收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

铁基吸附剂气相砷吸附特性及基于DFT的反应机理研究

张月  
【摘要】:近年来,砷污染防治已成为全球关注的环境热点问题。其中,燃煤电厂烟气砷排放具有总量大、传播距离广、对人体毒害大等特点而被重点关注。固体吸附剂可以为气态砷化物提供冷凝表面,同时还能对其进行化学吸附,是控制烟气砷排放、缓解砷污染的有效途径。本论文在探索气相砷吸附活性物质的基础上针对性地制备了吸附剂,研究了常规煤粉/富氧燃烧锅炉烟气工况下该吸附剂的工作特性并探讨吸附机理。同时,结合量子化学中密度泛函理论(DFT)的计算方法从微观反应机理角度对铁基吸附剂气相砷吸附进行模拟计算,揭示吸附过程中吸附位点以及吸附能的作用机理以及变化。主要工作如下:(1)从飞灰中主量金属氧化物气相砷吸附的角度出发,考量了飞灰化学成分质量分数前三位的金属氧化物CaO、Fe2O3、Al2O3的气相砷吸附性能。实验发现,在600-900℃的温度范围内,CaO、Fe2O3、Al2O3的固砷量随吸附温度的升高而逐渐降低,其中,Fe2O3的砷吸附性能表现出很好的温度适应性,单位固砷量随温度的变化相对较小。CaO、Fe2O3对气相As2O3的吸附以化学吸附为主,Al2O3的砷吸附以物理吸附为主。反应动力学研究显示,CaO固砷反应级数为0.84,Fe2O3固砷反应级数为1.11,Fe2O3的气相砷吸附反应速率常数远高于CaO气相砷吸附反应。结合阿伦尼乌兹公式计算得到CaO固砷反应活化能为25.99 kJ/mol,Fe203固砷反应活化能为12.17 kJ/mol。(2)结合Fe2O3的气相砷吸附活性与γ-Al2O3作为载体的优势,以超声波辅助浸渍法制备Fe2O3/γ-Al2O3吸附剂,利用自制的常压二级固定床反应器进行吸附实验。研究发现,在本论文研究范围内,吸附气氛中SO2对Fe2O3/γ-Al2O3的气相砷吸附具有促进作用,其作用机理可归结为含HSO4-/SO42-的活性位点对气相砷的催化氧化;吸附气氛中NO对Fe2O3/γ-Al2O3吸附剂的气相砷吸附影响不及S02显著;提高吸附气氛中的O2浓度,使得吸附剂表面被还原的氧位点重新被氧化,这些再生的活性位点促进了 As(Ⅲ)的氧化,从而起到促进气相砷吸附的作用。(3)富氧燃烧技术由于烟气再循环使得SOx、NOx以及痕量元素等随烟气在炉内累积导致其浓度大幅度提高,随着CO2的封存有毒痕量元素会进入地下水或者海洋系统。本论文在富氧燃烧烟气气氛条件下开展Fe2O3/γ-Al2O3吸附剂的气相砷吸附研究。结果表明:富氧燃烧条件下烟气中高浓度的CO2会抑制Fe2O3/γ-Al2O3气相砷吸附能力;与常规空气吸附工况下相比,当SO2浓度超过8000ppm后,气氛中SO2与气相砷竞争吸附现象明显,一方面,SO2分子在吸附剂表面Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)的催化作用下被氧化,氧化产物附着于吸附剂表面、储存于吸附剂表面的孔道内,阻塞孔道;另一方面,气氛中的SO2不断消耗吸附剂表面的晶格氧,导致气相砷吸附活性位点失活,从而降低吸附剂的气相砷吸附能力。气氛中水蒸气会在Fe2O3/γ-Al2O3吸附剂的作用下产生氢离子,氢离子的浓度增加使得吸附剂表面少量的Fe2O3溶解产生Fe(Ⅱ),这一过程可能伴随产生活性含氧组分(如O2·-,H2O2,·OH等),这些活性组分对As(Ⅲ)的氧化起到了关键作用。(4)应用量子化学密度泛函理论的计算方法研究了 As2O3在Fe2O3(001)表面的吸附特性。通过构建并分析As2O3在Fe2O3(001)表面的不同吸附构型,得到As2O3在Fe2O3(001)表面吸附的关键步骤。