环境工程材料课件.ppt

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1、第一章绪论,1.1 环境功能材料及设计,1.2 环境净化材料,1.3 环境修复材料,目录,1.4 环境替代材料,1.5 天然生物材料,1.6 合成生物材料,1.1 环境功能材料及设计,1.1.1 环境问题与环境功能材料,可以将对人类生存和发展产生严重威胁的环境问题分为两大类：一类是人类活动所排放的废弃物带来的环境污染；另一类是生态环境的破坏，这些环境问题有些是全球性的，有些是局域性的。温室效应与气候变暖、臭氧层的破环、酸雨、有毒物质污染、生态环境破坏是目前人类面临的极大挑战。,1.1.2 环境功能材料的分类,材料按照环境功能材料在解决环境问题中所起的作用，可以将环境功能材料分为以下一些类型：

2、环境净化材料； 环境修复材料， 环境替代材料。,1.2 环境净化材料,环境净化材料就是能净化或吸附环境中有害物质的材料和物质，包括过滤、吸附、分离、杀菌、消毒等材料。这些材料主要起到环境中污染物去除的作用，主要有水污染净化材料、大气污染净化材料、噪声和电磁辐射等物理污染控制材料等。,在污水与给水处理工艺中，经常使用氧化还原材料、沉淀分离材料、固液分离材料等，已达到去除水中污染物的目的。,1.2.1 水污染净化材料,1.2.1.1 氧化还原材料,氧化还原技术属于一种污水化学转化处理工艺。用于氧化还原处理的材料包括氧化剂、还原剂及催化剂等。常用的氧化材料有活泼非金属材料如臭氧、氯气等，含氧酸盐如高

3、氯酸盐、高锰酸盐等；常用的还原材料有活泼金属原子或离子；常用的催化剂有活性炭、粘土、金属氧化物及高能射线等。,1.2.1.2沉淀分离材料,沉淀分离方法是利用水中悬浮颗粒与水的密度不同进行污染物分离的一种废水处理方法。利用沉淀分离法，可以去除水中的砂粒、化学沉淀物，以及混凝处理形成的絮凝体和生物处理的污泥。沉淀分离从理论上可分为自由沉淀、絮凝沉淀、分层沉淀和压缩沉淀等。,1.2.1.3 固液分离材料,用于废水固液分离的材料包括过滤材料、吸附分离材料和膜分离材料等。市政生活污水通常采用生化处理工艺。固定化微生物技术是使用化学或物理的方法将游离细胞定位于材料的限定空间中，并使其保持生物活性且可反复利

4、用的生物技术。,1.2.2 大气污染净化材料,由于固体表面上存在着分子引力或化学键力，能吸附分子并使其浓集在固体表面上，这种现象称为吸附。具有吸附作用的固体物质称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。吸附法净化气态污染物就是使废气与大表面多孔的固体物质相接触，将废气中的有害组分吸附在固体表面上，从而达到净化的目的。,大气污染是指由于自然或人为原因使大气圈层中某些成分超过正常含量或排入有毒有害的物质，对人类、生物和物体造成危害的现象。,1.2.2.1 吸附剂,1.2.2.2 吸收剂,具有吸收作用的物质称为吸收剂，被吸收的组分称为吸收质，吸收操作得到的液体称为吸收液，剩余的气体称为吸收尾气。,1.2.

5、2.3 净化催化剂,催化转化法净化气态污染物是利用催化剂的催化作用，将废气中的有害物质转变为无害物质或易于去除物质的方法。催化转化剂通常由主活性物质、载体和助催剂组成。,1.2.3 物理污染控制材料,1.2.3.1 噪声控制材料,物理上噪声是声源做无规则振动时发出的声音。在环保的角度上，凡是影响人们正常的学习、生活、休息等的一切声音，都称之为噪声。控制噪声的另一项措施就是阻碍噪声的传递途径，从而减小噪声的危害。 消声设备是附属在声源上或成为其某一部分的一种装置，能使噪声散发在声源附近，或在噪声影响工作和生活以前将其吸收掉。,1.2.3.2 电磁波防护材料,电磁波污染，主要指由电磁波引起的对人体

6、健康的不良影响。电磁波防护材料，目前主要有两类，一类是吸波材料，一类是反射材料。 其原理都是尽量将电磁波屏蔽在机内，最大限度地减少电磁波的机外辐射。,1.3 环境修复材料,1.3.1 生物修复材料,广义的生物修复，指一切以利用生物为主体的环境污染的治理技术。狭义的生物修复，是指通过微生物的作用清除土壤和水体中的污染物，或是使污染物无害化的过程。 环境修复包括生物修复、物理修复和化学修复等，相应的修复材料为植物、化学药剂及其组合，如防止土壤沙漠化的固沙植被材料、二氧化碳固化材料以及臭氧层修复材料等。,1.3.1.1 生物修复的优缺点,种植植物,非生物因素,营养物质,捕食作用,复合基质,电子受体,

7、微生物的协同作用,1.3.1.2 影响生物修复的环境因素,植物修复是利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物使其对环境无害。植物修复的对象是重金属、有机物或放射性元素污染的土壤及水体。研究表明，通过植物一系列作用，可以净化污染物，达到净化环境的目的，因而植物修复是很有潜力、正在发展的清除环境污染的绿色技术。,植物转化也称植物降解，指通过植物体内的新陈代谢作用将吸收的污染物进行分解。,借助植物羽状根系所具有的强烈吸持作用，从污水中吸收，浓集，沉淀金属或有机污染物。,通过植物的吸收促进某些重金属转移为可挥发态，挥发出土壤和植物表面，达到治理土壤重金属污染的目的。,种植特殊植物，利用其根系吸收污染土壤中

