有色冶炼烟气中铊的催化氧化净化基础研究

Thallium(Tl) existing in non-ferrous smelting flue gas, which is a heavy metal pollutant with the characters of severe strong toxicity, accumulation, latent, persistence and easy migration. Pollution control of Tl in industrial emission needs to be strengthened. In order to reduce the harm of thallium in flue gas to the environment, a new method can be proposed for the efficient purification of thallium by gas-solid phase catalytic conversion of Tl(I) to Tl(III). Aiming at purifying Tl in non-ferrous smelting atmosphere, a selective catalyst can be developed to solve the problem of the coexistence of sulfur, nitrate, mercury and arsenic during catalytic oxidation purification. Through screening of the selective carrier material for thallium, loading catalytic active components, assistance with co-catalyst and introduction of rare earth elements, the optimum formula of material combination and function combination of catalyst can be obtained. The structure-function relationship between catalyst microcosmic structure and catalytic oxidation, interaction and change of active substances in catalytic oxidation can be explored. Through it, optimization of reaction conditions, the thermodynamic, kinetics analysis and catalytic stability can be studied systematically. Combining studies of reaction product and theoretical simulation calculation, catalytic oxidation mechanism of thallium can be revealed and an innovative method for catalytic oxidation purification of Tl can be established, which lay a theoretical foundation of gaseous Tl purification technology.

有色冶炼烟气中的铊(Tl)是一种剧毒的重金属污染物，具有蓄积性、潜伏性、持久性、易迁移性等特性，工业排放铊的污染控制亟待加强。为降低烟气中铊对环境的危害，本研究以有色冶炼气氛中铊为净化对象，采用气固相催化氧化的方法，将Tl(I)催化转化为Tl(III)实现对铊的高效净化，针对烟气中硫、硝、汞、砷等共存杂质的净化难题，研制开发具有选择性的催化剂。研究拟通过筛选对铊具有选择性的载体材料，负载对铊具有催化活性的组分，并辅以助催化组分、引入稀土元素提高催化活性及选择性，获得最佳材料组合与功能组合的催化剂配方；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；探索催化剂微观结构与铊催化氧化活性的构效关系、活性物质在催化氧化过程中的交互作用及变化规律，结合反应产物研究和理论模拟计算，揭示铊的催化氧化反应机理。提出气相铊的催化氧化净化新方法，为开辟气相铊的净化技术奠定理论基础。

大气中铊的污染主要来源于有色冶炼过程，烟气中铊的排放对生态环境和人类健康带来极大隐患。但铊对生态环境的污染，特别是大气中的铊污染没有得到应有的重视，也尚未进行系统的评价与治理。因此，研究开发烟气中铊的治理技术，对推进烟气中的铊及其化合物的污染防控研究具有重要意义。本项目针对有色冶炼烟气中铊的净化体系展开研究，根据气相中铊的特征，建立了针对气相Tl含量的测定方法及催化氧化净化新方法；研制开发出了Ac-MOFs、Mn-MOFs、CexMny-MOFs及VPO-MOFs等对有色冶炼烟气Tl具有高选择性和高转化率的催化氧化净化催化剂，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、催化剂制备过程中的影响因素研究，进行了催化氧化过程中反应条件的优化，考察了催化剂在CO2、NO2、SO2杂质气体共存下的除铊性能，并通过表征分析结合密度泛函理论（DFT）计算得到了催化剂微观结构与活性物质在增强选择性催化中的作用机理，揭示催化反应历程及净化机理，在理论研究的基础上，采用气固相催化氧化技术和本项目开发的新型催化剂净化有色冶炼烟气中的Tl，能够实现净化后尾气中净化气体中Tl含量小于0.05mg/m3，为铊催化氧化净化催化剂的开发提供理论依据和技术方法。