飞灰残炭对零价汞蒸汽的吸附特征

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2001.01.031 第26卷第4期 北京科技大学学报 Vol.26 No.4 2004年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2004 飞灰残炭对零价汞蒸汽的吸附特征 王立刚1四陈昌和) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)清华大学煤的清洁燃烧技术国家重点实验室，北京100084 摘要研究了飞灰未燃残炭对零价汞蒸气的吸附特性.在低汞平衡浓度(250gm)条件 下，残炭汞吸附能力与商业活性炭差距不显著，而商业活性炭在高汞浓度端的汞吸附量则明 显升高，残炭汞吸附特性与其来源相关性较强.残炭的吸附等温线类似于Ⅱ型等温线，而商 业活性炭则明显具有Ⅲ型吸附等温线特征.静态吸附实验结果表明炭质吸附剂表面存在活 性点位，从而使其吸附过程得到加强.因为残炭制造成本相对低廉，所以在烟气汞污染物脱 除方面更具有价格优势. 关键词汞：吸附：残炭：飞灰：活性炭 分类号X701 有关汞对环境及人体的影响有相当多的文 由于活性炭喷入技术的高花费，许多其他类 献记载.汞，特别甲基汞，对生物体脂肪组织有 型的吸附剂得到广泛的研究，如钙基吸附剂和 高亲和力，且其毒性具有累积效应.汞可造成肾、 熟石灰、浸盐硅碳纤维均显示出了良好的应用前 脑和眼的损害，元素汞可在污染的湖泊和河流沉 景.本研究针对活性炭喷入技术的价格瓶颈问 积物中通过甲基化反应，生成甲基汞.因为汞在 题，利用从飞灰分离出的残炭作为廉价吸附剂， 自然环境中的稳定性且对人体和其他生物体的 以取代活性炭吸附剂，其中残炭的汞吸附特性是 毒性，美国1990年清洁空气行动修正案(CAAA) 核心问题. 中将汞定为189种大气有害污染物之一· 大气汞污染的主要汞排放源是燃煤电厂和 1实验材料及测试方法 城市垃圾焚烧(MWCs).1995年我国燃煤共排放 1.1残炭 汞302.9t,其中向大气中排汞量为213.8t,排入灰 以两种飞灰残炭为研究对象.参照国家标准 渣及产品中的汞为89.07t.我国电力行业以煤炭 GB2893.7一82的规定，所选炭质的吸附相关性质 为主要能源，耗量巨大，全国火电厂每年耗煤量 如表1.F$残炭从福建石狮某电厂飞灰中浮选分 约占全国煤炭产量的1/4.当前的烟气污染控制 离，XJ残炭从山西晋城某电厂飞灰中浮选分离. 装置，如布袋除尘、静电收集和湿/干淋滤对烟气 为便于对比，本研究同时进行商业活性炭HXT的 中的Hg四)污染物均有有效脱除作用，但是对零 平行实验.所有样品均预先经过105℃的干燥处 价汞的脱除效果不明显网. 理 目前，对零价汞蒸气最有效和最广泛使用的 12静态吸附方法 控制技术是活性炭喷入技术，虽然此技术效果显 静态吸附实验的吸附过程在气体样品收集 著一可去除99%的零价汞蒸气，但与此过程相 袋中进行，样品袋容量1L.本实验基本过程为： 关的运行费用（主要是活性炭的成本）较高，成为 (1)用精度1/10000g的分析天平量取所需吸 此项技术进一步推广应用的障碍. 附剂质量m,将其置于样品袋中， 收稿日期2003-12-19王立刚男，34岁，讲师，博士 (2)通过软管/阀适配器，向样品袋中注入含 *国家自然科学基金No,50306010)和国家重点基础研究基 汞混合气.测量每批次混合气的实际汞浓度C, 金(973计划)资助项且N0.G1999022200) 并用流量计和秒表记录样品袋中混合气总体积

第 2 6 卷 第 4 期 2 00 4 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n iv e r s ity o f s e ie o ce a n d Te e h n o to 盯 B e ij in g V 匕l 一 2 6 N 0 . 4 A u g . 20 04 飞灰残炭对零价汞蒸汽 的吸附特征 王 立 刚 ’ ,2) 陈 昌和 “ , l) 北 京科 技大学 机械 工程 学院 , 北 京 10 0 0 83 2) 清华 大学煤 的清 洁燃烧 技 术国 家重 点实验室 , 北京 10 0 0 84 摘 要 研 究 了飞灰 未燃 残 炭对零 价汞 蒸气 的吸 附特 性 . 在低 汞平 衡浓 度 (2< 50 林留m 今条 件 下 , 残炭汞 吸 附能 力与 商业 活性 炭差 距不 显著 , 而商 业活 性炭 在高 汞浓 度端 的汞 吸 附量 则 明 显升 高 . 残炭 汞吸 附特 性 与其来 源相 关 性较 强 . 残 炭 的吸 附等温 线 类似 于 n 型等 温线 , 而 商 业活 性炭 则 明显 具有 m 型 吸附 等温 线特 征 . 静态 吸 附实验 结 果表 明炭 质吸 附剂 表 面存在 活 性 点位 , 从而 使其 吸 附过程 得 到加 强 . 因为残 炭制 造成 本相 对 低廉 , 所 以在 烟气 汞污 染物 脱 除方 面更 具有 价格 优 势 . 关键 词 汞 ; 吸 附 ; 残 炭 : 飞 灰 ; 活 性炭 分类号 x 7 o l 有 关 汞 对 环 境 及 人 体 的 影 响有 相 当 多 的文 献 记载 「卜 5 , . 汞 , 特 别 甲基汞 , 对 生物 体脂 肪组 织有 高亲和 力 , 且其 毒 性具 有累积 效 应 . 汞可 造成 肾 、 脑 和 眼 的损害 . 元 素汞 可在 污 染 的湖泊 和河 流沉 积 物中通过 甲基化 反应 , 生 成 甲基汞间 . 