学科前沿讲座报告

学   校：            昆明理工大学                   

学   院：         环境科学与工程学院                

专   业：                                            

学   号：                                          

姓   名：                                           

指导教师：                                              

学科前沿讲座时间：8月27日——9月7日

学科前沿讲座地点：昆明理工大学呈贡校区  多媒体教学楼205

目录

1.学科前沿讲座的目的和意义………………………………………………………1

2.工业固体废弃物磷石膏的产生及资源化趋势……………………………1

3.纳米材料及其运用………………………………………………………………………6

4.生命周期评价…………………………………………………………………………….10

5.固体氧化物燃料电池的研究与发展………………………………………….13

6.污水的化学指标.……………………………………………………………………….14

7.垃圾处理……………………………………………………………………………………18

8.光催化及其运用………………………………………………………………………..22

9.小结……………………………………………………………………………………….....23

致谢……………………………………………………………………………………………….24

1．学科前沿讲座的目的和意义：

学科前沿讲座是教学计划的主要部分。专业前沿类讲座旨在帮助大家了解相关领域的学科 前沿知识，更好地学习、思考。它不仅在学术领域给我们打开了新的窗户，使我们眼前一亮，也为我们今后专业知识的学习做了一定的铺垫，让我们深知世界是无穷无尽的，宇宙之大，科学的力量是无穷的，即使是一个点，也还有很多方面值得拓展和探索，作为一名本科生，想要取得满意的结果和优异的成绩，我们所要做的就是倍加努力，汲取现有的知识，在新的领域开拓新的研究道路，积极探索，永不止步。

在短短两周的学习中，学院各知名老师不仅在学术领域给我们打开了新的窗户，使我们眼前一亮，而且他们还介绍了他们在工作学习中切身的体会及经验，提前向我们预警就业道路及工作生涯可能遇到的问题。在每次短短的两小节课中我都被他们研究的这些东西深深吸引着，看到了世界面临的问题，科学家正在着力解决的问题，例如，工业废弃物磷石膏的产生及资源化趋势，纳米技术在环境保护领域的运用，固体氧化物燃料电池的研究与发展，生命周期评价和生态之城的垃圾处理。虽然好多东西以我现在的水平还不能弄懂，但却让我看到我们专业的前景——只要努力学好知识，总有用武之地的。 由于时间限制和我们有限的知识水平，老师们都从大处着眼，为我们大概介绍了他们的研究方向和内容，同时还简单向我们介绍这些研究将来的实际意义。

总的来说，也许理论上逻辑上很专业的知识，我们没有学到多少，但老师们利用不到两个小时的时间，就基本上将一个新的领域在我们的脑海中勾勒了出来，使我们这些只知在学校死啃书本的同学也有机会现实了一回，真正了解到与百姓的生活有直接联系的科学研究，了解到我们的生活与科学技术息息相关。学院的老师以自己丰富的学识和阅历 向同学们展现了当今世界面临的环境、人口、能源问题以及固体资源化行业的发展趋势， 引导同学们积极思考，使其收获颇多。听完这个课，我感到责任重大， 即使是一个点，也还有很多方面值得拓展和探索，作为一名当代大学生，想要取得满意的结果和优异的成绩，我们所要做的就是倍加努力，汲取现有的知识，在新的领域开拓新的研究道路，积极探索，永不止步

2.工业固体废弃物磷石膏的产生及资源化趋势                 【主讲老师：董占能、李建锡】

随着资源的进一步开发利用，其副产也随之增多，工业副产磷石膏就是一个很大的问题。现如今全世界工业副产磷石膏堆放总量已达56亿吨，每年会新增1.1亿～1.5亿吨，且新增数量在2025到20##年期间还会翻倍。磷石膏的产生量将随着高浓度磷复肥产量的提高而大幅度增加。由于磷石膏含有五氧化二磷、氟及游离酸等有害物质，如果任意排放会造成环境污染；设置堆场，不仅占地多、投资大、堆渣费用高，而且对堆场的地质条件要求高，磷石膏长期堆积还会引起地表水及地下水的污染。

2.1.磷石膏的产生

磷石膏是磷化工行业生产磷肥所排放的废渣，即用硫酸与磷矿石反应，湿法生产磷酸时的副产品。其主要成分是CaSO4?2H2O，含有少量未分解的磷矿粉，未洗涤干净的磷酸、 磷酸铁、磷酸铝和氟硅酸盐等杂质，经2~3次洗涤、过滤后以固体废弃物的形式排出。

磷石膏是生产磷肥中间产品磷酸的废渣，其主要化学成分是硫酸钙。其反应为：Ca5(PO)3 F(磷矿)+H2SO4-H3PO4+2CaSO4(磷石膏)+HF

据统计，每生产一吨磷酸(100%P2O5)产生磷石膏5-6t(干基)，实物量约7t。磷石膏除含CaSO4 外，还含有未分解的磷矿，未洗涤干净的磷酸、氟化钙、铁、铝化合物、酸不溶物、有机质等多种杂质，这些杂质影响磷石膏的利用。目前，绝大部分磷石膏被当作废物丢弃。排出的磷石膏废渣一是占用大量土地，二是堆场投资大、运营费高，三是浪费了宝贵的硫资源，四是污染环境。堆放渣场的容积和地基防渗处理要求严格，废渣安全处理的环境条件已成为建设磷肥厂选择厂址的制约因素，进而直接影响磷复肥工业的发展。

2.2. 磷石膏的危害

磷石膏是指在磷酸生产中用硫酸处理磷矿时产生的固体废渣，其主要成分为硫酸钙。此外，磷石膏中还含砷、铜、锌、铁、锰、铅、镉、汞及放射性元素。均极其微量，且大多数为不溶性固体，其危害性可忽略不计。磷石膏中所含氟化物、游离磷酸、P2O5、磷酸盐等杂质是导致磷石膏在堆存过程中造成环境污染的主要因素。磷石膏的大量堆存，不公侵占了土地资源，由于风蚀、雨蚀造成了大气、水系及土壤的污染。长时间接触磷石膏，当然可能导致人的死亡或病变。

长期堆存的磷石膏所带来的环境风险是目前社会公众最为关注的问题。磷石膏由于含有磷、氟及游离酸等物质而具有腐蚀性，长期堆存会污染渣场的土壤表层，进而破坏植被及生态环境。越堆越多的磷石膏也给企业带来了沉重负担，甚至影响了一些磷肥企业的持续生产。堆存磷石膏需要占用大量的土地资源，并且渣场维护和运营成本高昂，再加上环境和社会舆论压力，许多磷肥厂家为此负担沉重。         

磷石膏杂质分两大类：①不溶性杂质：如石英、未分解的磷灰石、不溶性P2O5、共晶P2O5、氟化物及氟、铝、镁的磷酸盐和硫酸盐。 ②可溶性杂质：如水溶性P2O5，溶解度较低的氟化物和硫酸盐，此外，磷石膏中还含砷、铜、锌、铁、锰、铅、镉、汞及放射性元素。均极其微量，且大多数为不溶性固体，其危害性可忽略不计。磷石膏中所含氟化物、游离磷酸、P2O5、磷酸盐等杂质是导致磷石膏在堆存过程中造成环境污染的主要因素。磷石膏的大量堆存，不仅侵占了土地资源，而且由于风蚀、雨蚀造成了大气、水系及土壤的污染。长时间接触磷石膏，可能导致人的死亡或病变。

