改性活性炭吸附单质汞的研究现状

R esearch Status ofM odified A ctivated Carbon for R emoval of E lem entalM ercury
CHEN Yuan - duan ( Env iron m ental M on itoring Station o f Jinjiang D istric, t S ichuan Chengdu 610061 , Ch in a) Abstract : M ercury contam in ation pri m arily cam e from m an- m ade e m ission o f combustio n flue gas, wh ile the contro l diff icu lty of the flue gasm ercury conta m in atio n w as the rem ova l o f gaseousm ercury . Act iv ated carbon w as ex tensiv ely test ed and dem onstrated re la t iv e ly good perform ance in m ercury em issio ns contro l from bitu m inous coa l- burn ing un its . T he research statu s o f m od if ie d activ ated carbon for rem ova l o f elem enta l m ercury in th e past 10 years w as rev iew ed . K ey w ord s : m odified active carbon; e lem en tal m ercury; m ercury contam in ation ; research status
2010年 38卷第 9 期
广州化工
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改性活性炭吸附单质汞的研究现状
陈元端
( 四川省成都市锦江区环境监测站 , 四川 成都 610061)
摘 要 : 汞污染主要来自于人为的燃煤烟气排放, 而烟气汞污染控制 的难点在 于气态单质 汞的脱 除。活性炭 吸附法 是较为成 熟且效果较好的一种 方法 , 本文对近 10 年来改性活性炭吸 附单质汞的研究状况进行综述。 关键词 : 活性炭; 单 质汞; 汞污染; 研究现状
作者简介 : 陈元端 ( 1980- ) , 女 , 硕士生 , 从事环境监测工作。 E- m a i:l cathy133 @ 163. com
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广州化工
2010 年 38 卷第 9 期
易氧化的贵金属与汞有相当大的亲 和力 , 由于金属 表面积 不大 , 吸汞能力有限 , 加之 金属表面在空气中可 氧化 , 生成性 能稳定的 金属氧化物 , 影响了 与汞形成汞齐的能 力。为了弥 补不足 , 将银 以微小颗粒的形式 负载 在比表 面积 大的活 性炭 表面上 , 当 这些 银微粒与汞蒸汽接触时 , 迅速而定量地结 合成汞齐 合金 , 由于活 性炭还具有较强的还原性 , 能保护银微 粒表面 不被氧 化。因此 , 载银活性炭就成为 一种 具有特 殊吸 汞能力 的材 料 , 很少的 银能 够呈现很大的吸汞容量。由于形成的 汞齐合金 是一种 物理结合 物 , 在一定条件下 , 又 能完 全相互 分离 , 汞 以汞蒸 汽从 活性 炭表 面分离并 排出 , 不仅使载银 活性炭得到 再生 , 恢复其吸 附性能 , 又可以直接回收金属汞 [ 19] 。 况敏等 [ 20] 采用银氨 溶液浸渍 活性炭纤维 , 制备 了载银量为 14. 07% 的载银活性炭 纤维 吸附 剂 , 并研 究其 对汞 的吸 附 性能。 结果表明 : 气 态汞 浓度 为 5263 . 5 g /m 3、 H 2 O ( g ) 的 体 积分 数为 7% 、 吸附温度 90 、 气 体 在吸 附体 内 的停 留 时间 为 0. 1 s 条件 下 , 筒 式吸 附体 在前 30m in 内脱 汞 率为 98% 以 上 , 吸附 300m in 后脱汞率仍在 20% 以上。研 究还表 明 , 吸附 温度对 载银 活性炭 纤维汞吸附性能的 影响 最大 , 温度 升高 , 汞吸 附效 率降 低 , 停留 时间延长 , 汞 吸 附效 率增 加 , H 2 O ( g ) 的存 在 有利 于 汞 吸附 , 但 H 2 O ( g ) 含量过高 又使 汞吸附 效率 略有 降低。扫 描电 镜分 析表 明 , 汞只吸附在含银 活性点上 , 吸汞前 形状不规 则的银 粒子与汞 结合后变成形状较 规则 的银汞 齐颗 粒 , 且 主要 分布 于活性 炭纤 维微晶的晶棱交界处。此外 , 况敏等 [ 21- 22] 在 70 下 分别对制备 的载银活性炭纤维 ( 载银 量 14. 07% ) 和 活性炭 纤维的 片状吸附 体进行气态汞吸附 实验 , 测定 出载 银活性 炭纤 维汞 饱和吸 附量 为 192. 