《清华大学百年校庆环境科学与工程系列著作：环境吸附材料及应用原理》以环境吸附材料为核心，系统评述了各种吸附材料在环境领域的研究进展和研究方法，分别针对污水中的重金属、饮用水中的砷和氟、水中新兴污染物全氟化合物和气相中的温室气体CO2，总结了各种高效吸附材料的制备方法、性能表征、对不同污染物的吸附特性和吸附机理，阐明了根据污染物的特点构建高效吸附材料的方法，并重点介绍了表面接枝改性制备高效吸附材料的方法，系统评价了多种吸附材料的吸附容量、吸附速率、选择性和再生性等指标，最后对环境吸附材料进行了展望。
    《清华大学百年校庆环境科学与工程系列著作：环境吸附材料及应用原理》内容系统性强，兼具前沿性和学术性，数据丰富、信息量大，可作为环境科学与工程、材料科学、化学工程等专业研究生的参考书，也可供相关专业的研究人员和工程技术人员参考。

    第1章 环境吸附材料概论
    吸附是指固体物质表面富集周围液体或气体介质中的分子或离子的过程，是自然界中普遍存在的一种现象，根据作用力的不同，通常包括物理吸附和化学吸附。吸附也是一种传质过程，具有大比表面积的多孔材料往往具有较强的吸附能力。在环境吸附领域，人们关注污染物的环境吸附过程（污染过程）和吸附控制技术。吸附法是去除环境中污染物最为快速有效的方法之一，受到普遍关注，其中高效吸附材料是最为关键的核心问题。吸附材料可分为多孔吸附材料和无孔吸附材料，近年来纳米吸附材料受到广泛关注。
    1.1 多孔吸附材料
    多孔吸附材料是最常见的吸附剂，具有多孔隙结构，表面积大，对污染物通常有较高的吸附容量，是一类优良的吸附材料。常见的多孔吸附材料包括活性炭、树脂、活性铝等。
    1.1.1 活性炭
    活性炭是一种由碳质材料（通常为重油、煤、木质材料等）经过特殊的活化过程制成的比表面积大，有很强吸附能力的多孔吸附剂。由于原料、形状大小和制备工艺不同，活性炭种类繁多。按形状可分为颗粒活性炭（多为不规则颗粒状和柱状） 、粉末活性炭和活性炭纤维，如图1.1所示；按材质可分为矿物质活性炭（煤、沥青、石油焦等）、木质活性炭（木材、果壳等）、生物质活性炭（稻壳、活性污泥等）、合成树脂和纤维活性炭等。
    1.制备方法
    活性炭制备通常需要经过炭化和活化两个阶段，其中活化是造孔阶段，最为关键。活化一般通过气体活化或药剂活化来实现。气体活化法是将原材料经过炭化后再进行活化，在碳材料表面和内部形成发达的微孔结构。首先在400～500℃的无氧条件下对原料进行炭化处理，除去可挥发成分，然后用氧化性气体（水蒸气、CO2等）在800～1000℃的无氧环境下进行活化处理。活化可以使碳材料开孔、扩孔和创造新孔，从而形成发达的孔隙结构。药剂活化法是指将化学药品（ZnCl2、KOH、H3PO4等）加入原料中，然后在惰性气体的保护下加热，同时进行炭化和活化的方法。具有活化时间短、活化反应易控制、产物比表面积大等优点，成为高性能活性炭的主要制备方法。
    气体活化和药剂活化各有优势和不足。气体活化法多生产颗粒状活性炭，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，但活性炭收率不高，活化温度较高；药剂活化法多制备粉状活性炭，孔径可控，可制备出以微孔或中孔为主的产品，但对设备腐蚀性大，环境污染严重。
    常规活性炭的孔径分布不规则，主要以微孔为主。为了提高吸附效能，孔径规则的介孔（中孔）活性炭受到关注。介孔活性炭是指孔径在2～50nm的活性炭，可通过模板法、催化活化法、有机凝胶炭化法及自组装法制得。相对于普通活性炭，介孔活性炭具有原子水平无序、介观水平有序、孔隙率高、孔径分布窄、孔径大小可调等特点，是很好的储氢材料和吸附分离材料，对大分子有机污染物有很好的吸附去除效果。
    2.改性方法
