环境材料学-第六章--环境治理功能材料与技术

环境治理功能材料与技术66.1环境净化材料6.2环境修复材料与技术6.3环境替代材料6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.2水体污染治理材料与技术6.1.3其他污染控制材料与技术6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术大气污染治理材料吸收法吸附法催化转化法活性炭硅胶分子筛物理吸附化学吸附稀有金属纳米材料6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附原理与分类气体混合物与适当的多孔性固体接触，利用固体表面存在的为平衡的分子引力或化学键力，把化合物中某一组分或某些组分吸留在固体表面上，这种分离气体混合物的过程称为气体吸附。吸附法主要分为物理吸附和化学吸附。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附步骤1）使气体和固体吸附剂进行接触。2）将未吸收的气体与吸附剂分开。3）进行吸附剂的再生，或更新吸附剂。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附法的应用1）二氧化硫的脱除。2）氮氧化物的脱除。3）除臭。4）有机蒸汽的回收。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂1）用于大气污染净化的吸附剂主要有活性炭、硅胶、分子筛。2）纳米材料型吸附剂二氧化钛的应用也很广泛。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例1）活性炭活性炭具有不规则的石墨结构，比表面积非常大，所以活性炭是一种优良的吸附剂。活性炭吸附石去除水中可溶性有机物的一种标准方法，制备活性炭的原料很多，诸如木材、纸浆和褐煤等。常用的活性炭有两种类型：a）颗粒状活性炭：粒径在0.1~1.0mm之间b）粉末状活性炭：粒径在50~100μm之间6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例a）颗粒状活性炭维尼纶催化剂载体炭，用作果壳作原料，经水蒸气活化制得的不定性颗粒炭。回收及吸附炭，是以煤粉为原料，以煤焦油作调和剂，经成型、炭化及活化制得的圆柱形颗粒炭。脱硫炭的原料及制造方法与回收及吸附用炭相同。净化水用炭是用无烟煤作原料，经破碎后直接炭化和水蒸气活化制得，外观为不定形颗粒炭活性炭。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例b）粉末型活性炭外观为粉末状，粒度一般在200目以下，粉末型活性炭可分为糖类、油脂、酒类、药品等脱色用的脱色炭，以及用于医院方面的药用炭。目前，颗粒状活性炭的应用比较普遍，粉末状活性炭的应用不及前者广泛，但是它在水处理中的应用有逐步增大的趋势。经此外，近年来又出现了一些新活性炭品种，如活性炭纤维、氮化活性炭及碳分子筛等。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例c）活性炭纤维（ACF）活性炭纤维（ACF）以有机聚合物或沥青为原料生产，灰分低。碳为主要元素，碳原子在活性炭纤维中以类石墨微晶的乱层堆叠形式存在。作为吸附材料时具有以下优点a）吸附性能好b）吸附/脱附速度快（孔分布在外表面）c）氧化还原性能强6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例d）氮化活性炭使活性炭的表面基团上结合氮，从而改变活性炭的结构，成为氮化活性炭。这种活性炭由于改善了原有的吸附性质，使其具备了新的离子交换性能，已被广泛应用于SO2和氮氧化物（NOx）的分离及在溶液中对重金属离子的分离。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例e）碳分子筛碳分子筛是具有均匀孔径的分子筛结构的活性炭。它是由重石油烃类在裂化罐内加热至600℃，通过热裂解去尽600℃以前的碳氢挥发物，将约占5%的焦炭残留物再在600~900℃的N2流中热裂解而制得。碳分子筛能选择吸附氧而不吸附氮。在分离空气工艺中，它是常用的吸附剂。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例2）UNIS材料UNIS材料全称：UnpoweredNegativeIonSupplier.即无动力负离子发生材料。它无需目前只要依赖的能源（如电、声、光等能量的激发）即可持久发挥释放负离子的作用。UNIS材料净化空气的原理是通过羟基负离子与带正电离子的有毒有害物质结合达到净化室内空气的目的。同时，UNIS涂料还能主动长期释放有益各种生命健康的负离子。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例3）封闭型治理材料封闭型材料是利用材料的成膜特性隔断污染源与室内空气的接触，从而阻止家具中挥发有害物质向室内环境释放。这种封闭型治理材料对改善具有明确释放源的室内环境治理具有明显效果。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例4）硅胶硅胶是多聚硅酸经分子间脱水而形成的一种多孔性物质。硅胶的化学组成为SiO2·xH2O，属于无定形结构，其中的基本结构质点为Si-O四面体相互堆积形成硅胶的骨架。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例4）硅胶硅胶的特点：吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度等。硅胶根据其孔径大小分为：粗孔硅胶、细孔硅胶及介于两者之间的中孔硅胶。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例4）硅胶细孔硅胶：平均粒径在1.5~2.0nm（平均孔径在0.8nm以下称为特细孔硅胶）粗孔硅胶：平均粒径在4.0~5.0nm（平均孔径在10.0nm以上称为特大孔硅胶）6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例4）硅胶细孔硅胶的生产工艺过程：溶液配制成胶酸泡水洗氨水浸泡烘干活化筛选成品包装6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例4）硅胶粗孔硅胶的生产工艺过程：溶液配制成胶酸泡水洗烘干活化筛选成品包装6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例5）分子筛分子筛又称沸石，是一种水合硅酸盐类，能把形状直径大小不同的分子，极性程度不同的分子，沸点不同的分子，饱和程度不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称为分子筛。