2.3. 磷石膏的资源化利用

磷石膏的处理和利用虽然是我国乃至世界性的难题，同时也是企业界、科技界研究的热点，在不断的研究开发过程中产生了诸如生产硫酸联产水泥、石膏建材、肥料等有代表性的技术，推动了磷石膏资源化的技术进步。目前国内外磷石膏利用技术上较成熟的用途如下图：

（1）磷石膏制建筑材料

磷石膏可用于生产石膏粉，石膏粉有不同的类型、性质和用途，其主要类型是半水硫酸钙和无水硫酸钙。由半水硫酸钙和无水硫酸钙可生产各种石膏制品。

熟石膏粉又称建筑石膏粉，是生产装饰材料的主要原料。目前，世界各国的消耗量都很大。熟石膏粉主要有α一熟石膏粉和β一熟石膏粉两种，其生产过程通常分两步：①脱除磷石膏中的杂质(主要是磷、氟、有机物)；②磷石膏热脱水得到以半水硫酸钙为主要成分的熟石膏粉。国内磷石膏加工成建材用品的技术已经成熟，产品质量能够满足市场要求。

（2）装饰建材

①纸面石膏板

纸面石膏板以熟石膏为原料，掺入纤维和添加剂混合搅拌成料浆，铺在上下护面纸之间构成芯材，经成型机辊压成规定尺寸的板材。

②麦草石膏板

麦草石膏板是以熟石膏为胶凝材料，麦秸或稻草为增强材料复合而成，是一种很有发展前景的新型绿色建材。麦草石膏板质轻、强度高、隔热、隔声、防火等优良性能，且装饰施工性能好。以磷石膏和稻草等为原料生产出稻草纤维石膏板，并用高分子聚合物进行改性处理，板材的防水性能和抗弯强度都有明显增强。

③石膏隔墙板

石膏隔墙板具有密度小、耐火性能好、可加工性及装饰性好，具有呼吸性能，可调节室内微气候，是一种质优价廉的新型轻质隔墙板材。

④无水石膏胶结料

将磷石膏煅烧成无水石膏，同时除去有机物和共晶磷，在其活性激发的基础上，用无机活性材料改性，可制得无水石膏胶结料。该无水石膏胶结料具有轻质、不燃、强度高、耐水性好、体积稳定性好等特点，适用于生产轻质墙体及配制抹灰和建筑砂浆。

（3）墙体材料

①磷石膏烧结砖

由于现有的黏土砖耗用大量耕地而被国家明令限制，磷石膏烧结砖成为有发展前途的墙体材料。磷石膏烧结砖是以磷石膏为主要原料(磷石膏用量可达60％以上)，掺入少量的添加剂，经混合、成型、烧结而成，其制砖工艺与普通黏土砖相似，可在砖瓦厂生产。

②磷石膏免烧砖

以磷石膏为主要原料，水泥等为黏结剂，经过加压成型、养护后得到磷石膏免烧砖。也有以磷石膏为主料，铁渣、黄磷渣、炉渣为辅料，经混合制砖得到磷石膏免烧砖。以工业废渣磷石膏为原料，水泥或熟石膏为添加剂，原料配合比(质量分数)为磷石膏60％一85％、砂子5％一30％、水泥或熟石膏3％一16％，制得磷石膏免烧砖。

（4）水泥及水泥缓凝剂

①硫铝酸盐水泥

硫铝酸盐水泥是一种低碱度水泥，具有早强、快硬、抗裂、防腐等特殊功能，其高抗冻性能是普通硅酸盐水泥的5倍以上，高抗渗透性能是普通硅酸盐水泥的2倍以上。硫铝酸盐水泥以石灰石、矾土和磷石膏为原料，在立窑中烧制成硫铝酸盐水泥熟料[熟料的主要矿物为无水硫铝酸钙(约占65％)和硅酸三钙(约占25％)]，并外掺磷石膏和石灰石磨制而成。有研究表明，掺入磷石膏可改善水泥生料的易磨性和易浇性，使生料和熟料产量都有提高，并可改善熟料的凝结特性，随着磷石膏掺入量的增加，熟料的早期强度有下降的趋势。

②磷石膏制硫酸联产硅酸盐水泥

20世纪六七十年代欧洲开发出转窑法煤还原磷石膏制硫酸联产硅酸盐水泥磷石膏生产硫酸联产水泥的工艺。磷石膏生料的煅烧是该生产的关键，即既要制得S02浓度高且稳定、符合硫酸生产的窑气，又要得到符合要求的熟料以生产高标号水泥。生料在回转窑中一般要经过脱水预热(600K)、还原分解(1400K)和烧成(1700K)三个阶段，其回转窑控制关键是温度和气氛，应保持弱氧化性气氛，一般控制出口窑气中φ(O2)＝0.6％ ～0.8％。

③水泥缓凝剂

磷石膏作水泥缓凝剂存在以下缺陷：含少量游离酸、氟化物，使水泥的凝结时间延长，水泥强度降低；为粉末状，流动性能差；含游离水(H20)＝20％，在水泥磨中容易糊磨。与天然石膏相比，采用磷石膏制水泥缓凝剂可提高水泥强度、降低生产成本。

（5）筑路材料

用磷石膏对二灰土(用石灰、粉煤灰作固化剂稳定土料)进行增强改性，生产出一种“高性能的磷石膏二灰稳定土半干性基层材料”，可有效避免二灰土作路面基层其早期强度低的缺点，还能进一步改善二灰土的抗裂性，该筑路材料的推广应用可大量消耗磷石膏。

（6）用磷石膏制新型建筑材料

①石膏基导电材料

在净化处理后的磷石膏中掺入导电物质(如导电聚合物、石墨等)以制成石膏基导电材料，可作为屏蔽电磁波、电热材料和耐热导电材料，以及用于建筑材料的光电转换、工业防静电、发热体、传导材料及隐身材料等。

②石膏基磁性材料

采用特殊工艺将磁化粒子(如铁氧体类、稀土类等)复合于净化处理后的磷石膏中，使得磁化粒子在制品中定向排列，从而制成石膏基磁性材料。这些材料的应用将使建筑物具有自动传感、自控调节及其他特殊功能，从而使建筑物较容易实现智能化和多功能化。

③新型隔热材料

钙长石质中温隔热材料是一种导热系数小、隔热效益高、性能好的隔热材料，在西欧和日本等国应用广泛。国内开发了利用工业废石膏制钙长石质中温隔热材料的工艺，为磷石膏的资源化利用开辟了一条新路。

（7）磷石膏的农业应用

① 改良盐碱土壤

盐碱地的形成主要是土壤积盐作用的结果，对农作物的危害表现在盐害和碱害。利用磷石膏中的Ca2+和土壤中游离的碳酸氢钠、碳酸钠作用，生成碳酸氢钙、碳酸钙和硫酸钠，以降低土壤碱性，消除碳酸盐对作物的危害。

