材料化学-环境功能材料
环境功能材料 5 催化与催化剂资料
近百万人伤亡，遭到了美、英、法、中等国科学家们
的谴责。
1.1 1．催化剂的发展历程
NH3 + O2 = NO ---HNO3 Pt 为大量生产HNO3 H2SO4 奠定了基础, 它们正是生产炸药, 化肥的
基础原料。正是这时，发生了由德国发起的第一次世界大战。
1923年 CO + H2 = CH3OH (ZnO-CuO)
Path
催化剂的发展历史
1875年 真正具有工业意义的催化过程: 在工业上实现接 触法生产硫酸
SO2 + O2 = SO3 --- H2SO4 cat. V2O5
将硫或硫化铁通空气在燃烧室煅烧生成二氧化硫然后在 五氧化二钒的催化作用下二氧化硫与氧气反应生成三 氧化硫再在吸收塔内用 98%的浓硫酸吸收生成发烟硫 酸。
1894年,德国科学家W.Ostwald 认为“催化剂是一 种可以改变化学反应速度,而不存在于产物中 的物质”.而这时接触法生产硫酸已工业化, 可见, 从一开始, 催化剂的应用就走在其理论 的前面.
1925年,由Taylor--活性中心学说 ---现代催化理 论的基础
现代催化理论
1. 中间化合物理论：（以后的20多年中，以均相反应为 基础）
催化原理
无机：合成氨、硝酸和硫酸 ，自然涉及Fe, Pt, V 2O5催化剂, 有机：生产甲醇、乙酸（甲醇+CO ）和苯乙烯（乙苯脱氢）就
会涉及Cu-Zn-Al ，Rh 络合物，Fe3O4-K2O-Cr 2O3； 分析：化学传感器； 生物化工：酶催化剂； 应用化学：合成高分子聚乙烯和聚丙烯用 TiX4-AlR3（X-卤
1926年 nCO +(n+m/2) H2 = CnHm +n H2O Fischer and Tropsch (FT Synthese) --1934年Ruhr建成, 奠定了用煤合成液体燃料的基 础，引发了由希特勒发动的二次世界大战。
环境功能材料
环境功能材料环境功能材料是指能够在特定环境条件下发挥特定功能的材料。
随着人们对环境保护意识的提高，环境功能材料的研究和应用也越来越受到重视。
环境功能材料的研究领域涉及材料科学、环境科学、化学工程等多个学科，其应用领域也十分广泛，涉及环境治理、资源利用、生态保护等方面。
本文将从环境功能材料的定义、分类、特点和应用等方面进行介绍。
环境功能材料的定义。
环境功能材料是指能够在特定环境条件下发挥特定功能的材料。
这些功能包括但不限于吸附、分离、催化、光催化、抗菌、防污染等。
环境功能材料的研究旨在通过材料的特定功能，实现对环境的净化、保护和改善。
环境功能材料的分类。
根据功能不同，环境功能材料可以分为吸附材料、分离材料、催化材料、光催化材料、抗菌材料、防污染材料等几大类。
吸附材料主要用于去除废水中的重金属离子、有机污染物等；分离材料可用于气体分离、液-液分离等；催化材料可用于催化有害气体的转化；光催化材料可利用光能进行环境净化和能源转化；抗菌材料可用于医疗器械、食品包装等领域；防污染材料可用于建筑材料、纺织材料等领域。
环境功能材料的特点。
环境功能材料具有特定的化学、物理性质，能够在特定环境条件下发挥特定功能。