    活性炭改性主要是指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。表面物理结构改性是指通过物理或化学的方法增大活性炭比表面积，控制孔径大小及其分布，从而提高其物理吸附性能。表面化学性质改性主要是通过氧化还原反应提高活性炭表面含氧酸性、碱性基团的相对含量以及负载金属改性，提供特定吸附活性点，调节其极性、亲水性以及与金属或金属氧化物的结合性，从而改变对极性、弱极性或非极性物质的吸附能力［1］。表面氧化改性是利用HNO3、HClO3和H2O2等强氧化剂氧化活性炭表面官能团，提高表面含氧酸性官能团的数量，增强极性和亲水性，可提高对极性有机污染物的吸附；表面还原改性，利用还原剂（H2、N2、氨水、苯胺）对活性炭表面官能团进行还原处理，提高碱性官能团的数量，表面含有含氮官能团的活性炭对重金属和阴离子污染物有较好的吸附性能；负载金属改性是指活性炭表面吸附金属离子，然后利用活性炭的还原性将其还原成单质或低价态离子，再通过金属离子或金属对污染物进行更强的吸附。
    3.理化性质
    活性炭的性质包括元素组成、密度、粒度、比表面积、孔径特征、表面基团等，其中比表面积、孔结构和表面基团对污染物的吸附影响最大。
    1）比表面积
    活性炭的比表面积是指单位质量活性炭所具有的总表面积数，单位通常用m2/g表示，是最为重要的表观活性炭吸附性能的参数。多孔材料的比表面积多采用较为成熟的BET吸附法测得，常见的活性炭的比表面积一般为900～1500m2/g。
    特殊的超级活性炭的比表面积可高达3000～4000m2/g。
    2）孔径特征
    经过炭化、活化的活性炭会形成数量众多的孔结构，有效半径小于2nm的称为小孔（微孔），2～50nm的为中孔（介孔），大于50nm的为大孔。不同大小的孔在吸附过程中发挥的作用也不同：大孔起到从液相或气相中吸附吸附质的作用，但其所占比例微小，对吸附量的作用可以忽略；而中孔在吸附过程中主要承担为吸附质提供扩散通道的作用，但当大的分子进入孔内，不能被小孔所吸附时，活性炭的吸附主要靠中孔发挥作用；微孔在吸附过程中起主导作用，占总表面积的95%以上，是影响吸附量的主要因素。活性炭孔径大小和分布直接影响其吸附水中污染物的性能，通常大分子污染物在活性炭上的吸附效果要大大降低。常见活性炭的孔结构如图1.2所示。
    3）表面基团
    活性炭的吸附性能不仅与物理性质有关，还与其表面化学官能团有关。不同原料和制备方法制成的活性炭组成有所差别，通常碳元素占90%以上、氧元素占4%左右，其余由氢、氮、硫等组成。活性炭本身是非极性的，但由于表面的共价键不饱和，易与其他元素如氧、氢结合，生成各种含氧官能团，使其带有微弱的极性。特别是改性后的活性炭，表面极性官能团增加，极性大大增强，有利于吸附极性污染物。不同类型的活性炭其含有的官能团也略有区别，常见的官能团有羧基、酚羟基、醌型羰基、内酯基、荧光素式内酯、羧酸酐等［3，4］，有些活性炭还含有含氮基团。图1.3是活性炭表面常见的含氧官能团。
    4.活性炭的应用
    1）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消毒副产物。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性能［5］。特别是在应急供水中，活性炭是最常用的有效吸附剂。
    2）污水处理
    在污水进行深度处理中，活性炭多用于除去二级生物处理中无法去除的难降解溶解性有机物，如木质素、丹宁、黑腐素等。除了溶解性有机物外，表面活性剂、重金属、余氯以及色度均能在一定程度上得以去除［6］。在对工业废水的处理中，活性炭吸附工艺不仅处理程度高、应用范围广，而且适应性强，对于特殊废水还能回收有用物质。例如，在含酚废水的处理中，达到吸附饱和的活性炭用碱再生后可回收酚钠盐。
    3）工业烟气处理
    活性炭脱硫脱氮：通常工业处理烟气多用吸收法单独脱硫，廉价高效，但是如果要同时脱硫脱氮则非常困难。而利用活性炭对低浓度SO2进行吸附处理，可以同时对NOx进行较彻底的去除且能回收利用。活性炭脱硫脱氮既可分别进行、分别回收，也可同时进行，且相对于其他吸附材料来说，活性炭吸附处理速率快、吸附量大、效果明显。但是也存在两个问题：一是活性炭的再生缓慢；二是由于多数烟气中还有氧气，易导致活性炭着火甚至爆炸。
    活性炭去除VOCs：活性炭吸附处理挥发性有机污染物（VOCs）现在已广泛应用于石油化工、有机化工等部门，是主要的处理单元。VOCs与多孔性吸附材料接触，利用其表面的范德华力和化学键力，将VOCs固着在固体表面。工业上多用颗粒状、粉末状或纤维状活性炭代替其他吸附剂（氧化铝、硅胶等）。主要因为废气中多含有水蒸气，水分子显极性容易和吸附剂上带有极性的分子进行结合，降低吸附效果。相对其他吸附材料，活性炭极性最小，吸附性能最佳。对于风量较大，而浓度较低的VOCs废气处理，将传统吸附与催化燃烧处理有机废气的工艺相融合，已达到净化目的。