② 酸性深土的改良剂

与土壤酸度有关的，特别是高含量的代换性铝，对作物生长有不利影响，早已为科学工作者所注意。所以酸性深土的改良尤为迫切，因为用石灰改良的方法既烦琐，又不易溶解，也不易深入心土层。磷石膏含有一定量的氟，可与铝形成Al—F络合物，也可解除铝的毒性。大量田间试验证明，磷石膏的试用由于Ca2+代换了Al3+，而降低了整个土壤剖面的代换性铝含量和铝饱和度。由此说明施用磷石膏是最适合于改良深土层酸度的钙化合物。

③磷石膏作为硫、钙、硅肥

磷石膏中含有农作物所必须的磷、硫、钙、硅等营养元素，对农作物有一定的增产作用。

④制长效复合肥及其他肥料

磷石膏与碳酸氢铵、氨水混合施用能中和氨，起到一定的固氮保氮作用。二水石膏和尿素在高湿度下混合，经加热干燥处理可制成吸湿性小而肥效比尿素还高的尿素石膏[CaSO4?4CO(NH2)2]，该肥料中氮释放速度比单一尿素降低50％。将磷石膏在回转窑脱水，温度控制在120～160oC，时间5～20min，并将含有肥料组分(如尿素、硝酸铵、硝酸钾、硝酸钠、硫酸钾、磷酸铵、磷酸二氢钾、硫酸锌、硫酸锰等)的水溶液加入该脱水的磷石膏中，用搅拌机搅拌均匀，造粒机造粒，经干燥得到磷石膏长效复合肥。

2.4. 磷石膏资源化利用存在的问题

（1）磷石膏的净化处理难度大、流程复杂

磷石膏所含杂质是影响磷石膏资源化利用的主要障碍。不同湿法磷酸工艺产生的磷石膏所含的杂质种类和含量不同，它们还与生产磷酸时所用磷矿的种类和磷矿的具体成分有关。应用较多的二水工艺副产的磷石膏杂质含量最多，半水一二水法或二水一半水法磷石膏中杂质含量就很少,磷石膏中杂质有P₂O₅、F一、A1₂O₃、Fe₂O₃、SiO₂、有机物及重金属铂、铜等，以及放射性的铀、镭、镉等：磷石膏中杂质主要分为可溶性杂质、不溶性杂质和放射性物质。杂质的存在会减慢制得的熟石膏水化时的凝固时间，降低制品的强度。因此，要针对不同的磷石膏中杂质的种类和含量以及选择的磷石膏制品的标准来确定相应的净化工艺。利用磷石膏的各种技术中都包含把磷石膏进行水洗分离杂质和中和游离酸的处理过程。其后的脱水操作则和天然石膏的加工过程相同。

磷石膏中杂质并不是均匀地分布在磷石膏中，不同粒度的磷石膏中杂质含量存在显著差异，杂质的分布与磷石膏的粒径存在一定关系，粗颗粒磷石膏中杂质含量较高。随着粒度的增大，可溶性磷、总磷、氟、有机物含量迅速增加，而共结晶磷含量随磷石膏粒度的增大而减少，说明可溶性磷、总磷、氟、有机物等主要集中在粗颗粒中，共结晶磷主要集中在细颗粒中。因此可以通过筛分除去粗颗粒而改善磷石膏性能。

（2）磷石膏资源化利用的投资大、成本高，经济的可行性是最大的问题

作为资源的再生利用，磷石膏资源化利用一般投资规模大，运行成本高，给企业运转带来很大的影响。如磷石膏生产硫酸并联产水泥工艺，不仅处理费用高，而且生产过程中还会产生二次污染，治理二次污染的费用一般企业难以承受。磷石膏生产水泥缓凝剂由于受销售半径影响，给企业的市场带来很大的限制。

3.纳米材料及其运用

【主讲老师：朱文杰   王向宇】

21 世纪是高新技术的世纪，信息、生物和新材料代表了高新技术发展的方向。在信息 世纪是高新技术的世纪，信息、生物和新材料代表了高新技术发展的方向。 产业如火如荼的今天，新材料领域有一项技术引起了世界各国政府和科技界的高度关注， 产业如火如荼的今天，新材料领域有一项技术引起了世界各国政府和科技界的高度关注， 这就是纳米科技。

3.1.纳米科技的基本概念和内涵

纳米科技是研究由尺寸在1—100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米科技主要包括：(1)纳米体系物理学；(2)纳米化学；(3)纳米材料学；(4)纳米生物学；(5)纳米电子学； (6)纳米加工学；(7)纳米力学。

纳米科学所研究的领域是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的中间领域，从而开辟人类认识世界的新层次，也使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平，这标志着人类的科学技术进入一个新时代，即纳米科技时代。纳米新科技诞生才几年，就在几个重要的方面有了如下的重要进展：

（1）美国商用机器公司（IBM）两名科学家利用扫描隧道电子显微镜（STM）直接操作原子，成功地在镍（Ni）基板上，按照自己的意志安排原子组合成“IBM”字样。日本科学家已成功地将硅原子堆成一个“金字塔”，首次实现了原子三维空间立体搬迁。1991年IBM的科学家还制造了超快的氙原子开关。专家预计，这一突破性的纳米新科技研究工作将可能使美国国会图书馆的全部藏书储存在一个直径仅为0.3cm的硅片上。据英国《科学与共同政策》杂志报道，科学家们最近制造出一种尺寸只有4nm的复杂分子，具有“开”和“关”的特性，可由激光计算机提供可能的技术保证。

（2）德国萨尔大学格莱德和美国阿贡国家实验室席格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室温下显示良好的韧性，在180℃经弯曲并不产生裂纹，这一突破性进展，使这些为陶瓷增韧奋斗将近一个世纪的材料科学家看到希望。英国著名材料科学家卡恩在Nature杂志上撰文说：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径”。

（3）纳米生物学在90年代出露头角，面向21世纪，它的发展前途方兴未艾。纳米生物学在纳米尺度上认识生物大分子的精细结构及其功能的联系，并在此基础上按自己的意愿进行裁剪和嫁接，制造具有特殊功能的生物大分子，这使生命科学的研究上了一个新的台阶，势必在解决人类发展的一系列重大问题上起到十分重要的作用。纳米科技使基因工程变得更加可控，人们可根据自己的需要，制造多种多样的生物“产品”，农、林、牧、副、渔业也可能因此发生深刻变革，人类的食品结构也将随之发生变化，用纳米生物工程、化学工程合成的“食品”将极大丰富食品的数量和种类，纳米科技的出现很可能为解决由于人口迅速增长所面临刻不容缓的问题提供新途径。

（4）在医药技术领域，纳米技术也有着广泛的应用前景。如用纳米技术制造的微型机器人，可让它安全地进入人体内对健康状况进行检测，必要时还可用它直接进行治疗；用纳米技术制造的“芯片实验室”可对血液和病毒进行检测，几分钟即可获得检测结果；科学家还可以用纳米材料开发出一种新型药物输送系统，这种输送系统是由一种内含药物的纳米球组成的，这种纳米球外面有一种保护性涂层，可在血液中循环而不会受到人体免疫系统的攻击，如果使其具备识别癌细胞的能力，它就可直接将药物送到癌变部位，而不会对健康组织造成损害。

