氯改性活性炭吸附單質(zhì)鉛(Pb0)的機(jī)理

余岳溪,劉曉碩,李 昂,廖永進(jìn),蘭萬(wàn)里

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氯改性活性炭吸附單質(zhì)鉛(Pb0)的機(jī)理

余岳溪1,劉曉碩2*,李 昂2,廖永進(jìn)1,蘭萬(wàn)里2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,廣東 廣州 510080；2.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,河北 保定 071003)

利用量子化學(xué)中密度泛函方法系統(tǒng)研究氯改性活性炭吸附單質(zhì)鉛(Pb0)的機(jī)理,明確了氯改性對(duì)活性炭吸附Pb0的影響,計(jì)算得到吸附過(guò)程中各個(gè)吸附構(gòu)型的吸附能、重要鍵長(zhǎng)、對(duì)應(yīng)的Mayor鍵級(jí)和鉛的Mulliken原子電荷.幾何優(yōu)化選用B3LYP方法結(jié)合def2-SVP基組,單點(diǎn)能任務(wù)選用PWPB95雙雜化泛函結(jié)合def2-TZVP基組進(jìn)行計(jì)算.結(jié)果表明:對(duì)于扶手椅型(armchair)活性炭,氯改性將使活性炭對(duì)Pb0的吸附能降低74.034kJ/mol;對(duì)于鋸齒型(zigzag)活性炭,氯改性基本不會(huì)改變活性炭對(duì)Pb0的吸附能力,因此氯改性總體上會(huì)減弱活性炭對(duì)Pb0的吸附作用,但是吸附類型依然為強(qiáng)烈的化學(xué)吸附.分別應(yīng)用電子密度分布和Mayor鍵級(jí)進(jìn)一步驗(yàn)證純活性炭和氯改性活性炭對(duì)Pb0吸附類型,結(jié)果與吸附能分析一致.Mayor鍵級(jí)分析表明氯原子通過(guò)改變周圍碳原子活性影響Pb0的吸附,而不是與Pb0直接作用.Mulliken原子電荷分析表明鉛的原子電荷正相關(guān)于活性炭對(duì)其的吸附能,鉛的原子電荷越大,對(duì)應(yīng)的吸附構(gòu)型的吸附能越高.此外筆者發(fā)現(xiàn)Pb0的引入對(duì)氯改性活性炭繼續(xù)吸附Pb0有抑制作用.

活性炭；氯改性；單質(zhì)鉛；吸附；密度泛函理論

鉛是一種劇毒、半揮發(fā)、易富集的重金屬元素.它不僅僅會(huì)通過(guò)土壤、水源、大氣破壞自然環(huán)境,而且會(huì)引起人類的貧血、動(dòng)脈痙攣、視網(wǎng)膜出血、智力發(fā)育障礙甚至死亡[1].鉛污染主要來(lái)源于燃煤、燃油[2]等人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng).調(diào)查表明:火力發(fā)電廠的燃煤煙氣排放是鉛排放最重要的來(lái)源[3].中國(guó)燃煤電廠排鉛量高達(dá)燃油汽車排鉛量的35倍[4],因此燃煤電廠脫鉛迫在眉睫.

燃煤電廠沒(méi)有專門的脫鉛裝置,脫鉛是利用電廠脫汞時(shí)的活性炭濺射隨著單質(zhì)汞一起脫除[5].鄧雙等[6]通過(guò)采集6臺(tái)燃煤鍋爐的煤質(zhì)、煙氣、底渣以及脫硫漿液石膏等樣品,并研究了煙氣中的鉛的分布形態(tài),發(fā)現(xiàn)鍋爐中80%的鉛類會(huì)被煙氣中的炭基材料吸附.現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中,純凈的活性炭對(duì)Hg0的吸附效果較差,電廠通常會(huì)對(duì)活性炭進(jìn)行鹵素(如氯)改性,進(jìn)而提高活性炭對(duì)Hg0的吸附能力[7].前期研究揭示純凈的活性炭對(duì)于Pb0的吸附屬于較強(qiáng)的化學(xué)吸附[3],但燃煤電廠進(jìn)行氯改性的做法會(huì)對(duì)煙氣中Pb0的脫除產(chǎn)生何種影響,以及造成相關(guān)影響的機(jī)理卻不甚明晰.因此,有必要針對(duì)氯改性對(duì)活性炭吸附Pb0的影響進(jìn)行系統(tǒng)的研究.

