石英砂颗粒[粒径为(4~6) mm], 纳米级TiO₂粉体, 去离子水, NaOH溶液。

JM 2003型电子天平, 余姚纪铭校验设备有限公司; DF— Ⅱ 磁力加热搅拌器, 金坛市荣华仪器制造有限公司; HN202— T台式干燥箱, 南通沪南科学仪器有限公司; 烧杯、玻璃棒, 南京中东化玻仪器有限公司。

将石英砂颗粒洗净后用浓度为1 mol· L^-1的NaOH溶液浸泡2 h, 取出后用去离子水反复冲洗干净, 晒干, 取一定量备用。

称取一定量的纳米级TiO₂粉体, 加入去离子水, 磁力搅拌4 h, 超声波震荡分散2 h, 形成一定浓度的稳定悬浊液。将称好的石英砂加至TiO₂悬浊液中, 超声波震荡1 h, 使TiO₂充分负载到石英砂上, 最后将整个物系转移到烘箱中160 ℃烘干, 制得含有一定活性组分的光催化剂^[16]。

光催化氧化小试实验在自制的试验台上进行, 整个实验台由烟气模拟部分、光催化氧化反应部分、尾气分析部分组成, 其中烟气模拟部分和尾气分析部分与UV/H₂O₂高级氧化工艺实验装置大致相同(其中烟气模拟部分增设一台水蒸气发生器及其管路), 光催化氧化反应部分如图1所示。

图1

Figure 1

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	图1 光催化氧化反应部分示意图Figure 1 Partial schematic diagram of photocatalytic oxidation reaction

采用不锈钢管式反应器, 不锈钢管内径47 mm、长600 mm, 紫外灯管直径20 mm、长330 mm, 功率25 W, 在紫外灯管与不锈钢管内壁之间填充自制的光催化剂。模拟烟气自左向右经过光催化剂层。

反应器采用外部电加热, 为减少散热量, 在电热元件外包有保温棉。反应温度由插入管内的热电偶测量, 并由温度控制仪控制。热电偶的信号传至温控仪, 当温度接近设定值时, 加热电流逐渐减小, 直至逼近设定值。

每次试验可记录15个数据, 将15个数据取平均值作为尾气中单质汞的最终浓度, 烟气中的Hg⁰去除率由下式算得:

η = Cin-CoutCin× 100%

式中, η 为Hg⁰去除率, %; C_in为烟气中Hg⁰的初始浓度, μ g· m^-3; C_out为尾气中Hg⁰的浓度, μ g· m^-3。

在无催化剂、有紫外灯情况下设定反应温度为150 ℃, 预热30 min后配气通入试验台, 气体总流量为2 120 mL· min^-1, O₂气瓶流量为100 mL· min^-1, 载汞高纯N₂的流量稳定在150 mL· min^-1, 汞渗透管恒温水浴维持在50 ℃, 平衡气为N₂。待模拟烟气中Hg⁰浓度稳定后开始计时测量, 结果如图2所示。

图2

Figure 2

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	图2 Hg0去除率随反应时间变化曲线Figure 2 Effect of time on Hg0 removal efficiency

从图2可以看出, 仅用紫外灯照射也能使少部分Hg⁰转化, 可能的原因是混合气中的少量O₂、H₂O等分子受紫外线照射时, 产生了少量的具有氧化性的自由基或者生成了少量氧化物(如O₃), 这些物质氧化了Hg⁰; 另外, 烟气中的O₂对Hg⁰的转化效率也有一定的贡献^[17]。

以石英砂为载体, 制备活性组分TiO₂含量分别为0.1%、0.2%、0.5%、1%和2%的光催化剂各100 g。每次将一份光催化剂填装进试验台, 设定温度为150 ℃, 预热30 min后配气通入试验台, 气体总流量为2 120 mL· min^-1, O₂气瓶流量为100 mL· min^-1, 载汞高纯N₂的流量稳定在150 mL· min^-1, 汞渗透管恒温水浴维持在50 ℃, 平衡气为N₂。活性组分含量对Hg⁰去除率的影响如图3所示。

