李雨軒,汪建光,郭瑞堂,李彥
(1.上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090;2.福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院,福建 福州 350008)
當(dāng)下社會(huì)中,我們正面臨由火電廠排放的NO和SO2造成的多種污染問題[1-3]。嚴(yán)峻的形勢(shì)要求國家必須制定出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來管控火電行業(yè)的生產(chǎn)和排放。這使得對(duì)同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)的研究成為了煙氣凈化技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵[4-9]。
國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)以氧化劑為核心的高級(jí)氧化技術(shù)及反應(yīng)活化方式具有出色的污染物脫除效率[10-15]和穩(wěn)定性[16-20]。
本文以過碳酸鈉[21-23]作為H2O2的固體載體,使用FeOCl催化[24-27]同時(shí)脫硫脫硝過程,研究分析催化劑質(zhì)量、H2O2含量、初始pH以及可見光的照射對(duì)于脫除效率的影響,旨在探討這一技術(shù)在同時(shí)脫除煙氣中NO和SO2的實(shí)際應(yīng)用可行性。
無水氯化鐵(FeCl3)、氧化鐵(Fe2O3)、丙酮、過碳酸鈉、H2O2均為分析純;一氧化氮、二氧化硫、氬氣均為≥99%的標(biāo)準(zhǔn)氣體。
KSL-120X馬弗爐;DHG-9036A干燥箱;HH-2B恒溫水浴鍋;PHS-2F pH計(jì);Multilyzer STe M60便攜式紅外煙氣分析儀;SEC-E40質(zhì)量流量計(jì)。
準(zhǔn)確稱量一定質(zhì)量的無水氯化鐵和氧化鐵,按照4∶3的質(zhì)量比在研缽研磨,使材料充分混合。轉(zhuǎn)移到密封的玻璃容器中,置于溫控式馬弗爐內(nèi)并逐步升溫至380 ℃,煅燒40 h以上。自然冷卻至室溫,用丙酮洗滌去除多余的FeCl3,置于干燥箱中70 ℃干燥,得到紫紅色的FeOCl產(chǎn)物。
過碳酸鈉溶液500 mL,加入FeOCl催化劑,避光攪拌1 h,使催化劑趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)的主體部分為鼓泡反應(yīng)吸收裝置。將反應(yīng)氣體NO、SO2和Ar經(jīng)過質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)入混氣裝置進(jìn)行氣體混合,再通向洗氣瓶底部,利用轉(zhuǎn)子的攪拌與吸收液充分混合后與瓶內(nèi)的液體接觸反應(yīng),吸收液的溫度由鼓泡瓶連通恒溫水浴鍋控制,吸收液的pH采用pH計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。煙氣測(cè)量采用便攜式紅外煙氣分析儀進(jìn)行分析,每隔5 min進(jìn)行1次測(cè)量,得到進(jìn)出口混合氣體中SO2與NO的濃度,并計(jì)算NO和SO2的脫除效率。在進(jìn)行光催化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí),用雙端鹵鎢燈(500 W)作為可見光源。
同時(shí)脫除NO和SO2實(shí)驗(yàn)的基本條件如下:①NO和SO2的通入濃度分別為300,1 400 mg/m3;②溶液中FeOCl的濃度0.8 g/L;③反應(yīng)的溫度由恒溫水浴鍋設(shè)定為55 ℃;④反應(yīng)時(shí)間為30 min,以獲得較穩(wěn)定的脫除效率;⑤溶液中H2O2的濃度設(shè)定為20 mmol/L。以上述這些反應(yīng)的基本條件來研究反應(yīng)時(shí)間、FeOCl用量、溶液中H2O2的含量、溶液初始pH值以及可見光的照射對(duì)NO和SO2脫除效率的影響。
圖1為反應(yīng)時(shí)間對(duì) SO2和NO的脫除效率的影響。
圖1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)SO2和NO的脫除效率的影響Fig.1 Effect of reaction time on SO2 and NO removal efficiency
由圖1可知,SO2和NO的脫除效率因FeOCl的加入得以顯著提升。在溶液中無FeOCl的情況下,SO2的脫除效率需在反應(yīng)開始30 min后才能達(dá)到較為穩(wěn)定的脫除狀態(tài),且脫除效率僅能為85%左右。而NO的脫除效率也只能在30 min后達(dá)到54.1%。相比之下,在溶液中的FeOCl濃度為0.8 g/L的情況下,SO2的脫除效率僅需在反應(yīng)時(shí)間為10 min時(shí)就可以達(dá)到90%左右,并在之后保持在99%以上。NO的脫除效率也在30 min的反應(yīng)時(shí)間之后可以達(dá)到穩(wěn)定的83.6%。因此,F(xiàn)eOCl的加入可以使NO和SO2的脫除反應(yīng)得到活化以提升脫除效率,且脫除過程的反應(yīng)時(shí)間在30 min為宜。
