新型TiO2基纳米材料一体化脱除燃煤烟气中多种污染物的研究

论文摘要

煤是我国储量最丰富的化石燃料,在相当长的一段时间内我国以煤炭为主的能源结构将不会发生改变。大量的燃煤消耗带来了严重的环境污染,煤燃烧后向大气中排放出大量的SO2、NOx和重金属汞,而电厂燃煤锅炉是这些污染物的集中释放源。我国燃煤电厂在逐步配置脱硫设备及脱硝设备的同时,开始关注汞的排放与控制,在污染物种类繁多、烟气净化装置增加和投资运营成本升高的背景下,开发新型的催化剂,研究燃煤烟气中多种污染物一体化脱除具有重要意义。本文使用溶胶凝胶法制备了硅酸铝纤维负载纳米TiO2复合材料（TAS）,使之用来脱除模拟燃煤烟气中的SO2、NO和Hg0。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱仪（EDX）、紫外和可见光谱仪（UV-Vis）和比表面及孔隙分析仪（BET）对复合材料进行表征。结果表明TAS在500℃热处理下表现出最强的吸光度和最高的光学活性,并且具有最大的比表面积。使用500℃热处理下的TAS脱除模拟燃煤烟气中的SO2、NO和Hg0。系统研究了TAS的脱硫脱硝和脱汞效率、SO2和NO对TAS脱汞的影响、以及O2、H2O、紫外光强和反应温度等因素对TAS光催化氧化的影响。结果表明TAS的光催化脱汞效率最高,为84%。气态的O2能够作为氧化剂对TAS脱硫脱硝和脱汞均有明显的促进作用。H2O由于竞争吸附对TAS的光催化氧化表现出抑制作用。较高的温度会使气相的SO2、NO和Hg0在TAS表面的沉积和吸附减弱,从而降低污染物的脱除效率。而紫外光的强度是影响TAS光催化氧化反应的最重要因素,当紫外光强度较弱时,活性自由基的数量会减少从而导致光催化脱除效率的降低。为了扩展TiO2的光响应范围到可见光区域并提高其光学活性,在TiO2中掺杂金属氧化物或贵金属。使用静电纺丝法制备CuO、In2O3、V2O5、WO3和Ag掺杂TiO2的纳米纤维。采用XRD、SEM、透射电子显微镜（TEM）、EDX、UV-Vis和BET对纳米纤维进行表征。结果表明TiO2基纳米纤维中TiO2以锐钛矿形态存在,纤维的直径均为200±50nm,粗细均匀,纤维由大量直径在10nm左右的微小颗粒组成。使用TiO2基纳米纤维脱除模拟燃煤烟气中的Hg0,考察其在不同光照条件下的脱汞效率。结果表明TiO2-V2O5在可见光下的脱汞率从6%增加到63%,电子的跃迁是TiO2-V2O5在可见光下脱汞率升高的主要原因。TiO2-WO3在紫外光下的脱汞率有了非常大的提高,几乎高达100%,其原因是表面酸性的增加和快速有效的电荷转移。同时发现TiO2-Ag在任意光照条件下的脱汞率都能迅速升高到95%左右,其原因是烟气中的单质汞与Ag能够快速的通过齐化反应形成银汞合金。为了在高温下得到好的脱汞效果,采用静电纺丝法将V2O5和Ag同时掺杂到TiO2中,制得TiO2-V2O5-Ag （TVA）纳米纤维,使之在典型的SCR操作温度下进行脱硫脱硝和脱汞实验,系统考察了V2O5的含量、氨氮比和烟气组分对催化脱硝的影响；以及Ag含量、反应温度和烟气组分对脱汞的影响。结果表明TVA的催化脱硝温度窗口较宽,V2O5/TiO2的最佳质量比为5%,NH3/NO的最佳摩尔比为1.0时；2%的O2能够满足脱硝反应的发生；烟气中的SO2对NO的脱除没有明显影响,而H2O则对NO的脱除有抑制作用。同时发现TVA在370℃下能获得较高的脱汞率,因此TVA可实现在SCR脱硝的同时对元素汞的脱除。根据Langmuir-Hinshelwood理论,建立TAS脱硫脱硝和脱汞的光催化动力学模型,其中TAS脱汞的动力学模型和实验数值匹配最为吻合。同时建立TiO2基纳米纤维光催化脱汞的动力学模型,模型和实验数据匹配良好,能够真实反映纤维的实际脱汞性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 能源结构与大气污染
• 1.2 燃煤烟气污染物的排放与危害
• 1.3 燃煤烟气污染物控制技术
• 2基纳米材料在污染物处理中的应用'>1.4 TiO₂基纳米材料在污染物处理中的应用
• 1.5 本文的研究内容和意义
• 2 TAS纳米复合材料脱硫脱硝和脱汞的研究
• 2.1 引言
• 2.2 TAS纳米复合材料的制备
• 2.3 TAS光催化实验台架与实验方案
• 2.4 TAS纳米复合材料的表征
• 2、NO和Hg⁰的研究'>2.5 TAS分别脱除SO₂、NO和Hg⁰的研究
• 2.6 TAS同时脱硫脱硝脱汞的研究
• 2.7 本章小结
• 2基纳米纤维脱汞的研究'>3 TiO₂基纳米纤维脱汞的研究
• 3.1 引言
• 2基纳米纤维的制备'>3.2 TiO₂基纳米纤维的制备
• 2基纳米纤维脱汞的实验台架与实验方案'>3.3 TiO₂基纳米纤维脱汞的实验台架与实验方案
• 2-CuO纳米纤维脱除Hg⁰的研究'>3.4 TiO₂-CuO纳米纤维脱除Hg⁰的研究
• 2-In₂O₃纳米纤维脱除Hg⁰的研究'>3.5 TiO₂-In₂O₃纳米纤维脱除Hg⁰的研究
• 2-V₂O₅纳米纤维脱除Hg⁰的研究'>3.6 TiO₂-V₂O₅纳米纤维脱除Hg⁰的研究
• 2-WO₃纳米纤维脱除Hg⁰的研究'>3.7 TiO₂-WO₃纳米纤维脱除Hg⁰的研究
• 2-Ag纳米纤维脱除Hg⁰的研究'>3.8 TiO₂-Ag纳米纤维脱除Hg⁰的研究
• 3.9 本章小结
• 4 TVA纳米纤维高温下脱硝脱汞一体化的研究
• 4.1 引言
• 4.2 TVA纳米纤维的制备
• 4.3 TVA脱硫脱硝脱汞的实验台架与实验方案
• 4.4 TVA纳米纤维的表征
• 4.5 TVA催化脱硝的研究
• 0的研究'>4.6 TVA脱除Hg⁰的研究
• 2的研究'>4.7 TVA脱除SO₂的研究
• 0和SO₂的稳定性'>4.8 TVA同时脱除NO、Hg⁰和SO₂的稳定性
• 4.9 本章小结
• 2基纳米材料脱硫脱硝脱汞的机理研究'>5 TiO₂基纳米材料脱硫脱硝脱汞的机理研究
• 5.1 引言
• 2基纳米材料的光催化动力学模型'>5.2 TiO₂基纳米材料的光催化动力学模型
• 5.3 TAS光催化反应机理
• 2基纳米纤维脱汞机理'>5.4 TiO₂基纳米纤维脱汞机理
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结与建议
• 6.1 全文总结
• 6.2 本文的创新与特色
• 6.3 下一步工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录2 攻读博士学位期间参与的项目