环境功能材料：设计制备·性能分析·工程应用

近年来，随着社会经济的快速发展，废水污染、废气污染、固体废弃物污染等各类环境问题日益突显，已经成为影响经济、社会可持续发展的关键问题。在解决目前人类所面临的各种环境问题的过程中，各种功能材料起着不可或缺的作用，对国民经济和社会发展起着重要的支撑作用。其中，新型环境功能材料因具有独特的环境协调性、先进性、舒适性和优良的环境净化效果，成为人们关注的热点，在污染控制、环境净化、生态环境修复、人居环境营造、清洁能源转化等方面起着越来越不可替代的作用，对我国的“双碳”战略实施和美丽中国建设也起着积极的促进作用。
为促进环境功能材料理论与技术的深入研究、深化发展和普及应用，本书在借鉴国内外环境功能材料最新研究成果的基础上，结合笔者多年在环境功能材料方面的研究成果，以环境污染物治理、生态修复和清洁生产为主线，对现有环境功能材料的设计、制备、改性、表征、分析、性能、工程应用和制造工艺等方面进行系统描述，强调知识性、系统性、先进性和实用性。本书另一个特点是面向不同应用领域的环境功能材料进行撰写，分别针对废水处理、废气处理、固废处理处置、土壤及地下水修复和生态修复领域的功能材料进行介绍，并结合笔者的科研和实际工程项目实践分享了多个案例解析，方便各位读者有针对性地阅读参考。
本书共分为8章，第1章系统介绍环境功能材料的用途、分类和发展趋势；第2章介绍了环境功能材料的制备和表征分析方法；第3～5章分别介绍了环境功能材料在水、大气、固废污染方面的应用；第6章总结了土壤和地下水污染物及相应的环境修复材料，并介绍了其在工程中的应用案例；第7章详细介绍了在水环境生态下修复材料的应用以及对微生物的影响；第8章介绍了环境功能材料的制造技术与工艺，并展望了材料技术的发展前景。本书在各章节末尾均列出参考文献，供读者查阅。
本书由东南大学宋敏教授等编著。宋敏主持编写全部章节，其中东南大学宋敏和南京林业大学陈健强负责编写第1章，东南大学王育乔负责编写第2和第8章，东南大学龚婷婷、王楚亚、韩剑宇以及南京大学双陈冬共同负责编写第3章，东南大学仲兆平负责编写第4章，南京师范大学杨朕负责第5章编写，东南大学宋敏和于磊以及南京大学双陈冬和施鹏共同负责第6章编写，东南大学吴义锋负责编写第7章。研究生宋成业、李成明、林陈彬、邓荣、周江、赵炎、刘泽权、戚仁志、杜浩然、汪维、李骞、杨宇轩、张杉、徐元强、李东、李磊、李梁、成凯、杜鑫滢、陈屹婷、王俊杰、张美琪、龚丽影、李牧之、方鑫、周恒灯、陈冬、严云宝、宗孙渊等参与了资料收集和整理工作。全书最后由宋敏教授统稿并定稿。在编写过程中，参考了诸多国内外专家的研究成果，在此一并致以谢意。
由于编著者水平及时间所限，书中难免存在疏漏或不足之处，敬请广大读者批评指正。

编著者

本书是系统介绍环境功能材料的基本理论、表征分析、工程应用及制备工艺的著作，全面总结了国内外近十年来环境功能材料在理论发展和实践应用方面的新成果，为环境功能材料的理论研究和产业化发展提供了技术支撑。全书共分为8章，主要介绍了环境功能材料的定义、设计理念及分类、用途；环境功能材料的制备和表征分析方法；膜分离、絮凝剂、吸附分离和催化氧化等水污染治理材料；硫氧化物、氮氧化物、重金属和挥发性有机物治理等大气环境治理材料；脱水调理、浮选、化学浸出、稳定化、固定化、防渗等固体废弃物治理材料；土壤无机物和有机物修复，土壤地下水污染物阻隔与修复材料；矿物性水环境生态修复材料及其应用；环境功能材料的制造技术与工艺。本书可供环境科学与环境工程、材料科学与工程等领域的科研人员、技术人员及管理人员参考，也可供高等院校环境科学与工程、材料科学与工程等相关专业的师生参阅。

