有毒重金属Hg、As、Se高温联合脱除的机理研究

有毒重金属污染物的大量排放,对大气环境和人类健康造成极大危害, 而重金属的高温脱除是煤气化过程中的一大难题. 本项目基于金属材料Pd能在高温下同时吸附易挥发重金属Hg、As、Se的潜能以及纳米材料具有更高的吸附活性从而使其效率大为提高、用量大为减少的特点, 提出了一种高效联合脱除气化过程中重金属的新方法, 即拟合成新型纳米Pd基复合吸附剂并用于联合脱除高温气化烟气中易挥发有毒重金属Hg、As、Se. 项目拟对这一脱除重金属的新方法进行系统深入的试验和机理研究；考察该种新方法脱除重金属的效率以及温度、气化烟气组成及浓度对吸附剂脱除重金属的影响规律; 深入揭示气化条件下纳米吸附剂对重金属的高温吸附脱除机理；建立复杂气化系统中重金属吸附反应动力学模型；以实现对重金属多相吸附反应的科学的描述和预测, 为该种重金属释放控制新方法的应用奠定科学基础。

煤气化作为一种高效清洁的煤利用技术正在日益收到重视，然而煤气化过程中剧毒污染物汞及其它有毒重金属的释放控制却是亟待解决的问题。本项目首先分析了高温条件下重金属的存在形态和物相特性，然后采用液相溶胶凝胶法制备了硅基、铝基载体纳米复合吸附剂，基于XRD、SEM、BET对吸附剂的微观物化形貌进行表征，系统考察了温度、烟气组成及浓度等不同工况条件下吸附脱除重金属的行为特性，结合TPD、XPS探究了吸附剂表面重金属产物组分的赋存形态，在实验基础上探讨了吸附反应过程动力学机理。主要结果表明：高温气化条件下，几乎所有的汞、砷、硒都蒸发进入气相；硫元素的含量对汞的形态和分布几乎没有影响，单质汞是汞的热力稳定形式；烟气中砷和硒的物相组分包括AsO(g)、As2(g)、As4(g)、Se0(g)、SeS(g)、H2Se(g)、SeO(g)，随着温度变化浓度有所不同。溶胶凝胶法制备的复合纳米吸附剂样品具有较佳的孔隙分布特征，80%的孔径分布在2-10 nm，有利于重金属蒸汽的吸附；通过正交试验发现煅烧温度、溶液初始金属离子浓度、溶液pH值是影响制备的纳米吸附剂物理结构性能的关键因素。吸附试验与动力学分析表明纳米吸附剂对重金属脱除是一个复杂的多步骤非均相过程，以化学吸附为主导，在相同温度下吸附剂中钯质量分数的增加可以提高Hg的脱除效率，烟气中存在少量H2S会促进吸附剂对As、Se的吸收；经过多次循环再生实验后，纳米吸附剂仍然保持着较好的孔隙结构，且具有较高的汞脱除性能。上述研究结果对进一步深入了解气化过程中纳米吸附剂对重金属的协同脱除机理以及实现工业化应用提供科学依据。