环境工程学报, 12(10): 2807-2817

DOI 10.12030/j.cjee.201805042    中图分类号  X513   文献标识码  A


刘恒恒,赵玲,康琦. CeO2-CuO/粉煤灰吸附SO2/NO性能分析[J]. 环境工程学报,2018,12(10):2807–2817.
LIU Hengheng, ZHAO Ling, KANG Qi. Performance analysis of CeO2-CuO/fly ash for adsorption of SO2/NO [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering,2018,12(10):2807-2817.
CeO2-CuO/粉煤灰吸附SO2/NO性能分析
刘 恒恒, 赵 玲 * , 康 琦
内蒙古大学生态与环境学院,呼和浩特 010021
第一作者:刘恒恒(1992—),男,硕士研究生,研究方向:大气污染控制。E-mail:1638155276@qq.com
*
通信作者, E-mail:nmzhl@hotmail.com
收稿日期: 2018-05-09; 录用日期: 2018-06-20
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(21567018,21347001);内蒙古自然科学基金资助项目(2017MS0214,2013MS0203)

摘  要 

利用室温液相浸渍法将粉煤灰制备成CeO2-CuO/粉煤灰,提高了粉煤灰对SO2/NO的吸附效率。采用XRF、XRD、SEM等手段对其进行表征测试,结果表明,粉煤灰的晶相结构主要为石英和莫来石,且改性后表面变得更为粗糙,孔隙增多。利用吸附反应装置优化SO2/NO的反应条件,结果表明:在样品量为0.3 g、温度为50 ℃、SO2流速为8 mL·min−1、O2流速为4 mL·min−1时,CeO2-CuO/粉煤灰对SO2吸附效果最佳;在样品量为0.4 g、温度为70 ℃、NO流速为6 mL·min−1、O2流速为4 mL·min−1时,对NO吸附效果最佳。共吸附会降低各自的吸附效率。利用原位FTIR分析表明:SO2在CeO2-CuO/粉煤灰表面主要生成硫酸盐和亚硫酸盐物种;NO则主要生成硝酸盐和亚硝酸盐物种。
Performance analysis of CeO2-CuO/fly ash for adsorption of SO2/NO
LIU Hengheng, ZHAO Ling * , KANG Qi
School of Ecology and Environment, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China
*
Corresponding author, E-mail:nmzhl@hotmail.com

