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　　环境环境082082硕硕 陈陈群群 925 净化或吸附环境中有害物质的材料和物质，主净化或吸附环境中有害物质的材料和物质，主 要包括过滤、吸附、分离、杀菌、消毒等材料，要包括过滤、吸附、分离、杀菌、消毒等材料， 主要起到环境中污染物去除的作用。对于水中主要起到环境中污染物去除的作用。对于水中 污染物的去除，众多的氧化还原材料、沉淀分污染物的去除，众多的氧化还原材料、沉淀分 离材料、固液分离材料等在污水与给水处理中离材料、固液分离材料等在污水与给水处理中 发挥着重要的作用。现分为四类介绍：发挥着重要的作用。现分为四类介绍： 过滤材料 微生物固 定化材料 吸附分离材料 膜分离材料 11 过滤材料是水处理滤池最重要的组成部分，过滤材料是水处理滤池最重要的组成部分， 是完成过滤的主要介质。是完成过滤的主要介质。 根据形状根据形状 分类分类 根据组成根据组成 分类分类 颗粒滤料（石英砂滤料，多孔陶瓷滤料， Cu-Zn合金滤料）； 纤维滤料（种类主要有纤维球、棒状（种类主要有纤维球、棒状//彗彗 星式纤维过滤材料、纤维束过滤材料）星式纤维过滤材料、纤维束过滤材料） 天然矿物滤料、合金滤料、合成高分子滤料 和复合滤料等。 1.11.1颗粒滤料颗粒滤料 颗粒滤料主要用于水中悬浮物的过滤颗粒滤料主要用于水中悬浮物的过滤 去除。当水和废水通过粒状滤料床层去除。当水和废水通过粒状滤料床层 时，其中的悬浮颗粒喝胶体就被截留时，其中的悬浮颗粒喝胶体就被截留 在滤料的表面和内部空隙中，这种通在滤料的表面和内部空隙中，这种通 过粒状介质层分离不溶性污染物的方过粒状介质层分离不溶性污染物的方 法称为粒状介质过滤。它既可用于活法称为粒状介质过滤。它既可用于活 性炭吸附喝离子交换等深度处理过程性炭吸附喝离子交换等深度处理过程 之前作为预处理过程，也可用于化学之前作为预处理过程，也可用于化学 混凝和生化处理之后作为后处理过程。混凝和生化处理之后作为后处理过程。 石英砂滤料石英砂滤料 石英砂是一种广泛用于各种给水处理、污水处理和环境治石英砂是一种广泛用于各种给水处理、污水处理和环境治 理的净水材料。但由于石英砂滤料表面空隙少，比表面积理的净水材料。但由于石英砂滤料表面空隙少，比表面积 和等电点较低，在正常条件下带负电，使得它对水中有毒和等电点较低，在正常条件下带负电，使得它对水中有毒 物质（重金属离子等）、细菌、病毒和有机物的去除效果物质（重金属离子等）、细菌、病毒和有机物的去除效果 很不理想。现有通过在石英砂表面附着不同功能的物质，很不理想。现有通过在石英砂表面附着不同功能的物质， 改善石英砂滤料表面的性质，制成具有优良吸附性能和一改善石英砂滤料表面的性质，制成具有优良吸附性能和一 定机械强度的改性滤料。定机械强度的改性滤料。 适合做滤料改性剂的材料有很多种，常用的包括适合做滤料改性剂的材料有很多种，常用的包括FeFe系、系、AlAl 系氧化物或氢氧化物，锰的氧化物，镁的氧化物及稀土类系氧化物或氢氧化物，锰的氧化物，镁的氧化物及稀土类 金属配合物等。其中，金属配合物等。其中，FeFe系和系和AlAl系水合氧化物、氢氧化物系水合氧化物、氢氧化物 是广泛采用的改性剂。活性氧化镁具有较大的比表面积和是广泛采用的改性剂。活性氧化镁具有较大的比表面积和 空隙，因此具有较强的吸附能力。稀土类金属配合物是新空隙，因此具有较强的吸附能力。稀土类金属配合物是新 型材料的代表，可以改善常规滤料表面结构，增加滤料表型材料的代表，可以改善常规滤料表面结构，增加滤料表 面吸附位置，对水中的杂质如重金属离子和部分无机离子面吸附位置，对水中的杂质如重金属离子和部分无机离子 有很好的去除效果但稀土类金属化合物作为改性剂不能很有很好的去除效果但稀土类金属化合物作为改性剂不能很 好的和载体结合，一定程度上限制了它们的广泛使用。