毕业设计外文翻译1改

1、右g庶/t*摩毕业设计外文翻译夕卜文题目:thermally robust chelating adsorbents for the capture of gaseous mercury: fixed-bed behavior 中文题目：耐热型螯合吸附剂对气态汞的吸附：固定床行为专 业名称金属材料工程（腐蚀与防护）班级学号10012520学生姓名李星指导教师hi继红耐热型螯合吸附剂对气态汞的吸附：固定床行为lei ji, malyuba abu-daabesl, nev订le g. pinto*化学与材料工程学院、辛辛那提大学、0h45221-0012,美国论文信息论文历史2008年5月18日

2、收到2008年8月22 口收到修订版2008年9月1日接受2008年10月2 h在线发表关键词： 水星 氯化汞 烟气 螯合吸附剂 吸附摘要己开发的耐热型螯合吸附剂对气相氯化汞(氯化汞)的吸附，为解决从燃煤 电厂烟气去除汞的问题。该吸附剂是官能化的螯合剂和涂覆有电离表面纳米层的 介孔二氧化硅的基板。此结构可以直接从高容量的气相中高效的吸附汞。该吸附 剂的吸附效率在固定床模式即氧化汞在160。c时被统计两种螯合吸附剂，一 种官能用 3 -蔬基丙基(mpts ),另一种用 2 - mercaptobenzothialzole (mbt) 进行了研究。对这两种吸附材的汞吸收能力进行观察，发现它们比商业

3、活性炭高 几倍。这两种汞吸附剂的吸附机制是不同的。吸附孔径对吸附的影响也被评价了。 已经发现，孔径对汞吸附不具备显著作用，另外汞通过离子涂层扩散被认为是吸 附汞的速率控制步骤。lo介绍汞的人为和自然污染源的排放量是一个显著的环境健康问题。这些从能源中 释放出来的汞，最终沉积到河流海洋中。汞在那里可以集中在生物有机体内(博 尔格和szlag, 2002）。燃煤公用事业被认为是美国已知的汞排放的最大来源，约 占每年排放到大气（美国环保局，1998年）总人为汞的33%。典型的烟气汞浓 度在0.3到35ug/nm3之间的范围。（塞尔andsilcox, 2000）。吸附汞最常用的 方法是湿法洗涤和吸附

4、。元素汞的去除因为其物理化学特性（洛佩斯安东等 人，2002）而特别困难。吸附剂导管注射是目前用于去除汞（包括氧化和元素）最成熟的技术。碳和 化学修饰碳已被广泛研究作为吸附剂用于这个项目（krishnan等,1994;。多闻等， 1996;o维迪奇和chang, 1998;维迪奇和塞勒，2001; zeng等,2004;赫特森等, 2007;o jones等，2007）。硫，氯，漠和碘已被浸渍在碳，以提高吸附特性。这 些研究表明，卤代活性炭增加了常规活性炭的汞量，然而，改性和未改性的硫浸 渍碳的比较研究已经表明，硫浸渍不显著增加汞容量（ooowd的等人，2004）o 铝活性炭导管注入（aci）

5、技术已被广泛接受为氧化元素汞的控制方法，这种方 法有一些显著缺点，包括高成本和在飞灰流中的碳含量高。这项工作的主要重点是气态氯化汞，也就是电厂燃烧俄亥俄州（烟煤）煤炭 所产生的汞的吸附。之前我们已经报道了一种新的螯合吸附剂，它结合面粘结半 胱氨酸作为螯合配体的氯化汞吸附（阿布daabes与平托，2005年）的发展。它 表明，该吸附剂可以在容量超过30毫克/克的固定床吸附器有效地吸附气相氯化 汞。然而，这种半胱氨酸系吸附剂是热稳定的,135（阿布daabes和托,2005）, 并且因此不能被立即使用于没有无气冷却的冷端微粒收集器的下游，在此区域屮 的烟道气温度是通常在138-160°c

6、o我们还报道了两个新的比基于原型半胱氨酸邙可布daabes, 2005）的合成 具有更高的热稳定性（200。0的螯合吸附剂。一种吸附剂是基于配体的3疏 基丙基（mpts）,另一个是基于2-mercaptobenzothialzole （mbt）o两个配位体键 合到多孔二氧化硅基片，并浸泡在甲基聚氧乙烯（15） octadecanammonium酰 氯（mec）的涂层。在本文屮，我们报告这些耐热型铺料吸附剂的固定床吸附性 能温度已达到leoco我们研究了吸附剂颗粒的大小和孔径大小对汞吸附效率的 影响，并且已经提出了一种机制，氯化汞吸附。2o实验方法21。合成与表征耐热型的螯合吸附剂的合成与表征进

