环境吸附材料教学课件PPT.ppt

环境吸附材料,目录,环境吸附材料概述,环境吸附材料总体研究方法,环境吸附材料具体介绍,环境吸附材料应用展望,一、环境吸附材料概述,吸附是指固体表面富集周围液体或气体介质中的分子或 离子的过程，是自然界中普遍存在的一种现象，根据作用力 的不同，通常包括物理吸附和化学吸附。吸附也是一种传质 过程，具有大比表面积的多孔材料往往具有较强的吸附能力。 在环境吸附领域，人们关注污染物的环境吸附过程（污 染过程）和吸附控制技术。吸附法是去除环境中污染物最为 快捷有效的方法之一，受到普遍关注，其中高效吸附材料是 最为关键的核心问题。,在吸附控制技术研究中，主要内容包括吸附材料的制备、吸附材料的性能表征、吸附材料的特性和吸附机理研究以及脱附再生性能评价；在环境吸附过程（污染控制）研究中，主要研究吸附和脱附特性以及吸附机理。,二、环境吸附材料总体研究方法,2.1 制备方法,高比表面吸附材料的制备 高密度官能团吸附材料的制备 有序介孔吸附材料的制备,2.1.1 高比表面积吸附材料的制备,比表面积是吸附材料，特别是多孔吸附材料的重要指标。 例如： 常规活性炭比表面积在600800m2/g 超级活性炭比表面积在25004000m2/g 这是通过改进活化方法和提高工艺参数（如koh活化法），可以得到分布均匀的高比表面积的活性炭。,又如： 近来报道的金属有机物骨架材料（mof）的比表面可高达6240m2/g，非常有利于吸附co2 这是通过扩散法和容积热法合成，使其具有较高的比表面积、均一的孔道结构和较大的孔容积。,通过化学反应将含有官能团的目标分子反应到材料表面，从而提高材料表面官能团的密度，达到提高对目标吸附质的吸附能力的目的。 从制备方式来看，可分为： 直接合成法 后改性法,2.1.2 高密度官能团吸附材料的制备,有序介孔材料有利于吸附质在材料内部传质，不容易堵塞，达到较好的吸附效果，特别适合吸附水中的大分子污染物。 常见的介孔材料包括： 介孔炭 介孔硅,2.1.3 有序介孔吸附材料的制备,合成介孔炭通常的方法是硬模版法。 制备介孔硅的原理是在表面活性剂形成的液晶模版边缘上使硅或硅酸盐晶体化，然后去除表面活性剂就可以得到。如图：,1、吸附剂的形貌 2、表面官能团种类和密度 3、表面电荷及密度 4、比表面积及孔分布 5、晶形,2.2 性能表征方法,环境吸附材料分类： 3.1 多孔吸附材料 3.2 无孔吸附材料 3.3 纳米吸附材料,三、环境吸附材料具体介绍,3.1 多孔吸附材料,3.1.1 活性炭 制备方法：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。 活化一般通过气体活化或药剂活化实现， 气体活化和药剂活化各有优势和不足。,气体活化法多生产颗粒状活性炭，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。 药剂活化法多制备粉状活性炭，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。,改性方法：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，以适合吸附不同的污染物。 表面物理结构改性是指通过物理或化学方法增大活性炭比表面积，控制孔径大小及其分布，从而提高其物理吸附性能。,表面化学性质改性主要是通过氧化还原反应提高活性炭表面含氧酸性、碱性基团的相对含量以及负载金属改性，提供特定吸附活性点，调节其极性、亲水性以及与金属或非金属的结合性，从而改变对极性、弱极性或非极性物质的吸附能力。,性能表征：活性炭的性质包括元素组成、密度、粒度、比表面积、孔径特征、表面基团等，其中比表面积、孔结构和表面基团对污染物的吸附影响最大。,比表面积：活性炭的比表面积是指单位质量活性炭所具有的总表面积数，单位通常用m2/g表示。是最为重要的表观活性性能参数。 常见的活性炭的比表面积一般为：9001500m2/g，特殊的超级活性炭的比表面积可高达30004000m2/g。,孔径特征：经过炭化、活化的活性炭会形成数量众多的孔结构，有效半径小于2nm的称为（小孔）微孔，250nm的为中空（介孔），大于50nm的为大孔。