金属改性活性炭脱除燃煤烟气中Hg~0的理论研究

发布时间：2017-05-08 07:14

  本文关键词：金属改性活性炭脱除燃煤烟气中Hg~0的理论研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：燃煤电厂烟气汞排放是环境中主要的汞污染源之一,煤燃烧时大部分汞会随烟气排入大气,给动植物、人体和生态环境造成巨大的危害。在颗粒态汞(Hgp),单质汞(Hg0)以及氧化态汞(Hg2+)这三种汞形态中,Hg0的脱除最具挑战性。因此,寻找一种经济高效的Hg0脱除剂迫在眉睫。活性炭(AC)因其丰富的孔结构以及巨大的比表面积而用于燃煤电厂中汞的控制,但是其低效率、难再生性极大地增加了汞的脱除成本。鉴于金属对Hg0具有良好的脱除性能,本文采用密度泛函理论(DFT)方法分别研究了Hg0与Fe,Co,Ni,Cu和Zn为代表的非贵金属改性AC的作用以及Hg0与Pd为代表的贵金属改性AC的作用,并进一步通过Cu的调变来减少贵金属Pd的用量并增强Hg0的脱除能力,主要结论如下:(1)非贵金属改性AC脱除Hg0的机理对Hg0在非贵金属Fe,Co,Ni,Cu和Zn改性的AC表面的吸附进行研究,得出:Hg0在M/AC(M=Fe,Co,Ni,Cu,Zn)表面为物理吸附,说明Hg0与非贵金属改性AC的作用很弱。进一步对Hg0氧化后的物种HgCl和HgCl2在上述表面的吸附机理进行研究,认为HgCl不是稳定的中间体,它在M/AC(M=Fe,Co,Ni,Cu,Zn)表面主要为解离吸附;HgCl2在Fe/AC表面主要是分子吸附,在M/AC(M=Ni,Cu,Zn)表面主要是解离吸附,在Co/AC表面同时存在分子吸附和解离吸附。Hg0经Cl2氧化的机理表明:在M/AC(M=Fe,Co,Ni,Cu,Zn)表面,Hg0通过Eley-Rideal机理被氧化并且Fe/AC是最好的催化剂。(2)贵金属改性ac脱除hg0的机理对hg0在贵金属pd改性的ac表面的吸附进行研究,得出:在pdn(n≤38)簇中,pdn(n=4,6,8,13,19,23,38)是能够稳定存在的幻数簇;进一步将所得幻数簇负载到ac上,并研究ac对其稳定性的影响,结果表明ac的负载能够提高pdn簇的稳定性,但随pd原子数目的增加对其稳定性的影响逐渐降低,当pd原子数目为38时,ac对其稳定性几乎没有影响;通过研究hg0在pdn/ac(n=4,6,8,13,19,23)表面的吸附,阐明ac负载的pdn簇的尺寸效应对hg0吸附的影响,结果表明hg0的吸附能呈锯齿型变化,当在ac上负载二十面体的pd13簇时,hg0的吸附能力最强。(3)cu调变的pd13/ac脱除hg0的机理对hg0在非贵金属cu调变的pd13/ac表面的吸附进行研究,得出:pd13簇最多可以被8个cu原子替换,并且cunpd13-n(n=1~8)双金属簇比pd13簇的稳定性更高,即cu的掺杂可以提高pd13簇的稳定性,最大掺杂比例为61.5%;在可替换的cunpd13-n(n=1~8)双金属簇中,cu原子数目分别为1,2和6时构型相对容易替换,并且cupd12,cu2pd11和cu6pd7双金属簇都能稳定存在于ac表面;hg0在cunpd13-n/ac(n=1,2,6)表面的吸附表明:hg0的吸附强度与cu的掺杂比例有很大的关系,当掺杂比例为7.7%时,即替换pd13簇的中心pd原子为cu时,吸附能提高不大,增加比例仅为3.3%;当掺杂比例增加为15.4%时,即在cupd12双金属簇的基础上再替换表面的一个pd原子为cu时,吸附能显著提高,增加比例为27.1%,有利于hg0的脱除;但当掺杂比例增加为46.2%时,即cu原子的数目增加为6时,吸附能降低了25.1%,对Hg0的脱除不利。
【关键词】：DFT 金属改性AC Cu的调变 Hg0的脱除
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X773;O647.3
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 Hg~0的脱除方法12-16
• 1.1.1 AC脱汞剂13
• 1.1.2 金属脱汞剂13-14
• 1.1.3 金属氧化物脱汞剂14-16
• 1.1.4 不同脱汞剂的比较16
• 1.2 AC的改性方法16-17
• 1.2.1 卤素改性AC16-17
• 1.2.2 金属改性AC17
• 1.2.3 金属氧化物改性AC17
• 1.2.4 AC改性方法比较17
• 1.3 选题思路及研究目的17-18
• 1.3.1 选题思路17-18