8、的有毒有害物质并运移至植物地上部，通过收割地上部物质带走土壤中污染物。,利用植物根际的一些特殊物质使土壤中的污染物转化为相对无害物质的一种方法。,(2)根滤作用,(3)植物辅助生物修复,(4)植物萃取,(5)植物固定,(1)植物转化,植物修复过程中可以具体分为5种：,1.3.1.3 植物修复,1.3.2 固沙植被材料,所谓沙漠化指的就是土地上的生物，其生产力衰退甚至丧失。而会造成的原因，主要还是来自人类对自然环境的破坏。目前的固沙植被材料主要有两大类：一类是高吸水性树脂，另一类是高分子乳液。目前，这些材料主要用于沙漠与荒漠化地区交通干线沿线的护路以及荒坡固定等。技术已经成型的固沙剂具有固结速度

9、快、强度高、无毒害、易于操作等优点，但通常成本较高。,1.4 环境替代材料,1.4.1 氟利昂替代材料,氟里昂是几种氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的总称。氟利昂主要用作制冷剂。 氟利昂是臭氧层破坏的元凶。目前，氟里昂(CFC)的替代品有两大类：一类是过渡性替代材料，另一类是永久性替代材料。,膨胀石墨：膨胀石墨是一种性能优良的吸附剂，尤其是它具有疏松多孔结构，有机化合物具有强大的吸附能力。 柔性石墨 ：它以鳞石墨为原料，经化工处理生成层间化合物。在高温，高压或辐射条件下工作，不发生分解，变形或老化，化学性质稳定。 其他替代品 ：随着科学技术的发展，新的环境友好型的保温隔热材料不断涌现，基本替代了石棉制品

10、。,石 棉：,主要的石棉替代品：,石棉指具有高抗张强度、高挠性、耐化学和热侵蚀、电绝缘和具有可纺性的硅酸盐类矿物产品。它是天然的纤维状的硅酸盐类类矿物质的总称。石棉由纤维束组成，而纤维束又由很长很细的能相互分离的纤维组成。石棉具有高度耐火性、电绝缘性和绝热性，是重要的防火、绝缘和保温材料。石棉主要应用在纺织领域及工业领域。,1.4.2 石棉替代材料,洗衣粉是一种碱性的合成洗涤剂，洗衣粉的主要成分是阴离子表面活性剂：烷基苯磺酸钠，少量非离子表面活性剂，再加一些助剂，磷酸盐，硅酸盐，元明粉，荧光剂，酶等。经混合、喷粉等工艺制成。生活污水中的洗涤废水是磷的外源污染物的一大组成。全球范围内地表水体中磷

11、的富营养化问题，使人们对含磷洗涤剂的使用受到限制。,目前开发的助洗剂主要有以下几类 ： 无机系助洗剂：经过世界各国的研究和应用，一致认为最佳的无机助剂为4A沸石，即4A分子筛。它是一种具有网状结构的不溶高聚物固体，可与液体中的Ca2+和Mg2+进行离子交换反应，吸附纤维织物中含有的污垢和金属离子，使其分散脱离、凝聚，最后形成难溶的沉淀物以达到去污的目的。 有机系助洗剂：a. 氨基羧酸盐；b. 羟基羧酸盐；,1.4.3 无磷洗衣粉的开发与应用,1.5 天然生物材料,1.5.1 天然矿物环境材料,天然矿物材料是指那些只经过简单的物理加工，或表面化学处理就能被当作材料使用的天然矿物或岩石。 我们可以

12、把天然矿物材料分为天然石材、天然粉体功能材料及其它天然矿物材料等两大类 。 天然石材在国际石材贸易中，天然石材习惯上按其形状分为规格石材相碎石材料两大类，而规格石材按其硬度和矿物岩石持征，习惯上分为大理石、花岗石两大类，有些国家把天然板石也作为一个类型。,一种生物成因的硅质沉积岩。由古代硅藻的遗骸组成。,膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，蒙脱石结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2:1型晶体结构。,是一族架状含水的碱或碱土金属铝硅酸盐矿物。天然沸石是一种新兴材料，被广泛应用于工业、农业、国防等部门，并且它的用途还在不断地开拓。, 天然粉体功能材料,a. 硅藻土,b. 膨润土,

13、c. 沸石,1.5.2 天然生物高分子材料,天然高分子生物材料根据其结构和组成，主要有两大类：一类是天然多糖类材料，如纤维素、甲壳素、壳聚糖、透明质酸、肝素、海藻酸、硫酸软骨素等，其中最常用的天然多糖类材料是纤维素和甲壳素等；另一类是天然蛋白类材料，如胶原蛋白、明胶、丝素蛋白、纤维蛋白、弹性硬蛋白等。,1.5.2.1 甲壳素和壳聚糖,甲壳素也称甲壳质，广泛存在于低等植物菌类、虾、蟹、昆虫等甲壳动物的外壳、高等动物的细胞壁等，是地球上仅次于纤维素的第二大可再生资源，是一种线型的高分子多糖，也是唯一的含氮碱性多糖。甲壳素及其衍生物还具有医疗保健功能，如免疫调节、降低胆固醇、抗菌、促进乳酸菌生长、促

