液相碘循环吸收体系协同除汞脱硫机理研究

Non-ferrous metal smelting industry is growing more contribution to the atmospheric mercury pollution in recent years. It is significant to further control this part of mercury to meet the requirement of Minamata Convention on Mercury. The main traditional technologies were limited for usage due to the high concentration of sulfur dioxide in the flue gas, which led to the lower elemental mercury removal efficiency. Herein, this study gives a co-benefit method for desulfurization and mercury removal by using a liquid iodine cycle absorption system. The system aims at eliminating the ill effects of the high concentration of sulfur dioxide, and recycling and reusing the resource of iodine, mercury and sulfur. During the study of the co-benefit desulfurization and elemental mercury removal, the removal mechanism of elemental mercury in the absorption system will be revealed. The competitive mechanism of absorption between sulfur dioxide and elemental mercury will be illuminated by the study of Density Functional Theory (DFT) computation on the reaction kinetics and thermodynamics. The co-benefit removal conditions and parameters for sulfur dioxide and elemental mercury will be optimized. The novel co-benefit absorption system may provide theoretical basis and scientific guidance for mercury control and resources reclamation from non-ferrous metal smelting flue gas.

近年来有色金属冶炼行业对大气汞污染的贡献广受关注，加强对有色金属冶炼烟气汞排放的综合控制直接关系着我国履行国际《水俣公约》的成效。然而目前应用的汞吸收技术因有色冶炼烟气中高浓度二氧化硫的影响，导致汞去除率不高或有用组分难以回收利用。为此，本课题提出利用液相碘循环吸收的方法对有色金属冶炼烟气中的元素汞和二氧化硫进行协同去除，既可以消除现有吸收除汞技术中高浓度二氧化硫的干扰影响，又可实现碘资源的循环利用，并回收汞资源、硫资源。通过研究液相碘对烟气元素汞和二氧化硫的协同吸收去除行为，揭示元素汞在液相碘循环吸收体系中的去除机制，结合密度泛函理论计算从反应动力学和热力学方面阐明二氧化硫与元素汞的吸收去除在该体系中对碘的竞争机制，优化液相碘循环体系对元素汞和二氧化硫的协同去除条件，为实现新型吸收体系对有色金属冶炼烟气汞排放的控制及资源化回收提供理论依据和科学指导。

本项目利用液相碘循环吸收的方法对有色金属冶炼烟气中的元素汞和二氧化硫进行协同去除，既可以消除现有吸收除汞技术中高浓度二氧化硫的干扰影响，又可实现资源的循环利用。研究结果表明当使用I2+HI/H2O吸收液净化含Hg0与SO2烟气时，I2 的浓度至少应维持在2.5 g/L；HI的浓度为0.1 mol/L。在此条件下，Hg0的去除率能达到99%以上，SO2去除率达到95%以上，I2的利用率达95%。此外，硫酸浓度不利于SO2的吸收，应根据实际需要而尽量的低。. 研究发现烟气Hg0在吸收液中反应会形成汞团簇Hg46+，并采用ab initio MP2方法和密度泛函PBE方法，对溶液中汞团簇Hg46+ 的几何结构进行优化，并在此基础上计算了反应的吉布斯自由能和反应热，考察了Hg46+ 的分子轨道组成并进行了自然键轨道（NBO）分析，从多角度验证对汞团簇Hg46+理论的推测是合理的。利用多体微扰理论对液相碘循环体系中SO2 与Hg0对活性碘的竞争作用进行研究，结果表明循环碘吸收体系中I3-是除汞的关键，最终生成稳定态的HgI42-。烟气中同时存在SO2 与Hg0时，液相体系中的活性碘I3-能同时与SO2和Hg0反应，且从动力学角度来看，I3-更容易与Hg0反应。. 本课题通过优化液相碘循环体系对元素汞和二氧化硫的协同去除条件，为实现新型吸收体系对有色金属冶炼烟气汞排放的控制及资源化回收提供理论依据和科学指导，具有较好的实际应用前景.