功能化炭材料制备及在水处理中的应用

近年来，水中微污染物由于其检出频率高、健康风险大以及难被常规水处理工艺去除等特性受到了世界范围内的广泛关注，不同水体用水标准对微污染物限值也提出了更高的要求。2022年3月，我国最新颁布的修订版《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)增加了4项微污染物指标，分别为高氯酸盐、乙草胺、2-甲基异莰醇和土臭素，其限值分别为70μg/L、20μg/L、0.01μg/L和0.01μg/L。此外，《炼焦化学工业污染物排放标准》(GB 16171—2012)规定了多环芳烃和苯并［a］芘的排放限值分别为0.05mg/L 和0.03μg/L。这些新标准进一步给微污染物在常规水处理中的去除带来了巨大的挑战。党的十八大以来，总书记多次强调“绿水青山就是金山银山”的发展理念。因此，为了保障用水安全，满足废水处理与回用标准，改善水环境，更好践行“两山”理论，亟须开展水体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、稳定性强，是目前饮用水与行业废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、碳纳米管和石墨烯等，但这些未经处理的炭材料存在吸附性能有限、易团聚和选择性差等问题。因此，为了进一步提高炭材料对水中微污染物的吸附量和选择性，非常有必要对传统炭材料进行功能化改性。
本书是对笔者近年来的功能化炭材料的开发及其在水处理中的应用相关方面研究成果的总结，是笔者及课题组研究生的集体智慧和辛勤工作的成果。全书共分为5章。第1章概述了炭材料与水污染现状，介绍了功能化炭材料在水处理中的应用情况；第2章介绍了炭材料的制备与吸附原理；第3章介绍了阳离子化炭材料用于水中微污染物的去除研究；第4章介绍了金属改性炭材料用于矿井水中特征污染物的去除研究；第5章介绍了金属改性炭材料用于煤化工废水中特征污染物的去除研究。本书的所有著者均为中国矿业大学(北京)废水处理与资源化科研团队成员，全书具体分工如下：第1章由侯嫔、王春荣、孙新雨著写；第2章由侯嫔、邓久帅、颜佳琦、王逍凡著写；第3章由侯嫔、王若男、葛心蕊著写；第4章由侯嫔、严哲、林志炜、秦浩铭著写；第5章由侯嫔、张瑜、赵俊慧、赵晨皓著写。初稿完成后，相互校对，最后由侯嫔和王春荣统稿并定稿。
本书的研究成果受到山西省重点研发计划项目(课题编号：202102090301006)、中央高校优秀青年团队项目(课题编号：2023YQTD03)、国家重点研发计划项目(课题编号：2018YFC0406404)、国家自然科学基金项目(课题编号：51508555)和中央高校“越崎青年学者” 计划项目(课题编号：2020YQHH03)的资助。
在本研究开展与本书写作过程中，中国矿业大学(北京)的王建兵、何绪文、徐东耀、张春晖、章丽萍、周昊给予了指导与帮助，课题组成员岳烨、杨晓瑜、范业承、苏贺、彭莲、王会华、祝文清、韩港胜和郭影等参与了讨论。在此，我们一并表示衷心的谢意。
由于笔者研究领域和学识有限，书中可能会存在一些疏漏与不妥之处。在此，恳请有关专家和广大读者批评指正并提出宝贵意见，以利于我们将来对本书进行修正，从而提高本书质量。

著者
2023年8月

本书以功能化炭材料的制备及在不同水体中的应用为主线，以水中微量污染物的达标处理为目标，总结了相关研究成果。利用此研究成果靶向制备了针对不同类型微污染物吸附去除的新型功能化炭材料，开发了基于该材料的水处理技术，并将其应用于地表水和行业废水达标处理中。同时，阐明了不同工艺条件对微污染物吸附性能的影响规律，探讨了功能化炭材料在实际应用中的再生性和环保性，最终可实现功能化炭材料对水中微污染物的绿色、高效、选择性去除，为实际水厂中微污染物的去除提供了强有力的技术支持。本书可作为高等学校环境科学、环境工程及相关专业的科研工作者和研究生在研究功能化炭材料的制备及其在水处理中的应用时的参考用书，也可供环境科学、环境工程及相关领域的工程技术人员和管理人员阅读参考。

侯嫔，工学博士，中国矿业大学（北京）副教授，环境科学与工程系副主任，北京生态设计与绿色制造促进会“首席技术专家”。长期从事功能化活性炭材料的绿色制备及其在水处理中的应用、废水处理技术（高 级氧化、电吸附脱盐、光热转化等）及煤矿区三废治理及其资源化利用技术等领域研究。主持并参与国家及省部级项目10余项，包括国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委项目、山西省重点研发项目等。发表学术与会议论文40余篇，授权国内发明专利3项、美国发明专利1项，出版教材与著作3部。担任Carbon, Chem. Eng. J., Sep. Purif. Technol., J. Hazard. Mater., Chemosphere, Desalination 等学术期刊审稿人。

