改性光催化剂湿法脱除气态单质汞(2)

1.3 表征方法

在 X射线衍射仪(XRD,D8Advance型,德国Bruker公司)上测试样品的晶型结构；采用比表面积及孔径分布测试仪(Autosorb-iQ型,美国康塔仪器公司)测试光催化剂的比表面积及孔隙结构；采用扫描电子显微镜(SEM,Quanta 430型,美国FEI公司)对样品进行形貌观察；在Escalab 250Xi型X射线光电子能谱(XPS)上测试光催化剂的元素及其存在形态；样品的紫外-可见光漫反射光谱(DRS)在紫外-可见分光光度计(UV-4100型,日本日立公司)上测定；光催化剂产生的?O2-和?OH 由电子自旋共振谱仪(ESR,ER-SRC型,德国Bruker公司)测试完成.

2 结果与讨论

2.1 光催化剂活性

2.1.1 AgIO3负载量和光照对脱汞性能的影响 由图1(a)可以看出,BiOI和AgIO3的脱汞效率分别约为23%和85%.与BiOI相比,负载0.5wt.%的AgIO3后,其脱汞效率增加至 35%.然而,当 AgIO3负载量提高至1wt.%和2wt.%时,其脱汞效率大幅增加.负载量为4%时,脱汞效率约为 98%.与未经过紫外光照射的AgIO3(4%)BiOI光催化剂相比,Ag-AgIO3(4%)BiOI光催化剂的脱汞性能亦有约8%的提高,其原因为在可见光辐照下Ag0纳米颗粒的SPR效应所致[22].以上现象表明BiOI和AgIO3之间存在良好的协同效应,两者之间可能形成了异质结结构,促进了光生电子-空穴对的高效分离.随着 AgIO3负载量的进一步提高,Ag-AgIO3(6%)BiOI光催化剂的脱汞效率有所降低,其原因可能是AgIO3与BiOI之间形成的异质结接触面并不随 AgIO3添加量的增加而增加,它们之间存在最优的AgIO3添加量和最佳的异质结接触面,该研究与Cao等的研究结果一致[17].

由图 1(b)可以看出,在仅有荧光灯照射或仅有光催化剂下,其脱汞效率分别约为4%和10%.当光催化剂与荧光灯同时使用时,Ag-AgIO3(4%)BiOI光催化剂的脱汞效率快速升至 98%.以上现象表明,在无荧光灯照射下,Ag-AgIO3(4%)BiOI对 Hg0的物理吸附可以忽略,良好的光催化脱汞活性应归因于荧光灯照射下 Ag-AgIO3(4%)BiOI的光催化作用,荧光灯的存在对Ag-AgIO3/BiOI光催化剂的高效脱汞极其重要.

图1 AgIO3负载量(a)和荧光灯辐照(b)对脱汞活性的影响Fig.1 Effects of AgIO3content (a) and fluorescent lamp irradiation (b) on Hg0removal

2.1.2 溶液温度对脱汞活性的影响 根据Arrhenius方程可知,提高反应温度会加速化学反应的速率[23].由图2可以看出,在 20°C和40°C 下,光催化剂的脱汞效率分别为 97%和 98%.但是,当溶液温度升至 60°C时,Ag-AgIO3(4%)BiOI的脱汞效率降至约 65%,表明在可见光催化氧化体系中,存在最佳的反应溶液温度.较高的反应温度不利于 Hg0的氧化脱除,其原因可能是高温下 Hg0和O2的溶解度降低,导致反应体系中活性物质减少,进而影响 Hg0的脱除效率[22,24].

图2 反应溶液温度对脱汞活性的影响Fig.2 Effect of reaction solution temperature on Hg0removal

2.1.3 pH值对脱汞活性的影响 由图3可以看出,当反应溶液的 pH=2～7时,光催化剂的脱汞效率基本未发生变化,说明 Ag-AgIO3(4%)BiOI在酸性和中性条件下具有较高的光催化活性.但是,当反应溶液的pH值逐渐增加至9和12时,Ag-AgIO3(4%)BiOI光催化剂的脱汞效率分别下降至95%和80%,其原因可能是溶液中的 OH-与活性物质如 h+和?OH 发生反应(公式(2)和公式(3)所示),导致其光催化活性降低[25]：

2.1.4 SO2和 NO对脱汞活性的影响 研究表明[15,22,26],作为酸性气体,SO2和NO易与光催化反应体系中的活性物质发生反应,进而影响光催化剂的脱汞性能.因此,为考察 Ag-AgIO3(4%)BiOI光催化剂潜在的商业价值,开展了SO2和NO对Ag-AgIO3(4%)BiOI脱汞性能的影响研究.

图3 溶液pH值对脱汞活性的影响Fig.3 Effect of solution pH value on Hg0removal

图4 SO2和NO对脱汞活性的影响Fig.4 Effects of SO2和NO on Hg0removal

如图 4(a)所示,在 40min和 100min时刻通入250mg/m3SO2的10min后,Ag-AgIO3(4%)BiOI的脱汞效率急剧降低至 34%和 10%；切断 SO2的 15～20min后,光催化剂的脱汞效率均能缓慢恢复至初始值附近.与SO2不同,加入100mg/m3的NO气体对光催化剂脱汞活性的抑制较小[图4(b)]；然而,随着NO浓度的增加,脱汞效率的抑制作用亦逐渐明显.当NO浓度升高至500mg/m3时,Ag-AgIO3(4%)BiOI光催化剂的脱汞效率降低至约 50 %.当停止通入 NO后,光催化剂的脱汞效率能逐渐恢复到初始值附近.与 NO相比,由于 SO2的反应活性较高,它对光催化剂活性的抑制作用更大.SO2和NO均会与光催化反应体系中的活性物质?O2-、h+、和?OH 等发生反应(公式(4)～公式(9)),大量活性物种的消耗将影响它们与Hg0的反应[15].

由图 4(c)可知,在 40～70min同时通入 250mg/m3SO2和100mg/m3NO时,光催化剂的脱汞效率快速降低至约 45%.停止通入SO2和NO后,光催化剂的脱汞效率不能恢复至初始值,且继续降低至约 30%,与只添加 250mg/m3SO2的抑制效果基本一致.在100min时刻继续通入250mg/m3SO2和250mg/m3NO后,光催化剂的脱汞效率略微升高.然而,在 SO2和NO协同作用下,光催化剂仍呈现出较差的脱汞效果.因此,Ag-AgIO3(4%)BiOI光催化剂不适合应用于未脱硫脱硝的烟气范围,SO2与NO协同的光催化脱汞机理仍需深入研究.

文章来源：《湿法冶金》 网址: http://www.sfyjzz.cn/qikandaodu/2021/0301/419.html