3.2.自然界中的纳米现象

纳米技术在这个地球上随处可见 , 纳米绝对不是我们有些人类的专利,在神奇的自然界中, 纳米材料和纳米技术就已经存在了。很多动植物们个个都是身怀多项纳米技术的高手, 通过精湛的纳米技艺,在大自然中顽强地生存下来,不仅丰富了我们周围的世界, 而且给现代的纳米科技工作者带来了无数灵感和启示。

①荷叶效应

在日常生活中，即使是从淤泥水中出来，荷叶表面也是非常干净的。首先荷叶的基本化学成分是叶绿素、纤维素、淀粉等多糖类的碳水化合物，有丰富的羟基OH-、氨基NH-等极性基团，在自然环境中应该很容易吸附水分或污渍。其次在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的“小山包”（每两个小山包之间的距离约为20－40μm）在山包上面长满了绒毛，在山包顶又长出了一个个馒头状的“碉堡”凸顶。整个表面被微小的蜡晶所覆盖（大约200nm－2μm）。因此，在“山包”间的凹陷部份充满着空气，这样就在紧贴叶面上形成一层极薄、只有纳米级厚的空气层。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是"荷叶效应"能自洁叶面的奧妙所在。

②飞檐走壁的壁虎

“壁虎漫步”靠的不是吸盘,而是脚趾上数以万计的细小刚毛。刚毛根部有几十微米粗,顶端分成很多更细更弯的绒毛,每根绒毛的直径仅几百纳米,其末梢延展成扁平形。此种精细结构,使得壁虎以几纳米的距离大面积地贴近墙面。尽管这些绒毛很纤弱,但足以使所谓的范德华键(有些物质的分子具有极性,其中分子的一部分带有正电荷,而分子的另一部分带有负电荷,一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间,以微弱静电引力相互吸引,使两者结合在一起,称为范德华键或分子键)发挥作用,为壁虎提供数百万个的附着点,从而支撑其体重。　　

③五彩斑斓的蝴蝶

蝴蝶翅膀由两层仅有3~4微米厚的鳞片组成,上面一层鳞片像微小的屋瓦一样交替,每个鳞片的构造也很复杂。而下一层则比较光滑。蝴蝶翅膀这种井然有序的安排形成了所谓的光子晶体,也就是纳米结构。通过这种结构,蝴蝶翅膀能捕捉光线。仅让某种波长的光线透过。这便决定了不同的颜色。

④利用“罗盘”定位的蜜蜂

研究表明,包括蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都存在着纳米尺寸的磁性颗粒。这些磁性纳米颗粒对于生物的定位与运动行为具有重要意义。最新的科学研究发现,蜜蜂的腹部存在着磁性纳米粒子,这种磁性的纳米粒子具有类似指南针的功能,蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周围环境,利用在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。

3.3.纳米材料特性

（1）表面与界面效应

这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。

（2）小尺寸效应

当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。

（3）量子尺寸效应

当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。

（4）宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

3.4.纳米材料在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，非凡是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。

光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。

3.5.介孔材料

（1）介孔材料的定义

按照孔径大小，多孔材料可以分为三种：微孔(Mieroporous)、中孔(Mesoporous)和大孔(Macroporous)材料。介孔材料指孔径为2 ~ 50nm 的多孔材料。它具有高的比表面、大的孔径尺寸、不同的孔壁组成以及不同的介观结构等特点。

（2）介孔材料的表征方法

XRD：用于区分介孔材料的结晶相和非结晶相以及物相鉴定。

TEM：可以直接测出孔道中心之间的距离，配合XRD确定晶系和对称性。

低温N2吸附：研究多孔物质孔径结构（表面积、孔隙结构等）的最常用手段。

IR：用介孔材料骨架原子基团的特征振动谱带来鉴定骨架原子的类型以及官能团变化等信息。

热重-差热分析：TG是式样受热分解发生质量变化。DTA测介孔材料晶格破坏温度。

固体核磁共振：用于获取介孔材料的结构、化学组成，催化行为等各方面信息。

3.6. 纳米材料的制备方法

1、物理方法：真空冷凝法，物理粉碎法，机械球磨法

2、化学合成方法：气相沉积法，沉淀法，水热合成法，溶胶凝胶法，微乳液法

4.生命周期评价

【主讲老师：胡建红】

生命周期评价是一种评价产品、工艺过程或活动从原材料的采集和加工到生产、运输、销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理整个生命周期系统有关的环境负荷的过程。生命周期评价既可以作为评价产品生产全过程的有效手段，又可以作为一种环境管理工具，现已在国际上广泛应用。

4.1.生命周期评价的概念

生命周期评价（Life Cycle Assessment,LCA）是一种评价产品、工艺过程或活动从原材料的采集和加工到生产、运输、销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理整个生命周期系统有关的环境负荷的过程。ISO14040对LCA的定义是：汇总和评价一个产品、过程（或服务）体系在其整个生命周期的所有及产出对环境造成的和潜在的影响方法。LCA突出强调产品的“生命周期”，有时也称为“生命周期分析”、“生命周期方法”、“摇篮到坟墓”、“生态衡算”等。产品的生命周期有４个阶段：生产（包括原料的利用）、销售／运输、使用和后处理，在每个阶段产品以不同的方式和程度影响着环境。

生命周期评价又是产业生态学的主要理论基础和分析方法。尽管生命周期评价主要应用于产品及产品系统评价，但在工业代谢分析和生态工业园建设等产业生态学领域也得到广泛应用。生命周期评价已被认为是２１世纪最有潜力的可持续发展支持工具。在此基础上发展起来的一系列新的理念和方法，如生命周期设计（LCD）、生命周期工程（LCE）、　生命周期核算（LCC）及为环境而设计（DFE）等正在各个领域进行研究和应用。

4.2. 生命周期评价的产生背景

a.萌芽阶段（20世纪60年代末到70年代初）

生命周期评价最早出现在60年代末70年代初的美国。

b.探索阶段（20世纪70年代中期到80年代末）

20世纪70年代中期，政府开始积极支持并参与生命周期评价的研究。由于全球能源危机的出现，REPA有关能源分析的工作倍受关注。一方面人们认识到化石燃料将会用尽，必须进行有效的资　源保护，另一方面认识到能源生产也是污染物的主要排放源。因此很多研究工作又从污染物排放转向于能源分析与规划，采用的方法更多为能源分析法。

c.迅速发展阶段（20世纪80年代末以后）

80年代末开始，是LCA研究快速增长时期。随着区域性与全球性环境问题的日益严重以及全球环境保护意识的加强，可持续发展思想的普及以及可持续行动计划的兴起，大量的REPA研究重新开始，　公众和社会也开始日益关注这种研究结果。