这些材料通常具有较大的比表面积、特定的孔结构、活性位点等特点，能够与目标物质发生特定的相互作用。
同时，环境功能材料通常具有良好的稳定性和再生性，能够多次使用，减少资源消耗和环境污染。
环境功能材料的应用。
环境功能材料在环境治理、资源利用、生态保护等方面具有重要应用价值。
在环境治理方面，环境功能材料可用于废水处理、大气净化、固体废物处理等；在资源利用方面，环境功能材料可用于资源回收、能源转化等；在生态保护方面，环境功能材料可用于生态修复、环境监测等。
此外，环境功能材料还具有广阔的市场前景，可用于建筑材料、医疗器械、食品包装、环境监测等领域。
总结。
环境功能材料是一类能够在特定环境条件下发挥特定功能的材料，具有重要的应用价值。
环境功能材料吸附与吸附材料
采用环境友好的合成方法，如生物合成、水热合成等，降低生产 过程中的能耗和排放。
优化吸附工艺
通过改进吸附工艺流程，降低操作成本和能耗，提高吸附效率。
THANKS
新材料的研发
01
02
03
新型吸附剂
研发具有高吸附容量、高 选择性和快速吸附速度的 新型吸附剂，以满足不断 变化的环境治理需求。
纳米材料
利用纳米技术制备具有特 定结构和功能的纳米材料， 提高吸附效率和性能。
复合材料
开发由多种材料组成的复 合吸附材料，利用各组分 间的协同作用实现高效吸 附。
提高吸附性能的途径
表面改性
通过物理或化学方法对吸附剂表面进行改性，提高表面活性、增 加比表面积和孔容，从而提高吸附性能。
优化制备工艺
通过调整制备工艺参数，如温度、压力、气氛等，控制吸附材料的 结构和性能。
复合吸附剂
将不同性质的吸附剂进行复合，利用各组分的优势互补，提高整体 吸附性能。
降低成本和环境影响
资源化利用
通过回收和再利用吸附剂，减少对环境的影响和资源浪费。
降低臭氧浓度
03
通过吸附和分解臭氧，降低臭氧浓度，减少光化学烟雾的形成。
土壤修复
去除重金属
环境功能材料吸附技术可用于去 除土壤中的重金属离子，如铅、
汞、镉等。
降低农药残留
吸附剂可以有效地降低土壤中的农 药残留量。
改善土壤质量
通过吸附和固定土壤中的有害物质， 改善土壤质量，提高土壤肥力。
05
未来展望与挑战
粘土矿物是一类层状结构的含水铝硅酸盐矿物 ，具有天然的层状结构和可调的孔径。
02
粘土矿物具有良好的吸附性能和离子交换性能 ，能够吸附多种气体和液体物质。
环境功能材料光触媒(光催化剂)
精品课件
复合半导体 偶合型复合半导体电荷分离示意图
SnO2–TiO2精电品课子件转移过程示意图
表面敏化
精品课件
导带
• 导带（conduction band）是由自由电子形 成的能量空间。即固体结构内自由运动的 电子所具有的能量范围。
精品课件
满带
• 允带（允许电子能量存在的能量范围 ）中 的能量状态（能级）均被电子占据。
• 满带电子是不导电的，因为：泡利不相容 原理认为，每个能级只能容纳自旋方向相 反的两个电子，在外加电场上，这两个自 旋方向相反的电子受力方向也相反。它们 最多只能互换位置，不能出现沿电场方向 的净电流，所以说满带电子不导电。
O2/H2O
4
.
