第10章 炭材料在環(huán)境污染中的應用

10炭材料在環(huán)境污染中的應用10.1炭材料概述10.2炭材料在土壤改良和污染治理中應用10.3炭材料在水污染治理中的應用10.4炭材料在大氣污染治理中的應用本章內容10.1炭材料概述(一)傳統(tǒng)炭材料活性炭活性炭纖維10.1.1炭材料的分類與特性10-1粒狀活性炭和活性炭纖維孔結構模型和孔結構分布對比圖10.1.1炭材料的分類與特性

（二）新型炭材料碳納米管石墨烯生物炭

10.1.1炭材料的分類與特性

生物炭從組成上可以歸為碳質部分和灰分部分，因此可據此劃分為三類: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，如生物炭分類框架所示。

圖10-3生物炭分類框架10.1.1炭材料的分類與特性

（二）新型炭材料復合炭材料①粉末活性炭與超濾組合②石墨烯與SiO2的復合③生物炭-磁性復合材料

10.1.2炭材料的制備與改性

（一）傳統(tǒng)炭材料的制備與改性1.活性炭的制備與改性（1）活性炭的制備

圖10-4活性炭制備流程圖10.1.2炭材料的制備與改性（2）活性炭的改性活性炭的表面物理結構特性包括活性炭的比表面積、微孔體積和結構、孔徑分布，其決定了活性炭的物理吸附。活性炭的表面化學性質主要由表面的化學官能團、表面雜原子和氧化物決定，其決定了活性炭的化學吸附。10.1.2炭材料的制備與改性

（一）傳統(tǒng)炭材料的制備與改性2.活性炭纖維的制備與改性（1）活性炭纖維的制備預處理碳化活化（2）活性炭纖維的改性 形態(tài)改變孔結構控制化學改性

10.1.2炭材料的制備與改性

（二）新型炭材料的制備與改性1.碳納米管的制備與改性（1）碳納米管的制備石墨電弧法激光蒸發(fā)法化學氣相沉積法（2）碳納米管的改性 共價鍵非共價鍵功能化法

10.1.2炭材料的制備與改性

（二）新型炭材料的制備與改性3.生物炭的制備與改性（1）生物炭的制備

制備技術目前包括:回轉窯、氣化爐、慢速熱解、快速熱解、水熱反應、螺旋熱解、Flash碳化器等。其中快速熱解、水熱反應技術和螺旋熱解比較常見。（2）活性炭纖維的改性 三乙稀四胺修飾聚乙烯亞胺修飾聚丙稀酸修飾氧化法

10.2炭材料在土壤改良和污染治理中應用（1）無機污染物：重金屬、酸、堿、鹽、氟、氰化物、污泥、礦渣等。（2）有機污染物：典型的有農藥、多環(huán)芳烴（PAHs）、石油烴（TPH）、持久性有機污染物（POPs）、表面活性劑、多氯聯苯（PCBs）、二噁英等。10.2.1土壤中的主要污染物1.鉻(Cr)的去除機理和影響因素2.鉻的去除應用現狀10.2.2傳統(tǒng)炭材料（活性炭）在土壤污染治理中的應用1）吸附機理3）碳納米管在土壤中的遷移10.2.3新型炭材料在土壤污染治理中的應用10.2.3.1碳納米管2）影響因子①碳納米管的性質②土壤的物理化學性質碳納米管在環(huán)境中的遷移能力取決于碳納米管自身性質和所處環(huán)境介質的物理化學性質.綜合考慮碳納米管的特定理化性質和所處環(huán)境條件是準確評價環(huán)境中碳納米管的遷移行為，以及與之密切相聯系的環(huán)境生態(tài)風險的必要條件.碳納米管對污染物的吸附也取決于碳納米管自身性質、吸附質的性質和溶液的物理化學性質等因素。由于石墨烯材料具有較大的比表面積、良好的化學穩(wěn)定性，因此石墨烯在土壤中的應用主要體現在有機物的去除。10.2.3.3生物炭（1）去除重金屬10.2.3新型炭材料在土壤污染治理中的應用10.2.3.2石墨烯去除鉛、鎘、鋅去除鎳去除砷去除銅（2）去除有機污染物16（1）有機有毒物10.3.2傳統(tǒng)炭材料在水污染治理中的應用10.3炭材料在水污染治理中的應用10.3.1水體中主要污染物（2）有機無毒物1）廢水處理2）生活用水處理（1）活性炭（2）活性炭纖維1）有機廢水處理酚類廢水芳烴類廢水鹵代烴廢水印染廢水制藥廠高濃度廢水處理煉油廠環(huán)烷酸綜合廢水處理造紙黑液廢水的處理2）無機廢水處理17（1）碳納米管1）無機污染物的吸附2）有機污染物的吸附（2）石墨烯1）有機物的吸附2）無機物的吸附（3）生物炭1）有機物的去除10.3.3新型炭材料在水污染治理中的應用碳納米管去除氟離子碳納米管去除鉛碳納米管去除鋅碳納米管去除其他離子酚類物質去除農藥去除去除有機溶劑去除18（3）生物炭2）無機物的去除（4）復合炭材料10.3.3新型炭材料在水污染治理中的應用金屬離子去除陰離子去除粉末活性炭與超濾組合應用石墨烯與SiO2的復合活性炭/沸石復合材料生物炭-磁性復合材料若按照物理狀態(tài)可分為氣態(tài)污染物和顆粒物兩大類；若按照形成過程則可以分為一次污染物和二次污染物。按照污染物的形態(tài)可以分為氣態(tài)和顆態(tài)。

氣態(tài)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）含鹵素化合物（DDT、CFCs、PCBs）。10.4炭材料在大氣污染治理中的應用10.4.1大氣中主要污染物

1）煙氣脫硫2）煙氣脫硝（NOx）10.4.2傳統(tǒng)炭材料在大氣污染治理中的應用（1）活性炭1）SO2的去除ACFs在氧氣和水蒸氣存在下二氧化硫的氧化脫硫過程，提出了：首先在活性位上經過一系列的物理化學反應和表面重整，二氧化硫轉化為硫酸，接著經過水合的硫酸脫附或者被洗滌脫離出來2）NOX的去除

去除機理如下所述：ACFs在吸附NO2過程中有兩種NO2吸附位。位1(Site1)強烈地吸附NO2分子，尤其是在初始階段，在O2濃度為10%時發(fā)生了明顯的岐化作用，產生了NO，表面只剩下N2O3。位2(Site2)吸附NO2較弱較慢，直到達到吸附飽和時才停止，最終導致NO2吸附穿透。N2O3加熱時會分解產生NO2和NO，在表面剩下的1或者2個氧同時與碳反應形成CO2、CO。10.4.2傳統(tǒng)炭材料在大氣污染治理中的應用（2）活性炭纖維1）有機污染物的去除疏水作用π-π有機鍵氫鍵共價鍵靜電作用2）氮氧化物的去除10.4.3新型炭材料在大氣污染治理中的應用（1）碳納米管10.4.3新型炭材料在大氣污染治理中的應用（2）石墨烯大氣處理中催化劑的負載大氣吸附凈化處理（3）生物炭煙氣脫汞H2S的去除思考題1.什么是炭材料，炭材料分類的依據是什么