Abstract  

CeO2-CuO/fly ash prepared by liquid phase impregnation at room temperature improved its adsorption efficiency for SO2/NO. The samples were characterized by X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), the results represented that fly ash’s crystal structure mainly consisted of quartz and mullite, and the surface of fly ash became coarser with more pores after modification. Adsorption-reactive device was used to optimize the reactive conditions of SO2/NO. The results showed that the CeO2-CuO/fly ash adsorbent has the best adsorption effect on SO2 when the sample weight is 0.3 g, the temperature is 50 ℃, the flow rate of SO2 is 8 mL·min−1, and flow rate of O2 is 4 mL·min−1. When the sample weight is 0.4 g, the temperature is 70 ℃, the flow rate of NO is 6 mL·min−1, and the flow rate of O2 is 4 mL·min−1, the adsorption effect of NO is best. Co-adsorption decreases the respective adsorption efficiency. In situ FTIR spectroscopy results showed the main species are sulfate and sulfite for SO2 adorption, and nitrate and nitrite for NO adsorption.
我国经济飞速发展,对能源需求不断增加,传统资源所占比例仍然较高,燃煤电厂、火电厂等供能场所排放的SO2、NO 等主要的气体污染物严重污染了大气环境,其中SO2的排放促进了酸雨的形成,NO 的大量排放促使了光化学烟雾的产生,引发了人们的广泛关注[1-4]。目前,全球对燃煤电站排放废气中SO2的浓度限值要求越来越高,研究高效经济的SO2、NO脱除技术已非常紧迫。
我国每年产生的粉煤灰量巨大,其价值较低,产生的粉煤灰会占用大量土地,也会污染大气、水等,造成环境问题,因此,加强对粉煤灰的高效利用及资源化的研究具有重大意义。
粉煤灰因其具有一定的孔结构和SiO2、Al2O3等活性组分[5],从而对气体具有一定的吸附性能,本研究将通过CeO2和CuO共负载来考察改性前后粉煤灰对SO2和NO的吸附性能。施云芬等[6]以改性粉煤灰制备陶粒用于SO2的吸附研究,结果显示该陶粒最大吸附容量为30.9~39.5 mg·g−1,可以实现对SO2气体的吸附;陆靓燕等[7]通过热法制成粉煤灰基吸附剂,并且研究了其对SO2吸附的影响因素;RUBEL等[8]研究表明通过活化含碳量较高的粉煤灰可有效脱除NOx;贾小彬[9]利用粉煤灰和凹凸棒石经过一定的加工制成FA-PG催化剂载体,通过浸渍法负载 Mn、Fe、Cu等氧化物,煅烧得到脱硝催化剂,最终结果显示Mn/FA-PG在低温下活性最好,NO的转化率在100 ℃时可以达95%以上;目前,在国内外对于利用固体废弃物粉煤灰为原料制备吸附剂用于多种气体的去除研究比较少见。
本研究利用双碱性金属氧化物(CeO2、CuO)对固体废弃物粉煤灰进行负载改性,制备对大气污染物SO2、NO具有较好去除性能的吸附剂,并依次优化吸附条件,分析SO2和NO之间的竞争吸附效应和反应机理,为脱硫脱硝行业提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 仪器与设备

傅里叶变换红外光谱仪(Vertex70,德国Bruker);烟气分析仪(8500,深圳昂为);X-射线粉末衍射仪(帕纳科Empyrean);扫描电子显微镜(F50,美国FEI Inspect);X-射线荧光光谱仪(日本岛津);气体吸附仪(AUTOSORB-1,美国QUANTACHOME)。

1.1.2 实验物质与试剂

粉煤灰(fly ash,内蒙古呼和浩特市燃煤电厂);硝酸铜(Cu(NO32·3H2O,天津市风船化学试剂科技有限公司);硝酸铈(Ce(NO33·6H2O,天津市光复精细化工研究所)。其中硝酸铜和硝酸铈均为分析纯试剂。

1.1.3 CeO2-CuO/粉煤灰的制备过程

采用室温液相浸渍法制备CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂,具体过程为:首先从燃煤电厂取来新鲜的细粉状粉煤灰物质,对其烘干预处理,在研钵中进行研磨,研磨0.5 h,过100目筛。在室温下进行CeO2 、CuO的负载,经过多次预实验确定了本研究的制备参数,即粉煤灰:硝酸铈溶液=1:3(g:mL)、硝酸铈浓度为0.05 mol·L−1、煅烧温度为600 ℃、煅烧时间为4 h、硝酸铜/粉煤灰为10%(m硝酸铜/m粉煤灰=10%),先加入上述体积和浓度的硝酸铈在磁力搅拌下浸渍0.5 h,再加入粉煤灰质量分数为10%的硝酸铜,接着搅拌0.5 h,最后取出静置1 h,以使得粉煤灰与浸渍液分离而沉淀,静置完成后去除悬浮液,再将其在烘箱中于100 ℃下烘干,然后在马弗炉中600 ℃下煅烧4 h。冷却后,再次进行研磨过100目筛,最后装袋密封,进行接下来的吸附实验,整个制备过程如下:预处理→浸渍→静置→烘干→煅烧→冷却→研磨过筛。

