改性高岭土协同等离子体吸附重金属和碱金属蒸气的方法技术

本发明专利技术提供一种改性高岭土协同等离子体吸附重金属和碱金属蒸气的方法，首先对高岭土进行轻微煅烧，接着进行Ca(OH)

Method for adsorbing heavy metal and alkali metal vapor by modified kaolin synergistic plasma

The invention provides a method for adsorbing kaolin and synergetic plasma to adsorb heavy metal and alkali metal vapor. Firstly, the kaolin is calcined slightly, and then Ca (OH) is carried out

【技术实现步骤摘要】
改性高岭土协同等离子体吸附重金属和碱金属蒸气的方法
本专利技术属于大气污染物控制领域，具体涉及一种改性高岭土协同等离子体吸附重金属和碱金属蒸气的方法。
技术介绍
煤、垃圾和生物质等固体燃料燃烧过程中，Pb、Cd、Zn、Cu、Na、K等半挥发性金属元素在高温下部分或全部挥发形成金属蒸气，随烟气离开炉膛。烟气经过换热设备后温度降低，金属蒸气通过均相成核以及异相成核等作用发生冷凝，容易富集在亚微米颗粒物（PM1）甚至超细颗粒物（PM0.1）中。这些粒径细小的颗粒难以被除尘设备高效捕集，其中的重金属元素是颗粒物毒性的主要来源，碱金属元素是组成颗粒物的主要基质之一，严重危害人体健康。对于高Na煤和草本生物质来说，高温烟气中高浓度的碱金属蒸气还会导致烟道内换热器积灰、高温腐蚀以及炉内结渣等问题的产生，严重干扰锅炉运行。前人研究发现，高温下高岭土等天然矿物可以与半挥发性金属发生化学反应，生成不挥发的硅铝酸盐。因此，向高温炉内喷入超微米的高岭土粉末（PM>1）可以化学吸附金属蒸气，然后被除尘设备高效捕集，从而切断金属挥发后转化为细小颗粒物或腐蚀受热面的路径。但是，高温气氛下氯元素的出现会大大降低高岭土等天然矿物对金属蒸气的捕集能力。氯元素抑制矿物捕集重金属的实质在于氯元素导致重金属元素以氯化物的形式存在，而天然矿物与金属氯化物蒸气的反应速率要明显低于其与金属氧化物蒸气的反应速率。垃圾、煤和生物质中含有大量有机氯和无机氯，因此炉内的金属形态必然以氯化物为主，这将导致常规的天然矿物吸附剂高温吸附重金属和碱金属效率低下而不具有实用价值。目前缺乏具有抗氯性能的高温吸附技术。
技术实现思路
本专利技术在炉内喷射天然非金属矿物高温吸附炉内金属蒸气技术的基础上，提供了一种改性高岭土协同等离子体吸附重金属和碱金属蒸气的方法。该方法通过改性高岭土粉末以及低温等离子体的协同作用，提升高岭土对金属氯化物蒸气的吸附能力，实现高岭土高效控制亚微米重金属排放和减轻炉内结渣、换热面积灰和高温腐蚀。本专利技术的具体技术方案如下：一种改性高岭土协同等离子体吸附重金属和碱金属蒸气的方法，该方法包括如下步骤：向焚烧炉内900℃以上高温区喷射改性高岭土粉末，改性高岭土粉末随焚烧产生的烟气进入烟道内，同时向烟道内600-800℃温区喷射O2/H2O等离子体，形成协同脱除作用，最后改性高岭土粉末吸附烟气中的重金属和碱金属后被除尘设备捕集，其中，所述改性高岭土粉末由高岭土先经轻微煅烧，再经过Ca(OH)2和CH3COONa的混合溶液吸附浸渍制备而成。所述改性高岭土粉末由以下方法制备得到：（1）选取5~30μm的高岭土粉末；（2）将上述高岭土粉末置于350~400℃下煅烧5~10min，获得轻微煅烧高岭土；（3）将上述轻微煅烧高岭土粉末均匀分散于浸渍液，所述浸渍液为溶解有Ca(OH)2和CH3COONa的水溶液，浸渍液中Ca(OH)2浓度为0.001~0.005mol/L，CH3COONa浓度为0.001~0.005mol/L，高岭土粉末和浸渍液的固液比为2~5g/L，浸渍时间为6~10h，浸渍温度为10~30℃；（4）将上述浸渍液中生成的固体经过过滤、去离子水淋洗、干燥和破碎，制得改性高岭土粉末，其中淋洗次数不少于2次，干燥温度为120~240℃，干燥时间为5~8h，破碎粒径为5~30μm。所述改性高岭土粉末喷射质量与烟气体积比为500-1000mg/Nm3。所述O2/H2O等离子体为氧气和水蒸气的混合气通过等离子反应器产生的含有含氧自由基的等离子体，等离子体温度为400~700℃，其中混合气中O2:H2O的体积比例为15~19：1，所述水蒸气加入量与烟气的比例为400~1000mg/Nm3。在炉膛内布置喷嘴，将改性高岭土首先喷射入炉内900℃以上温区，一次吸附金属蒸气：高岭土粉末随烟气进入烟道内，在烟道内布置喷口，将O2/H2O等离子体喷射入烟道内600~800℃温区，在O2/H2O等离子体的作用下，二次吸附金属蒸气。本专利技术的具体原理如下：（1）对高岭土进行改性，提高其金属氯化物分子吸附能力。首先通过轻微煅烧，去除高岭土表面部分位点因结构缺陷而键能较弱的羟基，为浸渍离子提供负载活性位；然后在超低浓度浸渍液中，Ca2+和Na+通过静电作用吸附在活性位上；接着通过淋洗去除其他位置的Ca2+和Na+；最后经过干燥形成Ca和Na分散度高、负载量低的改性高岭土。高岭土高温吸附金属氧化物和氯化物分子的活性单元为表面Al环。当高岭土喷入高温吸附区时，高岭土表面负载的Ca和Na深度嵌入高岭土表面Al环中，导致周边Al环产生一定畸变从而活性提高。表面负载的Ca和Na对水蒸气具有催化作用，使高岭土表面更易于形成羟基，从而促进金属氯化物分子的吸附反应。Ca和Na的存在也有利于提高氯化物分子及其吸附反应中间产物分子在高岭土表面的吸附能。（2）协同使用O2/H2O等离子体，可以进一步提高其金属氯化物吸附能力。O2/H2O等离子体可以提供大量高活性含氧基团，直接参与到金属氯化物分子吸附中，而无需经历水蒸气分子分解为羟基的高活化能过程。因此，O2/H2O等离子体为金属氯化物分子吸附提供了大量反应物，绕开了水分子分解为羟基这一吸附反应步骤中的瓶颈。同时，高岭土表面的Ca和Na有助于阻碍含氧活性基团的复合，延长其存在时间。活性基团在高温下容易复合，因此选择温度低于炉膛的烟道内喷射。有益效果：（1）在原生高岭土吸附剂的基础上对其进行非结构破坏型改性，通过轻微煅烧和超低浓度静电吸附，实现高分散度和低负载量的Ca、Na离子表面嵌入，提高高岭土表面Al环的氯化物吸附活性；而且改性步骤中煅烧温度低，时间短，能耗低；浸渍溶液酸碱性弱，无腐蚀性。（2）在传统的矿物喷射基础上，引入等离子体协同脱除重金属和碱金属蒸气。O2/H2O等离子体所富含的含氧自由基促进了高岭土吸附金属氯化物蒸气的反应，增强了高岭土在高温下的抗氯性，本专利技术通过改性高岭土粉末以及低温等离子体的协同作用，提升高岭土对金属氯化物蒸气的吸附能力，实现高岭土高效控制亚微米重金属排放和减轻炉内结渣、换热面积灰和高温腐蚀。。具体实施方式以下为本专利技术的一种具体实施方式，但本专利技术的实施方式不限于此。在一台在处理垃圾量0.5t循环流化床焚烧炉上进行垃圾焚烧试验，密相区温度为700-800℃，稀相区温度为850-1000℃，尾部配备布袋除尘器。燃料选用模拟城市生活垃圾，其具体组分如表1所示。添加重金属醋酸盐模拟城市生活垃圾中的重金属，添加组分如表2所示。表1模拟城市生活垃圾中的各组分（质量百分比，%）名称面粉菜叶纸张木屑塑料棉布PVCNaCl含量401515121231.51.5表2模拟城市生活垃圾中重金属的添加量及添加成分(占城市生活垃圾干基总重的比例，mg/kg)，重金属添加量添加成分Zn8000(CH3COO)2Zn•2H2OCu2000(CH3COO)2Cu•H2OPb1500(CH3COO)2Pb•3H2OCd500(CH3COO)2Cd•2H2O制备改性高岭土：首先选取5~30μm的高岭土粉末，然后在400℃下煅烧5min，随后均匀分散于0.002mol/LCa(OH)2和0.002mol/LCH3COONa水溶液中，高岭土粉末和水溶液的固液比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改性高岭土协同等离子体吸附重金属和碱金属蒸气的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：向焚烧炉内900℃以上高温区喷射改性高岭土粉末，改性高岭土粉末随焚烧产生的烟气进入烟道内，同时向烟道内600‑800℃温区喷射O