活性炭表面主要存在扶手椅型和鋸齒型2種活性位邊緣,在實(shí)際吸附過(guò)程中,對(duì)每一種活性炭來(lái)講,這2種活性邊緣都應(yīng)該是大量存在且相互摻雜的,很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法將它們分離,更難通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段分別檢測(cè)它們對(duì)Pb0的吸附能力和吸附貢獻(xiàn).量子化學(xué)方法很好地彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)方法的不足,并已在分子尺度揭示不同活性炭邊緣對(duì)痕量元素的吸附機(jī)理方面得到了廣泛的應(yīng)用[8-10].例如,趙鵬飛等[11]利用量子化學(xué)中的密度泛函理論研究了氯改性對(duì)活性炭吸附Hg0的影響及相關(guān)機(jī)理,計(jì)算結(jié)果表明鹵素對(duì)活性炭吸附Hg0具有促進(jìn)作用.因此,本文也將采用量子化學(xué)中的密度泛函理論,進(jìn)一步研究氯改性活性炭對(duì)Pb0吸附的影響.通過(guò)確定不同位點(diǎn)的吸附構(gòu)型,計(jì)算各個(gè)構(gòu)型的吸附能、鍵長(zhǎng)、鍵級(jí)、原子電荷等參數(shù).擬通過(guò)本研究揭示燃煤電廠中活性炭的氯改性對(duì)其脫鉛性能的影響,從而有效指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)中的鉛污染治理.

1 計(jì)算理論

1.1 理論方法

量子化學(xué)中的密度泛函方法(DFT)在有效地保證了精度的前提下減少了計(jì)算耗時(shí)[12],已經(jīng)被大量應(yīng)用于炭基材料吸附有毒氣體的機(jī)理性研究[13-15].本文在計(jì)算中,結(jié)構(gòu)優(yōu)化任務(wù)采用B3LYP (Becke三參數(shù)Lee-Yang-Parr密度泛函方法)/def2-SVP (Ahlrichs默認(rèn)分裂價(jià)層極化基組)級(jí)別的方法和基組的組合.同時(shí)為了獲取更精確的能量信息,對(duì)已優(yōu)化完成的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步在PWPB95(雙雜化泛函)/def2-TZVP(Ahlrichs默認(rèn)三zeta價(jià)層極化基組)級(jí)別下進(jìn)行了單點(diǎn)能計(jì)算.Gao等[16]利用B3LYP/def2-SVP級(jí)別方法和基組對(duì)活性炭吸附As2O3的相關(guān)吸附結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,成功揭示了活性炭表面官能團(tuán)對(duì)其吸附砷類污染物的影響,因此說(shuō)明B3LYP/def2-SVP精度可以滿足活性炭吸附重金屬元素的理論研究.選取PWPB95雙雜化泛函和def2-TZVP基組作為單點(diǎn)能的計(jì)算級(jí)別則是依據(jù)其計(jì)算精度更高,并且在炭基吸附氣體的理論研究中有著廣泛的應(yīng)用[17].本文所有計(jì)算均利用Becke- Johnson阻尼函數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)程色散D3校正[18],利用gCP進(jìn)行基組重疊誤差BSSE校正[19].計(jì)算中,RI擬合近似技術(shù)被用于電子自洽場(chǎng)迭代加速(輔助基組為def2-TZVPP)[20],RI本身帶來(lái)的能量誤差非常小,可以忽略不計(jì)[21].

鹵素原子以及氣體分子在活性炭表面的吸附能(ads)可以由下列公式獲得[22]:

式中: E代表吸附過(guò)程后整個(gè)體系的總能量;E表示吸附劑的能量;E表示被吸附物質(zhì)的能量.Eads為負(fù)數(shù),表示吸附過(guò)程放熱,負(fù)值的絕對(duì)值越大,示吸附越穩(wěn)定.當(dāng)Eads小于-30kJ/mol時(shí),吸附作用較弱,屬于物理吸;當(dāng)Eads大于-40kJ/mol時(shí),吸附作用較強(qiáng),屬于化學(xué)吸附.量子化學(xué)中Mulliken電荷被廣泛應(yīng)用于原子電荷的求解,Mayor鍵級(jí)可以很好地描述成鍵強(qiáng)度,鍵級(jí)越接近1,代表原子間成鍵強(qiáng)度越大,鍵級(jí)越接近0,代表原子間作用力越小.本文所有計(jì)算均基于ORCA 4.0.1軟件包[23],所有能量均是考慮不同自旋多重度后的基態(tài)能量.

