煤气化过程中CuFe2O4改性膨润土对元素Hg的吸附-氧化作用研究（Fuel 2022）

研究内容

本文基于煤气化过程中存在的重金属Hg释放污染问题展开研究，针对Hg元素的释放特征，将CuFe₂O₄改性膨润土引入到煤气化过程实现Hg元素的原位吸附-氧化-脱除。本研究中融合了实验和热力学的技术方法，首先研究了CuFe₂O₄活性组分对煤气化过程中Hg的脱除效果。然后，采用密度泛函理论计算分析了CuFe₂O₄对Hg的吸附和氧化作用机理。该研究表明CuFe₂O₄改性膨润土作为一种高效、可回收的矿物吸附剂，为煤气化过程中Hg的脱除提供了一种创新的思路。

Fig.1 Role of CuFe₂O₄ in elemental mercury adsorption and oxidation on modified bentonite for coal gasification

要点1

通过还原-氧化方法制备的CuFe₂O₄改性的膨润土增加了煤气化过程中吸附剂表面吸附Hg⁰的活性位点，使膨润土具有有效的磁性能，如图Fig. 2和Fig. 3所示。与纯膨润土相比，CuFe₂O₄改性的膨润土能够将更多的Hg⁰转化为Hg²⁺和颗粒状汞[Hg(P)]，表现出更好的吸附和催化性能。此外，CuFe₂O₄改性的膨润土在煤气化高温过程中具有稳定的循环性能，如图Fig. 4所示。

Fig. 2. The morphologies of 30 wt%CuFe₂O₄/Ben. (a) and (b)SEM; (c)XRD; (d) Magnetization

Fig. 3. The Hg⁰ removal performances with Ben and 30 wt%CuFe₂O₄/Ben. Changes in Hg⁰ with time;(b) Distributions of Hg with Ben and 30 wt%CuFe₂O₄/Ben

Fig. 4. The regeneration test: (a) Hg distribution; (b) XRD

要点2

热力学模拟研究进一步证实了CuFe₂O₄改性的膨润土吸附剂更有利于Hg⁰向Hg²⁺的转化，如图5所示。

Fig. 5. Thermodynamic calculations of the temperature dependences of Hg⁰ with Ben and 30 wt%CuFe₂O₄/Ben during the coal gasification process

要点3

基于AMS软件BAND模块的密度泛函理论计算表明Hg⁰在CuFe₂O₄(110)表面Cu-top位活性位点具有更强的吸附作用，如图Fig. 6所示，这与Hg和Cu原子之间的杂化轨道密切相关，如图Fig. 7所示。Hg⁰与O原子的反应遵循Eley−Riddel(E−R) and Langmuir−Hinshlwood (L−H)反应机理，这意味着Hg在Fe/Cu-top位的扩散是控制步骤，HgO在O-top和hollow位的解吸是控制步骤。Hg⁰与活性*S的反应遵循 E-R和L-H两种反应机理。L-H反应机理的能垒低于E-R反应的能垒，在反应过程中占主导地位。该研究表明CuFe₂O₄改性膨润土是一种廉价、可循环的有前途的煤气化脱Hg吸附剂。

Fig. 6. Adsorption energies(ΔE_ads) of Hg at the Fe-top, Cu-top, O-top, and hollow sites of CuFe₂O₄(100) (a)(b)and specific structure configurations of Hg at the Cu-top site(c) .
*Note: The brown, blue, and red balls denote the Fe, Cu, and O atoms, respectively

Fig. 7. PDOS of Hg⁰ before and after the adsorption at the CuFe₂O₄ (100)-Cu-top site.
(a), (b), (c) PDOS of Hg; (d), (e), (f) PDOS of Cu. The black lines represent the states before the adsorption, whereas the red lines represent the states after the adsorption. The Fermi level (Ef) was set to 0 eV (the dashed line)

Fig. 8. Reaction pathways and energy profiles of the Hg oxidation at the sites of O-top and hollow on the CuFe₂O₄ (100) surfaces

Fig. 9. Reaction pathways and energy profiles for the oxidation of Hg at Fe-top and Cu-top sites on CuFe₂O₄ (100) surfaces

要点4

煤气化过程中H₂S气体对CuFe₂O₄表面Hg⁰脱除过程的影响机制的研究。密度泛函理论计算结果表明Hg与S的反应主要为Fe-top位点吸附的两种反应过程。一个是通过Hg与S原子的结合，遵循L−H反应机理；另一个遵循E−R反应机理，首先H₂S解离出活性*S，然后与Hg反应，具体如图Fig. 10所示。

Fig. 10. The configurations of intermediates, transition states and final states of Hg⁰ oxidation by H₂S on CuFe₂O₄ (100) surfaces. Note: The brown, blue, red, gray and yellow balls denote the Fe, Cu, O Hg and S atoms

参考文献

• Mei An,Nini Yuan,Qingjie Guo, and Xianyong Wei. Role of CuFe2O4 in elemental mercury adsorption and oxidation on modified bentonite for coal gasification. Fuel. 2022, 328: 125231

 感谢宁夏大学袁妮妮老师供稿！