此好的和载体结合，一定程度上限制了它们的广泛使用。此 外，把含有各种特殊基团的高分子有机化合物负载于滤料外，把含有各种特殊基团的高分子有机化合物负载于滤料 表面，或者结合在金属化合物上，利用其上的官能团提高表面，或者结合在金属化合物上，利用其上的官能团提高 滤料的吸附性能也是当前研究的方向。滤料的吸附性能也是当前研究的方向。 多孔陶瓷滤料多孔陶瓷滤料 多孔陶瓷滤料是一种新型的功能材料，结合了多孔材多孔陶瓷滤料是一种新型的功能材料，结合了多孔材 料的高比表面积和陶瓷材料的物理、化学稳定性，具料的高比表面积和陶瓷材料的物理、化学稳定性，具 有一定尺寸和数量的空隙结构。随着科学技术的发展，有一定尺寸和数量的空隙结构。随着科学技术的发展， 人们控制其孔径、孔的形状、空隙率、孔径分布、容人们控制其孔径、孔的形状、空隙率、孔径分布、容 重的能力不断提高。重的能力不断提高。 多孔陶瓷一般可根据其孔穴排列方式、孔的大小、材多孔陶瓷一般可根据其孔穴排列方式、孔的大小、材 质来分类。根据孔穴排列方式可分为蜂窝陶瓷材料和质来分类。根据孔穴排列方式可分为蜂窝陶瓷材料和 泡沫材料；根据孔的大小可分为微孔材料（孔隙直径泡沫材料；根据孔的大小可分为微孔材料（孔隙直径 小于小于2nm2nm）、介孔材料（孔隙直径介于）、介孔材料（孔隙直径介于2~50nm2~50nm）、）、 宏孔材料（孔隙大于宏孔材料（孔隙大于50nm50nm）；根据材质可分为高硅）；根据材质可分为高硅 质硅酸盐材料、铝硅酸盐材料、精陶质材料、硅藻土质硅酸盐材料、铝硅酸盐材料、精陶质材料、硅藻土 质材料、刚玉和金刚砂材料、堇青石材料、采用工业质材料、刚玉和金刚砂材料、堇青石材料、采用工业 废料的材料等。废料的材料等。 CuCu--ZnZn合金滤料合金滤料 CuCu--ZnZn合金滤料是由高纯度的铜、合金滤料是由高纯度的铜、 锌两种金属按一定的比例组合而锌两种金属按一定的比例组合而 成的一种水处理材料，对去除水成的一种水处理材料，对去除水 中铁和硫化氢等有特效。目前已中铁和硫化氢等有特效。目前已 被用于生活用水深度净化、工业被用于生活用水深度净化、工业 给水净化及废水处理等方面。给水净化及废水处理等方面。 1.21.2纤维滤料纤维滤料 纤维滤料是指纤维状的过滤材料，用纤维滤料是指纤维状的过滤材料，用 于去除水中杂货已有几十年的历史。于去除水中杂货已有几十年的历史。 与传统的刚性颗粒滤料相比，纤维滤与传统的刚性颗粒滤料相比，纤维滤 料堆积空隙较大、密度较小、滤速很料堆积空隙较大、密度较小、滤速很 大，而床层阻力很小，反冲洗性能较大，而床层阻力很小，反冲洗性能较 好。由于纤维的吸水率很高，纤维的好。由于纤维的吸水率很高，纤维的 毛细孔较大，具有较高的比表面积， 毛细孔较大，具有较高的比表面积， 作为滤料可吸附大量悬浮物而获得较 作为滤料可吸附大量悬浮物而获得较 高的脱除率和容量负荷，此外，纤维 高的脱除率和容量负荷，此外，纤维 丝束不会发生流失，因此，纤维滤池 丝束不会发生流失，因此，纤维滤池 在反冲洗强度的控制上较颗粒滤料滤 在反冲洗强度的控制上较颗粒滤料滤 池要求低，可使滤料反冲洗更彻底。 池要求低，可使滤料反冲洗更彻底。 2 2  常用吸附材料有活性炭、磺化煤、沸石、 常用吸附材料有活性炭、磺化煤、沸石、 活性白土、硅藻土、腐殖质、木炭、木屑、 活性白土、硅藻土、腐殖质、木炭、木屑、 活性氧化铝、活性氧化镁、吸附树脂、微 活性氧化铝、活性氧化镁、吸附树脂、微 生物吸附剂等。 生物吸附剂等。  