钙钛矿型氧化物光催化氧化脱除单质汞的研究

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汞是一种危害性极强的污染物。有色金属冶炼过程中会产生大量的含汞废气的排放,其中以锌冶炼烟气最为严重。经过洗涤或除尘过程后锌冶炼烟气中的含汞量仍有1~30 mg/m3,其中主要是零价汞(Hg0),Hg0不仅难被洗涤或除尘过程去除,并且还具有很高的迁移性与挥发性,是烟气中的重点控制污染物。近年来,随着环保清洁的光催化技术的日渐成熟,成为了脱汞研究的新方案。而对于光催化技术,催化剂是影响光催化效果的重要因素。钙钛矿型氧化物在光催化领域取得的优异表现使其迅速成为了近年来研究的热点。本文通过水热法合成了Ce/Cr双掺杂改性的钛酸锶(Sr Ti O3)型钙钛矿材料,然后进行光催化氧化脱除锌冶炼烟气中的Hg0的研究。首先,在254 nm紫外光照及常温反应条件下,考察了Ce/Cr掺杂改性对光催化脱汞性能的影响。实验结果表明,Ce/Cr双掺杂样品的性能要优于单掺杂样品与未掺杂样品,并且当掺杂材料组成为Sr0.9Ce0.1Ti0.9Cr0.1O3时取得最好的光催化效果为99%。Sr0.9Ce0.1Ti0.9Cr0.1O3材料的净光催化效率比商业纳米级二氧化钛高10%,长时间下的催化效率也比商业纳米级二氧化钛更稳定,循环使用5次后的效率仍在85%以上。然后研究了烟气的组分与温度对Sr0.9Ce0.1Ti0.9Cr0.1O3光催化氧化脱汞效率的影响。实验结果表明,在含氧量为0~10%时,O2的增加对反应有促进作用;在实验的水蒸汽浓度梯度下(0、4%、7%),水蒸汽会抑制光催化反应的进行;在实验的SO2浓度下(500-1500 ppm),SO2可以促进光催化反应的进行;在实验的NO浓度下(50-200 ppm),NO则对光催化反应有抑制作用。另外,烟气温度的长高会降低材料的光催化脱汞效率。最后,对催化剂进行了表征分析。结合前述实验现象,得出以下结论:XRD表征结果表明Ce取代Sr Ti O3中Sr的位置、Cr取代Ti的位置均匀进入晶格中;XPS结果表明Ce通过转移电子使Cr保持在了较低的价态;FE-SEM结果表明制备出了均匀的颗粒状样品,Sr0.9Ce0.1Ti0.9Cr0.1O3的粒径最大是Sr Ti O3的4倍,粒径的增加主要由于Ce的掺杂;不同样品的BET比表面积都在10 m2/g,光催化效果的差异与比表面积无关;UV-vis DRS、ESR、PL等表征表明Sr0.9Ce0.1Ti0.9Cr0.1O3的光响应活性、表面自由基的强度及光生电子空穴利用率都有明显的优势。根据表征及实验提出了包含表面反应及内部电子转移两个过程的光催化机理。
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