第8章 水污染治理环境材料

8水污染治理环境材料8.1水污染与环境材料8.2水污染治理中的吸附材料8.3水污染治理中的膜材料8.4离子交换树脂8.5水污染治理的微生物固定化材料本章内容8.1水污染与环境材料本节内容水污染是指水体因某种物质的介入而导致其化学、物理、生物或者放射性等方面特性的改变，从而影响水的有效利用，危害人群健康或者破坏生态环境，造成水质恶化的现象。按照污染物进入水体方式，可将水污染分为点源污染和面源污染。8.1.1水污染来源与分类8.1水污染与环境材料8.1.2水污染治理中常用的环境材料随着我国社会经济的快速发展，城镇化水平不断提高，废水排放量持续增加，面对日益严重的水环境污染，水污染治理技术面临着新的机遇和挑战，环境材料在水污染治理领域的开发与应用研究也受到广泛的重视。下面将根据环境材料功能性的不同，介绍吸附材料、膜材料、离子交换树脂以及其他环境材料在污水治理中的应用。8.2水污染治理中的吸附材料8.2.1活性炭8.2.2沸石沸石的化学通用式为：MxDy(Alx+2ySin-(x+2y)O2n)▪mH2O。式中，M是Na、K等碱金属或其他一价阳离子；D是Ca、Sr、Ba、Mg等碱土金属或其他二价阳离子；M、D通称可交换阳离子。8.2.3硅藻土硅藻土是古代单细胞低等植物硅藻遗体堆积后，经过初步成岩作用而形成的一种具有多孔性的生物硅质岩。硅藻土的主要化学成分是SiO2，并含有少量的Al2O3，P2O3，CaO，MgO等，是由硅藻的壁壳组成，壁壳上有多级、大量、有序排列的微孔。8.3.1膜的简介8.3水污染治理中的膜材料膜分离过程推动力透过（截留）机理产品水中的透过物及其大小浓水中的截留物膜类型渗析浓度差溶质的扩散低分子物质、离子0.004~0.15μm溶剂分子量>1000非对称膜、离子交换膜电渗析电位差电解质离子选择性透过溶解性无机物0.004~0.1μm非电解质大分子离子交换膜反渗透压力差0.85~7.0MPa溶剂的扩散水、溶剂0.001~0.1μm溶质、盐（SS、大分子、离子）非对称膜或复合膜纳滤压力差0.5~2.0MPa溶剂的扩散水、溶剂、小分子、离子0.001~0.01μm某些溶质、大分子非对称膜或复合膜超滤压力差0.07~0.7MPa筛滤及表面作用水、盐及小分子有机物0.005~0.2μm胶体、大分子、不溶有机物非对称膜微滤压力差0.071~0.1Ma颗粒大小和形状水、溶剂、溶解物0.08~2.0μm悬浮颗粒、纤维多孔膜表8-1废水处理中常用的膜分离方法及其特点图8-2膜分离技术和水中微粒的相互关系图微滤是一种精密过滤技术，其运用的孔径范围介于0.1~75μm之间，运用过程中的拦截能力来自于其对多孔材料的运用，经过物理截留的方式使得水中的杂质颗粒得到有效的去除。在压力的作用下，无机离子、有机低分子以及溶液中水等尺寸小的物质可经过微孔运动到膜的另一侧，而大尺寸诸如水中的胶体、菌体等则因不能透过纤维墙而被截留下来，这样，就实现了不同组分的筛选目的，而且上述的过程为常温操作，微孔滤膜的截留粒子粒径为0.1~10μm，不会发生相态变化，更不会产生二次污染，对水的处理效果良好。微滤膜主要分为有机微滤膜、无机微滤膜和复合微滤膜。8.3.2微滤膜超滤膜技术是一种把溶液滤过、分离、和浓缩的膜透过分离技术，属于微透过和略透过。超滤膜不仅可以滤过颗粒物质及胶体物质，也对两虫、藻类、细菌、病毒和水生物起到滤过作用，这样达到溶液的净化、分离与浓缩的目的。与传统工艺相比，超滤膜技术在处理污水方面具有损耗低、使用压力低、分离效率高、滤过量大、可回收再利用的优点，所以可以广泛用于净化饮用水、回收生活污水、回收含油废水、回收纸浆废水，海水淡化等。8.3.3超滤膜纳滤膜又称“疏松型”反渗透膜，它是介于反渗透与超滤之间的一种压力驱动型膜分离技术。其表面由一层非对称性结构的高分子与微孔支撑体结合而成，以压力差为推动力，对水溶液中低分子量的有机溶质截留，而盐类组分则部分或全部透过，从而使有机溶质得到同步浓缩和脱盐的目的。商品化纳滤膜的膜材质主要有以下几种：醋酸纤维素（CA）、磺化聚砜（SPS）、磺化聚醚砜（SPES）、聚酰胺（PA）和聚乙烯醇（PVA）等。纳滤膜的制备工艺大致有以下几种：相转化法、稀溶液涂层法、界面聚合法、热诱导相转化法、化学改性法等，其中界面聚合法是制备纳滤膜最常用的方法，无机材料纳滤膜一般采用溶胶—凝胶法制备。纳滤膜分为两类：传统软化纳滤膜和高产水量荷电纳滤膜。8.3.4纳滤膜反渗透膜一般用高分子材料制成，如醋酸纤维素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜。膜表面微孔的直径一般在0.5~10nm之间。以膜两侧静压差为推动力而实现对液体混合物分离的选择性分离膜，其操作压力一般为1.5~10.5Mpa，反渗透膜只能通过溶剂（通常是水）而截留离子或小分子物质。透过性的大小与膜本身的化学结构有关。根据反渗透膜具备的性能及其影响因素，目前较常用的膜类型有：①醋酸纤维膜（CA膜）。CA膜又可以分为平膜、管式膜和中空纤维膜几类。CA膜具有反渗透膜所需的三个基本性质：高透水性、对大多数水溶性组分的渗透性相当低，具有良好的成膜性能。②聚酰胺膜（PA膜）。聚酰胺膜又可分为脂肪族聚酰胺膜、芳香聚酰胺膜（成膜材料为芳香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物）。③复合膜。这是近年来开发的一种新型反渗透膜，它是由很薄且致密的符合层与高空隙率的基膜复合而成，它的膜通量在相同的条件下比非对称膜高约50%~100%。8.3.5反渗透膜离子交换树脂是一种在交联聚合物结构中含有离子交换基团的功能高分子材料。离子交换树脂不溶于酸、碱溶液及各种有机溶剂，结构上属于既不溶解、也不熔融的多孔性固体高分子物质。每个树脂颗粒都由交联的具有三维空间立体结构的网络骨架构成，在骨架上连接着许多较为活泼的功能基。这种功能基能离解出离子，可以与周围外边离子相互交换。离子交换树脂的单元结构由三部分组成：不溶性的三维空间网状骨架、连接在骨架上的功能基团和功能基团所带的相反电荷的可交换离子。离子交换树脂的再生是指将一定浓度的化学药剂溶液，通过失效的离子交换树脂，利用药剂溶液中的可交换离子，将树脂上吸附的离子交换下来，使树脂重新具有交换水中离子的能力的过程。再生时所用的药剂称为再生剂。树脂的再生过程实际上就是离子交换的逆过程。8.4离子交换树脂8.4.1阳离子交换树脂8.4离子交换树脂阳离子交换树脂，包括强酸性阳离子交换树脂和弱酸性阳离子交换树脂。阳离子交换过程可用下式表示：R-A++B+=R-B++A+（1）式中