吸附分离材料按化学结构分类，可分为： 吸附分离材料按化学结构分类，可分为： 无机 无机 吸附剂 吸附剂 高分子 高分子 吸附剂 吸附剂 碳质 碳质 吸附剂 吸附剂 无机吸附剂 无机吸附剂  无机吸附剂是指具有一定晶体结构的无机化合物，大多数是天然 无机吸附剂是指具有一定晶体结构的无机化合物，大多数是天然 的无机物，往往具有离子交换性质，因此通常称为无机离子交换 的无机物，往往具有离子交换性质，因此通常称为无机离子交换 剂，如沸石、膨润土、硅藻土、海泡石、蒙脱土等，其中应用最 剂，如沸石、膨润土、硅藻土、海泡石、蒙脱土等，其中应用最 广泛的无机分离材料是合成的硅胶和分子筛，常用于高选择性吸 广泛的无机分离材料是合成的硅胶和分子筛，常用于高选择性吸 附剂（色谱的固定相）和催化剂载体。 附剂（色谱的固定相）和催化剂载体。  可通过利用沸石离子交换特性，改变沸石晶体内电场、表面、孔 可通过利用沸石离子交换特性，改变沸石晶体内电场、表面、孔 径等，改变沸石的吸附速度、吸附选择性、吸附量等，弥补天然 径等，改变沸石的吸附速度、吸附选择性、吸附量等，弥补天然 沸石因矿物种属所限导致性能的不足。天然沸石由于硅（铝）氧 沸石因矿物种属所限导致性能的不足。天然沸石由于硅（铝）氧 结构带有负电荷，不能直接去除水中的阴离子污染物。改性沸石 结构带有负电荷，不能直接去除水中的阴离子污染物。改性沸石 对溶液中 对溶液中OH OH--、、Cr2O72 Cr2O72--、、PO34 PO34--、、Cl Cl--等阴离子具有吸附性能。 等阴离子具有吸附性能。  膨润土的改性包括钠化改性、酸化改性和有机改性等，不同方法 膨润土的改性包括钠化改性、酸化改性和有机改性等，不同方法 改性后的膨润土性能不同，在环境中的应用特点也有所不同。 改性后的膨润土性能不同，在环境中的应用特点也有所不同。  硅藻含量 硅藻含量92% 92%以上的硅藻精土，通过加入表面处理剂，改性制成 以上的硅藻精土，通过加入表面处理剂，改性制成 处理各种水质的硅藻土水处理剂，具有强烈的吸附性，能将污水 处理各种水质的硅藻土水处理剂，具有强烈的吸附性，能将污水 中有机物和无机物吸附后很快絮凝沉降至底部并形成饼状，获得 中有机物和无机物吸附后很快絮凝沉降至底部并形成饼状，获得 可循环使用的清水，饼状的沉渣可彻底分离。 可循环使用的清水，饼状的沉渣可彻底分离。 高分子吸附剂 高分子吸附剂  最常用的高分子吸附材料包括离子交 最常用的高分子吸附材料包括离子交 换树脂以及在它基础上发展起来的吸 换树脂以及在它基础上发展起来的吸 附树脂，腐殖酸系吸附剂也暂且归入 附树脂，腐殖酸系吸附剂也暂且归入 该类。 该类。  高分子吸附剂是由烯类单体聚合制得 高分子吸附剂是由烯类单体聚合制得 的。通过改变聚合单体的组成和聚合 的。通过改变聚合单体的组成和聚合 的方法可以制得不同结构的吸附材料， 的方法可以制得不同结构的吸附材料， 还可以进一步用化学的方法功能基化 还可以进一步用化学的方法功能基化 从而制得带有各种功能基团的吸附材 从而制得带有各种功能基团的吸附材 料。 料。 碳质吸附剂 碳质吸附剂  碳质吸附剂是一类介于无机和有机吸附剂之间的一类 碳质吸附剂是一类介于无机和有机吸附剂之间的一类 吸附材料，包括活性炭、活性炭纤维以及碳化树脂。 吸附材料，包括活性炭、活性炭纤维以及碳化树脂。 膨胀石墨是一种新型吸附材料，对各种单纯油类、水 膨胀石墨是一种新型吸附材料，对各种单纯油类、水 面浮油以及乳化状液中的油和低含油废水中的油都有 面浮油以及乳化状液中的油和低含油废水中的油都有 较好的吸附脱除能力。它是由天然鳞片石墨经插层、 较好的吸附脱除能力。它是由天然鳞片石墨经插层、 水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状 水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状 物质，其表面和内部有发达的网络状空隙结构，但组 物质，其表面和内部有发达的网络状空隙结构，但组 织上仍由石墨微晶组成，具有石墨非极性的特性，呵 织上仍由石墨微晶组成，具有石墨非极性的特性，呵 呵吸附非极性有机大分子。 