环境材料学第六章环境治理功能材料与技术ppt课件.ppt

环境治理功能材料与技术,6,6.1 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0.11.0 mm之间b）粉末状活性炭：粒径在50100 m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600900 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：Unpowered Negative Ion Supplier.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SiO2xH2O，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1.52.0 nm（平均孔径在0.8 nm以下称为特细孔硅胶）粗孔硅胶：平均粒径在4.05.0 nm（平均孔径在10.0 nm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：,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：,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3500 L/L下降至15 L/L25 L/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2500 L/L下降到10 L/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100 nm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。,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 吸收法总结水用于吸收易溶的有害气体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。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。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 移动源尾气净化催化材料 固定源烟气脱硫催化材料 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 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 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 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 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 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 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 室内空气催化净化材料 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,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 室内空气催化净化材料 负离子净化技术：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,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,水污染净化材料,悬浮物质分离材料,氧化还原材料,沉淀分离材料,膜分离材料,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,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。,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,水污染及其处理技术 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,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,水污染及其处理技术 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,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.1 氧化还原型水污染治理材料材料的分类 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,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.1 氧化还原型水污染治理材料氧化剂分类及定义：空气 氯系化合物 臭氧 高锰酸钾氧化剂 过氧化氢氧化剂,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.1 氧化还原型水污染治理材料氧化剂分类及定义：空气：空气中的氧气是一种较强的氧化剂。空气中的氧具有较强的化学氧化性，且在介质的pH值较低时，其氧化性能增强，有利于用空气氧化法处理污水。而且，从环境协调的角度来说，利用空气中的氧处理废水中的有机化合物是一项环境友好型的措施。在此基础上，湿式氧化被发展了起来。湿法氧化是在较高的温度和压力下，用空气中的氧来氧化废水中的溶解和悬浮的有机物和还原性无机物的一种方法。此法具有适用范围广、处理效率高、二次污染低、氧化速度快、装置小、可回收能量和有机物料等优点。,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.1 氧化还原型水污染治理材料氧化剂分类及定义：氯系氧化剂：氯气，次氯酸钠，漂白粉，漂白精等等。