Fe-Mn尖晶石协同控制零价汞和SO2的研究(2)
大气中的汞由自然源和人为源排放产生。目前，人为源每年排放约2000 t的汞，严重危害人类健康和环境安全，其中燃煤释放的汞约占全球人为源汞排放量的40%左右[3,4]。虽然燃煤烟气中汞含量相对较低（平均约9 μg/m3），但由于烟气排放量大，控制燃煤烟气排放所造成的汞污染是控制环境中汞含量的关键环节[4]。
1.2 汞污染的治理技术
汞在燃煤烟气中有三种存在形式：元素态(Hg0)，氧化态(Hg2+)以及颗粒态(Hg (p))[1,5,6]。利用空气污染控制设备（Air Pollution Control Devices, APCDs），Hg2+和Hg (p)可较容易被去除。Hg (p)可在静电除尘器或布袋式除尘器内与飞灰一起被捕集，Hg2+可溶于水，可以通过湿法脱硫设备高效脱除[6]。由于Hg0具有高挥发性、化学惰性和非水溶性，很难被捕集[7]，使其成为烟气脱汞技术亟需解决的问题。
目前国际上去除燃煤烟气中的Hg0最常用的方法是活性炭吸附法和催化氧化法[8]。
1.2.1 活性炭吸附法
活性炭吸附法可同时吸附燃煤烟气中的Hg0和Hg2+，具有良好的脱汞效果。目前采用活性炭吸附烟气中的汞主要有两种方式：向烟气中喷入粉末状活性炭，以及将烟气通过颗粒活性炭吸附床[9]。
活性炭粉末通常在除尘器（静电除尘器或袋式除尘器）前喷入烟气中，吸附汞的活性炭与飞灰一起被除尘装置捕集，不能脱附再生，且飞灰中掺杂了含汞的吸附剂，品质受到影响，不利于后续的安全填埋和利用。烟气中的汞浓度很低，与活性炭接触机会少，导致活性炭利用率低，易造成浪费[9,10]。活性炭在吸附汞的同时，还会吸附烟气中的其他气体组分，从而影响其吸附汞的能力，虽然通过浸渍硫、碘、氯等对活性炭进行化学改性可改善其脱汞能力，但也相应提高了活性炭的使用成本[11]。
颗粒活性炭吸附床一般置于除尘器和脱硫装置之后，作为烟气排放前的最后一个清洁装置，增大了活性炭负载以及气相中的汞和活性炭的接触时间，从而提高了活性炭的利用率[12]。但当活性炭的颗粒尺寸较小时将引起较大压降，且需要增加设备和占地等初期投资[9]。
1.2.2 催化氧化法
催化氧化法脱汞是在袋式过滤器或静电除尘器等颗粒捕集装置的上游，安装固体吸附装置来催化氧化烟气中的Hg0，氧化生成的Hg2+可在烟气湿法脱硫（FGD）等流程中吸收去除[13]。这类工艺通常是利用现有的脱硫和脱硝技术达到一定的汞减排效果，其工艺流程如图1.1所示。
用于脱汞的催化剂可分为三类：选择性催化还原（SCR）催化剂、碳基催化剂和金属与金属氧化物[6]。
采用催化氧化法进行烟气脱汞时，吸附后的催化剂与极细的飞灰粒子一起被除尘装置捕集，无法实现催化剂的回收再利用，造成催化剂的浪费和飞灰品质的下降[15]。烟气中的其他化学组分（如HCl、H2O、SO2）将显著影响汞的氧化。燃煤电厂烟气中的SO2浓度是零价汞浓度的104～105倍[16]，气体SO2分子可能会与零价汞竞争催化剂上的活性位点，且可与金属和金属氧化物在催化剂表面反应生成硫化物，从而抑制零价汞的氧化。
1.2.3 铁基尖晶石
铁氧体是铁族与其它一种或多种金属元素组成的复合氧化物，常见的铁氧体是主要成分为Fe3O4的磁铁矿。磁铁矿为强铁磁性矿物，晶格中的铁离子可以被其他阳离子置换，发生类质同像置换反应，其派生的铁氧体化学式为MeFe204，具有和尖晶石(MgA12O4)同型的晶体结构[17]。铁基尖晶石除了具有强磁性，还具有良好的导电性和催化性[18]。
将Ti4+、Mg2+、Zn2+和Al3+等掺杂进铁基尖晶石可提高其热稳定性，将Ni、Cu、Mn、Co和V等过渡金属掺杂进铁基尖晶石可显著改变其氧化还原能力。利用锰掺杂的铁基尖晶石吸附烟气中的Hg0，在低温下具有优异的脱汞性能 [18]。
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