呵吸附非极性有机大分子。  此外，还有一类生物吸附剂，它是随着生物技术的发 此外，还有一类生物吸附剂，它是随着生物技术的发 展而快速发展起来的一类吸附剂。生物能通过食物链 展而快速发展起来的一类吸附剂。生物能通过食物链 逐级富集重金属离子，有意识的设法切断食物链的某 逐级富集重金属离子，有意识的设法切断食物链的某 一环节，即可对重金属离子污染加以控制或对重金属 一环节，即可对重金属离子污染加以控制或对重金属 离子加以利用，此时的生物就起着生物吸附剂的作用。 离子加以利用，此时的生物就起着生物吸附剂的作用。 3 3  膜材料种类很多，可根据不同的方法分类。 膜材料种类很多，可根据不同的方法分类。 根据不同膜 根据不同膜 的分离过程 的分离过程 根据制膜 根据制膜 材料的不同 材料的不同 按膜存在的 按膜存在的 物态形式形状 物态形式形状 固膜、液膜、气膜 固膜、液膜、气膜 目前大规模工业应用的多为固膜 目前大规模工业应用的多为固膜 所有的膜材料相应的分为微滤膜、超滤膜、 所有的膜材料相应的分为微滤膜、超滤膜、 纳滤膜、反渗透膜等 纳滤膜、反渗透膜等 无机膜 无机膜 （金属膜、玻璃膜、碳膜、陶瓷膜等） （金属膜、玻璃膜、碳膜、陶瓷膜等） 有机膜 有机膜 （（以醋酸纤维素类为主，芳香族聚酰胺 以醋酸纤维素类为主，芳香族聚酰胺 类为次，其他还有聚苯并咪唑、磺化 类为次，其他还有聚苯并咪唑、磺化 聚磺酸盐、聚乙烯腈等。 聚磺酸盐、聚乙烯腈等。 4 4  按使用场合的不同 按使用场合的不同 生物载体填料： 无机、有机、复合 生物填料： 软性、半软性、硬性 （较常见的按填料安装 （较常见的按填料安装 方法分类，大致可分为 方法分类，大致可分为 固定式、悬挂式、悬浮 固定式、悬挂式、悬浮 式、分散型和新型生物 式、分散型和新型生物 填料等几种类型） 填料等几种类型） 微生物固定化填料 4.1 4.1生物填料 生物填料  生物填料一般用于流化床和生物接触氧化池， 生物填料一般用于流化床和生物接触氧化池， 所采用的生物填料有软性、半软性和硬性填 所采用的生物填料有软性、半软性和硬性填 料之分，软性填料是由涤纶、维纶等制成的 料之分，软性填料是由涤纶、维纶等制成的 纤维束组成的纤维填料，比表面积大，强度 纤维束组成的纤维填料，比表面积大，强度 高，无堵塞现象，但长期使用后会产生结块 高，无堵塞现象，但长期使用后会产生结块 和纤维绳段落。为防止生物膜生长于纤维后 和纤维绳段落。为防止生物膜生长于纤维后 结成球状而减小填料的比表面积，以硬性塑 结成球状而减小填料的比表面积，以硬性塑 料为支架，再将软性纤维覆其上而制成的填 料为支架，再将软性纤维覆其上而制成的填 料为半软性填料或复合纤维填料。硬性填料 料为半软性填料或复合纤维填料。硬性填料 有波纹板、蜂窝填料等，比表面积大，质轻 有波纹板、蜂窝填料等，比表面积大，质轻 高强，但易堵塞。 高强，但易堵塞。  选择填料时应考虑废水水质、填料的特性、 选择填料时应考虑废水水质、填料的特性、 有机负荷，尽量避免产生堵塞。 有机负荷，尽量避免产生堵塞。 4.2 4.2 生物载体材料 生物载体材料  作为微生物的载体应有利于微生 作为微生物的载体应有利于微生 物的固化和生长繁殖，保持较多 物的固化和生长繁殖，保持较多 的生物量，有利于微生物代谢过 的生物量，有利于微生物代谢过 程中所需氧气和营养物质以及代 程中所需氧气和营养物质以及代 谢产生的废物的传质过程。目前 谢产生的废物的传质过程。目前 常用的载体有无机载体、有机高 常用的载体有无机载体、有机高 分子载体和复合载体三大类型。 