縱宇浩,王 虎,常崢峰,黃 力,江曉明,董云山,司風(fēng)琪
(1.大唐南京環(huán)??萍加邢挢?zé)任公司,江蘇 南京 211111;2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室,江蘇 南京 210096)
汞(Hg)作為一種揮發(fā)性強、生物累積效應(yīng)明顯的劇毒重金屬,會給人類健康、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟建設(shè)帶來極大危害,如何有效控制燃煤和垃圾焚燒煙氣中的汞排放是一個重要課題[1]。從形態(tài)分布看,煙氣中的汞主要有3種存在形式,即單質(zhì)汞(Hg0)、氧化態(tài)汞(Hg2+)和顆粒態(tài)汞(HgP)。其形態(tài)與煙氣溫度以及成分如飛灰、SO2、NOx、鹵族元素等因素有關(guān),Hg0揮發(fā)性強,水溶性低,性質(zhì)穩(wěn)定,難以利用煙氣除塵或脫硫裝置實現(xiàn)捕集[2];Hg2+易吸附于顆粒物且易溶于水,易于利用煙氣污染物控制裝置加以脫除;HgP如HgCl2、HgO、HgSO4及HgS等可吸附于飛灰上被除塵裝置捕集??梢?,設(shè)法將Hg0氧化脫除是煙氣脫汞的重要思路[3]。
隨著基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展以及多學(xué)科跨領(lǐng)域的交叉滲透,研究者利用多種物理化學(xué)交叉手段開發(fā)出多種以羥基自由基(·OH)為代表的高級氧化工藝[4-6]。表1列出幾種常見氧化物的氧化電位。
表1 常見氧化物的氧化電位
從表1可見,·OH不但具有極強的氧化能力(氧化電位高達2.80 eV,僅次于氟的2.87 eV),還具有環(huán)保性和無選擇性,與大部分有機污染物的反應(yīng)速率常數(shù)達(1×107~1×108) mol·(L·s)-1,能夠輕易攻擊各種污染物并將其降解為無害產(chǎn)物,目前已在有機物水處理領(lǐng)域得到廣泛研究。在煙氣凈化領(lǐng)域,高級氧化煙氣凈化技術(shù)因氧化能力強、潔凈環(huán)保以及具有多污染一體化脫除的潛力而逐步得到重視和發(fā)展[7-9]。
UV(紫外光)/H2O2高級氧化工藝能夠釋放大量·OH自由基,無選擇性地攻擊并降解不同污染物[10-11],且具有工藝流程簡單、設(shè)備成熟可靠和潔凈環(huán)保等優(yōu)勢,已在化工和環(huán)保等水處理領(lǐng)域得到廣泛的研究與應(yīng)用,但將UV/H2O2高級氧化工藝應(yīng)用于煙氣中Hg0的氧化脫除還相當(dāng)罕見。本試驗在自制的光化學(xué)反應(yīng)器中,應(yīng)用UV/H2O2高級氧化工藝脫除模擬煙氣中的Hg0,并對脫除過程的工藝參數(shù)進行系統(tǒng)而深入的研究,為該技術(shù)的Hg0脫除以及最終的工業(yè)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ),同時也有利于促進光化學(xué)與能源化學(xué)的交叉發(fā)展,豐富燃煤煙氣和垃圾焚燒煙氣Hg0脫除技術(shù)[12]。
一般認為,UV/H2O2高級氧化工藝降解污染物的反應(yīng)機理是:(1)UV對污染物直接激發(fā)分解,即通過有效的紫外光光子直接激發(fā)污染物分子鍵的解離而發(fā)生光降解;(2)H2O2對污染物直接進行氧化分解;(3)·OH自由基的間接氧化,H2O2在一定波長紫外光照射下分解,并釋放出具有強氧化能力的·OH自由基,然后由·OH自由基將目標(biāo)污染物氧化降解。這3種反應(yīng)途徑中,·OH自由基的間接氧化一般占主導(dǎo)作用。H2O2在一定波長紫外光照射下的分解反應(yīng)如下[13-15]:
(1)
在自制光化學(xué)鼓泡反應(yīng)器上進行UV/H2O2高級氧化工藝氧化脫汞試驗,整個試驗裝置由煙氣模擬部分、反應(yīng)器部分和尾氣分析部分組成。試驗系統(tǒng)流程如圖1所示。
