氣態二價汞金屬催化還原的研究

楊海寅

（望亭發電廠，江蘇蘇州 215155)

氣態二價汞金屬催化還原的研究

楊海寅

（望亭發電廠，江蘇蘇州 215155)

原子吸收光譜技術基于Hg原子蒸氣（Hg0）對253.7nm的紫外光的選擇性強吸收作用實現Hg含量的測定，所以，保證樣品中所有形態的Hg轉化為Hg0，是獲得Hg含量準確測量的前提條件之一。之前的工作主要基于煙氣中沒有任何還原性氣體和氧化性氣體的理想情況進行分析。在前期工作的基礎上運用HSC熱化學模擬軟件中的平衡相計算模塊對過渡周期中的Zn、Cd、Y 等3種金屬元素對氣態Hg2+的還原效果進行了分析。

Hg含量；HSC熱化學模擬；二價汞；金屬元素

1 概況

近年來，隨著燃煤Hg污染問題的加劇，其排放與控制已經成為全世界共同關注的焦點。目前研究的重心主要集中在燃煤煙氣中Hg的脫除技術，而對樣品中Hg含量的分析技術研究較少。煤中的Hg含量對燃煤過程中Hg的排放監測有著直接的影響，因而對煤樣中Hg含量準確測量的方法與技術的研究具有重要的意義。

采用原子吸收光譜對固體樣品中Hg進行測量，其測量優點是：選擇性好；靈敏度高；分析范圍廣等。不論是用于熱解氣中Hg的連續測量，還是用于固體樣品中總Hg的離線測量，其原理均是：Hg原子蒸氣（Hg0）對253.7nm的紫外光具有強烈的吸收作用，且在一定范圍內，吸光度與單質Hg濃度成正比所以，本章主要采用逆向思維的研究思路，先查閱文獻排除可用于催化氧化煙氣中單質Hg的物質，然后運用熱化學軟件進行模擬分析，總結歸納出可還原氣態Hg的物質[1-3]。

大量的工作研究了氧化單質Hg的各種催化劑[4]，將其列于表1中。考慮到過渡周期中的元素多具有一定的催化作用，故選擇過渡周期的元素進行Hg2+的還原研究，同時先排除了過渡周期中含有的以上可用于催化氧化Hg0的元素。

表1 催化劑的類型及對應物質

結合前期的工作，已經對Sc、Ni、Zr、Nb、Mo、Cd、Hf這7種元素對氣態單質Hg的催化還原效果進行了分析。本文主要研究Zn、Cd、Y等3種元素用熱化學軟件進行模擬，分析其對氣態單質Hg的催化還原效果。

2 HSC熱化學軟件簡介

本文主要運用HSC Chemistry軟件5.0版中的平衡相組成這一計算模塊，對部分過渡周期中的十幾種元素進行模擬分析，根據特定壓力和特定溫度條件下的平衡相組成來探討這十幾種元素對氣態Hg的催化還原效果。平衡相組成計算模塊是根據吉相布斯自由能最小的原理來實現模擬分析的，計算過程如下：首先擬合出體系中各相的熱力學性質表達式，在滿足物料平衡方程的前提下使體系的吉布斯自由能最小，從而得到恒溫、恒壓系統平衡時的相組成。在計算過程中，只需輸入反應系統的壓力、溫度和初始物質的種類、數量、狀態，以及在隨后變化過程中可能出現的穩定相，就可以獲得在一定壓力和一定溫度條件下的平衡相組成。

3 模擬條件

在進行氣態Hg的催化還原過程之前，樣品需要經過直接燃燒的預處理過程，因待測樣品成分的不同，所釋放出來的氣體也會有所差異。煤樣燃燒之后，生成的氣體有：CO2、CO、H2O、NOx、SOx以及一定量的HCl、H2S、Cl2[5]，這些氣體隨著Hg蒸氣一并進入催化管發生反應。表2列舉了模擬時輸入的工況的起始條件，其中以氣態的HgCl2和HgO作為Hg2+的輸入成分，來探究過渡期金屬元素對Hg的還原效果。

表2 模擬輸入的工況

從表2可以看出，實際工況中包含還原性氣體CO、H2S和氧化性氣體O2、Cl2。主要研究了不同金屬作為催化劑條件下，對氣態Hg2+的還原效果。對Zn、Cd、Y等3種過渡周期元素進行氣態Hg還原分析，設定的反應壓力為100kPa，模擬的溫度區間為25～1 025℃，并根據不同平衡相的含量隨反應溫度變化的曲線，判斷某元素能否對氣體Hg2+進行還原，以及還原的溫度區間是否合適。

