碳结构对氯酚生成影响的研究

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本文通过设计并进行一组正交实验,对焚烧过程中氯酚的生成机理进行较全面的研究。主要研究碳形态的差异对从头合成的影响,同时考虑氧气浓度、水汽浓度以及反应温度的影响。为了模拟垃圾焚烧炉飞灰中的残炭结构,制备了4种不同的炭黑。其中乙炔炭黑为乙炔在纯氮气气氛中热裂解炭黑,2乙炔加氧炭黑为乙炔在10%氧气气氛下热裂解炭黑,氯苯炭黑为氯苯在纯氮气气氛中热裂解炭黑,可以模拟焚烧炉燃烧工况恶劣区域不同成分有机物生成的炭黑;开放式燃烧炭黑为模拟城市生活垃圾开放式焚烧收集的炭黑。利用SEM、EDS、XPS等先进检测手段对炭黑的结构进行表征,得到四种炭黑元素质量组成、表面颗粒形态、粒径大小、孔隙形态以及表面元素价态等数据。结果显示炭黑颗表面更易发生氧化,含更多的氧元素,且氧化主要发生在链烃碳上。同时检测炭黑中的PAHs、PCDD/F以及PCB的浓度,结果表明乙炔是PAHs生成以及碳环结构增长的关键物质,氧气对PAHs的生成以及炭黑颗粒增长有一定抑制作用;氯苯热解的炭黑PAHs浓度最低,且含较高比例的链烃碳,与其含一定的C-CI键以及缺乏乙炔有关。开放式燃烧炭黑含非常高含量的有机污染物:PAHs毒性当量为88.645 μg TEQ/g,具有致癌性的PAHs,总浓度为1.44mg/g,PCDD/F毒性当量高达7.682 ng Ⅰ-TEQ/g,该研究对开放式燃烧污染物排放特性的研究提供了有价值的数据支持。基于四种炭黑配置含C 10%、Cl 10%以及Cu 0.09%的模拟飞灰结合正交实验设计的工况进行氯酚生成研究。结果影响氯酚从头生成的最主要因素为碳源的差异,其次为温度的变化。结果显示氯苯炭黑对氯酚的生成活性最强,认为其高活性与较高含量的链烃碳以及C-C1键相关;比较乙炔炭黑、乙炔加氧炭黑以及开放式燃烧炭黑的氯酚产量发现炭黑颗粒大小,孔隙分布以及表面氧化程度对其从头合成的影响并不显著;350℃和500℃附近为氯酚生成活性较高的温度窗口,在250~350℃以及450~500℃两个温度范围内提高温度有助于脱氯反应的发生;在水汽浓度10%和20%的工况下氯酚产量均较高,由于H2O对从头合成反应的影响存在争议,后续的研究需综合考虑H20,02以及催化剂的影响。
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