在高温和光辐射条件下氧化效率较高。二氧化氯是一种强氧化剂，对常见致病微生物、真菌及病毒等具有高效、快速的杀灭能力。在国外发达国家，稳定性二氧化氯消毒剂已经普及，而在我国则刚刚兴起，目前广泛应用于各种饮料、食品加工、医院、宾馆、浴池、游泳池的消毒，水果蔬菜、水产品、肉类的保鲜等。,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.1 氧化还原型水污染治理材料氧化剂分类及定义：臭氧：理想的环境友好型氧化剂，并具有很强的杀菌消毒作用，是理想的有机化合物氧化剂。氧化原理：a.夺取氢原子 b.打开双键 c.氧原子进入芳烃发生取代,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.1 氧化还原型水污染治理材料氧化剂分类及定义：臭氧：臭氧氧化技术因臭氧氧化性较强，具有去除率高、氧化速度快、无二次污染等优点，同时也避免了采用生物法处理时间长的缺点，是当前污水处理中热门的研究热点。,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.1 氧化还原型水污染治理材料氧化剂分类及定义：高锰酸钾氧化剂：氧化性较强，适宜于去除酚，氰化物，硫化物等有害污染物KMnO4强大的氧化能力（氧化电位E0=1.70 V）主要对于含氯有机污染物、石油类有机污染物能产生较大的氧化效力，尤其是在分子结构中含有碳碳双键（C=C）的化合物具有极大的氧化效力。,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.1 氧化还原型水污染治理材料氧化剂分类及定义：过氧化氢氧化剂：过氧化氢是一种较好的处理有机废水的氧化剂。过氧化氢与紫外光合并使用，可分解氧化卤代脂肪烃、有机酸等有机污染物。过氧化氢无论其在酸性介质中或是在碱性介质中，均具有氧化性，亦均具有还原性。但一般而言，过氧化氢在酸性介质中是一种强氧化剂，而在碱性介质中氧化性变弱；过氧化氢在酸性溶液中的还原性较弱，而在碱性溶液中是一种适中的还原剂。,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.1 氧化还原型水污染治理材料还原剂分类：某些电极电位较低的金属 某些带负电的离子 某些带正电的离子,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.2 膜分离材料膜分离技术被公认为20世纪末至21世纪中期最有发展前途的高科技之一。膜分离材料的理论基础：扩散定理、膜的渗透现象、渗透压原理、膜电势等。膜分离材料的主要优点：,在膜分离过程中，不发生相变化，能量的转化效率高；一般不需要投加其他物质，节约原材料和化学药剂；在膜分离过程中，分离和浓缩同时进行，能回收有价值的原料；根据膜的选择性和孔径大小，既可以将不同粒径的物质分开，也可以纯化物质，且不改变其属性；膜分离可以在常温下进行；膜分离的适应性强，操作和维护方便，易实现自动化控制。,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.2 膜分离材料材料的分类：有机膜材料 无机膜材料 沉淀分离材料,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.2 膜分离材料材料的分类：有机膜材料：在有机膜的实际应用中，反渗透膜材料以醋酸纤维素为主，芳香族聚酰胺类为次，其他还有聚苯并咪唑、磺化聚磺酸盐、聚乙烯氰等。超滤膜材料一般是醋酸纤维素、聚酰亚胺、聚丙烯晴、聚醋酸乙烯、两性离子交换膜和芳香族高聚物等。微滤膜材料则是聚酯、聚碳酸、纤维素及聚四氟乙烯等一系列物质。,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.2 膜分离材料材料的分类：无机膜材料：无机膜的种类多种多样，可以从无机膜的制备方法中了解无机膜材料。无机膜的制备方法分为以下几种：a)溶胶-凝胶法b)分相法c)固态粒子烧结法d)阳极氧化法,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.3 沉淀分离材料沉淀分离材料就是向废水中投加某些化学药剂，使之与废水中的污染物发生化学反应，形成难溶的沉淀物，然后进行固液分离，从而去除废水中的污染物。对于危害性很大的含有重金属离子的废水，沉淀分离是一种常用的处理方法。,6.1 环境净化材料,6.1.2 水体污染治理材料与技术,6.1.2.4 悬浮物质分离材料在现代给水和排水的诸多处理技术中，混凝技术占有非常重要的地位，是一种应用最广泛、最经济、简便的水处理技术。混凝过程达到高效能的关键在于恰当地选择和投加性能优良的悬浮物质分离材料混凝剂。现在使用的主要是铝盐、铁盐两大类。,6.1 环境净化材料,6.1.3 其他污染控制材料与技术,其他污染控制材料与技术,电池波防护材料,噪声控制材料,6.1 环境净化材料,6.1.3 其他污染控制材料与技术,6.1.3.1 噪声控制材料控制噪声的措施主要有：从声源上降低噪声 在传播途径中降低噪音 a)吸声材料 b)消音器 c)阻尼材料,6.1 环境净化材料,6.1.3 其他污染控制材料与技术,6.1.3.1 噪声控制材料 a)吸声材料：原理是吸声材料上有许多小孔当声波进入孔隙，引起孔隙中的空气和材料的细小纤维振动，加上摩擦和粘滞阻力，使相当一部分声能转化为热能而被吸收掉。b)消音器：是防治空气流动性噪声的主要方法，它能阻止声波而让气流通过，将其装设在空气动力设备的气流通道上便可降低该设备的噪声。c)阻尼材料：降低噪声的基本原理：人们在金属板上涂一层阻尼材料后，当声波使金属板发生弯曲振动时，其振动能量会迅速传递给金属板上的阻尼材料，产生较大的内损耗，从而降低了金属板的噪声辐射。,6.1 环境净化材料,6.1.3 其他污染控制材料与技术,6.1.3.2 电磁波防护材料 电磁波吸收材料电磁波吸收材料的原理可以简单描述为：外加电磁场与电磁波吸收材料中的电偶极子或磁偶极子发生作用，由于磁畴的转动、移动和滞后效应等的影响使得电磁场的能量被消耗，电磁场的能量转变成热能，进而使得干扰源的能量在接触到敏感源时已经被大大消减。电磁波屏蔽材料电磁波屏蔽材料的原理是，用导电性材料将电磁干扰源或者敏感源封闭起来，起到隔离干扰源与敏感源的作用。,