中空纖維膜反應(yīng)器結(jié)合芬頓試劑脫除燃煤煙氣中的Hg0

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(華東理工大學(xué) 1.國家環(huán)境保護化工過程環(huán)境風(fēng)險評價與控制重點實驗室; (2.化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室; 3.機械與動力工程學(xué)院,上海200237)

中空纖維膜反應(yīng)器結(jié)合芬頓試劑脫除燃煤煙氣中的Hg0

于明磊1,馬良1,張艷紅1,汪華林1,2,于新海3,楊雪晶1,2

(華東理工大學(xué)1.國家環(huán)境保護化工過程環(huán)境風(fēng)險評價與控制重點實驗室; (2.化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室;3.機械與動力工程學(xué)院,上海200237)

將中空纖維膜反應(yīng)器和芬頓試劑結(jié)合脫除煙氣中的Hg0。研究了不同參數(shù)以及SO2、NO和O2等雜質(zhì)氣體對Hg0脫除的影響。結(jié)果表明:隨著H2O2濃度、Fe2+濃度、溶液初始pH和溫度的增加,Hg0脫除率先增加后降低,其最佳工作條件是H2O2濃度為6mmol/L,Fe2+濃度為9mmol/L,溶液初始pH為2.5,溫度為20℃;增大液氣比和通過減小氣相流量增大停留時間均對Hg0脫除有增強作用,當(dāng)液氣比超過0.11時,Hg0的脫除率不再增加;當(dāng)氣相流量為0.6L/min時,Hg0脫除率超過85%;SO2、NO對Hg0的脫除有抑制作用,O2對Hg0的脫除幾乎沒有影響;還測定出溫度20℃下中空纖維膜反應(yīng)器的比相界面積a=270.29m-1和傳質(zhì)動力學(xué)參數(shù)kL=8.13×10-4m/s,kG=0.786×10-6mol/(m2·s·Pa)。

中空纖維膜反應(yīng)器; 芬頓反應(yīng); 脫汞

汞由于其持久性、生物富集性和神經(jīng)毒性對人類生存構(gòu)成了極大威脅,已經(jīng)引起了世界性的觀注[1-2]。煤炭燃燒被認為是人為汞排放的最大來源[3-4],通常燃煤煙氣中的汞有3種存在形態(tài):單質(zhì)汞(Hg0)、二價汞(Hg2+)以及顆粒汞(HgP)[5-6]。其中Hg2+可以用濕法煙氣脫硫裝置脫除,效率超過90%[7-8],HgP可以用靜電除塵器或者織物過濾器和飛灰一起脫除[9],Hg0則因為高度揮發(fā)性和低溶解度的特點,很難通過傳統(tǒng)的方法將其脫除。因此Hg0是通過煙氣排放到大氣中的主要汞物種。

針對燃煤中Hg0的脫除方法主要有兩種,其中一種是注射活性炭[10]或者是改性活性炭粉末吸附Hg0,常用的改性活性炭吸附劑有溴處理活性炭[11]、硫處理活性炭[12]和氯處理活性炭[13]。該工藝過程操作難度大,消耗活性炭較多,成本昂貴,吸附劑再生困難,同時吸附劑會增加顆粒污染,需要進行無害化處理,并且被吸附的Hg0可能會再排放[14]。另一種就是氧化吸收技術(shù),將Hg0氧化為Hg2+并轉(zhuǎn)移到液相中,然后用濕法脫硫裝置將其除去。常用的氧化劑包括高錳酸鉀、次氯酸鹽、過硫酸鹽等。Fang等[15]采用濕法煙氣脫硫系統(tǒng)結(jié)合酸性高錳酸鉀溶液脫除煙氣中的Hg0,研究了高錳酸鉀濃度、溶液初始pH、溶液溫度、Hg0濃度以及煙氣中的雜質(zhì)氣體SO2和NO對汞脫除效率的影響。在最優(yōu)的實驗條件下,Hg0的脫除率超過90%。然而高錳酸鉀的使用引入了錳元素,帶來了新的污染。芬頓試劑是一種清潔的氧化劑,使用過程中的產(chǎn)物主要是水和二氧化碳,不會產(chǎn)生新的污染;芬頓試劑也是非常高效的氧化劑,其活性物種主要為·OH自由基,氧化電勢高達2.7V,僅次于氟氣。Tan等[16-18]提出了用FeCl3、Fe2(SO4)3等為催化劑的脫汞工藝,反應(yīng)器選用二段式鼓泡反應(yīng)器,在優(yōu)化工藝條件下,煙氣中Hg0的脫除率可以達到75%。Li等[19]在芬頓試劑中加入二氧化鈦粉末研究了紫外光/芬頓體系對模擬煙氣中Hg0的脫除效果。實驗在30～70℃下進行,在最優(yōu)化的工藝條件下,煙氣中有和沒有NO、SO2、O2存在時,Hg0的脫除率分別達到94.4%和98.5%。但是該系統(tǒng)需要紫外光的輔助,設(shè)備放大困難,且能源消耗較高。

