材料化学-环境功能材料

1、汇报人：彭乾闽南师范大学水污染土壤污染大气污染固废污染电磁污染控制材料电磁污染控制材料噪声污染控制材料噪声污染控制材料催化湿式氧化催化剂催化湿式氧化催化剂吸附材料吸附材料光催化材料光催化材料新型环境替代材料新型环境替代材料电磁污染控制材料电磁污染控制材料能源技术与功能材料能源技术与功能材料电催化材料电催化材料吸附的概述多孔吸附材料无孔吸附材料纳米吸附材料前沿与展望123451 吸附的概述吸附吸附：当流体与多孔固体接触时，流体中某一组分或多当流体与多孔固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄，这种现象称为吸附。个组分在固体表面处产生积蓄，这种现象称为吸附。根据作用力的不同，通常包

2、括根据作用力的不同，通常包括物理吸附物理吸附和和化学吸附化学吸附。吸附质吸附质吸附剂吸附剂吸附质吸附质物理吸附物理吸附吸附剂吸附剂化学吸附化学吸附物理吸附化学吸附作用力范德华力化学键现象类似于冷凝类似于化学反应热效应近似于冷凝热近似于化学反应热吸附方式单分子层或多分子层一般为单分子层解吸结果吸附质能还原吸附质不能还原吸附过程可逆，速度快不可逆物理吸附和化学吸附比较物理吸附和化学吸附比较吸附法是去除吸附法是去除环境中污染物环境中污染物最为快捷有效的方法之最为快捷有效的方法之一，利用吸附法进行物质分离已有漫长的历史，以一，利用吸附法进行物质分离已有漫长的历史，以活性炭活性炭为例：为例：公元前公元前

3、15501550年，古埃及有木炭作为医用的记载。年，古埃及有木炭作为医用的记载。中国明代李时珍（公元中国明代李时珍（公元1518-15931518-1593年）所编著的年）所编著的本草纲目中提及木炭用于治疗疾病。本草纲目中提及木炭用于治疗疾病。在二十世纪初，欧洲诞生了活性炭工业。在二十世纪初，欧洲诞生了活性炭工业。到二十世纪六十年代后，国内外的研究者在活性到二十世纪六十年代后，国内外的研究者在活性炭的使用和研发上作出了大量的工作。炭的使用和研发上作出了大量的工作。1 吸附的概述1 吸附的概述吸附法在吸附法在环境保护环境保护方面的应用：方面的应用：净化废气，回收溶剂，脱除水中的净化废气，回收溶剂

4、，脱除水中的微量污染物微量污染物利用吸附法进行水处理：利用吸附法进行水处理：优点优点 缺点缺点适应范围广处理效果好可回收有用物料吸附剂可重复使用吸附饱和效果会下降树脂吸附饱和需解析解析废液很难处理1 吸附的概述吸附剂（吸附材料）吸附剂（吸附材料）是决定高效能的吸附处理过程是决定高效能的吸附处理过程的关键因素，广义而言，一切固体都具有吸附能力，的关键因素，广义而言，一切固体都具有吸附能力，但是只有多孔物质或磨得极细的物质由于具有很大但是只有多孔物质或磨得极细的物质由于具有很大的比表面积，才能作为吸附剂。的比表面积，才能作为吸附剂。吸附剂的分类：吸附剂的分类：工业上常用的吸附剂环境吸附材料活性炭活

5、性氧化铝硅胶沸石分子筛等多孔吸附材料无孔吸附材料纳米吸附材料比表面积比表面积是吸附材料，特别是多孔吸附材料的重要是吸附材料，特别是多孔吸附材料的重要指标。它的大小较直观地表明吸附剂吸附能力的大指标。它的大小较直观地表明吸附剂吸附能力的大小。小。例如：例如：常规活性炭比表面积在常规活性炭比表面积在60015006001500m m2 2/g/g超级活性炭比表面积在超级活性炭比表面积在2500400025004000m m2 2/g/gNU-110(NU-110(金属有机骨架）比表面积高达金属有机骨架）比表面积高达70007000m m2 2/g/g在制造吸附剂时，应尽量增大比表面积以增大其吸在制