因 为汞在 自然 环 境 中的 稳 定性 且 对 人 体 和其 他 生 物 体 的 毒性 , 美国 19 90 年清 洁 空气 行 动 修 正案 (C A A A ) 中将 汞 定 为 189 种 大气 有 害污 染 物之 一 大气 汞污 染 的 主要 汞 排 放 源 是 燃 煤 电厂 和 城 市垃 圾 焚烧 (M WsC ) . 19 95 年我 国燃 煤共 排 放 汞 30 2 . 9 t , 其 中 向大 气 中排 汞 量为 2 13 . 8 t , 排 入 灰 渣 及产 品 中的汞 为 89 .0 7 t . 我 国 电力行 业 以煤 炭 为主要 能源 , 耗 量 巨大 , 全 国火 电厂每 年 耗煤 量 约 占全 国煤炭 产 量 的 1 l4/ , , . 当前 的烟 气污 染 控制 装 置 , 如 布 袋除 尘 、 静 电 收集和 湿 /干 淋滤 对 烟气 中 的 gH (I )I 污 染 物均 有有效脱 除作 用 , 但 是 对 零 价汞 的 脱 除效 果不 明显`8] . 目前 , 对 零 价汞 蒸气 最 有 效和 最广 泛使 用 的 控制 技 术是 活性 炭 喷入技 术 . 虽 然此 技术 效果 显 著— 可 去 除 9 % 的零 价汞 蒸 气 , 但 与此 过程 相 关 的运 行 费 用 (主 要 是活 性 炭 的成 本 )较 高 , 成 为 此 项 技术 进 一步 推 广应 用 的 障碍四, . 由于 活性 炭 喷入 技 术 的高 花 费 , 许 多其他 类 型 的吸 附 剂得 到广 泛 的 研 究 `0j] , 如 钙基 吸 附剂 和 熟石 灰 、 浸 盐硅 碳 纤维 均显 示 出 了 良好 的应 用前 景 . 本 研 究 针 对 活 性 炭 喷入 技 术 的价 格 瓶颈 问 题 , 利 用 从 飞灰 分 离 出 的残 炭作 为 廉价 吸 附 剂 , 以取 代 活性 炭 吸附 剂 , 其 中残炭 的汞吸 附特 性 是 核 心 问题 . 收稿 日 期 20 03 一 12 一 19 王 立刚 男 , 34 岁 , 讲师 , 博 士 * 国家 自然科 学基金 (N 。 . 50 3 0 6 0 1的和国家 重点 基础研 究基 金 ( 9 7 3 计 划 ) 资助 项 目困0 . G 19 9 9 0 2 2 2 0 0 ) 1 实 验 材料 及 测 试方 法 L l 残 炭 以两种 飞 灰残 炭 为研 究对 象 . 参照 国家标 准 BG 2 89 3 7一82 的规 定 , 所选 炭质 的吸 附相 关性 质 如表 1 . F S 残 炭 从福 建 石 狮某 电厂 飞灰 中浮选 分 离 , XJ 残 炭从 山 西 晋城 某 电厂 飞 灰 中浮 选 分离 . 为便 于对 比 , 本研 究 同 时进 行 商业 活性 炭 H X T 的 平行 实 验 . 所 有 样 品均 预 先经 过 10 5℃ 的干燥 处 理 . 1 .2 静 态 吸附 方法 静 态 吸 附 实 验 的 吸 附 过 程 在 气 体 样 品 收 集 袋 中进行 , 样 品袋 容量 I L . 本 实 验基 本 过 程 为 : ( l) 用精 度 1/ 10 0 0 9 的分 析天 平量 取 所需 吸 附剂质 量 m , 将 其 置 于样 品袋 中 . (2 ) 通过 软 管 / 阀适 配器 , 向样 品袋 中注入 含 汞混 合 气 . 测 量 每 批次 混 合气 的实际汞 浓 度c0 , 并用 流量 计和 秒表 记 录样 品袋 中混合 气 总体积 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 04. 031

·354 北京科技大学学报 2004年第4期 表1吸附实验中炭质的性质 Table 1 Characteristics of carbon in sorption experiment 炭质平均粒径μm密度gcm) BET比表面积(m2·g) LOI/% 附注 FS ⊙ 2.01 10.747 73.4 双射流浮选柱分离 SJ 52 2.01 6.189 70.1 双射流浮选柱分离 HXT 40 739.445 购买商品（气体吸附专用） (3)样品袋静置，使吸附平衡，并轻轻摇动样 200 品袋，以促尽吸附，测量样品袋中混合气的残余 160 20℃ 汞浓度C.每个样品袋的汞浓度测量两次并取 ·HXT 120 其平均值， 80 (4)通过下式计算出吸附剂的汞吸附量， 40 q-MCo-C) m (1) 0 100 200 300 400 式中，9是吸附剂的汞吸附量，μgg:V是样品袋的 汞平衡浓度/(gm) 气体填充体积，m;C是气体的初始汞浓度（吸附 图2XJ残炭的吸附等温线 前)，gm:C是吸附平衡时气体的汞浓度（吸附 Fig.2 Isotherm of XJ carbon 后)，gm':m是在吸附前置入袋内的吸附剂质 量，g I型 Ⅱ型 2结果及讨论 21未燃残炭和商业活性炭的汞吸附特性 所有静态吸附实验均在室温(20℃)下进行， 载气为N,混合气初始汞浓度为600μgm',置于 Ⅲ型 V型 样品袋中吸附剂质量为0.003-0.11g.20℃时残炭 FS和SJ的吸附等温线见图1和图2.为便于对 比，商业活性炭HXT的吸附等温线也显示在图1 和图2中，可见残炭等温线形状类似于Ⅱ型（见图 3)吸附等温线，活性炭HXT吸附等温线则明显具 有Ⅲ型等温线特征，吸附等温线类型的不同反映 V型 V型 出残炭与活性炭吸附机理的差别，在低汞平衡浓 度端(<250μgm),吸附剂中汞含量随混合气中汞 平衡浓度的增加呈线性逐步增长：对于XJ炭，当 配气中汞平衡浓度达某特定值时（◇250gm),吸 附剂中汞含量随汞平衡浓度的增加而迅速增长. 