改善接觸器結(jié)構(gòu)和采用緊湊式氣液吸收設(shè)備是提升芬頓氧化吸收工藝效率的有效途徑之一。中空纖維膜吸收反應(yīng)器便是其中一種。相較其他氣液吸收設(shè)備,中空纖維膜反應(yīng)器的氣相和液相分別在反應(yīng)器的殼程和管程中流動,避免了一些氣液反應(yīng)器常見的問題,比如液泛、霧沫夾帶、溝流等;中空纖維膜反應(yīng)器在工程放大方面優(yōu)勢明顯,可以通過簡單的串并聯(lián)達到工程放大的效果,如串聯(lián)可以提升效率,并聯(lián)可以提升氣體處理量。不僅如此,中空纖維膜反應(yīng)器最顯著的優(yōu)點是其單位反應(yīng)器體積相界面積大,能達到1500～3000m-1,采用中空纖維膜反應(yīng)器可以將氣體吸收效率提高數(shù)十倍,并且裝置的尺寸大幅度降低[20],從而大大降低反應(yīng)器的占用空間。Mavroudi等[21]用中空纖維膜反應(yīng)器吸收CO2,即使使用純水作為吸收劑,脫除效率也高達75%,而用二乙醇胺(DEA)溶液時吸收效率達到99%。由此可見,中空纖維膜反應(yīng)器在處理氣體方面有巨大的優(yōu)勢。

本文采用中空纖維膜反應(yīng)器結(jié)合均相芬頓反應(yīng)脫除煙氣中Hg0,研究了液氣比(液相與氣相體積流率之比,下同)、氣相流速、H2O2濃度、Fe2+濃度、溶液初始pH、溶液溫度對Hg0脫除的影響,研究了煙氣中SO2、NO和O2對Hg0脫除率的影響。對中空纖維膜反應(yīng)器的比相界面積和傳質(zhì)動力學(xué)參數(shù)進行了測定,為Hg0的脫除提供了一定的指導(dǎo)。

1 實驗部分

1.1實驗試劑

硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O,分析純)、過氧化氫(H2O2,w=30%)、硫酸(H2SO4,w=98%)、氫氧化鈉(NaOH,分析純)、高錳酸鉀(KMnO4,分析純),以上試劑均購自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。實驗中配置溶液使用的水均為超純水。

1.2實驗儀器

圖1示出了本文的實驗裝置圖。實驗裝置包括煙氣模擬系統(tǒng)、Hg0發(fā)生系統(tǒng)、煙氣吸收系統(tǒng)、煙氣分析系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)。

1～4—Gas cylinder;5～9、13—Rotameter;10—Hg permeation tube;11、19—Water-bath;12—Static mixer;14～16—One-way valve;17—Hollow fiber;18—Constant flux pump;20—Drying pipe; 21—Fire coal mercury vapourmeter;22—Gas bottle washing;23—Discharge liquid jar 圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