1.1.4 仪器设置条件和测试过程

X-射线粉末衍射(XRD)测试条件:Cu靶Kα辐射,λ=0.154 06 nm,管电压40 kV,电流40 mA,扫描范围5°~90°。
红外光谱(FTIR)测试条件:分别对改性前后的粉煤灰进行扫描,采用KBr压片法,样品均称量0.9 mg,KBr大约为75 mg,将二者混合压片,仪器分辨率为4 cm−1,扫描波长为400~4 000 cm−1
原位红外透射光谱(in situ FTIR)测试过程: 在10 mL·min−1的He气吹扫下升温到200 ℃,扫描背景,并降温至各自最佳吸附温度,通入最优流速的反应气体,反应1 h,重复测量反应不同时间的红外谱图。

1.2 实验装置与方法

本研究的吸附效率测试实验均通过图1装置完成。在本装置中,气瓶中一定浓度和压力的气体进入配气箱,在配气箱中多种气体按照一定的流速混合后,流向反应U形管,利用烟气分析仪在进气浓度检测口处检测进气浓度,恒温水浴锅保证预处理和反应温度以及时间,在U形管中发生固气吸附反应后,气体排出,在出气浓度检测口处检测反应出口浓度,以确定吸附效率,最后在尾气处理装置处利用一定浓度的Na2CO3溶液进行尾气处理,以免污染环境。每一次实验前后,均用一定量纯He吹扫整个装置内部的系统管路,以确定反应装置中无残留的SO2、NO、O2,避免影响实验。气体吸附效率计算公式如下:
η = λ 0 λ λ 0 × 100 %
(1)
式中:为吸附效率,%;λ0为进口浓度,mg·m−3λ为出口浓度,mg·m−3
具体实验条件为气瓶浓度为0.2%的SO2和NO气体以及10%的O2气体和高纯N2、He气,其中SO2和NO进气压力为0.2 MPa,其余是0.1 MPa,吸附剂量0.4 g,样品预处理温度是200 ℃,预处理时间为2 h,在外界标准大气压下,吸附气体SO2、NO流速均为8 mL·min−1、O2流速为2 mL·min−1、载气N2为2 mL·min−1、吸附温度30 ℃、30 s计数1次计时0.5 h,计算吸附效率,绘制吸附曲线图。
图1 吸附实验装置
Fig. 1 Absorption experimental system
图1 吸附实验装置
Fig. 1 Absorption experimental system
Cjee 201805042 t1

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰和CeO2-CuO/粉煤灰吸附SO2/NO性能比较

图2是粉煤灰改性前后SO2和NO的吸附效率随时间的变化,发现经过双金属改性后的粉煤灰对SO2和NO的吸附效率均明显提高,改性前对SO2/NO的吸附效率在30 min内均达到吸附饱和,改性后平衡时间延长,同时发现粉煤灰改性前后对SO2的吸附效率均高于NO。表明CeO2和CuO的负载将提供更多的吸附活性位,促进粉煤灰对SO2和NO气体的吸附。崔同明等[10]采用了煅烧-水热化合法对粉煤灰进行了改性,同样得到对SO2吸附效率较高的结果。
图2 吸附效率对比
Fig. 2 Comparison of adsorption efficiency
图2 吸附效率对比
Fig. 2 Comparison of adsorption efficiency
Cjee 201805042 t2
图3是SO2和NO分别在粉煤灰和CeO2-CuO/粉煤灰下的穿透曲线,SO2和NO在CeO2-CuO/粉煤灰上平衡时间较长,吸附量也相应比粉煤灰更大,同时SO2在改性前后的粉煤灰上吸附平衡时间也更长于NO。分析粉煤灰(FA)和CeO2-CuO/粉煤灰对SO2和NO的饱和吸附量,结果如表1所示,经过物化改性粉煤灰对SO2和NO的饱和吸附量增加,这也与图3结果一致,表明双金属改性促进了粉煤灰对SO2和NO气体的吸附。
图3 不同吸附剂对SO2和NO的穿透曲线
Fig. 3 Breakthrough curves of SO2/NO under different adsorbents
图3 不同吸附剂对SO2和NO的穿透曲线
Fig. 3 Breakthrough curves of SO2/NO under different adsorbents
Cjee 201805042 t3
表1 不同吸附剂的比表面积和孔结构性质及对SO2/NO的饱和吸附量
Table 1 BET and structural properties and total capacity of SO2/NO under different adsorbents
表1 不同吸附剂的比表面积和孔结构性质及对SO2/NO的饱和吸附量
Table 1 BET and structural properties and total capacity of SO2/NO under different adsorbents
样品
比表面积/(m2·g−1 )
孔体积/(cm3·g−1)
孔径/nm
SO2饱和吸附量/(mg·g−1
NO饱和吸附量/(mg·g−1
FA
112
0.30
13.8
2.57
1.07
CeO2-CuO/FA
167
0.67
10.1
6.29
1.47