2.2.1 煙氣模擬部分
試驗采用鋼瓶標(biāo)準(zhǔn)氣1和2(南京特種氣體廠)模擬實際煙氣,N2和O2均為高純氣,汞蒸氣的發(fā)生主要依靠恒溫水浴5、U型管4、置于U形管中的汞滲透管3以及從氣瓶2來的高純N2載氣。汞滲透管3(美國VICI Metronics公司)是汞蒸氣發(fā)生源,原理主要是利用滲透管內(nèi)氣態(tài)和液態(tài)兩相汞的動態(tài)平衡,汞蒸氣在某一溫度以一定的滲透率滲透,再以恒定流量的高純N2載氣攜帶出來,在一定溫度和恒定流量載氣條件下可形成濃度穩(wěn)定的汞蒸氣。試驗中高純N2載氣流量為150 mL·min-1,用恒溫水浴5控溫以維持穩(wěn)定蒸發(fā)。汞滲透管的穩(wěn)定需要較長時間,兩次試驗的間歇過程中,停止水浴加熱,并保持穩(wěn)定的載氣流量,可在下次試驗開始時較快達到汞滲透管穩(wěn)定狀態(tài)。試驗中控制模擬煙氣總流量為2 L·min-1,各路氣體在氣體混合器10中混合均勻后進入后面的反應(yīng)器部分。汞蒸氣經(jīng)過的管路均有加熱帶纏繞,以防止汞蒸氣在管壁冷凝。
圖1 UV/H2O2高級氧化工藝脫汞試驗系統(tǒng)流程圖Figure 1 Flow chart of UV/H2O2 advanced oxidation process mercury removal test system 1.O2氣瓶;2.N2氣瓶;3.汞滲透管;4.U型管;5、6.恒溫水??;7~9.流量計;10.氣體混合器;11、12.閥門;13.光化學(xué)鼓泡反應(yīng)器;14.風(fēng)室;15.布風(fēng)板;16.反應(yīng)器換熱外套;17.水銀溫度計;18.橡皮塞;19.紫外燈;20.石英套管;21.換熱液循環(huán)泵;22.冷凝器;23.VM-3000汞分析儀;24.活性炭吸附箱;a.反應(yīng)器氣體入口;b.反應(yīng)器氣體出口;c.換熱液入口;d.換熱液出口;e.冷卻水入口;f.冷卻水出口
2.2.2 反應(yīng)器部分
反應(yīng)器部分的核心部件是定制的帶換熱外套的光化學(xué)鼓泡反應(yīng)器13,其主體由有機玻璃制成,反應(yīng)器內(nèi)徑50 mm,風(fēng)室14高度200 mm,布風(fēng)板15以上高度500 mm;使用過濾精度為20 μm的金屬粉末燒結(jié)板為布風(fēng)板,布風(fēng)板直徑50 mm,厚度8 mm。紫外燈19(南京華強電子有限公司)的燈管直徑為20 mm、長330 mm,有15 W和25 W兩種功率,主波長254.7 nm。紫外燈套上高透光率的石英套管20后置于光化學(xué)鼓泡反應(yīng)器內(nèi)。恒溫水浴6結(jié)合換熱液循環(huán)泵進行溫控,溫度由水銀溫度計測定。
2.2.3 尾氣分析部分
煙氣中單質(zhì)汞含量由VM-3000型汞分析儀23(德國Mercury Instruments公司)測量,在煙氣進入汞分析儀之前首先由冷凝器冷凝去除其中的水分,以避免水分對儀器影響和損傷。通過調(diào)節(jié)閥門11和12的開關(guān)分別測量煙氣中Hg0的初始濃度和反應(yīng)后尾氣中的殘留濃度。在試驗系統(tǒng)的末端設(shè)置有活性炭吸附箱24吸附尾氣中剩余的汞,防止二次污染。
2.2.4 化學(xué)試劑
試驗所用化學(xué)試劑為30%H2O2,分析純;去離子水。
首先關(guān)閉閥門11,打開閥門12,調(diào)節(jié)恒溫水浴5至一定溫度以維持汞滲透管的穩(wěn)定蒸發(fā),并調(diào)節(jié)流量計7~9以滿足不同配比要求,其中維持通過流量計9的高純N2載氣流量為150 mL·min-1,通過汞分析儀觀察煙氣中Hg0濃度的變化;與此同時,將配制好的H2O2溶液加入光化學(xué)鼓泡反應(yīng)器中布風(fēng)板以上的空間,通過調(diào)節(jié)恒溫水浴6結(jié)合換熱液循環(huán)泵21對反應(yīng)器進行控溫。待煙氣中的汞蒸氣濃度和反應(yīng)器溫度均穩(wěn)定后,打開閥門11,關(guān)閉閥門12,使煙氣進入光化學(xué)鼓泡反應(yīng)器中,預(yù)通一段時間待氣體流態(tài)穩(wěn)定后,打開紫外燈19開始記錄數(shù)據(jù)。