用來模擬煙氣的氣體包括高純氮(N2,99.999%,體積分數(shù),下同)、NO混合氣(1.0%NO+99.0% N2)、SO2混合氣(1.0% SO2+99.0% N2)、氧氣(O2,99.999%),均由上海春雨特種氣體有限公司提供。氣體流量的控制使用轉(zhuǎn)子流量計(常州市科德熱工儀表有限公司),Hg0發(fā)生系統(tǒng)由汞滲透管(QMG 6-6,蘇州市青安儀器有限公司)、充滿玻璃珠的U形管和恒溫水浴鍋組成。攜帶著Hg0的模擬氣體在進入中空纖維膜反應(yīng)器前先通入一個靜態(tài)混合器中充分混合。煙氣吸收系統(tǒng)中用來脫除Hg0的反應(yīng)器是一種膜絲材料為聚丙烯的中空纖維膜反應(yīng)器(反應(yīng)器高為360 mm,外徑和內(nèi)徑分別為50 mm和42 mm;膜絲的有效長度為300 mm,外徑和內(nèi)徑分別為380 μm和260 μm,平均孔隙率65%,裝填數(shù)量3 000根),操作過程中,溶液在反應(yīng)器管程內(nèi)自下而上流動,含有Hg0的煙氣在殼程內(nèi)自上而下流動。通過燃煤煙氣測汞儀(QM201H型,蘇州市青安儀器有限公司)測量Hg0的濃度,尾氣通入酸性高錳酸鉀溶液無害化后排空。反應(yīng)系統(tǒng)中設(shè)置硅膠的干燥管,用來吸收煙氣中的水分,避免其對煙氣分析儀的干擾。將待測的含Hg0煙氣不經(jīng)過反應(yīng)器直接通入燃煤煙氣測汞儀,對比通過干燥管和不通過干燥管測汞儀的讀數(shù),多次測量取其平均值,排除了干燥管對Hg0的吸附性,說明加干燥管對實驗結(jié)果不會產(chǎn)生影響。

1.3實驗步驟及方法

實驗開始前0.5 h打開燃煤煙氣測汞儀,使儀器在測量時能達到最佳工作狀態(tài);同時打開水浴鍋,將溫度設(shè)置為實驗需要的值。

在本實驗中,汞的質(zhì)量濃度為40 ng/L。煙氣模擬系統(tǒng)中高純氮分為兩路,其中一路和NO、SO2以及O2混合后進入靜態(tài)混合器中,另外一路作為載氣(流量為200 mL/min)通入U形管的入口,從出口處獲得Hg0質(zhì)量濃度穩(wěn)定的氣體。實驗使用的溶液用過氧化氫、硫酸亞鐵、硫酸以及超純水配制,每次測量使用2 000 mL溶液。每次實驗都要先向反應(yīng)器通入溶液,待溶液從上端口流出后,再將含有Hg0的混合氣通入反應(yīng)器中。5 min后,從反應(yīng)器出來的氣體中Hg0質(zhì)量濃度穩(wěn)定后開始測量,入口的Hg0質(zhì)量濃度也需要等待穩(wěn)定以后再測量。每次測量持續(xù)時間10 min,測量后燃煤煙氣測汞儀需要用空氣自動清洗10 min,中空纖維膜反應(yīng)器需要用超純水清洗5 min才能進行下次測量。實驗后的廢液需要用氫氧化鈉溶液中和到pH接近7再倒入廢液桶內(nèi)。Hg0的氧化脫除效率(即脫除率)用式(1)計算:

η=(ρin-ρout)/ρin×100%

(1)

式中,ρin和ρout分別為中空纖維膜反應(yīng)器的氣體入口和出口處的Hg0質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果和討論

2.1反應(yīng)機理

Hg0和芬頓試劑之間發(fā)生的反應(yīng)如下[22]:

Fe2++H2O2→Fe3++HO·+OH—

(2)

Fe3++H2O2→Fe2++HOO·+H+

(3)

Hg0+2HO·+2H+→Hg2++2H2O

(4)

(5)

(6)

2.2氣相流速對Hg0脫除率的影響

氣相流速對Hg0的氧化脫除有重要影響,通過降低氣相流速進行本組實驗。氣相流速為1.0～0.6 L/min,H2O2的濃度為6 mmol/L,Fe2+濃度為9 mmol/L,溶液初始pH為2.5,溶液溫度為20 ℃,液氣比為0.08,結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看到氣相流速對Hg0脫除率的影響很明顯。隨著氣相流速降低,Hg0脫除率迅速增加,當(dāng)氣相流速降低至0.6 L/min時,Hg0脫除率達到了83.20%。

氣相流速直接影響氣體停留時間和氣液傳質(zhì)。增加氣相流速雖然能提升氣液傳質(zhì)效果,但是同時也極大地降低了Hg0在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間。停留時間短不利于Hg0和氧化性自由基之間的反應(yīng),從而減緩Hg0的氧化脫除速率。增加氣相流速對氣液傳質(zhì)的增加效果、對Hg0脫除率的影響遠遠沒有降低停留時間明顯,所以降低氣相流速引起的停留時間增加在很大程度上提高了Hg0的脫除率。