4 結果與討論

4.1 Zn、Cd的催化還原效果

元素Zn在以上四種工況下的輸出曲線與元素Ni有所不同，將模擬結果顯示在圖1中。從中可以看出，SO2氣體在反應溫度接近1 000℃才微量析出，故在催化管的反應溫度不超過600℃時，沒有SO2氣體生成，不會對Hg含量測量產生影響。HCl氣體在反應溫度接近200℃時緩慢析出；當溫度接近350℃時，達到峰值；之后隨著反應溫度的上升，HCl含量緩慢下降。H2O在200℃的反應溫度內，維持一定的含量不變，達到200℃時，含量有所降低，接近350℃，達到最低值，之后隨著反應溫度的上升，水蒸氣的含量逐漸緩慢上升，這些特點共同說明了Zn對氣態Hg的催化還原效果十分穩定，無論待測樣品直接預處理燃燒后生成的尾氣成分比較簡單，還

是還原性氣體和氧化性氣體均包括的復雜成分，都能達到統一的還原Hg2+效果。Zn對Hg2+的催化還原效果不會因待測樣品成分的復雜程度而發生改變，具有較高的穩定性，可用于Hg含量測量中氣態Hg2+的催化還原與Zn屬于同周期的元素Cd，對Hg的催化還原效果類似，不同的是：HCl析出的溫度延遲到400℃，而SO2的析出溫度提前到600℃，故可選擇400℃以下的反應溫度，避開HCl和SO2的析出溫度，從而消除其對Hg含量測量的干擾。

圖1 元素Zn在實際工況下的輸出曲線

4.2 元素Y的催化還原效果

圖2顯示了元素Y催化還原Hg2+的分析結果。從中可以明顯看出，金屬Y對Hg的催化還原效果比Zn、Sc更加穩定，實際氣氛下，氣體的組成僅有氣態單質Hg（Hg0），SO2、HCl、H2O均沒有生成，不會對原子吸收測量Hg產生干擾，也不會對反應儀器產生一定的腐蝕作用。不同的反應氣氛，影響的只是生成的固體物質Y2O3、YS、YCl3、YC2的含量。進一步分析圖2發現，當反應溫度超過600℃后，固態的YCl3物質開始緩慢升華為YCl3氣體。

綜合分析發現，金屬Zn、Y均在反應溫度達到300 ℃時，可將所有的Hg2+和其他非氣態的Hg0轉化為氣態Hg0，但Y的還原效果最佳，沒有生成對Hg測量產生干擾的氣體，具有很好的應用前景。

圖2 元素Y在實際工況下的輸出曲線

5 結束語

本文通過化學模擬的方法研究了Zn、Cd、Y共3種金屬元素對氣態Hg2+的還原效果，提出了相應元素的最佳還原溫度，期望能夠推廣原子吸收光譜技術在Hg含量測定方面的應用。

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[2] Presto A A，Granite E J.Survey of catalysts for oxidation of mercury in flue gas[J].Environmental Science & Technology，2006，40（18）：5601-5609.

[3] Li Y，Murphy P，Wu C Y.Removal of elemental mercury from simulated coal-combustion flue gas using a SiO2-TiO2nanocomposite[M].Fuel Processing Technology，2008，89（6）：567-573.

[4] Gao Y，Zhang Z，Wu J，et al.A critical review on the heterogeneous catalytic oxidation of elemental mercury in flue gases[J].Environmental science & technology，2013，47（19）：10813-10823.

[5] Galbreath K C，Zygarlicke C J.Mercury speciation in coal combustion and gasification flue gases[J].Environmental Science & Technology，1996，30（8）：2421-2426.

Study on Catalytic Reduction of Gaseous Divalent Mercury

Yang Hai-yin

Atomic Absorption Spectrometry（Hg）is used to determine the Hg content of 253.7 nm ultraviolet light.Therefore，it is necessary to ensure that the Hg content of all the samples in the sample is Hg0，which is the accurate measurement of the Hg content.One of the prerequisites.Previous work was based on the analysis of the ideal situation in the flue gas without any reducing gas and oxidizing gases.Based on the preliminary work，the reduction effect of gaseous Hg2+in three kinds of metal elements such as Zn，Cd and Y in the transition period was analyzed by using the equilibrium phase calculation module in HSC thermochemical simulation software.

Hg content；HSC thermochemical simulation；divalent mercury；metal element

X773

A

1003–6490（2017）11–0174–02

2017–09–18

楊海寅（1974—），男，江蘇蘇州人，工程師，主要從事火電廠設備管理、技術監督及科技環保方面的研究工作。