环境材料学第8章环境治理材料课件

环境治理材料与技术环境材料应用研究的主要内容环境工程材料环境净化材料、环境修复材料、环境替代材料环境友好材料天然材料、仿生物材料、绿色包装材料、环境降解材料、生态建材环境功能材料自清洁材料、调温调湿调光材料、环境功能玻璃环境材料关键技术无铅化进程中元素替代技术、固废资源化利用一、大气污染治理材料二、水污染治理材料三、其它1.大气污染治理材料与技术主要的大气污染物：总悬浮颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、光化学氧化剂。大气中的污染物，一般不能集中统一处理。主要是利用大气的自净作用和植物净化。大气污染控制：对污染物采取预防控制，将污染物控制在进入大气之前。过滤法吸附法吸收法催化法大气污染治理材料多孔型纤维型复合型金属基陶瓷基塑料基活性炭硅胶分子筛物理吸收化学吸收稀贵金属纳米材料1.1.过滤法袋式除尘器也称为过滤式除尘器,是一种干式高效除尘器,它利用有机纤维或无机纤维编织物制作的袋式过滤元件将含尘气体中固体颗粒物滤出的除尘设备,用于捕集非粘结性、非纤维性的工业粉尘。按过滤原理按材质多孔型过滤材料纤维型过滤材料复合型过滤材料金属基过滤材料陶瓷基过滤材料塑料基过滤材料袋式除尘器的作用机理

(1)重力沉降效应:

含尘气体进入布袋收尘器时,颗粒较大、比重较大的粉尘,在重力作用下沉降下来,这和沉降室的作用完全相同。(2)筛滤效应:

当粉尘的颗粒直径较滤料的纤维间的空隙或滤料上粉尘间的间隙大时,粉尘在气流通过时即被阻留下来。(3)惯性碰撞效应:

气流通过滤布时可绕纤维而过,而较大的粉尘颗粒在惯性力的作用下,仍按原方向运动,遂与滤料相撞而被捕获。(4)扩散效应:

质轻体小的粉尘随气流运动,非常接近于气流之线,能绕过纤维。但它们在受热时作热运动(即布朗运动)的气体分子的碰撞之后,便改变原来的运动方向。这就增加了粉尘与纤维的接触机会,使粉尘能够被捕获。应用钢铁冶金：从矿石破碎、筛分、皮带转运、烧结、炼铁、炼钢、轧钢、铁合金冶炼、焦化、石灰、耐火材料等有色冶金：氟化物+粉尘燃煤电厂：粉尘水泥生产：干法回转窑窑尾粉尘、烟尘垃圾焚烧

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1.2

吸附法吸附步骤1使气体和固体吸附剂进行接触2进行吸附剂的再生，或更新吸附剂。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．有机蒸汽的回收用于大气污染净化的吸附剂主要有活性炭、硅胶、沸石分子筛、活性氧化铝。纳米材料型吸附剂二氧化钛的应用也很广泛。吸附剂活性炭

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。活性炭吸附是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。活性炭的主要化学成分是碳元素，含有少量的氢、氮、氧及灰分。物理、化学性质稳定，耐酸碱，耐高温及高压，不溶于水和有机溶剂，使用失效后可以再生，可循环使用。孔道结构应用范围十分广泛用作集体防护和个人防护器材的关键防毒材料；污水处理及有害气体的治理；食品的精制、脱色；医学领域的缓释剂、解毒剂及用于血液净化、血液灌流中的主要吸附材料等。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。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。沸石最早是由瑞典矿物学家Freige

于1756年发现的。目前已经发现的天然沸石矿物有近50种，它们主要产生于岩浆活动晚期的低温热液阶段，大部分在基性火山岩和火山碎屑岩及凝灰岩中出现。实验室内人工合成的也有100余种，硅藻土具有多孔性、密度小、比表面积大、吸附性好、耐酸、耐碱、绝缘等特性,并且中国硅藻土矿储量丰富,所以硅藻土作为一种新型的吸附材料近年来已被广泛应用于许多工业部门。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1.3吸收法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。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。用重油吸收烃类蒸汽，均属物理吸收。固定源烟气脱硫干法烟气中的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。烟道气脱最常用的碱性物质是石灰石(碳酸钙)、生石灰(氧化钙，CaO)和熟石灰(氢氧化钙)。湿法在湿法烟气脱硫系统中，碱溶液或碱的浆液与烟道气在喷雾塔中相遇。烟道气中SO2溶解在水中，形成一种稀酸溶液，然后与溶解在水中的碱性物质发生中和反应。反应生成的亚硫酸盐和硫酸盐从水溶液中析出。固定源烟气脱硝技术催化法处理氮氧化物催化剂：贵金属、过渡金属、稀土金属，载体为多孔氧化铝。氮氧化物 氮气1.4催化材料移动源尾气净化催化材料固定源烟气脱硫硝催化材料室内空气催化净化材料1.4.1移动源尾气净化催化材料三效催化净化技术趋于完善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三效催化剂