6、造吸附剂时，应尽量增大比表面积以增大其吸附附能力。能力。1 吸附的概述2.1 多孔吸附材料活性炭活性炭活性炭是由含碳材料制成的外观呈是由含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、表面积黑色，内部孔隙结构发达、表面积大，吸附能力强的一类微晶质碳素大，吸附能力强的一类微晶质碳素材料。材料。活性炭含有大量微孔，活性炭含有大量微孔，具有巨大的具有巨大的比表面积比表面积，吸附效果好且稳定，能，吸附效果好且稳定，能有效地去除色度、臭味，可去除二有效地去除色度、臭味，可去除二级出水中大多数有机污染物和某些级出水中大多数有机污染物和某些无机物，包含某些有毒的重金属，无机物，包含某些有毒的重金属，是目前水处理

7、中普遍采用的吸附剂。是目前水处理中普遍采用的吸附剂。目前工业上使用的活性炭有目前工业上使用的活性炭有粉末状粉末状和和颗粒状颗粒状两种，其中以颗粒状为主。两种，其中以颗粒状为主。v粉末活性炭v颗粒活性炭2.1 多孔吸附材料活性炭活性炭活性炭的的制备方法制备方法：通常需要经过炭化和活化两个通常需要经过炭化和活化两个阶段，其中活化是造孔阶段，最为关健。活化一般阶段，其中活化是造孔阶段，最为关健。活化一般通过通过气体活化气体活化或或药剂活化药剂活化实现。实现。生产颗粒状活性炭，微孔居多，更适合吸附小分子污染物，生产成本较低，对环境污染小，但活性炭吸附效率不高，活化温度较高。气体活化药剂活化加入ZnCl

8、2,KOH制备粉状活性炭，孔径可控，可制备出以微孔或中微孔为主的产品，但对设备腐蚀性大，环境污染严重。2.1 多孔吸附材料活性炭活性炭活性炭的的改性方法改性方法：活性炭改性主要是指针对其表活性炭改性主要是指针对其表面结构特性和表面化学性质进行改性，以适合吸附面结构特性和表面化学性质进行改性，以适合吸附不同的污染物。不同的污染物。物理结构改性化学性质改性物理或化学方法增大活性炭比表面积控制孔径大小及分布提高物理吸附性能氧化还原反应调节极性、亲水性提供特定吸附活性点对各极性物质吸附能力2.1 多孔吸附材料活性炭活性炭的活性炭的性能表征：孔结构、比表面积性能表征：孔结构、比表面积和和表面基团表面基团

9、对污染物的吸附影响最大。对污染物的吸附影响最大。活性炭的活性炭的孔径特征：孔径特征：其中其中微孔微孔在吸附过程中起主导作用，吸附性能好的在吸附过程中起主导作用，吸附性能好的活性炭微孔可占总表面积的活性炭微孔可占总表面积的90-95%90-95%以上，是影响吸以上，是影响吸附能力的主要因素，其所占比例越大，吸附能力也附能力的主要因素，其所占比例越大，吸附能力也就越强。就越强。IUPAC分类法(国际纯粹与应用化学联合会)微孔中孔（介孔）大孔孔隙直径或孔宽小于2nm孔隙直径或孔宽小于2-50nm孔隙直径或孔宽大于50nm活性炭的活性炭的表面基团：表面基团：活性炭的吸附主要是范德华力作用引起的物理吸附