圖2 氣相流速對Hg0脫除率的影響Fig.2 Effect of gas flow rate on the removal efficiency of Hg0

2.3液氣比對Hg0脫除率的影響

實驗在氣相流速固定在0.6 L/min的條件下進行,液氣比為0.05～0.13,H2O2濃度為6 mmol/L,Fe2+濃度為9 mmol/L,溶液初始pH為2.5,溶液溫度為20 ℃,實驗結(jié)果如圖3所示。隨著液氣比的增加,Hg0脫除率隨之增加,當(dāng)液氣比為0.11時,Hg0脫除率達到最大值85.30%。繼續(xù)增加液氣比,Hg0脫除率不再增加。

圖3 液氣比對Hg0脫除率的影響Fig.3 Effect of liquid-gas ratio on the removal efficiency of Hg0

反應(yīng)器內(nèi)氣相和液相都在不斷更新,在氣相流速不變的前提下,增加液相流速能增加氧化性自由基·OH的相對數(shù)量,達到提升Hg0脫除率的效果。而當(dāng)溶液流速持續(xù)增加,Hg0脫除率趨于穩(wěn)定是因為當(dāng)氧化性自由基的數(shù)目增加到一定程度以后,限制Hg0脫除率的因素就不再是氧化性自由基相對數(shù)量的不足,而是氣液相的傳質(zhì)速率不足。

2.4H2O2濃度對Hg0脫除率的影響

實驗取H2O2濃度為2～20 mmol/L,Fe2+濃度為5 mmol/L,溶液溫度為20 ℃,溶液初始pH為2.5,液氣比為0.11,氣相流速為0.6 L/min,實驗結(jié)果如圖4所示。當(dāng)H2O2濃度從2 mmol/L增加到4 mmol/L時,Hg0脫除率從40.26%迅速增加到76.87%。H2O2濃度增加到6 mmol/L,Hg0脫除率達到最大值85.30%,繼續(xù)增加H2O2濃度,Hg0脫除率開始慢慢降低。

隨著H2O2濃度的增加,溶液中的氧化性自由基·OH和·OOH數(shù)目增多,使Hg0脫除率增大。但是當(dāng)H2O2濃度超過最佳值以后,自由基之間會互相消耗,使溶液中氧化性自由基數(shù)目降低,從而引起Hg0脫除率的下降[23-26]。

圖4 H2O2濃度對Hg0脫除率的影響Fig.4 Effect of concentration of H2O2 on the removal efficiency of Hg0

2.5Fe2+濃度對Hg0脫除率的影響

實驗選用Fe2+濃度為1～12 mmol/L,H2O2的濃度為6 mmol/L,溶液初始pH為2.5,溶液溫度為20 ℃,液氣比為0.11,氣相流速為0.6 L/min,實驗結(jié)果如圖5所示。隨著Fe2+濃度增加,Hg0脫除率逐漸增加,當(dāng)Fe2+濃度增加到9 mmol/L時,脫除率達到最大值85.30%。繼續(xù)增加Fe2+濃度,Hg0脫除率迅速下降。

Fe2+在這個過程的作用是催化H2O2快速分解產(chǎn)生·OH和·OOH等氧化性自由基,因此增加Fe2+濃度能夠增加Hg0氧化脫除率。但是Fe2+也可以加速氧化性自由基的消耗,從而引起Hg0脫除率的下降。

2.6溶液初始pH對Hg0脫除率的影響

實驗采用的pH范圍為1～7,H2O2的濃度為6 mmol/L,Fe2+濃度為9 mmol/L,溶液溫度為20 ℃,液氣比為0.11,氣相流速為0.6 L/min,實驗結(jié)果如圖6所示。隨著溶液初始pH升高,Hg0脫除率先升高后降低,當(dāng)初始pH為2.5時,達到最佳效果85.30%。當(dāng)pH超過2.5以后,Hg0脫除率開始下降,到溶液接近中性時,脫除率降低到59.12%。

圖5 Fe2+濃度對Hg0脫除率的影響Fig.5 Effect of concentrations of Fe2+ on the removal efficiency of Hg0

