再生金属冶炼过程中多氯萘的排放特征与生成机理研究

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多氯萘(polychlorinated naphthalenes,PCNs)是2015年5月被列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》受控名单中的新型持久性有机污染物(persistent organic pollutants,POPs),我国将履行该公约所规定的义务,尤其亟需开展对我国重点排放源的污染控制和削减研究。本课题组前期初步识别了我国的几类典型PCNs污染源,发现再生金属冶炼过程是我国最重要的PCNs排放源之一。为了源头上控制PCNs的生成和排放,还需对影响PCNs排放的关键因素进行研究,深入认识PCNs的生成机理,为开发减排技术提供理论依据。  本研究以再生金属冶炼过程作为重点排放源,结合现场研究和实验室模拟研究,对影响PCNs排放的关键因素和生成机理进行了系统研究,得到了一些新的发现和认识,主要结果如下:  (1)通过现场研究,阐明了我国典型再生铜冶炼过程不同工艺段PCNs的分布特征。研究发现烟道气中PCNs的排放水平为477.0-762.5ng·m-3,毒性当量(toxic equivalent,TEQ)范围为4.4-8.3pg TEQ m-3,不同冶炼阶段的排放浓度由高到低为:氧化段>加料熔化段>还原段。各阶段排放量在总排放量中的贡献顺序为:加料熔化段(65%)>氧化段(27%)>还原段(8%),因此加料熔化段是再生铜冶炼过程PCNs排放的主要工艺阶段。其次,揭示了再生铜冶炼过程中PCNs的排放特征,发现一氯萘到三氯萘是主要的同类物,毒性同类物也以低氯代同类物(CN-1、CN-2和CN-5/7)为主,这些指纹图谱为环境中PCNs的源解析提供了数据支持。上述结果为针对再生铜冶炼重点工艺段进行PCNs的排放控制提供了重要依据。  (2)选取我国4家典型再生铝企业,系统地考察了PCNs在不同排放介质中的分配比例以及影响PCNs排放水平的关键因素。研究发现再生铝冶炼过程中,99.99%以上的PCNs分布于气相介质并排放到周边环境中,表明传统的布袋除尘技术对气相介质中PCNs的去除效果并不理想。发现原料组成、燃料类型和含氯添加剂的使用是影响PCNs排放的关键因素。值得关注的是,一般在冶炼的后期PCNs的排放水平会因有机杂质的消耗而降低,而本研究发现在冶炼后期的调质阶段和出铝阶段PCNs排放浓度却明显升高,这与冶炼后期含氯添加剂的使用有关。以上的结果可以为关键冶炼工艺的改进提供科学依据,从而有效控制和削减PCNs的生成和排放。  (3)在现场研究的基础上,选取再生铜冶炼过程中产生的飞灰作为反应基质,搭建了实验室模拟反应平台,进一步地探索PCNs的生成机理和影响因素。研究发现飞灰在30min内可生成高浓度的PCNs,生成量(33.40-73.94μg·g-1)最高可达原始含量的104倍。在250-450℃温度区间内,PCNs生成浓度在450℃下达到最高,高温更利于低氯代向高氯代同系物转化的氯化反应的发生。通过相关性分析、同系物分布变化趋势分析、特征同类物比较分析以及关键中间产物的定性定量分析,发现氯化反应是再生金属冶炼过程中PCNs生成的重要机理之一。  上述研究结果将有助于了解研究再生金属冶炼过程中PCNs排放的变化规律,识别其主要排放介质、主要排放工艺段、影响排放水平和特征的关键因素以及生成机理,这些成果将为优化工艺技术和污染控制技术提供科学依据,以达到控制和削减再生金属冶炼过程中PCNs的生成和排放的目的。
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