各种常用半导体的禁带宽度和禁带边缘电位示意图（pH
精品课件
➢TiO2的结构与性质
TiO2晶型结构示意图(锐钛矿型)
精品课件
• 纳米 TiO2是一种半导体光催化材料，TiO2 的电子结构特点为一个满的价带和一个空 的导带。当受到能量大于带隙能的光照射 时，价带上的电子被激发，跃过禁带， 同 时在价带上产生与电子e-相对应的空穴h+ ，即自由电子--空穴对。
精品课件
贵金属沉积
沉积Ag后的TiO2光催化性能
光生电子在 Ag岛上富集，光 生空穴向TiO2晶 粒表面迁移，这 样行成的微电池 促进了光生电子 和空穴的分离， 提高了光催化效 率。
精品课件
半导体耦合
• 纳米 TiO2 与其它半导体复合，形成偶合 半导体。通过半导体的复合，提高半导体 的电荷分离效率，抑制电子-空穴的复合。
《环境功能材料》课程教学体会及看法
《环境功能材料》课程教学体会及看法一、引言在当今的世界，环境污染威胁着人类的生存，制约着人类的发展。
因此，用于环境保护的功能材料成为世界关注的热点。
环境功能材料是指具有独特化学、物理、生物性能，并有良好环境净化能力的新型材料。
它们可以在经典的环境净化工艺中发挥重要作用，也可以为人类新的环境污染提供解决方案。
为了使学生掌握好材料与环境之间的关系，并为今后的研究和实际工作中利用好环境功能材料治理环境污染打下前期基础，在环境专业中开设“环境功能材料”课程至关重要。
但是，这门课的教学面临着诸多问题，比如：这门课程内容涉及材料、化学、物理、环境、生物等多个领域，学习内容多、学时少。
而且大部分的材料是学生日常不熟悉的，容易造成学习困难。
因此，如何在有限的教学时间获得良好的教学效果，是师生共同关注的问题。
本文作者结合近几年来对本课程的教学体会阐述一些个人的观点和看法，与同行商榷。
二、将生活实际融入课程，激发学生的学习兴趣学生对这门课程的兴趣将直接关系到他们对这门课的掌握程度。
为了激发学生的学习兴趣，笔者平时留心将环境功能材料有关的生活资料收集和整理出来，适时穿插到课程中去。
例如，在讲到吸附材料或活性炭时，先给学生提出一个问题：“大家常见的空气净化器以及厨房净水系统用的滤芯一般用的是什么材料？”让学生调研后再来回答这个问题；在讲到汽车尾气净化材料时，可以让学生先去了解一下平时经常听到的“三效催化剂” 到底能处理哪三种污染物，车子的性能与“三效催化剂”是否有关等问题，然后再对材料的组分和结构进行分析和讲解，这样可以提高学生的学习兴趣。
因此，将环境功能材料的理论与学生日常生活中感受到的、易于接受的实际问题联系起来，并能学以致用，使学生对环境相关的新材料产生强烈的亲切感，由此激发强烈的学习动机，进而主动学习这门课程。
三、成立兴趣小组，定期开展实验研究进一步提高学生学习热情可以通过自荐和推荐的方式将学习环境功能材料兴趣浓厚的学生组织起来，成立由老师指导的兴趣小组，定期开展与课程相关的小型实验课题研究，以期进一步提高学生的学习热情。
环境功能材料研究进展与应用.docx
环境功能材料研究进展与应用1复合材料复合环境材料指的是通过一定的工艺将两种及两种以上材料进行制备，获得较好的性能，能够对生态环境的治理、修复有一定的促进作用，在关于环境的复合材料上，研究较多的主要有聚合物基废弃物、硅酸盐基废弃物、金属基废弃物。
例如，梁效铭等采用硅藻、氨基丙基三甲氧基硅烷、环氧氯丙烷等制备了砷离子印迹复合材料，结果表明该材料对砷离子的吸附效果明星，去除率为98%，相对选择性系数大于1.5。
黄震等人用煤基复合材料对土壤中的重金属进行改性，发现其能减低作物对土壤中重金属的吸收，具有作为重金属土壤修复剂的可能性。
彭龙贵用硅酸盐水泥和PMI有机泡沫为原料制备了复合材料，结果表明，通过处理后的复合材料具有较好的吸声效果。
复合物环境材料虽然对环境问题有一定的改善作用，但其容易造成二次污，因此，还有很多技术性的问题需要突破。
2催化材料催化材料在环境方面的应用，主要是加速其对环境污染物的降解。
游盛楠等通过对氧化铋和溴氧酸铋进行处理，形成异质结，大大提高了其光催化性能，能够有效降解有机污染物。
张波等采用氧化物、硫化物、功能聚合物等构筑异质结构功能材料的复合材料，对其表面及界面进行了特性研究，发现其能性能互补，并有较强的增强效果。
Ｒanjbari等使用粘贴法把ZnO纳米颗粒固定在结晶聚丙烯板材上，结果表明这这种方法制作的氧化锌纳米材料在紫外光下大大降解堆肥渗滤液。
