材料科学概论课程结课论文

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材料科学概论结课论文

院系：化学与环境工程学院 班级：环境工程11102班

材料科学与环境工程相结合近期的发展

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材料是人类文明进步的物质基础和先导，材料科学的发展水平在一定程度上代表了一个国家工业水平的高低，目前很多高新技术的瓶颈归根结底都是要解决材料问题。但是，材料科学在其发展的历史上，也是造成资源、能源过度消耗，自然生态环境不断恶化的主要元凶之

一。环境污染和生态平衡破坏已经严重地制约了我国经济的发展。这其中与材料有关的环境污染占到了一半以上。因此，材料产业只有走与资源、能源和环境相协调的道路才是可持续发展的。也正是在这样一个背景下，必须要环境工程与材料科学相结合进行发展。

环境问题是当今社会发展所面临的三大类主要问题之一，人们在创造空前巨大的物质财富和前所未有的社会文明的同时，也在不断破坏其赖以生存的环境。从资源、能源和环境的角度考虑，材料的提取、制备、生产、使用和废弃的过程，实际上是一个资源和能源消耗及环境污染的过程。材料一方面推动着人类社会的物质文明，一方面又大量消耗资源和能源，并在生产、使用和废弃过程中排放大量的污染物，危害和恶化人类赖以生存的空间。材料产业一方面成为环境污染的主要来源之一，另一方面环境的净化与修复在很大程度上都依赖于更高性能材料的开发。用于防止、治理或修复环境污染的材料称为环境工程材料。

环境工程材料包括环境净化材料、环境修复材料以及环境替代材料。治理大气污染的吸附、吸收和催化转化材料，治理水污染的过滤、吸附、氧化还原材料，减少有害固态废弃物污染的固体隔离材料，噪声控制材料、电磁防护材料等，都属于环境净化材料；另外还包括过滤、分离、杀菌、消毒材料等。防止土壤沙漠化的固沙植被材料属于环境修复材料。从材料的全生命周期进行考虑，环境替代材料可以被划归在环境协调性材料里面。

1 环境净化材料

1.1 水污染控制材料

常用的废水处理方法可分为以下 3 类：① 分离处理，即通过各种外力的作用使污染物从废水中分离出来，通常在分离过程中并不改变污染物的化学性质；② 转化处理，即通过化学或生化的作用，改变污染物的化学性质，使其转化为无害物或可分离的物质，再经分离处理予以除去；③ 稀释处理，即将废水进行稀释混合，降低污染物的浓度，减少危害。针对不同的水处理方法，开发了不同用途的环境工程材料。目前，用于废水分离工艺的主要包括用于过滤、吸附的滤料、吸附剂、膜分离材料等；用于废水生化处理的主要有用于固定微生物的金属或陶瓷载体；用于废水化学处理的主要有高效率并且不产生二次污染的各种催化剂，如二氧化钛光催化剂等。

利用吸附剂的物理吸附、离子交换、络合等特点，能够去除水中的各种金属离子，主要用于处理含重金属元素的废水。天然粘土能吸收重金属、多环芳烃、碳氢化合物和苯酚等，可用于石油化工厂的污水净化。此外，物理吸附还能够吸附水中的颗粒物以及部分有机污染物。吸附剂的开发主要考虑其吸附效率、选择性、成本等性能。

天然沸石由于来源广泛、处理效果好、不产生二次污染等优点，目前已逐渐替代传统的活性炭吸附剂成为主要的水处理吸附剂。目前对于天然沸石的研究主要集中在通过物理化学方法对材料的表面性质进行改性，制备介孔复合体材料，降低其制备成本以及进一步提高吸附效率。文献利用天然沸石作为基体，在分子尺度范围内可控地破坏孔洞结构，进行造孔，制得了一种新型介孔复合吸附材料。

近年来有很多关于改性多聚糖吸附剂的研究，文献中报了由淀粉、糊精、壳素等天然生物质中提取多聚糖，制备交联多聚糖吸附剂的研究。实验证明，这种多糖吸附剂具有非常优秀的去除水体中污染物的能力，与传统的吸附剂相比更具竞争实力。

