纳米TiO_2复合物光催化氧化脱除单质汞的实验研究

【摘要】：汞是一种具有生物沉积性的有毒重金属,由于目前世界能源结构对煤的强烈依赖,致使大气中汞的排放量长期居高不下,对生态环境和人类健康造成了极大危害。本文着眼于开发新型纳米光催化吸附剂TiO_2-活性炭(TiO_2-AC)及TiO_2-硅酸铝纤维(TiO_2-fiber)两类复合物,并将其应用于烟气汞的排放控制研究。 本研究采用溶胶凝胶法以活性炭和硅酸铝纤维布为载体通过不同溶胶配比及不同温度热处理合成多种复合物。使用X射线衍射仪(XRD)等手段对其进行表征;针对模拟含汞烟气,在波长为253.7nm的紫外光(UV)照射下使用复合物进行多种工况下的光催化脱汞试验,验证光催化脱汞性能;并对脱汞后的吸附剂进行汞形态测试,考察催化反应对汞的形态影响。最后结合反应机理及动力学方程对试验结果进行模拟。表征结果证明,使用溶胶凝胶法成功将纳米TiO_2微粒负载于载体表面,粒径可控制在10~30nm;500℃热处理的复合物中TiO_2以锐钛矿形式存在,锐钛矿向金红石的转变温度在500~700℃之间。 光催化脱汞试验表明,锐钛矿相复合物具有较强的催化活性;纤维基复合物与活性炭基的脱汞性能相当,均达86%,但纤维更适于作为TiO_2的载体;溶胶醇酸比为2/1时,复合物催化活性最强,脱除率达到95%。模拟烟气中5%的O_2浓度可完全满足汞的催化脱除反应,增加O_2量不会影响脱汞;在1.3~2.5%内水蒸汽含量的增多对脱汞首先表现出促进作用,在2.0%处达到最佳脱汞性能,继续增加对脱汞无明显影响;在2.0~3.3 mW/ cm~2内,脱汞率随着UV强度的增强而升高,而在3.3~4. 8mW/ cm~2内催化脱汞率不随UV的变化而变化;控制反应温度,30~70℃内,脱汞率随温度的升高无明显变化,而在70~100℃内温度的升高会明显抑制光催化脱汞。 汞形态测试验证了催化脱汞试验的结果,脱汞后催化剂中HgO的比例均在83%以上,直观证明了汞的氧化;5%的O_2浓度对该条件下的催化反应已足量,其浓度的升高对氧化无影响;水蒸汽浓度升高至2.0%时,HgO含量达到最大值87%,继续增加水蒸汽量,会阻碍催化反应的进行。光催化反应的氧化率均在84%以上,氧化效果明显。动力学方程拟合结果显示光催化脱汞反应属于一级反应。