基于实验，燃烧中吸附剂捕集铅是怎么样的？
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目前，国外已开展利用吸附剂捕集铅等重金属的研究。 他们利用热重反应器研究了几种吸附剂与铅之间的长期吸附反应，并提出了高岭土与PbCl2之间的化学反应方程； Owens研究了通过将硅气相吸附剂前驱体喷入小型管式反应器中来捕获铅，但产物颗粒粒径较小，不利于除尘设备去除； Linak、Daivs等研究了将固相颗粒吸附剂注入大型燃烧炉中以捕获铅等重金属。 结果表明，铅的粒径分布将明显从亚微米范围向微米范围偏移。
国内也开展了利用吸附剂控制铅等重金属的研究。 这类研究有几个特点：（1）主要关注煤的燃烧过程； (2)吸附剂与燃料混合添加； (3)添加吸附剂后重金属的再分配主要以底灰和粉煤灰为代表。 由于飞灰含有的粒径范围较广，而目前人们最关心的是大气排放污染中的PM10，因此添加吸附剂后PM10中重金属的详细分布信息就显得更加重要。 此外，煤炭中含有多种矿物质和重金属元素，这些影响因素复杂且相互作用，导致很难判断特定吸附剂捕获特定重金属元素的有效性。
本研究检验了三种固相颗粒吸附剂在燃气燃料条件下对铅（一种典型的半挥发性重金属）的捕获，而不受其他矿物质的影响。 吸附剂直接从炉膛侧面喷射到炉膛高温区。 与铅发生反应。 通过对按空气动力学粒径分类的产品颗粒进行采样，给出了注入吸附剂后铅元素随粒径的重新分布。 研究了三种吸附剂的铅捕集效果、不同高岭土投料量的影响以及氯对高岭土捕集铅的影响。
实验系统
实验研究采用有效高度为3.4m、内径为150mm的一维炉试验台。 实验中添加了吸附剂注入系统。 该系统利用电机驱动平板将针管内的吸附剂向上推动。 同时，压缩空气进入针管，使上部颗粒部分流化。 流态化的吸附剂与压缩空气一起通过管道注入。 一维炉膛。 实验过程中，调节电机转速，保持吸附剂上表面与针管入口之间的距离恒定，同时使针管处于振动状态，使吸附剂进入炉温稳定、均匀。
实验中使用了两种吸附剂：第一种是分析纯化学试剂氧化铝（Al2O3）和氢氧化钙（Ca(OH)2）两种； 第二种是天然矿物高岭土（Al2O3·2Si2O·2H2O）。 采用X射线荧光光谱仪（XRF）测定了三种吸附剂的主要化学成分，结果如表1所示。采用激光粒度分析仪测定了吸附剂的平均粒径，氮气充分三种吸附剂经历实验高温后，使用自动吸附分析仪（BET）测量样品的比表面积。 结果如表2所示。实验中使用的三种吸附剂的平均粒径为6～9μm。 这样选择主要是因为小粒径的颗粒在相同质量下会提供更多的吸附表面，增强吸附效果，但粒径不能太小，否则产品颗粒仍为亚微米级，不易被吸附剂捕获。除尘设备。
表格1
表2
一维炉实验台启动后，经过6个小时的运行和调整，达到了实验条件。 实验时液化石油气流量为0.8m3/h（标准状态），炉出口负压为100Pa，氧含量为3.5%。 醋酸铅溶液流量为10mL/min，铅元素投料量为0./h，氯元素投料量为0./h。 实验中，吸附剂从一维炉第一段侧探针孔注入炉内，注入点温度为1473K。
实验条件稳定后，严格按照美国环境保护署（EPA）固定源颗粒采样要求，采用本公司8级颗粒冲击器在一级套管冷却器下端进行颗粒等动量采样标准方法。 采样膜是提供的特殊玻璃纤维过滤器。 采样流量为19.8L/min，采样口温度为403K。 此时8级冲击器每级气动切割直径d50分别为12.63、7.88、5.32、3.65、2.37、1.18、0.72和0.48μm。
样品分析