Malakootian等将ZnO纳米粒子用热分解法固定在石材表面，结合高级氧化工艺研究其对抗生素4-硝基苯胺的降解效果。
结果表明，这种ZnO纳米粒子从水溶液中去除有DU污染物的效率较高。
催化材料的研究对环境治理来说是一个新的突破口，是比较有研究价值的。
3生物质环境材料生物质环境材料主要是对生物质材料进行改性处理，常用生物质材料有木材、秸秆、粪便、坚果壳等，主要是将生物质在缺氧或无氧环境下，高温热裂解而得，表面产生羟基、羰基等官能团，增大其比表面积，提高其对环境污染物的吸附能力，研究比较多的是秸秆生物质材料。
《环境功能材料》课件
过滤性材料的应用
用于空气净化器、口罩、水处理等领 域，如HEPA滤网、陶瓷滤芯等。
转化性材料的特性与应用
转化性材料的特性
能够将有害物质进行化学或物理转化，从而将其转化为无害 或低害物质。
转化性材料的应用
用于废水处理、废气治理等领域，如光催化剂、电催化剂等 。
实现材料性能的实时监测和调控。
多元化应用
03
随着环保意识的提高，环境功能材料的应用领域将越来越广泛
，涉及建筑、交通、能源等多个领域。
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分类
根据功能性质，环境功能材料可分为 环境敏感材料、环境友好材料和环境 调控材料等。
环境友好材料是指对环境无害或低害 的材料，如可降解塑料、绿色建筑材 料等。
环境敏感材料能够感知环境中如温度 、湿度、压力、光照、化学物质等的 变化，并作出反应。
环境调控材料则是指能够调控环境中 的物理、化学或生物过程的材料，如 调湿材料、净水材料等。
材料科学在环境保护中的作用
材料科学在解决环境问题中具有重要作用，环境 功能材料的研究与应用对于环境保护和可持续发 展具有重要意义。
《环境功能材料》课程的意义
为了培养具备环保意识、掌握环境功能材料知识 的专业人才，开设《环境功能材料》课程是必要 的。
课程目标
01 掌握环境功能材料的基本概念、分类和特 性。
促进可持续发展
环境功能材料的研发和应用有助于推 动可持续发展，促进经济、社会和环 境的协调发展。
环境功能材料的未来发展方向
创新性技术
01
未来环境功能材料的研发将更加注重创新性技术，如纳米技术
环境材料学-第六章 环境治理功能材料与技术
溶液配制
成胶
酸泡
水洗
成品包装
筛选
活化
烘干
6.1 环境净化材料
6.1.1 大气污染治理材料与技术
6.1.1.1 吸附法
吸附剂举例
5） 分子筛 分子筛又称沸石，是一种水合硅酸盐类，能把形状直径大小不同 的分子，极性程度不同的分子，沸点不同的分子，饱和程度不同的分子 分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称为分子筛。 分子筛因是一种笼形孔洞骨架的晶体，经脱水后空间十分丰富， 具有很大的内表面积，可以吸附相当数量的吸附质。同时其内晶表面高 度钝化，晶穴内部有很大的静电场在起作用，微孔分布单一均匀，并具 有选择吸附性能。 目前分子筛广泛应用于冶金，化工，电子，石油化工等工业中。
6.1 环境净化材料
6.1.1 大气污染治理材料与技术
6.1.1.1 吸附法
吸附剂举例 a）颗粒状活性炭 维尼纶催化剂载体炭，用作果壳作原料，经水蒸气活化制得的不
定性颗粒炭。 回收及吸附炭，是以煤粉为原料，以煤焦油作调和剂，经成型、
炭化及活化制得的圆柱形颗粒炭。 脱硫炭的原料及制造方法与回收及吸附用炭相同。 净化水用炭是用无烟煤作原料，经破碎后直接炭化和水蒸气活化
6.1.1.1 吸附法
吸附剂举例 4） 硅胶 硅胶的特点：吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高
的机械强度等。 硅胶根据其孔径大小分为：粗孔硅胶、细孔硅胶及介于两者之间
的中孔硅胶。
6.1 环境净化材料
6.1.1 大气污染治理材料与技术
6.1.1.1 吸附法
吸附剂举例
4） 硅胶 细孔硅胶：平均粒径在1.5~2.0 nm（平均孔径在0.8 nm以下称为 特细孔硅胶） 粗孔硅胶：平均粒径在4.0~5.0 nm （平均孔径在10.0 nm以上称为 特大孔硅胶）
功能材料有哪些
功能材料有哪些功能材料是一种特殊的材料，具有特定的物理、化学以及其他功能特性。
它们在各个领域发挥着重要的作用，而且应用范围非常广泛。