相对压力 图3通常6种类型吸附等温线示意图 200 Fig.3 6 types of isotherms in general 160 20℃ 同时也从实验数据中发现，汞平衡浓度小于250 120 ·HXT FS gm时，残炭吸附能力同商业活性炭XT差别 形 不大.低汞浓度端吸附剂的吸附能力由高至低依 % 次为：HXT,XJ,FS.在高汞浓度端，商业活性炭的 0 0 50100150200250300350 吸附量则明显升高(HXT汞含量可达180μgg).这 汞平衡浓度/(gm) 说明商业活性炭对于高汞浓度气流的吸附具有 图1FS残炭的吸附等温线 优势，而对于较低汞浓度的燃煤烟气，活性炭与 Fig.1 Isotherm of FS carbon 残炭的吸附性能差别不大，对于残炭，汞吸附量

. 3 5 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 4 年 第 4 期 表 1 吸附 实验 中炭质 的性 质 Ta b l e 1 C h a r a e te rsi t i c s o f e a r b o n i n s o r P t i o n e x P e r im e n t 炭 质 F S S J H X T 平 均粒 径 /阿 密度 (/g · c m 一今 B E T 比 表 面积 代m Z · g 一 , ) L O I /% 附注 .2 0 1 2 . 0 1 10 . 7 4 7 6 . 1 8 9 7 3 9 . 4 4 5 7 3 . 4 7 0 1 双射 流浮 选 柱分 离 双射 流浮 选 柱分 离 购 买 商品 (气 体 吸附专 用 ) 内勺`j 6 0 工àō 4 0 ē n lj ù 6 山,48 山,1 1 1 ǎ 一i à、叫考叠棋钟望 (3 ) 样 品袋 静 置 , 使 吸 附平 衡 , 并 轻 轻 摇动 样 品袋 , 以促 尽 吸 附 . 测 量 样 品袋 中混 合 气 的残 余 汞 浓 度 吼 . 每个 样 品袋 的汞 浓 度 测 量 两 次并 取 其 平 均值 . (4 )通 过 下 式计 算 出吸 附剂 的汞 吸 附量 . 。 = 」业l 兰业 , m ( l ) … 0 1二0 0 2 0 0 3 0 0 汞 平衡 浓 度 / (雌 · m 一 今 图 2 X J 残 炭 的吸 附等 温线 F ig · 2 15 0 比e r m o f X J e a r b o n 4 00 型 式 中 , q 是吸 附 剂 的汞 吸 附 量 , 侧g ; V 是 样 品 袋 的 气 体填 充 体 积 , m , ; G 是 气体 的初 始汞 浓 度 (吸 附 前 ) 小留m 3 ; C , 是 吸 附平 衡 时 气 体 的汞 浓度 (吸 附 后 )小岁山 3 ; m 是 在 吸 附 前 置 入 袋 内 的 吸 附 剂 质 量 , 9 . IV 型 咧名友多娜 厂一哩匕哩哩 樱明名友督 2 结 果 及 讨 论 .2 1 未 燃 残炭 和 商 业 活性 炭 的 汞 吸 附特 性 所 有 静 态吸 附实 验 均在 室 温 ( 20 ℃ ) 下 进 行 , 载 气 为 从 , 混 合 气初 始汞 浓 度 为 6 0 p g/ in 3 , 置 于 样 品 袋 中吸 附 剂质 量 为 .0 0 03 一 0 . 1 1 9 . 20 ℃ 时残 炭 FS 和 SJ 的吸 附等 温 线 见 图 1 和 图 2 . 为便 于 对 比 , 商业 活 性炭 H X T 的吸 附等温 线 也 显 示 在 图 1 和 图 2 中 . 可见 残炭 等温线 形状 类 似 于 n 型 (见 图 3) 吸 附等温 线 , 活性 炭 H X T 吸 附 等温 线 则 明显 具 有 m 型 等温 线特 征 , 吸 附等温 线 类 型 的不 同反 映 出残 炭 与活性 炭 吸 附机 理 的差 别 . 在 低 汞平 衡浓 度 端 ( 2( 2 50 “ g/ in 3 ) , 吸 附 剂 中汞含 量 随 汞平 衡浓 度 的增 加 而迅 速 增 长 . 啊友斟彬g vi 型 相 对 压力 图 3 通 常 6 种 类 型吸 附等 温线 示 意 图 F i g · 3 6 yt P e s o f 15 0比 e r m s in g e . e r a l 0 5 0 10 0 1 50 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 汞平 衡浓 度 / (滩 · m 一 3 ) 图 1 F S 残 炭 的吸 附等 温线 F i g · 1 I s o ht e r m o f F S e a r b o n 同时 也 从 实验 数 据 中 发现 , 汞 平 衡 浓度 小于 2 50 林留m 3 时 , 残 炭 吸 附 能力 同商 业 活性 炭 H X T 差别 不 大 。 低 汞 浓度 端吸 附剂 的吸 附 能力 由高至低 依 次 为 : H X T , X J , F S . 在 高汞 浓度 端 , 商业 活 性炭 的 吸 附量 则 明显 升 高 (H X T 汞 含 量可 达 180 林9/ 9 ) . 这 说 明商 业 活 性 炭对 于 高 汞浓 度 气 流 的吸 附具 有 优 势 , 而 对 于 较 低汞 浓 度 的燃 煤 烟 气 , 活性 炭 与 残 炭 的吸 附性 能 差别 不 大 . 对 于残 炭 , 汞吸 附 量 201602 804 ǎ 一!咽格à、友多钾望

