富氮生物质焦联合脱除碳硫氮污染物的机理研究

The removal of CO2, SO2 and NOx is an important issue facing the world.Separation using coal activated char adsorption is a flue gas purification technology which has been more concerned currently."Enrich-Nitrogen Bio-Char" is very suitable for high grade flue gas purification agents for the advantages of both physical and chemical adsorption and raw materials renewable.The project presents a new technology of the integration removal of CO2, SO2 and NOx using Enrich-Nitrogen Bio-Char. Firstly the physicochemical properties of Enrich-Nitrogen Bio-Char formation mechanism and cooperative reaction mechanism of CO2, SO2 and NOx with Enrich-Nitrogen Bio-Char will been revealed through the analysis of evolution mechanism of Enrich-Nitrogen Bio-Char pore structure and distribution of functional groups during the whole process from preparation to removal and the reasearch of chemical reaction behavioral characteristics. And then a new one step preparation method of Enrich-Nitrogen Bio-Char will be explored by comparative analysis of the physicochemical properties evolution mechanism in different preparation methods while the coupling mechanism of the pore structure and functional groups will be explained. Finally the theory and methods of carbon, sulfur and nitrogen pollutants integration removal by Enrich-Nitrogen Bio-Char will be established by combined with theoretical models and experimental verification and optimization of process parameters. The results of this project will be beneficial to explore a new approach to air pollutants control and conducive to high-value utilization of biomass resources.

CO2、SO2、NOx减排是世界各国面临的一项重要课题，富氮生物质焦因同时具有化学吸收与物理吸附且原料可再生、反应活性高的优点，非常适宜成为优质的烟气净化剂。本项目提出了一种富氮生物质焦一体化联合脱除CO2、SO2、NOx的新工艺，解析从制备到气体污染物脱除全过程中富氮生物质焦孔隙结构、含氮官能团种类及分布的演变规律，研究富氮生物质焦吸收烟气污染物化学反应行为特性，揭示富氮生物质焦理化特性形成机制和富氮生物质焦脱除CO2、SO2、NOx的协同反应机制；探索新的一步制备方法，对比分析不同制备方法中富氮生物质焦理化特性的演变规律，深入解答孔隙结构与含氮官能团的耦合作用机制；在此基础上结合理论模型和实验验证，优化工艺参数，从而初步建立富氮生物质焦一体化脱除碳硫氮污染物的理论和方法。本项目的研究成果将有利于探索出一条治理大气污染物的新途径，也有利于生物质资源的高值化利用

本项目以花生壳、玉米秆和玉米芯三种生物质为原料，进行了碳基吸附剂的制备试验，对所得吸附剂进行表征优选，探索了不同条件和浸渍方法对吸附剂性能的影响，从而深入揭示了改性生物焦捕集碳硫氮污染物气体的吸附机理反应，对制备富氮化改性生物焦富集吸附活性位点具有重要的指导意义。 (1)结果表明，三种生物质活性焦均在850℃时取得最佳的孔隙结构参数，孔隙结构参数大小排序为玉米芯>玉米秆>花生壳；CO2活化处理有效提高了生物质焦的孔隙结构参数。减少前驱体中的Si、Ca、Mg等无机矿物质的含量增加了富氮焦表面含氮官基团的引入，进而改善富氮焦吸附污染物的特性。 (2)后期浸渍（“活化-浸渍”）的富氮效果明显优于中期浸渍（“浸渍-活化”），后期浸渍受活化温度的影响，前驱体活化温度越高其含氮量越高、表面官能团越丰富；甲醇溶剂浸渍产物具有更高的浸渍产率、含氮量和更丰富的表面官能团。不同有机胺浸渍处理对吸附剂的吸附特性影响各异，整体吸附性能强弱排序为MDEA>DEA>MEA，10%-MDEA具有最佳吸附性能，对SO2的吸附量高达153.22mg/g，相较于前驱体CC850的57.78mg/g，吸附性能提升了170%。 (3)发现在较低吸附温度下，对CO2、SO2和NO的吸附量主要与其微孔孔容相关，物理吸附占主导，吸附过程主要发生的是微孔填充。而在较高吸附温度下，对CO2、SO2和NO的吸附作用主要与豆杆焦表面的含氮基团相关，化学吸附占吸附作用的主导。10%的含氧量比较适宜同时吸附；NO入口浓度对SO2脱除的影响表现为先促进后抑制，500ppm时的脱硫效果最佳，SO2入口浓度增加将抑制NO的脱除； 120℃是最适宜的吸附温度；水蒸气的存在对SO2的脱除整体上呈促进作用，NO的吸附量仅在相对湿度为15%时得到提升，继续增加相对湿度将阻碍NO的脱除。 (4)在较低吸附温度下，CO2与SO2之间、CO2与NO之间都存在着对微孔的竞争关系，还存在对表面聚合体氢键、π-氢键及多元醇氢键的竞争关系；而在较高吸附温度下，CO2与SO2之间、CO2与NO之间存在着对表面含氮基团的竞争关系。在“一体化”联合捕集CO2、SO2、NO的研究中发现，CO2、SO2、NO彼此之间仍然在吸附量上表现出对微孔及表面活性位点的竞争关系。