γ-Al2O3脱除硫化氢和汞的理论研究

本文通过密度泛函理论计算方法结合周期性平板模型研究了H2S在γ-Al2O3不同羟基覆盖表面的脱除机理，讨论了Hg在γ-Al2O3表面以及金属簇Pd、Pt和Cu负载的γ-Al2O3表面上的吸附脱除情况，探索性的预测了在γ-Al2O3表面同时脱除H2S和Hg的可能性以及反应机理和反应状态。计算结果显示： (1)在γ-Al2O3不同羟基覆盖的表面，其中包括脱水的(100)表面、脱水的(110)表面和含水的3.0OH nm2(110)表面，H2S优先通过S吸附在Al位，相应的吸附能分别为–32.52，–114.38和–92.82kJ/mol。相比于含水的3.0OH nm2(110)表面，H2S在脱水的(110)表面有更强的键合能力，也就是它们之间的相互作用更强。H2S解离的第二步是速控步骤。速控步的活化能高低顺序为：Ea(D110，77.31kJ/mol)> Ea(3.0OH nm2，62.81kJ/mol)> Ea(D100，51.60kJ/mol)。在这三个表面上，H–S键的断裂过程有着温和的活化能，对于脱硫过程是非常有利的。 (2)在未负载金属的γ-Al2O3表面中，Hg只有在脱水的(110)表面上才能呈现出较强的吸附作用，吸附能为–33.60kJ/mol。在Pd、Pt和Cu金属簇负载的γ-Al2O3表面，Hg优先吸附在金属（Pd、Pt、Cu）位，表面对Hg的吸附能力由原来的物理吸附变为了化学吸附。在金属Pd和Pt负载的三个不同表面，Hg在金属负载的脱水的γ-Al2O3(110)表面表现了更强的吸附性。在不同金属负载的同一表面中，Pt负载的表面比Pd负载的表面展现了更强的脱汞能力。这与单一纯金属表面对Hg的吸附结果是有差别的，它可能的原因是金属簇和载体的相互作用改变了金属的吸附能力。 (3) HgS在脱水的(100)和(110)表面以及含水的3.0OH nm2(110)表面的吸附能值分别为–150.63，–231.55和–254.32kJ/mol。相比于(100)表面，(110)表面展现了对HgS更强的吸附能力。在脱水的(100)表面，Hg参与H2S的第二步脱氢过程，改变了原先HS单独分解时的活化能和反应能。表面吸附的S能与气相中的Hg通过E-R机理生成HgS，该反应的活化能是78.15kJ/mol。在脱水的(110)表面，H2S能发生解离吸附，HS的分解的活化能是78.15kJ/mol。吸附态的S和Hg反应生成HgS的活化能和反应能分别为86.83和–75.25kJ/mol。在含水的3.0OH nm2(110)表面，吸附态的S能与气相中的Hg克服一个很小的活化能（6.75kJ/mol）形成HgS。无论在HS分解过程还是在单质S吸附过程，Hg都能形成HgS被有效的脱除。因此，γ-Al2O3是有效的吸附剂来同时脱除煤气中的H2S和Hg。