功能化炭材料制備及在水處理中的應用

本書以功能化炭材料的制備及其在不同水體中的應用為主線，以水中微量污染物的達標處理為目標，總結了相關研究成果。開發了基于該材料的水處理技術，并將其應用于地表水和行業廢水達標處理中。為實際水廠中微污染物的去除提供了強有力的技術支持。 ★炭材料的制備與吸附原理 ★陽離子化炭材料用于水中微污染物的去除研究 ★金屬改性炭材料用于礦井水中特征污染物的去除研究 ★金屬改性炭材料用于煤化工廢水中特征污染物的去除研究

近年來，水中微污染物由于其檢出頻率高、健康風險大以及難被常規水處理工藝去除等特性受到了世界范圍內的廣泛關注，不同水體用水標準對微污染物限值也提出了更高的要求。2022年3月，我國最新頒布的修訂版《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2022)增加了4項微污染物指標，分別為高氯酸鹽、乙草胺、2-甲基異莰醇和土臭素，其限值分別為70μg/L、20μg/L、0.01μg/L和0.01μg/L。此外，《煉焦化學工業污染物排放標準》(GB 16171—2012)規定了多環芳烴和苯并【a】芘的排放限值分別為0.05mg/L 和0.03μg/L。這些新標準進一步給微污染物在常規水處理中的去除帶來了巨大的挑戰。黨的十八大以來，習近平總書記多次強調“綠水青山就是金山銀山”的發展理念。因此，為了保障用水安全，滿足廢水處理與回用標準，改善水環境，更好踐行“兩山”理論，亟須開展水體中微污染物的去除研究。
炭材料吸附由于其成本低、吸附效果好、穩定性強，是目前飲用水與行業廢水中去除微污染物最常用的手段之一。炭材料主要包括活性炭、碳納米管和石墨烯等，但這些未經處理的炭材料存在吸附性能有限、易團聚和選擇性差等問題。因此，為了進一步提高炭材料對水中微污染物的吸附量和選擇性，非常有必要對傳統炭材料進行功能化改性。
本書是對筆者近年來的功能化炭材料的開發及其在水處理中的應用相關方面研究成果的總結，是筆者及課題組研究生的集體智慧和辛勤工作的成果。全書共分為5章。第1章概述了炭材料與水污染現狀，介紹了功能化炭材料在水處理中的應用情況；第2章介紹了炭材料的制備與吸附原理；第3章介紹了陽離子化炭材料用于水中微污染物的去除研究；第4章介紹了金屬改性炭材料用于礦井水中特征污染物的去除研究；第5章介紹了金屬改性炭材料用于煤化工廢水中特征污染物的去除研究。本書的所有著者均為中國礦業大學(北京)廢水處理與資源化科研團隊成員，全書具體分工如下：第1章由侯嬪、王春榮、孫新雨著寫；第2章由侯嬪、鄧久帥、顏佳琦、王逍凡著寫；第3章由侯嬪、王若男、葛心蕊著寫；第4章由侯嬪、嚴哲、林志煒、秦浩銘著寫；第5章由侯嬪、張瑜、趙俊慧、趙晨皓著寫。初稿完成后，相互校對，最后由侯嬪和王春榮統稿并定稿。
本書的研究成果受到山西省重點研發計劃項目(課題編號：202102090301006)、中央高校優秀青年團隊項目(課題編號：2023YQTD03)、國家重點研發計劃項目(課題編號：2018YFC0406404)、國家自然科學基金項目(課題編號：51508555)和中央高?！霸狡榍嗄陮W者” 計劃項目(課題編號：2020YQHH03)的資助。
在本研究開展與本書寫作過程中，中國礦業大學(北京)的王建兵、何緒文、徐東耀、張春暉、章麗萍、周昊給予了指導與幫助，課題組成員岳燁、楊曉瑜、范業承、蘇賀、彭蓮、王會華、祝文清、韓港勝和郭影等參與了討論。在此，我們一并表示衷心的謝意。
由于筆者研究領域和學識有限，書中可能會存在一些疏漏與不妥之處。在此，懇請有關專家和廣大讀者批評指正并提出寶貴意見，以利于我們將來對本書進行修正，從而提高本書質量。

著者
2023年8月

侯嬪，工學博士，中國礦業大學（北京）副教授，環境科學與工程系副主任，北京生態設計與綠色制造促進會“首席技術專家”。長期從事功能化活性炭材料的綠色制備及其在水處理中的應用、廢水處理技術（高 級氧化、電吸附脫鹽、光熱轉化等）及煤礦區三廢治理及其資源化利用技術等領域研究。主持并參與國家及省部級項目10余項，包括國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金委項目、山西省重點研發項目等。發表學術與會議論文40余篇，授權國內發明專利3項、美國發明專利1項，出版教材與著作3部。擔任Carbon, Chem. Eng. J., Sep. Purif. Technol., J. Hazard. Mater., Chemosphere, Desalination 等學術期刊審稿人。