第1章概论001
1.1炭材料概述/001
1.2水污染现状/002
1.3水中微污染物的研究现状/004
1.3.1水中微污染物的定义与分类/004
1.3.2水中微污染物的来源与危害/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术/009
1.4功能化炭材料在水处理中的应用/013
1.4.1在地表水处理中的应用/013
1.4.2在行业污水处理中的应用/015
1.4.3目前存在的问题与发展前景/017
参考文献/018

第2章炭材料的制备与吸附原理022
2.1炭材料分类/022
2.1.1传统炭材料/022
2.1.2新型炭材料/023
2.1.3改性炭材料/024
2.2炭材料的制备与改性/025
2.2.1炭材料的制备方法/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静态吸附/029
2.3.2动态吸附/036
参考文献/040

第3章阳离子化炭材料用于水中微污染物的去除研究042
3.1阳离子化炭材料用于地下水中高氯酸盐的去除研究/042
3.1.1概述/042
3.1.2材料与方法/043
3.1.3新型季铵盐改性木质及煤质活性炭制备条件的优化/047
3.1.4新型季铵盐改性活性炭的高氯酸盐吸附效能/050
3.1.5新型季铵盐改性活性炭的表征/054
3.2阳离子化炭材料用于地表水中溴酸盐的去除研究/060
3.2.1概述/060
3.2.2材料与方法/062
3.2.3环氧化季铵盐改性活性炭制备条件的优化/064
3.2.4环氧化季铵盐改性活性炭对溴酸根的吸附效能/069
3.2.5环氧化季铵盐改性活性炭去除溴酸根的机理探讨/072
参考文献/077

第4章金属改性炭材料用于矿井水中特征污染物的去除研究084
4.1矿井水中砷的去除研究/084
4.1.1概述/084
4.1.2材料与方法/085
4.1.3活性炭母体对砷的吸附效能/088
4.1.4nZVI-GAC制备条件的优化/091
4.1.5nZVI-GAC吸附砷的影响因素研究/097
4.1.6nZVI-GAC再生效果分析/100
4.2矿井水中氟的去除研究/101
4.2.1概述/101
4.2.2材料与方法/102
4.2.3镧改性活性炭的制备与优化/104
4.2.4镧改性煤基颗粒活性炭吸附除氟的影响因素研究/115
4.2.5镧改性活性炭的再生方法研究/117
参考文献/119

第5章金属改性炭材料用于煤化工废水中特征污染物的去除研究124
5.1硝酸辅助银改性活性炭去除焦化废水苯并［a］芘的研究/124
5.1.1概述/124
5.1.2材料与方法/125
5.1.3焦化废水中BaP的GC-MS定量检测条件的优化/130
5.1.4硝酸辅助 Ag 改性活性炭制备条件的优化/135
5.1.5硝酸辅助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深度去除焦化废水中BaP的研究/147
5.2.1概述/147
5.2.2材料与方法/147
5.2.3Fe/Mn改性活性炭制备条件的优化/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
参考文献/166

本书以功能化炭材料的制备及在不同水体中的应用为主线，以水中微量污染物的达标处理为目标，总结了相关研究成果。利用此研究成果靶向制备了针对不同类型微污染物吸附去除的新型功能化炭材料，开发了基于该材料的水处理技术，并将其应用于地表水和行业废水达标处理中。同时，阐明了不同工艺条件对微污染物吸附性能的影响规律，探讨了功能化炭材料在实际应用中的再生性和环保性，最终可实现功能化炭材料对水中微污染物的绿色、高效、选择性去除，为实际水厂中微污染物的去除提供了强有力的技术支持。本书可作为高等学校环境科学、环境工程及相关专业的科研工作者和研究生在研究功能化炭材料的制备及其在水处理中的应用时的参考用书，也可供环境科学、环境工程及相关领域的工程技术人员和管理人员阅读参考。

侯嫔，工学博士，中国矿业大学（北京）副教授，环境科学与工程系副主任，北京生态设计与绿色制造促进会“首席技术专家”。长期从事功能化活性炭材料的绿色制备及其在水处理中的应用、废水处理技术（高 级氧化、电吸附脱盐、光热转化等）及煤矿区三废治理及其资源化利用技术等领域研究。主持并参与国家及省部级项目10余项，包括国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委项目、山西省重点研发项目等。发表学术与会议论文40余篇，授权国内发明专利3项、美国发明专利1项，出版教材与著作3部。担任Carbon, Chem. Eng. J., Sep. Purif. Technol., J. Hazard. Mater., Chemosphere, Desalination 等学术期刊审稿人。