多壁碳納米管(MWCNTs)負(fù)載過渡金屬摻雜TiO2催化氧化Hg0特性研究.pdf

1、燃煤造成的汞污染嚴(yán)重威脅了人類的生存環(huán)境和健康，引起了能源與環(huán)保領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。微孔碳質(zhì)材料由于其自身良好的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)特性，被認(rèn)為是優(yōu)良的汞吸附催化劑的載體，而過渡金屬修飾的鈦基光催化材料又具有獨(dú)特的催化氧化作用。為此，論文將二者有機(jī)結(jié)合，探索了利用鈦基光催化材料摻雜過渡金屬Cu、Mn修飾多壁碳納米管制備高性能復(fù)合改性吸附劑的新方法，并在模擬煙氣條件下，開展了吸附-催化氧化協(xié)同作用脫除單質(zhì)汞(Hg0)的實(shí)驗(yàn)研究。
　　論文

2、采用溶膠凝膠法及過渡金屬離子螯合摻雜工藝制備了包括TiO2、摻雜錳離子的TiO2(Mn(x)-TiO2)、多壁碳納米管負(fù)載TiO2(MWCNTs/TiO2)以及多壁碳納米管過渡金屬改性催化吸附劑（MWCNTs/Cu-TiO2及MWCNTs/Mn-TiO2）。利用比表面積測(cè)試儀(BET)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射儀(XRD)、能譜儀(EDS)、X射線光電子能譜儀(XPS)和紫外可見光分光光度計(jì)(UV-Vis)等多種測(cè)試方法對(duì)催化吸附

3、材料進(jìn)行了微觀表征和分析。結(jié)果表明:Mn的摻雜能提高M(jìn)n(x)-TiO2的比表面積及改善其孔隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)抑制TiO2晶粒的生長(zhǎng)，TiO2晶型以銳鈦礦相為主;Mn在Mn(x)-TiO2表面主要存在形式為MnO2，Mn的引入豐富了Mn(x)-TiO2表面的氧賦存形態(tài)，增加了化學(xué)吸附態(tài)氧。MWCNTs/TiO2、MWCNTs/Cu-TiO2及MWCNTs/Mn-TiO2的表征結(jié)果表明，TiO2以簇狀形式包覆在MWCNTs表面;MWCNTs/T

4、iO2、 MWCNTs/Cu-TiO2及MWCNTs/Mn-TiO2中TiO2晶相以銳鈦礦為主，MWCNTs、Cu及Mn的引入會(huì)抑制TiO2晶粒生長(zhǎng);MWCNTs的引入能有效減小MWCNTs/TiO2的禁帶寬度，10％MWCNTs/Cu-TiO2和0.5％MWCNTs/Mn-TiO2在紫外光區(qū)具有較強(qiáng)的光吸收強(qiáng)度;MWCNTs/Cu-TiO2及MWCNTs/Mn-TiO2表面存在多種價(jià)態(tài)的金屬化合物。
　　在自行研制的固定床汞催化

5、吸附反應(yīng)器中，對(duì)Mn(x)-TiO2的催化氧化脫汞性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上，研究了MWCNTs/TiO2、MWCNTs/Cu-TiO2及MWCNTs/Mn-TiO2的光催化氧化脫汞性能。Mn(x)-TiO2催化氧化脫除Hg0實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):Mn(x)-TiO2的脫汞性能隨著Mn摻雜量的增加而提高;MnO2參與催化氧化Hg0的反應(yīng)，并在反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)化為Mn2O3，Hg0則被催化氧化為Hg2+;O2和NO對(duì)Mn(x)-TiO2脫汞表現(xiàn)為

6、促進(jìn)作用，SO2和H2O對(duì)Mn(x)-TiO2脫汞有抑制作用， NO能削弱SO2的抑制作用;在N2、N2+O2、N2+SO2和N2+NO氣氛下，Hg0被氧化后并留在Mn(x)-TiO2表面，而在NO和SO2同時(shí)存在的氣氛下，部分被氧化的汞從Mn(x)-TiO2表面脫附。在N2、N2+6％O2、N2+600ppmSO2和N2+500ppmNO氣氛下，經(jīng)Mn(x)-TiO2催化吸附后，煙氣中汞的主要形態(tài)為Hg0，濃度分別為6.6、1.5、2

7、4.7和2.2μg/m3，而煙氣中氧化態(tài)汞（Hg2+）濃度幾乎為0;當(dāng)在N2+500ppmNO+600ppmSO2氣氛下時(shí)，煙氣中汞的主要形態(tài)為Hg2+，濃度升高至11.7μg/m3，Hg0濃度則為6.8μg/m3。
　　MWCNTs/TiO2、MWCNTs/Cu-TiO2及MWCNTs/Mn-TiO2光催化氧化脫除Hg0的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MWCNTs的引入顯著提高了MWCNTs/TiO2光催化脫汞效率，與TiO2相比，光催化脫汞效

8、率由54％提高至86％。O2促進(jìn)MWCNTs/TiO2對(duì)Hg0的光催化氧化，SO2、NO及過多的H2O則會(huì)抑制;Cu及Mn過渡金屬的引入使TiO2電子結(jié)構(gòu)及晶粒尺寸發(fā)生改變，從而提高了MWCNTs/Cu-TiO2及MWCNTs/Mn-TiO2的光催化脫汞效率;在(1％、3％、10％)MWCNTs/Cu-TiO2中，10％MWCNTs/Cu-TiO2表現(xiàn)出最佳的脫汞性能;在(0.5％、1％、3％)MWCNTs/Mn-TiO2中，0.5％M