铈基氧化物脱除煤气中H2S和Hg0的理论研究

摘要

煤的热解和气化是煤炭洁净利用的主要技术。H2S和Hg是热解和气化煤气中两种重要的污染物，对环境和后续煤化工过程都会产生不良的影响。因此，脱除煤气中的硫化氢以及减少汞的排放是实现煤炭洁净高效利用的重要问题之一。
　　氧化铈具有良好的脱硫性能和催化氧化Hg0的能力，通过对氧化铈脱硫和脱汞机理进行深入研究，可以为改性氧化铈高效脱硫脱汞提供基本的理论线索。本文采用量子化学密度泛函理论(DFT)计算方法，系统地阐明了氧化铈脱硫剂脱除H2S的反应机理;探讨了含Cl物种在氧化铈表面催化氧化脱除Hg0的反应机理;通过构建第二金属掺杂的氧化铈模型，探讨了掺杂助剂对氧化铈氧化脱除Hg0以及对Hg0和H2S共脱除的影响。得到的主要结论如下:
　　H2S与氧化铈的作用机理表明:H2S在表面为部分解离吸附;H2S与完美表面作用生成SO2、H2和H2O的三条路径中，SO2的生成是最有利的反应路径;在还原型表面，无论是脱氢过程，还是生成H2和H2O的反应过程，H2S中的S原子填充于表面O空缺形成了硫化表面。
　　氧化铈的脱硫过程主要包括两个步骤:首先表面产生O空缺，形成还原型表面;其次，S被表面O空缺捕获，形成CeOS物种，达到脱硫的目的。将氧化铈在还原性气氛下预先还原，使表面产生更多的O空缺，是提高氧化铈脱硫效率的关键。
　　含Cl物种有利于氧化铈催化氧化脱除Hg0:从动力学角度分析，Cl2在表面先解离后氧化与直接氧化Hg0为HgCl2的反应路径是相互竞争的;HCl在表面自发解离放出的热量高于氧化Hg0所需克服的反应能垒;表面吸附Cl能够自发地氧化Hg0为HgCl2;含Cl物种氧化Hg0的过程属于Eley-Rideal机理。
　　表面O空缺不利于含Cl物种氧化Hg0:HgCl和HgCl2在含O空缺的氧化铈表面主要发生解离吸附;将氧化铈在氧化性气氛下预先氧化，有利于提高含Cl物种氧化Hg0的效率。
　　表面掺杂有利于氧化铈表面活性O氧化脱除Hg0:在完美表面，Hg0为弱物理吸附，表面吸附O的覆盖度对Hg0的吸附没有影响;通过表面掺杂Mn/Fe，进一步提高了表面O的活性，Hg0为强的化学吸附，并形成HgO或者Hg-Mn(Hg-Fe)物种;表面活性O和吸附O均可氧化Hg0生成HgO，同时表面在O2气氛下可再生循环利用。
　　表面掺杂有利于氧化铈共脱除H2S和Hg0:HgS在完美表面主要以解离吸附形态存在;表面掺杂Mn/Fe，促进了H2S在表面的吸附和解离，H2S解离产生的S可以氧化Hg0生成HgS，达到H2S和Hg0共脱除的目的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 煤气中H2S的脱除方法

