纳米粘土材料在环境治理中的应用PPT课件

1、纳米材料 纳米材料按其结构可分为 4类: 三维纳米材料 二维纳米材料 : 片层 一维纳米材料：纤维 零维纳米材料：原子簇，原子束第1页/共40页纳米材料的特性小尺寸效应表面与界面效应量子尺寸效应 宏观量子隧道效应 介电限域效应 第2页/共40页小尺寸效应 颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化。 尺寸变小，比表面积显著增加，从而产生一系列新奇的性质。（声光电磁力）第3页/共40页表面与界面效应 表面原子存在许多悬空键而具有高活性。 纳米材料较高的化学活性，使材料具有了较大的扩散系数。同时，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径，有利于原子扩散。 第4页/共40页量子尺寸效应 微粒尺寸

2、下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动的现象为量子尺寸效应。 当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料具有显著的不同。 第5页/共40页宏观量子隧道效应 当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒的现象称为隧道效应。 近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。 第6页/共40页介电限域效应 纳米微粒分散在异质中使得微粒表面和内部局部场强增强而引起的体系介电增强。

3、 电限域效应越明显，吸收光谱的红移也就越大。第7页/共40页粘土矿物 粘土矿物在自然界中分布很广，在风化壳和沉积岩层中最广，热液蚀变带中也较普遍。 硅酸盐粘土是一类颗粒极细、粒度为2m 以下的结晶质、具有层状结晶习性的水化硅酸铝矿物。 硅酸盐粘土矿物主要包括高岭石、 蒙脱石、 伊利石、 海泡石和凹凸棒石等矿物。第8页/共40页粘土矿物的晶形 粘土矿物大多数属于1:1或2:1型。 主要结构单元是二维排列的硅氧四面体和铝氧八面体。高岭石族1:1 蒙脱石族 2:1 伊利石族，2:1 绿泥石族2:1:1第9页/共40页硅氧四面体和铝氧八面体第10页/共40页天然蒙脱石黏土结构示意图 第11页/共40页

4、粘土矿物的性能 比表面积大 吸附能力强 离子交换能力强第12页/共40页纳米粘土矿物纳米粘土矿物 天然与深加工后出现纳米结构特征 (纳米微粒、纳米尺寸孔洞、纳米层间距离、纳米管、纳米棒、纳米纤维、纳米网状结构等) 通过特定合成制备技术，与其它原材料经插层、剥片等处理而形成具有特殊物理化学性能的新材料。第13页/共40页纳米粘土矿物 采用例子交换与插层处理制成嵌入型或剥离型膨润土/聚合物纳米复合材料。 抗冲击强度、阻燃性和耐热性明显得到提高 第14页/共40页层状硅酸盐的结构晶体结构片层的厚度约为1nm1nm；片层具有很大的径厚比，一般为100-1500100-1500；片层具有比一般高聚物大得

5、多的分子量，约为1.31.310108 8，这 一特征常被忽视。 碳纳米管第15页/共40页层状硅酸盐的结构结构层次第16页/共40页层状硅酸盐的结构形态10 microns第17页/共40页纳米粘土的种类 纳米蒙脱土：研究最广泛最深入,已投入工业化生产。 在许多文献中,纳米粘土指的就是纳米蒙脱石 。 高岭石、海泡石、蛭石、坡缕石、累脱石第18页/共40页膨润土(Bentonite)第19页/共40页膨润土(Bentonite) 以蒙脱石为主的含水粘土矿。 膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性 “万能”粘土：粘结剂、悬浮剂、触变剂、稳定剂、净化脱色剂、充填料、饲料、催

6、化剂。 石油开采、定向穿越、钢铁铸造、冶金球团、化工涂料、复合肥、浆纱、橡胶、塑料、造纸、净化水、吸潮剂、农药。第20页/共40页膨润土(Bentonite) 吸附性和阳离子交换性能：除去食油的毒素、汽油和煤油的净化、废水处理。 造纸工业中做填料，可优化涂料的性能如附着力、遮盖力、耐水性、耐洗刷性等 粘结力：可代替淀粉用于纺织工业中的纱线上浆，可节粮，不起毛，桨后不发出异味。第21页/共40页凹凸棒石粘土第22页/共40页凹凸棒石粘土第23页/共40页凹凸棒石粘土 海泡石族，为一种晶质水合镁铝硅酸盐矿物。 独特的层链状结构特征，存在晶格置换，故晶体中含有不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al

