霍啟煌,齊登輝,葉 亮,韓麗娜,常麗萍,鮑衛(wèi)仁,王建成
1.太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,山西 太原 030024;2.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西 太原 030024
中國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó),我國(guó)煤炭主要用于燃燒及傳統(tǒng)煤化工行業(yè),而這些行業(yè)都存在著資源利用率較低和環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題。因此,大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)是解決我國(guó)能源與環(huán)境問(wèn)題的重要戰(zhàn)略措施[1,2]。
煤氣化是潔凈煤轉(zhuǎn)化的龍頭技術(shù),相較于煤燃燒,煤氣化過(guò)程會(huì)釋放出更高濃度的單質(zhì)汞。重金屬汞是有劇毒的痕量元素,單質(zhì)汞與其化合物不僅會(huì)在高溫下對(duì)化工設(shè)備造成腐蝕,而且對(duì)人類(lèi)健康和自然環(huán)境造成極大的影響[3]。同時(shí),單質(zhì)汞相對(duì)于其他形態(tài)汞具有較高的飽和蒸氣壓、低水溶性和低熔點(diǎn)等特點(diǎn),以致更難被脫除。因此,研發(fā)高效的脫除煤氣中單質(zhì)汞的吸附劑尤為必要。
目前,脫汞劑的制備方法有多種,各方法適用于不同的體系。趙可等[4]用浸漬法制備了鈰改性半焦吸附劑(Ce/SC),考察水蒸氣和α-Fe2O3對(duì)吸附劑脫汞活性的影響,結(jié)果表明水蒸氣具有明顯的抑制作用,但α-Fe2O3沒(méi)有影響。Yang等[5]通過(guò)沉淀法制備了Fe2O3吸附劑,發(fā)現(xiàn)在含HCl的氣氛中,100 ℃時(shí)脫汞效率可達(dá)89.5%。Qi等[6]用簡(jiǎn)易的水熱合成法制備了一種脫汞性能良好且穩(wěn)定的BiOlO3光催化劑。Zou等[7,8]用共沉淀法成功制備了鐵鈦尖晶石和鐵鈦錳尖晶石,發(fā)現(xiàn)二者在含有SO2和水蒸氣等的復(fù)雜氣氛中表現(xiàn)出了優(yōu)良的脫汞性能。Zhang等[9]分別用浸漬法,溶膠-凝膠法和沉積沉淀法制備了MnOx-TiO2吸附劑,考察不同方法對(duì)吸附劑脫汞性能的影響,結(jié)果表明沉積沉淀法制備的吸附劑具有最優(yōu)異的脫汞活性,這是因?yàn)榛钚越M分MnO2有較好的氧化還原能力并且在TiO2上高度分散。在眾多制備方法中,共沉淀法具有制備工藝簡(jiǎn)單,活性組分分散度高的優(yōu)點(diǎn)。在前期工作中[10],發(fā)現(xiàn)1Pd5Fe/AC(活性炭負(fù)載1.0%的Pd和5.0%的Fe2O3,上述均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))雙金屬吸附劑在中溫模擬煤氣中具有優(yōu)異的脫汞性能,而γ-Al2O3由于其孔結(jié)構(gòu),表面酸性以及其它性質(zhì)已經(jīng)被作為載體廣泛用于催化領(lǐng)域[11,12]。因此,本工作選擇了共沉淀法制備1Pd5Fe/Al2O3吸附劑,制得的吸附劑在200 ℃模擬煤氣(N2-CO-H2-H2S-Hg)氣氛下的固定床反應(yīng)器中進(jìn)行了脫汞活性評(píng)價(jià),考察了沉淀體系pH值和焙燒溫度對(duì)吸附劑的物化特性以及脫汞性能的影響,并進(jìn)一步結(jié)合X射線衍射(XRD)、N2低溫吸附(BET)、拉曼光譜和X射線光電子能譜(XPS)等表征結(jié)果,探討1Pd5Fe/Al2O3吸附劑的脫汞機(jī)理。