宋敏，工学博士，东南大学能源与环境学院教授、博导，主要从事土壤场地修复技术及材料的研发。2008年取得东南大学博士学位后留校任教，2011年晋升为副教授，2013年晋升为博导，2020年晋升为教授、博导。2013年、2018年作为访问学者、高 级访问学者分别前往美国佐治亚理工大学、澳大利亚新南威尔士大学进行学术交流。独立主持完成国家自然科学青年基金、国家自然科学基金面上项目、国家973子课题、国家重点研发计划专项、博士点基金、省环保科研项目等国家/部省级和企业攻关课题科研项目30余项；作为主要技术骨干先后参与完成3项国家自然科学基金、2项国家863项目、1项国际合作项目、2项博士点基金、6项省级科研课题等。以一作者或通讯作者身份在SCI收录论文40余篇，申报国家发明专利30余件，已获发明专利授权20件，实用新型专利授权2件。工作期间曾获多项荣誉奖励：2019年荣获江苏省杰出青年基金；2019年荣获江苏省科技进步三等奖（排2）；2018年入选江苏省“六大人才高峰”高层次人才；2017年荣获“高等学校科学研究优秀成果奖”科技进步二等奖（排5）；2013年荣获“霍英东优秀青年教师基金资助”；2012年入选“新世纪优秀人才支持计划”；2012年入选江苏省高校“青蓝工程”优秀青年教师资助计划等多项荣誉。

第1章绪论1
1.1环境材料1
1.1.1环境材料的定义及研究内容1
1.1.2材料结构2
1.1.3材料的性能及其分类2
1.2功能材料的设计3
1.2.1材料设计基本概念3
1.2.2材料设计范围和层次4
1.3环境功能材料5
1.3.1环境功能材料用途5
1.3.2环境功能材料分类6
1.3.3环境功能材料的设计理念14
1.3.4环境功能材料发展趋势14
参考文献15

第2章环境功能材料的制备和表征分析17
2.1制备方法的选择原则17
2.1.1原子经济性17
2.1.2体系稳定性17
2.1.3反应高效性17
2.1.4循环利用性18
2.2常见制备及改性方法18
2.2.1固相合成法18
2.2.2气相合成法19
2.2.3液相合成法20
2.2.4常用改性方法22
2.3常用表征分析方法24
2.3.1X射线衍射分析25
2.3.2电子显微分析26
2.3.3热分析27
2.3.4傅里叶红外光谱分析29
2.3.5拉曼分析30
2.3.6N2吸附脱附等温线分析和孔径分析31
2.3.7X射线光电子能谱分析32
参考文献33

第3章水污染治理材料35
3.1水体污染物分类35
3.1.1无机污染物35
3.1.2有机污染物36
3.1.3石油类污染物38
3.1.4新污染物39
3.2膜分离材料41
3.2.1概述41
3.2.2悬浮物、微生物、病毒截留膜材料43
3.2.3有机物截留膜材料45
3.2.4重金属截留膜材料47
3.2.5其他污染物截留膜材料50
3.3絮凝剂材料52
3.3.1概述52
3.3.2悬浮物、胶体絮凝材料54
3.3.3溶解性有机质絮凝材料55
3.3.4重金属絮凝材料57
3.3.5其他无机污染物絮凝材料58
3.4吸附分离材料60
3.4.1概述60
3.4.2溶解性有机质吸附材料61
3.4.3毒害污染物吸附材料63
3.4.4重金属吸附材料64
3.4.5其他无机污染物吸附材料66
3.5催化和氧化材料69
3.5.1概述69
3.5.2有机污染物催化材料70
3.5.3新污染物催化材料75
3.5.4无机污染物催化材料83
参考文献86