對(duì)于多相Fenton反應(yīng)來說,·OH產(chǎn)生于催化劑的表面,催化劑用量越大,其表面的鐵離子就越多,越容易促使H2O2快速分解產(chǎn)生·OH,而產(chǎn)生的·OH則通過一系列化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,從而使煙氣中的NO和SO2得到脫除[29]。
由圖2可知,對(duì)于SO2的脫除,H2O2含量的增長對(duì)其呈現(xiàn)促進(jìn)作用,H2O2的含量20 mmol時(shí),SO2的脫除效率達(dá)到99.5%以上。當(dāng)溶液中H2O2的含量>20 mmol/L時(shí),SO2脫除效率的提升則不明顯,且?guī)缀醪辉侔l(fā)生變化。
與SO2的吸收相比,NO的吸收則更為復(fù)雜。溶液中H2O2的含量提升過程中,NO的脫除效率隨之明顯地出現(xiàn)層次性的提升,并且在20 mmol/L的情況下,使NO脫除效率達(dá)到最佳的83.6%,H2O2含量≥25 mmol/L時(shí),NO的脫除效率反而出現(xiàn)了一定程度的下跌。這是由于反應(yīng)溶液中過多地添加了H2O2,從而導(dǎo)致反應(yīng)生成了過量的·OH,但剛剛生成的·OH還未與污染物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),就互相碰撞生成了H2O2[30]。這種情況降低了有效的·OH量,從而影響了反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)于NO的脫除效率。因此,綜合SO2和NO脫除的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,溶液中H2O2的含量應(yīng)選擇在20 mmol/L最為適合。
圖2 H2O2含量對(duì)SO2和NO脫除效率的影響Fig.2 Effect of concentration of H2O2 on SO2 and NO removal efficiency
圖3反映了溶液中不同的初始pH值對(duì) NO和SO2脫除效率的影響。
圖3 溶液初始pH值對(duì)于SO2和NO脫除效率的影響Fig.3 Effect of solution initial pH value on SO2 and NO removal efficiency
由圖3可知,隨著溶液pH值從酸性環(huán)境逐漸變?yōu)閴A性的過程中,SO2的脫除效率一直保持在較高水平。在pH值提升至6.5后出現(xiàn)小幅下降,但依然可以在保持95%以上。溶液初始pH的變化對(duì)NO的脫除影響較大。在pH=3.5的情況下,NO的脫除效率維持在較高的水平,85%左右。但是當(dāng)溶液環(huán)境開始向中性和堿性方向變化時(shí),NO的脫除效果發(fā)生了下降。這是由于溶液中初始pH值的不同將會(huì)影響到催化劑表面的電荷分布,因而改變了反應(yīng)溶液對(duì)NO和SO2的脫除效果。在酸性環(huán)境的反應(yīng)溶液中,催化劑表面的正電荷數(shù)量會(huì)隨著pH值的下降而逐漸增加,對(duì)污染物成分的吸附效果也會(huì)逐漸增強(qiáng),使得催化劑和目標(biāo)粒子之間更容易接觸,從而提升了NO和SO2的脫除效率。在溶液處于堿性環(huán)境時(shí),催化劑表面將會(huì)帶有負(fù)電,使催化劑難以對(duì)其他粒子進(jìn)行吸附,從而導(dǎo)致了對(duì)污染成分的脫除效率逐漸降低[31]。因此,結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及電廠中脫硫系統(tǒng)的實(shí)際使用情況,選取反應(yīng)溶液的初始pH值為5.5左右較為合適。
圖4為可見光的照射對(duì) NO和SO2脫除效率的影響。
由圖4可知,即使在沒有可見光的條件下,SO2依然可以憑借FeOCl的催化作用幾乎被完全脫除。換言之,可見光的照射對(duì)原本已經(jīng)較高的SO2脫除效率提升不明顯。與之相比,NO的脫除效率則因?yàn)榭梢姽獾恼丈涑尸F(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。因此,可以推斷可見光照射使Fenton反應(yīng)系統(tǒng)中Fe2+和Fe3+的轉(zhuǎn)換加快,從而提升了·OH的生成速率,進(jìn)而提高了污染物脫除的效率[32]。因而,為了達(dá)到較為穩(wěn)定的SO2和NO脫除效率,可見光照射時(shí)間應(yīng)該在30 min以上。
圖4 可見光的照射對(duì)NO和SO2脫除效率的影響Fig.4 Effect of visible light irradiation on NO and SO2 removal efficiency
(1)采用FeOCl催化過碳酸鈉氧化反應(yīng),同時(shí)脫除NO和SO2的優(yōu)化條件為:NO和SO2的通入濃度分別為300,1 400 mg/m3,反應(yīng)溫度55 ℃,F(xiàn)eOCl用量為0.8 g/L,H2O2的含量為20 mmol/L,溶液初始pH值為5.5,反應(yīng)時(shí)間30 min。在此條件下,SO2和NO的脫除效率分別為99.9%和85.6%。
(2)可見光的照射對(duì)SO2和NO的脫除都有促進(jìn)作用,且在光照30 min時(shí),SO2和NO脫除效率分別為99.9%和88.7%,為穩(wěn)定脫除效率的最佳值。