3mg /g , 活性炭纤 维汞饱和吸 附量为 29. 4m g /g, 分别 为普 通活性炭的 48~ 192 倍和 7~ 29 倍。而载银活性炭纤维汞饱和量 为活性炭纤维的 6 . 54 倍 , 表 明载银后 , 能显 著提高活性炭对汞 的 吸附容量。任建莉 [ 23] 等用 4 种浓度 不同的硝酸银 溶液浸渍活 性 炭纤维制备 载银 活性 炭纤 维样 品 ( ACF - 1 、 ACF - 2、 ACF - 3和 ACF - 4), 并对样品的汞吸 附性能和 表面特 征进行 研究 , 汞吸附 实验表明炭纤维负 载银 后对汞 的吸 附性能 均得 到提高 , 其 提升 程度与纤维表面 的载 银 量有 显 著关 联 , 其 中 A CF - 4( 载银 量 : 1352m g /kg ) 的单位汞 吸 附量 约 为原 始活 性 炭纤 维的 33 倍。 X 射线光电子能谱分析表明 由于载 银过程中 纤维表 面的氧 ( - O ) 物种增多 , 产生 Ag - O - C 配位键 , 增强 了银粒 子与纤 维基体的 相互作用 , 因而提高 了纤维表面对汞的吸附势能和吸附容量。
当前 , 汞作为一种危险化学品已经 遍布全球 的每一 个角落 , 如何防治汞污染成为全球关注 的热点之 一 [ 1] 。 造成汞污染 的主 要人为因素是 燃煤 和垃圾 焚烧 [ 2] 。在 燃煤烟 气中 , 汞 主要以 单 质汞 ( H g0 ) 、 颗粒 态汞 (H gp ) 和氧 化态 汞 ( H g2+ ) 3 种形式 存在 , 其中颗粒态汞可 以利 用除尘 设备 收集脱 除 , 氧化 态汞因 其易 溶 于水且易附 着 在颗 粒物 上 , 可 用常 规 的污 染物 控 制设 备 除去。 然而单质汞熔点低、 蒸汽压高、 水溶性差 , 难从烟 气中脱 除 , 能在 大气中长时间停留 , 危害大 , 因 此汞污染控 制技术中 最具有 挑战 性的就是单质汞的脱 除 [ 3] 。 脱除烟气中气态 单质 汞的 有效方 法是 用吸 附剂 吸附 , 常 用 的吸附剂包 括活 性 炭及 改性 活 性炭、 飞 灰 类物 质、 贵 金属 吸 附 剂、 钙基吸附剂、 矿石类吸附 剂、 生物 质类吸附 剂等 [ 4] 。其中 , 活 性炭具有比表面积大 、 吸附量高、 吸附速度 快、 再 生容易、 脱 附速 度快等优点、 且表面含氧官能团能 ( 如羧基 、 内酯基等 ) 与单 质汞 发生氧化反应促 进汞 的吸附 , 因 而作 为汞的 吸附 剂得到 广泛 的 研究。目前 , 粉末状活 性炭已 经被 用于 生活及 医疗 垃圾 焚烧 炉 烟气的汞脱除。在烟气脱汞中 , 活性炭 的吸附效 率较低 , 而 对活 性炭进行化学改性可以提高其 吸附气态 汞的能力 [ 5] 。本文 对近 10 年来改性活性炭吸附单 质汞的研究现状进行综述。 度 , 吸 附 量 下 降。可 能 是 汞 与 氯 在 表 面 形 成 的 H gC l2 ( 熔 点 277 ) 热稳定性差 , 温度太高会使形成 的化学键断 裂 , 从而降低 脱汞率。在温度一定 的情况 下 , 活性 炭表 面的杂 质元 素氯 的含 量对脱汞效率 影响 极 大 , 也就 是 说 , 将气 态 汞中 的 H g0 转 化成 H g2+ 的 量主要 看炭 表面 氯量的 多少。 L ee 等 [ 7] 比 较了 用 CuC l2 处理的粘土和载溴 活性 炭作吸 附剂 对单质 汞的 脱除效 果 , 发现 改性后的活性炭对单质 汞脱除 率可 以达到 74% ~ 95% , 优于商 业化的载溴活性炭。 Zeng等 [ 8] 研究了 1% 和 5 % 氯化锌处理的 烟煤活性 炭 , 研究 表明 , 两种活性炭 的汞 吸附容 量分 别为未 处理 活性 炭的 5 . 5倍 和 9 倍。 L ee等 [ 9] 用 0 . 5~ 10M 盐酸和 1% ~ 20% 的碘化 钾处理褐煤 活性炭 , 研究表明 , 随 盐酸 浓度和 碘化 钾浓度 的增 加 , 活性 炭对 汞的吸附能力均先增大 后减小 , 当盐 酸浓度 为 5M 时 , 活 性炭对 汞的吸附容量为 649. 5 g /g ; 当碘化钾浓度为 5% 时 , 活性炭对汞 的吸附容量为 680 . 2 g /g。盐酸 浓度对 活性 炭吸附 汞的 影响尚 不清楚 , 而碘化钾 浓度 增大 , 会导 致活 性炭比 表面 积减 小 , 导致 汞吸附容量降低。 向飞等 [ 10] 用 M gC l2、 CoC 2 l、 M nC l2 对 活性 炭进行 浸渍 改性 , 研究了催化剂负载 量、 吸附温 度对 活性炭 吸附 模拟 烟气中 单质 汞的影 响。结果 表明 , 在 负载量 为 5% 时 , M gC l 2 的 改性 效果最 好 , 吸附效率提高了 93 % , 其次是 CoC l2 效率 提高了 90% 。这在 于 M n、 Co 这两种过渡元素价 电子层 结构易 形成杂 化轨道 , 与单 质汞发生氧化还原 反应 , 也可 以接 受烟气 中氧 等配 体的孤 电子 对 , 与活性炭表 面的官 能团 易形成 具有 独特 的催化 性能 的配 合 物 , 这种配合物作为中间产物可对 汞的氧化 化学吸附起到 配位 催化作用 , 为模拟烟气中单质汞的吸附提供了适宜的反应表面。 孙巍等 [ 11] 用 溴处理 D arco - KB 活性炭 , 通过对 吸附容量和