14、进伤口愈合以及细胞活性化。其中应用最为广泛的甲壳素衍生物是壳聚糖。,1.5.2.2 胶原蛋白和明胶,胶原是哺乳动物体内结缔组织的主要部分，胶原的基本组成单元是原胶原分子。胶原蛋白的生物学性质： 低免疫原性； 生物相容性； 可生物降解性。胶原蛋白具有其它替代材料无可比拟的优越性：具有一定的热稳定性；胶原天然的紧密的纤维结构，使胶原材料显示出很强的韧性和强度，适用于薄膜材料的制备；大最胶原被用作制造肠衣等可食用包装材料 。,1.6 合成生物材料,合成生物高分子材料可以通过单体聚合的方法或微生物发酵的方法获得，通过组成和结构来控制高分子材料的物理、化学和生物学性能 。,1.6.1 合成生物高分子材料

15、的分类,根据其降解性能，合成生物高分子材料可分为生物惰性高分子材料和生物降解性高分子材料。生物惰性高分子或非生物降解高分子材料根据材料的理化性能。,1.6.2 合成生物高分子材料的一般制备方法,据由小分子形成高分子化合物的反应机制，化学合成高分子化合物的基本方法有两种，连锁聚合反应和逐步聚合反应。此外，还可通过生物发酵的方法合成高分子材料。由一种或几种单体通过缩合聚合等方法形成高分子的反应称逐步聚合反应。缩合聚合过程中，生成高分子化合物的同时，有水、氨气、卤化氢、醇等小分子物质析出，所以缩聚反应生成的高分子化合物其成分与单体是不同的，而通过开环聚合形成的高分子成分与单体是相同的。,逐步聚合反应

16、的特点是： 反应是由若干个聚合反应构成的，单体是逐步进行反应连接在一起的； 反应可以停在某一阶段上，可得到中间产物； 对缩合聚合而言，重复单元的化学结构与单体的结构不完全相同，而对于开环聚合而言，重复单元的化学结构与单体的结构完全相同； 延长反应时间可以提高产物的分子量，而对单体的转化率影响不大，单体的转化率和分子量与反应条件关系密切。,有机硅是指含Si-C键的化合物，由于聚硅氧烷具有无毒、无味、生物相容性好、无皮肤致敏性、生理惰性、耐高低温、不燃、透气性好、独特的溶液渗透性以及物化性能稳定等特点，在医学领域中的应用发展迅速。,由于硅橡胶制品与人体组织相容性好，植入体内无毒副反应，易于成型加工

17、，适于做成各种形状的管、片、制品，因而是目前医用高分子材料中应用最广、能基本上满足不同使用要求的一类主要材料。,1.6.3 有机硅生物材料,THANK YOU!,赵倩 制作,第二章过滤材料,2.1 环 境 颗 粒 物,2.2 滤料分类、性能与过滤机理,2.3 颗 粒 滤 料,目录,2.4 纤 维 滤 料,2.5 织 物 滤 料,空气颗粒物按其来源可分为一次颗粒物和二次颗粒物。一次颗粒物直接由源排放到环境空气中，例如粉尘、煤烟和雾等；而二次颗粒物则在环境中与排放物质发生化学反应而生成，像土壤、森林大火及闪电产生的NOx的氧化以及化石燃料燃烧排放的SO2的氧化。,2.1 环境颗粒物,2.1.1 空

18、气颗粒物,“颗粒物”一般指存在于环境中的一些粒径范围较宽、物理和化学性质不同的液体或固体颗粒。,2.1.2 水中颗粒物,水中颗粒物是水中呈固体状的不溶性物质。它的性质较为复杂，种类繁多，主要分为矿物、金属水合氧化物、腐殖质、悬浮物以及胶体和半胶体几大类。, 矿物和粘土矿物非粘土矿物和粘土矿物都是原生岩石在风化过程中形成的。 金属水合氧化物天然水中几种重要的容易形成金属水合氧化物的是铝、铁、锰、硅等金属。 腐殖质主要就是腐殖酸，例如富里酸、胡敏酸等。 悬浮沉积物矿物微粒经絮凝成为较粗颗粒而沉积到水体底部。 其他废水排出的表面活性剂、油滴等半胶体。,液体过滤中过滤材料分为表面过滤材料料和深层过滤材

19、料。,按制造材料可分为天然高分子材料，合成高分子材料和无机及金属材料等。,按结构可分为柔性、刚性及松散性过滤材料。,分类,按作用原理,按材质,按结构,2.2 滤料分类、性能与过滤机理,2.2.1 滤料分类,过滤材料的性能包括： 截留能力、渗透性、抗堵塞能力以及机械性能。 截留能力截留能力是各种材料所能截留的最小颗粒尺寸，取决于材料孔隙的大小及分布情况。 抗堵塞能力单位面积过滤材料在正常过滤操作条件下，能截留、容纳流体中一定粒径范围的颗粒的量，称之为抗堵塞能力或容渣能力。 渗透性渗透性是过滤材料对滤液流动阻力的反映特性，而流动阻力影响着过滤机的生产率以及使用功率。 机械性能过滤材料的机械性能包括