第4章大气环境治理材料94
4.1大气污染物概述94
4.1.1颗粒污染物94
4.1.2硫氧化物95
4.1.3氮氧化物95
4.1.4重金属96
4.1.5挥发性有机化合物VOCs97
4.2硫氧化物治理材料98
4.2.1吸收材料98
4.2.2吸附材料102
4.2.3催化转化材料105
4.3氮氧化物治理材料111
4.3.1液体吸收材料111
4.3.2固体吸收材料114
4.3.3催化还原材料115
4.4重金属吸附与分离118
4.4.1碳基吸附剂118
4.4.2钙基吸附剂122
4.4.3其他吸附剂125
4.5挥发性有机物治理材料129
4.5.1吸附材料129
4.5.2吸收材料132
4.5.3催化氧化材料134
4.5.4持久性有机污染物的降解材料137
4.6环境功能材料在大气污染治理中的应用案例139
4.6.1干法和湿法脱硫的应用139
4.6.2脱硝催化剂在电力行业和非电力行业的应用144
4.6.3重金属吸附喷射技术的应用148
4.6.4挥发性有机物的吸附-催化氧化应用152
4.6.5汽车尾气净化材料应用156
参考文献161

第5章固体废弃物处置材料171
5.1固体废弃物概述171
5.1.1固体废弃物的分类171
5.1.2固体废弃物的特点172
5.1.3固体废弃物的处理处置原则173
5.2脱水调理材料175
5.2.1脱水调理的目的及适用对象175
5.2.2酸调理剂176
5.2.3碱调理剂176
5.2.4絮凝调理剂176
5.2.5高级氧化调理剂178
5.3浮选材料181
5.3.1浮选的目的及适用对象181
5.3.2捕收剂181
5.3.3起泡剂186
5.3.4调整剂189
5.4化学浸出材料191
5.4.1化学浸出的目的及适用对象191
5.4.2酸浸出剂192
5.4.3碱浸出剂193
5.4.4盐浸出剂194
5.5用于固体废弃物的稳定化材料195
5.5.1稳定化的目的及适用对象195
5.5.2中和剂196
5.5.3氧化解毒剂197
5.5.4还原解毒剂197
5.5.5其他稳定化材料198
5.6用于固体废弃物的固定化材料198
5.6.1固定化的目的及适用对象198
5.6.2水泥固化材料199
5.6.3石灰固化材料203
5.6.4沥青固化材料205
5.6.5塑性固化材料206
5.6.6玻璃陶瓷固化材料207
5.6.7自胶结固化212
5.7用于固体废弃物填埋处置的防渗材料212
5.7.1防渗的目的及适用对象212
5.7.2无机天然防渗材料214
5.7.3人工合成有机防渗材料215
5.7.4复合防渗材料218
5.8其他处理材料219
5.8.1酶219
5.8.2液化转化催化剂222
5.9环境功能材料在固体废弃物处理处置中的综合应用案例224
5.9.1化工污泥调理脱水案例224
5.9.2清淤淤泥 打捞藻泥协同建材化案例225
5.9.3尾矿浮选处理案例226
5.9.4钙砷渣氧化解毒案例227
5.9.5电子垃圾浸出处理案例229
5.9.6农业有机废弃物处理案例230
5.9.7垃圾填埋场案例231
5.9.8废塑料液化催化转换案例231
参考文献233

第6章土壤及地下水污染修复材料237
6.1土壤及地下水污染物分类237
6.1.1无机污染物238
6.1.2有机污染物238
6.1.3新污染物239
6.2土壤无机污染物修复材料240
6.2.1土壤重金属固化稳定化材料241
6.2.2土壤重金属淋洗药剂244
6.2.3农田重金属修复材料245
6.2.4盐碱地植物修复材料248
6.3土壤有机污染物修复材料249
6.3.1石油烃修复材料249
6.3.2有机农药修复材料252
6.3.3多环芳烃与多氯联苯类污染修复材料256
6.3.4化学药剂注入工艺256
6.4土壤地下水污染物阻隔材料258
6.4.1天然阻隔材料258
6.4.2人工合成阻隔材料260
6.4.3阻隔材料的应用264
6.5污染地下水修复材料265
6.5.1化学氧化还原材料266
6.5.2PRB填充功能材料268
6.6土壤及地下水污染修复材料的应用案例276
6.6.1土壤固化稳定化药剂修复案例276
6.6.2土壤化学氧化药剂修复案例279
6.6.3地下水化学氧化药剂修复案例280
6.6.4土壤地下水高分子絮凝剂修复案例282
6.6.5土壤地下水生石灰、金属盐类修复案例283
6.6.6地下水PRB应用工程案例283
参考文献285