VoL.26 No.4 王立刚等：飞灰残炭对零价汞蒸汽的吸附特征 ·355· 最高可至60gg.因为燃煤烟气的汞浓度较低 y.=yicoso+ya (4) (0.05至1.20mgm).若从经济效益的角度考虑， 合并式(3)和式(4)可得， 飞灰残炭在脱除燃煤烟气汞污染物方面应该比 W.a=y(1+cosp) (5) 商业活性炭更具优越性. 流体在固体表面的吸附效果可用扩散系数S 2.2实验残炭吸附等温线分析 来判别，S是凝聚功W和附着功W之差， 对于物理吸附过程，Brunatuer区别出5种基 S=W。-Wad (6) 本吸附等温线，随后其他研究者又发现了新的等 或 温线，通常的6种吸附等温线如图3所示，依照此 S=(1-c0sp) (7) 分类，I型等温线一般表示单分子层吸附，也称 从式中可见，S值越大，吸附质分子以液相形 为Langmuir型，其形状是微孔填充的特征，此种 式的凝聚作用越强，而被吸附于固体表面的趋势 曲线可通过O,或N,在某种木炭和硅胶的低温吸 越弱，相对于大多数具有低表面张力和接触角 附而获得，在其形成单吸附层时吸附表面达到饱 (和炭质)的羟基化合物来说，汞的表面张力为 和，一般来说化学吸附过程常表现出此类型曲 485×10-N/cm且与活性炭的接触角为135°，所以 线.Ⅱ型等温线是最常遇到的吸附等温线，也称 汞的S值比许多有机化合物大许多，这导致炭质 为$型等温线，对于单分子层吸附，曲线前端大 材料对汞的吸附能力偏低.而残炭及商业活性炭 约一直延伸至相对压力01处；此点之后是多层 的静态吸附结果却与此不太相符，表明吸附剂表 吸附区，毛细管凝结在大于相对压力0.4时，在此 面存在活性点位以强化其吸附过程，Lopez等m 区域发生，当吸附质与吸附剂相互之间的作用微 所作的活性炭实验也证实了活性点位的存在.活 弱时，就出现Ⅲ型等温线.V型等温线的显著特 性点位处的印和S值均低，从而使这些点位的吸附 征是具有滞后回线，可解释为由于毛细管现象的 能力升高. 缘故.V型等温线与V型等温线相似，只是吸附 质与吸附剂之间的相互作用较弱.Ⅵ型等温线是 3结论 由于均匀基质上惰性气体分子分阶段多层吸附 在低汞平衡浓度条件下(<250μgm),FS残炭 而引起. 和XJ残炭的汞吸附能力与活性炭的差距不显 I型等温线的显著特征是相对于压强轴凸 著；在高汞浓度端，商业活性炭的吸附量则明显 起，说明此类型吸附是自然协同作用的结果，被 升高，残炭的吸附等温线类似于Ⅱ型等温线，活 吸附的吸附质分子越多，则下一步的吸附越易进 性炭吸附等温线则明显具有Ⅲ型等温线特征，吸 行，可推理得出，吸附质分子之间的吸引作用超 附等温线类型的不同反映出残炭与活性炭吸附 出吸附剂对其的吸引. 机理的差别，炭质的起源因素对汞吸附行为的影 汞具有高表面张力Y,与炭质吸附剂的接触 响比其比表面积和孔径分布更大，FS残炭和XJ 角p值大.而y和p值是所有吸附质与吸附剂分子 残炭的吸附等温线凹度明显不同，汞具有高表面 相互作用的统计性表征指标，这些相互作用包括 张力并与炭质吸附剂的接触角值大，在理论上会 色散作用、偶极子作用、π键、氢键、金属键、离子 导致炭质材料对汞的吸附能力较弱.而静态吸附 和静电作用.表面张力和接触角的作用可通过凝 实验结果表明炭质吸附剂表面存在活性点位，从 聚功W和附着功W来表示，前者定义为分离液 而使其吸附过程得到加强，总之，从技术经济的 体柱单元横截面所需的可逆功，而后者是分离固 角度考虑，未燃尽残炭作为廉价的吸附剂，对于 一液结合单元所需的等温可逆功， 低汞浓度的燃煤烟气的汞污染控制具有独特的 W。=2H (2) 优势. 和 W=+y一% (3) 参考文献 其中，为是液体表面张力，，是固体表面张力，%是 I Laudal DL,Brown T D.Effects of flue gas constituents 界面张力. on mercury speciation [J].Fuel Process Technol,2000,65 根据Young一Dupre方程，对于在某固体平面 (1):157 位于平衡的吸附质液滴有： 2 Wu S D,Chang M B.dissemination and fate of mercury

叭, 1.2 6 N o . 4 王 立 刚等 : 飞 灰残 炭对 零 价汞蒸 汽 的吸 附特 征 书5 最高 可 至 60 p g/ g . 因 为燃 煤烟 气 的汞浓 度 较低 (0 刀5 至 1 . 2 0 m g/ m今 . 若从 经 济 效益 的角度 考 虑 , 飞灰 残炭在 脱 除 燃 煤 烟气 汞 污 染 物 方 面应 该 比 商业 活性 炭更 具 优越性 . .2 2 实验 残 炭吸 附 等温 线 分析 对 于物理 吸 附过 程 , B urn al 刀 e严 ,区 别 出 5种 基 本吸 附等 温线 , 随后 其他 研究 者又 发现 了新 的等 温 线 , 通 常 的 6 种 吸 附等 温线 如 图 3 所示 , 依 照 此 分 类 , I 型 等温 线 一 般表 示 单 分 子层 吸 附 , 也称 为 L a n g tn iur 型 , 其 形 状是微 孔 填充 的特 征 . 此 种 曲线 可通 过 0 2 或 N Z 在某 种 木炭 和硅胶 的低温 吸 附而获得 , 在其形成 单吸附 层时 吸 附表面 达 到饱 和 . 一般 来 说 化 学 吸 附过 程 常 表 现 出此 类 型 曲 线 . n 型 等温 线 是 最常 遇 到 的吸 附等 温 线 , 也 称 为 S 型 等温 线 , 对 于单 分 子层 吸 附 , 曲线前 端 大 约 一直延 伸至 相对 压 力 0 . 1 处 ; 此 点 之后 是 多 层 吸 附区 , 毛细 管凝 结 在大 于相 对 压力 .0 4 时 , 在 此 区域 发生 . 