圖6 溶液初始pH對Hg0脫除率的影響Fig.6 Effect of initial pH of the solution on the removal efficiency of Hg0

芬頓反應(yīng)的最佳pH約為2～4。當(dāng)pH<2時,H2O2穩(wěn)定性比較高,不容易分解產(chǎn)生·OH等氧化性自由基。而pH超過4后Hg0脫除率降低,是因為溶液中Fe2+和OH-形成 Fe(OH)2沉淀,溶液中的Fe2+不斷減少,從而降低了氧化性自由基產(chǎn)生的速率,所以Hg0脫除率降低。

2.7溶液溫度對Hg0脫除率的影響

實驗在10～60 ℃之間進行,H2O2的濃度為6 mmol/L,Fe2+濃度為9 mmol/L,溶液初始pH為2.5,液氣比為0.11,氣相流速為0.6 L/min,實驗結(jié)果如圖7所示。溫度較低時,升高溫度有利于Hg0脫除率的提高。當(dāng)溫度升高到20 ℃時,Hg0脫除率達到最大值85.30%。溫度超過20 ℃以后,升高溫度Hg0脫除率開始下降。

圖7 溶液溫度對Hg0脫除率的影響Fig.7 Effect of initial temperature of the solution on the removal efficiency of Hg0

升高溫度有助于加快·OH等自由基的產(chǎn)生速率和Hg0的氧化脫除速率。然而,由于H2O2并不穩(wěn)定,常溫下就會分解產(chǎn)生水和氧氣。高溫下會有更多的H2O2分解為水和氧氣,使氧化性自由基的產(chǎn)生速率降低,造成了Hg0脫除率的降低。

2.8SO2體積分數(shù)對Hg0脫除率的影響

在SO2體積分數(shù)為0～0.20%范圍內(nèi),研究SO2體積分數(shù)對Hg0脫除率的影響。H2O2的濃度為6 mmol/L,Fe2+濃度為9 mmol/L,溶液初始pH為2.5,溶液溫度為20 ℃,液氣比為0.11,氣相流速為0.6 L/min,結(jié)果如圖8所示。隨著SO2體積分數(shù)升高,Hg0脫除率逐漸降低,當(dāng)體積分數(shù)達到0.20%時,Hg0脫除率降低至82.02%。SO2的存在對Hg0的脫除起到了抑制作用。

圖8 SO2體積分數(shù)對Hg0脫除率的影響Fig.8 Effect of volume fraction of SO2 on the removal efficiency of Hg0

2.9NO體積分數(shù)對Hg0脫除率的影響

在NO體積分數(shù)為0～0.20%范圍內(nèi)研究煙氣中的NO體積分數(shù)對Hg0脫除的影響。H2O2的濃度為6 mmol/L,Fe2+濃度為9 mmol/L,溶液初始pH為2.5,溶液溫度為20 ℃,液氣比為0.11,氣相流速為0.6 L/min,結(jié)果如圖9所示。隨著NO體積分數(shù)的增加,Hg0脫除率逐漸下降,當(dāng)NO體積分數(shù)提高到0.2%時,Hg0脫除率降低到了81%。實驗結(jié)果表明NO的存在明顯抑制了Hg0的脫除。

圖9 NO體積分數(shù)對Hg0脫除率的影響Fig.9 Effect of volume fraction of NO on the removal efficiency of Hg0

2.10O2體積分數(shù)對Hg0脫除率的影響

在O2體積分數(shù)為0～12%范圍內(nèi)研究O2體積分數(shù)對Hg0脫除率的影響。H2O2的濃度為6 mmol/L,Fe2+濃度為9 mmol/L,溶液初始pH為2.5,溶液溫度為20 ℃,液氣比為0.11,氣相流速為0.6 L/min,結(jié)果如圖10所示。O2體積分數(shù)從0增加到12%,Hg0脫除率變化非常小,說明在本實驗條件下,O2基本不影響Hg0的脫除率。

圖10 O2體積分數(shù)對Hg0脫除率的影響Fig.10 Effect of volume fraction of O2 on the removal efficiency of Hg0