20、强度、抗磨损的能力、尺寸稳定性和使用寿命以及可加工性等。 使用性能过滤材料应具有适当的表面特性，滤饼易卸除，介质表面易清洗，且介质的价格应合理，不昂贵。,2.2.2 滤料的性能,2.2.3 过滤机理,2.2.3.1 液体过滤机理,过滤是一个复杂过程，经过不断的研究发现，水流中的悬浮颗粒能够粘附于滤料的表面，首先要考虑被水流挟带的颗粒如何与滤料表面接近或接触，这就是迁移机理；当颗粒与滤料表面接触或接近时，依靠哪些力的作用使得他们粘附于滤料表面上，这又涉及粘附机理。, 颗粒迁移 液体过滤时存在着5种物理迁移过程，以将悬浮颗粒从流体中迁移至过滤材料的表面。一是阻截作用，二是重力作用，三是惯性作用，四

21、是扩散作用，五是水动力作用。 颗粒吸附吸附是一种物理化学作用。当水中杂质颗粒迁移到滤料表面上时，在物理化学力的作用下，被吸附于滤料表面上，或者吸附在滤料表面原先吸附的颗粒上。,2.2.3.2 气体过滤机理,过滤材料在大气污染物治理中主要用于颗粒物的去除。使含尘气体通过具有很多毛细孔的过滤介质将污染物颗粒截留下来的除尘方法称为过滤除尘。过滤除尘的滤尘过程比较复杂，它是多种沉降过程联合作用的结果，其中最主要的有以下几种机理。,惯性碰撞 扩散 重力沉降 筛滤 静电吸引,2.3 颗粒滤料,2.3.1 石英砂滤料,石英砂滤料是目前水处理行业中使用最广泛、使用量最大的净水材料。他是采用天然石英矿为原料，经

22、破碎，水洗精筛等加工工艺制成。该滤料无杂质，机械强度高，化学性能稳定，截污能力强，适用于单层、双层过滤池和过滤器中。,2.3.1.1 铁盐改性石英砂,铁盐改性石英砂去除污染物，一方面是靠滤料对颗粒态污染物的物理截留、粘附、吸附作用，也就是如何增大滤料的比表面积；另一方面是表面涂铁层对污染物的吸附作用。二者的共同作用才使改性石英砂的除污效果大为提高。,低温或低温低浊的微污染原水在常规的混凝、沉淀、过滤等处理工艺中得不到理想的处理效果。采用氧化铝改性后，可改变石英砂表面的电负性。如果过滤原水pH pHpzc，涂铝砂的氢氧化物表面发生酸性离解，导致表面带负电荷，吸附水中带正电颗粒或离子能力较强；当原

23、水pH pHpzc，涂铝砂的氢氧化物表面发生碱性离解，带正电荷，吸附水中带负电颗粒或离子能力较强；因此可针对水体中的不同污染物，通过改变原水的pH值将其去除。,2.3.1.2 铝盐改性石英砂,2.3.1.3 石英砂滤料的应用, 对悬浮杂质的去除 用铝砂和铁砂可进行强化过滤处理微污染水，改性石英砂比天然石英砂对浑浊度的去除率平均高出13%以上 。 对有机物的去除 经对比，涂铝砂更有利于吸附水中的有机物。 对重金属离子的去除当废水pH值高于涂铝砂等电点的pH值时，材料表面带负电荷，有利于水中金属阳离子等带正电荷物质的吸附。 对藻类的去除采用改性石英砂滤料对含藻水进行处理，经混凝沉淀后水中的余铝对藻

24、类的去除有促进作用。 氟的去除 用活性氧化铝改性石英砂，构成可进行配体交换吸附的除氟材料，可提高其除氟效果。 磷的去除提高磷吸附容量的是增加涂层质量和厚度，或者使吸附在酸性环境中进行。,无烟煤滤料的机械强度高，化学性能稳定，不含有毒物质，耐磨损，在酸性、中性、碱性水中均不溶解，颗粒表面粗糙，有良好的吸附能力，孔隙率大，有较高的纳污能力。无烟煤滤料在过滤过程中直接影响过滤的水质，故对滤料的选择必须满足以下几点要求： 机械强度高，破碎率和磨损率之和不应大于3%； 化学性质稳定，不含有毒物质，不应含可见的页岩、泥土或碎片杂质。在一般酸性、碱性、中性水中均不溶解； 粒径级配合理，比表面积大。产品外观呈

25、球状而有棱角，光泽度好，经机械振动三次筛分，级配符合有关技术指标。均匀系数不大于1.5，不均匀系数在1.62.0之间； 粒径范围小于指定下限粒径按重量计不大于5%，大于指定上限粒径按重量计不大于5%。,2.3.2 无烟煤滤料,2.3.2.1 无烟煤的性能,2.3.2.2 无烟煤滤料表明改性,天然滤料因其比表面积有限，孔隙率低及不经济性等缺点，一般都要将其进行表面改性，以提高其吸附性能。目前无烟煤滤料常见的改性方法主要有碱性沉积法和浸泡改性，常用的改性剂为NaCl、AlCl3和FeCl3等。主要过程包括预处理、碱性沉积法、浸泡改性。,2.3.3 陶粒滤料,陶粒滤料属于人工轻质滤料，是一种新型净水