    活性炭吸附二?英：垃圾焚烧、钢铁烧结、水泥生产等过程中都能产生二？英，危害大，广受关注。通过活性炭吸附是去除烟气中二？英的重要方法之一。通常在布袋除尘器前的烟道上喷入粉末活性炭，以去除废气中二？英物质。
    4）室内空气净化对于室内环境净化，活性炭吸附可以达到脱湿、去除有害气体、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。净化器一般用于吸附空气中的恶臭物质及有害物质，活性炭吸附性能降低时需要及时更换。对于有机溶剂类气体使用普通活性炭；而对于氨气、硫化氢等腐败性臭气，则使用改性活性炭。但活性炭吸附饱和后污染物的再释放是需要解决的问题。
    1.1.2 吸附树脂
    吸附树脂是一类由高交联度的高分子共聚物构成的多孔球形颗粒物，具有较大的比表面积和可控的孔径，适合去除气体和水中的污染物。吸附树脂可分为非离子型和离子型两大类，其中离子交换树脂应用最广。
    离子交换树脂具有离子交换功能，种类繁多，被广泛应用于各个领域。按交换基团性质可分为阳离子和阴离子交换树脂两大类，它们可分别与水中的阳离子和阴离子进行交换，阳离子交换树脂又分为强酸性和弱酸性两类，阴离子交换树脂又分为强碱性和弱碱性两类；按基体种类可分为苯乙烯系、丙烯酸系、醋酸系、环氧系、酚醛系、乙烯吡啶系等离子交换树脂；按孔隙结构可分为凝胶型和大孔型两类。
    非离子型树脂的分子结构中不含离子型基团，主要通过范德华力进行吸附。按极性大小，可分为强极性、中极性、弱极性和非极性；其他分类方法同离子交换树脂。
    1.制备和改性方法
    吸附树脂一般都是加聚产品，多通过悬浮共聚的方法制得。以制备苯乙烯系树脂为例：苯乙烯为主料、二乙烯苯为交联剂；苯乙烯、二乙烯苯在水相中进行悬浮共聚，加入引发剂（如氧化苯甲酰）和分散稳定剂（如羟乙基纤维素） ，在一定温度（80～95℃）下搅拌，得到球状共聚体（聚合小球）；将聚合小球脱水并过筛，得到符合标准的吸附树脂。分散剂的性质、搅拌条件和温度等是影响悬浮共聚的主要因素。
    树脂改性方法主要分为化学改性和物理改性。物理改性多是在树脂制备过程中进行的，如共混改性是将两种或两种以上的高聚物共混，在一定条件下发生反应，来制得兼具这些高聚物特性的混合物。共混可改变树脂的抗低温冲击性能、热稳定性、韧性等。化学改性方法包括共聚改性、接枝改性和交联改性等，如共聚改性是将树脂本身的结构单元（如聚丙烯树脂的丙烯）或者树脂表面基团（如环氧基）与其他活性基团或物质在引发剂作用下发生聚合反应，生成接枝或嵌段的共聚物。在树脂表面进行化学改性，可以将官能团―COOH、―SO3H、―OH、―NH2、―N+（NH3）3等反应到树脂表面（见图1.4），从而提高吸附性能。
    2.理化性质
    吸附树脂主要性能参数包括比表面积、孔径大孝孔结构、官能团种类、吸附容量、溶胀度和选择性等，其中比表面积、孔径大小及官能团种类和密度直接影响树脂的吸附容量和选择性。
    吸附树脂的比表面积一般在100～1500m2/g，内部孔径分布较均一。根据树脂合成条件的不同，孔径可在几十埃至上万埃，孔结构也比较稳定。树脂的交换容量是指单位质量或者单位体积的树脂所能交换的离子的摩尔数，直观反映了离子交换树脂的交换能力。实际工作条件下的交换能力往往小于理论上的树脂饱和交换能力，水质条件是影响交换容量的重要因素。选择性是吸附树脂的重要性能指标。实际应用中，离子交换树脂的交换能力主要依赖于对不同离子的亲和力，又称为选择性。选择性受树脂交联度、基团性质、溶液的离子浓度及其组成等影响，大体规律是：原子序数大者优先；大尺寸离子优先；多价离子优先。表1.1为20℃时，各种树脂对低浓度离子的选择性顺序。
    3.吸附树脂的应用
    吸附树脂在环境工程中有很广泛的应用，而水处理是其主要应用领域，可以从污水中回收有价值物质，也可吸附去除水中微量的污染物。
    在水质软化方面，离子交换树脂对水中钙、镁等硬水离子有很好的去除效果。
    ……

