污染控制化学8.ppt
第第5章章污染物的吸附分离控制污染物的吸附分离控制 吸附的定义：利用多孔性固体表面存在未平衡的分子引力或化学键力，把混合物某一（些）组分吸留在固体表面上，这种分离混合物过程称吸附。2007年度诺贝尔化学奖获得者年度诺贝尔化学奖获得者格哈特格哈特埃尔特（埃尔特（GerhardErtl）获奖及生日同贺（2007-10-10，71岁）人们早就知道，氮肥对于农业生产而言具有举足轻重的作用。而埃特尔研究发现，氨的合成反应在铁催化剂表面进行时效率大大提高，使这一技术的产业化成为现实，这给人类社会的农业生产带来了巨大的经济效益。此外，汽车尾气中含有大量一氧化碳，如果不加净化则会对人类生活造成危害。埃特尔有关一氧化碳在金属铂表面的氧化过程的研究，催生了汽车尾气净化装置。固体表面上的吸附作用（物理吸附和化学吸附）p物理吸附气体分子以范德华力范德华力被吸附，与气体凝聚成液体过程类似p化学吸附气体分子以化学键力化学键力被吸附，此时往往伴随分子发生变形甚至解离，电子转移、原子重排、键的断裂与形成等过程。物理吸附与化学吸附常相伴或交替发生如金属钨对氧吸附，可以同时出现分子态氧的物理吸附、原子态氧的化学吸附等；又如：钯对CO的吸附在中低温区属于物理吸附，而温度升高又转化为化学吸附。I类：活性碳吸附有机气体(微孔吸附剂)II类：非孔性硅胶或TiO2吸附N2（多层吸附）III类：硅胶吸附Br2（分子作用力弱）IV类：石墨吸附水（有限的多层吸附）V类：活性碳吸附水（分子吸引效应大）吸附等温方程 典型的吸附曲线模型 Langmiur 吸附等温线 Freundlich 吸附等温线溶液中Langmiur吸附等温线的推导：A+BC吸吸附附质质吸吸附附剂剂吸吸附附分分子子t =0 C0t =t C (1-）请推导：X=KXmC/(1+KC)其中 =X/XmFreundlich吸附等温方程式 溶液中的吸附溶液中的吸附lgX=lgK+1/nlgC 活性炭p活性炭属微孔吸附剂p活性炭的结构类似于石墨，由排成六角形的碳原子平行层面组成。与石墨不同，各个平行层面不是完全垂直共轴排列，而是不规则地互相垂直p活性炭结构内存在着不规则基基本本微微晶晶，微晶边棱含非碳杂质，随活化条件不同，可形成酸性或碱性官能团。石墨层状结构FE-SCM：场发射扫描电镜（field-emission scanning electron microscopy）活性炭对溶解性有机物的处理 1,2-二溴乙烷1,2-二氯乙烷1.1.1-三氯乙烷（3.5）1,2-二氯代苯020040060010000.10.20.30.40.50平衡浓度平衡浓度(mg/L)活活性性碳碳吸吸量量(L/kg碳碳)图图5-9活性炭对一些非离子性有机化合物的吸附等温线活性炭对一些非离子性有机化合物的吸附等温线 活性炭的比表面 活性炭具有较大的比表面积。以水蒸汽或以氯化锌为活性剂制备的活性炭，其比表面为1000m2/g 左右；以KOH等碱作为活化剂制备的高比表面活性炭，其比表面可达3000m2/g。如用核桃壳作为原料，用KOH活化生产的活性炭，其碘吸附值和亚甲基兰值都是普通水蒸汽法的两倍。活性炭的再生 （1）脱水：使活性炭与输送液分离。（2）干燥：加温到100-150，将细孔中的水分蒸发出来。（3）碳化：加热到300-700，高沸点的有机受热分解，一部分成为低沸点物质而挥发，另一部分被碳化留在活性炭细孔中。（4）活化：加热到700-1000，使碳化后留在细孔中的残留碳与活化气体（如蒸汽、CO2、O2等）反应，反应产物以气态形式（CO2、CO、H2）逸出，达到重新造孔的目的。（5）冷却：活化后的活性炭用水急剧冷却，防止氧化。活性炭吸附有机物的穿透曲线 C0C0C0C0C0 C=0C=CbCC0C0CxCCb0VbVeVx耗竭点耗竭点穿透单位床截面的废水总体积穿透单位床截面的废水总体积出出水水浓浓度度图图5-10活性炭吸附柱的工作过程活性炭吸附柱的工作过程穿透点穿透点 例：以粉末活性炭固定床吸附某工业废水中的有机物，进水中有机碳浓度C0=100mg/L，出水的有机碳允许浓度Cb=20mg/L，吸附终点浓度Cx=90mg/L。