以碳酸銨(沉淀體系 pH值分別為 7.0,7.5,8.0,8.5和 9.0)作為沉淀劑,采用共沉淀法制備1Pd5Fe/Al2O3吸附劑。100 mL去離子水作為底液,一定量的PEG20000(約占固體產(chǎn)物質(zhì)量的2%)作為分散劑,使用計(jì)量泵分別抽取一定濃度的沉淀劑溶液和硝酸鋁、硝酸鐵和硝酸鈀的混合溶液,將兩者同時(shí)勻速滴加到預(yù)先裝有底液和分散劑并劇烈攪拌的燒杯中,沉淀過(guò)程中使用pH計(jì)在線測(cè)量溶液的pH值,并通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)量泵的流量以控制沉淀體系pH值為某一定值(誤差控制在±0.05范圍內(nèi)),待沉淀完成后,用硝酸或氨水微調(diào)pH值至設(shè)定值,在室溫下繼續(xù)攪拌陳化30 min,過(guò)濾得到前驅(qū)體沉淀。然后用去離子水洗滌濾餅至近中性。將濾餅在110 ℃下干燥24 h,一定溫度下焙燒5 h,即得到吸附劑,記做1Pd5Fe/Al2O3(Pd負(fù)載量1.0%,F(xiàn)e2O3負(fù)載量5.0%,其余為Al2O3載體)?;钚栽u(píng)價(jià)時(shí)選用0.25~0.42 mm(40~60目)的吸附劑顆粒。
在200 ℃模擬煤氣(N2-CO-H2-H2S-Hg)氣氛下的固定床反應(yīng)器上對(duì)吸附劑進(jìn)行了脫汞活性評(píng)價(jià),實(shí)驗(yàn)裝置同參考文獻(xiàn)[10]。實(shí)驗(yàn)選用模擬煤氣:Hg[(40±3)μg/m3]、H2S(體積分?jǐn)?shù)0.02%)、H2(體積分?jǐn)?shù)10%)、CO(體積分?jǐn)?shù)20%)和N2載氣(600 mL/min),總氣體流量為1 L/min(氮?dú)鉃槠胶鈿猓?,吸附劑的使用劑量?500±5) mg,床層溫度設(shè)定為200 ℃。樣品編號(hào)FS/US-pH(x)T(y),F(xiàn)S和US分別代表新鮮和使用后的吸附劑,x為吸附劑制備時(shí)的pH值,y為吸附劑制備時(shí)的焙燒溫度。
用吸附劑的脫汞效率(?)作為模擬煤氣中吸附劑脫汞性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),其計(jì)算公式如下:
其中,C0和C1分別為反應(yīng)器入口及出口的單質(zhì)汞濃度,μg/m3。
吸附劑的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)采用 Micromeritics公司 ASAP2460型氮?dú)馕锢砦絻x測(cè)定,利用 BET(Brunner Emmet Teller)方程計(jì)算比表面積,BJH(Barrett Joyner Halenda)方程計(jì)算平均孔徑和孔容;吸附劑的XRD分析采用日本理學(xué)Rigaku Miniflex 600粉末型X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)定,角速率為8 (o)/min,步長(zhǎng)為0.01o,2θ為10~80o;吸附劑的拉曼圖譜通過(guò)英國(guó)Renishaw公司InVia型拉曼光譜儀在室溫下進(jìn)行測(cè)定,掃描范圍100~1 500 cm-1,分辨率為1 cm-1;吸附劑的表面元素價(jià)態(tài)及含量采用英國(guó)VG公司Escalad-250型多功能X射線光電子能譜進(jìn)行分析。
沉淀體系 pH值是影響中間產(chǎn)物碳酸鋁銨生成的關(guān)鍵因素。由林元華等[13]研究的 Al(NO3)3和(NH4)2CO3溶液的pH值與溶液中各物種的濃度關(guān)系可確定pH值的考察范圍為7~9。焙燒溫度影響晶體的生長(zhǎng)、孔結(jié)構(gòu)的形成以及活性組分的分散等,因此,焙燒溫度考察范圍選取500,600,700和800 ℃,并采用氮吸附和XRD等手段對(duì)所得樣品進(jìn)行表征,考察pH值以及焙燒溫度對(duì)吸附劑物化性質(zhì)和脫汞性能的影響。
表1為不同條件下制備的吸附劑的物理特性。由表可知,隨pH值的升高,吸附劑的比表面積和孔容呈增大趨勢(shì),平均孔徑逐漸減小。這主要是因?yàn)閜H值升高,反應(yīng)生成的碳酸鋁銨沉淀含量增多,焙燒時(shí) NH4Al(OH)2CO3分解,產(chǎn)生的氣體帶來(lái)的擴(kuò)孔作用增強(qiáng),最終使吸附劑的比表面積增大。由表1可知,焙燒溫度對(duì)吸附劑的孔結(jié)構(gòu)影響較大,其比表面積隨著焙燒溫度的升高先增大后減小,并且在焙燒溫度為600 ℃時(shí),具有最高的比表面積。這是由于焙燒溫度較低時(shí),產(chǎn)物碳酸鋁銨不能完全分解,擴(kuò)孔作用較弱;焙燒溫度較高時(shí),碳酸鋁銨分解過(guò)快,擴(kuò)孔作用過(guò)強(qiáng),都會(huì)導(dǎo)致吸附劑比表面積較小。