使用分辨率为0.1 mg的电子天平对冲击器各阶段采集的样品进行称重。 为了获得喷洒吸附剂后冲击器各级铅元素的重新分布，参考美国MARS5微波消解器的四级梯度加热方法对采样膜和颗粒物进行消解，待测溶液进入电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）测量铅含量。 需要指出的是，吸附剂本身所含的铅和玻璃纤维膜中所含的铅可能会影响结果。 一些研究人员考虑到了这一点，并提供了吸附剂中微量元素的测量数据。 本实验采用同样的方法测定了吸附剂和玻璃纤维中的铅含量。 结果表明，铅含量低于8μg/g。 该空白含量最多占样品总铅含量的千分之几，因此背景可以忽略不计。 铅含量的影响。
不同吸附剂捕获铅
将氧化铝、氢氧化钙和高岭土三种吸附剂从 1473K 以 60g/h 的速度喷入炉内以捕获铅。 在吸附剂的影响下，铅元素在冲击器的各个层面上重新分布。 图1显示了铅元素在三组粒径中的分布，即小于PM0.5的部分、大于PM0.5且小于PM1的部分、大于PM1且小于PM13的部分。 从图中可以清楚地看出，添加吸附剂后，三种吸附剂均将铅元素从亚微米范围转移至超微米范围，这说明三种吸附剂对铅的捕集效果均较好，且高岭土比氧化铝更有效和氢氧化钙。
图1
对于铅元素的重新分布，本文采用以dM/-DP坐标表示的铅元素质量浓度分布如图2所示。添加氧化铝和氢氧化钙后，铅元素质量浓度呈现明显的双峰分布。 两个峰大致以1μm为界，一个分布在亚微米范围，另一个分布在微米范围。 这两个峰的形成机制不同：对于亚微米峰，直接称重根据冲击器级别6至8（亚微米范围）收集的颗粒质量，并通过冲击器级别的ICP-AES测量铅元素质量图6至图8 通过比较，可以确认，在第6至第8阶段（亚微米范围）冲击器收集到的颗粒几乎都是铅颗粒。
这部分铅未被吸附剂捕获，是由气相铅直接成核、凝结、团聚而成，仍以PbO颗粒簇的形式存在； 微米峰在喷入吸附剂之前并不存在。 这是由于颗粒尺寸在微米范围内的氧化铝和氢氧化钙捕获气相铅而发生的。 这部分铅会以物理吸附和化学吸附的形式存在于吸附剂上。 添加高岭土后，铅由亚微米单峰分布变为微米单峰分布。 这部分铅以物理吸附和化学吸附的形式存在于高岭土上。 从吸附效果来看，氧化铝和氢氧化钙接近，而高岭土明显优于前两者。
研究人员认为，一般吸附剂对金属蒸气的物理吸附和化学吸附同时存在。 物理吸附依靠吸附剂表面与铅蒸气分子之间的范德华力，具有非选择性、吸附速度快的特点，吸附层数可以是单层或多层； 而化学吸附则依靠吸附剂表面与铅蒸气分子之间的范德华力。 化学键合力具有选择性高、吸附层单一的特点。 在高温下，金属蒸气与吸附剂外表面和内孔表面的活性位点（SiO2、Al2O3、CaO等）发生化学反应，形成稳定的晶体或玻璃体。
从表2可以看出，高岭土吸附铅蒸气时的比表面积小于其他两种吸附剂。 氧化铝和氢氧化钙可以提供更多的物理吸附表面和化学吸附活性位点来捕集铅，但其吸附效果远低于比表面积较小的高岭土，这表明在吸附捕集铅蒸气的过程中，它提供的吸附剂具有合适的活性位点比提供较大比表面积的吸附剂更重要，即化学吸附比物理吸附更重要。
图2
高岭土在捕获铅方面表现出良好的性能。 虽然比表面积很小，但它为与铅蒸气的化学反应提供了适当的活性位点。 对高岭土与 PbCl2 蒸气的吸附反应产物在热重反应器中进行 2 小时的 XRD 分析，发现了该物质，并提出了反应路径 Al2O3⋅2SiO2+PbCl2+H2O→PbO⋅Al2O3⋅2SiO2+2HCl (1) 其中 Al2O3 ·2Si2O即偏高岭土，是高岭土在高温下脱水后的相变产物。由于铅元素在高温下会以PbO蒸气的形式存在，因此喷入高温区的粒状高岭土会与其中的PbO蒸气发生化学反应。很短的时间。 假设反应生成的产物如等人提出的那样，就会有一个反应
高岭土脱水相变产生的Al2O3·2Si2O为捕集PbO蒸气分子提供了有效的活性位点，使得高岭土捕集PbO的能力优于氧化铝和氢氧化钙。
高岭土投加量对铅捕获的影响