【技术特征摘要】
1.一种改性高岭土协同等离子体吸附重金属和碱金属蒸气的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：向焚烧炉内900℃以上高温区喷射改性高岭土粉末，改性高岭土粉末随焚烧产生的烟气进入烟道内，同时向烟道内600-800℃温区喷射O2/H2O等离子体，形成协同脱除作用，最后改性高岭土粉末吸附烟气中的重金属和碱金属后被除尘设备捕集，其中，所述改性高岭土粉末由高岭土先经轻微煅烧，再经过Ca(OH)2和CH3COONa的混合溶液吸附浸渍制备而成。2.根据权利要求1所述的改性高岭土协同等离子体吸附重金属和碱金属蒸气的方法，其特征在于所述改性高岭土粉末由以下方法制备得到：（1）选取5~30μm的高岭土粉末；（2）将上述高岭土粉末置于350~400℃下煅烧5~10min，获得轻微煅烧高岭土；（3）将上述轻微煅烧高岭土粉末均匀分散于浸渍液，所述浸渍液为溶解有Ca(OH)2和CH3COONa的水溶液，浸渍液中Ca(OH)2浓度为0.001~0....

【专利技术属性】
技术研发人员：王昕晔，陈敏，杜荣，李静漪，卜昌盛，张居兵，朴桂林，卢平，黄亚继，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32