进一步研究As在Fe2O3(001)表面的吸附,同时就SO2、O2等气体对Fe2O3(001)表面的作用机制以及对气相砷吸附的影响特性进行了探讨。模拟计算结果发现,O顶位和O空位为砷吸附活性位点,其中O顶位的吸附活性高于O空位,Fe顶位的吸附活性最弱;吸附关键在于As-O键的断裂。吸附气氛中的O2使得Fe2O3(001)表面由初始的Fe顶位转变为了类似于O顶位的O终端,由于O2的氧化作用使得吸附底物表面的活性位点增加,从而促进了气相砷的吸附。SO2除了会造成吸附剂表面产生O位点之外,也会使原有表面Fetop位变为Sads-top位,其中,As在S/Fe2O3(001)表面O顶位吸附后不仅会与O成键,也会同时与临近的Fe原子形成化学键,形成更加稳定的吸附构型。以上模拟结果解释了气相砷吸附的实验现象,印证了气相砷吸附过程的晶格氧氧化理论,同时也从分子层面揭示了吸附气氛中O2和低浓度SO2对气相砷吸附的促进行为。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前17条
1 谢小银;王鹏飞;刘冠辰;李永哲;栾国颜;;新型锚定基团对D-π-A型染料敏化太阳能电池性能的影响:基于DFT计算[J];科学技术与工程;2017年07期
2 金涛;陈毅阳;段小华;唐晓艳;;基于改进DFT的电力系统同步相量测量算法研究[J];电工技术学报;2017年17期
3 张兴;;DFT水培水果苤蓝技术[J];蔬菜;2016年10期
4 陈源;陈青云;高丽红;曲梅;张莉;宋生印;;不同DFT装置对生菜产量和品质的影响[J];农业工程学报;2005年S2期
5 宋长宝,竺小松;一种基于DFT的相位差测量方法及误差分析[J];电子对抗技术;2003年05期
6 王琳,杨福生;DFT的扩展及快速Prony算法[J];清华大学学报(自然科学版);1988年04期
7 王文峰;袁耀锋;李俊篯;;碳负离子重排的DFT计算研究[J];大学化学;2017年08期
8 苏飞;曹继华;段宇翔;;二维DFT域全相位数字滤波器设计与实现[J];电子学报;2015年11期
9 邓华;;基于DFT滤波器组的多载波调制系统设计[J];信息技术;2012年08期
10 黎新;;邻二甲苯分子结构和红外光谱的DFT研究[J];武汉大学学报(理学版);2007年02期
11 韩炜,臧红伟;机载计算机的可测试性工程设计(DFT)[J];测控技术;2001年05期
12 杨静;刘广瑞;阚玉和;孟祥军;徐文国;;丁基乙烯基醚和臭氧反应机理的DFT研究[J];中国科学:化学;2013年01期
13 傅杨武;;基于三环非经典噻吩的低能带隙低聚物的分子设计及DFT研究[J];计算机与应用化学;2013年02期
14 陈强;徐科军;;以DFT为例探讨数字信号处理教学方法[J];中国电力教育;2012年32期
15 陈晨;何建农;;DFT域数字水印算法在遥感图像中的应用[J];计算机与现代化;2008年11期
16 赵国利,刘丹,刘实,张晓彤,桂建舟,孙兆林;不同金属催化水煤气变换反应活性的DFT研究[J];石油化工高等学校学报;2005年02期
17 赵正敏,吴乐南;余弦窗DFT递推算法[J];通信学报;2001年11期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 程建波;徐蔚青;赵冰;张刚;宫宝安;;4-巯基吡啶及其二水合体振动光谱的DFT研究[A];全国第13届分子光谱学术报告会论文集[C];2004年
2 王玉彦;党选民;杨龚;朱国鹏;;DFT系统栽培床的改进设计与研究[A];中国园艺学会第四届青年学术讨论会论文集[C];2000年
3 孙晓丽;谢冰;孙雨安;董春红;李存红;王国庆;;基于DFT的梓醇核磁共振谱的理论研究[A];第十届全国计算(机)化学学术会议论文摘要集[C];2009年