表1 不同條件下制備的吸附劑的物理特性Table 1 Physical properties of sorbents prepared under different conditions
圖1 不同條件下制備的樣品的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of samples prepared under different conditions
圖1為不同條件下制備的吸附劑的XRD譜圖。由圖1(a)可知,不同pH值下制備的吸附劑在37.6,45.9和67.0°附近存在XRD衍射峰,其歸屬于γ-Al2O3,當(dāng)在pH值為8.0,8.5和9.0時(shí)制得的吸附劑,其XRD衍射峰的強(qiáng)度較在pH值為7.0和7.5下制得的吸附劑的衍射峰要高,說(shuō)明其結(jié)晶度更好,但峰形明顯寬化,這是氧化鋁晶粒細(xì)化的體現(xiàn);但不同pH值下制備的吸附劑均未發(fā)現(xiàn)氧化鈀和氧化鐵的衍射峰,這是由于小晶粒衍射峰的寬化效應(yīng)引起,一方面活性組分含量較少,形成的晶粒較小,另一方面活性組分在吸附劑中分散度較高。由圖1(b)可知,各樣品的γ-Al2O3的XRD衍射峰強(qiáng)度隨著焙燒溫度的升高,峰形逐漸變得尖銳,說(shuō)明氧化鋁結(jié)晶度提高,但所有樣品依然未出現(xiàn)氧化鈀和氧化鐵的衍射峰,這主要是由于吸附劑中Pd和Fe相關(guān)物種含量較少且分散均勻。
圖2為不同條件下制備的吸附劑的脫汞效率。由圖2(a)可知,在pH值為8.0,8.5和9.0制得的吸附劑脫汞活性較高,480 min內(nèi)脫汞率均可維持在90%以上;在pH值為7.0制得的吸附劑,其最初的120 min內(nèi)可維持90%以上的脫汞率,但隨著時(shí)間的延長(zhǎng),吸附劑的脫汞效率降低明顯,400 min后的脫汞效率僅為20%。這是由于當(dāng)制備pH值為7.0時(shí),沉淀產(chǎn)物為混有勃姆石凝膠的無(wú)定型氫氧化鋁,其在焙燒時(shí)團(tuán)聚嚴(yán)重,導(dǎo)致吸附劑的活性組分被包藏在載體團(tuán)聚體顆粒內(nèi)部而無(wú)法用于脫除單質(zhì)汞,另一方面是由于吸附劑FS-pH(7)T(700)的比表面積較小,活性組分在載體上的分散度較差從而導(dǎo)致其脫汞活性最差。
由圖2(b)可知,焙燒溫度為700和800 ℃時(shí),吸附劑活性最好,480 min內(nèi)吸附劑脫汞效率可保持在90%以上,但焙燒溫度為800 ℃的吸附劑的脫汞活性在480 min內(nèi)整體比700 ℃的略微低些;焙燒溫度為500 ℃時(shí),吸附劑活性最差,30 min后脫汞活性下降趨勢(shì)劇烈,480 min時(shí)脫汞效率僅為30%;焙燒溫度為600 ℃時(shí),吸附劑的脫汞活性下降趨勢(shì)緩慢,480 min時(shí)下降到71%。
圖2 不同條件下制備的1Pd5Fe/Al2O3吸附劑的脫汞效率Fig.2 Efficiency of Hg removal over the 1Pd5Fe/Al2O3 sorbents prepared under different conditions
圖3為不同吸附劑評(píng)價(jià)前后的拉曼圖譜。圖中,在拉曼位移為645 cm-1處的特征峰歸屬于PdO,1 123 cm-1處的特征峰歸屬于Al2O3,1 327 cm-1處為Fe2O3的特征峰。由圖可知,相同pH值下,焙燒溫度越高,吸附劑在645 cm-1處PdO的特征峰越強(qiáng),且出現(xiàn)了微弱的氧化鐵的峰,這說(shuō)明隨著焙燒溫度的升高,吸附劑中各組分晶粒變大,晶體規(guī)整度提高,這與XRD表征結(jié)果基本一致。相同焙燒溫度下,吸附劑中PdO的峰強(qiáng)度隨著pH值的升高先增強(qiáng)后減弱,這說(shuō)明隨著pH值的升高,晶體規(guī)整度與PdO分散的均勻性同時(shí)提高,而提高活性組分,晶體規(guī)整度和分散性有助于吸附劑對(duì)汞的脫除。這一結(jié)果與圖2(a)所示的評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合。脫汞活性評(píng)價(jià)后,所有吸附劑在645 cm-1處的PdO的特征峰幾乎消失,可能是由于PdO直接參與了反應(yīng),或者被煤氣中的還原性組分還原成了Pd0,而Pd0的含量較少,因而譜圖中沒(méi)有出現(xiàn)Pd0的拉曼特征峰。