1.2 模型選擇

有限碳環(huán)石墨烯團(tuán)簇模型(3~7個(gè)苯環(huán))可以有效模擬活性炭結(jié)構(gòu)[24],并被大量地應(yīng)用在活性炭吸附氣體的機(jī)理研究中[25-27].盡管活性炭的形狀和大小多種多樣,但是Montoya等[28]指出活性炭表面活性僅和其邊緣形狀相關(guān),而與其尺寸關(guān)系不大.扶手椅型(armchair)和鋸齒型(zigzag)團(tuán)簇模型很好地描述了活性炭的邊緣結(jié)構(gòu),其主要的構(gòu)建方法是利用H原子封閉有限碳環(huán)石墨烯的部分邊緣碳原子,而僅僅留下一側(cè)的未封閉碳原子作為活性位點(diǎn).Liu[29]等利用扶手椅型和鋸齒型活性炭結(jié)構(gòu)成功研究了鹵素對(duì)于活性炭吸附元素汞影響的機(jī)理.Gao等[30]利用扶手椅型和鋸齒型活性炭結(jié)構(gòu)研究了N2O分子在活性炭表面的異相還原反應(yīng)過(guò)程.考慮到2種活性炭邊緣結(jié)構(gòu)應(yīng)該是大量存在且相互摻雜的,本文將同時(shí)利用扶手椅型和鋸齒型邊緣結(jié)構(gòu)模擬活性炭表面,系統(tǒng)研究燃煤電廠中鹵素添加對(duì)活性炭吸附煙氣中單質(zhì)鉛的影響.

本文建立的活性炭模型如圖1所示:灰球?yàn)樘荚?白球?yàn)闅湓?原子序號(hào)由Gaussview5.0自動(dòng)生成.通過(guò)對(duì)這兩種模型的幾何優(yōu)化,得到任意原子間幾何二面角均為00或者1800,符合石墨烯的二維材料特性.計(jì)算得到扶手椅型活性炭模型的C—C鍵長(zhǎng)平均值為1.41?,C—C—C鍵角均值為120.020;鋸齒型活性炭模型的C—C鍵長(zhǎng)平均值為1.40?,C—C—C鍵角均值為120.010,這與石墨烯材料的實(shí)驗(yàn)值十分吻合(實(shí)驗(yàn)C—C鍵長(zhǎng)1.42?,C—C—C鍵角為1200)說(shuō)明本文選用的計(jì)算方法及計(jì)算基組是合理的.

圖1 活性炭表面模型

2 結(jié)果分析

2.1 活性炭對(duì)單質(zhì)鉛(Pb0)的吸附

為了研究鹵素對(duì)于活性炭吸附Pb0的影響,首先研究純凈活性炭對(duì)Pb0的吸附.對(duì)于扶手椅型活性炭,分別利用其邊緣的凸起位置和凹陷位置作為活性位點(diǎn)進(jìn)行Pb0的吸附,吸附后的吸附能、部分鍵長(zhǎng)、鍵級(jí)、原子電荷如表1所示,相應(yīng)的吸附構(gòu)型見(jiàn)圖2.顯然,Pb0吸附在扶手椅型活性炭表面的凹陷位置時(shí),吸附能較大,整個(gè)吸附體系更加穩(wěn)定.因此,在后續(xù)的分析中,對(duì)鹵素改性扶手椅型活性炭吸附單質(zhì)鉛的相關(guān)研究將以純凈活性炭凹陷位點(diǎn)吸附鉛為參照對(duì)象.類似地,對(duì)于鋸齒型模型吸附單質(zhì)鉛,根據(jù)Gao等[5]的研究,Pb0吸附在鋸齒型活性炭表面的凹陷位置時(shí),吸附能較大,因此有關(guān)鹵素改性的鋸齒型活性炭吸附單質(zhì)鉛的工作也將使用純凈活性炭凹陷位點(diǎn)吸附鉛做對(duì)照,其具體吸附構(gòu)型如圖3所示.其中,扶手型活性炭邊緣的33號(hào)原子及鋸齒型活性炭邊緣的35號(hào)原子為鉛原子.吸附體系的電子密度等值線圖可以直觀地描繪活性炭和被吸附氣體之間的電子密度,并進(jìn)一步揭示成鍵方式與吸附類型. Shen等[31]利用電子密度等值線圖定性分析了H2S分子在活性炭表面的吸附行為,并指出由于H2S分子和活性炭之間的電子密度十分密集,導(dǎo)致兩者之間化學(xué)鍵成鍵較強(qiáng),從而解釋了實(shí)驗(yàn)中活性炭對(duì)H2S吸附效果良好的原因.因此,本文也將對(duì)活性炭吸附Pb0進(jìn)行電子密度分析,并通過(guò)將計(jì)算產(chǎn)生的波函數(shù)文件導(dǎo)入多功能波函數(shù)分析軟件Multiwfn[32]得到Pb0在不同炭基模型下的電子密度等值線圖:扶手椅型和鋸齒型炭基模型的電子密度分布如圖4所示.

