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燃煤汞污染所导致的生态环境破坏、人类健康危害引起了国内外的广泛关注。本文利用卤化铵盐(NH4Cl、NH4Br)溶液浸渍改性活性炭制备燃煤烟气脱汞吸附剂,在固定床汞吸附实验台上研究了改性前、后活性炭样品对模拟烟气中Hg0吸附、氧化和脱除的实验特性,考察了各烟气成分对活性炭脱除Hg0的单独作用规律,借助5种动力学模型分析了活性炭吸附元素汞的动力学过程。
选取两种商业活性炭(VAC1、VAC2)作为脱汞吸附剂,并对VAC1利用NH4Cl、NH4Br溶液浸渍改性。采用N2吸附/脱附、分形维数、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、场发射扫描电子显微镜/X射线能谱仪(FESEM-EDX)、X射线衍射仪(XRD)等手段表征样品,在固定床汞吸附实验台上进行N2气氛下活性炭吸附转化Hg0的实验研究。实验结果表明:原始活性炭比表面积大,微孔发达,不同种类原始活性炭的表面官能团种类、表面元素无明显差异,但微观形貌、微孔结构差别较大,汞吸附性能差异也很明显;卤化铵盐溶液浸渍改性未造成活性炭孔隙结构的明显变化,浸渍改性以化学担载为主,Cl、Br等以非晶体形式的卤素官能团(AC-Cl、AC-Br)存在于改性活性炭表面;经NH4Cl、NH4Br浸渍改性后活性炭对Hg0的吸附速率(k)及累积汞吸附量均明显提高,脱汞性能显著增强,并且NH4Br改性效果优于NH4Cl改性;活性炭固定床汞吸附过程中,吸附剂床层既能直接将烟气中的元素汞Hg0(g)吸附并固定在活性炭表面形成固定汞Hg(p),也能够将部分烟气中的元素汞Hg0(g)氧化形成气态氧化态汞Hg2+(g),并且经改性后,活性炭表面的含氯官能团能更有效地促进活性炭氧化Hg0(g)。
在固定床汞吸附实验台上分别研究了各烟气成分(O2、 HCl、NO、SO2、 CO2)在N2气氛下对原始活性炭(VAC1)和1%NH4Cl溶液浸渍改性活性炭(ClAC1)吸附转化Hg0性能的单独作用规律。实验结果表明:O2、 HCl、NO、CO2单独存在均能够促进活性炭(VAC1、ClAC1)对Hg0的吸附转化作用,其中HCl、NO的促进作用最为显著;SO2对原始活性炭(VAC1)吸附转化Hg0有促进作用,但浓度的影响不明显;SO2对NH4Cl改性活性炭(ClAC1)吸附转化Hg0则体现出先促进后抑制的影响规律,并且随SO2浓度的增加抑制作用越明显;HCl的加入还会与模拟烟气中的Hg0发生均相氧化作用。
选用的五种动力学模型,除颗粒内扩散模型外,其余四种模型拟合曲线相关系数均达到0.99以上,能够较好地拟合改性前、后活性炭的累积汞吸附过程,其中Bangham模型的相关性最好;活性炭吸附烟气中元素汞的过程是由多种动力学机制共同决定的,受外部传质、孔道内扩散和表面化学吸附共同作用;在吸附初期表面化学吸附体现控速作用,随着吸附过程的推进,孔道内扩散的影响增强,逐渐转变为控速步骤,并且原始活性炭受孔道内扩散影响比改性后活性炭更明显。