2.2 粉煤灰和CeO2-CuO/粉煤灰的表征测试

2.2.1 X射线荧光光谱(XRF)

表2表3分别为粉煤灰和CeO2-CuO/粉煤灰的XRF结果,可以看出,粉煤灰改性前后主要成分是一致的,主要包含SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等氧化物成分,而含量有所不同,在一定程度上,对粉煤灰的物理化学改性没有改变其主要成分及含量;同时表明已成功地在粉煤灰原样中负载上了CeO2和CuO 2种成分,其质量分数分别是0.781%和1.649%,CuO的负载量高于CeO2的负载量,同时根据XRF测试,表明本研究所使用的原材料物质是粉煤灰[11]
表2 粉煤灰原样的化学成分(质量分数)
Table 2 Chemical composition of fly ash(mass fraction)     %
表2 粉煤灰原样的化学成分(质量分数)
Table 2 Chemical composition of fly ash(mass fraction)     %
SiO2
Al2O3
CaO
Fe2O3
TiO2
K2O
MgO
P2O5
Na2O
54.086
36.139
2.745
2.675
1.429
0.708
0.531
0.388
0.365
表3 CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂的化学成分(质量分数)
Table 3 Chemical composition of CeO2-CuO/fly ash adsorbent(mass fraction)     %
表3 CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂的化学成分(质量分数)
Table 3 Chemical composition of CeO2-CuO/fly ash adsorbent(mass fraction)     %
SiO2
Al2O3
CaO
Fe2O3
CuO
TiO2
CeO2
K2O
Na2O
52.699
34.892
2.560
2.427
1.649
1.450
0.781
0.711
0.702

2.2.2 X-射线粉末衍射(XRD)

图4为粉煤灰改性后的CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂的XRD图,看到有很多较强且尖锐的衍射峰,表明CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂组成成分种类较多,而其主要的晶相结构为石英(SiO2)和莫来石(Al6Si2O13),同时表明CeO2和CuO已经负载到了粉煤灰中,在其主要的衍射度34.3°(CeO2)和35.4°(CuO)有相对较小的特征峰,表明两者负载量相对较低,这与2.2.1中XRF结果一致,在低负载量时,活性组分CeO2和CuO将可能在粉煤灰表面以单层覆盖的方式高度分散。而在16°~41°衍射区有较强的特征峰,表明CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂中含有很多无定型玻璃体[12]
图4 CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂X-射线衍射图
Fig. 4 X-ray diffraction pattern of CeO2-CuO/fly ash adsorbent
图4 CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂X-射线衍射图
Fig. 4 X-ray diffraction pattern of CeO2-CuO/fly ash adsorbent
Cjee 201805042 t4

2.2.3 扫描电镜(SEM)