10、，活性炭的吸附主要是范德华力作用引起的物理吸附，其吸附性能不仅与物理性质有关，还与其表面化学其吸附性能不仅与物理性质有关，还与其表面化学官能团有关。活性炭本身是非极性的，但由于表面官能团有关。活性炭本身是非极性的，但由于表面的共价键不饱和，易与其他元素如氧、氢结合，生的共价键不饱和，易与其他元素如氧、氢结合，生成各种含氧官能团，使其带有微弱的极性。改性后成各种含氧官能团，使其带有微弱的极性。改性后的活性炭，表面极性官能团增加，极性大大增强，的活性炭，表面极性官能团增加，极性大大增强，有利于吸附有利于吸附极性污染物极性污染物。2.1 多孔吸附材料活性炭城市城市给水处理给水处理 在城市给水工艺中，

11、活性炭可以去除水中存在的天然有机物以及消毒工艺产生的副产物。通常，在投加活性炭前，需先去除部分溶解性有机物和悬浮物，以发挥活性炭的最大吸附效能。在应急供水中，活性炭是最常用的有效吸附材料。2.2 活性炭的应用纯净水的制备纯净水的制备 活性炭可将自来水进行进一步的净化达到直饮水或纯净水等的水质要求，一般采用粒状活性炭进行处理，主要的作用是进一步吸附水中的有机物和嗅味物质，并对水进行脱氯处理。2.2 活性炭的应用活性炭净水器脱硫脱氮脱硫脱氮 烟气治理的发展方向，价廉高效，即可硫氮分别吸附、分别回收，也可以同时进行。相比于其他吸附材料，活性炭吸附效率快、吸附量大、效果明显。问题是活性炭再生缓慢，混有

12、氧气时容易导致着火甚至爆炸。2.2 活性炭的应用空气净化空气净化 活性炭吸附可以达到脱湿、去除有害气体（甲醛二甲苯等）、脱臭的效果。相对通风条件不好或空调通风系统能耗大的地方，活性炭吸附净化器可以用来弥补不足。 应用于应用于2.2 活性炭的应用空气净化器家居除异味车载除味等活性氧化铝：活性氧化铝： 做催化剂的载体处理汽车尾气做催化剂的载体处理汽车尾气重金属废水的处理、饮用水去氟、水体除磷重金属废水的处理、饮用水去氟、水体除磷硅胶：硅胶： 用作干燥剂、催化剂载体、气体和液体用作干燥剂、催化剂载体、气体和液体净化剂等净化剂等沸石分子筛：沸石分子筛： 用作干燥剂，用作干燥剂，可以吸附废气中的可以吸附

13、废气中的SOSO2 2和和NOxNOx 吸附树脂：吸附树脂： 吸附水溶液中的有机物（非离子型）吸附水溶液中的有机物（非离子型）水质软化（钙、镁），可再生利用水质软化（钙、镁），可再生利用2.3 其他多孔吸附材料3 无孔吸附材料无孔吸附材料纤维材料生物材料玻璃纤维棉纤维化学纤维藻类菌丝体壳聚糖活性污泥比表面积较大但远低于多孔材料吸附发生在表面大分子的污染物矿物材料磁铁矿重金属凝胶材料涂覆其他材料重金属等3 无孔吸附材料活性污泥活性污泥微生物群体及它们所依附的有机物微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质的总称。其中含有大质和无机物质的总称。其中含有大量碳，可吸附水中的异嗅味、色素量碳，可吸附水

14、中的异嗅味、色素、表面活性剂、重金属等；还有大、表面活性剂、重金属等；还有大量微生物和有机官能团，复杂的微量微生物和有机官能团，复杂的微生物与废水中的有机营养物生物与废水中的有机营养物（污染（污染物）物）形成了复杂的食物链，可以起形成了复杂的食物链，可以起到吸附水中有机污染物并将其降解的作用。到吸附水中有机污染物并将其降解的作用。如今，活性污泥法及其衍生改良工艺是处理城市如今，活性污泥法及其衍生改良工艺是处理城市污水最广泛使用的方法之一。污水最广泛使用的方法之一。3 无孔吸附材料污水处理公司使污水处理公司使用用活性污泥活性污泥去除去除重金属和降解有重金属和降解有机污染物等机污染物等4 纳米吸附