一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、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、HC、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、HC、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、HC的催化剂称为二效催化剂（或称氧化型催化剂）。工作原理：氧化还原反应1.4.3室内空气净化催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。来源室内空气净化技术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、沸石等光催化氧化技术以TiO2为催化剂，利用光催化方法氧化降解空气中的VOCs不需要其他反应助剂，反应条件温和，无二次污染产物负离子净化负离子极易与空气中微小污染颗粒相吸附,成为带电的大离子,沉落在地面等的表面,从而使空气得到净化。负离子能使细菌蛋白质表层的电性两级颠倒,促使细菌死亡,达到消毒与灭菌的目的。负离子的除菌效果超过浓度为3%过氧乙酸发生技术：电晕放电、水发生、放射发生2.水污染治理材料水污染及其处理技术氧化还原性水污染治理材料沉淀分离型水污染治理处理材料稀释中和型水污染治理材料膜材料2.1水污染及其处理技术废水排放引起的水体污染分类需氧型污染：废水中的有机物被微生物吸收利用时，消耗水中的溶解氧，影响水生生物正常循环，降低水的质量。毒物型污染：有毒物质排入导致水生生物中毒，并通过食物链危害人体健康。富营养型污染：N、P排入水体，促使藻类及其它水生生物过渡生长，使水中需氧量增加，恶化水质。常用的废水处理技术分离处理：通过物理方法分离污染物，不改变其化学性质转化处理：通过化学或生化反应，改变污染物化学性质，转化为无害无毒稀释处理：降低浓度现代废水处理工艺过程（三级处理）一级处理（筛滤、沉淀）：去除水中的悬浮固体和漂浮物质二级处理（微生物降解）：微生物新陈代谢，去除水中胶体和溶解态的有机污染物三级处理（混凝、过滤、离子交换、反渗透、超滤、消毒）：处理难以降解的有机物，营养物质。2.2氧化还原型水污染治理材料氧化剂：活泼非金属材料：如臭氧、氯气等含氧酸盐：高氯酸盐、高锰酸盐等还原剂：活泼金属原子或离子催化剂：活性炭、粘土、金属氧化物及高能射线过氧化氢与紫外光合并使用，分解氧化卤代脂肪烃、有机酸等氧化、偶合、聚合，形成分子量适中的中间产物，改善其生物可降解性、溶解性及混凝沉淀性节约氧化剂用量，降低成本氯系氧化剂氯气、二氧化氯、次氯酸钠、漂白粉、漂白精等在溶解中电离，生成次氯酸根离子，然后水解、歧化，产生氧化能力极强的活性基团，从而杀菌、分解有机物氧化性与pH关系密切，酸性条件氧化性增强可通过光辐射或其它辐射增强其氧化性用于氰化物、硫化物、酚、醇、醛、油类等有机污染物去除，也用于给水或废水消毒、脱色、除臭等。高锰酸盐氧化剂高锰酸钾，强氧化剂，酸性条件下氧化性最强主要用于去除酚、氰及硫化物等给水中，用于去除菌类、除臭、除味、除二价铁、二价锰等2.3沉淀分离型治理处理材料去除物质：砂粒、化学沉淀物，混凝处理形成的絮凝体，生物处理的污泥混凝剂混凝机理：通过形成压缩双电层、电性中和、卷带网捕以及吸附桥连等四方面作用完成分为两类无机多价金属盐类：铝盐和铁盐有机高分子聚合物：聚丙烯酰胺及其变性物无机多价金属盐类铝盐：硫酸铝、明矾、聚合氯化铝铁盐：硫酸亚铁、三氯化铁、聚合硫酸铁等有机高分子聚合物类相对分子质量数万至数百万，分子中含有许多能与胶体和细微悬浮物表面上某些点位起凝聚作用的活性基团代表性材料非离子型：聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯等阴离子型：聚丙烯酸（PPA），水解聚丙烯酰胺（HPAM），聚磺基苯乙烯、聚甲基丙烯酸钠等；阳离子型：丁基溴聚乙烯吡啶、聚二丙烯二甲基胺（PDADMA）等2.4膜材料膜分离法：用天然或人工合成的膜材料，以外界能量或化学位差作动力，对双组份或多组分溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。三、其它污染控制材料噪声控制材料电磁波防护材料3.1噪声控制材料控制方法：降低噪声源强度；阻碍噪声传递途径消声、吸声、隔声材料吸声材料分为多孔吸声材料和共振吸声材料玻璃棉、矿渣棉、泡沫塑料、毛毡、棉絮等多孔吸声材料吸声机理当声波入射到材料表面时，一部分在材料表面反射掉，另一部分则透入到材料内部向前传播。在传播过程中，引起孔隙的空气运动，与形成孔壁的固体筋络发生摩擦，由于粘滞性和热传导效应，将声能转变为热能而耗散掉。声波在刚性壁面反射后，经过材料回到其表面时，一部分声波透射到空气中，一部分又反射回材料内部，声波通过这种反复传播，使能量不断转换耗散，如此反复，直到平衡，由此使材料“吸收”了部分声能。吸声材料的种类及特点无机纤维材料主要有玻璃丝、玻璃棉、岩棉和矿渣棉及制品玻璃棉分为短棉，超细棉以及中级纤维棉三种。其中超细玻璃棉是最常用的吸声材料，它具有不燃、密度小、防蛀、耐蚀、耐热、抗冻、隔热等优点。经过硅油处理的超细玻璃棉，还具有防火、防水和防潮的特点。矿渣棉具有导热系数小、防火、耐蚀、价廉等特点，岩棉能隔热，耐高温(700℃)且易于成型。缺点是在施工安装的过程中因纤维性脆，容易折断形成粉尘散逸而污染环境、影响呼