26、材料。它是由粘土质矿物，页岩类矿物和工业废弃物等为主要原料，经加工成粒或粉磨成球，再烧胀而成的人造轻骨料。陶粒不含对人体有害的重金属离子及其他有害物质。,陶粒滤料是一种无机滤料，主要化学成分为SiO2、Al2O3和熔剂，熔剂包括CaO、MgO、MnO、Fe2O3、FeO、TiO2和K2O等。陶粒滤料粒度均匀，外部为铁褐色或棕色坚硬外壳，表面粗糙，不规则。内部具有封闭式微孔结构，比表面积较大，化学和热稳定性好，具有较好的吸附性能，易于再生和重复利用；由于陶粒的比表面积和孔隙率均高于石英砂滤料，因此其不仅适用于城镇和工业给水处理，也可广泛用于冶金、石油、化工、纺织等工业废水的的治理，对金属离子的去

27、除方面也有显著的效果。,2.3.3.1 陶粒滤料的化学成分和性能,陶粒种类繁多，按形状可分为圆柱型、圆球型、碎石型；按原料不同可分为粘土陶粒、页岩陶粒、粉煤灰陶粒、煤矸石陶粒、垃圾陶粒等。,2.3.3.2 陶粒的种类, 按形状分类： a. 碎石型陶粒b. 圆球形陶粒c. 圆柱形陶粒。 按原料分类：a. 页岩陶粒b. 粘土陶粒c. 粉煤灰陶粒g. 河底泥陶粒e. 煤矸石陶粒f. 污泥陶粒d. 垃圾陶粒。,2.3.3.3 陶粒滤料的应用现状,我国对好氧生物滤池填料的研究以陶粒为最多，这是因为陶粒不仅材料低廉易得，而且具有耐高温、耐腐蚀等优良特性，特别适合我国的国情。生物陶粒的过滤机理与普通快滤池有

28、所不同，过滤作用主要基于机械截留作用、微生物新陈代谢产生的黏性物质起吸附架桥作用和降低水中胶体颗粒的Zeta电位作用，使部分胶粒脱去形成较大颗粒而被去除。,2.4 纤维滤料,2.4.1 天然纤维,天然纤维是自然界原有的或经人工培植的植物上、人工饲养的动物上直接取得的纺织纤维，是纺织工业的重要材料来源。天然纤维的种类很多，长期大量用于纺织的有棉、麻、毛、丝四种。棉和麻是植物纤维，主要组成物质是纤维素，又称为天然纤维素纤维。毛和丝是动物纤维，主要组成物质是蛋白质，又称为天然蛋白质纤维，分为毛和腺分泌物两类。毛发类指绵羊毛和山羊毛等；腺分泌物主要指桑蚕丝、柞蚕丝等，蚕丝产品价格昂贵，应用范围较窄。,

29、2.4.1.1 棉纤维, 棉纤维的种类 棉纤维是从棉花中取得的纤维，种类很多，按棉花的品种分为细绒棉和长绒棉。 棉纤维的结构与性能 棉纤维的主要成分是纤维素 。,2.4.1.2 麻纤维, 麻纤维的种类 麻纤维是从各种麻类植物取得的纤维，分茎纤维和叶纤维两类。 麻纤维的性能 麻纤维的物理性能主要表现在强伸性和弹性，麻纤维是天然纤维中强度最大、伸长最小的纤维 。, 羊毛纤维的形态结构和化学组成 羊毛是天然蛋白质纤维，主要成分由角朊的蛋白质构成 。 羊毛纤维的性能 羊毛纤维的物理性质主要体现在具有较好的吸湿性，它为纺织纤维中吸湿性最为优异的品种；羊毛可塑性较强，羊毛在湿热条件下膨化，失去弹性，在外力

30、作用下，可压成各种形状并保持形状不变；羊毛纤维弹性好，是天然纤维中弹性恢复性最好的纤维；羊毛的比重小，在1.281.33之间有较高的断裂伸长率和优良的弹性，所以在使用中羊毛织品较其它天然纤维织品坚牢。,2.4.1.3 羊毛纤维,2.4.1.4 蚕丝,蚕丝，是熟蚕结茧时分泌丝液凝固而成的连续长纤维，也称“天然丝”。它与羊毛一样，是人类最早利用的动物纤维之一,2.4.2 合成纤维,2.4.2.1 丙纶, 丙纶的分子结构 丙纶的分子仅由碳氢两种原子组成，其基本组成物质为等规聚丙烯，它的大分子结构特征在于分子链为规整的线型，沿分子链上各链节的化学组成都相同。 丙纶的性质：a. 密度b. 力学性能c.

31、热性能e. 化学性能d. 吸湿性正是由于丙纶具有上述的特点，用丙纶制成的滤布表面光滑，质地柔软，易于卸渣，并能延缓堵塞的发生，安全使用温度在100C以内。吸湿性很低，在0.3%以下，并且只需在过滤循环之间进行清洗，便可实现再生。此外，聚丙烯滤布不受微生物的影响。,2.4.2.2 腈纶, 腈纶的分子结构 聚丙烯腈纤维应指用85%以上的丙烯腈与第二和第三单体的共聚物，经纺制而成的纤维。 腈纶的性质a. 形态c. 吸湿性d. 耐光性e. 化学性能b. 力学性能,2.4.3 无机纤维,无机纤维是由天然无机物经物理或化学方法生产加工制成的，属于高性能纤维的一种。无机纤维在应力作用下只有很小的变形，也就是

