材料化学-环境功能材料

2.3 其他多孔吸附材料
活性氧化铝： 做催化剂的载体处理汽车尾气 重金属废水的处理、饮用水去氟、水体除磷 硅胶： 净化剂等 用作干燥剂、催化剂载体、气体和液体
沸石分子筛： 用作干燥剂，可以吸附废气中的SO2和 NOx 吸附树脂： 吸附水溶液中的有机物（非离子型） 水质软化（钙、镁），可再生利用
3 无孔吸附材料
汇报人：彭乾
闽南师范大学
土壤污染
水污染 大气污染 固废污染
吸附材料
光催化材料
电催化材料
催化湿式氧化催化剂 介绍这类材料
电磁污染控制材料
噪声污染控制材料
新型环境替代材料
能源技术与功能材料 电磁污染控制材料
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吸附的概述 多孔吸附材料 无孔吸附材料 纳米吸附材料 前沿与展望
1 吸附的概述
2.2 活性炭的应用
脱硫脱氮 烟气治理的发展方向，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。
2.2 活性炭的应用
空气净化 活性炭吸附可以达到脱湿、去除有害气 体（甲醛\二甲苯等）、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。 应用于 空气净化器 家居除异味 车载除味等
5 前沿与展望 MOFs材料
金属—有机骨架材料（即多孔配位聚合物），由含氧 或含氮的有机配体与金属盐通过金属—配体络合作用 自主装而成具有周期性网络结构的晶体。
从微观角度看，金属—有机骨架材料先由金属盐在空 间形成三维次级构筑ຫໍສະໝຸດ Baidu元 （SecondaryBuildingUnits），再由有机配体将金属 构筑单元通过配位键（甚至超分子作用）连接，从而 形成具有永久孔隙度的空间有序网络结构。
吸附容量大
优势
吸附速率快
气体相对压力低吸附能力仍然 很好
MOFs材料是一种新型的潜在优良吸附材料，在吸附净 化VOCs领域具有广阔的应用前景。现有研究的VOCs主 要集中在苯系物和烷烃,对其它VOCs醛酮类等的研究 尚有待进一步完善。除了气态的VOCs吸附研究,对水 中的吸附净化应用可行性也需要开展研究。
玻璃纤维 纤维材料 无 孔 吸 附 材 料 棉纤维 化学纤维 壳聚糖
比表面积较大 但远低于多孔材料 吸附发生在表面 大分子的污染物 凝胶材料 涂覆其他材料
生物材料
菌丝体
藻类 活性污泥 磁铁矿 重金属等 重金属
矿物材料
3 无孔吸附材料
活性污泥
微生物群体及它们所依附的有机物 质和无机物质的总称。其中含有大 量碳，可吸附水中的异嗅味、色素 、表面活性剂、重金属等；还有大 量微生物和有机官能团，复杂的微 生物与废水中的有机营养物（污染 物）形成了复杂的食物链，可以起 到吸附水中有机污染物并将其降解的作用。
如今，活性污泥法及其衍生改良工艺是处理城市 污水最广泛使用的方法之一。
3 无孔吸附材料
污水处理公司使 用活性污泥去除 重金属和降解有 机污染物等
4 纳米吸附材料
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。
5 前沿与展望
展望： 目前，研究者主要关注高效新型吸附材料的 研制和吸附去除新兴污染物的特性和机理。 除了常见的重金属和有机污染物之外，近年来，人 们关注环境中的微量的新型污染物，比如： 持久性有机污染物 POPs 药物和个人护肤品 PPCPs 内分泌干扰物 EDCs
吸附法仍是去除这些污染物的有效方法，如何发挥 吸附的优势，高效去除这些污染物也必将会是研究 的热点。
中孔（介孔）
孔隙直径或孔宽 小于2-50nm
大孔
孔隙直径或孔宽 大于50nm
其中微孔在吸附过程中起主导作用，吸附性能好的 活性炭微孔可占总表面积的90-95%以上，是影响吸 附能力的主要因素，其所占比例越大，吸附能力也 就越强。
2.1 多孔吸附材料——活性炭
活性炭的表面基团： 活性炭的吸附主要是范德华力作用引起的物理吸附， 其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。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。
吸附方式
解吸结果 吸附过程
单分子层或多分子层
吸附质能还原 可逆，速度快
一般为单分子层
吸附质不能还原 不可逆
1 吸附的概述
吸附法是去除环境中污染物最为快捷有效的方法之 一，利用吸附法进行物质分离已有漫长的历史，以 活性炭为例： 公元前1550年，古埃及有木炭作为医用的记载。 中国明代李时珍（公元1518-1593年）所编著的 本草纲目中提及木炭用于治疗疾病。 在二十世纪初，欧洲诞生了活性炭工业。 到二十世纪六十年代后，国内外的研究者在活性 炭的使用和研发上作出了大量的工作。
工业上常用的吸附剂 活性炭 活性氧化铝 环境吸附材料 多孔吸附材料 无孔吸附材料
硅胶
沸石分子筛等
纳米吸附材料
1 吸附的概述
比表面积是吸附材料，特别是多孔吸附材料的重要 指标。它的大小较直观地表明吸附剂吸附能力的大 小。 例如： 常规活性炭比表面积在600~1500m2/g 超级活性炭比表面积在2500~4000m2/g NU-110(金属有机骨架）比表面积高达7000m2/g 在制造吸附剂时，应尽量增大比表面积以增大其吸 附能力。
谢 谢 聆 听
吸附：当流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，这种现象称为吸附。 根据作用力的不同，通常包括物理吸附和化学吸附。
吸附剂
吸附剂
物理吸附
吸附质
化学吸附
吸附质
物理吸附和化学吸附比较
物理吸附 作用力 现象 热效应 范德华力 类似于冷凝 近似于冷凝热 化学吸附 化学键 类似于化学反应 近似于化学反应热
2.2 活性炭的应用
城市给水处理 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。 在应急供水中，活性炭是最常用的有效吸附材料。
2.2 活性炭的应用
纯净水的制备 活性炭可将自来水进行进一步的净 化达到直饮水或纯净水等的水质要求，一般采用粒 状活性炭进行处理，主要的作用是进一步吸附水中 活性炭净水器 的有机物和嗅味物质，并对水进行脱氯处理。
MOFs空间结构——高比表面积、大孔容
传统的多孔吸附材料,如活 性炭和分子筛等的BET比表 面积通常100~1000m2/g 近年来开发的KOH活化改性 活性炭的BET比表面积可以 达到3000~4000m2/g。与这 些材料相比MOF-210等典型 MOFs吸附材料在比表面积 上具有很大的优势!
碳纳米管 石墨烯 富勒烯 二氧化钛纳米管 较好的吸附能力 光催化降解污染物
主要包括
4 纳米吸附材料
碳纳米管 尺寸很小，但是单壁纳米管 理论比表面积可高达 3000m2/g，在水处理中： 吸附Pb2+,Cd2+,Hg2+等重金属 离子 对酚类、酯类等也有强吸附 作用 存在问题：循环再生 短期内难以取代传统吸附材料 降低成本 二次污染
2.1 多孔吸附材料——活性炭
活性炭是由含碳材料制成的外观呈 黑色，内部孔隙结构发达、表面积 大，吸附能力强的一类微晶质碳素 材料。 活性炭含有大量微孔，具有巨大的 比表面积，吸附效果好且稳定，能 有效地去除色度、臭味，可去除二 级出水中大多数有机污染物和某些 无机物，包含某些有毒的重金属， 是目前水处理中普遍采用的吸附剂。 目前工业上使用的活性炭有粉末状 和颗粒状两种，其中以颗粒状为主。
加入ZnCl2,KOH 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。
2.1 多孔吸附材料——活性炭
活性炭的改性方法：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。 物理结构改性 化学性质改性
物理或化学方法
分子尺寸筛选效应
MOFs材料孔径通常集中于微孔（<2nm，目前报道 唯一能达到中孔的IRMOF-16有效孔径2.88nm), 只 适用于小分子VOCs吸附。
VOCs分子形状——进入方式
乙苯 对二甲苯
尺寸小的截面进入
邻二甲苯 间二甲苯
尺寸大的截面进入
吸附量小
5 前沿与展望
MOFs相比传统吸附材料吸附VOCs的：

