新型TiO2基納米材料一體化脫除燃煤煙氣中多種污染物的研究.pdf

1、煤是我國儲(chǔ)量最豐富的化石燃料,在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)將不會(huì)發(fā)生改變。大量的燃煤消耗帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染,煤燃燒后向大氣中排放出大量的SO2、NOx和重金屬汞,而電廠燃煤鍋爐是這些污染物的集中釋放源。我國燃煤電廠在逐步配置脫硫設(shè)備及脫硝設(shè)備的同時(shí),開始關(guān)注汞的排放與控制,在污染物種類繁多、煙氣凈化裝置增加和投資運(yùn)營成本升高的背景下,開發(fā)新型的催化劑,研究燃煤煙氣中多種污染物一體化脫除具有重要意義。
　　本文使用

2、溶膠凝膠法制備了硅酸鋁纖維負(fù)載納米TiO2復(fù)合材料(TAS),使之用來脫除模擬燃煤煙氣中的SO2、NO和Hg0。采用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線能譜儀(EDX)、紫外和可見光譜儀(UV-Vis)和比表面及孔隙分析儀(BET)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行表征。結(jié)果表明TAS在500℃熱處理下表現(xiàn)出最強(qiáng)的吸光度和最高的光學(xué)活性,并且具有最大的比表面積。
　　使用500℃熱處理下的TAS脫除模擬燃煤煙氣中的SO2、NO和Hg

3、0。系統(tǒng)研究了TAS的脫硫脫硝和脫汞效率、SO2和NO對(duì)TAS脫汞的影響、以及O2、H2O、紫外光強(qiáng)和反應(yīng)溫度等因素對(duì)TAS光催化氧化的影響。結(jié)果表明TAS的光催化脫汞效率最高,為84％。氣態(tài)的O2能夠作為氧化劑對(duì)TAS脫硫脫硝和脫汞均有明顯的促進(jìn)作用。H2O由于競爭吸附對(duì)TAS的光催化氧化表現(xiàn)出抑制作用。較高的溫度會(huì)使氣相的SO2、NO和Hg0在TAS表面的沉積和吸附減弱,從而降低污染物的脫除效率。而紫外光的強(qiáng)度是影響TAS光催化氧化

4、反應(yīng)的最重要因素,當(dāng)紫外光強(qiáng)度較弱時(shí),活性自由基的數(shù)量會(huì)減少從而導(dǎo)致光催化脫除效率的降低。
　　為了擴(kuò)展TiO2的光響應(yīng)范圍到可見光區(qū)域并提高其光學(xué)活性,在TiO2中摻雜金屬氧化物或貴金屬。使用靜電紡絲法制備CuO、In2O3、V2O5、WO3和Ag摻雜TiO2的納米纖維。采用XRD、SEM、透射電子顯微鏡(TEM)、EDX、UV-Vis和BET對(duì)納米纖維進(jìn)行表征。結(jié)果表明TiO2基納米纖維中TiO2以銳鈦礦形態(tài)存在,纖維的直徑均

5、為200±50nm,粗細(xì)均勻,纖維由大量直徑在10nm左右的微小顆粒組成。使用TiO2基納米纖維脫除模擬燃煤煙氣中的Hg0,考察其在不同光照條件下的脫汞效率。結(jié)果表明TiO2-V2O5在可見光下的脫汞率從6%增加到63%,電子的躍遷是TiO2-V2O5在可見光下脫汞率升高的主要原因。TiO2-WO3在紫外光下的脫汞率有了非常大的提高,幾乎高達(dá)100%,其原因是表面酸性的增加和快速有效的電荷轉(zhuǎn)移。同時(shí)發(fā)現(xiàn)TiO2-Ag在任意光照條件下的脫

6、汞率都能迅速升高到95%左右,其原因是煙氣中的單質(zhì)汞與Ag能夠快速的通過齊化反應(yīng)形成銀汞合金。
　　為了在高溫下得到好的脫汞效果,采用靜電紡絲法將V2O5和Ag同時(shí)摻雜到TiO2中,制得TiO2-V2O5-Ag(TVA)納米纖維,使之在典型的SCR操作溫度下進(jìn)行脫硫脫硝和脫汞實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)考察了V2O5的含量、氨氮比和煙氣組分對(duì)催化脫硝的影響;以及Ag含量、反應(yīng)溫度和煙氣組分對(duì)脫汞的影響。結(jié)果表明TVA的催化脫硝溫度窗口較寬,V2O5

7、/TiO2的最佳質(zhì)量比為5%,NH3/NO的最佳摩爾比為1.0時(shí);2%的O2能夠滿足脫硝反應(yīng)的發(fā)生;煙氣中的SO2對(duì)NO的脫除沒有明顯影響,而H2O則對(duì)NO的脫除有抑制作用。同時(shí)發(fā)現(xiàn)TVA在370℃下能獲得較高的脫汞率,因此TVA可實(shí)現(xiàn)在SCR脫硝的同時(shí)對(duì)元素汞的脫除。
　　根據(jù)Langmuir-Hinshelwood理論,建立TAS脫硫脫硝和脫汞的光催化動(dòng)力學(xué)模型,其中TAS脫汞的動(dòng)力學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)值匹配最為吻合。同時(shí)建立TiO