高岭土表面官能团吸附重金属氯化物机理及高效活化研究

It is easy for semi-volatile toxic heavy metals such as Pb and Cd to migrate from solid waste to submicron particles which are difficult to capture by dedusting devices during incineration and to result in the air pollution. Using kaolinite sorbent to control semi-volatile heavy metals emission is one of the foreword technology. The bottleneck of it's application is the poor capture effect of metal chlorides which are the main species of semi-volatile heavy metals in incinerator. Until now, the mechanisms of chlorides adsorption by kaolinite is unclear, and how to enhance the chloride adsorption ability of kaolinite is a blank field. Therefore, in this project, we propose to modify and activate kaolinite surface on the basis of the investigation of adsorption mechanisms to improve the chlorides adsorption effect of kaolinite. First, according to the combination of experimental research and quantum chemistry research, the macroscopical adsorption conditions and the microcosmic steps will be obtained to figure out the favorable atmosphere and the reaction restriction step during adsorption. Then, according to the restriction step, change the structure and functional group by acid/base soak and hydro-thermal method et al to active kaolinite surface effectively. Finally, the efficient capture of heavy metal chloride by kaolinite in waste incinerator will be achieved by combining the favorable atmosphere and surface activation.

垃圾中的半挥发性有毒重金属（如铅和镉等）在焚烧过程中容易迁移至不易被除尘设备捕集的亚微米颗粒中，从而造成大气污染。使用高岭土吸附剂控制半挥发性重金属排放是前沿技术之一，其应用瓶颈在于捕集重金属氯化物效果弱，而氯化物正是焚烧炉内重金属的主要形态。目前高岭土吸附重金属氯化物的机理仍不明确，如何提高氯化物吸附能力更是技术研究的空白领域，因此本项目提出在探明吸附机理的基础上对高岭土表面进行改性活化，提升高岭土对重金属氯化物吸附效率。首先结合试验和量子化学计算，掌握高岭土高温吸附重金属氯化物的必要条件和分子吸附的途径，找到有利气氛和制约高岭土与重金属氯化物反应的关键步骤。然后针对制约反应的关键步骤，采用酸碱浸洗和水热法等改变高岭土结构并在其表面赋予新的官能团，以期实现高岭土的高效活化。有利气氛配合高效活化，最终实现垃圾焚烧炉内重金属氯化物的高效捕集。

垃圾中的半挥发性有毒重金属（如铅和镉等）在焚烧过程中容易迁移至不易被除尘设备捕集的亚微米颗粒中，从而造成大气污染。使用高岭土吸附剂控制半挥发性重金属排放是前沿技术之一，其应用瓶颈在于捕集重金属氯化物效果弱，而氯化物正是焚烧炉内重金属的主要形态。目前高岭土吸附重金属氯化物的机理仍不明确，如何提高氯化物吸附能力更是技术研究的空白领域，因此本项目提出在探明吸附机理的基础上对高岭土表面进行改性活化，提升高岭土对重金属氯化物吸附效率。本项目从天然矿物吸附剂筛选及高岭土吸附重金属蒸汽实验的机理探究、高岭土表面羟基作用和水热改性的试验研究、重金属相互作用对高岭土吸附能力的影响和偏高岭土吸附重金属蒸汽的量子化学研究四个方面作为主要的研究成果。发现高岭土对重金属氯化物的吸附效率随着温度基本呈现出下降趋势，最佳温度窗口为600℃ 或700℃；煅烧使低温下对重金属的吸附效率下降，在高温下对重金属吸附效率有一定提升；水热改性使得吸附剂比表面积增大，提高吸附能力，其中在水热压力达到2.8MPa，水热时间达到20h才有比较明显的效果；在固定床上考察铅和镉的相互作用对高岭土吸附作用的影响；最后采用DFT 计算研究偏高岭土对典型的半挥发性重金属铅和镉的吸附作用。本项目将为焚烧中的半挥发重金属排放控制技术的研发提供参考依据。