分子载体和复合载体三大类型。 无机载体 无机载体  无机载体一般具有多孔结构，靠 无机载体一般具有多孔结构，靠 吸附作用和电荷效应将微生物细 吸附作用和电荷效应将微生物细 胞固定。此类载体强度大、传质 胞固定。此类载体强度大、传质 性好、对细胞无毒害、价格便宜 性好、对细胞无毒害、价格便宜 且制备过程简单，有较大的应用 且制备过程简单，有较大的应用 价值。常用的无机载体有硅藻土、 价值。常用的无机载体有硅藻土、 硅胶、分子筛、陶瓷、高岭土、 硅胶、分子筛、陶瓷、高岭土、 氧化铝、多孔二氧化钛等氧化物 氧化铝、多孔二氧化钛等氧化物 及无机盐 及无机盐。。 有机高分子载体 有机高分子载体  有机高分子载体可分为两类：一类是高分子凝胶载体， 有机高分子载体可分为两类：一类是高分子凝胶载体， 如琼脂、角叉菜胶和海藻酸钙等；另一类有机合成高 如琼脂、角叉菜胶和海藻酸钙等；另一类有机合成高 分子凝胶载体，如聚丙酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶、光 分子凝胶载体，如聚丙酰胺凝胶、聚乙烯醇凝胶、光 硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等，但主要包括多糖类载体 硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等，但主要包括多糖类载体 和蛋白质类载体。 和蛋白质类载体。  天然多糖广泛存在于大自然中，是一种既价廉又取之 天然多糖广泛存在于大自然中，是一种既价廉又取之 不尽的可再生资源，同时可以满足微生物固定化对载 不尽的可再生资源，同时可以满足微生物固定化对载 体材料较高的要求，主要有琼脂、海藻酸钙、纤维素、 体材料较高的要求，主要有琼脂、海藻酸钙、纤维素、 明胶等，它们无生物毒性、传质性好、但强度较低、 明胶等，它们无生物毒性、传质性好、但强度较低、 在厌氧条件下易被生物分解。 在厌氧条件下易被生物分解。  胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质，属于不溶性纤 胶原是动物体内含量最丰富的蛋白质，属于不溶性纤 维蛋白质，明胶是胶原部分的变性衍生物，主要由独 维蛋白质，明胶是胶原部分的变性衍生物，主要由独 特氨基酸序列组成。明胶无抗原性、易于吸收，但因 特氨基酸序列组成。明胶无抗原性、易于吸收，但因 其存在膜质脆、不耐水、潮湿环境中易受细菌侵蚀而 其存在膜质脆、不耐水、潮湿环境中易受细菌侵蚀而 变质、力学性能差等缺点而限制了其使用。现经研究 变质、力学性能差等缺点而限制了其使用。现经研究 证明，引入天然高分子材料与明胶共混，共混材料的 证明，引入天然高分子材料与明胶共混，共混材料的 生物相容性、可控降解性都得到明显改善，如用壳聚 生物相容性、可控降解性都得到明显改善，如用壳聚 糖、藻酸盐和透明质酸与明胶共混制备共混膜。 糖、藻酸盐和透明质酸与明胶共混制备共混膜。 复合载体 复合载体  复合载体是由无机载体和有机载 复合载体是由无机载体和有机载 体材料结合而成，使两类材料的 体材料结合而成，使两类材料的 性能互补，显示复合载体的优越 性能互补，显示复合载体的优越 性。一般情况下，复合载体机械 性。一般情况下，复合载体机械 强度较好，但传质性能较差，包 强度较好，但传质性能较差，包 埋后对细胞活性有影响。实际应 埋后对细胞活性有影响。实际应 用需注意其表面亲水行、粒度均 用需注意其表面亲水行、粒度均 一性和内部孔的结构。复合载体 一性和内部孔的结构。复合载体 ((合成高分子聚合物 合成高分子聚合物))主要有聚乙 主要有聚乙 烯醇、聚丙烯酰胺和酚醛树脂等。 烯醇、聚丙烯酰胺和酚醛树脂等。