金属硫化物纳米材料上汞的吸附固定机制及稳定性研究

More and more concerns about mercury emission from coal combustion and its control have been risen in recent years. With the Minamata Convention on Mercury taking effect, Chinese government is under doulble pressure of environmental protection and fulfilling obligations under the international convention. It is urgent to control mercury emission from coal combustion. Immobilization of coal combustion emitted mercruy on non-carbon sorbent as particulate mercury and removing it simultaneously with particulate matters using existing particulate matter control devices is regarded as a highly competitive method for mercury emission control. In consideration of the shortages in conventional studies related to mercury removal by metal sulfide non-carbon materials, a brand new idea of using nano-scale metal sulfides with large surface area for mercury removal from coal combustion flue gas is proposed for the first time. Chamber, fix bed and adsorbent injection experiments will be conducted to study the characteristics and trends involved in mercury removal over the metal sulfide nano adsorbents. The density functional theory, adsorption dynamics, and computational fluid mechanics will be used to quantitatively describe the entire mercury adsorption and immobilization processes on the metal sulfide nano adsorbents. Mercury stability in the subsequent fly ash recycling and/or fly ash storage processes will also be evaluated. The ultimate goal is to develop a new technology for removing mercury from coal combustion flue gas using metal sulfide nono materials, and to clarify the involved mechanisms.

燃煤汞污染及其防治近年来引起了国际社会的高度关注。随着《水俣公约》的生效，我国面临着保护环境与履行国际汞公约的双重压力，亟待加强燃煤汞污染防治工作。利用非炭基吸附剂，在颗粒物控制设备前将单质汞高效转化成颗粒态汞，在控制颗粒物排放的同时实现汞的高效、协同脱除，是一种极具竞争力的燃煤汞污染控制方法。本项目针对传统研究对金属硫化物非炭基吸附材料烟气脱汞认识的偏差和不足，首次提出采用高比表面积金属硫化物纳米材料进行烟气脱汞的新思路；采用箱体实验、固定床实验以及喷射实验，系统研究金属硫化物纳米材料脱汞的特性和规律；综合量子化学密度泛函理论、吸附动力学理论以及计算流体力学理论，定量描述金属硫化物纳米材料上汞吸附、固定的全过程；开发金属硫化物纳米材料烟气脱汞新技术，并评价后续飞灰资源化利用或安全处置过程中汞的稳定性；以期为我国防治大气汞污染和履行国际汞公约提供科学依据与技术支撑。

燃煤汞污染及其防治近年来引起了国际社会的高度关注。随着《水俣公约》的生效，我国面临着保护环境与履行国际汞公约的双重压力，亟待加强燃煤汞污染防治工作。利用非炭基吸附剂，在颗粒物控制设备前将单质汞高效转化成颗粒态汞，在控制颗粒物排放的同时实现汞的高效、协同脱除，是一种极具竞争力的燃煤汞污染控制方法。本项目针对传统研究对金属硫化物非炭基吸附材料烟气脱汞认识的偏差和不足，首次提出采用高比表面积金属硫化物纳米材料进行烟气脱汞的新思路，主要开展了以下五方面研究：(1)高比表面积金属硫化物纳米材料制备；(2)金属硫化物纳米材料对烟气单质汞的脱除；(3) 定量揭示金属硫化物纳米材料上汞的吸附及固定机制；(4) 评价金属硫化物纳米材料烟气脱汞技术对飞灰后续资源化利用或安全处置的影响；(5) 建立基于金属硫化物纳米材料的燃煤烟气脱汞方法和系统。主要结论如下：(1) 比表面积是影响金属硫化物脱汞性能的关键因素，增大比表面积可以促进ZnS的脱汞能力。在180 °C时，Nano-ZnS对Hg0的吸附作用最强，汞吸附量超过497.8 μg·g-1；（2）无O2存在时，低浓度NO对Nano-ZnS的脱汞性能几乎无影响，而高浓度的NO对其有微弱的抑制作用。但添加O2后，生成的NOx明显的抑制Nano-ZnS的脱汞性能，并且抑制作用随着NOx的浓度的增大而加强；（3）紫外光照射下，Nano-ZnS在室温-240℃的宽温度范围内均展现了优异的脱汞能力，Nano-ZnS的光催化剂特性使其脱汞效率脱离温度限制；（4）Nano-FeS2、Nano-CuFeS2、Nano-CuS均为性能优异的汞吸附剂，其最佳脱汞反应温度分别为80 °C、60 °C、75 °C，与商业活性炭相比，纳米金属硫化物的Hg0吸附容量及吸附速率都更为优异。 (5) ZnS(110)表面的Hg和Zn分别有强烈的轨道杂化，意味着Hg0和Zn形成锌汞齐，和S形成HgS。Hg0能够和Cl自由基直接以Eley-Rideal (E-R)机理反应生成HgCl2。（6）不同汞吸附量的Nano-ZnS样品的TCLP浸出汞浓度均远低于TCLP标准中汞的安全浓度值25 μg/L。吸附汞后的Nano-ZnS在飞灰再利用（热处理）条件下不会造成汞的二次污染。以上研究结果可为开发金属硫化物纳米材料烟气脱汞新技术提供可靠的科学依据。