本書以功能化炭材料的制備及在不同水體中的應用為主線，以水中微量污染物的達標處理為目標，總結了相關研究成果。利用此研究成果靶向制備了針對不同類型微污染物吸附去除的新型功能化炭材料，開發了基于該材料的水處理技術，并將其應用于地表水和行業廢水達標處理中。同時，闡明了不同工藝條件對微污染物吸附性能的影響規律，探討了功能化炭材料在實際應用中的再生性和環保性，最終可實現功能化炭材料對水中微污染物的綠色、高效、選擇性去除，為實際水廠中微污染物的去除提供了強有力的技術支持。
本書可作為高等學校環境科學、環境工程及相關專業的科研工作者和研究生在研究功能化炭材料的制備及其在水處理中的應用時的參考用書，也可供環境科學、環境工程及相關領域的工程技術人員和管理人員閱讀參考。

第1章概論001
1.1炭材料概述/001
1.2水污染現狀/002
1.3水中微污染物的研究現狀/004
1.3.1水中微污染物的定義與分類/004
1.3.2水中微污染物的來源與危害/005
1.3.3水中微污染物的定量分析方法/006
1.3.4水中微污染物的去除技術/009
1.4功能化炭材料在水處理中的應用/013
1.4.1在地表水處理中的應用/013
1.4.2在行業污水處理中的應用/015
1.4.3目前存在的問題與發展前景/017
參考文獻/018

第2章炭材料的制備與吸附原理022
2.1炭材料分類/022
2.1.1傳統炭材料/022
2.1.2新型炭材料/023
2.1.3改性炭材料/024
2.2炭材料的制備與改性/025
2.2.1炭材料的制備方法/025
2.2.2炭材料的改性方法/026
2.3炭材料的吸附原理/029
2.3.1靜態吸附/029
2.3.2動態吸附/036
參考文獻/040

第3章陽離子化炭材料用于水中微污染物的去除研究042
3.1陽離子化炭材料用于地下水中高氯酸鹽的去除研究/042
3.1.1概述/042
3.1.2材料與方法/043
3.1.3新型季銨鹽改性木質及煤質活性炭制備條件的優化/047
3.1.4新型季銨鹽改性活性炭的高氯酸鹽吸附效能/050
3.1.5新型季銨鹽改性活性炭的表征/054
3.2陽離子化炭材料用于地表水中溴酸鹽的去除研究/060
3.2.1概述/060
3.2.2材料與方法/062
3.2.3環氧化季銨鹽改性活性炭制備條件的優化/064
3.2.4環氧化季銨鹽改性活性炭對溴酸根的吸附效能/069
3.2.5環氧化季銨鹽改性活性炭去除溴酸根的機理探討/072
參考文獻/077

第4章金屬改性炭材料用于礦井水中特征污染物的去除研究084
4.1礦井水中砷的去除研究/084
4.1.1概述/084
4.1.2材料與方法/085
4.1.3活性炭母體對砷的吸附效能/088
4.1.4nZVI-GAC制備條件的優化/091
4.1.5nZVI-GAC吸附砷的影響因素研究/097
4.1.6nZVI-GAC再生效果分析/100
4.2礦井水中氟的去除研究/101
4.2.1概述/101
4.2.2材料與方法/102
4.2.3鑭改性活性炭的制備與優化/104
4.2.4鑭改性煤基顆?；钚蕴课匠挠绊懸蛩匮芯?115
4.2.5鑭改性活性炭的再生方法研究/117
參考文獻/119

第5章金屬改性炭材料用于煤化工廢水中特征污染物的去除研究124
5.1硝酸輔助銀改性活性炭去除焦化廢水苯并【a】芘的研究/124
5.1.1概述/124
5.1.2材料與方法/125
5.1.3焦化廢水中BaP的GC-MS定量檢測條件的優化/130
5.1.4硝酸輔助 Ag 改性活性炭制備條件的優化/135
5.1.5硝酸輔助Ag改性活性炭的吸附效能研究/138
5.2Fe/Mn改性活性炭催化H2O2深度去除焦化廢水中BaP的研究/147
5.2.1概述/147
5.2.2材料與方法/147
5.2.3Fe/Mn改性活性炭制備條件的優化/151
5.2.4Fe/Mn改性活性炭的吸附效能研究/153
5.2.5Fe/Mn改性活性炭催化H2O2降解水中BaP的效能研究/160
參考文獻/166