高岭土从 1473K 开始以 10、20 和 60g/h 三种进料速度喷入炉内以捕获铅。 图3为不同高岭土投料量下铅元素在三组粒径中的分布情况。 当进料量为10g/h时，铅被捕获并转移至超微米范围（冲击器级别1至5）。 元素很少； 当进料量为20g/h时，约60%的铅元素仍处于亚微米范围； 当进给量为60g/h时，大部分铅被捕获并转移至微米范围。
图3
图4显示了以dM/-DP坐标表示的铅元素质量浓度分布。 根据前面的分析可以看出，亚微米范围内的铅元素没有被吸附剂捕获； 而微米范围内的铅元素则被吸附剂捕获。 因此，高岭土的三种投料量反映了三种典型的捕获情况：（1）铅没有被捕获，主要在亚微米范围； (2)部分铅被捕获，呈现亚微米和微米的双峰分布； (3)大部分铅被捕获，主要在微米范围内。 当进料量为10g/h时，只有少量的铅被高岭土吸附，这可能与Al2O3·2Si2O活性位点较少有关； 当进料量为60g/h时，Al2O3·2Si2O活性位点数量大幅增加。 ，使高岭土能够有效捕获大部分铅元素并将其转移到微米范围。
图4
氯对高岭土捕获铅的影响
该实验还研究了氯对高岭土捕获铅的影响。 高岭土从1473K开始以60g/h的进料速度喷入炉内，氯气浓度为100μL/L。 此时，铅元素在三组粒径中的分布如图5所示。在氯存在下，高岭土降低了亚微米范围内（冲击器级别6至8）的铅质量分数，同时提高了铅的质量分数。铅的质量分数在超微米范围内（撞击器级别1至5），对铅的捕获有一定的作用。 但与不含氯元素时高岭土捕获的铅相比，更多的铅残留在亚微米范围内，即没有被高岭土有效捕获。
图5
图6显示了以dM/-DP坐标表示的铅元素质量浓度分布。 由于氯的存在，铅元素的质量浓度由原来的微米级单峰分布转变为明显的双峰分布。 两个峰也大致以1μm为界，一个分布在亚微米范围，另一个分布在微米范围。 亚微米峰是未被高岭土捕获的气相铅直接成核、凝聚、团聚形成的。 这部分铅会以PbCl2颗粒簇的形式存在； 微米峰是由高岭土捕获的铅形成的，但这部分铅比不含氯的高岭土捕获的要少，说明氯的加入对高岭土捕获铅有很大的抑制作用。
由于铅在氯存在下主要以气相PbCl2形式存在，式(1)中高岭土活性位Al2O3·2Si2O与PbCl2蒸气的化学吸附反应会增强，而式(2)中活性位Al2O3·2Si2O与PbO水蒸气的化学吸附反应会大大减弱，但实验结果表明，活性位点Al2O3·2Si2O与PbCl2的反应活性弱于Al2O3·2Si2O与PbO的反应活性。 因此，式（2）所示的化学吸附反应是高岭土的有效捕获。 收集铅元素的关键。
图6
基于气动粒度分级方法，在不受其他矿物影响的情况下，研究了氧化铝、氢氧化钙和高岭土对铅的捕获，获得了铅元素根据气动粒度重新分布的信息。 (2)实验数据表明：分布在亚微米范围内的铅不被吸附剂捕获，而是由气相铅直接通过成核、凝聚、团聚形成； 分布在微米范围内的铅被微米级吸附剂捕获。 这部分铅以物理吸附和化学吸附的形式存在于吸附剂上。
(3)氧化铝、氢氧化钙和高岭土均能有效捕获铅，但高岭土的效果明显优于前两者。 虽然吸附剂捕集铅时物理吸附和化学吸附同时存在，但化学吸附比物理吸附更重要。 与氧化铝和氢氧化钙相比，高岭土对铅有更强的化学吸附作用。 (4)不同的高岭土投料量对铅的再分配影响很大。 当进料量为10g/h时，大部分铅分布在亚微米范围内。 当进给量为20g/h时，铅呈现明显的亚微米和微米双峰分布。 当进给量为60g/h时，大部分铅被捕获并转移。 到微米范围。
(5)在氯存在下，高岭土对铅捕获有较强的抑制作用，铅由微米单峰分布转变为亚微米和微米双峰分布。 这种抑制作用可能是由于高岭土、Al2O3·2Si2O和PbCl2的活性位点所致。其反应活性远低于Al2O3·2Si2O和PbO。