卤素改性稻壳焦脱除烟气痕量Hg~0的密度泛函理论研究

发布时间：2020-07-01 22:36

【摘要】：燃煤电站产生的汞污染在环境中具有高毒性和持久性,时刻威胁着人类生命健康,已经引起全球的高度重视。目前常用的处理方法是在烟气中喷入活性炭作为脱除痕量Hg~0吸附剂。相比于高成本的活性炭而言,寻找高效廉价且可再生的吸附剂来替代具有重要的意义。本文利用谷壳气化发电厂废弃的副产物稻壳焦做为脱汞吸附剂,通过切实可行的改性方法提高其脱除Hg~0的效率,既节约能源、降低成本,又可以减少对环境的污染。为深入探究改性稻壳焦脱除烟气中痕量Hg~0的影响因素,基于固定床实验装置,对稻壳焦与活性炭改性前后吸附烟气痕量Hg~0性能进行了对比分析,同时研究了卤素种类及卤素浓度对改性稻壳焦吸附痕量Hg~0性能的影响。并通过比表面积及孔隙结构分析(BET)和傅里叶红外光谱(FTIR)等表征技术,确定稻壳焦改性前后的物化特性,如稻壳焦微观结构的特点、含氧官能团情况、卤素原子的负载形式和Hg~0可能的氧化产物等相关结论,从而分析产生脱除Hg~0性能差异的原因。结果表明,稻壳焦脱除Hg~0性能总体上比活性炭低很多,其结果正印证了活性炭吸附剂在孔结构上的优势,此时以物理吸附为主;而在负载卤素后,稻壳焦和活性炭脱除Hg~0性能均大大提升,表明负载卤素之后的碳基吸附剂以化学吸附为主;三种不同卤素改性稻壳焦的脱除Hg~0性能依次为:氯改性稻壳焦(RHCCl-3)溴改性稻壳焦(RHCBr-3)碘改性稻壳焦(RHCI-3);且随着卤素浓度的提高,改性稻壳焦吸附剂脱除Hg~0性能越好。为了进一步验证实验结论,尝试通过Gaussian软件建立相关构型进行模拟计算,从微观角度研究不饱和活性位、含氧官能团、卤素种类、卤素浓度多种因素的影响作用,从而系统性地揭示改性稻壳焦与Hg~0发生作用的微观机理。首先,研究不饱和活性位对稻壳焦构型吸附Hg~0的影响。在量子化学密度泛函理论(DFT)中B3LYP方法及设置6-31G(d)-D3/Lanl2dz混合基组的基础上,建立并优化稻壳焦构型及活性炭构型,探索与对比不饱和活性位影响两者构型上吸附Hg~0的微观过程,计算表明稻壳焦构型和活性炭构型上Hg~0吸附反应为物理吸附过程,且活性炭的吸附能较稻壳焦大,验证了活性炭脱除Hg~0性能较强的原因。其次,研究含氧官能团对稻壳焦构型吸附Hg~0的影响。计算在稻壳焦构型中嵌入不同含氧官能团后与Hg~0发生初步吸附反应的吸附能,结果表明影响顺序依次为:羰基羟基羧基呋喃;同时,以氧化性最强的羰基为例从化学吸附的角度出发,反应生成氧化物的活化能很大,表明HgO将不会是稻壳焦脱除痕量Hg~0后的主要产物,即含氧官能团对稻壳焦的影响上化学吸附并不占主要位置。再次,研究卤素种类对改性稻壳焦含氧官能团构型吸附Hg~0的影响。基于稻壳焦含氧官能团分子构型,研究了在构型中负载不同卤素时对Hg~0的反应路径,计算吸附能、活化能的结果表明,改性稻壳焦生成HgX(X=Cl、Br、I)所需活化能依次为:RHC-ClRHC-BrRHC-I,即相同条件下生成HgCl最难而生成HgI最容易,这也与实验结果一致;吸附能依次为:RHC-ClRHC-BrRHC-I,即反应最容易生成HgI但相对更容易分解,最难生成HgCl但是相对更稳定;而稻壳焦含氧官能团构型(RHC-4)生成的产物HgCl的吸附能略大于稻壳焦表面构型(RHC-5),表明含氧官能团在一定程度提高了稻壳焦的脱除Hg~0性能。最后,研究卤素浓度对改性稻壳焦含氧官能团构型吸附Hg~0的影响。在明确改性稻壳焦上生成HgCl和HgCl_2的反应路径后,结果表明生成HgCl_2所需的活化能比生成HgCl要大很多,即生成HgCl更容易而生成HgCl_2会难很多,故氯改性稻壳焦吸附Hg~0后形成的氧化物以HgCl为主;另外,通过吸附能和mayer键级对比可知,稻壳焦上负载卤素既可以增强初步物理吸附,还可以进一步将Hg~0氧化而转化为化学吸附;且负载更多的卤素还可以促进Hg~0的化学吸附,即验证了卤素浓度增加能促进改性稻壳焦对痕量Hg~0的吸附。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X773
【图文】：

燃煤汞的形态转化流程图

卤素改性稻壳焦脱除烟气痕量Hg~0的密度泛函理论研究

中国各省人为源排放汞量分布图

【参考文献】