沉淀分离方法也是水处理中经常使用的分离工艺。治理水污染的沉淀分离工艺过程用材料，包括用于絮凝沉淀的絮凝剂和化学沉淀的沉淀剂 2 种。高铁酸盐絮凝剂是水处理中已广泛使用的絮凝剂，能够有效降解有机物，去除悬浮颗粒及凝胶，其瓶颈在于产率比较低，前处理工艺对其治理效果有一定的影响。因此，研究主要集中在改善制备工艺、提高产率以及产

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物的稳定性、寻找替代次氯酸盐以及氯化物的氧化剂等方面。

市政生活污水通常采用生化处理工艺。固定化微生物技术是使用化学或物理的方法将游离 这种水处理方法具有生物浓度易控制、耐毒害能力强、菌种流失少、产物易分离、运行设备小型化等特点，但是固定化材料性能的不足限制了其应用。使用高岭土、长石、石灰石、石英等制备了符合要求的固定化微生物的多孔陶瓷，根据实验确定了最佳的制备参数，达到了较好的水处理效果。

氧化还原属于一种污水化学转换处理工艺。用于氧化还原处理的材料主要是各种化学试剂，包括氧化剂、还原剂以及催化剂等。常用的氧化还原材料有活泼非金属材料和含氧酸盐；常用的还原材料有活泼金属原子或离子；常用的催化剂有活性炭、粘土、金属氧化物及高能射线等。

1.2 大气污染控制材料

目前，治理大气污染通常使用吸附法、吸收法和催化转化法。从材料科学与工程的角度看，无论是吸附法、吸收法还是催化转化法，都要借助于一定的材料介质才能实现。相应的大气污染控制材料包括吸附剂、吸收剂和催化剂，主要应用于工厂、住宅区锅炉等固定源与机动车等活动源排放的气体污染物的净化。

稀土汽车尾气净化催化剂是近年来发展起来的一类重要的环境工程材料，它能够在一定条件下催化大气中的有害气体成分，如 NOx、CO、CH 等转化为 N2和 CO2。汽车尾气的净化催化剂通常采用铂、钯、铑等贵金属作为主要的活性组分。近年来，为了节约贵金属资源，开始研究利用过渡金属、稀土元素部分替代或全部替代贵金属，进行汽车尾气净化处理，取得了很好的效果。

目前，这方面的研究热点主要集中在减少贵金属用量、提高催化效率以及催化剂稳定性等方面。吴晓东等对钙钛矿型催化剂 La0.7Sr0.3MnO3+λ的催化活性进行了广泛而深入的研究，结果表明，这类催化剂对于汽车尾气具有很高的催化活性。尽管浸渍贵金属的催化剂有着优异的催化活性，但掺杂稀土的钙钛矿型复合氧化物催化剂已经达到了部分取代贵金属的效果。 作为稀土催化剂载体的多孔蜂窝陶瓷近年来也成为研究的热点。蜂窝陶瓷具有热稳定性好、热膨胀系数小等优点，通常还在堇青石基质材料的表面附上较高比表面的多孔物质，使活性成分容易且牢固地负载在载体表面，提供一个良好的催化反应环境。一般的涂层材料为活性氧化铝，Kummer J 也曾使用氧化锆作为涂层，提高了载体的耐高温性。

二氧化钛光催化剂的研究近年来成为材料科学研究的热点之一，由于其化学性能稳定、无毒、价廉以及光催化活性高而引起了广泛的重视。离子注入 Sn 及纳米镶嵌 Au 和 Ag都获得了较好的实验结果。由于 TiO2光催化剂在空气净化、杀菌、消毒、防雾、防尘等领域具有广阔的应用前景，因此，国内外在应用开发方面都投入了大量的人力物力。近年来，TiO2 光催化剂的多种类型的产品陆续出现，如自清洁玻璃、卫生洁具等。根据王君等的研究，超声波对二氧化钛光触媒可起到催化作用，从而促使二氧化钛激发液体成分发生变化，释放出杀菌成分。将大肠杆菌加入纳米二氧化钛水溶液，经超声波作用 75 min，杀灭率可达到 100%。 室内环境污染 …… 此处隐藏：4410字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……