鐵基納米吸附劑煙氣脫汞實驗及機理研究.pdf

1、由煤燃燒引起的汞排放是大氣汞污染的主要來源，汞污染物具有較強的生理毒性和生物累積性，若不加以控制排入大氣將會污染環(huán)境，危害人類健康。對于燃煤汞污染控制方面的研究是繼燃煤粉塵顆粒物，SO2，Nox 控制研究后的一個較為嶄新的污染物控制研究領域。采用吸附劑方法脫汞作為一種有效的燃煤汞污染控制技術，近年來一直受到較大的關注，也是目前世界范圍內的研究熱點。
　　 本文提出采用鐵基納米材料用于燃煤煙氣中單質汞的高效脫除新思路，沿著這一研究

2、思路，分別采用水熱法和溶膠-凝膠法制備了鐵基納米粉體及具有高比表面積，大孔容，孔徑分布均勻的納米Fe2O3-SiO2 吸附劑材料，并在模擬煙氣條件下對其脫汞性能和影響因素進行了理論和實驗研究，為進一步研究和控制燃煤汞污染排放奠定了基礎。主要研究內容和結果如下：
　　 在比較多種納米氧化鐵合成方法的基礎上，選擇制備成本低，制備效果好，操作較為簡單的水熱合成法合成納米氧化鐵粉體顆粒，并通過實驗分析的方法確定了合成工藝中最佳的煅燒溫度

3、，溶液初始pH 值和溶液Fe3+濃度，分別為：煅燒溫度300℃，溶液pH 值12，溶液的Fe3+濃度0.5mol/L。
　　 在固定床反應器上進行惰性氣氛條件下粉體納米氧化鐵單質汞吸附脫除實驗，著重研究了吸附劑顆粒尺寸，比表面積，溫度及接觸時間對納米氧化鐵汞吸附效果的影響，并與普通尺寸的氧化鐵顆粒汞吸附效果進行了比較，同時借助XPS等測試手段分析了納米氧化鐵對模擬煙氣中氣態(tài)單質汞的作用機理。結果表明，與普通氧化鐵顆粒相比，納米氧

4、化鐵具有更強的汞吸附能力，相同條件下其80％穿透時間達到45分鐘，在納米尺度條件下，顆粒尺寸減少，比表面積增加均對納米氧化鐵汞吸附性能有促進作用。從吸附反應機理來看，汞在納米氧化鐵上的吸附過程主要受表面反應控制，內外擴散作用影響不大。隨著反應床溫度增加，納米氧化鐵對汞的吸附性能提高幅度顯著。XPS分析表明，納米氧化鐵表面85％以上均為氧化態(tài)的汞。不同煙氣成分對納米氧化鐵汞吸附行為具有較大的影響，NO和HCl的加入對納米氧化鐵汞脫除效果具

5、有明顯的促進作用，其中HCl的促進效果尤為明顯。而受競爭吸附的影響，SO2的加入對納米氧化鐵汞吸附性能具有抑制作用，隨著SO2 濃度的增加，其抑制效果愈加顯著。在吸附實驗基礎上，進行了納米氧化鐵催化氧化單質汞實驗，著重研究了顆粒尺寸，反應溫度，晶相結構及不同煙氣組分對納米氧化鐵催化氧化單質汞性能的影響。
　　 實驗結果表明，納米氧化鐵顆粒尺寸的減少，反應溫度的升高均對催化氧化單質汞有促進作用，但過高的反應溫度會使納米氧化鐵發(fā)生燒

6、結，原來的孔隙結構和活性表面均會遭到破壞，進而降低催化效果。晶相結構的差異同樣影響催化反應活性，由于γ-Fe2O3中的氧與α-Fe2O3 相比在熱力學上具有較高的化學勢，而且其所含的晶格氧也具有更高的活性，因此從實驗結果來看，納米γ-Fe2O3 對單質汞催化氧化具有更加優(yōu)越的催化反應活性。對于不同煙氣成分對納米氧化鐵汞氧化的影響效果來說，實驗結果表明，氧氣的存在是發(fā)生持續(xù)催化反應的基礎；而水蒸氣的影響則與其濃度高低有關，低濃度條件下由于

7、其在納米氧化鐵表面發(fā)生催化分解產(chǎn)生的羥基對汞氧化有利進而表現(xiàn)出促進作用，而高濃度條件下競爭吸附的影響會降低氧化活性。NO，NO2，SO2和HCl的加入對納米氧化鐵汞氧化效果均具有明顯的促進作用，就促進效果來看HCl>NO2>SO2>NO；對于不同氣氛組合來說，NO2+HCl組合具有最高的氧化效率。
　　 在粉體納米氧化鐵的制備及汞脫除實驗基礎上，開展了納米Fe2O3-SiO2 吸附劑材料的制備及表征分析工作，設計并建立了以檸檬酸

8、為活性劑的溶膠-凝膠合成工藝，并通過正交實驗的方法，簡化工藝步驟，優(yōu)化工藝參數(shù)。
　　 在模擬煙氣條件下研究了納米Fe2O3-SiO2 吸附劑的汞脫除性能。實驗結果表明，與粉體納米氧化鐵相比，納米Fe2O3-SiO2 吸附劑具有更強的汞吸附性能。通過研究不同負載量，不同床層溫度對樣品脫汞效率的影響，確定了樣品的最佳負載量和最優(yōu)的運行溫度，分別為負載量10％，溫度350℃。對于納米Fe2O3-SiO2 除汞吸附劑而言，高SO2 濃

9、度不利于吸附劑對汞的有效脫除。為保證納米Fe2O3-SiO2 除汞吸附劑的最佳除汞效果，其運行的煙氣環(huán)境中的SO2 濃度應低于1000×10-6。
　　 程序升溫脫附（TPD）實驗結果表明，納米Fe2O3-SiO2 對單質汞的吸附機理主要是化學吸附，而空氣條件下更高的氧化汞含量表明氧氣的存在對納米Fe2O3-SiO2 吸附劑的脫汞效果是有利的。
　　 吸附劑再生實驗結果表明，經(jīng)過多次循環(huán)再生實驗后，納米Fe2O3-SiO