(中國粉體技術網/文龍)環境凈化材料根據使用對象的不同,可分為水污染控制材料和大氣污染控制材料。比如,治理大氣污染的吸附、吸收和催化轉化材料,治理水污染的過濾、吸附、氧化還原材料,減少有害固態廢棄物污染的固體隔離材料,噪聲控制材料、電磁防護材料等,這些都屬于環境凈化材料。本文主要綜述了近幾年,環境凈化材料在這些領域的應用研究進展。
1. 水污染控制材料及相關技術
常用的廢水處理方法可分為以下3類:①分離處理,即通過各種外力的作用使污染物從廢水中分離出來,通常在分離過程中并不改變污染物的化學性質;② 轉化處理,即通過化學或生化的作用,改變污染物的化學性質,使其轉化為無害物或可分離的物質,再經分離處理予以除去;③稀釋處理,即將廢水進行稀釋混合,降低污染物的濃度,減少危害。
1.1 吸附劑
針對不同的水處理方法,開發了不同用途的環境凈化材料。目前,用于廢水分離工藝技術中,最為重要的一類就是吸附劑。表1中列出了目前水處理吸附工藝中常用的吸附劑及其特點。
表1 幾種常用吸附劑的比較
利用吸附劑的物理吸附、離子交換、絡合等特點,能夠去除水中的各種金屬離子,主要用于處理含重金屬元素的廢水。天然粘土能吸收重金屬、多環芳烴、碳氫化合物和苯酚等,可用于石油化工廠的污水凈化。此外,物理吸附還能夠吸附水中的顆粒物以及部分有機污染物。吸附劑的開發主要考慮其吸附效率、選擇性、成本等性能。
1.2 天然沸石
天然沸石由于來源廣泛、處理效果好、不產生二次污染等優點,目前已逐漸替代傳統的活性炭吸附劑成為主要的水處理吸附劑。目前對于天然沸石的研究主要集中在通過物理化學方法對材料的表面性質進行改性,制備介孔復合體材料,降低其制備成本以及進一步提高吸附效率。科學家利用天然沸石作為基體,在分子尺度范圍內可控地破壞孔洞結構,進行造孔,制得了一種新型介孔復合吸附材料。表2為該法制備的介孔復合吸附材料與優質顆?;钚蕴繉τ谕N污水中有機污染物和極性含磷無機污染物的去除率的對比。
表2 某沸石基介孔復合吸附材料與優質顆?;钚蕴康男阅軐Ρ?/strong>
1.3 沉淀分離技術
沉淀分離方法也是水處理中經常使用的分離工藝。治理水污染的沉淀分離工藝過程用材料,包括用于絮凝沉淀的絮凝劑和化學沉淀的沉淀劑2種。高鐵酸鹽絮凝劑是水處理中已廣泛使用的絮凝劑,能夠有效降解有機物,去除懸浮顆粒及凝膠,其瓶頸在于產率比較低,前處理工藝對其治理效果有一定的影響。因此,研究主要集中在改善制備工藝、提高產率以及產物的穩定性、尋找替代次氯酸鹽以及氯化物的氧化劑等方面。
1.4 固定微生物技術
生活污水通常采用生化處理工藝。固定化微生物技術是使用化學或物理的方法將游離細胞定位于材料的限定空間中,并使其保持生物活性且可反復利用的生物技術。這種水處理方法具有生物濃度易控制、耐毒害能力強、菌種流失少、產物易分離、運行設備小型化等特點,但是固定化材料性能的不足限制了其應用。使用高嶺土、長石、石灰石、石英等制備了符合要求的固定化微生物的多孔陶瓷,根據實驗確定了最佳的制備參數,達到了較好的水處理效果。
1.5 氧化還原技術
氧化還原也屬于一種污水化學轉換處理工藝。用于氧化還原處理的材料主要是各種化學試劑,包括氧化劑、還原劑以及催化劑等。常用的氧化還原材料有活潑非金屬材料和含氧酸鹽;常用的還原材料有活潑金屬原子或離子;常用的催化劑有活性炭、粘土、金屬氧化物及高能射線等。
