活性炭纖維的改性制備方法及在燃煤煙氣脫汞工程中的應(yīng)用

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院,四川成都，610065)

煤炭是中國儲(chǔ)量豐富的化石燃料[1]，其燃燒產(chǎn)生的大量氮氧化物、硫氧化物及重金屬(Hg、Pb、As)排放進(jìn)入大氣，嚴(yán)重危害生態(tài)系統(tǒng)和人類健康。汞在常溫下具有強(qiáng)揮發(fā)性[2]，汞及其化合物進(jìn)入人體后會(huì)引起過敏、精神異常等疾病。我國煤中汞的平均含量[3]為0.15 mg/kg，有研究表明到2010年中國由燃煤引起的汞排放量已達(dá)253噸，控制燃煤引起的汞污染是亟待解決的問題。

1 煙氣中汞的主要控制技術(shù)

煤中的汞主要以硫化汞和氯化汞[4]等化合物的形式存在，在高溫燃燒過程中以氣態(tài)汞(Hg0、Hg2+)的形式釋放。氣態(tài)Hg0水溶性差，揮發(fā)性強(qiáng)，對生態(tài)環(huán)境的危害更大，因此如何將氣態(tài) Hg0轉(zhuǎn)化為水溶性更好的Hg2+成為控制汞污染的關(guān)鍵技術(shù)手段。

對煤炭進(jìn)行選洗可以達(dá)到部分脫汞的目的，F(xiàn)inkelman等[5]采用浮選法對煤中汞進(jìn)行脫除，發(fā)現(xiàn)該法能夠去除煤中約21%-37%的汞。洗煤技術(shù)[6]也可以通過減少煤中的灰分洗去富集在灰分顆粒上的汞，但幾乎所有的物理清洗技術(shù)并不能完全脫除燃煤中的重金屬[7]，這種技術(shù)在推廣和實(shí)行上受到一定的限制。

目前對燃煤煙氣中汞的脫除主要采用噴射吸附劑，常用的吸附劑主要有：飛灰、鈣基吸附劑、活性炭類吸附劑等。喬瑜等[8]研究了飛灰吸附劑對汞的吸附，發(fā)現(xiàn)飛灰中殘留的炭顆粒對二價(jià)汞化合物具有良好的吸附作用，且吸附作用是一個(gè)多因素綜合作用的結(jié)果。鈣基類吸附劑便宜易得，Liu[9]等人采用Ca(OH)2對煙氣中HgCl2進(jìn)行吸附，其去除效率能達(dá)到85%?；钚蕴款愇絼┦且环N優(yōu)良的吸附劑，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，孔隙結(jié)構(gòu)多，比表面積大，應(yīng)用十分廣泛。周強(qiáng)等[10]用NH4Cl改性活性炭脫汞，發(fā)現(xiàn)改性后產(chǎn)生的AC-Cl官能團(tuán)氧化煙氣中的Hg0，增強(qiáng)了氧化吸附作用。由于飛灰吸附劑只能在低汞濃度下發(fā)揮作用，鈣基在高溫(650-1200℃)條件下才能對各種形態(tài)的汞表現(xiàn)出較高的反應(yīng)活性[11]，活性炭吸附容量有限，因此亟需找到一種低溫下活性好，吸附量大的吸附劑以滿足脫汞需求?；钚蕴坷w維(ACFs)比表面積大，微孔數(shù)量多，且微孔開在固體表面，有較大的吸附勢可以吸附Hg，具有良好的除汞潛力。

2 活性炭纖維的改性及制備方法

通過一些物化手段改變吸附劑表面的官能團(tuán)數(shù)量性質(zhì)，增加表面活性位點(diǎn)數(shù)量或負(fù)載具有催化氧化特性的金屬氧化物對ACFs進(jìn)行改性，可以強(qiáng)化對氣態(tài)汞的吸附性或?qū)g0轉(zhuǎn)化為水溶性好的 Hg2+，有利于汞的進(jìn)一步脫除?；钚蕴坷w維改性方法可以分為鹵素改性和非鹵素改性兩大類。

鹵素改性是指將含有 Cl、Br、I 元素的物質(zhì)負(fù)載在活性炭纖維上，利用鹵素元素的活性，將汞氧化成更易吸附的形態(tài)，從而提高汞的脫除效率。張星[12]等人用CeCl3溶液浸漬法改性活性炭纖維，發(fā)現(xiàn)在150℃，CeCl3負(fù)載量為5%時(shí)脫汞效率最好，能達(dá)到90%，且煙氣中的 NO對單質(zhì)汞的脫除具有促進(jìn)作用。Huston[13]等人制備了溴改性活性炭纖維，結(jié)果表明改性后的活性炭纖維吸附汞的能力大大提高，并推斷出元素汞的脫除路徑是Hg0首先被溴元素氧化后再與溴化物或硫酸鹽相結(jié)合。

非鹵素改性是指將某些金屬、金屬氧化物或某些含氧、氮、硫官能團(tuán)負(fù)載在活性炭纖維表面以提高汞脫除能力的方法。任建莉[14]等人對ACFs分別采用了濃硝酸(ACF-N)、濃硝酸-半脫附(ACF-N-D)、 空氣活化(ACF-A)浸漬處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)改性后的ACFs對汞的吸附性能均得到了不同程度的提升。陳博[15]等人采用聚苯硫醚(PPS)纖維和粘膠基活性炭纖維按1：1混合后浸泡制成PPS摻炭纖維，結(jié)果表明PPS摻炭纖維對Hg0的吸附是多種吸附的共同結(jié)果，其脫汞效率最高能夠達(dá)到65%。許綠絲[16]等人用不同濃度氨水溶液浸泡ACFs，干燥后用X射線電子能譜( XPS)掃描，測定其活化處理前后ACFs的 O、C、N 原子濃度并通過Matlab軟件對C1S譜圖進(jìn)行解迭處理得到表面含氧官能團(tuán)的變化，發(fā)現(xiàn)活性炭纖維無論對Hg0和Hg2+都有很強(qiáng)的物理吸附能力，經(jīng)過氨水活化處理后ACFs對Hg0和Hg2+有不同的吸附能力，這是由于表面官能團(tuán)C=N 和C=O的含量不同導(dǎo)致的，改性后的ACFs吸附總汞的效果明顯比原始ACFs好。殷求義[17]用硝酸銀、硝酸錳、高錳酸鉀浸漬改性ACFs，發(fā)現(xiàn)ACFs對汞的吸附性能與AgNO3、KMnO4濃度正相關(guān)，Mn(NO3)2改性后ACFs的吸附能力反而降低。

3 建議及展望

目前國內(nèi)外對燃煤電廠煙氣中汞的控制及治理技術(shù)已經(jīng)有大量的研究，但采用靜電除塵器(ESP)+溴改性粉末狀活性炭脫汞技術(shù)是目前唯一得到應(yīng)用的燃煤電廠脫汞技術(shù)[18]。對于活性炭纖維的研究相對較少且大部分技術(shù)還局限在實(shí)驗(yàn)室研究階段，活性炭纖維用量大，成本高等應(yīng)用性問題在技術(shù)大面積推廣之前仍需解決。經(jīng)濟(jì)、高效、可再生的活性炭纖維吸附劑的開發(fā)是將來研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)；目前的研究大多集中在活性炭纖維及其改性的研制與實(shí)際應(yīng)用方面，對汞的吸附機(jī)理的研究并不是很多，對汞的吸附機(jī)制，利用量子化學(xué)方法對活性炭吸附脫汞機(jī)理研究具有重要的理論指導(dǎo)意義，也是重要的研究方向之一。