4.3.生命周期评价方法　

（1）生命周期分析（LCA）的技术框架

①SETAC 提出的LCA 方法论框架，将生命周期评价的基本结构归纳为四个有机联 系部分：定义目标与确定范围；清单分析(Inventory analysis) ；影响评价(Impact assessment)和改善评价(Improvement as—sessment)。其相互关系如下图所示：

②ISO14040标准将LCA的实施步骤分为目的与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释四个阶段。如下图

 

（2）目的和范围的确定

为开展LCA研究提供了一个初步计划。它说明开展LCA的目的和意图、研究结果的可能应用领域，确定LCA的研究范围，保证研究的广度、深度与要求的目标一致。

（3）清单分析

量化和评价所研究的产品、工艺或活动整个生命周期阶段资源和能量使用以及环境释放的过程。

（4）生命周期影响评价

为可选阶段。将清单数据进一步与环境影响联系起来，让非专业的环境管理决策者更容易理解。一般将影响评价定为一个“三步走”的模型，即分类、特征化和加权。

（5）结果解释

根据规定的目的和范围，综合考虑清单分析和影响评价的发现，从而形成结论并提出建议。如果仅仅是生命周期清单研究，则只考虑清单分析的结果。

4.4.生命周期评价的应用

迄今，LCA 作为一种评价产品、工艺或整个生命周期环境后果的分析工具， 在很多领域中已有广泛应用 。 

（1）在企业中的应用 

生命周期评价起源于企业内部，最先在企业部门得到广泛应用。中国企业对生命周期评价的应用主要在以下几个方面：产品系统的生态辨识和诊断 ,产品环境影响评价与比较，绿色产品设计与新产品开发，再循环工艺设计等。

（2）在清洁生产中的应用

企业清洁生产工作程序包括：准备、审计、制定方案和实施方案四个基本阶段，其中审计阶段是清洁生产的核心阶段。清洁生产要求在产品或工艺的整个寿命周期的所有阶段都必须考虑污染防治，因此需要一种能对整个生命周期做出评价的方法。采用LCA思想对企业生产全过程进行清洁生产分析和评价，并完善清洁生产指标体系，可为企业清洁生产审计提供可靠的技术指标。

（3）在环境管理中的应用

政府和环境管理部门可借助于LCA进行环境立法和制定环境标准与产品环境标志。LCA还可用于评价污染预防措施，将LCA用于污染预防措施能在决策过程中提供整个系统环境影响信息，有利于选择理想的污染预防方法。LCA还可应 用于优化政府的能源、运输和废弃物管理，以及建立国际化的环境管理体系，以便更好的管理资源。

5.固体氧化物燃料电池的研究与发展

【主讲老师：于洁】

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种新型发电装置，其高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等，是其广泛应用的基础。

5.1.燃料电池的分类

燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效的转化为电能的发电装置。

根据所使用的电解质种类的不同，燃料电池可分为：

（1）低温燃料电池，诸如固态高聚物电解质燃料电池（PEMFC）及碱性燃料电池（AFC）；

（2）磷酸盐酸性燃料电池（PAFC）；

（3）熔盐碳酸盐燃料电池（MCFC）；

（4）固体氧化物燃料电池（SOFC）等。固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种新型发电装置，其高效率、无污染、全固态结构和对多种燃料气体的广泛适应性等，是其广泛应用的基础。

5.2.SOFC定义

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种等温、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。SOFC是继PAFC、MCFC之后的能量转换效率最高的第三代燃料电池系统，被认为是最有效率的和万能的发电系统，特别是作为分散的电站，目前正在引起各国科学家的广泛兴趣。它是将燃料和氧化剂气体，通过一种离子传导陶瓷并产生电能的全固态能量转换装置，所以又被称为陶瓷燃料电池。

SOFC主要包括电解质和两个电极。在阴极，空气中的氧离解转换成氧离子，通过两个电极间的固体电解质膜迁移，与阳极／电解质界面上的燃料反应。在外电路，从阳极到阴极的电子流产生直流电。固体电解质是SOFC的最核心的部件。它的性能不但直接影响电池的工作温度及电能转换效率，还决定了所需的相匹配的电极材料及其相应制备技术的选择。目前发现的可能用于SOFC的氧离子导体主要有萤石相结构的ZrO₂基、CeO₂基、Bi₂O₃基材料和钙钛矿型 结构的LaGaO₃基材料等。

5.3.SOFC的优势

SOFC与第一代（磷酸型燃料电池，简称PAFC）、第二代燃料电池（熔盐碳酸盐燃料电池，简称MCFC））相比它有如下优点：（1）较高的电流密度和功率密度；（2）阳、阴极极化可忽略，彼化损失集中在电解质内阻降；（3）可直接使用氢气、烃类（甲烷）、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；（4）避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；（5）能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80％左右，是一种清洁高效的能源系统；（6）广泛采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构；（7）陶瓷电解质要求中、高温运行（600～1000℃），加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。

5.4.SOFC组成及工作原理

（1）单体燃料电池主要组成部分

电解质（electrolyte）、阳极或燃料极（anode，fuel electrode）、阴极或空气极（cathode，air electrode）和连接体（interconnect）或双极板（bipolar separator）组成。

（2）SOFC的工作原理与其他燃料电池相同

早期开发出来的SOFC的工作温度较高，一般在800～1000℃。目前科学家已经研发成功中温固体氧化物燃料电池，其工作温度一般在800℃左右。一些国家的科学家也正在努力开发低温SOFC，其工作温度更可以降低至650～700℃。工作温度的进一步降低，使得SOFC的实际应用成为可能。

 在SOFC的阳极一侧持续通入燃料气，例如：氢气（H2）、甲烷（CH4）、城市煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。

6.污水的化学指标

【主讲老师：王剑虹】

6.1.无机污染物指标

（1）酸碱度，无机盐及指标：一般要求后污水的pH值在6~9之间。当天然水体遭受酸碱污染时，pH值发生变化，消灭或抑制水体中生物的生长，妨碍水体自净，还腐蚀船舶。

碱度指水中能与强酸发生中和作用的全部物质，按离子状态可分为三类：氮氧化合物碱度，碳酸盐碱度，重碳酸盐碱度。

（2）植物性营养元素：过多的氮、磷进入天然水体易导致富营养化，导致水体植物尤其是藻类的大量繁殖，造成水中溶解氧的急剧变化，影响鱼类生存，并可能使某些湖泊由贫营养湖发展为沼泽和干地。

含氮化合物：氮是有机物中除碳以外的一种主要元素，也是微生物生长的重要元素。它消耗水体中的溶解氧，促进藻类等浮游生物的繁殖，形成水花、赤潮，引起鱼类死亡，水质迅速恶化。

关于氮的几个指标：

a.有机氮：主要指蛋白质和尿素。

b.总氮（TN）：一切含氮化合物以氮计的总称。

c.TKN：总氮中的有机氮和氨氮，不包括亚硝酸盐氮、硝酸盐氮。

d.氨氮：有机化合物的分解或直接来自含氮工业废水。

e.NOX-N：亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。

f.含磷化合物：磷也是有机物中的一种主要元素，是仅次于氮的微生物生长的重要元素，主要来自于人体排泄物以及合成洗涤剂，牲畜饲养及含磷工业废水。它易导致藻类等浮游生物大量繁殖，破坏水体耗氧和复氧平衡，使水质迅速恶化，危害水产资源。