当吸 附质与 吸 附剂相 互 之 间的作 用微 弱 时 , 就 出现 m 型 等温 线 . W 型等 温线 的显 著特 征 是具 有滞 后 回线 , 可解 释 为 由于毛 细 管现 象 的 缘 故 . V 型 等温 线与 W 型 等温 线 相 似 , 只 是 吸 附 质 与吸 附剂 之 间 的相互 作用 较 弱 . 班 型 等温 线是 由于 均 匀基 质 上 惰性气 体 分 子 分 阶 段 多层 吸 附 而 引起 . n l型 等 温 线 的显 著特 征 是 相 对 于 压 强 轴 凸 起 , 说 明 此类 型 吸 附是 自然 协 同 作用 的 结果 , 被 吸 附的吸 附质 分子 越 多 , 则下 一步 的吸 附越 易进 行 , 可推理 得出 , 吸附 质 分子 之 间 的吸 引 作用超 出 吸 附剂对 其 的 吸 引 . 汞 具 有 高表 面 张 力) , 与炭 质 吸 附剂 的接触 角尹值大 . 而 y和 沪值 是 所有 吸 附质 与 吸 附剂 分 子 相互 作用 的统 计性 表征 指标 , 这些 相互 作用 包括 色散作用 、 偶极 子作 用 、 二键 、 氢 键 、 金 属 键 、 离 子 和 静电作用 . 表 面张力 和接触 角 的作用 可通 过 凝 聚 功 矶 。 和 附 着功 风来 表 示 , 前者 定 义 为分 离液 体柱 单元横 截 面所 需 的可逆 功 , 而 后者 是分 离 固 一 液 结合 单 元所 需的 等温 可 逆功 . 矶 。 = Zy , ( 2 ) 和 斌 d = 乃+sy 一 沁, (3 ) 其 中 , y 」是液 体 表面 张 力 , y 。是 固体 表 面张 力 , ” ,是 界面 张力 . 根据 oY un g 一 D u P r e 方程 , 对 于 在某 固体平 面 位 于平 衡 的吸 附质液 滴 有 : 沁= 为c o s p+ 片J (4 ) 合 并式 (3 )和 式 (4 )可 得 , 叽 = ” ( 1+ e o s必) ( 5) 流体 在 固体表 面 的吸 附效 果可 用 扩 散系数 S 来判 别 , S 是凝 聚 功 次 。 和 附着 功 风 之 差 , S = 班 。 一 爪 d ( 6 ) 或 S = ” ( 1一e o s少) ( 7 ) 从式 中可见 , S 值 越 大 , 吸 附质 分 子 以液 相形 式 的凝 聚作用 越 强 , 而 被吸 附于 固体表 面 的趋势 越 弱 . 相 对 于 大 多数 具 有 低 表 面 张 力和 接 触 角 ( 和炭 质 ) 的 轻基 化 合物 来 说 , 汞 的表 面张力 为 4 85 xl 0 一 , N / c m 且 与活 性炭 的接触 角为 13 50 , 所 以 汞 的S值 比许 多有 机 化合 物 大 许 多 , 这 导致 炭 质 材 料对 汞 的吸 附能 力偏 低 . 而 残炭 及 商业 活性 炭 的静态 吸 附结 果却 与此 不太 相 符 , 表 明吸 附剂表 面 存在 活 性 点位 以强化 其 吸 附过 程 , L oP ez 等 `川 所作 的活 性 炭 实验也 证 实 了活性 点位 的存 在 . 活 性 点位处 的必和 S值 均低 , 从 而 使这 些 点位 的吸 附 能 力升 高 , 3 结 论 在 低汞 平 衡浓 度 条件 下( 2< 50 鸿俪 3 ) , F S 残炭 和 XJ 残 炭 的汞 吸 附能 力 与 活 性 炭 的差 距 不 显 著 ; 在 高汞 浓度 端 , 商业 活 性 炭 的吸 附量 则 明显 升 高 , 残 炭 的 吸 附等 温线 类 似 于 n 型 等温 线 , 活 性 炭吸 附等 温线则 明显 具有 m 型等温 线 特征 , 吸 附 等温 线 类型 的 不 同反 映 出残 炭 与 活 性 炭 吸 附 机 理 的差 别 , 炭质的起 源 因素对汞 吸附 行为 的影 响 比其 比 表面 积 和孔 径 分 布 更大 , F S 残 炭 和 XJ 残炭 的吸 附等 温 线 凹 度 明显 不 同 . 汞具 有高 表面 张 力并 与炭质 吸 附剂 的接 触 角值 大 , 在理 论 上会 导致 炭质 材料 对 汞 的吸 附能 力较 弱 . 而静 态 吸 附 实验 结果 表 明炭 质吸 附剂 表 面存在活 性 点位 , 从 而 使其 吸 附过 程 得到 加 强 . 总之 , 从 技术 经 济的 角度 考 虑 , 未燃 尽残 炭作 为 廉价 的吸 附剂 , 对 于 低 汞浓 度 的燃 煤烟 气 的汞 污 染 控 制 具 有独 特 的 优 势 . 参 考 文 献 1 L a u d a l D L , B or w n T D . E fe e t s o f fl u e g a s e o n s t i t u e nt s o n m e r e u yr s P e e iat i o n [J ] . F u e l P r o e e s s eT e hn o l , 20 0 0 , 6 5 ( l ) : 15 7 2 Wu S D , C h an g M B . di s s e m i n at i o n a n d fa t e o f m ecr u 叮