7、行了详细的邙可布daabes, 2005）描 述的其他地方。简言之，mpts经mpts的用酸洗涤硅胶aone步反应移植在多 孔硅衬底上。m盯是由mbt和3aminopropyltiethoxysilane （apts）修饰硅胶 z间的曼尼希反应键合在二氧化硅基片上。该官能化的二氧化硅，然后涂以离子 溶液mec。研究了各种吸附剂总结在表1中，所用的缩写名称被显示。所用的二氧化硅基 材是格雷斯戴维森硅胶级#62,除非另有说明。2.2o bet 分析该材料的结构特性（孔径，孔体积和bet比表面积）被使用氮气micromeritics asap 2010体积吸附分析器表征。0.07-0.09克样品于1

8、70。下在该装置的脱气口进 行脱气4小时。表而而积从采用bet法的吸附等温线计算而来，孔隙大小分布 （psd）是从用bjh法的吸附等温线的分支获得的。表征孔径是在psd中的最大 值中被选择。閒定床吸附固定床吸附器被用于评价通过吸附剂吸附氯化汞，示意于图1。氯化汞被密封 在一个弥散小瓶（vici metronics,华盛顿poulsbo）,其坐落在一个定制的吹制玻 璃单元的中心圆柱形部分。玻璃盒浸溃在恒定温度（100±1）油浴中。用质量 流量控制器进行计量氮（页级）进入氯化汞代单元格中50毫升/分钟。氯化汞 氮气流，与其它气体组分在一个八通阀屮进行混合，其管道连接至填充有已知量 的吸附

9、剂玻璃柱中。表1flow restriclor吸附剂的化学结构及对应名字缩写8-way valvesovn,ah.ovaporno/n2mercury source> thermometer>adsorbentpacked bedco.hci/n.evaporatorhg outputmeasurementmeterhg inputmeasurement吸附剂缩写25wt% mec 涂硅si-mec25wt% mec 涂布 mptssilicasi-m-m25wt% mec 涂布 apts-mbt-silicasi-a-m裸 mpts-silicasi-mpts裸 apts-mbt

10、-silicasi-apts-mbtthermometervertical-tubular furnace图1。固定床装置测定氯化汞吸附特性。使用内径为1.5mm玻璃柱进行了项研究。该列是在垂直管式炉（mtf10/25/130, carbolite炉有限公司，希望谷，s336rb,英格兰）。汞发生器下游的所有管进 行加热，加热到100oc,以防止氯化汞的可能凝结和水蒸汽。从床流出物通过一 系列的30毫升小型撞击器与用kci填充的1米粗芯圆筒（chemglass,葡萄园， nj）o氯化汞被吸收在kci溶液;使用一个2小时的采样时间。hgo是用4% （重量 /体积）的kmno4在10%（体积/体积

11、）h2so4吸收液中吸附;所有实验中检测 到单质汞的量可以忽略不计。使用冷蒸气原子吸收分析仪（降压科学测汞仪，型号400a,东康涅狄格 norwalk）,于安大略省水利法（astm d6784-02, 2002）测定氯化汞在撞击器溶 液屮的吸附量。输入氯化汞的浓度被连续测定至少三天以确保恒定的进料氯化汞 浓度。3。结果与讨论3.1o mpts的表征二氧化硅和硅衬底表2显示了在本研究中使用四种不同的二氧化硅基片的结构特点。二氧化硅 衬底# 62 ,# 22和# sp- 540 -10232具有相似的粒度（表2）0 # 646具有250-500微米的显著较大的颗粒尺寸范围。# 62和# 646有相

12、似的bet表面积（300米2/克）,和1.18厘米3/ 克相同的孔体积。这些因此被用于比较以确定颗粒尺寸对吸附剂性能的影响。# 22有461平方米/克的最大比表面积，而# sp540-10232具有最低的84平方米 /克。这与它们各自的孔尺寸相一致。石英衬底的特征孔径和相应的功能化的si被对比在表2中。对于所有 四种材料，有一个在相差不大的孔径z前和z后完全激活。在psd z前和z后的 激活的典型的比较示于图2。所有的材料表现出几乎相同的孔径范围对应于它 们的完全活化的版本。上比较底层石英衬底和相应的si- m-m （表2）的物理特性，应该注意的是si m-m的bet表面积是至少低50% o相