(3)重金属：微量金属元素

危害：生物毒性，抑制微生物生长，使蛋白质凝固；逐级富集至人体，影响人体健康。

6.2. 有机污染物指标

按被生物降解的难易程度有机物可分为2类4种：

（一）可生物降解有机物：

包括可生物降解有机物对微生物的无毒害及抑制作用，可生物降解有机物但对微生物有毒害和抑制作用。

（二）难生物降解有机物：

包括难生物降解有机物对微生物无毒害或抑制作用，难生物降)解有机物对微生物有毒害和抑制作用。

（1）BOD（BiochemicalOxygenDemand，生化需氧量）：在水温为20℃的条件下，由于微生物（主要是细菌）的生活活动，将有机物氧化成无机物所消耗的氧量。反映了在有氧的条件下水中可生物降解的有机物的量，主要污染特性（以mg/L为单位）。

有机污染物被好氧微生物氧化分解的过程，一般可分为两个阶段：第一个阶段有机物被转化成二氧化碳、水和氨；第二阶段主要是氨被转化为亚硝酸盐和硝酸盐。污水的生化需氧量通常只指第一阶段有机物生物氧化所需的氧量，全部生物氧化需要20天－100天完成。实际中，常以5天作为测定生化需氧量的标准时间，称五日生化需氧量（BOD₅）。

（2）COD（ChemicalOxygenDemand，化学需氧量）：用强氧化剂在酸性条件下，将有机物氧化成二氧化碳和水所消耗的氧量。

※BOD/ COD：可生化性指标，比值越大越容易被生物处理。

（3）TOD：（TotalOxygenDemand，总需氧量）

水样中的有机物在900℃高温下燃烧变成稳定的氧化物时所需的氧量，叫做总需氧量（mgO2/L）。

（4）ThOD：（Theoretical Oxygen Demand，理论需氧量）

通常是指将有机物中的碳元素和氢元素完全氧化为二氧化碳和水所需氧量的理论值(即按完全氧化反应式计算出的需氧量，单位为g/g)。

（5）TOC：（TotalOrganicCarbon，总有机碳）

将水样在900～950℃高温下燃烧，有机碳被氧化生成CO2，量测所产生的CO2量，即得水样中的总有机碳值（mgC／L）。通过压缩空气吹脱无机碳酸盐，排除干扰。

※对于同一种污水来说，ThOD﹥TOD﹥CODCr﹥BOD5﹥TOC

6.3. 污水的生物性质指标

污水的来源：生活污水，肠道传染病、肝炎病毒、SARS、寄生虫卵等；

制革、屠宰等工业废水，炭疽杆菌、钩端螺旋体等；医院污水，各种病原体。

危害：传播疾病、影响卫生、导致水体缺氧

（1）细菌总数：水中细菌总数反映了水体有机污染物程度和受细菌污染的程度。常以：细菌个数/mL计。

如：饮用水 小于100个/mL，医院排水 小于500个/mL

（2）大肠菌群：可表明水样被粪便污染的程度，间接表明有肠道病菌存在的可能性。常以：大肠菌群数/L计

如：饮用水小于3个/L，城市排水 小于10000个/L，游泳池 小于1000个/L。

水质标准中主要指标浓度值（mg/L）

6.4.活性污泥的性能指标

活性污泥中复杂的微生物与废水中的有机营养物形成了复杂的食物链。 最先担当净化任务的是异氧菌和腐生性真菌，细菌特别是球状细菌起着最关键的作用，优良运转的活性污泥，是以丝状菌为骨架由球状菌组成的菌胶团。沉降性好，随着活性污泥的正常运行，细菌大量繁殖，开始生长原生动物，是细菌一次捕食者。活性污泥常见的原生动物有鞭毛虫、肉毛虫、纤毛虫和吸管虫。活性污泥成熟时固着型的纤毛虫、种虫占优势；后生动物是细菌的二次捕食者，如轮虫、线虫等只能在溶解氧充足时才出现，所以当出现后生动物时说明处理水质好转标志。

其中活性污泥的性能指标包括，混合液悬浮固体（MLSS），污泥沉降比（SV），污泥指数[污泥体积指数（SVI），污泥密度指数（SDI）。

（1）混合液悬浮固体浓度（mixed liquor suspended solids，MLSS），又称为混合液污泥浓度，表示在曝气池单位容积混合液内所含的活性污泥固体的总重量，即 MLSS=Ma+Me+Mi+Mii

Ma--具有代谢功能活性的微生物群体；

Me--微生物（主要是细菌）内源代谢、自身氧化的残留物；

Mi --由原污水挟入的难为细菌降解的惰性有机物质；

Mii--由污水挟入的无机物质。

表示单位为mg/L混合液，或g/L混合液，g/m³混合液，kg/m³混

合液。

（2）混合液挥发性悬浮固体浓度（mixed liquor volatile suspended solids，MLVSS），表示混合液活性污泥中有机性固体物质部分的浓度，即

MLVSS=Ma+Me+Mi

MLVSS与MLSS的比值以f表示，即

f=MLVSS/MLSS

在一般情况下，f值比较固定，对生活污水，f值为0.75左右。以生活污水为主体的城市污水也同此值。

以上两项指标都不能精确地表示活性污泥微生物量，而表示的是活性污泥的相对值。但因为其测定简便易行，广泛应用于活性污泥处理系统的设计、运行。

（3）污泥沉降比（settling velocity，SV），又称30min沉降率。混合液在量筒内静置30min后所形成沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分率，以%表示。

（4）污泥容积指数（sludge volume index，SVI），简称污泥指数，其物理意义是在曝气池出口处的混合液，在经过30min静沉后，每g干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积，以mL计。

污泥容积指数的计算式为：

SVI= 混合液（1L）30min静沉形成的活性污泥容积（mL）/混合液（1L）中悬浮固体干重（g）

　　=(SV（mL/L）)/(MLSS（g/L）)

SVI的表示单位为mL/g，习惯上只称数字，而把单位略去。

6.5.影响活性污泥性能的环境因素

溶解氧——溶解氧浓度以不低于2mg/L为宜（2—4mg/L）。

水温——维持在15～25℃，低于5℃微生物生长缓慢。

营养料——细菌的化学组成实验式为C5H7O2N，霉菌为C10H17O6原生动物为C7H14O3N，所以在培养微生物时，可按菌体的主要成分比例供给营养。微生物赖以生活的主要外界营养为碳和氮，此外，还需要微量的钾，镁，铁，维生素等。

碳源--异氧菌利用有机碳源，自氧菌利用无机碳源。

氮源--无机氮（NH3及NH4+）和有机氮（尿素，氨基酸，蛋白质等）。

一般比例关系：BOD：N：P=100：5：1

好氧生物处理：BOD5=500——1000mg/l

7.垃圾处理

7.1.垃圾卫生填埋

填埋是进行固体废弃物最终处置的较为理想的方法之一。它是由传统的废物堆放和填地技术发展起来的一种城市固体废弃物处置技术。卫生填埋法是利用工程手段，采取有效技术措施，防止渗滤液及有害气体对水体、大气和土壤环境的污染，使整个填埋作业及废物稳定过程对公共卫生安全及环境无危害的一种土地处置废物的方法。