圖2 扶手椅型活性炭吸附Pb0

圖3 鋸齒型型活性炭吸附Pb0

表1 單質(zhì)鉛在純凈活性炭表面吸附的相關(guān)參數(shù)

圖4 活性炭吸鉛電子密度

2.2 鹵素對(duì)活性炭吸附單質(zhì)鉛(Pb0)的影響

鹵素改性的活性炭對(duì)單質(zhì)汞的吸附能力比純凈活性炭強(qiáng),因此利用鹵素改性純凈活性炭,提高其對(duì)汞的脫除效率已經(jīng)成為了燃煤電廠脫汞常用的手段.但是,鹵素的添加是否會(huì)促進(jìn)或者抑制活性炭濺射時(shí)單質(zhì)鉛的脫除卻由于缺乏相應(yīng)的研究不為人所知,因此,研究鹵素添加對(duì)活性炭吸附單質(zhì)鉛的影響非常必要.

本文用氯原子的側(cè)位吸附構(gòu)型模擬鹵素改性的活性炭,這種方法經(jīng)Liu等[29]的驗(yàn)證,得到的結(jié)論能很好地解釋實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象.氯改性后的活性炭吸附單質(zhì)鉛的最優(yōu)構(gòu)型如圖5所示,(a)圖33號(hào)和(b)圖35號(hào)原子為氯原子.所得到的結(jié)果均為平行的整體吸附,吸附相關(guān)的參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 單質(zhì)鉛在氯改性活性炭表面吸附的相關(guān)參數(shù)

由表1、2可知,鹵素改性之后的扶手椅型活性炭吸附Pb0的吸附能由-322.091kJ/mol下降至-248.057kJ/mol,吸附能降低了74.034kJ/mol,下降幅度非常大.對(duì)于鋸齒型活性炭吸附Pb0,其吸附能雖然由-368.127kJ/mol上升至-373.618kJ/mol,但是其值僅僅提高了5.491kJ/mol,可忽略不計(jì).因此,綜合考慮兩種氯改性活性炭模型吸附Pb0的效果,本文認(rèn)為:活性炭的氯改性降低了活性炭脫鉛的能力,但是氯改性后的活性炭對(duì)Pb0的吸附依然為化學(xué)吸附.此外發(fā)現(xiàn):氯改性前后,鋸齒型活性位對(duì)Pb0的吸附能均大于扶手椅型活性位邊緣對(duì)Pb0的吸附能,所以氯改性前后活性炭吸附Pb0時(shí),鋸齒型活性炭對(duì)吸附的貢獻(xiàn)均強(qiáng)于扶手椅型活性炭.

為了進(jìn)一步揭示氯改性活性炭吸附Pb0的機(jī)理,本文對(duì)氯改性活性炭吸附Pb0進(jìn)行鍵級(jí)分析.Mayor鍵級(jí)能夠很好的描述炭基材料吸附金屬體系的原子間化學(xué)鍵強(qiáng)度[16].同一類化學(xué)鍵的鍵長(zhǎng)越小,代表相關(guān)原子間作用力越強(qiáng),表2的氯改性扶手椅型活性炭的Pb—Cl鍵長(zhǎng)小于氯改性鋸齒型活性炭,說(shuō)明氯改性扶手椅型活性炭的Pb—Cl原子間作用力強(qiáng)于鋸齒型,而同時(shí)氯改性扶手椅型活性炭的Pb—Cl鍵對(duì)應(yīng)的Mayor鍵級(jí)也恰好大于氯改性鋸齒型活性炭的Mayor鍵級(jí),因此表明Mayor鍵級(jí)分析適用于本文體系.氯改性扶手椅型活性炭Pb—Cl鍵的Mayor鍵級(jí)僅僅為0.051,表明Cl原子與Pb原子之間的作用力很弱,相反,氯改性扶手椅型活性炭的Pb—C(5)以及Pb—C(6)的鍵級(jí)分別為0.941和0.918,它們的值均接近于1,說(shuō)明Pb原子與活性炭表面有著強(qiáng)烈的作用力,所以鉛吸附與活性炭邊緣的碳原子直接相關(guān),而與Cl原子無(wú)直接關(guān)系,Cl原子僅僅是通過(guò)改變其周圍碳原子的活性來(lái)影響活性炭的吸附能力.同理,氯改性鋸齒型活性炭的Pb—Cl鍵的鍵級(jí)僅僅為0.069,說(shuō)明對(duì)于鋸齒型改性活性炭來(lái)說(shuō),Cl原子和Pb原子之間的相互作用力同樣很小,Cl原子也是通過(guò)改變其周圍碳原子的活性來(lái)影響活性炭的吸附能力.Pb—C(9)和Pb—C(11)的鍵級(jí)達(dá)到了0.862和0.801,說(shuō)明這2個(gè)化學(xué)鍵均為較強(qiáng)的共價(jià)鍵.由表2中Pb0在2種氯改性活性炭表面的吸附參數(shù)可知,兩種吸附類型均屬于強(qiáng)烈的化學(xué)吸附(吸附能分別為-248.057和-373.618kJ/mol),因此綜合Mayor鍵級(jí)分析和吸附能計(jì)算結(jié)果,作者認(rèn)為氯改性后活性炭依然保存有強(qiáng)大的吸附Pb0的能力.

