过渡金属离子修饰纳米TiO2膜改性微孔碳质材料对SO2/NOx/Hg的吸附协同催化氧化脱除特性研究

A new approach for removal of SO2/NO/Hg in flue gas which was based on cooperative catalytic oxidation adsorption by microporous carbon material is proposed here. Combined with sol-gel method and templete method, the preparation of the modified sorbent loaded with nano-membrance of titanium dioxide doped transition metal ions (Cu2+/Fe3+/Mn2+) will be investigated. The effects of different preparation conditions on the structure of nano-membrance of TiO2, the dispersion and the manner of chemical bond of transition metal ion on the surface of TiO2 and activated carbon will be explored. The correlation and kinetic mechanism between surface adsorption and catalytic oxidation will also be clarified. The objective is to obtain the impact of the preparation conditions and operation parameters on performance of removal process of SO2/NO/Hg, reveal the heterogeneous catalytic kinetic process involved in C-SO2-NO-Hg- Cu2+/Fe3+/Mn2+ system, find the way for products resource recycling and stabilization, and solve the fundamental scientific issue of utilization of the new modified composite sorbent for removal multi-pollutants in flue gas.

本项目提出了一种基于高效吸附与催化氧化协同作用的微孔碳质吸附剂联合脱硫脱硝脱汞的新思路。采用模板与溶胶-凝胶法相结合，开展在碳质材料表面负载修饰Cu/Fe/Mn过渡金属离子的纳米二氧化钛膜结构改性制备方法的研究，探索制备工艺条件对纳米二氧化钛膜结构以及修饰过渡金属离子在二氧化钛膜结构和微孔碳制材料表面的分散形态和化学键结合方式的影响规律，阐明吸附剂表面吸附-催化氧化过程间的相互作用机制及反应动力学机理；获得制备条件、工艺运行参数对复合吸附剂联合脱硫脱硝脱汞协同脱除性能的影响规律，揭示C-SO2-NO-Hg-Cu/Fe/Mn催化体系中非均相催化反应的动力学过程，寻求碳质吸附剂的吸附稳定性和再生性能,解决复合碳基吸附剂对SO2/NOx/Hg的高效吸附与催化氧化协同净化工艺的关键科学问题，为实现微孔碳基改性复合吸收剂的烟气多污染物联合净化新技术开发提供理可靠的理论和实验依据

化石类燃料燃烧过程中排放出大量的SO2、NOx和重金属污染物，给环境生态带来严重的破坏。寻找更经济有效，符合我国国情的多种污染物联合脱除新技术和新工艺是燃煤烟气净化的主攻方向。碳质材料-光催化-过渡金属三元体系在非均相吸附和催化反应的作用条件、作用机制上具有较好互补性和协同性。基于此研究背景，本项目提出一种基于高效吸附与催化氧化协同作用的微孔碳质吸附剂联合脱硫脱硝脱汞的新思路。.项目采用模板与溶胶-凝胶法相结合，开展了在碳质材料表面负载组装Cu2+/Mo3+/Mn2+过渡金属离子的纳米二氧化钛膜结构改性制备方法及微观形态、结构表征研究，获得了制备工艺条件对二氧化钛膜结构和微孔碳制材料表面的煅烧微晶产物结构、分散形态、光学吸收特性和化学键结合方式的影响规律，优化了复合催化吸附材料螯合-凝胶活化制备工艺参数。.开展了碳质材料表面螯合掺杂过渡金属修饰催化吸附剂Mn(x)-TiO2、MWCNTs/TiO2、MWCNTs/Cu-TiO2及MWCNTs/Mn-TiO2光催化氧化吸附脱除SO2、NO、Hg的性能的实验研究。获得了碳质材料表面螯合掺杂过渡金属修饰催化吸附剂的脱硫、脱硝和脱汞效率，以及MWCNTs、不同过渡金属Cu、Mn掺杂浓度及烟气组分(O2、NO、SO2、H2O)对光催化脱硫、脱硝、脱汞效率的影响规律。结合多种材料特性表征手段揭示了复合催化吸附材料脱除多组分气态污染物的反应机制。.利用密度泛函理论，采用量子化学CASTEP软件包计算分析了过渡金属Mo、Mn掺杂Fe3O4(111)表面对Hg0、HgCl和HgCl2的吸附特性规律。通过结构优化分析获得了Fe3O4(111)表面稳定构型的吸附能、几何参数和活性吸附点位。利用不同构型的结合能、Mulliken电荷转移和分态密度分析，发现过渡金属掺杂表面对HgCl和HgCl2为化学吸附，而对Hg0的吸附为主要以物理吸附为主。HgCl在过渡金属掺杂表面的吸附能可提高40%~66%。采用LST/QST搜索过渡态方法，揭示了Cl在Fe3O4(111)表面对Hg0的氧化过程。.通过本项目的研究，解决了复合碳基催化吸附材料对SO2/NOx/Hg的高效吸附与催化氧化协同净化工艺的关键科学问题，为实现碳基改性复合吸收剂的烟气多污染物联合净化技术开发奠定了可靠的理论和实验基础。