第8章 水污染治理環(huán)境材料

8水污染治理環(huán)境材料8.1水污染與環(huán)境材料8.2水污染治理中的吸附材料8.3水污染治理中的膜材料8.4離子交換樹脂8.5水污染治理的微生物固定化材料本章內(nèi)容8.1水污染與環(huán)境材料本節(jié)內(nèi)容水污染是指水體因某種物質(zhì)的介入而導(dǎo)致其化學(xué)、物理、生物或者放射性等方面特性的改變，從而影響水的有效利用，危害人群健康或者破壞生態(tài)環(huán)境，造成水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。按照污染物進(jìn)入水體方式，可將水污染分為點(diǎn)源污染和面源污染。8.1.1水污染來源與分類8.1水污染與環(huán)境材料8.1.2水污染治理中常用的環(huán)境材料隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，廢水排放量持續(xù)增加，面對(duì)日益嚴(yán)重的水環(huán)境污染，水污染治理技術(shù)面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，環(huán)境材料在水污染治理領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用研究也受到廣泛的重視。下面將根據(jù)環(huán)境材料功能性的不同，介紹吸附材料、膜材料、離子交換樹脂以及其他環(huán)境材料在污水治理中的應(yīng)用。8.2水污染治理中的吸附材料8.2.1活性炭8.2.2沸石沸石的化學(xué)通用式為：MxDy(Alx+2ySin-(x+2y)O2n)?mH2O。式中，M是Na、K等堿金屬或其他一價(jià)陽離子；D是Ca、Sr、Ba、Mg等堿土金屬或其他二價(jià)陽離子；M、D通稱可交換陽離子。8.2.3硅藻土硅藻土是古代單細(xì)胞低等植物硅藻遺體堆積后，經(jīng)過初步成巖作用而形成的一種具有多孔性的生物硅質(zhì)巖。硅藻土的主要化學(xué)成分是SiO2，并含有少量的Al2O3，P2O3，CaO，MgO等，是由硅藻的壁殼組成，壁殼上有多級(jí)、大量、有序排列的微孔。8.3.1膜的簡介8.3水污染治理中的膜材料膜分離過程推動(dòng)力透過（截留）機(jī)理產(chǎn)品水中的透過物及其大小濃水中的截留物膜類型滲析濃度差溶質(zhì)的擴(kuò)散低分子物質(zhì)、離子0.004~0.15μm溶劑分子量>1000非對(duì)稱膜、離子交換膜電滲析電位差電解質(zhì)離子選擇性透過溶解性無機(jī)物0.004~0.1μm非電解質(zhì)大分子離子交換膜反滲透壓力差0.85~7.0MPa溶劑的擴(kuò)散水、溶劑0.001~0.1μm溶質(zhì)、鹽（SS、大分子、離子）非對(duì)稱膜或復(fù)合膜納濾壓力差0.5~2.0MPa溶劑的擴(kuò)散水、溶劑、小分子、離子0.001~0.01μm某些溶質(zhì)、大分子非對(duì)稱膜或復(fù)合膜超濾壓力差0.07~0.7MPa篩濾及表面作用水、鹽及小分子有機(jī)物0.005~0.2μm膠體、大分子、不溶有機(jī)物非對(duì)稱膜微濾壓力差0.071~0.1Ma顆粒大小和形狀水、溶劑、溶解物0.08~2.0μm懸浮顆粒、纖維多孔膜表8-1廢水處理中常用的膜分離方法及其特點(diǎn)圖8-2膜分離技術(shù)和水中微粒的相互關(guān)系圖微濾是一種精密過濾技術(shù)，其運(yùn)用的孔徑范圍介于0.1~75μm之間，運(yùn)用過程中的攔截能力來自于其對(duì)多孔材料的運(yùn)用，經(jīng)過物理截留的方式使得水中的雜質(zhì)顆粒得到有效的去除。在壓力的作用下，無機(jī)離子、有機(jī)低分子以及溶液中水等尺寸小的物質(zhì)可經(jīng)過微孔運(yùn)動(dòng)到膜的另一側(cè)，而大尺寸諸如水中的膠體、菌體等則因不能透過纖維墻而被截留下來，這樣，就實(shí)現(xiàn)了不同組分的篩選目的，而且上述的過程為常溫操作，微孔濾膜的截留粒子粒徑為0.1~10μm，不會(huì)發(fā)生相態(tài)變化，更不會(huì)產(chǎn)生二次污染，對(duì)水的處理效果良好。微濾膜主要分為有機(jī)微濾膜、無機(jī)微濾膜和復(fù)合微濾膜。