粉末活性炭

颗粒活性炭
2.1 多孔吸附材料——活性炭
活性炭的制备方法：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 药剂活化
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。
1 吸附的概述
吸附法在环境保护方面的应用：
净化废气，回收溶剂，脱除水中的微量污染物 利用吸附法进行水处理：
适应范围广 处理效果好 可回收有用物料 吸附剂可重复使用 吸附饱和效果会下降
优点
缺点
树脂吸附饱和需解析 解析废液很难处理
1 吸附的概述
吸附剂（吸附材料）是决定高效能的吸附处理过程 的关键因素，广义而言，一切固体都具有吸附能力， 但是只有多孔物质或磨得极细的物质由于具有很大 的比表面积，才能作为吸附剂。 吸附剂的分类：
增大活性炭比表面积
氧化还原反应
调节极性、亲水性
控制孔径大小及分布
提高物理吸附性能
提供特定吸附活性点
对各极性物质吸附能力
2.1 多孔吸附材料——活性炭
活性炭的性能表征：孔结构、比表面积和表面基团 对污染物的吸附影响最大。 活性炭的孔径特征：
IUPAC分类 法(国际纯粹 与应用化学 联合会) 微孔
孔隙直径或孔宽小 于2nm
5 前沿与展望
挥发性有机化合物（VOCs）由于排放量大、毒性高， 是环境空气污染的主要污染物之一已被世界各国列 为优先控制污染物。金属有机骨架材料（MOFs)是近 20年快速发展起来的一类新型多孔材料。这类材料 在环境有害气体吸附方面的应用已得到了广泛研究。
MOFs空间结构——高比表面积、大孔容