·356· 北京科技大学学报 2004年第4期 in the environment [J].Bull Environ National Cent Univ, Technol,2000,3413):2711 1997,4:77 8 Jumg J,Lee T G,Lee G W,et al.Mercury removal from 3 Poissant L,Dommergue A,Rerrari C P.Mercury as a glo- incineration flue gas by organic and inorganic adsorbents bal pollutant [J].J Phys IV JP,2002,12(10):143 [J].Chemosphere,2002,47(9):907 4 Galbreath K C,Zygarlicke C J.Mercury transformations 9 Carey TR,Richardson CF,Chang R,et al.Assessing sor- in coal combustion flue gas [J].Fuel Process Technol, bent injection mercury control effectiveness in flue gas 2000,65(1):289 streams [J].Environ Prog,2000,19(3):167 5 Palusova O,Ursinyova M,Uhnak J.Mercury levels in the 10 Granite EJ,Pennline H W,Hargis RA.Novel sorbents for components of the environment and diets [J].Sci Total mercury removal from flue gas [J].Ind Eng Chem Res, Environ,1991,I01(1:79 2000,39(4):1020 6 CarpiA,LindbergS E,Prestbo EM,et al.Methyl mercury 11 Lopez MA,Tascon JM,Martinez MR.Retention of mer- contamination and emission to the atmosphere from soil cury in activated carbons in coal combustion and gasifica- amended with municipal sewage sludge [J].J Environ tion flue gases [J].Fuel Process Technol,2002,77(20): Qual,1997,26(6):1650 353 7 Wang QC,Shen WG,Ma Z W.Estimation of mercury 12 Brunauer S.The Adsorptiion of Gases and Vapros [M]. emission from coal combustion in China [J].Environ Sci New Jersey:Princeton University Press,1945.67 Elemental Mercury Adsorption by Residual Carbon Separated from Fly Ash WANG Ligang,CHEN Changhe 1)Mechanical Engineering School,University of Sience and Technology of Beijing.Beijing 100083,China 2)The State Key Laboratory for Clean Combustion of Coal,Tsinghua University,Beijing 100084,China ABSTRACT The adsorption capacity for vapor-phase elemental mercury(Hg)of residual carbon separated from fly ash was investigated in an attempt for the control of elemental mercury emissions from combustion processes. At low mercury concentrations(<250ug/m),the adsorption capacity difference of residual carbon to commercial activated carbon is not significantly,but the mercury sorption capacity of commercial activated carbon increase sig- nificantly at high mercury concentrations.The mercury sorption capacity of residual carbon was also found to be source dependent.The isotherms of residual carbon were similar to those classified as Type II with distinctness dif- ferent in concave.But commercial activated carbon was more like those classified as Type III.Static experiments reveal that"prime sites"which enhance the mercury adsorption existed in the surface of carbon.Due to the relatively low production costs,these residual carbons would likely be considerably more cost-effective for the removing of mercury from combustion flue gases than other technologies. KEY WORDS mercury;adsorption;residual carbon;fly ash;activated carbon

