燃煤烟气条件下挥发性有害痕量元素异相反应机理研究

The health and ecological impacts of trace element pollutants emitted from coal combustion have attracted more and more attentions in recent years. This project targets the heterogeneous reaction mechanisms of the most volatile trace elements in flue gas, i.e. Hg, As and Se. By applying the quantum chemistry modeling methods based on density functional theory (DFT), the interactions between these trace elements and the typical sorbent/catalyst surface will be studied, and the influences of surface product layer on adsorption/reaction characteristics under flue gas conditions will be investigated. Meanwhile, experimental work will be carried out to generate adsorption/reaction samples in simulated flue gas. The spectra patterns obtained from both sample characterization and DFT calculation will be compared and analyzed in the aim of establishing the kinetic models interpreting the intrinsic adsorption/reaction processes at mesoscale. The model will be further developed to include engineering factors such as heat and mass transfer at macroscale to explore its potentials in industrial applications of sorbent/catalyst development and reactor design and operation.

燃煤所排放的痕量元素污染物对人体健康和生态环境的影响日益引人关注。本项目以燃煤烟气中汞、砷、硒这三种挥发性痕量元素为研究对象，利用基于密度泛函理论的量子化学计算方法从原子/分子层面上模拟典型吸附剂/催化剂表面在燃煤烟气条件下的吸附/反应过程，分析产物层发展对表面吸附/反应特性的影响，同时利用实验研究的方法，制备汞、砷、硒与典型吸附剂/催化剂的吸附/反应样品，通过对比理论计算和实验获得的吸附/反应产物特征图谱，确定汞、砷、硒表面异相反应的关键步骤和影响因素，在介观尺度上建立基于本征机理的吸附/反应动力学模型，并将此模型与传热、传质等反应工程学因素相结合，分析温度、烟气组分和混合流动等条件变化对汞、砷、硒在催化剂及吸附剂表面异相反应的影响，实现反应动力学模型的工程应用，为新型、高效吸附剂及催化剂的开发和反应器设计、运行提供参考依据。

燃煤所排放的痕量元素污染物对人体健康和生态环境的影响日益引人关注。本项目将燃煤烟气中以砷为代表的痕量元素为研究对象，首先采用量子化学方法，从原子/分子层面的微观尺度上探究了As2O3在γ-Al2O3表面的吸附性质及其他烟气组分的影响，发现As2O3的物理吸附态和化学吸附态共存，且SO2、O2和H2O等组分会对As2O3的吸附具有明显的促进作用；随后利用分子动力学模拟方法在介观尺度上分析了温度、烟气流速和砷含量等因素对As2O3团聚程度的影响以及对其吸附特性的改变；并最终通过固定床实验台的宏观尺度实验研究和样品表征方法证明了分析的正确性。. 本项目通过对比理论计算和实验获得的吸附/反应产物特征图谱，确定砷吸附表面异相反应的关键步骤和影响因素，提出了锰、镍改性制备高效砷吸附剂的新方法。研究结果表明，经锰/镍改性后，γ-Al2O3表面上形成了MnO2/NiO结构，可以增强As2O3与吸附剂表面的电子交互作用，使其表面吸附位点原子的价电子能量更低，显著弱化As2O3分子的团聚效应，增强吸附与吸附质之间的相互作用，从而使As2O3吸附率增加约20 – 40%。. 本项目的研究为新型、高效吸附剂及排放控制技术的开发提供了参考依据，所开发的跨尺度研究方法可有效地应用于痕量污染物排放控制相关研究。