圖5 氯改性活性炭吸附鉛的構(gòu)型

為了進(jìn)一步揭示活性炭吸附鉛的機(jī)理,本文對(duì)比所有活性炭模型的吸附能和Pb的原子電荷發(fā)現(xiàn),Pb的原子電荷和相應(yīng)的吸附能呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系.對(duì)表1和表2中的Pb的原子電荷和吸附能進(jìn)行線性擬合,得到如圖6所示的線性關(guān)系,表達(dá)式為:=-1634.84+447.85.說(shuō)明Pb的帶電量越大、與吸附劑之間電荷轉(zhuǎn)移越多,其對(duì)應(yīng)的活性炭吸附Pb0的吸附能越大.

圖6 Pb原子電荷與吸附能的線性關(guān)系

另外,活性炭濺射法可以同時(shí)吸附單質(zhì)鉛和單質(zhì)汞,結(jié)合前人對(duì)汞的研究以及本文的研究,氯改性會(huì)使活性炭對(duì)汞的吸附能力提高,對(duì)鉛的吸附能力降低.但是即使如此,氯改性活性炭對(duì)鉛的吸附能依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于對(duì)汞的吸附能(氯改性活性炭吸附汞的吸附能為-92.7kJ/mol[29]),因此,在實(shí)際的吸附過(guò)程中,鉛將會(huì)被活性炭?jī)?yōu)先脫除.而且考慮到燃煤電廠中汞的排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉛的排放量,以及巨大的活性炭投入量,鉛所占據(jù)的活性炭位點(diǎn)是很微量的,不會(huì)影響到汞的脫除.

2.3 Pb0引入對(duì)吸附Pb0的影響

如圖5,在氯改性活性炭吸附Pb0的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上繼續(xù)引進(jìn)一個(gè)Pb0原子,并在對(duì)多個(gè)初始構(gòu)型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后得到最穩(wěn)定構(gòu)型,具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7,吸附參數(shù)見(jiàn)表3.顯然,氯改性扶手椅型活性炭吸附第二個(gè)Pb0分子的吸附能為-237.117kJ/mol.數(shù)值略小于其對(duì)第一個(gè)Pb0分子的吸附能-248.057kJ/mol;氯改性鋸齒型活性炭吸附第二個(gè)Pb0分子的吸附能為-217.311kJ/mol,數(shù)值同樣小于其對(duì)第一個(gè)Pb0分子的吸附能-373.618kJ/mol,這表明:Pb0的引入削弱了氯改性活性炭吸附Pb0的能力,其中對(duì)氯改性鋸齒型活性炭的削弱效果尤為明顯.