13、应地，si- m-m的细孔容积也降低50%以 上。这表明，mec部分填充的孔隙，但在所有情况下都有足够的接触孔的面积 和体积，和可理解的孔体积和表面积的具有特征性的直径与起始衬底接近。3.2氯化汞吸附特性在一个如图1所示的床温为160齐的固定床中模拟烟道气的条件下进行氯化 汞动态吸附实验（16%,氯化氢:150ppm的，so 2： co为1500ppm, no： 500ppm 以下，h2o （v）： 6%, n2：余量）。将气体送入在0.94米/秒的空塔速度（100 毫升/分钟的总流速）3.26.4毫克吸附剂装填在床中。图3显示了氯化汞在si-a-m （#62）填充床中的突破曲线。对于c/co

14、 = 0.1 的突破，吸附剂处理5x107床的气体体积。总床动态容量（c /钻1）为14.2 毫克/克。这些结果表明，14.2毫克/克完全官能apts-mbt吸附剂（siam）的总的 动态俘获能力，是所述离子液体涂布（3.9毫克/克）和螯合配位体（10.5毫 克/克）的贡献的总和csi-a-m床突破曲线的形状与si-apts-mbt和simec （图 3）有着本质的区别。从硅mec和si- apts -mbt的尖锐的突破曲线来看，很明 显，这些床的轴向扩散影响可以忽略。因为对所有三个床的实验条件（流速，吸 附剂颗粒的大小和填充方法）类型是同样，对si-a-m来说轴向扩散也有望可以 忽略不计。考

15、虑到相同的实验条件下，所有三种类型的床的流程分散图案应该 是相似的。因此，不同形状的si- a-m突破曲线的是因为汞吸附过程存在更大的 传质阻力，汞通过所述离子液体涂覆层的扩散最可能是速率控制步骤。稍后本文 将利用吸附剂具有不同孔径的数据提供分析更详细的传质步骤。螯合吸附剂si- m-m是在与si- a-m相同实验条件下测试其对hgci2的动态吸 附行为。图4示出排出液历史浓度观察。吸附剂有效地吸附超过12 x 107床体 积连续运行的汞并且无污染物流出。实验结束时的特异性摄取为10.4毫克/克, 以不饱和度表示。还进行了 simpts吸附剂（无离子液体涂料）的氯化汞固定床实验，调查 mpts

16、配体对汞吸附的作用。对于c/co二0.1的突破，材料只处理1 x 107床 体积的气体，总床动态容量（c/钻1 ）为1.9毫克/克。回想一下，mec涂 层的总床动态容量是3.9毫克/克。显然，sim-m的床动态容量实际上比构成涂 布层（硅mec）和未涂布的配体（硅mpts ）的容量的总和还大©从孔体积和比表面积数据（表2）中，mec仅部分地填充的硅的mm的孔 隙。据估计，约45%的mpts配体未涂有mec。因此吸附剂的总容量可以看作 是三贡献的总和：（a）mec中不接触 配体的孔;（b）未涂覆mec裸配体以及（c） 完全官能化的吸附剂（配体涂覆有mec）。c/c20卩 2"

17、 4a 6心 &110<1214bed volume图4o来自硅mec下，si-mpts,和simm床的汞离子的突破曲线比较。它已被广泛地在文献中报道了 mpts可以有效地结合使用汞离子（hg2 +离 子）,形成在水溶液和有机溶液中稳定的复合物（feng等,1997; cestari和airoldi, 1997;mercier和pinnavaia, 1998）o冯（1997）等人。汞离子和硫醇基团之间的 化学键合，被扩展x射线吸收精细结构（exafs）研究所确认。他们提出了无汞 筑基结合，其中的汞离子通过两个汞柱s和hgo共价键来结合筑基。我们预期 得到相比汞柱s单键来说粘接强度

18、菲常高的键。裸配体（1.9毫克/克）相对较低 的容量是汞与硫的弱共价键合的后果。从图4可以清楚知道，mec离子涂层因为氯化汞电离为hg2 +离子这个过程 而在si-m-m吸附汞中起了关键作用。这是由比较mpts二氧化硅涂以不同量mec （图5）的吸收结果来证实。5%wt mec涂覆mpts-二氧化硅只有3毫克/克的 总床动态容量（c/钻远小于25wt%的（10.4毫克/克）的最小吸收 量。在si-m-m和siam （图3和4）的固定床实验中得到的显著结论是，螯合 吸附剂可以被开发使用在经常遇到的有效工作燃气阀组烟道的颗粒收集器的下 游的温度。这样就没必要将烟气冷却到30-40oc,这是较早开发

