基于密度泛函的生物焦对单质汞吸附机理研究

发布时间：2020-09-12 13:55

　　火力发电厂燃煤烟气中的单质汞主要通过催化氧化和吸附剂吸附的方式脱除。但是,现有的脱汞吸附剂存在竞争吸附、价格昂贵、温度域窄等问题,制约了该技术的广泛使用。因此,以生物质的热解产物生物焦作为绿色廉价高效的汞吸附剂有可能成为最具前途的方法之一。生物焦为高质异性混合物,结构复杂。从微观分子角度研究生物焦分子结构的特征,可获得生物焦的汞吸附机理,对生物焦的汞吸附工艺的开发具有重要的科学意义和实践价值。本论文选用核桃壳生物焦,基于元素分析和工业分析,通过红外光谱分析、XRD,研究了生物焦的化学成分,同时采用13C-NMR测试技术对生物焦分子结构的特征进行分析表征,构建了生物焦的分子结构模型。研究发现核桃壳生物焦主要由C、H、O和N元素构成,芳香碳为生物焦分子结构的主要成分,而脂肪碳则起到联结芳香结构单元的作用。生物焦分子结构模型以芳香结构为主,并含有1个甲基、4个羟基以及8个羰基,分子式为C_(55)H_(37)NO_(14),M_r=935。所构建分子模型的13C-NMR预测计算光谱图与实验光谱图吻合,且与FTIR、元素分析等表征结果一致。在UFF、Dreiding和MM2三种力场下对三维模型结构进行优化,结果发现在UFF力场下优化后的三维结构总势能最大,为1855kJ·mol~(-1),而MM2力场下势能最小,为529.4kJ·mol~(-1)。同时通过量子化学半经验PM6方法对三种优化后构象的生成热进行计算可得Dreiding力场下优化的结构更稳定。本论文基于密度泛函理论,对生物焦结构片段进行优化模拟,计算含氧官能团和金属离子对生物焦的汞吸附性能影响,通过计算得出单质汞与生物焦的吸附高度、吸附能和Mulliken布居数。研究发现醛基、羰基官能团促进了生物焦的物理和化学吸附;羟基官能团基本没有影响生物焦的汞吸附能力;醚基抑制了生物焦的汞吸附能力。相比未改性生物焦吸附剂,负载Fe~(3+)、Co~(3+)、Ni~(2+)、Cu~(2+)和Zn~(2+)均能提高其对汞的吸附能力,吸附过程既有物理吸附,也有化学吸附。改性后的生物焦对汞吸附能分别为224.9.1、236.9、78.3、184.5和91.1kJ·mol~(-1),均大于未改性生物焦的吸附能19.1kJ·mol~(-1),吸附过程以化学吸附为主。金属离子邻近的碳原子吸附位为主要吸附位点。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X773
【部分图文】：

世界能源,消费结构

太原理工大学硕士研究生学位论文第一章绪论1.1 研究背景能源是人类赖以生存、经济快速发展、社会有序进步的动力源泉。据《BP 世界源统计年鉴2018》报道[1]，2017年全球消费135亿吨油当量的一次能源，同比增加1.9%其中，石油、天然气、煤炭及其他能源消费占比分别为 34%、23%、28%和 15%（如1.1 所示）。未来 20 年内，随着单位能耗的逐步下降，全球能源的需求量进一步减可再生能源发展迅速。但是，在世界一次能源消费中，化石燃料的地位保持不变，石油煤炭和天然气仍占主要地位。

技术路线图,模型研究,技术路线,分子结构

太原理工大学硕士研究生学位论文于密度泛函基组组合和理论模型的研究，构建适合生物焦焦对气态单质汞的吸附模拟研究，将生物焦结构模型与单学方法对其进行结构优化和参数计算；物焦对气态单质汞的吸附机理研究，对生物焦与单质汞的附能、吸附键长、键布居数等关键参数进行分析，确定相程中，所采取的技术路线如图 1.2 所示。

制备系统

的研究变为可能，而量子化学正是其中最有力的一原理基础并通过计算机为载体去计算分子原子或质的各种性质。验对象、实验装置和分析测试方法，以及量子化学发现，600℃和 250 目条件制备下的核桃壳生物焦吸附汞效果最好。因此本论文选择此温度条件下所碎和振筛机筛分后的 58μm 核桃壳生物质，在热解焦制备系统如图 2.1 所示。

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