纳米磁性陶瓷膜对燃煤烟气中零价汞的转化与去除机制研究

The elemental mercury ( Hg0 ) existing in coal-fired flue gas is a type of heavy metal pollutant in trace level with typical characteristics of persistent, easily migrated, bioaccumulated and bio-toxic. In order to reduce the harm of mercury pollution in coal-fired flue gas to the environment, some preliminary exploration has been carried out. The results showed that the ceramic membrane based catalysts doped with transition metals displayed efficient removal performance for Hg0 with low amount of oxidants through converting Hg0 into bivalent mercury ( Hg2+ ). However the easy desorption of the Hg2+ led to the secondary mercury pollution and the catalysts showed poor high temperature resistance as well. .On the other hand, the nano magnetic hematite doped with transition metals showed higher conversion efficiency of Hg0 under high temperature, but larger demands of oxidants may raise higher risk of secondary pollution..In this project, the nano ceramic membrane based magnetic materials will be synthesized by doping magnetic hematite and transition metals in order to improve the high temperature resistance of the ceramic membrane, and the removal system of Hg0 will be also established with the nano magnetic materials synthesized. .The project will focus on the conversion and removal mechanism of Hg0, the desorption of Hg2+ and the process of diffusion - released - activation of oxidants so as to remove Hg0 economically, effectively and safely in flue gas, and provide the important data and the theoretical reference for solving the coal-fired mercury pollution in China.

燃煤烟气中的零价汞（Hg0）是一种痕量级的重金属污染物，具有持久性、易迁移性、高度生物富集性和生物毒性等特性。为降低烟气中汞污染对环境的危害，课题前期探索后发现：掺杂过渡金属的陶瓷膜能在低氧化剂用量下，通过将Hg0转化为二价汞（Hg2+）实现对Hg0的高效去除，但存在Hg2+易脱附和二次汞污染问题，另外该法制备的陶瓷膜耐高温性较差。而掺杂过渡金属的纳米磁赤铁矿，能在高温下实现Hg0的高转化率，且转化后的Hg2+不易脱附。为此，课题拟借鉴纳米磁赤铁矿的特性，通过对陶瓷膜掺杂纳米磁赤铁矿与过渡金属，改善陶瓷膜的耐高温性能，形成以纳米磁赤铁矿和过渡金属为催化剂的纳米磁性陶瓷膜，同时建立纳米磁性陶瓷膜除汞新体系，课题重点研究Hg0转化与去除机理、Hg2+脱附以及氧化剂的扩散-释放-活化过程，旨在实现对Hg0的经济、高效、安全去除，并为解决我国燃煤汞污染问题提供重要的实验数据与理论借鉴。

课题针对传统的除汞技术，并在前期研究的基础上，以纳米陶瓷膜、磁性纳米材料等为基体材料，在项目期内完成了多种除汞材料的合成、制备及优化，并对材料的性能进行了表征与相应的分析。同时利用建立的除汞装置，对烟气中Hg0进行了系列的实验研究，并对实验结果进行了分析、表征、机理推测及再生性测试等。课题建立的除汞体系主要有：γ-Fe2O3-Mn/Al2O3、γ-Fe2O3-Ti/Al2O3、V2O5–WO3/TiO2、硫化的γ-Fe2O3和硫化的Fe-Ti尖晶石、Se掺杂的ZnSexSy等的Hg0除汞体系，以及以磁性氧化石墨烯MGO、PPy改性的磁性活性炭NiFe2O4@C/Ppy，以及具有核壳结构的PPy/CoFe2O4@SiO2和CoFe2O4@SiO2@mSiO2-NH2-SH的Hg2+除汞体系。在Hg0的除汞体系中，重点考察了Hg0在陶瓷膜上的吸附、转化以及Hg2+的脱附等性能，同时对HCl在陶瓷膜内部的扩散过程也进行了相应的分析。也对烟气中的其它组分如SO2、NO、NH3等的影响进行了分析研究。另外，为了能从烟气环境中彻底去除重金属汞，课题还对从除汞体系中溢出或逃逸的Hg2+，采用Hg2+除汞体系对其进行了去除研究。包括pH值、吸附剂投加量、温度、吸附时间等对Hg2+的去除进行了研究。同时采用各种模型进对Hg0和Hg2+的去除进行了动力学、等温吸附、热力学等的拟合，采用XPS、TPD、FTIR等技术，进行了除汞的机理分析。结果显示，课题建立的以纳米磁性材料为催化/吸附材料，以氯化氢HCl为氧化剂前驱体的“Hg0催化氧化-氧化剂释放与活化-Hg2+吸附”三者为一体的新型除汞体系，不但实现了对Hg0的高效转化和对逃逸Hg2+的最终截留，还有效避免了高温下由于Hg2+脱附造成的二次汞污染问题，实现了对烟气中汞的有效防治。