黄磷尾气中汞、砷选择性催化氧化净化基础研究

Mercury and arsenic are typical heavy metal pollutants in industrial tail gas. Yellow phosphorus off-gas contains high concentration CO, which can be used as raw material gas for mono-carbon (C1) chemical industry. The presence of mercury, arsenic impurities in the off-gas not only limit its application as chemical raw material gas, but also result in air pollution issues. This project uses the method of catalytic oxidation to remove elemental mercury, arsine in yellow phosphorus off-gas. As there are the problems such as low concentration of oxygen in the catalytic process, coexistence of phosphorus, sulfur, cyanide and other impurities, the research tries to develop a new selective oxygen storage catalyst, screen catalyst with catalytic activity for elemental mercury and arsine simultaneously, and seek the rules of reciprocal effect among oxygen storage materials and impurities in catalytic process. The project would carry out systematic studied on the optimum reaction conditions, thermodynamic and kinetic behavior and the stability of the catalyst. Thus, the aim of removing elemental mercury and arsine selectively while not adsorbing or activating CO under low temperature and anaerobic conditions in yellow phosphorus off-gas can be achieved. Meanwhile the mechanism of catalytic oxidation of heavy metal is investigated in reducing atmosphere. The project could provide not only scientific basis for removing heavy metal by catalytic oxidation, but also new purification technique for typical industrial tail gas.

汞和砷是工业尾气中典型的重金属污染物。黄磷尾气富含CO，是优质的碳一化工原料气，但其中的汞、砷等杂质的存在限制了该气体作为碳一化工原料气的使用，也造成严重的大气污染。本研究采用气固相催化氧化净化的方法，以黄磷尾气还原气氛中单质汞、砷化氢为净化对象，针对催化氧化中存在的氧含量低，磷、硫、氰等共存杂质种类性质复杂的净化难题，研制一种新型选择性储氧催化剂，筛选对单质汞、砷化氢都具有催化活性的催化剂，并探索储氧物质的引入在催化氧化过程中的交互作用及变化规律，系统研究催化氧化过程的最佳反应条件、热力学动力学行为及催化剂的稳定性，以解决在不吸附/活化黄磷尾气中的CO和低温、微氧条件下，同时选择性地催化氧化净化单质汞、砷化氢的关键科学问题，阐释还原气氛下重金属催化氧化净化机理，研究形成的系统理论将为黄磷尾气等含CO典型工业废气中汞、砷重金属深度净化提供理论依据和技术方法。

黄磷尾气富含CO，是优质的碳一化工原料气，但其中的汞、砷等杂质的存在限制了该气体作为碳一化工原料气的使用，也造成严重的大气污染。本研究采用气固相催化氧化净化的方法，以黄磷尾气还原气氛中单质汞、砷化氢为净化对象，针对催化氧化中存在的氧含量低，磷、硫、氰等共存杂质种类性质复杂的净化难题，研制选择性储氧催化剂。项目进行了砷、汞的单独去除实验研究，以催化剂起活温度低，高转化率、高选择性的原则，开发出了MnOx/TiO2、CCA、Mn-5A、Fe5Ce5Ti等具有针对性的脱汞和脱砷催化剂，根据研究结果，进行了砷、汞联合去除的催化剂开发，完成了活性组分选择、催化活性组分合成与表征、催化剂载体选择、催化剂的制备研究，重点考察了催化剂在不补给氧（O2≤0.5%）和低温（≤100℃）的条件下，对黄磷尾气中Hg0、AsH3的选择性催化氧化作用，并通过实验数据结合密度泛函理论（DFT）计算得到了催化剂上脱砷和脱汞的反应机理，证明了CeO2对AsH3有较高的吸附能力，其次是Hg0，然而对CO没有吸附能力，通过计算得到了Hg0和AsH3的反应途径，验证了铈基催化剂脱除Hg0与AsH3的反应机理。采用催化氧化技术和本项目开发的新型催化剂净化黄磷尾气，能够实现净化后尾气中Hg0浓度低于0.01mg/m3，AsH3组分浓度低于0.5mg/m3，研究形成的系统理论为黄磷尾气等含CO典型工业废气中汞、砷重金属深度净化提供理论依据和技术方法。