天然矿石吸附剂对燃煤烟气中汞脱除的实验与机理研究

摘要

汞是一种全球性的大气污染物，由于其具有剧毒性、挥发性、生物累积性和持久性的特点，近年来受到国内外研究学者的广泛关注。燃煤电厂是最大的人为汞排放源之一。吸附剂喷射被认为是最有应用前景的燃煤烟气单质汞控制技术，但是，现有汞吸附剂大多为人工合成或化学改性吸附剂，存在样品制备成本高、制备过程复杂等问题。天然矿石价格低廉、储量丰富，含有多种金属元素，是一种潜在的燃煤烟气汞吸附剂。因此，研究成本低廉的天然矿石吸附剂对燃煤烟气中单质汞的脱除能力具有重要的意义和价值。 本文选取了磁铁矿、钛铁矿、铜铁矿和锰矿4种天然矿石作为汞吸附剂，利用比表面积与孔径分析（BET）、X射线荧光光谱分析（XRF）和X射线衍射（XRD）对天然矿石的物理化学特性进行表征。采用固定床反应器在模拟烟气条件下研究4种矿石的脱汞性能，构建了天然矿石的表面模型，运用密度泛函理论方法计算Hg0的吸附能。将实验与计算结果相结合，筛选出性能优异的天然矿石吸附剂。结果表明，4种天然矿石脱汞效率由大到小的顺序为：锰矿＞铜铁矿＞钛铁矿＞磁铁矿，其中锰矿和铜铁矿的脱汞效率均在90%以上。铜铁矿和锰矿对Hg0的吸附能要优于磁铁矿和钛铁矿，表明具有较好的脱汞性能，这与实验筛选结果基本一致。 为了深入研究天然铜铁矿的单质汞脱除能力，进一步采用振动样品磁强计（VSM）和X射线光电子能谱分析（XPS）对铜铁矿的磁性和元素价态进行表征，系统研究了铜铁矿的脱汞性能、烟气组分影响、反应机理和循环再生性能。结果表明：在低温时天然铜铁矿吸附剂具有90%以上的脱汞效率，100℃时脱汞效率最佳，达到96.7%。O2和HCl促进汞的脱除，SO2和H2O对脱汞性能起到抑制作用，NO的促进作用随着NO浓度的增加而减弱。汞在铜铁矿表面的吸附方式主要是化学吸附，生成的汞形态主要以HgCl2和HgO的形式存在。10次吸附-循环再生实验过程中吸附剂的脱汞效率均在80%以上，再生后吸附剂的物理特性没有发生明显变化。 锰矿石具有比铜铁矿更高的脱汞效率，因此需要进一步系统研究锰矿石对Hg0的吸附能力、烟气组分影响和反应机理。结果表明，100-250℃温度范围内，锰矿石的脱汞效率均在90%以上，150℃为最佳反应温度，脱汞效率高达98.7%，高温下吸附剂仍然具有不错的脱汞效率。在100-300℃温度范围内，O2、NO和HCl对Hg0的脱除有不同程度的促进作用，SO2对Hg0脱除的抑制作用随着温度的升高呈现先减弱后增强的规律，150℃时吸附剂具有最佳的抗硫性能，向模拟烟气中加入5%的H2O，吸附剂的脱汞效率由98.7%下降到了75%左右。吸附剂在模拟烟气下吸附Hg0之后在其表面生成的汞形态为HgO、HgCl2、Hg(NO3)2和HgSO4。

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