【摘要】：燃煤電站產(chǎn)生的汞污染在環(huán)境中具有高毒性和持久性,時(shí)刻威脅著人類生命健康,已經(jīng)引起全球的高度重視。目前常用的處理方法是在煙氣中噴入活性炭作為脫除痕量Hg~0吸附劑。相比于高成本的活性炭而言,尋找高效廉價(jià)且可再生的吸附劑來(lái)替代具有重要的意義。本文利用谷殼氣化發(fā)電廠廢棄的副產(chǎn)物稻殼焦做為脫汞吸附劑,通過(guò)切實(shí)可行的改性方法提高其脫除Hg~0的效率,既節(jié)約能源、降低成本,又可以減少對(duì)環(huán)境的污染。為深入探究改性稻殼焦脫除煙氣中痕量Hg~0的影響因素,基于固定床實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)稻殼焦與活性炭改性前后吸附煙氣痕量Hg~0性能進(jìn)行了對(duì)比分析,同時(shí)研究了鹵素種類及鹵素濃度對(duì)改性稻殼焦吸附痕量Hg~0性能的影響。并通過(guò)比表面積及孔隙結(jié)構(gòu)分析(BET)和傅里葉紅外光譜(FTIR)等表征技術(shù),確定稻殼焦改性前后的物化特性,如稻殼焦微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、含氧官能團(tuán)情況、鹵素原子的負(fù)載形式和Hg~0可能的氧化產(chǎn)物等相關(guān)結(jié)論,從而分析產(chǎn)生脫除Hg~0性能差異的原因。結(jié)果表明,稻殼焦脫除Hg~0性能總體上比活性炭低很多,其結(jié)果正印證了活性炭吸附劑在孔結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì),此時(shí)以物理吸附為主;而在負(fù)載鹵素后,稻殼焦和活性炭脫除Hg~0性能均大大提升,表明負(fù)載鹵素之后的碳基吸附劑以化學(xué)吸附為主;三種不同鹵素改性稻殼焦的脫除Hg~0性能依次為:氯改性稻殼焦(RHCCl-3)溴改性稻殼焦(RHCBr-3)碘改性稻殼焦(RHCI-3);且隨著鹵素濃度的提高,改性稻殼焦吸附劑脫除Hg~0性能越好。為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論,嘗試通過(guò)Gaussian軟件建立相關(guān)構(gòu)型進(jìn)行模擬計(jì)算,從微觀角度研究不飽和活性位、含氧官能團(tuán)、鹵素種類、鹵素濃度多種因素的影響作用,從而系統(tǒng)性地揭示改性稻殼焦與Hg~0發(fā)生作用的微觀機(jī)理。首先,研究不飽和活性位對(duì)稻殼焦構(gòu)型吸附Hg~0的影響。在量子化學(xué)密度泛函理論(DFT)中B3LYP方法及設(shè)置6-31G(d)-D3/Lanl2dz混合基組的基礎(chǔ)上,建立并優(yōu)化稻殼焦構(gòu)型及活性炭構(gòu)型,探索與對(duì)比不飽和活性位影響兩者構(gòu)型上吸附Hg~0的微觀過(guò)程,計(jì)算表明稻殼焦構(gòu)型和活性炭構(gòu)型上Hg~0吸附反應(yīng)為物理吸附過(guò)程,且活性炭的吸附能較稻殼焦大,驗(yàn)證了活性炭脫除Hg~0性能較強(qiáng)的原因。其次,研究含氧官能團(tuán)對(duì)稻殼焦構(gòu)型吸附Hg~0的影響。計(jì)算在稻殼焦構(gòu)型中嵌入不同含氧官能團(tuán)后與Hg~0發(fā)生初步吸附反應(yīng)的吸附能,結(jié)果表明影響順序依次為:羰基羥基羧基呋喃;同時(shí),以氧化性最強(qiáng)的羰基為例從化學(xué)吸附的角度出發(fā),反應(yīng)生成氧化物的活化能很大,表明HgO將不會(huì)是稻殼焦脫除痕量Hg~0后的主要產(chǎn)物,即含氧官能團(tuán)對(duì)稻殼焦的影響上化學(xué)吸附并不占主要位置。再次,研究鹵素種類對(duì)改性稻殼焦含氧官能團(tuán)構(gòu)型吸附Hg~0的影響。基于稻殼焦含氧官能團(tuán)分子構(gòu)型,研究了在構(gòu)型中負(fù)載不同鹵素時(shí)對(duì)Hg~0的反應(yīng)路徑,計(jì)算吸附能、活化能的結(jié)果表明,改性稻殼焦生成HgX(X=Cl、Br、I)所需活化能依次為:RHC-ClRHC-BrRHC-I,即相同條件下生成HgCl最難而生成HgI最容易,這也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致;吸附能依次為:RHC-ClRHC-BrRHC-I,即反應(yīng)最容易生成HgI但相對(duì)更容易分解,最難生成HgCl但是相對(duì)更穩(wěn)定;而稻殼焦含氧官能團(tuán)構(gòu)型(RHC-4)生成的產(chǎn)物HgCl的吸附能略大于稻殼焦表面構(gòu)型(RHC-5),表明含氧官能團(tuán)在一定程度提高了稻殼焦的脫除Hg~0性能。最后,研究鹵素濃度對(duì)改性稻殼焦含氧官能團(tuán)構(gòu)型吸附Hg~0的影響。在明確改性稻殼焦上生成HgCl和HgCl_2的反應(yīng)路徑后,結(jié)果表明生成HgCl_2所需的活化能比生成HgCl要大很多,即生成HgCl更容易而生成HgCl_2會(huì)難很多,故氯改性稻殼焦吸附Hg~0后形成的氧化物以HgCl為主;另外,通過(guò)吸附能和mayer鍵級(jí)對(duì)比可知,稻殼焦上負(fù)載鹵素既可以增強(qiáng)初步物理吸附,還可以進(jìn)一步將Hg~0氧化而轉(zhuǎn)化為化學(xué)吸附;且負(fù)載更多的鹵素還可以促進(jìn)Hg~0的化學(xué)吸附,即驗(yàn)證了鹵素濃度增加能促進(jìn)改性稻殼焦對(duì)痕量Hg~0的吸附。
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：X773
【圖文】：

燃煤汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化流程圖

中國(guó)各省人為源排放汞量分布圖

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2737363