图3

Figure 3

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	图3 活性组分含量对Hg0去除率的影响Figure 3 Effect of active component contents on Hg0 removal efficiency

从图3可以看出, 光催化剂的脱汞效率随着活性组分含量的增加而上升, 但上升速率逐渐下降。可能的原因是TiO₂含量越多, 在紫外灯照射下产生的氧化性自由基也越多, 对Hg⁰的氧化效果越好; 但TiO₂含量达到一定程度时, 过多的TiO₂负载在载体表面会阻碍紫外线的透过, 即一部分TiO₂被前面的TiO₂挡住, 因此脱汞效率的上升速率逐渐下降^[18]。

将活性组分含量为2%的光催化剂填装进试验台, 设定相应温度, 预热30 min后打开紫外灯, 配气通入试验台, 气体总流量为2 120 mL· min^-1, O₂气瓶流量为100 mL· min^-1, 载汞高纯N₂流量稳定在150 mL· min^-1, 汞渗透管恒温水浴维持在50 ℃, 平衡气为N₂。考察温度对Hg⁰去除率的影响, 结果如图4所示。从图4可以看出, 温度在(50~200)℃范围内, 光催化脱汞效率无明显变化。

图4

Figure 4

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	图4 反应温度对Hg0去除率的影响Figure 4 Effect of reaction temperature on Hg0 removal efficiency

将活性组分含量为2%的光催化剂填装进试验台, 设定温度为125 ℃, 预热30 min后配气通入试验台, 气体总流量为2 120 mL· min^-1, O₂气瓶流量为100 mL· min^-1, 载汞高纯N₂的流量稳定在150 mL· min^-1, 精确控制汞渗透管恒温水浴维持在不同温度以满足实验要求, 平衡气为N₂。考察Hg⁰初始浓度对光催化脱汞效率的影响, 结果如图5所示。

图5

Figure 5

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	图5 Hg0初始浓度对Hg0去除率的影响Figure 5 Effect of initial concentration of Hg0 on Hg0 removal efficiency

从图5可以看出, 光催化脱汞效率随着Hg⁰初始浓度的升高而下降。可能的原因是在系统稳定时, 光催化剂表面的最大活性位数量是一定的, 当Hg⁰初始浓度增加时, 光催化反应速率变化不明显, 故而光催化脱硝效率随着Hg⁰初始浓度的升高而下降^{[19, 20]}。

将活性组分含量为2%的光催化剂填装进试验台, 设定温度为125 ℃, 预热30 min后配气通入试验台, 气体总流量为2120 mL· min^-1, 精确控制O₂气瓶流量为使其满足实验要求, 载汞高纯N₂的流量稳定在150 mL· min^-1, 汞渗透管恒温水浴维持在50 ℃, 考察烟气含氧量对光催化脱汞效率的影响, 结果如图6所示。

图6

Figure 6

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	图6 含氧量对Hg0去除率的影响Figure 6 Effect of oxygen contents on Hg0 removal efficiency

从图6可以看出, 光催化脱汞效率先随着含氧量的升高而上升, 当含氧量为6%时, 光催化剂的脱汞效率达到最大, 为39.2%; 当含氧量大于8%时, 光催化剂的脱汞效率基本不变。可能的原因是在系统稳定时, 光催化剂的表面最大活性位数量是一定的。当氧含量小于6%时, 光催化剂表面的活性位未被完全利用, 含氧量越高, 活性位被利用的数量越多, 产生的氧化性自由基越多, 因此光催化脱汞效率随着含氧量的升高而上升; 当含氧量大于6%时, 光催化剂表面的活性位被完全利用, 产生的氧化性自由基数量几乎不变, 因此光催化剂的脱汞效率基本不变^[21]。