图5(a)和(b)分别是粉煤灰原样放大1 000倍和3 000倍的SEM图,未经任何处理的粉煤灰原样主要是粒径大小不一的球形颗粒,且外形相对规则,在其表面附有少量粒径更小的颗粒。
图5 粉煤灰原样的扫描电镜图像
Fig. 5 SEM photographs of fly ash
图5 粉煤灰原样的扫描电镜图像
Fig. 5 SEM photographs of fly ash
Cjee 201805042 t5
图6(a)和(b)分别是CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂放大1 000倍和3 000倍的SEM图,图6(c)则是将其3 000倍的标圈处放大10 000倍的SEM图,与粉煤灰原样的SEM图相比较,CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂的微观形貌发生了很大的改变,成为了规则性较小的颗粒物,表面变得更为粗糙,可能增加了其表面积,从而使其在一定程度上提高了吸附能力[13]。同时将改性前后的3 000倍SEM图对比,可以发现在改性后其表面出现了很多的孔隙(标圈处),在将其(标圈处)进一步放大到10 000倍以后,可以更清楚地发现,CeO2-CuO/粉煤灰的表面孔隙较多,从而可能更好地提高粉煤灰的吸附性能。
图6 CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂的扫描电镜图像
Fig. 6 SEM photographs of CeO2-CuO/fly ash adsorbent
图6 CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂的扫描电镜图像
Fig. 6 SEM photographs of CeO2-CuO/fly ash adsorbent
Cjee 201805042 t6

2.2.4 BET分析

表1可知,与粉煤灰原样相比较,CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂的比表面积和孔体均有大幅度增加,孔径有所减小。说明粉煤灰改性使其成为了规则性较小的颗粒物,孔径减小,表面变得更为粗糙,表面积和孔容增大,这与扫描电镜结果相一致。

2.2.5 红外光谱(FTIR)

图7是粉煤灰改性前后的FTIR谱图,其中在低波数区,466 cm−1处的吸收峰归属于Si—O—Si和O—Si—O键的弯曲振动谱带,证实了有石英的存在[14],560 cm−1左右的吸收峰应是Al—O伸缩振动,与莫来石等矿物的存在[15]有关,CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂比粉煤灰原样在此处有更强的吸收强度,表明可吸收红外的Al量增多,777 cm−1处的峰为Si—O—Si和Al—O—Si的对称伸缩振动峰,900 cm−1处吸收峰归属Si—O—Si(Al)弯曲振动,与莫来石结构有关;在中波数区,1 103 cm−1处的吸收峰为Si—O的伸缩振动[16],1 398 cm−1处的吸收峰应归属为其含有的有机化合物C—H的弯曲振动,这与未完全燃烧[17]有关,1 622 cm−1处吸收峰为吸附水的伸缩振动和弯曲振动峰[18];在高波数区,3 126 cm−1处应是从外界吸附的水分子。通过两者FTIR谱图对比,可以看出,CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂比粉煤灰原样在相应吸收峰位置的吸收强度变强,表明本研究通过改性在一定程度上提高了粉煤灰的活性。
图7 粉煤灰(FA)和CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂的FTIR谱图
Fig. 7 FTIR spectrum of fly ash(FA) and CeO2-CuO/fly ash adsorbent
图7 粉煤灰(FA)和CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂的FTIR谱图
Fig. 7 FTIR spectrum of fly ash(FA) and CeO2-CuO/fly ash adsorbent
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2.3 CeO2-CuO/粉煤灰对SO2/NO吸附反应条件的优化

图8分别是CeO2-CuO/粉煤灰对SO2吸附反应条件的优化,依次对样品量、反应温度、SO2流速、O2流速进行优化,最终发现在样品量为0.3 g、温度为50 ℃、SO2流速为8 mL·min−1、O2流速为4 mL·min−1时,CeO2-CuO/粉煤灰对SO2的吸附效果最佳。
图8 反应条件的影响
Fig. 8 Effect of reaction conditions
图8 反应条件的影响
Fig. 8 Effect of reaction conditions
Cjee 201805042 t8
图9分别是CeO2-CuO/粉煤灰对NO吸附反应条件的优化,依次对样品量、反应温度、NO流速、O2流速进行优化,在样品量为0.4 g、温度为70 ℃、NO流速为6 mL·min−1、O2流速为4 mL·min−1时,对NO吸附效果最好,梅笛[19]利用浸渍法制备了MnOx/粉煤灰低温脱硝催化剂,同样发现O2有利于NO的吸附。
图9 反应条件的影响
Fig. 9 Effect of reaction conditions
图9 反应条件的影响
Fig. 9 Effect of reaction conditions
Cjee 201805042 t9