2. 大氣污染控制材料及相關技術
目前,治理大氣污染通常使用吸附法、吸收法和催化轉化法。從材料科學與工程的角度看,無論是吸附法、吸收法還是催化轉化法,都要借助于一定的材料介質才能實現。相應的大氣污染控制材料包括吸附劑、吸收劑和催化劑,主要應用于工廠、住宅區鍋爐等固定源與機動車等活動源排放的氣體污染物的凈化。
2.1 稀土凈化催化劑
稀土尾氣凈化催化劑是近年來發展起來的一類重要的環境凈化材料,它能夠在一定條件下催化大氣中的有害氣體成分,如NOx、CO、CH 等轉化為N2和CO2。汽車尾氣的凈化催化劑通常采用鉑、鈀、銠等貴金屬作為主要的活性組分。近年來,為了節約貴金屬資源,開始研究利用過渡金屬、稀土元素部分替代或全部替代貴金屬,進行汽車尾氣凈化處理,取得了很好的效果(表3)。
表3 2種用于機動車尾氣凈化的稀土催化材料
2.2 二氧化鈦光催化劑
二氧化鈦光催化劑的研究近年來成為材料科學研究的熱點之一,由于其化學性能穩定、無毒、價廉以及光催化活性高而引起了廣泛的重視。研究人員利用溶膠-凝膠法、磁控濺射2種方法分別制備了銳鈦礦相的納米TiO2粉末和固定化的薄膜,研究了微觀結構對光催化性能的影響及催化機理。在此基礎上提出了利用離子注入和納米鑲嵌改變材料的能帶結構,從而達到提高TiO2光催化活性的目的。離子注入Sn及納米鑲嵌Au和Ag都獲得了較好的實驗結果。由于TiO2光催化劑在空氣凈化、殺菌、消毒、防霧、防塵等領域具有廣闊的應用前景,因此,國內外在應用開發方面都投入了大量的人力物力。近年來,TiO2光催化劑的多種類型的產品陸續出現,如自清潔玻璃、衛生潔具等。
2.3 沸石和活性碳纖維
沸石和活性炭纖維良好的吸附性能也可以應用于處理廢氣和凈化空氣。例如,沸石對于大氣中的碳氫化合物、硫氧、氮氧、一氧化碳、硫化氫等具有良好的吸附、凈化功能,可用于汽車尾氣凈化劑。美國聯合碳化物公司用人工合成沸石回收SO2,體積數由3500μl/L下降至15~25μl/L,回收率達98%~99%;美國諾頓公司用沸石分子篩處理硝酸廠尾氣中的NOx,體積分數由2500μl/L下降到10μl/L;我國杭州大學催化劑研究室將絲光沸石改型后載上微量貴金屬和某些過渡性金屬氧化物,制備出處理有機廢氣的高活性NZP系列有機廢氣催化劑,使有害氣體凈化率達到了95%以上。
2.4 離子交換樹脂吸附型凈化材料
在二氧化硫煙氣凈化方面,開發出了離子交換樹脂吸附型凈化材料以及利用稀土氧化物材料作為催化劑的干法脫硫。離子交換樹脂是以丙烯、苯乙烯為原料,經交聯懸浮共聚,制成多孔柱狀樹脂,再經碳化處理而得到的。稀土氧化物CeO2是非常有應用前景的新型吸收劑,能夠在很寬的范圍內與SO2反應,而且在適當的條件下可再生,可以使吸收劑產生的廢氣轉化為硫。作為潛在的吸收劑CeO2可以同時脫去煙氣中的二氧化硫和氮氧化物,其脫氮和脫硫效率都大于90%,但目前此類研究正處于實驗室階段。
3. 結語
環境凈化材料是人類保護環境、走可持續發展道路的意識在材料科學中的具體體現和實踐,因此無論是在理論研究,還是設計、應用與開發方面,環境材料都將隨著人們對生態環境的日益重視而取得更大的進展。
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