32、说它在较低的断裂伸长强度下显示高的弹性模量值。无机纤维中除碳纤维外，其它的无机纤维都是不燃的。无机纤维主要品种有玻璃纤维、金属纤维、陶瓷纤维和碳纤维等。,2.4.4 过滤用纤维材料的选择,纤维是滤料的重要组成部分，滤料的耐温性、耐蚀性、阻燃性等指标主要依据其组成的纤维性能确定。正确地选择纤维过滤介质（过滤材料）是有效净化污染物的关键，因此在环境治理中要根据污染物的性质正确的使用纤维滤料。,2.5 织物滤料,由纤维集合形成的厚度远比面积小的集合体称为织物，所以通常将织物视为二维集合体。织物过滤材料是各种过滤介质中使用最为广泛的材料，根据纤维集合成形方法的不同，可将织物分为机织物、针织物和非织造物

33、。其中机织物和针织物的结构是以纱线为基本结构单元，而非织造织物是以纤维为基本结构单元。,2.5.1 纤维成纱,纱线是先将松散的纤维聚结、梳理、拉旋成捻，然后根据需要合股加捻成纱线。常见的纱线形式有3种。单丝纱是由合成纤维制成的单根连续长丝，其直径为20m（23）mm。单纱线纺成一根多股纱线，也叫复丝纱。短纤维合股加捻能纺成起绒的多股纱线，这种纱线织成的滤布具有很好的内部过滤作用。,2.5.2 机织物滤料,2.5.2.1 机织物的成形与分类,通常把经纱和纬纱呈直角交织而成的织物称为机织物。机织物最初的分类方法是根据纤维种类的不同分为棉织物、毛织物、麻织物和丝织物。后来在这些织物中不同程度地混用各

34、种化学纤维，目的在于取代一部分天然纤维，以改善织物的性能。,2.5.2.2 过滤用机织物滤料的形式,用作过滤材料的机织物是以合股加捻的经、纬纱线或单丝作经纬线织成的过滤布，称为二维结构的过滤布。由单丝纱制成的单丝滤布，孔隙分布规则均匀，孔径分布范围很窄，滤布没有纤维间的细小孔隙，因此有很高的分离能力；表面光滑整齐、卸饼容易；单位面积开孔多、流通量大；不易阻塞，抗污染强。复丝纱织成滤布的特点是阻力大、孔隙结构复杂、抗污染能力低、使用寿命短，但抗拉强度高，再生性能较好。短纤维纱织成滤布的特点是颗粒截留性能好，并可提供极佳的密封性能。,2.5.3 针织物滤料,将纱线编织成线圈并相互串套而形成的织物称

35、为针织物，按成形方式可将针织物分为纬编和经编两大类。纬编针织物的横向延伸性较大，有一定弹性，许多组织结构的纬编针织物均具有较大的脱散性。经编针织物的延伸性小，弹性较好，脱散性小。,2.5.3.1 针织物的成形与分类,线圈是组成针织物的基本单元。根据线圈的结构及组合方式不同，构成了纬编织物和经编织物等不同的组织。纬编针织物的基本组织有纬平针组织、罗纹组织、双反面组织和双罗纹组织。经编针织物的基本组织有编链组织、经平组织、经缎组织等，但因其花纹效应少，织物的覆盖性和稳定性差，加上线圈易产生歪斜，故很少单独使用。,2.5.3.2 针织物的结构,Thank You !,赵倩 制作,第三章吸附分离材料,

36、3.1 吸附作用与吸附分离材料的种类,3.2 碳质吸附材料,3.3 离子交换吸附材料,目录,3.4 生物吸附材料,3.1 吸附作用与吸附分离材料的种类,3.1.1 吸附作用,当流体（气体或液体）与多孔固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积蓄的现象称为吸附。在表面积不能改变的情况下，通过吸附可以达到降低界面张力的目的，所以吸附过程是自发过程，且真正干净的固体难以获得。其中被吸附到固体表面的组分称为吸附质，吸附吸附质的多孔固体称为吸附剂。,3.1.1.1 吸附概念和类型,根据吸附质与吸附剂表面分子间作用力的性质，吸附作用可分为物理吸附和化学吸附。 物理吸附 a. 发生物理吸附时，吸

37、附分子和固体表面组成都不会改变，即不发生化学反应； b. 物理吸附无选择性，可以是单分子层吸附也可以是多分子层吸附； c. 吸附过程是放热的，因而温度对其影响大，在低温时吸附量高，反之，升高温度会使其解吸； d. 物理吸附通常进行的很快，且吸附剂与流体分子间的吸附力弱，因而有较高的可逆性。当改变吸附操作条件，被吸附的分子很容易从固体表面上逸出。 化学吸附 a. 吸附有选择性，被吸附物呈单分子层； b. 吸附作用强，吸附热接近化学反应热，除特殊情况外，自发的吸附过程是放热过程； c. 化学吸附的反应速率快，且吸附速率随温度的升高而增加； d. 吸附过程不可逆，且不易解吸。,3.1.1.2 吸附原

38、理,固体表面由于存在着未平衡的分子引力和化学键力，而使所接触的气体或溶质发生吸附现象。吸附过程是放热的，因而吸附热能使吸附剂升温，对吸附作用产生影响。吸附过程大体分如下三个步骤： 吸附质通过边界层扩散到吸附剂外表面（外扩散）； 吸附质经吸附剂内孔扩散到吸附剂内表面（内扩散）； 吸附质吸附在表面上（化学吸附）或进一步发生反应。,吸附分离材料按化学结构可分为无机吸附剂、高分子吸附剂和碳质吸附剂三类。无机吸附剂是指具有一定晶体结构的无机化合物；高分子吸附剂是由烯类单体聚合制成的 ；碳质吸附剂是一类介于无机和有机吸附剂之间的一类吸附材料, 工业废水中电解质或离子型污染物的去除，应选择离子交换树脂或离子

