燃煤飞灰中磁珠对单质汞的定量氧化和脱除方法研究

煤燃烧是最大的人为汞污染源，剧毒元素汞的危害和控制已引起世界各国广泛关注。本项目将矿物学、晶体学等理论交叉融入到传统的燃烧学中，通过系统的试验和理论研究，分析磁珠形成过程中晶格演化对汞形态转化的影响，探究磁珠中不同晶相组分对汞捕获的贡献，建立汞-烟气-磁珠三者之间的相互作用机制，发展汞氧化多相反应动力学模型；系统阐述磁珠微观晶格参数对汞宏观催化氧化性能的影响，揭示磁珠晶相结构对汞定量氧化的本征机制，掌握磁珠晶相结构和无定形组分对汞的非均相氧化机理；建立廉价的磁珠氧化脱汞新方法，评价其经济性和稳定性，优化磁珠氧化脱汞效率，以期构建较完整的煤燃烧磁珠形成演化与汞相互作用机制的理论框架和模型；为实现燃煤烟气中单质汞的廉价高效脱除奠定基础。

本项目针对燃煤剧毒污染物汞的控制问题，提出了利用飞灰中磁珠脱除烟气中单质汞的新思路。采用激光粒度分析、比表面孔径分析、PPMS-VSM、XRF、ICP-MS、FSEM-EDX、XRD、穆斯堡尔谱仪等各种先进的分析测试仪器对典型磁珠样品进行了系统的物理化学特性表征，建立了磁珠的磁特性参数与磁珠中铁含量、磁铁矿含量、赤铁矿含量等的定量关联机制；揭示了磁珠中微量元素的富集机制，相关研究成果发表在Fuel上。针对我国煤中氯含量较低的问题，开发了多种适用于低氯煤燃烧烟气的磁珠吸附剂。提出了以金属氧化物强化磁珠脱汞性能的方法，充分利用金属氧化物中的晶格氧以及烟气中的O2实现Hg0的高效氧化，系统研究了金属氧化物负载量、反应温度、烟气组分等对磁珠催化剂脱汞性能的影响，并在此基础上提出了脱汞后失活催化剂的再生方法，该成果在环境类TOP刊物Environmental Science & Technology上。考察了金属氧化物改性磁珠吸附剂脱除富氧燃烧烟气中汞的性能，揭示了空气燃烧和富氧燃烧气氛下的脱汞性能差异及作用机理，该成果发表在环境类TOP期刊Environmental Science & Technology上。合成了CuCl2负载改性磁珠催化剂，采用多种表征手段（电子顺磁共振波谱EPR、溶解度实验、XPS等）对合成的催化剂进行了系统表征，掌握了不同CuCl2负载量磁珠催化剂上Cu和Cl的配位形式、以及催化剂表面汞的活性吸附位，揭示了CuCl2与汞的反应机理及路径，并在此基础上提出了失活催化剂的再生方法，该成果在Fuel上发表系列文章3篇。项目通过四年的研究，共发表论文18篇，其中SCI收录论文12篇，EI收录论文6篇，参加国际会议9次，国内学术会议3次。培养研究生6名，其中一名博士研究生在项目资助下先后获得第8届i-CIPEC的“Outstanding Oral presentation”奖和第12届ICMGP的“Travel Grant Award"。项目负责人并在国际权威期刊International Journal of Coal Geology担任客座编辑主办专辑“Mercury Emission and Control from Coal-derived Flue Gas”。