改性活性炭脱除燃煤烟气中单质汞的研究

发布时间：2017-10-22 19:08

  本文关键词：改性活性炭脱除燃煤烟气中单质汞的研究

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【摘要】：我国大气污染现状日益严峻,汞由于具有持久性、易迁移性和生物富集性等点,已成为继燃煤烟气颗粒物、SO2和NOx优先控制的全球性污染物。燃煤烟气的汞是最主要的人为源之一,其中,单质汞(Hg0)是最难脱除的汞形态,成为目大气汞污染控制研究的重点。活性炭具有较高的比表面积和丰富的孔道结构,已应于实际工业烟气汞治理。活性炭成本略高,会限制其广泛应用,故需寻找合适的改方法,制备出高脱汞性能的活性炭,以降低活性炭的用量从而降低其使用成本。本文首先对12种商用活性炭的脱汞性能进行评价,通过对其进行表征,阐明了脱汞性能差异的原因。采用硝酸浸渍法对活性炭进行改性,强化自身含氧、含氮官团,并建立了硝酸改性活性炭理化性质与脱汞性能的构效关系,结合TPD表征手,揭示了活性炭材料在不同烟气条件下的反应机理。以Mn、Fe、Co、Ce、Cu等渡金属的氧化物为活性组分,采用等体积浸渍法制各一系列改性活性炭材料,并进步考察了反应温度、活性物种负载量和烟气组分等对炭基催化材料脱汞性能的影,通过分析脱汞产物的种类,初步推测其脱汞反应的机理。取得的主要研究成果如下：(1)考察了硝酸浸渍改性活性炭的脱汞性能,阐明了改性活性炭的理化性质和汞性能之间的构效关系。活性炭表面的羰基、酯基或者酸酐官能团可提高活性炭对的吸附能力,吡咯官能团对脱汞有催化作用。(2)考察了烟气组分对硝酸改性活性炭脱汞的影响,阐明了单组分烟气HCl、 O2、NO气氛下,硝酸改性活性炭的脱汞机制,并在多组分酸性气体共存时,比较烟气组分在活性炭上的吸附产物与汞的结合能力。物理吸附态的S02与Hg0的竞争乏附作用会抑制活性炭的脱汞性能,而化学吸附态的硫酸盐物种则有利于活性炭脱NO和HCl均可在材料表面生成新的活性物种,对Hg0的脱除起到促进作用。此S02可抑制NO在材料表面生成活性物种,进而导致活性炭脱汞性能降低。汞与性气体在活性炭上的吸附产物的结合能力应遵循如下顺序：C1- S- N-。(3)研究了金属氧化物改性活性炭的脱汞性能,筛选了最佳脱汞性能的过渡金改性活性炭材料。Mn/AC的活性最高,最佳负载量为10%, Mn/AC上的Mn3O4微晶含量越高、比表面积越大越有利于汞的脱除。(4)考察了烟气组分对Mn/AC脱汞性能的影响,探讨了不同烟气共存气氛下的脱汞机理。O2可将Hg0氧化为HgO从而促进汞的脱除。SO2可破坏材料表面的离子空穴而抑制汞的脱除。NO吸附在材料表面生成氧化性活性物种NO2和NO3-促进汞的脱除。HCl在材料表面吸附生成活性Cl原子,进而将Hg0氧化成HgCl2。H20蒸气会抑制气相O2再生材料上品格氧或化学吸附氧,进而导致材料的脱汞性能下降。
【关键词】：汞 活性炭 硝酸 锰 反应机理
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X701;TQ424.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 绪论13-37
• 1.1 研究背景13-22
• 1.1.1 汞及其化合物的性质及危害14
• 1.1.2 汞污染来源14-16
• 1.1.3 汞污染全球分布16-18
• 1.1.4 中国汞污染现状18-21
• 1.1.5 燃煤烟气汞排放特征21-22
• 1.2 燃煤烟气汞污染控制技术研究现状22-28
• 1.2.1 燃烧前脱汞23
• 1.2.2 燃烧中脱汞23
• 1.2.3 燃烧后脱汞23-28
• 1.3 改性活性炭脱汞的研究现状28-30
• 1.3.1 卤素改性活性炭28-29
• 1.3.2 非卤素改性活性炭29-30
• 1.4 活性炭上零价汞的氧化机理30-32
• 1.5 选题意义及思路、研究内容32-37
• 1.5.1 选题意义32-33
• 1.5.2 研究思路33-34