7、3+ 晶体呈针状，纤维状或纤维集合状。 分散、耐高温、抗盐碱，高吸附脱色能力，一定的可塑性及粘结力。 介于链状结构和层状结构之间的中间结构。第24页/共40页海泡石粘土海泡石纤维水泥电缆管 第25页/共40页海泡石粘土 遇水吸水变软，干燥变硬 收缩率低,可塑性好,比表面大,吸附性强。溶于盐酸、质轻。 具有脱色、隔热、绝缘、抗腐蚀、抗辐射及热稳定等性能。第26页/共40页累托石粘土第27页/共40页累托石粘土 层状硅酸盐粘土矿物。 1981年国际矿物学会将其定义为“累托石是二八面体云母和二八面体蒙皂石组成的1:1规则间层矿物”。 累托石是晶体结构特殊的铝硅酸盐矿物，由类云母单元层和类蒙脱石单元层

8、在特殊自然条件下有规则地交替堆积，但又不是二者的简单组合，尤其是其条带状的微观结构颇为罕见. 第28页/共40页纳米矿物在环境治理领域的应用 物理性质：较大表面积，吸附性能好。污水处理空气净化土壤净化核废料处理第29页/共40页纳米粘土矿物在治理水污染中的应用 对生活和化工用水过滤 重金属离Cu2+、 Pb2+、 Zn2+、 Cd2+、Hg2+等的去除 印染废水和有机污染物的吸附以及阴离子PO3-4 ， SO2-4 去除。第30页/共40页纳米粘土矿物在治理水污染中的应用 重金属离子废水的理想处理途径是回收利用，而改性凹凸棒吸附剂则可在再生过程中释放被吸附离子供回收利用。 在重金属废水处理领域

9、，凹凸棒是最理想的吸附材料，其吸附机理一般有表面络合、金属离子与凹凸棒八面体阳离子的置换、离子电性吸附、凹凸棒诱导金属离子水解沉淀等。第31页/共40页纳米粘土矿物在空气污染治理中的应用 蒙脱石、海泡石、凹凸棒石及高岭石等，因比表面积大、吸附性强，作为吸附过滤材料广泛应用于空气污染的净化。 由稀土改性的凹凸棒石粘土吸收液对柴油机尾气污染物脱除效果良好。 实验条件下，碳烟的脱除率为71.3% ，NOx的脱除率可达90.6 % ，SO2和HC的脱除率均大于90%第32页/共40页纳米粘土矿物在固体废弃物处理中的应用 主要方法：填埋 主要难点：防渗层的设计、防渗材料的选用 造成后果：渗滤液污染水源、

10、土壤、溢出沼气污 染空气 选用材料：膨润土第33页/共40页纳米粘土矿物在固体废弃物处理中的应用 膨润土： 强吸水性，遇水时发生水化，可膨胀至原体积的 10-20 倍，且在限定的空间内膨胀形成凝胶体，从而阻止水的渗透; 在膨胀压力的作用下，凝胶体进入建筑物的裂缝，起到密封防水的作用。 钠基膨润土颗粒和外加剂混合均匀后，固定在两层土工布之间，制成防渗布，具有隔离、加固、防渗的性能。第34页/共40页纳米粘土矿物在土壤污染处理中的应用 粘土矿物对土壤的自净作用。 当有毒物质进入土壤后，土壤胶体首先吸附带相反电荷的离子或络合物，使污染物质的活性和扩散性大大减弱。 其次粘土矿物层内表面不仅可吸附交换性离子，还可以把一些有毒的阳离子吸持在层间的晶格结构内而成为固定离子消除了污染物的毒害。 第35页/共40页纳米粘土矿物在核废料处理中的应用 强吸附性（尤其是改性后） 采用物理吸附和化学吸附两种方法。 在物理吸附方面，主要是利用粘土矿物粒子之间的范德华力作用，随着粘土颗粒细化，比表面积增大，吸附能力也增强。 化学吸附主要是因为粘土矿物有吸附某些阴离子和阳离子，并把这些离子保持变换状态的能力。交换的离子吸着于矿物多面体层的外围或层间，一般不影响多面体层内部结构，如蒙脱石类矿物。 第