表3 預(yù)吸附Pb0后的活性炭吸附Pb0的吸附參數(shù)

圖7 預(yù)吸附Pb0后的活性炭吸附Pb0的吸附構(gòu)型

從Mayor鍵級(jí)角度看,Pb(35)與氯改性扶手椅型活性炭的碳原子(C5、C15)鍵級(jí)分別為0.737與0.785,Pb(37)與氯改性鋸齒型活性炭的碳原子(C11、C15)鍵級(jí)分別為0.741與0.981,說(shuō)明此時(shí)鋸齒型活性炭表面的活性依然大于扶手椅型活性炭.但是這并不與氯改性扶手椅活性炭吸附第二個(gè)Pb0分子的吸附能(-237.117kJ/mol)大于氯改性鋸齒型活性炭的吸附能(-217.311kJ/mol)矛盾:因?yàn)槁雀男苑鍪忠涡突钚蕴课降腜b(34)與Pb(35)之間鍵級(jí)為0.420,數(shù)值達(dá)到了氯改性鋸齒型活性炭吸附時(shí)Pb(37)與Pb(36)之間鍵級(jí)的2倍(鍵級(jí)為0.206),表明此時(shí)Pb與Pb之間的作用力在扶手椅活性炭表面比鋸齒型活性炭表面更加強(qiáng)烈,從而引起了吸附能大小關(guān)系的改變.由此可見(jiàn),Pb0的引入不僅僅通過(guò)間接改變碳原子位點(diǎn)的活性影響吸附能力,而且會(huì)通過(guò)與第二個(gè)Pb0原子直接作用改變吸附結(jié)果.

3 結(jié)論

3.1 純凈活性炭與氯改性活性炭對(duì)Pb0的吸附均為化學(xué)吸附.所有類型活性炭均可以很好地吸附Pb0.

3.2 氯改性會(huì)使活性炭對(duì)Pb0的吸附能力減弱,但吸附類型依然屬于強(qiáng)烈的化學(xué)吸附.氯原子通過(guò)改變鄰位碳的活性影響吸附.

3.3 活性炭對(duì)Pb0的吸附能與Pb的原子電荷成正比,Pb的原子電荷越大,對(duì)應(yīng)的吸附結(jié)構(gòu)的吸附能越大.

3.4 氯改性不會(huì)影響活性炭吸附鉛和汞的順序,氯改性前后活性炭均會(huì)對(duì)Pb0優(yōu)先脫除.

3.5 預(yù)吸附Pb0后會(huì)削弱氯改性活性炭后續(xù)吸附Pb0的能力,預(yù)吸附的Pb0原子不僅通過(guò)改變鄰位碳活性影響吸附,而且直接作用于后續(xù)吸附的Pb0改變活性炭吸附能力.

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The mechanism of elemental lead (Pb0) adsorption on chlorine-embedded activated carbon.

YU Yue-xi1, LIU Xiao-shuo2*, LI Ang2, LIAO Yong-jin1, LAN Wan-li2

(1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Gride Corporation, Guangzhou 510080, China；2.School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)., 2019,39(5)：1847~1853

The investigation on adsorption mechanism of chlorine-modified activated carbon on elemental lead (Pb0) was conducted by density functional method using quantum chemistry method. In this study, we explored the effect of chlorine modification on adsorption of Pb0by activated carbon surface, and the adsorption energy, key bond length, corresponding Mayor bond order and Mulliken atomic charge of Pb0were acquired. Full-parameter geometrical optimization and single point energy were calculated at B3LYP/def2-SVP and PWPB95/def2-TZVP level. Results showed that the chlorine modification decreased the adsorption energy of Pb0on activated carbon by 74.034kJ/mol for armchair char but it had little influence on Pb0adsorption for zigzag char. Therefore, the chlorine modification would overall suppress the adsorption of Pb0on activated carbon, but the adsorption type still belongs to chemical adsorption. The result agreed with the conclusion in regards to Pb0adsorption energy on pure activated carbon and chlorine modified activated carbon using electronic density analysis and Mayor bond order analysis respectively. In addition, Mayor bond order analysis suggested chlorine atom would affect the Pb0adsorption via affecting carbon atoms, while rather than interacting with Pb0directly. Furthermore, the atomic charge of Pb0is correlated positively with the adsorption energy on activated carbon, and the higher atomic charge of Pb0, the larger adsorption energy of the corresponding adsorption configuration. Additionally, we found that the introduction of Pb0could block the adsorption of another Pb0on chlorine-modified carbon.

activated carbon；chlorine modification；Pb0；adsorption；density functional theory (DFT)

X131

A

1000-6923(2019)05-1847-07

余岳溪(1976-),男,廣東湛江人,高級(jí)工程師,碩士,主要從事火力發(fā)電廠機(jī)組調(diào)試,節(jié)能減排相關(guān)研究工作.發(fā)表論文30余篇.

2018-10-17

南方電網(wǎng)科研基金資助項(xiàng)目(K-GD2014-173)

*責(zé)任作者, 博士研究生, liuxiaoshuo@ncepu.edu.cn