在实验室中以装载量1L(401g)的活性炭柱作了动态试验并得出了穿透曲线（见图5-11）。试计算达到穿透点和吸附终点时的活性炭吸附量。解题步骤P10510080604020012345VxVb出水出水TOC1(g/m3)通水量通水量(m3)图图5-11活性炭固定床的穿透曲线活性炭固定床的穿透曲线纳米材料及其应用纳米材料及其应用纳纳米米材材料料的的定定义义：纳纳米米材材料料是是指指微微观观结结构构至至少少在在一一维维方方向向受受纳纳米米尺尺度度（1100nm）调调制制的的各种固体材料。各种固体材料。其性能主要由三个方面决定：其性能主要由三个方面决定：1、纳米结构单元、纳米结构单元2、界面（或自由表面）、界面（或自由表面）3、单元之间的交互作用、单元之间的交互作用纳米材料的制备方法：纳米材料的制备方法：目前，纳米材料的制备已有很多方法，分类方法亦多种多样：（1）按制备方法可分为粉碎法(Breaking-down)和构造法(Building-up process)；（2）按制备原理可分成物理制备法和化学制备法。（3）按物态可分成纳米薄膜、纳米粒子和纳米块材的制备；（4）按加工的物料形态主要可分成固相法、气相法和液相法三大类。固相法 固相反应法 该法是将金属盐或金属氧化物按一定比例充分混合，研磨后进行煅烧，通过发生固相反应直接制得超微粉，某些场合仍需再次粉碎得到超微粉。例如：固相反应：BaCO3+TiO2 BaTiO3+CO2 （在8001200下煅烧）这种方法制备超微粉比较简单，生成的粉末容易结团，经常需要二次粉碎，成本较高。液相法 溶胶一凝胶法 金属醇盐的水解和聚合反应制备金属氧化物或金属氢氧化物的均匀溶胶，然后将溶胶浓缩成透明凝胶，经干燥、热处理可得到纳米微粒。影响因素：pH值、溶液浓度、反应温度和时间等。优点：低温制备、粉径分布均匀、化学活性大，可制备传统方法不能或难以制备的产物。因而得到广泛应用。沉淀法 包括直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法。其中共沉淀法已被广泛用于制备钙钛矿型材料、尖晶石型材料、敏感材料、铁氧体，稀土纳米粉体及萤光材料的超微粉。气相法（1）气体蒸发法（2）气相化学反应法 气相化学反应法是让一种或几种气体在高温下发生热分解或其它化学反应，从气相中析出超微粉，也叫化学气相沉积法（CVD）。纳米材料的性质 纳米效应（1）小尺寸效应（体积效应）是指当粒子的尺寸小于光的波长的1/2时，光线会绕过材料粒子而使材料呈现透明性。例如，粗晶半导体Si、Ge等不发光，当其粒径减小至纳米级，其会发出可见光，并且随粒径进一步减小，光强增加，发光光谱逐渐蓝移。（2）表面与界面效应 巨大的比表面和表面压力。（3）量子尺寸效应（久保效应，1962）金属超微粒子中电子数较少，电子在能级上的分布不再遵守费米分布规律，小于10 nm 的纳米微粒强烈地趋向于电中性，呈现出对材料比热、磁化率和超导电性的影响。（4）宏观量子隧道效应 量子效应：电子既具有粒子性又具有波动性,宏观规律已不再适用，即电子存在隧道效应（量子效应），而微颗粒的一些宏观物理量,如磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,故将此称之为宏观的量子隧道效应。纳米材料的性能（1）光学性能（2）电学性能（3）磁学性能（4）烧结性能（5）吸附、储氢性能（6）纳米陶瓷的超塑性能纳米材料对污染物分离控制纳米材料对污染物分离控制 纳米钛酸钴(CoTiO3)：石油脱硫催化剂；Zr0.5Ce0.5O2纳米粉体：汽车尾气净化催化剂；纳米碳和纳米陶瓷：冰箱除臭剂和污水净化剂；纳米TiO2：光反应催化剂。u吸附量怎样测定和表示？u 请自行推导Langmuir和Freundlich吸附等温曲线。u 请简述活性炭的制备和再生过程。u 有哪些主要因素影响溶液中吸附？u 纳米材料有哪些常用的制备方法？u 为什么纳米材料会发生小尺度效应？u 纳米材料有哪些典型性能，在污染处理中有哪些应用？思考题：思考题：