• 1.3.2 研究目的18
• 1.4 研究内容18-20
• 第二章 理论基础20-23
• 2.1 密度泛函理论20-21
• 2.1.1 Thomas-Fermi模型20
• 2.1.2 Hogenberg-Kohn定理20
• 2.1.3 Kohn-Sham方程20-21
• 2.2 交换关联势21
• 2.2.1 LDA泛函21
• 2.2.2 GGA泛函21
• 2.3 过渡态理论21-22
• 2.4 Dmol~3模块22-23
• 第三章 Fe, Co, Ni, Cu和Zn为代表的非贵金属改性AC对Hg~0的脱除23-42
• 3.1 引言23-24
• 3.2 模型构建及计算方法24-26
• 3.2.1 模型构建24-25
• 3.2.2 计算参数25-26
• 3.2.3 参数的验证26
• 3.3 Hg~0在AC表面的吸附26-27
• 3.4 汞物种在M/AC (M=Fe, Co, Ni, Cu和Zn)表面的吸附27-37
• 3.4.1 Hg~0的吸附29-31
• 3.4.2 HgCl的吸附31-33
• 3.4.3 HgCl_2的吸附33-37
• 3.4.4 汞物种在M/AC(M=Fe, Co, Ni, Cu和Zn)表面的吸附性质37
• 3.5 Cl_2氛围下Hg~0的催化氧化37-41
• 3.5.1. Cl_2在M/AC(M=Fe, Co, Ni, Cu和Zn)表面的活化37-38
• 3.5.2. Hg~0在M/AC(M=Fe, Co, Ni, Cu和Zn)表面的催化氧化38-41
• 3.6 本章小结41-42
• 第四章 Pd为代表的贵金属改性AC对Hg~0的脱除42-66
• 4.1 引言42-43
• 4.2 模型构建及计算方法43
• 4.2.1 模型构建43
• 4.2.2 计算方法43
• 4.2.3 参数验证43
• 4.3 Pd_n(n=2-8,13,19,23,38)簇的演化及其稳定性43-48
• 4.3.1 Pd_n(n=2-8)簇的演化43-45
• 4.3.2 Pd_n(n=2-8)簇的稳定性45-48
• 4.3.3 Pd_n(n=13,19,23,38)簇的稳定构型及其稳定性48
• 4.4 Pd_n(n=4,6,8,13,19,23,38)簇与AC表面的相互作用48-58
• 4.4.1 Pd_n(n=4,6,8,13,19,23,38)簇在AC表面的吸附48-56
• 4.4.2 AC对Pd_n(n=4,6,8,13,19,23,38)簇稳定性的影响56-58
• 4.5 Hg~0在Pd_n/AC(n=4,6,8,13,19,23)上的吸附58-65
• 4.6 本章小结65-66
• 第五章 不同比例Cu调变的Pd_(13)/AC对Hg~0脱除的影响66-87
• 5.1 引言66-67
• 5.2 模型构建及计算方法67
• 5.2.1 模型构建67
• 5.2.2 计算方法67
• 5.3 Cu_nPd_(13-n)(n＝1~12)双金属簇及其稳定性67-72
• 5.3.1 Cu_nPd_(13-n)(n＝1~12)双金属簇的稳定构型67-71
• 5.3.2 Cu_nPd_(13-n)(n=1~12)双金属簇的稳定性71-72
• 5.4 Cu_nPd_(13-n)/AC(n＝1,2,6)双金属簇与AC表面的作用72-81
• 5.4.1 CuPd_(12)双金属簇与AC表面的作用72-74
• 5.4.2 Cu_2Pd_(11)双金属簇与AC表面的作用74-77
• 5.4.3 Cu_6Pd_7双金属簇与AC表面的作用77-80
• 5.4.4 Cu_nPd_(13-n)/AC(n＝1,2,6)双金属簇与AC表面的作用小结80-81
• 5.5 Hg~0在Cu_nPd_(13-n)/AC(n＝1,2,6)的吸附81-85
• 5.5.1 Hg~0在Cu_nPd_(13-n)/AC(n＝1,2,6)的吸附81-83
• 5.5.2 Hg~0与Cu_2Pd_(11)/AC作用过程中的电子结构分析83-85
• 5.5.3 Hg~0在Cu_nPd_(13-n)/AC(n＝1,2,6)的吸附小结85
• 5.6 本章小结85-87
• 第六章 总结与展望87-90
• 6.1 全文总结87-88
• 6.2 创新点88
• 6.3 本文研究工作的不足和建议88-90
• 参考文献90-105
• 致谢105-106
• 攻读硕士学位期间发表的论文106

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本文编号：350700