垃圾渗滤液是由垃圾分解后产生的内源水与外来水分（包括大气降水、地表水、地下水入浸）所形成的液体，其中含有大量有机物、无机离子。其外观浑浊，呈褐黄色，并且有恶臭，具有高致病，危害性大。

（1）渗滤液水质特征

在垃圾填埋场运行过程中，渗滤液水质不断发生变化，垃圾渗滤液的水质呈现出以下特点：

①水质十分复杂，不仅含有耗氧有机污染物，还含有各类金属和植物营养素（氨、（2）垃圾渗滤液处理中存在的问题

①渗滤液水量变化较大，尤其是季节性变化量很大，在雨季里水量比较大。针对这个问题，一般填埋场采用管道氮等）。如果是工业垃圾填埋场，渗滤液中还会有有毒有害有机污染物。

②渗滤液水质具有易变质。渗滤液水质随水量变化而变化，渗滤液中有机物污染物和金属离子浓度一般随渗滤液量的增加而升高，但对于老龄填埋单元，这种相关性很差，主要可能是由于老龄填埋场中可降解有机物含量减少，没有足够多的有机物质通过单纯的冲洗被带到渗滤液中。

③垃圾渗滤液COD和BOD浓度高，最高可达几万，远远高于城市污水。

④金属离子含量不高，渗滤液中金属离子含量不高的一个重要原因是生活垃圾中的微量重金属溶出率很低。

⑤垃圾渗滤液中有机污染物种类多，其中有难以生物降解的萘、菲等非氯化芳香族化合物、氯化芳香族化合物、磷酸酯和苯胺类化合物。

⑥垃圾渗滤液中含有10多种金属离子，其中金属离子会对生物处理过程产生严重的抑制作用。

⑦氨氮含量高，C/N比例失调，给生物处理带来一定的难度。

把多余的渗滤液排到一个预留的池子里，等晴天渗滤液少的时候再进行处理。

②渗滤液水质特性变化大。不同填埋场，由于诸多因素不同，其水质存在很大差异，所以适用于某填埋场渗滤液的处理方法不一定也适用于另一填埋场渗滤液的处理。

③渗滤液中氨氮浓度高，尤其是在填埋后期其浓度更高。高浓度的氨氮对微生物的活性有抑制作用，而现有的氨氮吹脱又造成空气的二次污染和吹脱塔结垢问题；有人提出超声波吹脱法，这种方法比传统吹脱法氨氮的去除率提高了门%－164%，CODcr去除率为24.90%－34.76%，比传统的吹脱法提高了21%。超声波的最佳工艺参数：PH为11，时间为41min，气水比1000：1。渗滤液处理费用高且难以达到排放标准。填埋场在封闭前，一般渗滤液浓度高且较难处理，即使采用厌氧一好氧生物处理工艺也难以达到排放标准；而高标准的渗滤液处理厂投资大，运行管理费用高，许多填埋场因为资金不足受限。

7.2.垃圾焚烧发电

用焚烧法处理生活垃圾的基本目标是：①实现垃圾减量化（垃圾重量减量70%~85%,容积减量90%以上）；②实现余热利用（利用焚烧余热生产热能）；③消除垃圾的有害物质。

（1）垃圾焚烧发电厂设备

目前垃圾焚烧发电厂中常用的三种焚烧炉有机械炉排焚烧炉、回转窑焚烧炉和循环流化床焚烧炉。

a.炉排型焚烧炉

炉排型焚烧炉形式多样,其应用占全世界垃圾焚烧市场总量的80%以上。从炉排的基本结构形式上来讲,机械炉排的类型可以分成由炉排块构成的炉排和由一组空心圆筒组成的炉排两类;从炉排的运动形式来看,可分成往复运动和滚动运动两类。该类炉型的最大优势在于技术成熟,运行稳定、可靠,适应性广,绝大部分固体垃圾不需要任何预处理可直接进炉燃烧。

b.流化床焚烧炉

流化床焚烧炉可以对任何垃圾进行焚烧处理。最大优点是可以得到完全的燃烧效果并对有害物质进行最彻底的破坏,一般排出炉外的未燃物均在1%左右,是几种方式中最低的,对环境保护很有利。

c.回转窑焚烧炉

回转窑焚烧炉是一种成熟的技术,如果待处理的垃圾中含有多种难燃烧的物质,或者垃圾的水分变化范围较大,回转窑是唯一理想的选择。回转窑因为转速的改变，可以影响垃圾在窑中的停留时间,并且对垃圾在高温空气及过量氧气中施加较强的机械碰撞,能得到可燃物质及腐败物含量很低的炉渣。

(2)生活垃圾焚烧产生的烟气中的主要污染物

①不完全燃烧产物（简称PIC)。燃烧不良而产生的副产品,包括一氧化碳、炭黑、 烃、烯、酮、醇、有机酸及聚合物等。

② )粉尘。废物中惰性金属盐类、金属氧化物或不完全燃烧物质等。

③酸性气体。包括氯化氢、卤化氢、硫氧化物(SO₂及SO₃)、氮氧化物,以及五氧化磷和磷酸。

④重金属污染物。包括铅、铬、汞、镉、砷等元素态、氧化物及氯化物等。

⑤二恶英。二噁英简称“DXN”，是指一类具有某种类似的化学结构且生物作用方式基本相同的化合物，是一类多氯代三环芳烃类化合物的统称，它是由多氯代二苯并二噁英、多氯代二苯并呋喃及多氯联苯异构体共同组成的。二噁英的毒性比砒霜大1万倍，注入人体35μg即可致死。 人一天暴露在0.01μg环境中得癌症初期；4μg环境中为急性中毒；毒性高出农药100万倍。由于二噁英不溶于水，而溶于脂肪，对人体危害是容易吸收又很难排出体外，因此危害深远。

(3)垃圾焚烧电站烟气净化技术的方法及优缺点

烟气净化工艺是根据烟气排放标准对烟气中的飞灰，包括HCL、HF、Sox等酸性污染物，重金属及残余有机物等污染物进行控制。目前烟气净化工艺一般分两步处理，一步是脱除烟气中的酸性污染物，包括必要时采取的降低烟气温度过程，主要应用的是具有脱酸率高，工艺成熟，设备可靠，系统可用率高，能源消耗低，投资和运行费用适当等优势的烟气脱酸工艺，如干法工艺、半干法工艺、湿法工艺及循环流化床工艺等。另一步是应用除尘工艺去除烟气中的飞灰，主要是布袋除尘与静电除尘工艺。

①湿法烟气净化技术

湿法烟气净化技术早期在一些发达国家的应用比例较高, 利用碱性物质作为吸收剂可使酸性气态污染物得以高效净化。湿法净化可以分一段或二段完成, 净化设备有吸收塔(填料塔、筛板塔)和文丘里洗涤器等。