8.3.2微濾膜超濾膜技術(shù)是一種把溶液濾過、分離、和濃縮的膜透過分離技術(shù)，屬于微透過和略透過。超濾膜不僅可以濾過顆粒物質(zhì)及膠體物質(zhì)，也對(duì)兩蟲、藻類、細(xì)菌、病毒和水生物起到濾過作用，這樣達(dá)到溶液的凈化、分離與濃縮的目的。與傳統(tǒng)工藝相比，超濾膜技術(shù)在處理污水方面具有損耗低、使用壓力低、分離效率高、濾過量大、可回收再利用的優(yōu)點(diǎn)，所以可以廣泛用于凈化飲用水、回收生活污水、回收含油廢水、回收紙漿廢水，海水淡化等。8.3.3超濾膜納濾膜又稱“疏松型”反滲透膜，它是介于反滲透與超濾之間的一種壓力驅(qū)動(dòng)型膜分離技術(shù)。其表面由一層非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的高分子與微孔支撐體結(jié)合而成，以壓力差為推動(dòng)力，對(duì)水溶液中低分子量的有機(jī)溶質(zhì)截留，而鹽類組分則部分或全部透過，從而使有機(jī)溶質(zhì)得到同步濃縮和脫鹽的目的。商品化納濾膜的膜材質(zhì)主要有以下幾種：醋酸纖維素（CA）、磺化聚砜（SPS）、磺化聚醚砜（SPES）、聚酰胺（PA）和聚乙烯醇（PVA）等。納濾膜的制備工藝大致有以下幾種：相轉(zhuǎn)化法、稀溶液涂層法、界面聚合法、熱誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)化法、化學(xué)改性法等，其中界面聚合法是制備納濾膜最常用的方法，無機(jī)材料納濾膜一般采用溶膠—凝膠法制備。納濾膜分為兩類：傳統(tǒng)軟化納濾膜和高產(chǎn)水量荷電納濾膜。8.3.4納濾膜反滲透膜一般用高分子材料制成，如醋酸纖維素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜。膜表面微孔的直徑一般在0.5~10nm之間。以膜兩側(cè)靜壓差為推動(dòng)力而實(shí)現(xiàn)對(duì)液體混合物分離的選擇性分離膜，其操作壓力一般為1.5~10.5Mpa，反滲透膜只能通過溶劑（通常是水）而截留離子或小分子物質(zhì)。透過性的大小與膜本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。根據(jù)反滲透膜具備的性能及其影響因素，目前較常用的膜類型有：①醋酸纖維膜（CA膜）。CA膜又可以分為平膜、管式膜和中空纖維膜幾類。CA膜具有反滲透膜所需的三個(gè)基本性質(zhì)：高透水性、對(duì)大多數(shù)水溶性組分的滲透性相當(dāng)?shù)?，具有良好的成膜性能。②聚酰胺膜（PA膜）。聚酰胺膜又可分為脂肪族聚酰胺膜、芳香聚酰胺膜（成膜材料為芳香聚酰胺、芳香聚酰胺-酰肼以及一些含氮芳香聚合物）。③復(fù)合膜。這是近年來開發(fā)的一種新型反滲透膜，它是由很薄且致密的符合層與高空隙率的基膜復(fù)合而成，它的膜通量在相同的條件下比非對(duì)稱膜高約50%~100%。8.3.5反滲透膜離子交換樹脂是一種在交聯(lián)聚合物結(jié)構(gòu)中含有離子交換基團(tuán)的功能高分子材料。離子交換樹脂不溶于酸、堿溶液及各種有機(jī)溶劑，結(jié)構(gòu)上屬于既不溶解、也不熔融的多孔性固體高分子物質(zhì)。每個(gè)樹脂顆粒都由交聯(lián)的具有三維空間立體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)骨架構(gòu)成，在骨架上連接著許多較為活潑的功能基。這種功能基能離解出離子，可以與周圍外邊離子相互交換。離子交換樹脂的單元結(jié)構(gòu)由三部分組成：不溶性的三維空間網(wǎng)狀骨架、連接在骨架上的功能基團(tuán)和功能基團(tuán)所帶的相反電荷的可交換離子。離子交換樹脂的再生是指將一定濃度的化學(xué)藥劑溶液，通過失效的離子交換樹脂，利用藥劑溶液中的可交換離子，將樹脂上吸附的離子交換下來，使樹脂重新具有交換水中離子的能力的過程。再生時(shí)所用的藥劑稱為再生劑。樹脂的再生過程實(shí)際上就是離子交換的逆過程。8.4離子交換樹脂8.4.1陽離子交換樹脂8.4離子交換樹脂陽離子交換樹脂，包括強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂和弱酸性陽離子交換樹脂。陽離子交換過程可用下式表示：R-A++B+=R-B++A+（1）式中