. 3弘 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 4 年 第 4 期 i n th e e n v i ro n m e n t IJ ] . B u l l E n v i r o n N at i o n a l C e ni U n iV, 1 9 9 7 , 4 : 7 7 3 P o i s s a in L , D o m m e gr u e A , eR r r a r i C .P M e cr u yr as a g l o - b a l P o ll u ant t [ J ] . J P h y s IV J P, 2 0 0 2 , 12 ( 10 ) : 1 4 3 4 G a lb r e hat K C , Z y g alr i e ke C J . M e cr u yr t r a n s fo mr at i o n s i n e o a l c o m b u s t i o n if u e g a s [J] . F u e l P or e e s s eT c hn o l , 2 0 0 , 6 5 ( 1 ) : 2 8 9 5 P a l u so v a o , U r s i卿 〔w a M , U h n a k J . M e代 u yr lve e l s in ht e e o m P o ne in s o f het e vn ior nm e nt a n d d iet s 【J ] . S e i OT at l E vn ior n , 1 9 9 1 , 10 1 ( l ) : 7 9 6 C a r P I A , L in d b e gr S E , Per s tb o E M , e t a l . M e ht y l m e r e u yr e o nt am i n at i o n an d e m i s s i o n t o ht e a tm o s P h e er for m 5 0 11 am e n d e d w i th m u n i e i P a l s e w ag e s l u dg e [ J ] . J E n v i r o n Q u al , 1 99 7 , 2 6 ( 6 ) : 1 6 5 0 7 叭a/ n g Q C , S h e n 场 r G , M a 2 W E s t im at i on o f m e cr u yr em i s s i o n for m e o a l o o m b u s t i o n i n C h i n a [J] . E vn ior n S c i eT e iln o l , 20 0 0 , 34 ( 13 ) : 2 7 11 8 J um g J , L e e T G , L e e G W, e t a l . M e邝 u yr er m o v a l for m i n c i n e r at i o n fl u e g a s b y o gr an i e an d i n o gr an i e ad s o r b e snt [ J I , C h e m o s hP er , 2 0 0 2 , 4 7 ( 9 ) : 9 0 7 9 C aer y T R , R i e h ar d s on C F, C h an g 民 e t a l . A s s e s s i n g s or - b e n t i nj e c ti o n m e er u口 e o nt or l e fe e ti v e n e s s i n fl u e g as s etr a m s [J ] . E vn i or n Por g , 2 0 0 0 , 1 9 ( 3 ) : 1 6 7 10 G r an iet E J , P e n n 1in e H W, H ar g i s R A . N vo e l s o r b e snt ofr m er c u卿 r e m vo al ofr m fl ue g as [ J ] . Idn E n g C h e m eR s , 2 0 0 0 , 3 9 ( 4 ) : 10 2 0 1 1 L o P e z M A , aT s e o n J M , M art in e z M R R月 t e n ti o n o f m e r - e u yr i n ac ti v at e d e a br o n s i n e o a l e o m b u s t i o n a n d g as i icf a - t i o n fl u e g as e s [JI . F u e l P r o e e s s 介 e h n o l , 2 00 2 , 7 7 ( 20 ) : 3 5 3 12 B unr a u e r 5 . T h e A d s o pr t ii o n o f aG s e s a n d V台Por s [M ] . N e w J e sr ey : P ir n c e ot n U n i v e招i yt P r e s s , 19 4 5 . 