改性生物焦聯(lián)合捕集碳硫氮污染物氣體實(shí)驗(yàn)及機(jī)理研究.pdf

1、CO2、SO2、NOx減排是全球面臨的一個(gè)重大問(wèn)題，生物焦因同時(shí)兼有原料可再生性強(qiáng)、內(nèi)部孔隙性豐富、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，將其用作碳硫氮污染物氣體廉價(jià)的吸附劑備受各國(guó)關(guān)注。然而，原始的生物焦在吸附性能方面，與高效吸附劑相比較差，其主要原因在于原始生物焦在理化特性上相對(duì)遜色。如對(duì)其施加改性，促進(jìn)生物焦多孔再造和表面含氮堿性官能團(tuán)富集，改善其選擇性吸附性能，必將使其成為優(yōu)質(zhì)的煙氣凈化吸附劑。本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助，系統(tǒng)地展開(kāi)了以熱解生物

2、焦為前驅(qū)體制備富氮化改性生物焦捕集碳硫氮污染物氣體的實(shí)驗(yàn)及理論研究，并采用二維原位紅外初步探索了富氮生物焦捕集碳硫氮污染物氣體過(guò)程中的界面反應(yīng)，初步揭示了改性生物焦捕集碳硫氮污染物氣體的吸附機(jī)理反應(yīng)，對(duì)制備富氮化改性生物焦富集吸附活性位點(diǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在采用不同原料制備富氮化改性生物焦的研究中發(fā)現(xiàn)，由于前驅(qū)體內(nèi)在組分及構(gòu)成的差異性，會(huì)造成其制備的富氮焦理化特性的不同。當(dāng)前驅(qū)體中含有較高灰分時(shí)，特別

3、是含有較高的Si、Ca、Mg等無(wú)機(jī)礦物質(zhì)，在高溫改性過(guò)程中易形成穩(wěn)定的SiO2、CaO、MgO等氧化物，不僅對(duì)改性生物焦的孔隙形成具有阻礙作用，還在形成氧化物的過(guò)程中會(huì)侵占生物焦的含氧基團(tuán)，減少了含氮官能團(tuán)的引入活性位點(diǎn)，削弱了氨化作用。減少前驅(qū)體中的Si、Ca、Mg等無(wú)機(jī)礦物質(zhì)的含量，不僅促進(jìn)了富氮生物焦的孔隙結(jié)構(gòu)的發(fā)展，還增加了富氮焦表面含氮官基團(tuán)的引入，進(jìn)而改善富氮焦吸附污染物的特性。⑵在采用高溫CO2和NH3的混合氣體對(duì)豆桿焦改

4、性時(shí)，發(fā)現(xiàn)CO2-NH3混合氣改性很好的結(jié)合了高溫CO2活化和高溫NH3氨化的優(yōu)點(diǎn)；在高溫NH3氨化過(guò)程中，有CO2的存在，不僅促進(jìn)了微孔、中孔的發(fā)展，還為含氮官能團(tuán)的引入增加了活性位點(diǎn)，促進(jìn)了含氮基團(tuán)的引入。此外，在改性溫度對(duì)生物焦理化特性及吸附特性影響的研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于理化特性及吸附特性最好的CO2-NH3混合氣改性，其制備的富氮焦的微孔表面積、孔容、含氮量及氮碳比（N/C）都是隨著改性溫度的增加，先增加后減小，并在800℃達(dá)到最大

5、（分別為533.83 m2/g、0.214 cm3/g、6.61 wt.％及0.103）；在對(duì)CO2、SO2和NO吸附特性上也反應(yīng)出類(lèi)似的規(guī)律，隨著改性溫度的增加，富氮焦吸附CO2、SO2和 NO的量也是隨著改性溫度的增加，先增加后減小，在800℃達(dá)到最大（在吸附溫度為30℃時(shí)，CO2、SO2和NO最大吸附量分別為88.9mg/g、201.9mg/g、43.7 mg/g；在吸附溫度為120℃時(shí)，CO2、SO2和NO最大吸附量分別為49.

6、9mg/g、145.7mg/g、6.2mg/g）。⑶采用線性擬合探尋改性生物焦捕集CO2、SO2和NO量與微孔結(jié)構(gòu)及含氮基團(tuán)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在較低吸附溫度下，對(duì)CO2、SO2和NO的吸附量主要與其微孔孔容相關(guān)，物理吸附占主導(dǎo)，吸附過(guò)程主要發(fā)生的是微孔填充。而在較高吸附溫度下，對(duì)CO2、SO2和NO的吸附作用主要與豆桿焦表面的含氮基團(tuán)相關(guān)，化學(xué)吸附占吸附作用的主導(dǎo)。在采用二維原位紅外探尋富氮焦吸附碳硫氮污染物的活性位點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)CO2起吸

7、附作用的主要活性位點(diǎn)是羥基、雜環(huán)上NH基團(tuán)、伯胺基團(tuán)、酰胺基團(tuán)以及偶氮N=N基團(tuán)；而吸附SO2時(shí)，既有明顯的氫鍵作用，也有磺酰胺基團(tuán)、硫酮基團(tuán)、異硫氰酸酯、硫代羰基、亞砜類(lèi) S=O基團(tuán)、硫醚類(lèi) C-S基的共價(jià)鍵作用；在吸附NO時(shí)，也發(fā)現(xiàn)既有氫鍵作用，還有酰胺、芳香胺、脂肪胺、硝基、銨鹽基團(tuán)和C≡N基的共價(jià)鍵作用。⑷在對(duì)CO2、SO2、NO的兩兩組合的聯(lián)合捕集的研究中發(fā)現(xiàn)，在較低吸附溫度下，CO2與SO2之間、CO2與NO之間都存在著對(duì)微

8、孔的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，SO2與NO之間不僅存在微孔競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，還存在對(duì)表面聚合體氫鍵、π-氫鍵及多元醇?xì)滏I的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系；而在較高吸附溫度下，CO2與SO2之間、CO2與NO之間存在著對(duì)表面含氮基團(tuán)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而在聯(lián)合吸附SO2與NO時(shí)發(fā)現(xiàn)它們彼此存在著相互促進(jìn)作用。在“一體化”聯(lián)合捕集CO2、SO2、NO的研究中發(fā)現(xiàn)，CO2、SO2、NO彼此之間仍然在吸附量上表現(xiàn)出對(duì)微孔及表面活性位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但是綜合對(duì)比其他吸附劑在“一體化”聯(lián)合捕集碳硫氮污染