15、材料纳米吸附材料纳米吸附材料 具有较大的比表面积和表面吸附活具有较大的比表面积和表面吸附活性，之前针对纳米材料，环境领域主要研究其环境性，之前针对纳米材料，环境领域主要研究其环境存在、迁移和归趋以及生物毒性，而作为污染控制存在、迁移和归趋以及生物毒性，而作为污染控制材料的研究相对较少，但有很大的发展潜力。材料的研究相对较少，但有很大的发展潜力。主要包括碳纳米管石墨烯富勒烯二氧化钛纳米管较好的吸附能力光催化降解污染物碳纳米管碳纳米管尺寸很小，但是单壁纳米管尺寸很小，但是单壁纳米管理论比表面积可高达理论比表面积可高达3000m3000m2 2/g/g，在水处理中：，在水处理中：吸附吸附PbPb2+

16、2+,Cd,Cd2+2+,Hg,Hg2+2+等重金属等重金属离子离子对酚类、酯类等也有强吸附对酚类、酯类等也有强吸附作用作用存在问题存在问题：循环再生：循环再生 降低成本降低成本 二次污染二次污染4 纳米吸附材料短期内难以取代传统吸附材料MOFsMOFs材料材料金属金属有机骨架材料有机骨架材料（即多孔配位聚合物），由含氧或含氮的有机配体与金属盐通过金属配体络合作用自主装而成具有周期性网络结构的晶体。从微观角度看，金属有机骨架材料先由金属盐在空间形成三维次级构筑单元（SecondaryBuildingUnits），再由有机配体将金属构筑单元通过配位键（甚至超分子作用）连接，从而形成具有永久孔隙度

17、的空间有序网络结构。5 前沿与展望挥发性有机化合物（VOCs）由于排放量大、毒性高，是环境空气污染的主要污染物之一已被世界各国列为优先控制污染物。金属有机骨架材料（MOFs)是近20年快速发展起来的一类新型多孔材料。这类材料在环境有害气体吸附方面的应用已得到了广泛研究。5 前沿与展望MOFs空间结构空间结构高比表面积、大孔容高比表面积、大孔容MOFs空间结构空间结构高比表面积、大孔容高比表面积、大孔容传统的多孔吸附材料,如活性炭和分子筛等的BET比表面积通常1001000m2/g近年来开发的KOH活化改性活性炭的BET比表面积可以达到30004000m2/g。与这些材料相比MOF-210等典型

18、MOFs吸附材料在比表面积上具有很大的优势优势! !MOFs材料孔径通常集中于微孔（2nm，目前报道唯一能达到中孔的IRMOF-16有效孔径2.88nm), 只适用于小分子VOCs吸附。分子尺寸筛选效应分子尺寸筛选效应VOCs分子形状分子形状进入方式进入方式乙苯 对二甲苯 尺寸小的截面进入 邻二甲苯 间二甲苯 尺寸大的截面进入吸附量小MOFsMOFs相比传统吸附材料吸附相比传统吸附材料吸附VOCsVOCs的：的：MOFsMOFs材料是一种新型的潜在优良吸附材料，在吸附净材料是一种新型的潜在优良吸附材料，在吸附净化化VOCsVOCs领域具有广阔的应用前景。现有研究的领域具有广阔的应用前景。现有研究的VOCsVOCs主主要集中在苯系物和烷烃要集中在苯系物和烷烃, ,对其它对其它VOCsVOCs醛酮类等的研究醛酮类等的研究尚有待进一步完善。除了气态的尚有待进一步完善。除了气态的VOCsVOCs吸附研究吸附研究, ,对水对水中的吸附净化应用可行性也需要开展研究。中的吸附净化应用可行性也需要开展研究。5 前沿与展望优优 势势吸附容量大吸附速率快气体相对压力低吸附能力仍然 很好 展望展望： 目前，研究者主要关注高效新型吸附材料的目前，研究者主要关注高效新型吸附材料的研制和吸