6 7 E l e m e nt a l M e r o u yr A d s o pr ti o n b y eR s i du a l C abr o n S eP ar at e d fr o m F l y A s h 洲N G L lga 心 刀 , C 子想那 hC a n hg 砂 l ) M e c h an i e a l E飞沁 e r in g S e ho o l , nU iV er s ity o f S l e n c e an d eT c h n o ol gy o f B e ij in g , B iej i n g 10 0 8 3 , C h in a 2 ) T h e S at e K ey L a b o r a t o 即 of r C l e an C o m b us tion o f C o a l , sT i n gh u a U n i v e rs ity , B e ij i n g 10 0 0 8 4 , C h i n a A B S T R A C T T h e a d s o rp ti o n e ap a e ity of r v aP o 卜 Ph a s e e l e m e n t a l m e r e u ry (H g o) o f r e s i d u a l e arb o n s e P a r a t e d ofr m fly a s h aw s ivn e s it g at e d i n an a t e m Pt of r hte e o n tr o l o f e l e m e n t a l m e cr u ry e m i s s i o n s fr o m c o m b us t i o n P or e e s s e s . iA l o w m cer u ry e o cn e n t r a t ion s ( < 2 5 0卜g/ m 3 ) , ht e ad s o rpt i o n e ap ac iyt d i fe er cn e o f r e s i d u a l e abr o n t o e om m e cr i a l ac t i v at e d c ar b o n 1 5 n o t s ign iif c ant l扒 b u t ht e m e cr u yr s o rp ti o n e aP a e i yt o f e om m e cr i a l a e t i v at e d c abr o n i n e er as e s ig - n iif e an t l y at h ihg m e 代U yr e on c e n t r a t i o n s . 丁七c m e cr 切卿 s o rp t i o n e ap ac i yt o f er sl d u a l e ar b o n 丫v a s a l s o fo un d ot b e s o U比 c e d e Pen d e nt . hT e i s o t h e mr s o f r e s i d u a l c a r b on wer e s im il ar t o ht o s e e l a s s i if e d a s yT P e II w iht d ist in e uet s s d i -f fe er nt i n e o n e va e . B ut e om m ecr i a l ac t i v at e d c a r b o n wa s m o er li k e ht o s e e las s iif e d as yT P e 111 . S at i e e xP e ir m e nt s er v o al ht at ” 州m e s it e s , , hw i e h e hn acn e ht e m e r c l l yr ad s o rp ti o n e x i s t e d i n het s u r fa c e o f e a r b o n . D ue t o ht e er l at i v e ly l o w Por du e t i o n e o s st , het s e er s idu a l e ar b o n s w o u 】d l止e ly b e e o n s id e r ab ly m o er e o s t 一 e fe e t i v e fo r ht e er m o v i n g o f m e cr l l yr fr o m e o m b u s ti o n fl ue g a s e s th an o t h e r t e c hn o l o g i e s . K E Y W O R D S m ecr u yr ; ad s o rp t i o n ; er s id u a l e ar b on ; fl y as h ; a e t i v at e d e a r b o n