3 反應(yīng)-傳質(zhì)動力學(xué)研究

3.1概述

由于直接測定Hg0吸收體系的傳質(zhì)特性條件苛刻,本文采用經(jīng)典的CO2-NaOH體系測定實驗中使用的中空纖維膜反應(yīng)器的傳質(zhì)特性,通過計算得出比相界面積和液膜傳質(zhì)系數(shù),采用經(jīng)典的Danckwerts法標(biāo)繪得出氣膜傳質(zhì)系數(shù),然后再將CO2體系的傳質(zhì)系數(shù)轉(zhuǎn)換成Hg0體系的傳質(zhì)系數(shù)[32-33]。動力學(xué)實驗裝置如圖11所示。

1—CO2 cylinder;2—Soap film flowmeter;3—Hollow fiber;4—Constant-flow pump;5—Water-bath;6—NaOH solution;7—Discharge liquid jar 圖11 動力學(xué)實驗裝置圖Fig.11 Schematic diagram of the kinetics experiment

3.2比相界面積和液膜傳質(zhì)系數(shù)的計算

用濃度0.5 mol/L的NaOH溶液吸收CO2氣體,采用皂膜流量計記錄反應(yīng)器氣體出入口處的流量?？梢酝ㄟ^化學(xué)法計算得出實驗溫度(T)和流量(Q)下的比表面積(a)和液膜傳質(zhì)系數(shù)(kL)。結(jié)果見表1。

表1 液相傳質(zhì)計算結(jié)果

將比表面積和液膜傳質(zhì)系數(shù)對溫度和流量進行非線性回歸擬合,可以分別得出比表面積和液膜傳質(zhì)系數(shù)與溫度和流量的關(guān)系式:

lna(CO2)=

0.722 5lnQ+2 402.18/T-2.230 1

(7)

lnkL(CO2)=

-0.215 0lnQ-2 403.04/T+1.166 8

(8)

CO2傳質(zhì)體系的比相界面積和液膜傳質(zhì)系數(shù)轉(zhuǎn)換成Hg0體系的比相界面積和液膜傳質(zhì)系數(shù)可以通過以下關(guān)系式得到:

a(Hg0)=a(CO2)

(9)

(10)

式中:D(Hg0-H2O)為Hg0在水溶液中的擴散系數(shù)(m2/s);D(CO2-H2O)為CO2在水溶液中的擴散系數(shù)(m2/s);m為不同反應(yīng)器內(nèi)的擴散系數(shù)對傳質(zhì)系數(shù)的影響因子,在本實驗中,m取1[34]。

當(dāng)溫度為20 ℃,氣相流量為0.6 L/min時,中空纖維膜反應(yīng)器比相界面積和液膜傳質(zhì)系數(shù)分別為270.29 m-1和9.83×10-4m/s,轉(zhuǎn)換為Hg0體系,相應(yīng)數(shù)值分別為270.29 m-1和8.13×10-4m/s。

3.3氣膜傳質(zhì)系數(shù)的計算

分別選擇濃度為0.02、0.04、0.06 mol/L的NaOH溶液來吸收CO2氣體以研究氣液傳質(zhì)反應(yīng),利用實驗數(shù)據(jù)進行Danckwerts標(biāo)繪[35],得出氣膜傳質(zhì)系數(shù),結(jié)果如圖12和圖13所示。圖中,pG為CO2在氣相主體中的分壓(Pa),N為氣體的吸收速率(mol/(L·s)),H為溶解度系數(shù)(mol/(m3·Pa)),k2為CO2和NaOH溶液的反應(yīng)速率常數(shù)(m3/(kmol·s)),cNaOH為NaOH溶液濃度(mol/L),D為CO2的擴散系數(shù)(m2/s)。

根據(jù)Danckwerts標(biāo)繪的直線截距可以求出氣膜傳質(zhì)系數(shù),結(jié)果見表2和表3。

圖12 不同溫度下氣相傳質(zhì)系數(shù)的Danckwerts標(biāo)繪Fig.12 Danckwerts plots of kG(CO2) under various temperatures (Q=1.00 L/min)

圖13 不同流量下氣相傳質(zhì)系數(shù)的Danckwerts標(biāo)繪Fig.13 Danckwerts plots of kG(CO2) unde various gas flow rates (T=20 ℃)

表2 不同流量下kG (CO2)的Danckwerts標(biāo)繪(T=20 ℃)

表3 不同溫度下kG (CO2)的Danckwerts標(biāo)繪(Q=1 L/min)

