第10章 炭材料在环境污染中的应用

10炭材料在环境污染中的应用10.1炭材料概述10.2炭材料在土壤改良和污染治理中应用10.3炭材料在水污染治理中的应用10.4炭材料在大气污染治理中的应用本章内容10.1炭材料概述(一)传统炭材料活性炭活性炭纤维10.1.1炭材料的分类与特性10-1粒状活性炭和活性炭纤维孔结构模型和孔结构分布对比图10.1.1炭材料的分类与特性

（二）新型炭材料碳纳米管石墨烯生物炭

10.1.1炭材料的分类与特性

生物炭从组成上可以归为碳质部分和灰分部分，因此可据此划分为三类:低C，高灰分生物炭、中等C，中等灰分生物炭和高C，低灰分生物炭，如生物炭分类框架所示。

图10-3生物炭分类框架10.1.1炭材料的分类与特性

（二）新型炭材料复合炭材料①粉末活性炭与超滤组合②石墨烯与SiO2的复合③生物炭-磁性复合材料

10.1.2炭材料的制备与改性

（一）传统炭材料的制备与改性1.活性炭的制备与改性（1）活性炭的制备

图10-4活性炭制备流程图10.1.2炭材料的制备与改性（2）活性炭的改性活性炭的表面物理结构特性包括活性炭的比表面积、微孔体积和结构、孔径分布，其决定了活性炭的物理吸附。活性炭的表面化学性质主要由表面的化学官能团、表面杂原子和氧化物决定，其决定了活性炭的化学吸附。10.1.2炭材料的制备与改性

（一）传统炭材料的制备与改性2.活性炭纤维的制备与改性（1）活性炭纤维的制备预处理碳化活化（2）活性炭纤维的改性 形态改变孔结构控制化学改性

10.1.2炭材料的制备与改性

（二）新型炭材料的制备与改性1.碳纳米管的制备与改性（1）碳纳米管的制备石墨电弧法激光蒸发法化学气相沉积法（2）碳纳米管的改性 共价键非共价键功能化法

10.1.2炭材料的制备与改性

（二）新型炭材料的制备与改性3.生物炭的制备与改性（1）生物炭的制备

制备技术目前包括:回转窑、气化炉、慢速热解、快速热解、水热反应、螺旋热解、Flash碳化器等。其中快速热解、水热反应技术和螺旋热解比较常见。（2）活性炭纤维的改性 三乙稀四胺修饰聚乙烯亚胺修饰聚丙稀酸修饰氧化法

10.2炭材料在土壤改良和污染治理中应用（1）无机污染物：重金属、酸、碱、盐、氟、氰化物、污泥、矿渣等。（2）有机污染物：典型的有农药、多环芳烃（PAHs）、石油烃（TPH）、持久性有机污染物（POPs）、表面活性剂、多氯联苯（PCBs）、二噁英等。10.2.1土壤中的主要污染物1.铬(Cr)的去除机理和影响因素2.铬的去除应用现状10.2.2传统炭材料（活性炭）在土壤污染治理中的应用1）吸附机理3）碳纳米管在土壤中的迁移10.2.3新型炭材料在土壤污染治理中的应用10.2.3.1碳纳米管2）影响因子①碳纳米管的性质②土壤的物理化学性质碳纳米管在环境中的迁移能力取决于碳纳米管自身性质和所处环境介质的物理化学性质.综合考虑碳纳米管的特定理化性质和所处环境条件是准确评价环境中碳纳米管的迁移行为，以及与之密切相联系的环境生态风险的必要条件.碳纳米管对污染物的吸附也取决于碳纳米管自身性质、吸附质的性质和溶液的物理化学性质等因素。由于石墨烯材料具有较大的比表面积、良好的化学稳定性，因此石墨烯在土壤中的应用主要体现在有机物的去除。10.2.3.3生物炭（1）去除重金属10.2.3新型炭材料在土壤污染治理中的应用10.2.3.2石墨烯去除铅、镉、锌去除镍去除砷去除铜（2）去除有机污染物16（1）有机有毒物10.3.2传统炭材料在水污染治理中的应用10.3炭材料在水污染治理中的应用10.3.1水体中主要污染物（2）有机无毒物1）废水处理2）生活用水处理（1）活性炭（2）活性炭纤维1）有机废水处理酚类废水芳烃类废水卤代烃废水印染废水制药厂高浓度废水处理炼油厂环烷酸综合废水处理造纸黑液废水的处理2）无机废水处理17（1）碳纳米管1）无机污染物的吸附2）有机污染物的吸附（2）石墨烯1）有机物的吸附2）无机物的吸附（3）生物炭1）有机物的去除10.3.3新型炭材料在水污染治理中的应用碳纳米管去除氟离子碳纳米管去除铅碳纳米管去除锌碳纳米管去除其他离子酚类物质去除农药去除去除有机溶剂去除18（3）生物炭2）无机物的去除（4）复合炭材料10.3.3新型炭材料在水污染治理中的应用金属离子去除阴离子去除粉末活性炭与超滤组合应用石墨烯与SiO2的复合活性炭/沸石复合材料生物炭-磁性复合材料若按照物理状态可分为气态污染物和颗粒物两大类；若按照形成过程则可以分为一次污染物和二次污染物。按照污染物的形态可以分为气态和颗态。

气态污染物主要有：含硫污染物（CS2、H2S、SO2、SO3、H2SO4、MSO3、MSO4）含氮化合物（N2O、NO、NO2）和含碳化合物（CO、CO2、CH4、NMHC）含卤素化合物（DDT、CFCs、PCBs）。10.4炭材料在大气污染治理中的应用10.4.1大气中主要污染物

1）烟气脱硫2）烟气脱硝（NOx）10.4.2传统炭材料在大气污染治理中的应用（1）活性炭1）SO2的去除ACFs在氧气和水蒸气存在下二氧化硫的氧化脱硫过程，提出了：首先在活性位上经过一系列的物理化学反应和表面重整，二氧化硫转化为硫酸，接着经过水合的硫酸脱附或者被洗涤脱离出来2）NOX的去除

去除机理如下所述：ACFs在吸附NO2过程中有两种NO2吸附位。位1(Site1)强烈地吸附NO2分子，尤其是在初始阶段，在O2浓度为10%时发生了明显的岐化作用，产生了NO，表面只剩下N2O3。位2(Site2)吸附NO2较弱较慢，直到达到吸附饱和时才停止，最终导致NO2吸附穿透。N2O3加热时会分解产生NO2和NO，在表面剩下的1或者2个氧同时与碳反应形成CO2、CO。10.4.2传统炭材料在大气污染治理中的应用（2）活性炭纤维1）有机污染物的去除疏水作用π-π有机键氢键共价键静电作用2）氮氧化物的去除10.4.3新型炭材料在大气污染治理中的应用（1）碳纳米管10.4.3新型炭材料在大气污染治理中的应用（2）石墨烯大气处理中催化剂的负载大气吸附净化处理（3）生物炭烟气脱汞H2S的去除思考题1.什么是炭材料，炭材料分类的依据是什么