圖3 吸附劑評(píng)價(jià)前后的Raman圖譜Fig.3 Raman spectra of fresh and used sorbents
為了揭示吸附劑的脫汞活性組分化學(xué)信息,對(duì)評(píng)價(jià)前后的pH(8)T(700)吸附劑進(jìn)行了XPS分析,結(jié)果如圖4所示。
圖4 吸附劑評(píng)價(jià)前后的XPS圖譜Fig.4 XPS spectra of fresh and used sorbents
由圖4(a)可知,對(duì)于新鮮吸附劑,PdO的3d5/2和3d3/2的結(jié)合能分別為336.9和342.2 eV[14,15];活性評(píng)價(jià)后的吸附劑上除了存在Pd2+,還含有結(jié)合能位于335.5和 340.8 eV的Pd0[16]。研究表明[17],PdO的還原溫度在60 ℃左右,即在活性評(píng)價(jià)溫度200 ℃下PdO被H2和CO迅速還原為Pd0。由圖4(b)可知,評(píng)價(jià)后Fe2O3的峰強(qiáng)度變?nèi)?,這可能是由于Fe2O3參與了活性評(píng)價(jià)過(guò)程中的某些化學(xué)反應(yīng)[10]。由圖4(c)可知,在161.2,162.4和163.9 eV處有3個(gè)硫元素的結(jié)合能,其分別可歸屬為PdS[18],F(xiàn)eS[19]以及單質(zhì)S[20]。由圖4(d)可知,Hg元素存在99.5和102.3 eV[21]兩個(gè)結(jié)合能,其分別歸屬于Hg0和Hg2+,其對(duì)應(yīng)的物質(zhì)為Pd-Hg合金及HgS[22]。
XPS能譜圖中光電子譜線強(qiáng)度(光電子峰的面積)可以反映吸附劑表面原子的含量。不同吸附劑評(píng)價(jià)前后Pd,F(xiàn)e和S的表面含量如表2所示。對(duì)于新鮮吸附劑,500,700和800 ℃下焙燒的吸附劑上PdO表面含量分別為0.06%,0.09%及0.10%,氧化鐵的表面含量依次為0.96%,0.99%及1.11%,吸附劑評(píng)價(jià)后表面硫含量依次1.11%,1.99%及2.22%。結(jié)果表明,隨著焙燒溫度的升高,Pd和Fe的表面元素含量增高,說(shuō)明較高溫度的焙燒能使吸附劑中的PdO和Fe2O3發(fā)生遷移,由吸附劑的體相向表面遷移聚集,但溫度過(guò)高又會(huì)使活性組分團(tuán)聚,最終導(dǎo)致吸附劑的活性下降,與活性評(píng)價(jià)結(jié)果一致?;钚栽u(píng)價(jià)后Fe2O3的表面含量明顯降低,這是因?yàn)镕e2O3可以與煤氣中的H2S反應(yīng)而被消耗;表面的硫含量隨著Fe含量的增加而增加,是由于含S物種(單質(zhì)硫,F(xiàn)eSx,PdS和HgS等)的生成。
表2 吸附劑評(píng)價(jià)前后Pd,F(xiàn)e和S的表面含量Table 2 Contents of Pd, Fe and S on the surface of fresh and used sorbents
通過(guò)上述表征結(jié)果可以得到Pd-Fe/Al2O3吸附劑的脫汞機(jī)理如下所示:
以硝酸鋁、硝酸鐵和硝酸鈀為前驅(qū)體溶液,以碳酸銨為沉淀劑,采用共沉淀法成功制備了雙金屬吸附劑1Pd5Fe/Al2O3。實(shí)驗(yàn)表明沉淀體系pH值和焙燒溫度對(duì)吸附劑的物理結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)有較大影響。當(dāng)pH值大于8時(shí)可生成碳酸鋁銨沉淀,且生成量隨pH值升高而增加,碳酸鋁銨在焙燒時(shí)可分解產(chǎn)生NH3,CO2和H2O等氣體帶來(lái)擴(kuò)孔作用。吸附劑的比表面積隨焙燒溫度的升高先增大后減小,這是由于焙燒溫度過(guò)低時(shí),碳酸鋁銨分解不充分使擴(kuò)孔作用較弱,焙燒溫度過(guò)高時(shí),碳酸鋁銨分解過(guò)快使擴(kuò)孔作用過(guò)強(qiáng),均會(huì)導(dǎo)致吸附劑比表面積變小。在pH值為8,焙燒溫度為700 ℃的條件下制得1Pd5Fe/Al2O3具有較高的比表面積,且活性組分Pd表面含量最高、分散較為均勻,該條件下制備的吸附劑脫汞效率在480 min內(nèi)可維持在95%以上,具有較佳的脫汞活性。
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