試驗中,通過汞分析儀每隔2 min記錄1次尾氣中Hg0濃度的數(shù)據(jù),每次試驗進行30 min。
每次試驗可記錄15個數(shù)據(jù),將15個數(shù)據(jù)取平均值作為尾氣中Hg0的最終濃度,煙氣中Hg0去除率由下式計算:
紫外燈功率對Hg0去除率的影響如圖2所示,煙氣總流量為2 L·min-1,恒溫水浴5維持80 ℃,O2體積分數(shù)為6%,H2O2溶液體積600 mL,H2O2初始濃度1.5 mol·L-1,溶液溫度30 ℃。
圖2 不同紫外燈功率下Hg0去除率Figure 2 Removal rate of Hg0 with different UV power
由圖2可見,沒有紫外燈,即紫外燈功率為0 W,僅依靠H2O2對Hg0直接氧化時,Hg0去除率為8.7%,可見H2O2對Hg0的氧化能力較弱,Hg0去除率很低;當(dāng)引入紫外燈后,Hg0去除率明顯增加(紫外燈功率為15 W時,Hg0去除率37.2%),表明紫外光在UV/H2O2高級氧化工藝中扮演重要作用,H2O2在一定波長的紫外光輻照下能夠發(fā)生反應(yīng)(1),釋放出大量氧化性極強的·OH自由基,·OH自由基通過氧化反應(yīng)有效脫除Hg0,因此,紫外燈的引入使得Hg0去除率顯著增加[16];當(dāng)紫外燈功率由15 W增加到25 W時,Hg0去除率由37.2%增加到51.6%,紫外燈功率的增加意味著在單位時間內(nèi)能夠產(chǎn)生更多有效的光量子,使得更多的H2O2受激發(fā)分解出·OH自由基,Hg0去除率增加。
H2O2初始濃度對Hg0去除率的影響如圖3所示。煙氣總流量為2 L·min-1,紫外燈功率為25 W,恒溫水浴5維持80 ℃,O2體積分數(shù)為6%,H2O2溶液體積600 mL,溶液溫度30 ℃。由圖3可以看出,當(dāng)H2O2初始濃度為0時,Hg0去除率極低(3.1%),可見紫外光對Hg0的激發(fā)氧化效果微乎其微;當(dāng)有H2O2加入時,Hg0去除率大幅增加,結(jié)合前面的結(jié)論可知,在UV/H2O2高級氧化工藝氧化脫汞試驗中,起氧化作用的主要是H2O2光解產(chǎn)生的·OH自由基;當(dāng)H2O2初始濃度從0.5 mol·L-1增加到1.5 mol·L-1時,Hg0去除率從26.6%增加到51.6%,繼續(xù)增加H2O2初始濃度,Hg0去除率增加幅度顯著減小[17],最終出現(xiàn)下降趨勢(51.6%→56.5%→55.9%)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能的原因是:(1)當(dāng)H2O2初始濃度比較低時,H2O2光解產(chǎn)生的·OH自由基也相較少,此時主要發(fā)生反應(yīng)(1),當(dāng)H2O2初始濃度增加時,·OH自由基產(chǎn)量也相應(yīng)增加,使得Hg0去除率增加;(2)當(dāng)H2O2初始濃度升高到一定程度時,系統(tǒng)過多的H2O2和·OH自由基將參與到一系列的副反應(yīng)中。
圖3 不同H2O2初始濃度下Hg0去除率Figure 3 Removal rate of Hg0 with different initial concentration of H2O2
過多的H2O2在作為·OH自由基發(fā)生劑的同時也扮演著·OH自由基猝滅劑的角色,系統(tǒng)過多的H2O2和·OH自由基之間會發(fā)生如下反應(yīng)[18-19]:
(2)
(3)
這兩個副反應(yīng)將極大地消耗H2O2和·OH自由基,另外,反應(yīng)(2)產(chǎn)生的·HO2自由基的氧化能力(1.60 eV)比·OH自由基(2.80 eV)低很多,對Hg0的氧化能力遠低于·OH自由基。