• 1.5.3 研究内容34-37
• 2 实验系统及活性炭的筛选37-53
• 2.1 引言37
• 2.2 实验试剂及设备37-38
• 2.2.1 实验试剂37-38
• 2.2.2 实验设备及仪器38
• 2.3 脱汞性能评价装置38-44
• 2.3.1 实验平台38-42
• 2.3.2 脱汞性能评价42
• 2.3.3 稳定性测试42-44
• 2.4 活性炭选取及改性活性炭的制备方法44-45
• 2.4.1 实验用活性炭44
• 2.4.2 改性活性炭的制备方法44-45
• 2.4.2.1 硝酸改性活性炭制备44
• 2.4.2.2 金属氧化物改性活性炭制备44-45
• 2.5 活性炭表征方法45-47
• 2.5.1 物理结构及表面形貌表征45
• 2.5.2 表面化学性质表征45-47
• 2.6 不同活性炭脱汞性能评价47-48
• 2.7 样品表征结果及讨论48-52
• 2.7.1 比表面积和孔结构48-49
• 2.7.2 表面官能团49
• 2.7.3 元素种类49-52
• 2.7.3.1 EDX表征49-50
• 2.7.3.2 程序升温脱附实验50-51
• 2.7.3.3 XPS表征51-52
• 2.8 小结52-53
• 3 硝酸改性活性炭脱汞性能研究53-67
• 3.1 引言53-54
• 3.2 硝酸改性活性炭的脱汞性能评价54-55
• 3.3 硝酸改性活性炭理化性质及构效关系55-59
• 3.3.1 表面形貌55
• 3.3.2 比表面积及孔容55-56
• 3.3.3 微观结构56-57
• 3.3.4 表面元素含量57-58
• 3.3.5 表面官能团58-59
• 3.4 硝酸改性活性炭脱汞机理59-64
• 3.4.1 产物分析59-61
• 3.4.2 表面官能团分析61-64
• 3.4.3 机理推测64
• 3.5 小结64-67
• 4 烟气组分对硝酸改性活性炭脱汞的影响及机理探讨67-85
• 4.1 引言67
• 4.2 烟气组分对硝酸改性活性炭脱汞性能的影响67-81
• 4.2.1 SO_2对脱汞性能的影响67-70
• 4.2.2 NO对脱汞性能的影响70-71
• 4.2.3 HCl对脱汞性能的影响71-74
• 4.2.4 NO与HCl共存对脱汞性能的影响74-76
• 4.2.5 SO_2与HCl共存对脱汞性能的影响76-77
• 4.2.6 SO_2与NO共存对脱汞性能的影响77-79
• 4.2.7 复杂烟气组分下脱汞性能79-81
• 4.3 复杂烟气组分下反应机理分析81-84
• 4.4 小结84-85
• 5 金属氧化物改性活性炭脱汞实验研究85-111
• 5.1 引言85-86
• 5.2 活性炭筛选86
• 5.3 制备方法筛选86-87
• 5.4 活性组分筛选87-88
• 5.5 Mn/AC脱汞性能的影响因素88-107
• 5.5.1 负载量对Mn/AC脱汞性能的影响88-94
• 5.5.2 温度对Mn/AC脱汞性能的影响94-95
• 5.5.3 烟气组分对Mn/AC脱汞性能的影响95-107
• 5.5.3.1 O_2对Mn/AC脱汞性能的影响95-96
• 5.5.3.2 SO_2对Mn/AC脱汞性能的影响96-99
• 5.5.3.3 NO对Mn/AC脱汞性能的影响99-102
• 5.5.3.4 HCl对Mn/AC脱汞性能的影响102
• 5.5.3.5 H_2O对Mn/AC脱汞性能的影响102-105
• 5.5.3.6 反应机理分析105-107
• 5.6 Mn/AC稳定性试验107-108
• 5.7 小结108-111
• 6 结论与展望111-115
• 6.1 主要研究结论111-112
• 6.2 本论文主要创新点112
• 6.3 展望112-115
• 符号表115-117
• 参考文献117-125
• 个人简历及发表文章目录125-127
• 致谢127

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本文编号：1079679