可再生磁性载银纤维性能表征及其脱除烟气痕量Hg0的热力学与动力学分析

摘要

汞作为大气污染物之一，已经受到越来越高的重视。燃煤电厂是人为汞排放的主要来源之一，而燃煤烟气脱汞的重点则在于零价汞的脱除。活性炭喷射（ACI）是目前实际应用较为成熟的烟气脱汞技术,然而ACI脱汞成本较高。此外，对于销售燃煤过程产生的飞灰用于水泥生产制造业，碳含量（或其他化学物质添加）的增加会产生不利的影响。制备磁性的吸附剂，则脱汞过程之后，经磁分离即可将吸附剂从飞灰中分离并使飞灰不受污染。贵金属如金、银、钯、铂等可以与汞形成可逆的汞合金，如银，可以在高温下与汞结合形成银汞齐，并且银汞齐可于一定温度下分解释放汞，但金、钯、铂的成本较高，实用性不强。将贵金属以纳米颗粒的形式与载体结合增加可利用的贵金属表面积，可进行有效的传质过程。基于上述理论与研究方法，探寻与袋式除尘器滤料相结合的，以滤袋用过滤材料为载体的可再生磁性吸附剂。为了保护磁性粒子不被氧化或在酸性条件下腐蚀、溶解，将磁性粒子用化学性质稳定可靠的的二氧化硅外壳包覆。为此，本工作的主要方向为研究和开发新型的以滤袋用过滤材料为载体的贵金属负载型可再生磁性吸附剂，选取成本较金、钯、铂低的银作为负载的贵金属，用于脱除烟气中的零价汞。
　　首先选取了五种能够耐高温的无机滤料用纤维：聚四氟乙烯（polytetrafluoroethene，PTFE）纤维、玻璃纤维（glass fiber）、聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，PPS)纤维、芳纶(polysulfonamidefibre, PSA)和聚酰亚胺（polyimide，P84）纤维，并对五种不同的纤维进行盐酸浸渍预处理，以求能够达到更佳的负载效果。对五种不同的纤维的预处理过程前后进行了扫描电镜（SEM）表征分析，以观察纤维表面的形态变化。将实验制得的硅涂层的Fe3O4纳米粒子分别与五种不同的纤维通过粘结剂结合得到磁性纤维，随后对磁性纤维进行载银过程并添加有机改性剂3-MPTS（3-巯基丙基三甲氧基硅烷）得到磁性载银纤维。通过以下表征分析：比表面积（BET）分析、X射线（XRD）分析与傅里叶红外衰减全反射光谱（ATR-FTIR)法分析，来研究磁性载银纤维表面上官能团的种类，并且测定了五种不同磁性纤维的载银量，对Fe3O4粒子、SiO2涂层Fe3O4粒子（Fe3O4@SiO2）与磁性载银PTFE纤维三份样品进行磁特性分析，分析测试结果表明：三份样品均具有超顺磁性；有机改性剂能很好的负载到磁性纤维表面上；制备的磁性PTFE纤维的载银量最高。
　　本论文中进行的实验主要是在固定床实验装置上模拟烟气中气态零价汞(Hg0)的脱除，首先对系统进行稳定可靠性测试，其次研究了仅经过预处理过程的五种不同纤维对模拟烟气Hg0的吸附效果。在此基础上，又分别以这五种纤维为载体的磁性载银纤维作为吸附材料，研究了其对模拟烟气中Hg0的脱除效果，实验结果表明：五种吸附材料中磁性载银PTFE纤维Hg0脱除效果最高，可达76.5％。对于不同的操作条件：汞蒸气入口浓度对磁性载银PTFE纤维脱汞效果影响不大；不同吸附反应温度对磁性载银PTFE纤维脱汞效果影响很大。然后，实验研究了不同气体组分NO、SO2、HCl等对磁性载银PTFE纤维吸附模拟烟气中Hg0效果的影响，并分析了磁性载银PTFE纤维的磁分离回收率与其硅涂层Fe3O4含量的关系，结果表明：磁性载银PTFE纤维的磁分离回收率随着其硅涂层 Fe3O4含量的增加而提升，当硅涂层Fe3O4含量达到33%时，磁分离回收率高达91.62%；相对硅涂层Fe3O4含量为15%时的81.46%的磁分离回收率升高了10.16%。高的磁分离回收率对于快速高效且低成本处理燃煤烟气重金属汞污染具有重要实用价值。
　　优选脱汞效率最高的磁性载银PTFE纤维，在N2氛围下对其进行加热进行再生过程，实验研究了三种不同的加热再生温度:150℃、200℃、250℃对再生后的磁性载银PTFE纤维的吸附效果的影响，再生后的磁性载银PTFE纤维吸附效率逐渐降低，可循环使用次数为5次左右。最后本文通过动力学模型计算结合模拟烟气Hg0脱除实验实验对磁性载银PTFE纤维的脱汞过程进行了Langmuir吸附等温模型分析、动力学及热力学初步研究，并进行再生前后的吸附动力学分析，参数表明了准一级动力学模型比准二级动力学模型更加符合经过了5次吸附-再生循环过程后的脱汞过程。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 燃煤烟气汞排放污染及其危害

1.3 燃煤汞污染控制技术研究现状

1.4 可再生脱汞吸附剂的研究现状

1.5 滤袋用不同纤维的性能特点

1.6 磁性载体技术

1.7 主要研究内容及意义

第二章 磁性载银纤维的制备与表征方法

2.1 固体复合吸附剂的制备方法[64]

2.2 可再生磁性载银纤维的制备

2.3磁性载银纤维的表征方法

2.4 本章小结

第三章 磁性载银纤维的表征结果与吸附性能分析

3.1磁性载银纤维的含银量测定

3.2 扫描电子显微镜（SEM）分析结果

3.3 比表面积（BET）分析结果

3.4 FTIR-ATR分析结果

3.5 XRD分析结果

3.6 磁性能分析

3.7 本章小结

第四章 磁性载银纤维吸附Hg0及其再生性能的实验研究

4.1实验仪器及流程

4.2系统稳定性检测与穿透率定义

4.3 不同性能滤料用纤维对Hg0的脱除效果

4.4 不同磁性载银纤维脱除Hg0结果分析

4.5 操作条件对Hg0脱除性能影响的实验研究

4.6气体组分对Hg0脱除性能影响的实验研究

4.7 磁分离回收率的实验研究

4.8 磁性载银PTFE纤维吸附-再生循环效果的实验研究

4.9 本章小结

第五章 磁性载银纤维吸附-再生循环动力学及热力学分析

5.1 吸附等温模型

5.2 吸附热力学

5.3 吸附动力学

5.4 吸附等温模型与吸附热力学分析结果

5.5 再生过程前后的吸附动力学分析

5.6 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 后续研究工作及展望

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

致谢