過多的·OH自由基之間也會相互結(jié)合重新生成H2O2,使系統(tǒng)氧化能力大大降低:
一是在組織和機構(gòu)方面,沒有建立穩(wěn)定的信息系統(tǒng)運行維護制度及經(jīng)費投資渠道,導(dǎo)致已建或在建系統(tǒng)不能充分發(fā)揮效益;二是在硬件設(shè)備配置方面,由于缺乏既熟悉水利行業(yè)特點、專業(yè)知識,又擁有計算機信息技術(shù)知識的第三方獨立咨詢機構(gòu),大量資金用于購買服務(wù)器、建網(wǎng)絡(luò)等,忽視了系統(tǒng)建設(shè)的周期性,急功近利,急于求成;三是在系統(tǒng)維護方面,目前基層部分水利工作人員知識面較窄,尤其是既熟悉水利行業(yè)又懂信息技術(shù)的復(fù)合型人才少之又少,無形中增加了全市水利信息化發(fā)展的難度。
(4)
這些副反應(yīng)使得Hg0去除率增加幅度顯著減小,并且最終出現(xiàn)下降的趨勢。
Hg0初始濃度對Hg0去除率的影響如圖4所示。紫外燈功率25 W,煙氣總流量2 L·min-1,O2體積分數(shù)6%,H2O2溶液體積600 mL,H2O2初始濃度為1.5 mol·L-1,溶液溫度30 ℃。試驗中通過調(diào)節(jié)恒溫水浴5的溫度得到不同的Hg0初始濃度。由圖4可見,Hg0去除率隨著Hg0初始濃度的增加而下降,其可能的原因是:當(dāng)紫外燈功率一定時,系統(tǒng)·OH自由基的產(chǎn)量相對穩(wěn)定,而Hg0初始濃度的增加勢必造成目標(biāo)污染物的量增多,·OH自由基與Hg0的比例下降,使得Hg0去除率隨著Hg0初始濃度的增加而下降[20]。
圖4 不同Hg0初始濃度下Hg0去除率Figure 4 Removal rate of Hg0 with different initial concentration of Hg0
H2O2溶液體積對Hg0去除率的影響如圖5所示。紫外燈功率25 W,煙氣總流量為2 L·min-1,恒溫水浴5維持80 ℃,O2體積分數(shù)6%,H2O2初始濃度為1.5 mol·L-1,溶液溫度30 ℃。
圖5 不同H2O2溶液體積下Hg0去除率Figure 5 Removal rate of Hg0 with different solution volume
由圖5可以看出,Hg0去除率隨著H2O2溶液體積的增加而上升,當(dāng)H2O2溶液體積由120 mL增加到600 mL時,Hg0去除率由14.1%增加到51.6%。造成這種現(xiàn)象可能的原因是:(1)H2O2溶液體積增加而H2O2初始濃度保持不變時,H2O2總量增多,使得·OH自由基產(chǎn)量隨之增多,·OH自由基與Hg0比例上升,導(dǎo)致Hg0去除率增加;(2)H2O2溶液體積的增加,使得煙氣與溶液的接觸時間相應(yīng)增加,有利于改善氣液接觸條件,增強氣液傳質(zhì)效率,使反應(yīng)更加充分,最終使Hg0去除率上升。
(1) UV/H2O2高級氧化工藝作為一種新型技術(shù),可以有效去除煙氣中的部分Hg0。
(2) 研究了3種紫外燈功率(0 W、15 W以及25 W)下的Hg0去除率,結(jié)果表明,紫外燈的引入可以顯著提高Hg0去除率,并且25 W紫外燈較之15 W紫外燈對Hg0的去除效果要好。
(3) 研究了不同H2O2初始濃度下的Hg0去除率,結(jié)果表明,當(dāng)H2O2初始濃度較低時,Hg0去除率隨著H2O2初始濃度的增加而上升;但是當(dāng)H2O2初始濃度增加到一定程度后,Hg0去除率的上升幅度顯著降低直至出現(xiàn)下降的趨勢。
(4) 通過調(diào)節(jié)恒溫水浴5的溫度研究了不同Hg0初始濃度下的Hg0去除率,結(jié)果表明,Hg0去除率隨著Hg0初始濃度的增加而下降。
(5) 研究了不同H2O2溶液體積下的Hg0去除率,結(jié)果表明,Hg0去除率隨著H2O2溶液體積的增加而上升。