將以上數(shù)據(jù)進行擬合可以得到:

lnkG(CO2)=

0.374 9lnQ+6.902 1lnT-53.355 6

(11)

通過式(12)將CO2傳質(zhì)體系的氣膜傳質(zhì)系數(shù)轉(zhuǎn)換成Hg0體系的氣膜傳質(zhì)系數(shù):

(12)

式中:D(Hg0-N2)為Hg0在氮氣中的擴散系數(shù)(cm2/s);D(CO2)為CO2在氮氣中的擴散系數(shù)(cm2/s);在本實驗中,影響因子m取1[34]。

因此,在溫度為20 ℃,氣相流量為0.6 L/min時,中空纖維膜反應(yīng)器的氣膜傳質(zhì)系數(shù)為0.591×10-6mol/(m2·s·Pa),轉(zhuǎn)換為Hg0體系,則氣膜傳質(zhì)系數(shù)為0.786×10-6mol/(m2·s·Pa)。

4 結(jié) 論

本文采用中空纖維膜反應(yīng)器結(jié)合芬頓試劑脫除模擬燃煤煙氣中的Hg0。研究了氣相流速、液氣比、H2O2濃度、Fe2+濃度、溶液初始pH和溶液溫度以及SO2、NO和O2對芬頓試劑脫除燃煤煙氣中的Hg0的影響。結(jié)果表明,增加H2O2濃度、Fe2+濃度、溶液初始pH和溶液溫度,Hg0脫除效率先增加到最大值,隨后降低。增加液氣比或者降低氣相流速都能提升Hg0脫除效率。

SO2和NO都能明顯降低Hg0脫除率,而O2對Hg0脫除率基本沒有影響。SO2和NO降低Hg0脫除率是通過消耗以·OH自由基為主的氧化性自由基實現(xiàn)的,而·OH自由基正是脫除Hg0的活性物種。

在溫度為20 ℃,氣相流速為0.6 L/min時利用化學(xué)吸收法測定了比相界面積和液膜傳質(zhì)系數(shù),又利用Danckwerts標(biāo)繪得出了氣膜傳質(zhì)系數(shù),數(shù)值分別為270.29 m-1、8.13×10-4m/s和0.786×10-6mol/(m2·s·Pa)。

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RemovalofHg0fromSimulatedFlueGasbyFentonProcessinAHollowFiberReactor

YUMing-lei1,MALiang1,ZHANGYan-hong1,WANGHua-lin1,2,YUXin-hai3,YANGXue-jing1,2

(1.StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofEnvironmentalRiskAssessmentandControlonChemicalProcess;2.StateKeyLaboratoryofChemicalEngineering;3.SchoolofMechanicalandPowerEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

A novel hollow fiber reactor was used to remove Hg0from simulated flue gas by Fenton process.The effects of several parameters and impurity gases such as SO2、NO and O2on removal efficiency of Hg0by Fenton process were investigated.The results indicated that the Hg0removal efficiency increased first and then decreased upon increasing H2O2concentration,Fe2+concentration,initial pH value of solution,and temperature.The optimum conditions were:H2O2concentration of6mmol/L, Fe2+concentration of9mmol/L,initial pH value of solution of2.5, and temperature of20℃.The increase in liquid-gas ratio and the residence time (the decrease of gas flow rate) enhanced the removal of Hg0,while the removal efficiency didn’t increase any more when the liquid-gas ratio was over0.11.Hg0removal efficiency exceeded85% when gas flow rate was0.6L/min.SO2and NO can inhibit the removal of Hg0, while O2has no obvious impact on Hg0removal efficiency.In the hollow fiber reactor,the specific surface area (a) and mass transfer-reaction coefficient (kL,kG) between Fenton reagent and Hg0were270.29m-1,8.13×10-4m/s,0.786×10-6mol/(m2·s·Pa) (20℃),respectively.

hollow fiber; Fenton reaction; Hg0removal

X511

A

1006-3080(2017)05-0647-08

10.14135/j.cnki.1006-3080.2017.05.008

2017-01-12

于明磊(1989-),男,山東人,碩士生,研究方向為燃煤煙氣脫汞。E-mail:yuminglei0593@163.com

楊雪晶,E-mail:xj.yang@ecust.edu.cn