改性沸石脫汞吸附劑MS模擬及試驗研究.pdf

1、在我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占有重要地位，年消耗量約占全球30％，且在未來一段時間內(nèi)這一現(xiàn)狀改變不大。而煤炭燃燒會給環(huán)境帶來嚴(yán)重的危害，其中汞污染已引起了全球高度關(guān)注。我國是世界上汞污染最為嚴(yán)重的國家之一。為此，我國政府部門紛紛出臺相關(guān)政策，要求采取有效措施進(jìn)行汞污染控制。目前吸附劑噴入技術(shù)最具應(yīng)用前景，也最為成熟，但其研究成果仍存在吸附效率不高、條件復(fù)雜、應(yīng)用成本高及二次污染等問題。因此，本論文以廉價且儲量豐富的天然斜發(fā)沸石為研究對象，制

2、備一系列脫汞吸附劑并對其吸附性能和吸附機(jī)理進(jìn)行研究。
　　論文采用材料分析軟件 Materials Studio（MS）模擬計算與實驗室試驗相結(jié)合的方法開展研究。首先利用 MS分析天然斜發(fā)沸石的骨架結(jié)構(gòu)并模擬計算其對 Hg0的吸附等溫線、吸附能量及吸附密度，預(yù)測其作為脫汞吸附劑的可能性，并經(jīng)實驗驗證其對Hg0的吸附性能；然后利用經(jīng) MS模擬篩選出的改性金屬對天然斜發(fā)沸石進(jìn)行改性試驗，制備一系列脫汞吸附劑，并對其吸附性能進(jìn)行系統(tǒng)研究

3、；最后采用材料表征、實驗分析及模擬計算方法研究改性脫汞吸附劑的吸附途徑及機(jī)理。具體研究結(jié)果如下：
　?。?）天然斜發(fā)沸石具備良好的脫汞性能。MS模擬、預(yù)測及分析結(jié)果表明天然斜發(fā)沸石的骨架為層狀結(jié)構(gòu)，均勻分布大量孔道，對 Hg原子的吸附會隨溫度升高而減少，且吸附能量處于物理吸附范圍；脫汞實驗結(jié)果表明，天然斜發(fā)沸石的最佳吸附溫度為110℃，吸附效率為44.63%，最長吸附時間約為30 min。可見，天然斜發(fā)沸石對Hg0有束縛作用，且效

4、果良好。
　?。?）金屬 Ag對天然斜發(fā)沸石具有較好的改性作用。按照裝載指數(shù)高、取材簡單、經(jīng)濟(jì)適用的原則，利用MS軟件從Pd、Pt、Au、Ir、Ag、Rh中模擬篩選改性活性金屬，計算結(jié)果表明，單晶胞平均裝載量順序為 Pt>Ir>Ag>Pd>Au>Rh，裝載能量及密度順序為 Pt>Ir>Ag>Rh>Pd>Au，滿載個數(shù)順序為 Pt>Pd>Rh>Ag>Ir>Au。通過滿載能量密度分析可知Ag是唯一一種被高能量裝載其中的金屬。因此，將A

5、g作為改性沸石的活性金屬。
　?。?）改性沸石制備的脫汞吸附劑的吸附效率達(dá)90.32%。采用溶膠凝膠、離子交換、超聲震蕩和高溫還原等方法裝載制備一系列改性沸石吸附劑，并分別對其在不同改性濃度、不同吸附溫度、不同吸附時間條件下的吸附效果進(jìn)行試驗研究，結(jié)果表明，3＃改性沸石吸附劑的最佳吸附溫度為110~140℃，與燃煤煙氣溫度相似；吸附效率最高可達(dá)到90.32%，最長吸附時間可達(dá)90 min，可作為燃煤煙氣的脫汞吸附劑。
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6、4）改性沸石吸附劑為超順磁載銀介孔材料。XRD分析證明天然斜發(fā)沸石為 Na型斜發(fā)沸石，改性后被成功裝載 Ag及 Fe3O4@SiO2；同時對改性前后的吸附劑進(jìn)行 BET及孔徑分析，結(jié)果顯示改性前后的吸附劑均為介孔材料，且磁強(qiáng)計表征說明改性后具備超順磁特性。
　?。?）改性沸石吸附劑對 Hg0具有物理吸附和穩(wěn)定的化學(xué)吸附作用。通過分析實驗系統(tǒng)中汞的去向，發(fā)現(xiàn)改性沸石吸附劑對 Hg0的吸附存在物理吸附、催化氧化及金屬合金三種作用；另外

7、，應(yīng)用 MS軟件中的 CASPET模塊模擬計算改性吸附劑的吸附鍵能及態(tài)密度可知Hg0在改性吸附劑表面發(fā)生吸附行為時的吸附能高達(dá)5136.46 ev，且成鍵穩(wěn)定，為穩(wěn)固的化學(xué)吸附，不易脫附。
　?。?）首次利用磁性微球和金屬銀改性天然斜發(fā)沸石，制備的改性沸石脫汞吸附劑不僅具有物理、化學(xué)吸附特性，對 Hg0的吸附效果好，而且具有超順磁特性，利于吸附劑循環(huán)利用。采用 MS材料模擬篩選改性活性物質(zhì)，并運(yùn)用其中的量子化學(xué)和密度泛函理論等進(jìn)行