,大孔起到从液相或气相中吸附的作用，但所占比例微小，对吸附量的作用可以忽略不计；而中孔在吸附过程中主要承担为吸附质提供扩散通道的作用，但当大的分子进入孔内不能被小孔所吸附时，活性炭才主要靠中孔发挥作用；微孔在吸附过程中起主导作用，占总表面积的95%以上，是影响吸附量的主要因素。,表面基团：活性炭的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。特别是改性后的活性炭，表面极性官能团增加，极性大大增强，有利于吸附极性污染物。,应用： 1、给水处理：在城市给水工艺中，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。特别是在应急供水中，活性炭是最常用的有效吸附材料。,2、污水处理：在污水深度处理时，活性炭多用于除去二级生物处理中无法去除的难降解溶解性有机物，如木质素、丹宁、黑腐素等。 在工业废水的处理中，活性炭吸附工艺不仅处理程度高、应用范围广，而且适应性强，对于特殊废水还能回收有用物质。,3、工业烟气处理，包括： 活性炭脱硫脱氮 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，混有氧气时容易导致着火甚至爆炸。,活性炭去除vocs 因为活性炭极性最小，所以吸附性能最佳。现已广泛应用于石油化工、有机化工等部门，是主要的处理单元。 活性炭吸附二噁英 通常在布袋除尘器前的烟道上喷入粉末活性炭，以去除废气中的二噁英物质。,4、室内空气净化 活性炭吸附可以达到脱湿、去除有害气体、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。 但活性炭吸附饱和后和后污染物的再释放是需要解决的问题。,3.1.2 吸附树脂 吸附树脂是一类由高交联度的高分子共聚物构成的多孔球形颗粒，具有较大的比表面积和可控的孔径，适合去除气体和水中的污染物。可分为非离子型和离子型两大类，其中离子交换树脂应用范围最广。,制备和改性： 吸附树脂一般都是加聚产品，多通过悬浮共聚的方法制得。 树脂改性方法主要分为化学改性和物理改性。,性质表征：其主要性能参数除了之前在活性炭中介绍的之外，还包括吸附容量、溶胀度和选择性等。 比表面积：一般在1001500m2/g 内部孔径分布均一，孔结构稳定 树脂交换容量直接反映了离子树脂的交换能力 选择性是吸附树脂的重要性能指标,选择性受树脂交联度、基团性质、溶液的离子浓度及其组成等影响，大体规律是原子序数大者优先；大尺寸离子优先；多价离子优先。各种树脂对低浓度离子的选择性顺序如下图：,应用：在环境工程中有广泛的应用，水处理是其主要应用领域。 在水质软化方面 离子交换树脂对水中钙、镁等硬水离子有很好的去除效果。,在废水处理方面 非离子型吸附树脂对工业废水中的有毒有机物质有良好的去除能力，且吸附的有机物质可以回收利用； 离子型交换树脂对水中的重金属有很强吸附性和选择性，已得到广泛应用。,和常用的活性炭相比，树脂具有孔径可控、机械强度大、官能团多样、使用寿命长等优点，但存在成本高的问题，因此树脂多用在可回收有用物质的污水处理，可长期再生利用。,3.1.3 活性铝 制备方法：活性铝的结构对活性影响很大，因此制备的方法也不同，但都必须制备出氧化铝水合物（氢氧化铝），再经过高温脱水生成活性铝。一般以铝盐、金属铝等为原料制备活性铝。例如，工业上常以偏铝酸钠放入酸性溶液中分解生成相关产物。,性能表征： 比表面积一般在100380m2/g 孔径范围较窄，主孔的孔半径为58.5nm，孔容一般为0.20.5。 其表面带有较多的-oh，是一种极性吸附剂，对极性气体具有良好的吸附性能。,应用： 在废气处理方面 活性铝表面极性较强，有很强的吸水性，工业上多用来干燥气体。 由于孔隙结构发达，适合做催化剂的载体处理汽车尾气。 浸渍过的氧化铝圆球对nox吸收率达70%，对so2可达90%。,在水处理方面 在水中表面羟基活性高，对重金属和部分有机物有较好的吸附效果，且可以进行再生，价格低廉，在重金属废水的处理、饮用水去氟、水体除磷等方面广泛应用。,3.1.4 硅胶 制备：通常是用硅酸钠和硫酸反应，并经老化、酸泡等一系列后处理过程而制得。 