1．1．1 湿法脱硫

1．1．2 干法脱硫

1．2 煤气中Hg的脱除方法

1．2．1 吸附剂脱汞

1．2．2 催化氧化脱汞

1．3 铈基氧化物脱除H2S和Hg0的实验研究现状

1．3．1 脱除H2S的实验研究

1．3．2 脱除Hg0的实验研究

1．3．3 共脱除H2S和Hg0的实验研究

1．4 量子化学计算方法在脱除H2S和Hg0的研究现状

1．4．1 脱除H2S的理论研究

1．4．2 脱除Hg0的理论研究

1．4．3 共脱除H2S和Hg0的理论研究

1．5 选题思路及研究目的

1．5．1 选题思路

1．5．2 研究目的

1．6 研究内容

参考文献

第二章 理论基础

2．1 密度泛函理论

2．1．1 Thomas-Fermi理论

2．1．2 Hogenberg-Kohn理论

2．1．3 Kohn-Sham方程

2．2 交换关联势

2．2．1 LDA泛函

2．2．2 GGA泛函

2．3 过渡态理论

2．4 VASP软件包

参考文献

第三章 氧化铈脱除H2S的反应机理

3．1 引言

3．2 计算模型及方法

3．2．1 计算模型

3．2．2 计算方法

3．3 H2S、SH、S和H在CeO2(110)表面的吸附

3．3．1 H2S的吸附

3．3．2 SH的吸附

3．3．3 S和H原子的吸附

3．4 H2S与CeO2(110)表面的反应机理

3．5 H2S、SH、S和H在还原型CeO2-x(110)表面的吸附

3．5．1 H2S的吸附

3．5．2 SH的吸附

3．5．3 S和H原子的吸附

3．6 H2S与CeO2-x(110)表面的反应机理

3．7 氧化铈脱硫过程的动力学分析

3．8 氧化铈脱硫剂与其他脱硫剂的区别

3．9 本章小结

参考文献

第四章 含Cl物种在氧化铈表面催化氧化Hg0的反应机理

4．1 引言

4．2 模型构建及计算方法

4．2．1 模型构建

4．2．2 计算方法

4．3 含Hg物种在CeO2(111)表面的吸附

4．3．1 Hg0的吸附

4．3．2 HgCl的吸附

4．3．3 HgCl2的吸附

4．4 含Cl物种在CeO2(111)表面的吸附

4．4．1 Cl原子的吸附

4．4．2 HCl的吸附

4．4．3 Cl2的吸附

4．5 含Cl物种催化氧化Hg0的反应机理

4．5．1 Cl2催化氧化Hg0的反应机理

4．5．2 HCl催化氧化Hg0的反应机理

4．5．3 Cl／Cl2／HCl催化氧化Hg0的比较

4．6 Hg物种在还原型CeO2-x(111)表面的吸附

4．6．1 Hg0的吸附

4．6．2 HgCl的吸附

4．6．3 HgCl2的吸附

4．7 本章小结

参考文献

第五章 金属掺杂改性对氧化铈表面活性O脱除Hg0的影响

5．1 引言

5．2 模型构建及计算方法

5．2．1 模型构建

5．2．2 计算方法

5．3 Hg0在CeO2(111)表面的吸附及氧化

5．3．1 Hg0在不同O覆盖度表面的吸附

5．3．2 HgO在CeO2(111)及CeO2-x(111)表面的吸附

5．3．3 Hg0在表面的氧化机理

5．4 Hg0在Mn／Fe掺杂改性表面的吸附

5．4．1 Hg0在Mn掺杂表面的吸附

5．4．2 Hg0在Fe掺杂表面的吸附

5．4．3 Mn／Fe掺杂对Hg0吸附的影晌

5．5 HgO在Mn／Fe掺杂改性表面的吸附

5．5．1 HgO在MnCe及vMnCe表面的吸附

5．5．2 HgO在FeCe及vFeCe表面的吸附

5．5 Hg0在MnCe表面的循环氧化机理

5．6 本章小结

参考文献

第六章 金属掺杂改性对氧化铈共脱除H2S和Hg0的影响

6．1 引言

6．2 模型构建及计算方法

6．2．1 模型构建

6．2．2 计算方法

6．3 HgS在CeO2(111)表面的吸附

6．4 H2S在Mn／Fe掺杂改性表面的吸附

6．4．1 H2S在MnCe表面的吸附

6．4．2 H2S在FeCe表面的吸附

6．4．3 表面掺杂改性对H2S吸附的影响

6．5 HgS在Mn／Fe掺杂改性表面的吸附

6．5．1 HgS在MnCe表面的吸附

6．5．2 HgS在FeCe表面的吸附

6．5．3 表面掺杂改性对HgS吸附的影响

6．6 H2S和Hg0在MnCe表面的共脱除机理

6．7 本章小结

参考文献

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 创新点

7．3 本文研究工作的不足和建议

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文