高比表面积生物质焦的制备及吸附单质汞特性研究

摘要

燃煤电站汞排放是主要的人为汞排放来源，其减排技术是继SO2和NO控制排放后的又一研究热点。活性炭喷射技术是当前较为成熟的脱汞技术，但因为其脱汞效率低，吸附剂用量大，成本较高，因此，研究和开发脱汞效率高，成本低的脱汞吸附剂是该技术能够实际应用的关键点。生物质资源来源广泛，成本低廉，其所含的主要成分为碳，是一种具有较大潜力的脱汞吸附剂原材料。
　　选用核桃壳、麦秆、玉米秆和玉米芯四种生物质为原料，利用生物质热解活化试验台，分别制备了生物质热解焦、KOH活化焦、卤素浸渍改性焦。通过固定床单质汞吸附试验台以及比表面积分析仪、扫描电镜（SEM）、傅里叶红外光谱分析仪（FTIR）、X射线衍射分析仪（XRD）等手段来研究所制备生物质焦的孔隙结构、内部官能团以及单质汞吸附特性等内容。
　　通过分析表征数据可以得出：（1）生物质热解焦比表面积较小，活化后焦样的比表面积大幅提升，且随着活化温度、活化时间、碱炭比的增大，活化焦的比表面积先增大后减小，最佳的制备条件为活化温度800℃，活化时间60min，碱炭比3:1。卤素改性后会使活化焦的比表面积减小。（2）SEM结果显示：活化后生物质焦的表面更为平整，卤素浸渍改性并没有破坏其表面结构。（3）生物质焦中含有来自羧基和酚羟基的O-H官能团、C=C官能团，以及来自內酯基的C-O-C官能团，同时还可能存在 C-N官能团。卤素改性后的活化焦官能团的含量有所增加。（4）XRD结果显示，活化后，生物质焦中的无规则石墨微晶逐步规则化，并有部分转为氧化石墨。而卤素改性后活化焦样内部结构被重新打破，降低石墨化程度。
　　固定床脱汞实验结果显示：（1）随吸附温度和入口汞浓度的升高，活化焦的脱汞效率逐渐减小。（2）生物质热解焦脱汞吸附容量较小，最大仅为5.42μg/g。KOH活化后活化焦脱汞效果明显改善，以最佳制备条件制备的生物质活化焦一小时的汞吸附容量最大达109.34μg/g，脱汞容量大小依次为麦秆活化焦〉玉米秆活化焦〉核桃壳活化焦〉玉米芯活化焦。生物质中所含灰分中的一些金属元素以及残留的钾可能会对脱汞起到催化作用。（3）采用卤素改性后活化焦的脱汞效果进一步提升，改性剂效果优劣为NH4Br>KBr>KCl。经NH4Br改性后活化焦两小时汞吸附容量最大可达235.28μg/g。（4）程序升温脱附实验显示活化焦的汞脱附温度在180~700℃之间，主要为化学吸附。其中，核桃壳活化焦汞吸附位点可能是內酯基，麦秆和玉米芯活化焦的汞吸附位点可能是羰基。经 NH4Br改性后，溴元素与焦样中不同位置的C原子结合并吸附汞，脱附温度升高。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 燃煤脱汞技术的现状分析

1.3 生物质焦的脱汞研究现状

1.4 碳基材料制备方法

1.5 KOH活化法制备碳基活性材料

1.6 本文研究意义及研究内容

1.7 本章小结

第2章 实验装置及制备方法

2.1 实验原料及设备

2.2 高比表面生物质焦的制备

2.3 固定床单质汞吸附实验系统及方法

2.4 主要表征方法介绍

2.5 本章小结

第3章 生物质焦的表征与分析

3.1 生物质热解焦的表征分析

3.2 生物质活化焦及改性焦的表征分析

3.3 本章小结

第4章 不同实验条件对脱汞性能的影响

4.1 不同制备条件对脱汞性能的影响

4.2 不同吸附条件对脱汞性能的影响

4.3 本章小结

第5章 不同生物质焦脱汞性能研究

5.1 不同生物质热解焦脱汞性能

5.2 不同生物质活化焦脱汞性能

5.3 不同生物质改性焦脱汞性能

5.4 程序升温脱附 (TPD)

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