R--樹脂本體；A樹脂上可被交換的離子；B溶液中的交換離子。如是陽離子樹脂受到污染，可用酸或食鹽水除去污染物。8.4.2陰離子交換樹脂8.4離子交換樹脂陰離子交換樹脂包括強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂和弱堿性陰離子交換樹脂。強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂，這類樹脂含有強(qiáng)堿性基團(tuán)，如季胺基（亦稱四級(jí)胺基）-NR3OH（R為碳?xì)浠鶊F(tuán)），能在水中離解出OH－而呈強(qiáng)堿性，這種樹脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。這種樹脂的離解性很強(qiáng)，在不同pH值下都能正常工作。弱堿性陰離子交換樹脂，這類樹脂含有弱堿性基團(tuán)，如伯胺基（亦稱一級(jí)胺基）-NH2、仲胺基（二級(jí)胺基）-NHR、或叔胺基（三級(jí)胺基）-NR2，它們?cè)谒心茈x解出OH-而呈弱堿性。這種樹脂的正電基團(tuán)能與溶液中的陰離子吸附結(jié)合，從而產(chǎn)生陰離子交換作用。這種樹脂在多數(shù)情況下是將溶液中的整個(gè)其他酸分子吸附，其只能在中性或酸性條件下工作。陰離子交換過程可用下式表示：R+C-+D-=R+D-+C-

微生物的固定方法主要有吸附法、包埋法、共價(jià)結(jié)合法、介質(zhì)截留法和無載體固定化5種方法。以上各種固定化方法中，各有自身的優(yōu)勢，但也都存在著不同的缺點(diǎn)，其性能比較見表8-2。8.5水污染治理的微生物固定化材料8.5.1腐殖酸

腐殖酸(humicacids)是分布最為廣泛的天然有機(jī)物質(zhì),幾乎所有的環(huán)境中都有分布,如土壤、水體和沉積物等。根據(jù)腐殖酸的來源分類：腐殖酸有“天然腐殖酸”和“人造腐殖酸”之分。天然腐殖酸指在土壤、泥炭和褐煤等天然物質(zhì)中含有的腐殖酸；“人造腐殖酸”主要有生物發(fā)酵腐殖酸、化學(xué)合成腐殖酸和氧化再生腐殖酸。腐殖酸能有效絡(luò)合金屬離子和吸附有機(jī)物，但多保持溶解狀態(tài)，易隨水流遷移和易為生命有機(jī)體吸收。如何將其固定或通過腐殖酸提高吸附劑對(duì)被吸附物質(zhì)的吸附性能，目前已經(jīng)成為國際新的研究熱點(diǎn)。8.5.2煤矸石

煤矸石是在煤炭開采及精選過程中產(chǎn)生的黑色碳質(zhì)頁巖和少量灰色、雜色砂質(zhì)頁巖等非煤質(zhì)組分（谷慶寶，1997；卞孝東，2007），主要由黏土礦物（高嶺石、伊利石、蒙脫石）、石英、方解石及碳質(zhì)等原生礦物組成（谷慶寶，1997）；同時(shí)，往往伴生黃鐵礦、磁黃鐵礦等還原性硫化礦物（Akciletal.，2006;武旭仁等，2009）。利用煤矸石可以吸附水中的有機(jī)物和金屬離子。煤矸石制備吸附材料的工藝：(1)硫酸活化工藝：原始矸石-粉碎-磨細(xì)-高溫焙燒(500～800℃)-硫酸活化-水洗-烘干-成品。(2)蒸汽活化工藝：原始矸石—粉碎-磨細(xì)-高溫焙燒(500～800℃)-配料混合-成型-蒸汽活化烘干-吸附材料