39、交换纤维，可达到最佳的环境净化和控制目标； 废水中去除重金属污染物，宜选择吸附树脂可以定量地将其从废水中除去并实现回收利用； 大气中气态分子型污染物的去除，宜选择高比表面积和0.5nm以下微小孔径占主导地位的活性炭和分子筛等； 气体或废水中分子型有机污染物的去除，各种类型的吸附树脂是最佳选择，其分离效率往往可以达到99%以上，并且具有回收利用污染物并实现资源化的功能。,3.1.2 吸附分离材料的种类与选择原则,3.1.2.1 吸附分离材料的种类,3.1.2.2 吸附分离材料的选择原则,3.2 碳质吸附材料,3.2.1 颗粒活性炭吸附材料,活性炭是最常用的碳质吸附剂，由无定形碳和少量灰分组成。活

40、性炭因其形状不同有粉末和颗粒活性炭二类。在活性炭工业发展过程中，为了扩大活性炭的原料来源和用途，从上个世纪30年代开始用煤生产定型颗粒炭，用硬果壳生产不定型颗粒炭。由于颗粒炭本身具有一定的强度，再生容易，使用寿命长，使用方便等优越性，在空气净化、水处理等方面的大量使用，使其在量和质上都超过了粉末活性炭。,3.2.1.1 颗粒活性炭的分类,颗粒活性炭又称粒状活性炭，外观为暗黑色，具有良好的吸附性能，其化学性质稳定，耐高温和强酸强碱，密度比水小，是一种多孔的疏水性吸附剂。按生产原料不同可分为煤基活性炭、木质活性炭、果壳活性炭和合成活性炭等。按型状分定型和不定型；按生产方法又分为气体活化法和化学活化

41、法。,3.2.1.2 颗粒活性炭的性质,化学特性 活性炭的吸附特性，不仅受孔结构的影响，而且受到活性炭表面化学性质的影响。活性炭的主要成分是碳元素，一般含量均超过80%，纯碳表面是非极性的，主要通过物理吸附作用易于吸附非极性的和弱极性的物质。, 物理特性 活性炭的物理特性主要指其多孔性结构。从宏观上看，活性炭是非晶体，但从微观角度看，活性炭是由微细的石墨微晶和将这些石墨微晶连接在一起的碳氢化合物组成。在制造活性炭的活化过程中，其挥发性有机物被去除，晶格间生成各种形状和大小不同的孔隙，因而构成巨大的吸附表面积，赋予活性炭特有的吸附性能。,3.2.1.3 颗粒活性炭的制备,颗粒活性炭由含碳原料在不

42、高于773K下炭化，然后通水蒸气活化制成。将原料经过破碎制成一定粒度（约为200目以下）。加入焦油和沥青等黏合剂加热混合，通过挤压机挤压成形，切成一定尺寸的团块，然后经过固化烧结、干燥，缓缓地加热炭化制成致密坚硬的炭材，再放入活化炉，控制氧气量进行蒸气活化。通常煤质和果壳活性炭采用上述方法制备时，产品形状以颗粒状为主。而木质活性炭的产品形状以粉状为主。,3.2.1.4 颗粒活性炭的应用,a. 在原水、饮用水净化中的应用原水、饮用水中主要有消毒副产物、含氮化合物以及残留洗涤剂、农药、酚、菌类等污染物。颗粒活性炭最初应用于水处理领域是从去除水中产生嗅味的物质开始的，随着人们对饮用水安全的重视，研究

43、重点从仅去除水中的嗅味物质转移到去除有机污染物方面。,b. 活性炭在废水处理中的应用根据现有的研究资料显示，活性炭吸附法处理的废水包括有机废水、印染废水、含油废水、含酚废水、含重金属废水等，均取得了良好效果。在有机废水处理中，由于活性炭对有机物的吸附能力不同，要针对不同工业有机废水进行工艺设计，在某些情况下，活性炭对混合有机物的吸附容量有时比单独组分还要大。, 水处理中的应用, 废气治理中的应用,活性炭用作气体吸附剂，开始于第一次世界大战的防毒面具。第一次世界大战结束以后，在欧美各国活性炭的应用逐渐普及到溶剂回收、气体精制和分离中。目前活性炭在废气治理中，主要用于烟气脱硫和空气净化等方面。活性

44、炭在空气净化中多作为空气净化器中的吸附剂，吸附剂的更换费用和更换后的活性炭处理问题限制了其应用。由于空气净化装置本身没有再生装置，所以当吸附剂吸附有害物质达到饱和时，就需要更换活性炭吸附剂，并且为了防止二次污染也需要对更换下来的活性炭吸附剂进行统一管理和处理。,3.2.2 活性炭纤维吸附材料,3.2.2.1 活性炭纤维的简介,活性炭纤维（ACF）又称纤维状活性炭，是继粉状活性炭和粒状活性炭之后的第3种类型的活性炭材料。人们最初将传统的粉状或粒状活性炭吸附在有机纤维上或灌到空心有机纤维里制成纤维状活性炭，但产品性能不够理想。目前应用的ACF是将碳纤维及可碳化纤维经过物理活化、化学活化或物理化学活