第7章矿物性水环境生态修复材料及其应用289
7.1概述289
7.1.1环境生态修复材料需求289
7.1.2环境生态修复应用模式290
7.1.3多孔矿物生态修复材料的发展趋势293
7.2水环境材料的生态修复方式294
7.2.1生态修复高孔隙率基底修复材料294
7.2.2靶向除磷混凝土生态修复材料299
7.2.3其他矿物性生态修复材料305
7.2.4矿物材料的人工湿地应用模式306
7.3生态修复材料应用富集微生物特性评价311
7.3.1生态修复界面的微生物采样方法312
7.3.2修复界面微生物特定的时空规律313
7.3.3微生物量及细菌种群的时空规律314
7.3.4水土修复界面生化性质分析316
7.4生态修复材料应用的水质净化绩效评价319
7.4.1生态修复材料水质改善319
7.4.2生态修复的水质微型生物群落320
7.5生态修复功能材料的湿地应用案例323
7.5.1无锡城北污水处理厂尾水生态湿地323
7.5.2江西某污水处理厂尾水湿地应用案例328
参考文献329

第8章环境功能材料制造技术与工艺332
8.1概述332
8.1.1材料制造的定义和范畴332
8.1.2材料工艺的作用与意义333
8.1.3材料制造技术的发展334
8.2材料制备工艺335
8.2.1吸附活性炭制备工艺335
8.2.2功能薄膜材料制备工艺340
8.2.3功能复合材料制备工艺346
8.3材料制造技术350
8.3.1纳米制造技术350
8.3.2增材制造技术355
8.3.3智能制造技术357
参考文献362

本书是系统介绍环境功能材料的基本理论、表征分析、工程应用及制备工艺的著作，全面总结了国内外近十年来环境功能材料在理论发展和实践应用方面的新成果，为环境功能材料的理论研究和产业化发展提供了技术支撑。全书共分为8章，主要介绍了环境功能材料的定义、设计理念及分类、用途；环境功能材料的制备和表征分析方法；膜分离、絮凝剂、吸附分离和催化氧化等水污染治理材料；硫氧化物、氮氧化物、重金属和挥发性有机物治理等大气环境治理材料；脱水调理、浮选、化学浸出、稳定化、固定化、防渗等固体废弃物治理材料；土壤无机物和有机物修复，土壤地下水污染物阻隔与修复材料；矿物性水环境生态修复材料及其应用；环境功能材料的制造技术与工艺。本书可供环境科学与环境工程、材料科学与工程等领域的科研人员、技术人员及管理人员参考，也可供高等院校环境科学与工程、材料科学与工程等相关专业的师生参阅。

宋敏，工学博士，东南大学能源与环境学院教授、博导，主要从事土壤场地修复技术及材料的研发。2008年取得东南大学博士学位后留校任教，2011年晋升为副教授，2013年晋升为博导，2020年晋升为教授、博导。2013年、2018年作为访问学者、高 级访问学者分别前往美国佐治亚理工大学、澳大利亚新南威尔士大学进行学术交流。独立主持完成国家自然科学青年基金、国家自然科学基金面上项目、国家973子课题、国家重点研发计划专项、博士点基金、省环保科研项目等国家/部省级和企业攻关课题科研项目30余项；作为主要技术骨干先后参与完成3项国家自然科学基金、2项国家863项目、1项国际合作项目、2项博士点基金、6项省级科研课题等。以一作者或通讯作者身份在SCI收录论文40余篇，申报国家发明专利30余件，已获发明专利授权20件，实用新型专利授权2件。工作期间曾获多项荣誉奖励：2019年荣获江苏省杰出青年基金；2019年荣获江苏省科技进步三等奖（排2）；2018年入选江苏省“六大人才高峰”高层次人才；2017年荣获“高等学校科学研究优秀成果奖”科技进步二等奖（排5）；2013年荣获“霍英东优秀青年教师基金资助”；2012年入选“新世纪优秀人才支持计划”；2012年入选江苏省高校“青蓝工程”优秀青年教师资助计划等多项荣誉。