4 赵刘斌;吴德印;田中群;;对巯基偶氮苯的表面增强拉曼光谱的DFT研究[A];中国化学会第27届学术年会第10分会场摘要集[C];2010年
5 刘琨;赖优;陈茂笃;;中药单体丹皮酚表面增强拉曼光谱及DFT研究[A];第十六届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2011年
6 李化毅;张辽云;胡友良;;烷基铝引发乙烯聚合的DFT研究[A];中国化学会第27届学术年会第07分会场摘要集[C];2010年
7 李益华;段虎;;基于DFT滑窗迭代算法与小波分析的谐波检测的方法[A];中国自动化学会中南六省(区)2010年第28届年会·论文集[C];2010年
8 陶家媛;方德彩;;过渡金属镍催化的还原反应机理及区域选择性的DFT理论研究[A];中国化学会第28届学术年会第13分会场摘要集[C];2012年
9 夏树伟;沙鹏燕;钟炳伟;;肉桂醛在金属镍表面化学吸附的DFT研究[A];第十一届全国青年催化学术会议论文集(上)[C];2007年
10 程建波;徐蔚青;赵冰;张刚;宫宝安;;4-巯基吡啶及其二聚体振动光谱的DFT研究[A];全国第13届分子光谱学术报告会论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张月;铁基吸附剂气相砷吸附特性及基于DFT的反应机理研究[D];华北电力大学(北京);2018年
2 刘凤娇;重要有机化学反应及蛋白配体相互作用的理论计算研究[D];华东师范大学;2018年
3 王智敏;富勒烯和内嵌富勒烯的结构表征和DFT计算[D];浙江大学;2012年
4 王小龙;DFT和交替DFT调制滤波器组设计算法研究[D];西安电子科技大学;2008年
5 孙康;乙醇脱氢制备乙酸乙酯铜催化剂的DFT研究[D];天津大学;2014年
6 许德合;基于DFT的矢量地理空间数据数字水印模型研究[D];解放军信息工程大学;2008年
7 孟庆森;甲醇氧化羰基合成碳酸二甲酯反应机理的DFT研究[D];天津大学;2013年
8 蒋俊正;DFT调制滤波器组的设计算法研究[D];西安电子科技大学;2011年
9 代俊光;基于DFT和小波变换的数字信号分析的研究及其在现代仪器平台中的应用[D];电子科技大学;2000年
10 张思玉;基于DFT计算预测2-苯基苯并咪唑-5-磺酸和对氨基苯甲酸的水环境光化学行为[D];大连理工大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘俊群;非均匀DFT快速实现算法及其应用研究[D];国防科学技术大学;2016年
2 吴丹;钙钛矿LaCoO_3低指数晶面热力学稳定性及其NO氧化机理的DFT研究[D];天津大学;2017年
3 荆丽雪;单、双核Ir(Ⅰ)/Rh(Ⅰ)/Ru(Ⅱ)金属配合物二阶NLO性质的DFT研究[D];东北师范大学;2018年
4 谭勇;基于DFT和MD方法研究激光熔覆YSZ@Ni涂层的界面稳定机制[D];南昌航空大学;2017年
5 王文权;基于一阶矩的DFT的FPGA实现[D];华中科技大学;2011年
6 周姗楠;DFT调制方向滤波器组及其在图象去噪中的应用[D];西安电子科技大学;2008年
7 李哲;基于一阶矩的DFT的硬件结构设计[D];华中科技大学;2013年
8 祝保英;基于半导体制冷技术的番茄DFT营养液温控系统的应用研究[D];中国农业大学;2004年
9 王令光;镍表面台阶结构和吸附氧对甲烷解离过程影响的DFT研究[D];天津大学;2005年
10 刘金芝;苯氧基钇/二醇体系引发ε-已内酯开环聚合:实验与DFT计算[D];浙江大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978