改性生物质焦气态单质汞吸附性能及吸附动力学研究

摘要

燃煤烟气汞排放控制得到了世界各国研究者的广泛关注。活性炭喷射技术是极具发展前景的燃煤烟气汞控制技术之一。研究和开发低成本、高效率的汞吸附剂是该技术成功应用的关键内容之一。由于生物质具有储量丰富、来源广泛、低硫氮、高灰焦活性、零CO2净排放等特性，因此，开展生物质碳基吸附剂制备及其对烟气中汞吸附性能与动力学的研究具有重要的学术意义和工程应用价值。 以花生壳(PS)、玉米秸秆(CS)、麦秆(WS)和木屑(WC)等4种生物质为原料，采用固定床热解、溶液浸渍和蒸气活化等方法，分别制备了生物质热解焦、浸渍焦、蒸气活化焦和全改性焦，并采用扫描电镜(SEM-EDS)、比表面积及孔隙结构分析、电感耦合等离子体原子发射光谱分析(ICP-AES)以及傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)等分析方法对不同种类的生物质焦进行了分析与表征，明确了制备改性条件对生物质焦理化结构的影响以及碱（土）金属与氯元素释放规律。结果表明:(1)873K热解温度下制得的热解焦具有最佳的孔隙结构和表面化学结构。(2)热解过程中，对不同种类生物质而言，Na元素最易释放，其次为K元素，Ca和Mg较难释放。热解过程中，花生壳中氯释放率最低，木屑中氯释放率最高。(3)卤化钾溶液浸渍改性对热解焦孔隙结构的影响不大，但能够显著增加浸渍改性焦的表面含氧官能团数量和卤素元素(Cl、Br和I)含量。(4)蒸气活化可以显著改善浸渍改性生物质焦的比表面积和微孔率，但也会显著降低浸渍焦表面的卤族元素(Cl、Br和I)含量。 在固定床吸附实验台上，研究了生物质种类、吸附温度、空塔速度、热解温度、改性试剂种类与浓度、蒸气活化等对气态单质汞(Hg0)吸附性能的影响。结果表明:(1)就四种生物质热解焦而言，汞吸附性能从好到差依次为花生壳焦、玉米秸秆焦、麦秆焦、木屑焦。(2)随着吸附温度升高，单位质量生物质焦汞吸附量呈现先下降后上升的趋势。(3)随着空速的降低，单位质量生物质焦汞吸附量有所增加。(4)热解温度为873 K时所得生物质热解焦的汞吸附效果最好。(5)经卤化钾盐溶液浸渍改性后的浸渍焦对Hg0的吸附速率以及累积汞吸附量均明显提高，并且改性效果由强到弱的改性试剂依次为KI、KBr、KCl。(6)蒸气活化能够进一步提高浸渍焦对Hg0的吸附能力，但提高效果不太显著;就同一种生物质而言，对Hg0的吸附能力由强到弱依次为全改性焦、浸渍改性焦、蒸气活化焦和热解焦。 基于准一级动力学、准二级动力学、颗粒内扩散和Elovich动力学模型，分别对不同种类的生物质焦汞吸附量曲线实验数据进行拟合，获得了相应的动力学参数。结果表明，除了颗粒内扩散模型外，其余3种模型均能很好的拟合不同种类生物质焦的汞吸附过程。生物质基吸附剂吸附气态单质汞的过程由外部传质、孔道扩散和表面化学吸附多种动力学机制共同决定。热解焦、蒸气活化焦和全改性焦的控制过程是表面化学吸附，浸渍焦的表面化学吸附和外部传质的影响相当。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 我国能源利用现状

1．1．2 燃煤烟气汞污染现状

1．1．3 生物质利用技术现状

1．2 燃煤汞污染形成机理与控制技术的研究现状

1．2．1 燃煤汞污染的形成机理

1．2．2 燃烧前脱汞技术

1．2．3 常规污染物控制设备对汞的脱除

1．2．4 固体吸附剂汞脱除技术

1．3 生物质基吸附剂汞吸附性能的研究现状

1．3．1 吸附剂理化特性的影响

1．3．2 吸附条件的影响

1．4 吸附动力学模型研究综述

1．5 本文的研究目标和研究内容

1．5．1 研究目标

1．5．2 研究内容

1．6 本章小结

第2章 实验装置与方法

2．1 生物质热解焦的制备

2．1．1 实验装置

2．1．2 实验方法与步骤

2．2 浸渍生物质焦的制备

2．2．1 实验试剂及仪器

2．2．1 实验方法与步骤

2．3 水蒸气活化生物质焦的制备

2．3．1 实验装置

2．3．2 实验方法与步骤

2．4 固定床汞吸附实验系统与方法

2．4．1 实验装置

2．4．2 实验方法与步骤

2．5 主要测试仪器及方法

2．5．1 汞分析仪

2．5．2 热重分析仪

2．5．3 比表面积及孔隙度分析仪

2．5．4 扫描电镜与能谱分析仪(SEM-EDS)

2．5．5 傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)

2．5．6 电感耦合等离子体原子发射光谱分析仪(ICP-AES)

2．5．7 数字式离子计

2．6 汞吸附性能评价方法

2．7 本章小结

第3章 生物质与生物质焦的分析与表征

3．1 生物质焦的命名规则

3．2 生物质原料的分析

3．2．1 工业分析和元素分析

3．2．2 热重分析

3．2．3 比表面积及孔隙结构分析

3．2．4 扫描电镜(SEM)分析

3．3 生物质热解焦的特性分析

3．3．1 得焦军分析

3．3．2 碱(土)金属和氯元素的释放特性

3．3．3 比表面积及孔隙结构分析

3．3．4 扫描电镜(SEM)分析

3．3．5 红外光谱(FTIR)分析

3．4 浸渍生物质焦的特性分析

3．4．1 比表面积及孔隙结构分析

3．4．2 扫描电镜分析与能谱(SEM-EDS)分析

3．4．3 红外光谱(FTIR)分析

3．5 蒸气活化焦和全改性焦的特性分析

3．5．1 比表面积及孔隙结构分析

3．5．2 扫描电镜分析与能谱(SEM-EDS)分析

3．5．3 红外光谱(FTIR)分析

3．6 本章小结

第4章 生物质基吸附剂汞吸附性能的实验研究

4．1 引言

4．2 实验条件

4．3 空白实验

4．4 实验结果与分析

4．4．1 吸附温度的影响

4．4．2 空速的影响

4．4．3 生物质种类的影响

4．4．4 热解温度的影响

4．4．5 卤化钾溶液浸渍改性的影响

4．4．6 卤化钾溶液浓度的影晌

4．4．7 水蒸气活化及全改性的影响

4．5 本章小结

第5章 生物质焦吸附气态单质汞(Hg0)的动力学研究

5．1 引言

5．2 不同吸附动力学模型的拟合结果与分析

5．2．1 生物质热解焦汞吸附过程的动力学拟合

5．2．2 浸渍改性焦汞吸附过程的动力学拟合

5．2．3 蒸气活化焦和全改性焦汞吸附过程的动力学拟合

5．3 本章小结

第6章 全文总结与建议

6．1 全文总结

6．2 建议

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