改性钛磁赤铁矿控制燃煤烟气零价汞排放的研究

发布时间：2020-05-17 06:57

【摘要】：我国的汞污染现状已经引起了全球范围的高度关注。燃煤电厂是我国大气汞排放的首要来源,汞通常以零价汞(Hg0)、二价汞(Hg2+)和颗粒汞(Hgp)的形态存在于燃煤烟气中,其中零价汞最难以脱除。国际上燃煤烟气零价汞控制技术主要包括SCR+FGD联用法和活性碳吸附法。这两种技术未能实现汞污染的集中控制,而是将气态零价汞转化为毒性更大的二价汞分布在飞灰或脱硫石膏中,极易引起二次污染。由于超低排放的要求,湿静电除尘器(WESP)在我国大型燃煤电厂正逐步普及。将磁性吸附剂喷入脱硫装置后的烟气中可以有效控制零价汞排放。借助湿静电除尘器将含汞吸附剂从烟气中捕集下来,随后利用磁分离将含汞吸附剂从浆液中分离出来,重新喷入烟气吸附气态零价汞。一旦湿静电除尘器出口处的零价汞浓度超出排放限值,就对回收的含汞吸附剂进行再生,一方面集中控制汞污染,另一方面再生后的磁性吸附剂循环使用。与湿静电除尘器相配套的吸附剂必须具有以下五个特征。第一,具有优异的超顺磁性,容易从浆液中磁分离出来而不发生团聚;第二,温度窗口与脱硫装置下游烟温(40-80℃)相匹配,且不受高湿环境的影响;第三,吸附在吸附剂表面的汞形态稳定,在喷淋收尘阶段不易被浸出;第四,吸附在吸附剂表面的汞能迅速被热脱附,且脱附温度适中;第五,吸附剂的价格低廉,能够循环利用。铁基尖晶石具有优异的超顺磁性,但其低温化学吸附气态零价汞的性能较差;磁黄铁矿低温下具有良好的零价汞吸附活性,然而其磁性较弱。若能结合铁基尖晶石优异超顺磁性和磁黄铁矿优异低温吸附气态零价汞性能的优点,就能够完全满足上述五点要求。因此,本文创新性地提出利用气态硫化氢对人工合成的钛磁赤铁矿进行改性,在钛磁赤铁矿表面修饰一层黄铁矿或磁黄铁矿,开发出与湿静电除尘器相配套集中控制燃煤电厂汞污染的高效磁性吸附剂。此外,本文还研究了零价汞在改性钛磁赤铁矿表面化学吸附的微观反应机制,通过构建反应动力学模型,探讨了改性钛磁赤铁矿的表面理化性质和其零价汞吸附容量之间的构效关系。与此同时,本文还尝试通过硫化氢预处理等手段提高天然钛磁铁矿低温吸附气态零价汞的能力,使之与湿静电除尘器相配套集中控制燃煤烟气零价汞排放,极大地降低磁性吸附剂的成本。本文主要研究成果如下:(1)通过硫化氢预处理手段对钛磁赤铁矿进行改性,显著提高了其低温吸附零价汞的能力。其60℃零价汞平均吸附速率为1.92 μg g-1 min-1,吸附容量在5%的穿透时高达0.69mg g-1。改性钛磁赤铁矿吸附零价汞具有良好的抗水和二氧化硫干扰能力。此外,改性钛磁赤铁矿具有强磁性(饱和磁化强度为24.6 emu g-1)和优异的超顺磁性。硫化氢预处理过程中,硫化氢与钛磁赤铁矿反应产生氧化剂S22-。气态零价汞在改性钛磁赤铁矿表面的吸附遵循Mars-Maessen机制:气态零价汞先物理吸附在吸附剂表面,随后被吸附剂表面的氧化剂S22-氧化成性质稳定的HgS。吸附在吸附剂表面的汞不易被浸出,可以被迅速热脱附形成高浓度气态零价汞,脱附温度适中。脱附后的吸附剂通过H2S再生处理可以循环利用。(2)为进一步降低磁性吸附剂的成本,本文还将天然钛磁铁矿引入吸附燃煤烟气零价汞的研究。通过硫化氢预处理手段对天然钛磁铁矿进行改性,显著提高了其低温吸附零价汞的性能,先焙烧有利于提高改性天然钛磁铁矿低温吸附零价汞的能力。改性天然钛磁铁矿180 min的零价汞吸附量为8.1μg,吸附容量在6%的穿透时达到0.17 mgg-1,而且其吸附性能不受烟气中二氧化硫和水蒸气干扰。改性天然钛磁铁矿具有超顺磁性和强磁性(饱和磁化强度为18.8 emu g-1)。气态零价汞在改性天然钛磁铁矿表面的吸附同样遵循Mars-Maessen机制。焙烧处理提高了天然钛磁铁矿表面可还原Fe3+的含量,从而增加H2S处理过程中产生的S22-,进而提高化学吸附零价汞的能力。吸附的汞不易被浸出,可以被迅速热脱附形成高浓度气态零价汞,且脱附温度适中。脱附后的吸附剂经过焙烧和H2S再生处理可以循环利用。总之,利用硫化氢预处理技术获得的改性钛磁赤铁矿具有吸附容量大、抗水抗硫性强和可循环利用等特点,可以与湿静电除尘器相配套集中控制燃煤烟气零价汞污染。对天然钛磁铁矿进行改性处理可以进一步降低成本,具有实际应用前景。
【图文】：

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【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X773

【参考文献】

相关期刊论文 前4条

1 郑刘根;刘桂建;齐翠翠;陈怡伟;张莹;;中国煤中汞的环境地球化学研究[J];中国科学技术大学学报;2007年08期

2 孙巍;晏乃强;贾金平;;载溴活性炭去除烟气中的单质汞[J];中国环境科学;2006年03期

3 党民团;刘娟;;中国汞污染的现状及防治对策[J];应用化工;2005年07期

4 王起超,沈文国,麻壮伟;中国燃煤汞排放量估算[J];中国环境科学;1999年04期

本文编号：2668123