下面将介绍一些常见的功能材料及其功能。
一、光学功能材料光学功能材料主要是指那些可以影响光学性质的材料，如透明度、折射率、反射率等。
其中，一种常见的光学功能材料是光学玻璃，它具有良好的光学性能，可以用于制造光学仪器、眼镜、光学设备等。
二、电子功能材料电子功能材料主要是指那些可以用于电子器件中的材料。
例如，半导体材料如硅、锗，可以用于制造集成电路芯片；电子陶瓷材料可以用于制造电容器、压电元件等；导电材料如铜、铝可以用于制造导线和电极等。
三、磁性功能材料磁性功能材料主要是指那些可以产生磁场或对磁场有响应的材料。
例如，铁、镍、钴等可以作为永磁材料，用于制造磁体；铁氧体材料可以用于制造磁芯、电感器等。
四、光电功能材料光电功能材料主要是指那些可以将光能转化为电能或者将电能转化为光能的材料。
例如，硅太阳能电池就是一种光电功能材料，它可以将太阳光转化为电能；发光二极管（LED）则可以将电流转化为可见光。
五、环境功能材料环境功能材料主要是指那些可以净化环境、降低污染物排放或者具有保护环境的功能材料。
例如，承载型催化剂可以用于废气治理，通过催化反应将废气中有害物质转化为无害物质；防污涂料可以用于建筑物表面，减少空气中的污染物附着；吸附材料可以用于水质净化，去除水中的有害物质。
六、生物医用功能材料生物医用功能材料主要是指那些可以用于医疗、生物工程、组织工程等领域的材料。
例如，生物陶瓷可以用于骨科修复；生物可降解材料可以用于制造缝合线、人工血管等；聚合物材料可以用于制造人工心脏瓣膜等。
以上只是列举了一些常见的功能材料及其功能，实际上功能材料的种类非常多，不同的材料有不同的功能特性。
功能材料的发展不仅可以满足人们的日常需求，还可以推动科技进步和社会发展。
环境功能材料 4 活性炭
200目提高101.5％。
粉状炭的不足
粉状炭在使用时有吸附速度较快，吸附能力使用充分等 优点，但需专有的分离方法。随着分离技术的进步和某些应 用要求的出现，粉状炭的粒度有越来越细化的倾向，有的场
合已达到微米甚至纳米级。
粉状炭的缺点是再生比较困难，失效的活性炭不能再生 使用，故消耗量较大(近年也有研究将它再生)。而且通常需 要相当大的混合池和沉淀池以及混合、沉淀、过滤、分离等 多道工序，操作困难，
5、碳纳米管
碳原子：SP2杂化； 结构：管状； 维度：一维；
分类：
单壁和多壁碳纳米管；
碳纳米管的结构
★碳纳米管的应用
纳米碳管有许多特异的物理性能。如纳米碳管的热导 与金刚石相近，电导高于铜。但纳米碳管的应用研究还在 探索阶段： (1)高强度碳纤维 材料理论计算表明，纳米碳管的抗张强度比钢高100 倍，但重量只有钢的六分之一。其长度是直径的几千倍， 5万个并排起来才有人的一根头发那么宽，因而号称“超 级纤维”。 (2)复合材料 近年的研究表明，纳米碳管与介孔固体(孔径在2～50 nm的多孔固体)组装，形成介孔复合体，将是一种特殊性 能的新型材料。
颗粒活性炭
通常把粒度大于0.175mm的活性炭称作颗料活 性炭。
成型方式：（1）颗粒状原料炭化；（2）粉状活性 炭+粘结剂。
颗粒活性炭的应用
较早阶段粉状炭的产量与用量均超过粒状炭。 糖和药品的脱色精制以及早期的水处理都以粉状
炭为主。后来随着应用范围的扩大、使用工艺的
改进，特别是再生方法与再生设备的解决，使粒 状炭的用量不断上升。加上各种煤制粒状炭的开 发，使成本降低，因此粒状活性炭的产量与用量 逐渐超过了粉状活性炭。
环境功能材料 好书 -回复
环境功能材料好书-回复环境功能材料是一种具有特殊功能的材料，它在环境保护和可持续发展方面有着重要的应用。
本文将从环境功能材料的定义、分类、应用和未来发展等方面进行探讨，以期更好地了解这一领域的最新进展。
首先，我们来了解一下什么是环境功能材料。
环境功能材料是指那些拥有净化环境、节能减排等特殊功能的材料。
它可以通过吸附、催化、分解、过滤等方式对环境中的有害物质进行处理，具有改善环境质量和保护生态系统的作用。
与普通的材料相比，环境功能材料可以在特殊条件下改变其结构和性能，以适应不同的环境需求。
基于其特殊功能，环境功能材料可以分为多种类型。
其中包括吸附剂、催化剂、光催化剂、过滤材料等。
吸附剂是指那些可以吸附有害物质的材料，包括活性炭、生物吸附材料等。
催化剂是一种可以在化学反应中降低活化能、加速反应速率的物质，例如金属氧化物、离子交换树脂等。