R--树脂本体；A树脂上可被交换的离子；B溶液中的交换离子。如是阳离子树脂受到污染，可用酸或食盐水除去污染物。8.4.2阴离子交换树脂8.4离子交换树脂阴离子交换树脂包括强碱性阴离子交换树脂和弱碱性阴离子交换树脂。强碱性阴离子交换树脂，这类树脂含有强碱性基团，如季胺基（亦称四级胺基）-NR3OH（R为碳氢基团），能在水中离解出OH－而呈强碱性，这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树脂的离解性很强，在不同pH值下都能正常工作。弱碱性阴离子交换树脂，这类树脂含有弱碱性基团，如伯胺基（亦称一级胺基）-NH2、仲胺基（二级胺基）-NHR、或叔胺基（三级胺基）-NR2，它们在水中能离解出OH-而呈弱碱性。这种树脂的正电基团能与溶液中的阴离子吸附结合，从而产生阴离子交换作用。这种树脂在多数情况下是将溶液中的整个其他酸分子吸附，其只能在中性或酸性条件下工作。阴离子交换过程可用下式表示：R+C-+D-=R+D-+C-

微生物的固定方法主要有吸附法、包埋法、共价结合法、介质截留法和无载体固定化5种方法。以上各种固定化方法中，各有自身的优势，但也都存在着不同的缺点，其性能比较见表8-2。8.5水污染治理的微生物固定化材料8.5.1腐殖酸

腐殖酸(humicacids)是分布最为广泛的天然有机物质,几乎所有的环境中都有分布,如土壤、水体和沉积物等。根据腐殖酸的来源分类：腐殖酸有“天然腐殖酸”和“人造腐殖酸”之分。天然腐殖酸指在土壤、泥炭和褐煤等天然物质中含有的腐殖酸；“人造腐殖酸”主要有生物发酵腐殖酸、化学合成腐殖酸和氧化再生腐殖酸。腐殖酸能有效络合金属离子和吸附有机物，但多保持溶解状态，易随水流迁移和易为生命有机体吸收。如何将其固定或通过腐殖酸提高吸附剂对被吸附物质的吸附性能，目前已经成为国际新的研究热点。8.5.2煤矸石

煤矸石是在煤炭开采及精选过程中产生的黑色碳质页岩和少量灰色、杂色砂质页岩等非煤质组分（谷庆宝，1997；卞孝东，2007），主要由黏土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）、石英、方解石及碳质等原生矿物组成（谷庆宝，1997）；同时，往往伴生黄铁矿、磁黄铁矿等还原性硫化矿物（Akciletal.，2006;武旭仁等，2009）。利用煤矸石可以吸附水中的有机物和金属离子。煤矸石制备吸附材料的工艺：(1)硫酸活化工艺：原始矸石-粉碎-磨细-高温焙烧(500～800℃)-硫酸活化-水洗-烘干-成品。(2)蒸汽活化工艺：原始矸石—粉碎-磨细-高温焙烧(500～800℃)-配料混合-成型-蒸汽活化烘干-吸附材料