(xiàn)場應(yīng)用時，廢水中 COD 的平均去除率達到20% ，色度平均降低 20% 。這表明膨脹石墨對毛紡印染廢水有較好的處理效果，對廢水的綜合處理效果能夠達到相應(yīng)要求。 同時發(fā)現(xiàn)，膨脹石墨低密度板在吸附能力和一次使用時間上明顯優(yōu)于活性炭，在實用性和經(jīng)濟性上有獨特的優(yōu)勢?；钚蕴坷w維(ACF)是一種新型、高效的吸附材料 是有機炭纖維經(jīng)活化處理制備而成，它具有發(fā)達的微孔結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、眾多的官能團，其微孔直徑主要介于 1nm~2.5nm 之間， 使其有效吸附表面積和微孔容積均大大超出顆?；钚蕴?，從而使吸附容量大增。吸附質(zhì)可直接在暴露于纖維表面的微孔上進行吸附和脫附， 因此吸附速率較活性炭快得多， 且再生時也易脫附。 ACF的應(yīng)用研究相對較晚，但因其獨特的結(jié)構(gòu)在某些領(lǐng)域具有不可替代性， 尤其是對低濃度污染物具有很好的吸附去除效果。孫治榮等考察了 4種ACF對水中CHCl3、CCl4、CODMn和EUV254 等有機污染物的去除作用，發(fā)現(xiàn) ACF對各種有機污染物均具有較好的去除效果，但不同 ACF的去除效果存在差別。 Yu等發(fā)現(xiàn)ACF可有效去除地下水中的致癌物質(zhì) ----揮發(fā)性有機氯溶劑 (TCE、PCE、1，1，22TCA 和1，12DCE等)。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案傳統(tǒng)炭材料的孔徑體系主要由其豐富的結(jié)構(gòu)缺陷形成， 其孔徑體系具有一定的隨意性，這與沸石分子篩等完全由結(jié)構(gòu)孔 (晶體結(jié)構(gòu)形成的固定尺寸的孔 )構(gòu)筑的孔徑體系不同。 碳家族的新