光催化剂则是利用光能进行催化反应的材料，典型的代表有二氧化钛等。
过滤材料则主要用于分离和过滤固体颗粒、化学物质等。
环境功能材料在各个领域都有广泛的应用。
首先是水处理领域。
由于水资源的日益减少和水体污染的日益严重，环境功能材料在水处理中扮演着重要角色。
例如活性炭可以吸附水中的有机物和重金属离子，陶瓷过滤器可以去除水中的悬浮颗粒和细菌等。
其次是空气污染治理领域。
空气污染已成为一个全球性问题，环境功能材料在净化空气中发挥着重要作用。
例如一些催化剂可以将有害气体转化为无害物质，光催化剂可以利用光能将有害气体分解为水和二氧化碳。
再次是能源领域。
传统能源的过度利用和排放对环境造成了严重损害，环境功能材料可以帮助节能减排和发展清洁能源。
例如光伏材料可以将太阳光转化为电能，燃料电池催化剂可以加速氢气的电化学反应。
最后，让我们展望一下环境功能材料的未来发展。
随着环境问题日益突出，对环境功能材料的需求也将越来越大。
未来的环境功能材料将具备更高的性能和更广泛的应用领域。
例如，纳米材料的突破将使得环境功能材料在催化、吸附等方面具有更高的效率和选择性。
环境功能材料 讲座内容
环境功能材料讲座内容环境功能材料是指那些能够在环境保护和资源利用方面发挥重要作用的材料。
这些材料具有吸附、分离、催化、光催化、电化学、光电化学等功能，能够有效地处理废水、废气、固体废物等污染物，同时也能够提高能源利用效率和资源利用率。
在环境保护和可持续发展方面，环境功能材料具有重要的应用前景和发展潜力。
一、环境功能材料的分类1. 吸附材料：吸附材料是指那些能够吸附污染物的材料，如活性炭、分子筛等。
它们能够通过物理吸附和化学吸附的方式去除水中的有机污染物和重金属离子等。
2. 分离材料：分离材料是指那些能够分离混合物中不同组分的材料，如膜分离材料、离子交换树脂等。
它们能够通过物理或化学作用将混合物中的不同组分分离出来，从而实现对污染物的有效去除。
3. 催化材料：催化材料是指那些能够加速化学反应速率的材料，如催化剂、光催化材料等。
它们能够通过提高反应速率和效率，实现对污染物的高效降解和转化。
4. 电化学材料：电化学材料是指那些能够在电化学反应中发挥重要作用的材料，如电极材料、电解质等。
它们能够通过电化学反应去除水中的有机污染物和重金属离子等。
二、环境功能材料的应用1. 水处理领域：环境功能材料在水处理领域中具有广泛应用，如活性炭、分子筛等吸附材料、膜分离材料、离子交换树脂等分离材料、催化剂、光催化材料等催化材料、电极材料、电解质等电化学材料等。
它们能够有效地去除水中的有机污染物和重金属离子等，提高水质，保护水资源。
2. 大气污染治理领域：环境功能材料在大气污染治理领域中也有重要应用，如催化剂、光催化材料等。
它们能够有效地降解大气中的有机污染物和氮氧化物等，减少大气污染物排放，改善空气质量。
3. 固体废物处理领域：环境功能材料在固体废物处理领域中也有应用，如吸附材料、分离材料等。
它们能够有效地去除固体废物中的有害物质，提高固体废物的资源利用率和环境友好性。
三、环境功能材料的发展趋势1. 多功能化：未来环境功能材料的发展趋势是多功能化，即一个材料能够同时具备吸附、分离、催化等多种功能，从而实现对污染物的高效处理。
功能性化学材料与环境保护的作用分析
功能性化学材料与环境保护的作用分析在当今社会，随着环境污染问题的日益严重，功能性化学材料的应用在环境保护方面扮演着重要的角色。
本文将就功能性化学材料在环境保护方面的作用进行分析，并探讨其对环境污染治理和可持续发展的重要意义。
一、污水处理污水是造成环境污染的主要因素之一，合理地处理污水成为保护环境的迫切需求。
功能性化学材料的一大应用领域就是污水处理。
例如，聚合硅酸铝盐等化学材料可以作为污水处理剂，通过吸附、沉淀等作用去除污水中的重金属、有机物等有害物质，从而净化水源，并达到环境保护的目的。
二、大气污染控制大气污染对人类健康和环境的危害不可忽视，因此如何有效控制大气污染也变得尤为重要。
功能性化学材料的运用在大气污染控制方面起到了积极的作用。
例如，纳米二氧化钛等材料可以作为光催化剂，通过吸收并催化有害气体，如二氧化氮等，将其转化为无害物质，从而减少大气污染物的排放和扩散，保护大气环境。
三、固体废物处理固体废物是另一个严重影响环境的问题，传统的固体废物处理方法往往效率低下，无法达到彻底清理的目的。