45、化反应后，所制得的具有丰富和发达孔隙结构的功能型碳纤维，其多用作吸附材料、催化剂载体、电极材料等。,活性炭纤维是由原料纤维经预处理、炭化和活化三个阶段制备而成。,通常采取氧化预处理，使丙烯腈和沥青分子形成梯状聚合物而提高原料纤维的热稳定性。,采用热分解反应来排除原料纤维中可挥发的非碳元素。用热缩聚反应使富集的碳原子重新排列成石墨微晶结构，最终生成碳纤维。,活化反应是活性炭纤维生成发达的微孔结构和比表面积的重要工艺过程。, 预处理, 炭化, 活化,3.2.2.2 活性炭纤维的制备工艺,活性炭纤维因其优异的吸附性能而广泛用于空气净化、废水处理、溶剂回收、贵金属回收等方面。,3.2.2.3 活性炭纤

46、维的应用,性炭纤维较一般活性炭吸附容量大，因此用其制造的水净化装置净化效率高，且处理量大。,近年来由于水质污染日趋严重，新型的活性炭纤维对饮用水进行深度处理得到了越来越广泛的研究和推广应用。,SO2在ACF上吸附后，在O2存在下被催化氧化为SO3，SO3再与烟气中的水蒸汽作用形成H2SO4。,ACF对多种气体有特殊的吸附、分解能力, 饮用水深度处理, 废气处理, 空气净化, 废水处理,3.2.3 膨胀石墨吸附材料,3.2.3.1 膨胀石墨的特点,膨胀石墨是制造柔性石墨的中间产品，是一种新型碳素材料。膨胀石墨除了具有石墨的耐高温、耐腐蚀、自润滑等特点外，还具有其他特性：由于天然鳞片石墨沿微晶C轴

47、方向膨胀数十倍到数百倍，从而在材料表面和内部形成许多微小的孔，比表面积大大增加，是一种很好的吸附材料；膨胀石墨表面主要表现为非极性，所以疏水亲油，在水中具有选择性吸附特性，对轻质油、重质油具有良好的吸附性；膨胀石墨具有多孔性，且主要以中、大孔为主，可用于废气脱除、催化剂载体等领域；膨胀石墨还具有低密度、质轻的特点，并且耐氧化、耐腐蚀，具有高的化学稳定性，还可以耐高温、低温，无毒，不会造成环境污染。,制备膨胀石墨的第一步是让天然鳞片石墨与氧化剂发生反应，以消除鳞片石墨层间作用力，从而使石墨层间打开。鳞片石墨氧化时可直接利用氧化剂进行化学氧化，也可在电场作用下进行电化学氧化；第二步是加入酸类物质作

48、为插层剂，在石墨层间已经打开的情况下，插入剂分子或离子得以插入层间形成石墨盐，该石墨被称为酸化石墨或可膨胀石墨；第三步是高温膨化，1000C左右的瞬间高温处理，体积可膨胀为原来的百倍到数百倍。,3.2.3.2 膨胀石墨的制备工艺,3.2.3.3 膨胀石墨在环境工程中的应用, 油类污染治理 由于膨胀石墨具有疏水亲油的性能，在吸附了大量的油后，结成块状浮在水面而不下沉，便于收集。膨胀石墨对重油的吸附性能远远高于其他吸附剂。 废水治理 胀石墨对印染废水、重金属废水、农药废水及有机废水均有较好的处理效果。膨胀石墨在处理有机废水和重金属废水方面有很好的降解效果。 废气治理 胀石墨可以对煤和石油燃烧产生的

49、SO2和NOx等有害气体进行脱除。,离子交换吸附材料也属于离子交换剂的范畴，离子交换剂是一种带有可交换离子的不溶性固体物，由固体母体和交换基团两部分组成，交换基团内含有可游离交换的离子（阳离子或阴离子），离子交换反应是可游离交换的离子与水中同性离子间的交换过程。离子交换反应具有可逆性和等当量交换两个基本特征，反应的可逆性是离子交换剂反复使用的化学基础，交换反应的等当量性可用来测定离子交换剂的交换容量。交换过程电荷传递也呈当量关系，所以交换过程任一瞬间离子交换剂保持电中性。,3.3.1 离子交换分离原理,3.3 离子交换吸附材料,3.3.2.1 沸石, 沸石结构 沸石是一种呈结晶阴离子型架状结构

50、的多孔硅铝酸盐。沸石根据结构和键的类型可分为纤维状、层状和严格的三维空间结构，常用三维网架结构来代表沸石。 沸石性质 沸石的性质主要决定于上述沸石的结构以及其中的水分子和阳离子的性质。a. 阳离子交换性能 ；b. 选择吸附性能；c. 沸石的稳定性。 沸石的改性 沸石的改性主要有以下几种方法：a. 高温焙烧；b. 酸处理；c. 盐或(和)碱处理；d. 改变硅铝比。 沸石在环境工程中的应用 水处理中的应用；废气处理中的应用。,3.3.2 无机离子交换吸附材料,3.3.2.2 其他无机离子交换吸附材料,天然膨润土由于其表面硅氧结构具有极强的亲水性及层间阳离子的水解，使表面通常蒙上一层薄的水膜，故未经