荧光灯辐照下光催化剂湿法脱汞研究

引 言

汞由于在生态系统和食物链中的有毒性、流动性和生物积累性，作为主要的致命污染物之一，汞污染问题已引起世界各国重点关注。各种汞污染排放源中，燃煤电厂被认为是最大的人为汞污染源。中国的煤炭消耗量位居世界第一，因此汞排放量也最高[1-2]。《关于汞的水俣公约》已于2017年8月16日起在我国正式生效。因而，加强燃煤烟气的汞排放控制非常必要。

燃煤烟气中的汞通常以单质汞（Hg0）、二价汞（Hg2+）和颗粒态汞（Hgp）3种形式存在。燃煤电厂安装的湿法脱硫设备和除尘设备对Hg2+和Hgp具有一定的脱除效果[3-4]，但对Hg0的脱除作用不大。因此，燃煤烟气Hg0的有效脱除是当今能源与环境领域的重要课题[5]。

目前，将Hg0氧化为Hg2+并进一步吸收的脱除方法受到广泛关注，如UV/Fenton[6]、UV/H2O2[7]、H2O2/Na2S2O8[8]、NaClO2[9]、TiO2[10]、SiO2-TiO2[11]、CuO/TiO2[12]、TiO2-硅酸铝纤维[13]和等离子体氧化技术[14]等。由于在溶液中可以产生大量的活性自由基，高级氧化技术（AOTs）被认为颇具应用前景。在Hg0的脱除过程中，其反应机理如下

上述脱汞反应可在常温下实现，但该技术需要紫外灯（UV）辐照和消耗一定量的H2O2或NaClO2等氧化剂，会进一步增加脱汞成本。进一步探寻成本廉价且高效的脱汞技术非常必要。

基于可见光或太阳光的光催化氧化技术在污染物降解方面已获得诸多成果[15-21]。由于良好的光催化活性，银基可见光催化剂被认为是一种颇具潜力的光催化剂。诸多银基催化剂如 Ag3PO4[15]、Ag/AgCl[16-17]、AgI[18]和 AgBr[19-20]等得到深入的研究。除银基催化剂外，含铋（Bi）复合氧化物光催化剂亦得到广泛研究[21]。Bi基光催化剂的禁带宽度通常较窄，可见光照射下易于发生电子-空穴（e?-h+）对的分离。更重要的是，与Ag和Au基等贵金属可见光催化剂相比，Bi基可见光催化剂的价格便宜，适合大规模商业化应用。在Bi的复合氧化物中，卤氧化铋（BiOX，X= Cl、Br、I）是一种新型的半导体材料，具有四方晶体结构，由[Bi2O2]片层与两层卤素元素交替排列组成。前期以共沉淀法制备的卤氧化铋（BiOX，X= Cl、Br、I）为光催化剂进行脱汞研究，发现卤氧化铋催化剂均具有一定的脱汞效果[22]。研究发现[23]，与单一的卤氧化铋和银基催化剂相比，两种材料的复合可以极大地提高其可见光催化氧化活性。然而，在燃煤烟气污染物治理领域，采用银基与铋基复合光催化剂脱除气相中单质汞（Hg0）的研究还较少，且其脱汞活性和脱汞机理仍不明确。

本研究以共沉淀-光还原法制备的 Ag@AgCl-BiOCl复合材料为光催化剂，研究其在液相中荧光灯辐照下的脱汞性能。通过N2吸附-脱附、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、紫外-可见漫反射光谱（DRS）、X射线光电子能谱（XPS）和电子自旋共振（ESR）等表征手段进行测试，以期获得其结构特征及荧光灯辐照下的脱汞机理。

1 材料与方法

1.1 光催化剂的制备

共沉淀-光还原法：在磁力加热搅拌作用下将0.1 mol的硝酸铋（Bi(NO3)3·5H2O）和 x mol（x =0.01、0.02、0.03或0.05）的硝酸银（AgNO3）溶解于50 ml冰乙酸与100 ml去离子水的混合液中。磁力搅拌30 min后，取（x+0.1）mol的氯化钾（KCl）添加至上述混合溶液中，继续搅拌60 min。然后，将其置于11 W紫外灯（UV，254 nm）下辐照并搅拌120 min。静置24 h后用去离子水和乙醇混合物洗涤至中性，置于70℃烘箱中干燥24～48 h，研磨、筛分至0.12 mm，所得样品分别记为Ag@AgCl(0.1)-BiOCl、Ag@AgCl(0.2)-BiOCl、Ag@AgCl(0.3)-BiOCl、Ag@AgCl(0.5)-BiOCl。这里，括号内数字表示催化剂中Ag与Bi物质的量的比，AgCl-BiOCl混合物表面的单质银纳米颗粒（Ag0 NPs）由UV灯照射产生。

另外，为对比脱汞性能和了解UV灯辐照的影响，还制备了AgCl、BiOCl和AgCl(0.2)-BiOCl光催化剂，其制备方法同上。

1.2 光催化剂活性评价

图1为鼓泡式可见光催化剂活性测试装置的示意图，各设备或容器的作用详见文献[22]。烟气气源由N2、O2、CO2、SO2和NO按一定配比组成。由于该方法在湿法下进行脱汞，所以实验中可不考虑烟气中H2O的影响。N2、O2和CO2为基本烟气成分，O2和CO2的体积含量分别约为6%和12%，N2为平衡气。气体总流量为1.5 L·min?1，进口Hg0浓度（Cin）约为 50 μg·m?3（标准状况下）。光催化剂使用质量为1.0 g，反应器中去离子水体积为1.0 L。可见光源选用11 W荧光灯（FSL，YDN11-π.RR型，佛山电器照明股份有限公司）。Hg0浓度由VM-3000汞分析仪（德国汞仪器有限公司）实时在线记录，该设备每1 s采集一个Hg0浓度数据，可实时了解其脱汞效率。光催化剂对Hg0的脱除效率η（%）为

文章来源：《湿法冶金》 网址: http://www.sfyjzz.cn/qikandaodu/2021/0420/456.html