分子筛因是一种笼形孔洞骨架的晶体，经脱水后空间十分丰富，具有很大的内表面积，可以吸附相当数量的吸附质。同时其内晶表面高度钝化，晶穴内部有很大的静电场在起作用，微孔分布单一均匀，并具有选择吸附性能。目前分子筛广泛应用于冶金，化工，电子，石油化工等工业中。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例5）分子筛分子筛应用实例●美国联合碳化物公司用人工合成沸石回收SO2，体积分数由3500μL/L下降至15μL/L~25μL/L，回收率达98%~99%。●美国诺顿公司用沸石分子筛处理硝酸厂尾气中的NOx，体积分数由2500μL/L下降到10μL/L。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.1吸附法吸附剂举例6）纳米二氧化钛纳米二氧化钛是指粒径尺寸在100nm以内的粒子，由于其粒子尺寸小、比表面积大，表面能表面张力随粒径的下降急剧增大。纳米二氧化钛表面原子周围缺少相邻的原子，具有不饱和度，易于其他原子结合而稳定下来，对许多金属离子具有很强的吸附能力，是痕量金属离子分析的理想分离富集材料。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.2吸收法吸收原理吸收是利用气体混合物中各组分在液体中溶解度不同这一现象，以分离和净化气体混合物的一种技术。这种技术也可应用于气态污染物的处理。吸收可分为化学吸收和物理吸收两大类。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.2吸收法吸收原理吸收是利用气体混合物中各组分在液体中溶解度不同这一现象，以分离和净化气体混合物的一种技术。这种技术也可应用于气态污染物的处理。吸收可分为化学吸收和物理吸收两大类。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.2吸收法化学吸收化学吸收是被吸收的气体组分和吸收液之间产生明显的化学反应的吸收过程。从废气中去除气态污染物多用化学吸收法。序号（No.）气体名称吸附剂名称吸附剂浓度1CO2,SO2,H2S,PH3氢氧化钾（KOH）颗粒状固体或30%~35%水溶液2Cl2碘化钾(KI)1mol/LKI溶液3HCl硝酸银(AgNO3)1mol/LAgNO3溶液常用气体吸收剂6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.2吸收法物理吸收物理吸收是被吸收的气体组分与吸收液之间不产生明显的化学反应的吸收过程，仅仅是被吸收的气体组分溶解于液体的过程。吸收法中选择合适的吸收液至关重要。例如以水吸收CO2、SO2及甲醛蒸汽，用重油吸收烃类蒸汽，均属于物理吸收。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.2吸收法总结①水用于吸收易溶的有害气体②碱性吸收液用于吸收那些能够和碱起化学反应的有害酸性气体，如SO2、NOx、H2S等。常用的碱吸收液有氢氧化钠、氢氧化钙、氨水等。③酸性吸收液，NO和NO2能够在稀硝酸中溶解，而且溶解度比在水中高得多。④有机吸收液用于有机废气的吸收，如洗油、聚乙醇醚、冷甲醇、二乙醇胺都可以作为吸收液并能够去除酸性气体。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.3催化转化法催化技术对于改善人类生存环境质量发挥了巨大作用，它为污染物的治理提供了独特的经济解决办法。目前主要的研究方向①移动源尾气净化催化材料②固定源烟气脱硫催化材料③室内空气催化净化材料6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.3催化转化法①移动源尾气净化催化材料催化剂主要为三效催化剂，其研发主要集中在研发主要集中在全球几大汽车公司（日本、韩国、美国、法国、得过、英国、丹麦）。趋势（研究重点）：催化剂寿命提高和降低贵金属用量。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.3催化转化法①移动源尾气净化催化材料三效催化剂：•一氧化碳（CO）、碳氢化合物（CH）、氮氧化合物（NOX）是造成环境污染的三种主要气态污染物。•其基本原理是通过催化剂的作用，把CO、CH、NOX分别氧化、还原为对人体健康无害的二氧化碳（CO2）、氮气（N2）和水蒸气（H2O）•在转化过程中，如果催化剂能同时对CO、CH、NOx三种有害物起催化净化作用，这种催化剂就称为三效催化剂（TWC），而把只能转化CO、CH的催化剂称为二效催化剂（或称氧化型催化剂）。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.3催化转化法①移动源尾气净化催化材料三效催化剂作用原理图催化剂涂层：铂和铑6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.3催化转化法②固定源烟气脱硫催化材料化学原理：烟气中的SO2实质上是酸性的，可以通过与适当的碱性物质反应从烟气中脱除SO2。烟道气脱硫最常用的碱性物质是石灰石、生石灰和熟石灰。有时也用碳酸钠、碳酸镁和氨等其它碱性物质。SO2与碱性物质间的反应或在碱溶液中发生（湿法烟道气脱硫技术），或在固体碱性物质的湿润表面发生（干法或半干法烟道气脱硫技术）。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.3催化转化法③室内空气催化净化材料室内污染分类：挥发性有机化合物：VOCs，350种以上甲醛CO及CO2，NOx、SOx、O3颗粒物氮及其衰变子体。6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.3催化转化法③室内空气催化净化材料传统吸附过滤：物理吸附：活性炭、沸石、陶瓷化学吸附：化学反应物质负载于活性炭、沸石等6.1环境净化材料6.1.1大气污染治理材料与技术6.1.1.3催化转化法③室内空气催化净化材料光催化氧化技术：以T