功能性化学材料在固体废物处理方面具有巨大潜力。
例如，通过利用吸附剂、催化剂等功能性化学材料，对固体废物中的有毒有害物质进行分离和转化，可以有效改善废物的性质，降低对环境的危害。
四、土壤修复土壤受到工业化、农业化等活动的不合理利用导致严重的土壤污染问题，而土壤修复是解决土壤污染的关键环节之一。
功能性化学材料在土壤修复领域发挥着重要的作用。
例如，各类吸附剂、降解剂等化学材料可以有效吸附土壤中的有害物质或将其分解为无毒物质，从而修复污染的土壤，恢复土壤生态功能，实现环境保护。
综上所述，功能性化学材料在环境保护方面发挥着重要的作用。
无论是污水处理、大气污染控制、固体废物处理还是土壤修复，功能性化学材料都提供了切实可行的解决方案。
这种材料的应用不仅可以有效减少环境污染，改善人类居住环境，还能为可持续发展提供技术支持。
因此，我们应该进一步加大对功能性化学材料研究和应用的力度，以实现环境保护的目标，共同建设更加美好的未来。
材料化学与功能材料
材料化学与功能材料材料化学是研究物质结构与性能之间关系的学科，它在当代科学与工程技术中发挥着重要作用。
功能材料则是指具有特定功能的材料，如光学材料、能源材料、传感器材料等。
本文将探讨材料化学与功能材料之间的关系以及其在各个领域中的应用。
一、材料化学的基础理论1.原子结构和化学键材料的性能取决于其分子或原子的结构，原子结构和化学键是材料化学的基础。
原子结构的研究为我们深入理解材料的性质提供了重要依据。
2.配位化学配位化学是研究金属离子与配体之间相互作用的学科，它对于研究金属材料的性能至关重要。
通过调控配位键的类型和结构，可以改变材料的性质和功能。
3.晶体化学晶体化学是研究晶体结构和性质的学科，晶体结构的不同会导致晶体材料的性能差异。
了解晶体化学对于设计和合成功能材料至关重要。
二、功能材料的应用领域1.光学材料光学材料具有特殊的光学性质，如折射率、透明度和吸收谱等。
利用材料化学的原理，可以开发出用于光纤通信、激光器、光电子器件等领域的光学材料。
2.能源材料能源材料是指用于储存和转换能源的材料，如太阳能电池、锂离子电池等。
材料化学的研究可以帮助改进能源材料的性能，提高能源转化效率。
3.传感器材料传感器材料可以将外界的物理或化学量转化为可测量的信号。
通过材料化学的研究，可以设计出高灵敏度、高选择性的传感器材料，应用于环境监测、医学诊断等领域。
4.催化剂催化剂是一种促进化学反应速率的物质，广泛应用于工业生产和环境保护中。
材料化学的知识可以帮助我们设计出高效、稳定的催化剂，提高反应效率。
5.高分子材料高分子材料是由大量重复单元组成的聚合物材料，如塑料、橡胶等。
通过材料化学的研究，可以改变高分子材料的结构和性能，开发出具有特殊功能的高分子材料。
三、功能材料的设计与合成功能材料的设计与合成是材料化学的重要研究方向。
通过理论计算和实验手段，可以预测材料的结构和性质，并优化合成方法，制备出具有特定功能的材料。
1.计算模拟计算模拟是利用计算机技术对材料性质进行预测的方法。
环境功能材料-1-材料基础知识
11
1.石器时代
公元前10万年 旧石器时代：工具制作粗糙，用 途尚未分化 新石器时代：对石料进行加工， 得到不同用途的石器
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2.青铜器时代
公元前3000年 出现了添加锡、铅的铜合金 熔点低，铸造性能良好 用作武器、生活用具、生产工具等
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3.铁器时代
公元前1500年 高温下用木炭还原铁矿石生产铁 强度较高，可加工性能良好 用作武器和器件
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4.陶器时代
粘土制作简单的陶器 在公元元年左右，高温烧制陶器而形成瓷器 瓷器由于局部熔化而变得更加致密坚硬，克服了 陶器多孔与透水的缺点
3. 重视材料学基础，从材料的化学成分、组织结 构等解释功能特性。从材料的专业角度去看待 环境过程。
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第一章 材料学基础
一、材料的发展史及分类 二、材料的成分与组织结构
7
第一节 材料的发展史及分类
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一、材料的定义 材料是指人类社会可接受、 能经济地制造有用器件或物 品的固体物质。
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二、材料的发展史 材料是人类社会进步的里程碑
建筑材料 感光材料 耐酸材料 包装材料
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第二节 材料的成分与组织结构
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一、材料的成分与结构
材料的成分：指组成材料 的元素种类及其含量 通常用质量分数（ω）或 粒子数分数（x）表示
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材料的结构
指材料中原子（离子或分子等） 的排列方式 材料原子、离子和分子间的结 合键决定材料的性质
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晶体
（2）按用途可分为结构复合材料和 功能复合材料
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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
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!
谢 谢 聆 听
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。
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单元 （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：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
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
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。
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
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。
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。
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
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。
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：
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：
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
2.2 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。
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。
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
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。
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
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 炭介孔）
孔隙直径或孔宽 小于2-50nm
大孔