2.4 CeO2-CuO/粉煤灰对SO2/NO共吸附反应实验

根据上述结论,在这里将进行SO2和NO气体的共吸附反应实验,共吸附可以分为2种情况。
1)在SO2的最优吸附条件下共吸附NO,反应条件:吸附剂重量为0.3 g、气体SO2流速为8 mL·min−1、气体NO流速为6 mL·min−1、O2流速为4 mL·min−1、吸附温度为50 ℃。
2)在NO的最优吸附条件下共吸附SO2,反应条件:吸附剂重量为0.4 g、气体NO流速为6 mL·min−1、气体SO2流速为8 mL·min−1、O2流速为4 mL·min−1、吸附温度为70 ℃。
CeO2-CuO/粉煤灰对SO2/NO共吸附结果和各自最优反应条件下吸附结果的对比如图10所示。图10(a)是在SO2最优吸附条件下共吸附的NO与单种气体各自最优吸附条件下的吸附效率对比;图10(b)是在NO最优吸附条件下共吸附的SO2与单种气体各自最优吸附条件下的吸附效率对比。
通过不同吸附条件下SO2和NO吸附效率的对比发现,SO2和NO单种气体在其各自最优条件下进行吸附的时候,吸附效率均远高于2种共吸附条件下两者各自的吸附效率,SO2和NO共存的情况下会进行竞争吸附,同时都相应地更快达到吸附饱和。共吸附时,CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂对SO2的吸附效率高于NO,进一步表明改性粉煤灰对SO2具有相对更好的吸附性能。
图10 不同条件对CeO2-CuO/粉煤灰吸附性能的影响
Fig. 10 Effect of different conditions on adsorption performance of CeO2-CuO/FA
图10 不同条件对CeO2-CuO/粉煤灰吸附性能的影响
Fig. 10 Effect of different conditions on adsorption performance of CeO2-CuO/FA
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2.5 原位红外透射光谱分析

2.5.1 SO2原位红外光谱

图11为粉煤灰原样和CeO2-CuO/粉煤灰吸附SO2的原位红外光谱图,其中在两者表面分别出现了1 346 cm−1和1 348 cm−1处归属于吸附态SO2的特征吸附峰,其中主要以SO32−的形式存在[20],但在CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂上形成的峰面积更大,而且在CeO2-CuO/粉煤灰上还新出现了1 286 cm−1处的峰,应归属为气态SO2在表面吸附的特征峰,这两点均表明通过一定程度的改性,提高了对SO2的吸附性能。图11出现的1 374 cm−1处的峰归属于典型的O=S=O共价基团的非对称性振动特征吸附峰(SO42−[21],在粉煤灰原样中的1 053 cm−1和970 cm−1处的峰应为亚硫酸盐或亚硫酸氢盐的表面络合结构[22-23],在粉煤灰原样中的1 159 cm−1和CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂中的1 161 cm−1左右的吸收峰归属为双齿硫酸盐中的对称振动吸收峰。在粉煤灰原样中的1 132 cm−1和CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂中的1 136 cm−1左右的吸收峰归属为吸附剂表面的硫酸盐结构[24]。2种物质中2 360 cm−1和2 330 cm−1左右处的峰应归属为CO2的反伸缩振动峰,均在通气20 min时形成了较强的峰,表明在物质表面有气态CO2的吸附[25-26],1 515 cm−1处归属为SO2不对称的伸缩振动吸收峰。
在粉煤灰中含有Al2O3、SiO2等活性组分,这将为SO2的吸附反应提供一定的催化氧化能力,而对粉煤灰样品进行双金属改性后,CuO的负载将提供更多的氧化活性位点[27],同时CeO2作为氧的“存储器”,通过其氧化还原反应,具有良好的存储和释放氧的功能,可以有效地促进晶格氧O2−、吸附氧O2等活性氧物种的形成、迁移和转化[28-29],从而在CeO2和CuO活性位点共同作用下,加剧了SO2向硫酸盐物种的转化。综上所述,可以看出粉煤灰对SO2具有一定的吸附效果,但改性后,吸附性能得到了提高。
图11 SO2在粉煤灰和CeO2-CuO/粉煤灰上原位反应的红外谱图
Fig. 11 In situ FT-IR spectra of fly ash and CeO2-CuO/fly ash reation with SO2
图11 SO2在粉煤灰和CeO2-CuO/粉煤灰上原位反应的红外谱图
Fig. 11 In situ FT-IR spectra of fly ash and CeO2-CuO/fly ash reation with SO2
Cjee 201805042 t11