丛书序
前言
第1章 环境吸附材料概论
1.1 多孔吸附材料
1.1.1 活性炭
1.1.2 吸附树脂
1.1.3 活性铝
1.1.4 硅胶
1.1.5 沸石
1.1.6 膨润土
1.2 无孔吸附材料
1.2.1 纤维材料
1.2.2 生物材料
1.2.3 矿物材料
1.3 纳米吸附材料
1.3.1 碳纳米管
1.3.2 石墨烯和富勒烯
1.3.3 二氧化钛纳米管
参考文献

第2章 环境吸附研究方法
2.1 吸附剂制备方法
2.1.1 高比表面积吸附剂的制备
2.1.2 高密度官能团吸附剂的制备
2.1.3 有序介孔吸附剂的制备
2.1.4 吸附剂的评价方法
2.2 吸附剂的性能表征方法
2.3 吸附和再生特性研究方法
2.3.1 吸附动力学及模型拟合
2.3.2 吸附等温线及模型拟合
2.3.3 水质对吸附影响
2.3.4 竞争吸附
2.3.5 吸附剂的再生
2.4 吸附机理及研究方法
参考文献

第3章 表面改性制备高效吸附材料
3.1 改性纤维材料
3.1.1 水解纤维
3.1.2 氨化聚丙烯腈纤维
3.2 改性菌丝体
3.2.1 表面嫁接PEI的氨化菌丝体
3.2.2 羧基化菌丝体
3.3 原子转移自由基聚合法制备高效吸附剂
3.3.1 氨化树脂
3.3.2 氨化稻壳
3.3.3 季铵化棉纤维
3.3.4 羧基化棉纤维
3.4 小结
参考文献

第4章 改性吸附剂去除水中重金属的特性和机理
4.1 氨化吸附剂吸附重金属
4.1.1 氨化纤维吸附铜和铅离子
4.1.2 交联PEI的菌丝体吸附铜、铅和镍离子
4.1.3 接枝PEI的菌丝体吸附六价铬离子
4.1.4 氨化树脂吸附铜、铅、六价铬和五价砷离子
4.2 羧基化菌丝体吸附铜和镉离子
4.2.1 吸附特性
4.2.2 脱附再生和重复使用
4.2.3 吸附机理
4.3 小结
参考文献