表征：根据孔径可分为大孔硅胶（平均孔径大于12nm），粗孔硅胶（平均孔径为812nm），b型硅胶（平均孔径为4.57nm），细孔硅胶（平均孔径为23nm）。,应用：硅胶多为白色，有块状和球形等形状，常用作干燥剂、催化剂载体、气体和液体净化剂等。 之前提到的介孔硅在经过改性后，对汞的吸附分配系数高达340000，在去除水中的重金属方面有很好的应用潜力。,3.1.5 沸石 制备：以含硅和含铝盐为原料，经过水热合成孔径大小与分子大小相当的材料，也成为分子筛。 表征：比表面积一般为500800m2/g；其孔结构以微孔为主，孔径较小，一般主孔径最大不超过2.5nm，且分布均一。,性能：极易吸附水分子等极性分子，由于自身孔径大小不同，对不同极性分子具有选择性。 应用：在废气处理方面，可以吸附废气中的so2和nox，但吸附量较低，通过改性可以增加吸附量。 在水处理方面，可以吸附去除废水中的氨氮，有价格低的优势。,3.1.6 膨润土 制备：一般使用天然膨润土，我国产量较高。 表征：比表面积一般300900m2/g，孔径范围较广，有很高的吸水性，性质与树脂有许多相似之处，其溶胀倍数高达几十倍。 应用：可用来去除水中重金属离子，对有机污染物有较强的吸附能力。,3.2.1 纤维材料 目前作为吸附剂的纤维材料包括玻璃纤维、棉纤维和化学纤维。 这些纤维直径小，细长，比块状无孔材料比表面积大，但远低于多孔材料。 由于吸附发生在表面，吸附速率快，大分子的污染物也能被吸附。,3.2 无孔吸附材料,3.2.2 生物材料 常见的有藻类、菌丝体、壳聚糖、活性污泥、农业副产品等。吸附多发生于表面。 多数藻类具有吸附量大、选择性好的特点。由于成本低廉、来源丰富，在去除水中低浓度重金属方面有很好前景。,菌丝体和活性污泥也可用来吸附重金属。 壳聚糖属于凝胶材料，污染物不容易扩散到颗粒内部，通常做成多孔材料或涂覆在其他材料表面提高吸附效果。,3.2.3 矿物材料 自然形成的一些无孔矿物（如高岭土、磁铁矿等）也被用来吸附重金属等污染物。 在实际运用中需负载到廓空材料上或颗粒化成多孔的吸附材料使用。,纳米吸附材料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。,3.3 纳米吸附材料,3.3.1 碳纳米管 制备：电弧放电法、催化裂解法、激光烧灼法、低温固态热解法、热解聚合物法、离子辐射法、火焰法、电解法等。 改性：包括管端改性和侧壁改性。最终增加了比表面积，增强了吸附能力。,性能表征：重量轻、稳定性强，具有良好的力学性能。 单壁纳米管理论比表面积可高达3000m2/g，但由于两端闭合、自身团聚，导致许多碳纳米管表面不能被有效利用。,应用：通过离子交换、络合等作用吸附水中的重金属离子。除此之外，还可以吸附有机污染物。 总体来说，碳纳米管的比表面积大，再生性能好，寿命长，有很大潜力。但由于目前价格较高，且本身也是污染物，导致其在短期之内难以取代活性炭等传统吸附材料。,3.3.2 石墨烯 制备：从石墨中分离出单独的石墨烯 性能表征：最坚硬的纳米材料，其薄膜层结构使其具有巨大的比表面积，但与碳纳米管一样具有团聚问题，导致实际比表面积大大降低。,应用：石墨烯对极性有机染料有很高的吸附特性，而对极性较弱的有机污染物如苯酚的吸附效果较差。,3.3.3 富勒烯 制备：任何中空的单纯由碳原子组成的圆球形、管柱形分子都可以成为富勒烯，而富勒烯多为c60、c70或具有类似封闭结构的碳族单质 性能表征：比表面积一般在200300m2/g 应用：可通过范德华力和氢键作用吸附相对分子质量较小的有机污染物,3.3.4 二氧化钛纳米管 其优点是不仅具有较好的吸附能力，而且具有光催化降解污染物的能力。 比表面积多在200500m2/g，管孔径多为介孔或大孔。 在水处理中，tio2纳米管对有机物进行吸附，然后在紫外光下将其讲解。而且其吸附降解的有机物种类繁多，并能吸附水中金属离子。,吸附技术具有简单易行、处理效果好等优点，在环境领域的水相和气相污染物控制中有广泛应用；在环境分析中，吸附材料被用于样品预处理中富集污染物；在环境污染突发事件中，常常被用来快速吸附高浓度污染物，防止其在环境中扩散。,四、环境吸附材料应用展望,具体应用包括： 饮用水处理中的吸附 污水处理中的吸附 水污染应急吸附 空气中污染物吸附 固相萃取预处理技术,目前，研