2.5.2 NO原位红外光谱

图12可以看到,CeO2-CuO/粉煤灰和未改性的粉煤灰原样对NO的吸附形成了鲜明的对比,其中1 630 cm−1左右归属于桥连硝酸盐,1 600 cm−1处为双齿硝酸盐[30],CeO2-CuO/粉煤灰中在2波长处的峰出现更早,且峰强较改性前更大,表明NO与O2反应生成的硝酸盐物种,能够较好地吸附在CeO2、CuO上,这与它们较强的碱性位有关,说明粉煤灰改性后对NO吸附性能更好,1 905 cm−1和1 849 cm−1处应归属为NO在表面的弱吸附,即气态吸附的NO物种[31],在改性吸附剂CeO2-CuO/粉煤灰上2波长处的峰更强,表明粉煤灰改性后在其表面对气态NO吸附性能增强了,而改性前后的粉煤灰在停止通气后,气态吸附的NO物种峰强在变小,而1 630 cm−1和1 600 cm−1处的峰强在变强,表明吸附在表面的NO物种以及红外反应池的残留NO气体均在2种吸附剂上发生了较好的转化,形成了更多的硝酸盐物种。在停止通气30 min时,可能是由于吸附不稳定,使得粉煤灰改性前后在1 630 cm−1和1 600 cm−1处的峰强均变小,硝酸盐物种减少。
停止通气后,在CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂1 456 cm−1和1 257 cm−1处新出现的弱峰应归属为单配位的NO2物种在与吸附剂以氧配位时产生的N=O振动的吸收峰[32]。通过对比,可以看出CeO2-CuO/粉煤灰吸附剂对NO反应产生的峰强和峰面积更大,相应峰位更多,表明CeO2和CuO活性成分的引入,提高了对NO的催化氧化能力,证明对粉煤灰通过双金属改性将使得其对NO的吸附效果更好。
图12 NO在粉煤灰和CeO2-CuO/粉煤灰上原位反应的红外谱图
Fig. 12 In situ FT-IR spectra of fly ash and CeO2-CuO/fly ash reation with NO
图12 NO在粉煤灰和CeO2-CuO/粉煤灰上原位反应的红外谱图
Fig. 12 In situ FT-IR spectra of fly ash and CeO2-CuO/fly ash reation with NO
Cjee 201805042 t12

3 结论

1)同一实验条件下,改性CeO2-CuO/粉煤灰对SO2/NO吸附能力高于粉煤灰。
2)在样品量为0.3 g、温度为50 ℃、SO2流速为8 mL·min−1、O2流速为4 mL·min−1条件下,CeO2-CuO/粉煤灰对SO2吸附效果最佳;在样品量为0.4 g、温度为70 ℃、NO流速为6 mL·min−1、O2流速为4 mL·min−1条件下,对NO吸附效果最佳;共吸附会降低各自的吸附效果。
3)利用原位红外光谱分析表明,改性CeO2-CuO/粉煤灰表面吸附SO2主要生成硫酸盐和亚硫酸盐物种,吸附NO则主要生成硝酸盐和亚硝酸盐物种。

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