第5章 饮用水除砷除氟高效吸附剂的研制及应用
5.1 除砷吸附剂概述
5.1.1 砷危害与污染状况
5.1.2 除砷技术
5.1.3 吸附法除砷
5.2 氨化纤维吸附除砷研究
5.2.1 氨化纤维吸附剂的制备
5.2.2 吸附特性
5.2.3 吸附机理
5.3 钛基复合氧化物吸附除砷研究
5.3.1 复合吸附剂制备及表征
5.3.2 吸附特性
5.3.3 吸附机理
5.4 除氟吸附剂概述
5.4.1 氟的性质及危害
5.4.2 氟化物的污染状况
5.4.3 吸附除氟技术的研究现状
5.5 铝铈复合吸附剂除氟研究
5.5.1 吸附剂的制备优化
5.5.2 吸附剂的表征
5.5.3 吸附特性
5.6 Mn-Ce复合氧化物吸附除氟研究
5.6.1 吸附剂的制备和表征
5.6.2 吸附特性
5.6.3 吸附机理
5.7 小结
参考文献

第6章 吸附去除水中全氟化合物的特性和机理
6.1 研究背景
6.1.1 PFCs生产、使用和危害
6.1.2 环境污染状况
6.1.3 控制技术
6.2 活性炭吸附去除PFOS和PFOA的研究
6.2.1 活性炭的性质
6.2.2 PFCs的分析方法
6.2.3 吸附特性
6.2.4 吸附机理
6.3 树脂吸附去除PFOS的研究
6.3.1 树脂的性质
6.3.2 吸附特性
6.3.3 脱附特性
6.3.4 吸附机理
6.4 有机改性蒙脱石吸附PFOS的研究
6.4.1 有机蒙脱石的制备
6.4.2 吸附特性
6.4.3 吸附机制
6.5 高效交联多孔壳聚糖吸附PFCs的研究
6.5.1 交联多孔壳聚糖的制备
6.5.2 吸附动力学
6.5.3 动力学模拟
6.5.4 溶液pH对不同PFCs吸附的影响
6.5.5 吸附机理
6.6 分子印迹吸附剂选择去除PFOS的研究
6.6.1 单体聚合的分子印迹吸附剂
6.6.2 分子印迹壳聚糖吸附剂
6.7 活性污泥吸附PFOS和PFOA的研究
6.7.1 活性污泥性质
6.7.2 吸附特性
6.8 碳纳米管吸附PFCs的研究
6.8.1 碳纳米管的性质
6.8.2 吸附特性
6.8.3 吸附机理
6.9 混凝吸附去除水中PFOA的研究
6.9.1 混凝实验
6.9.2 混凝去除特征
6.9.3 吸附-混凝联用效果
6.10 小结
参考文献

第7章 捕集温室气体CO2的吸附材料
7.1 CO2吸附材料的研究进展
7.1.1 炭材料
7.1.2 有机胺改性多孔材料
7.1.3 沸石
7.1.4 MOFs
7.1.5 氧化钙
7.1.6 碱金属碳酸盐
7.1.7 碳纳米管
7.2 高效竹基活性炭吸附CO2的研究
7.2.1 竹基活性炭的制备
7.2.2 吸附CO2性能研究
7.2.3 竹基活性炭孔特性和CO2吸附的关系
7.3 小结
参考文献

第8章 环境吸附材料及应用展望
8.1 新型吸附材料
8.1.1 高效廉价吸附材料
8.1.2 吸附-降解多功能复合材料
8.1.3 纳米吸附材料
8.2 吸附新兴污染物
8.2.1 持久性有机污染物
8.2.2 药物和个人护肤品
8.2.3 内分泌干扰物
8.3 吸附技术在环境领域的应用
8.3.1 饮用水处理中的吸附技术
8.3.2 污水处理中的吸附技术
8.3.3 水污染应急吸附技术
8.3.4 空气中污染物的吸附技术
8.3.5 固相萃取预处理技术
参考文献