ZSM-5分子筛吸附烟气中Hg0的分子模拟与试验研究

在化石燃料的燃烧、垃圾焚烧、金属冶炼等过程中,排放烟气中的单质汞(Hg0)对人类及生态环境的危害越来越受到人们的关注和重视。论文利用分子筛独特的孔道结构和吸附性能,采用分子模拟与实验室试验研究相结合的方法,开展ZSM-5分子筛脱除Hg0的研究。应用Materials Studio软件并结合其他几个条件,从145种不同骨架结构的分子筛中筛选出脱汞最佳的分子筛是ZSM-5分子筛;为提高ZSM-5分子筛吸附剂脱汞效率,筛选出符合条件的两种活性物质高铁酸钾(K2Fe O4)和氯化铜(Cu Cl2),分别对ZSM-5分子筛进行改性,形成复合型吸附剂。试验研究中,K2Fe O4改性ZSM-5分子筛采用固态离子交换法,Cu Cl2则用浸渍法。具体研究结果与结论如下:(1)以分子筛的单个晶胞为研究对象,应用Materials Studio软件模拟145种不同骨架结构的分子筛吸附Hg0,得到在相同条件下吸附达到平衡时吸附Hg0分子的个数,在仅有Si和O原子构成的条件下,不同的骨架结构中平均单位Si O2吸附Hg0分子个数的顺序是MFI>VNI>PAI,并结合高效分子筛吸附剂筛选标准得到吸附Hg0最佳的是ZSM-5分子筛。(2)用蒙特卡洛法(GCMC)模拟ZSM-5分子筛吸附Hg0及负载活性物质,观察硅铝比、温度等因素对ZSM-5分子筛吸附Hg0的影响。模拟结果显示,ZSM-5分子筛组成成分中铝含量越高,越有利于汞吸附。ZSM-5分子筛吸附汞能力随着温度升高而降低;其吸附等温线服从Henry定律。此外,根据Clausius-Clapeyron方程,得到K2Fe O4负载在5-ZSM分子筛上的等量吸附热在381～383kcal/mol,Cu Cl2则为13～14kcal/mol,由此说明K2Fe O4在ZSM-5分子筛上吸附位很强,Cu Cl2却较弱。由负载分布位置图可观察到K2Fe O4分子只是分布在分子筛表面,而Cu Cl2分子则进入到了分子筛内部孔道;能量分布曲线显示,两种活性物质在ZSM-5分子筛中均存在多个吸附位点。(3)实验室ZSM-5分子筛吸附Hg0的试验研究结果表明,ZSM-5分子筛骨架中硅铝比对Hg0的吸附量存在较大影响,在硅铝比小于50范围内,随着硅铝比值增大脱汞效率随之降低;当硅铝比大于50时,脱汞效率趋于稳定,处于55%左右。对于复合型吸附剂,K2Fe O4与ZSM-5分子筛最佳质量混合比为10:1.6,Cu Cl2与ZSM-5分子筛最佳浸渍质量溶度则为2.5%;复合型K2Fe O4-ZSM-5分子筛吸附汞最佳反应温度为80℃,复合型Cu Cl2-ZSM-5分子筛为30℃;ZSM-5分子筛改性后吸附效率得到较大提高,其中,K2Fe O4-ZSM-5分子筛最高吸附脱汞效率达85%,Cu Cl2-ZSM-5分子筛最高吸附脱汞效率达80%。