②干法烟气净化技术

干法净化烟气技术对污染物的去除效率相对较低,为了有效控制酸性气态污染物的排放,必须增加固态吸收剂在烟气中的停留时间,保持良好的湍流度,使吸收剂的比表面积足够大。干法烟气净化所用的吸收剂以Ca(OH)₂粉末居多。

③半干法烟气净化技术

半干法烟气净化技术是介于湿法和干法之间的一种工艺,它具有净化效率高,投资和运行费用低、流程简单、不产生废水,无需对反应产物进行二次处理等优点, 是一种极具前途的工艺,目前在生活垃圾焚烧电厂烟气净化系统中的应用越来越多,而且该工艺被美国国家环保局定为生活垃圾焚烧烟气净化最佳工艺。该工艺对操作水平要求较高,需要长时间的实践积累,才能达到良好的效果。半干法烟气净化处理系统主要是去除烟气中的固体颗粒、硫氧化物、氯化氢、重金属 (Hg、 Pb 、Cr)、 二恶英及呋喃等有害物质,以达到烟气排放的标准。半干法烟气净化技术其缺点是对操作水平 (如烟气在喷雾干燥吸收塔中的停留时间、 吸收浆液中吸收剂的粒度及浓度等 )及喷嘴的要求较高。

7.3生态之城的垃圾处理

a.等离子汽化

等离子汽化是在充满氮气等惰性气体的密闭室里通过高压电流来产生等离子弧。当电流通过密闭空间时，会将气体分子中的电子剥离下来形成过热等离子，并将密闭室内的所有分子撕裂开。垃圾汽化的好处是在超高温下产生的废料是类似玻璃渣的固体，而不是普通高温燃烧后留下的细灰，可以用来做建筑行业的填充物。

b.垃圾岛

不能将未处理的垃圾直接倒入大海，这样会带来生态灾难，于是新加坡工程师翁镇新提出如果将垃圾压紧，然后再安全地填入巨大的人工岛。首先是通过清洁的垃圾焚化厂将垃圾焚化，然后将灰烬倒入大海，再沃土与青草盖住灰烬，形成实马高岛，其中工程师们必须阻止灰烬中的毒素渗入大海。

C.生物质焦

焚烧农场和城市的有机垃圾就得到生物质焦，改进回收方法，利用生物废料制造肥料。首先是让垃圾在缺氧条件下高温分解，碳转变为易挥发气体，这样就会释放出很少二氧化碳。其中热解将余下的碳封锁在生物质焦里，将生物质焦犁进地里可以阻止碳以二氧化碳的形式进入大气层。

8.光催化及其运用

【主讲老师：张冬冬】

利用半导体光催化作用可有效地降解和消除有害污染物。近年来，半导体多相光催化作为一项新的污染治理技术，日益受到重视。

8.1.半导体材料

半导体材料是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。

半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。

8.2.光催化机理及其过程

（1）光催化剂

光照射引起催化作用的物质。通过适当波长的光进行照射，催化剂的表面活性提高，对与其相接触的物质产生作用提高反应速度，即难以进行的反应变得容易。本身不分解，可反复使用。

（1）  光催化机理

半导体材料在紫外及可见光照射下，将污染物短时间内完全降解或矿化成对环境无害的产物，或将光能转化为化学能，并促进有机物的合成与分解，这一过程称为光催化。半导体光催化氧化降解有机物的作用机理：

（2）光催化的基本过程

当光能等于或超过半导体材料的带隙能量时，电子从价带(VB)激发到导带(CB)形成光生载流子(电子-空穴对)。在缺乏合适的电子或空穴捕获剂时，吸收的光能因为载流子复合而以热的形式耗散。价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。大多数有机光降解是直接或间接利用了空穴的强氧化能力。

8.3.TiO₂ 光催化反应及其运用

TiO2多相光催化能利用太阳能有效降解多种对环境有害的污染物，使有害物质矿化为CO、HO及其它无机小分子物质。

（1）TiO2光催化材料的特性

钛为地壳元素中的第四大元素，TiO₂为n-型半导体，自然界中TiO₂存在锐钛矿(A-type)、金红石(R-type)及板钛矿(B-type)，TiO₂是一种半导体氧化物，化学稳定性好(耐酸碱和光化学腐蚀)，无毒，廉价，原料来源丰富。

TiO₂在紫外光激发会产生电子－空穴对，锐钛型TiO₂激发需要3.2 eV的能量，对应于380 nm左右的波长。

光催化活性高(吸收紫外光性能强；能隙大，光生电子的还原性和和空穴的氧化性强)。广泛应用于水纯化，废水处理，有毒污水控制，空气净化，杀菌消毒等领域。

(2) TiO₂ 光催化降解应用

A.无机化合物

许多无机物在半导体表面可以实现光分解包括：氨，叠氮化物，铬类，氰化物，卤化物，铁类，锰类，汞，硝酸盐和亚硝酸盐，一氧化氮和二氧化氮，氧气，臭氧，钯类，铂类，铑类，银类，磺酸类等。

B.有机化合物

各种脂肪族和芳香族的氯化物通过在TiO₂上的异相光氧化完全矿化为CO₂和H₂O和相关的无机物(如HCl，HBr，SO₄^2-，NO₃^-)。污水中的除草剂、农药、染料、表面活性剂、烷烃、环烷烃、脂肪醇、羧酸、表面活性剂、臭味物质等均可用光催化技术进行有效处理。

D、杀菌、消毒、空气净化

TiO₂作为抗菌剂使用，可以杀死细菌、消除恶臭味和油污。

9.小结

专业前沿类讲座帮助我们了解了相关领域的学科 前沿知识，更好地学习、思考。此次讲座不仅在学术领域给我们打开了新的窗户，使我们眼前一亮，也为我们今后专业知识的学习做了一定的铺垫，让我们深知世界是无穷无尽的，宇宙之大，科学的力量是无穷的，即使是一个点，也还有很多方面值得拓展和探索，作为一名本科生，想要取得满意的结果和优异的成绩，我们所要做的就是倍加努力，汲取现有的知识，在新的领域开拓新的研究道路，积极探索，永不止步。

总的来说，也许理论上逻辑上很专业的知识，我们没有学到多少，但老师们利用不到两个小时的时间，就基本上将一个新的领域在我们的脑海中勾勒了出来，使我们这些只知在学校死啃书本的同学也有机会现实了一回，真正了解到与百姓的生活有直接联系的科学研究，了解到我们的生活与科学技术息息相关。学院的老师以自己丰富的学识和阅历 向同学们展现了当今世界面临的环境、人口、能源问题以及固体资源化行业的发展趋势， 引导同学们积极思考，使其收获颇多。

致谢：

感谢所有给我们讲座的老师，在此次讲座中他们给了我很多宝贵的意见，在学术领域给我们打开了新的窗户，使我们眼前一亮，也为我们今后专业知识的学习做了一定的铺垫，在专业学科方面给我们上了宝贵的一课。谢谢他们对我的悉心指导，他们无私的关爱和严谨的治学态度将激励我不断进取，走好以后的道路。