19、（阿布daabes 和托，2005）的半胱氨酸基螯合吸附剂的情况。为调查粒径对汞俘获的动力的影响，动态吸附实验基于粒径较大的si-m-m 吸附剂（#646,表2）进行，相同的实验条件下，应该注意的是，除粒径外， si-m-m （#62）和si-m-m （#646）的物理特性是相似的（表2）。图6是这些相 同的床流出物的历史浓度的对比。较大的颗粒尺寸的si-m-m的流出物汞浓度始 终为高。这是由于较大粒径的材料在床中增加了沟道。/*- 5 wt% mec coated m pts-silica-o 25 wt% mec coated mpts-silica.co (hg2)=96ppbw = 1

20、3ppbwgas: simulated flue gas*1!flow rate = 100ml/minbed t= 160°-3, °, 1亠 ftn u un uoop1.0p0.30&0"c/cg 0.6q060 40.10q2 卩 3心 4. 乞 6心 7p &1011 121314<bed volume- (*10-7>*图5。比较mec涂布不同重量mpts-silica时的hg2+突破曲线。1 op0.9 一0.80.7宀c §hg2)=96ppbw = 13ppb"gas: simulated flue

21、 gas® flow rate = 100ml/minbedt= 160°c 75250pm， 250-500pm06acm od0.3宀0.2-0-08人101214<bed volume (x107»图6。不同的粒度si-m-m排出废水中hg2+历史浓度。根据鲁思文(1984),如果床与粒径z比不足够大，壁对沟道的影响会变 得十分显著。床与粒径的比值应大于20 ,以减少这种效应(托马斯和克里滕登， 1998)o对于小于20的比率，沟道的效果可以被假想为一个直径与粒径成止比的 固定柱。对于二氧化硅# 62和# 646 ,平均粒径分别为175至400米。#

22、62 床与粒径的比为8.57, # 646为3.75 ,两者都小于20。因此，较大的颗粒尺寸 材料在床屮的沟道效应预计将约为2.29 (400/175)倍。从图6,对于粒径较大 的材料的平均流出物的汞浓度比(c/co)为约0.24至约0.11的小颗粒尺寸的材 料。这个比率是2.18,这是在与估计吻合良好。从螯合吸附剂的结构特性来看，从烟道气中除去汞有3个传质步骤：(1)从 气相转移到外部吸附剂表面(膜电阻)。(2)通过多孔结构的扩散至吸附剂颗粒 的内部，此扩散是两个粘性和knudsen扩散的组合；(3)汞通过离子被覆层扩散 到固定的螯合基团。另一种可能的速率控制步骤是离子汞与键合的螯合配体的活

23、 性位点反应。然而，文献中数据表明,这是不太可能(朱和alexandratos, 2005) 的。每个传质步骤的扩散系数估计为160*和大气压力。努德森的此估计和孔扩 散被用于完全官能级#62 (siam和si-m-m),并总结于表3中。表3用于汞从气相转移到螯合基团的扩散系数扩散类型符号(cm2/s)分子在气相 中的扩散hg-gas0.30努德森扩散d|<n孔径（a）努德森扩散805.65：xl0-31601.13x10-27004.92xl0'2孔扩散ddp( 1i 1 y1孔径（a）孔扩散"rpvdhg-gas 1 dkn780l.oxlo-31601.9xl0-

24、37007.5xl0-3分子在离子hg-liq2xl0'4溶剂屮扩散汞在空气中的扩散系数（稀释系统）是从查普曼和enskog理论（库塞勒,1997）计算得出:hg-gas =186 x 10一7丁3/2(1(1)假设空气和汞的二元混合物。努德森扩散系数由（库塞勒，1997）估计:(2)其屮dp为孔径。使用（库塞勒，1997）孔隙扩散系数计算:其中该吸附剂颗粒的空隙率p的估计如下:cm3(4)°hg-liq =pab = 1173 x 10_ 16(</)a4)1/2 -q-09080.7-co(hg2+) = 96ppbw = 13ppbv gas: simulated

25、 flue gas flow rate = 100ml/minp bedt= 160°c. 7.9nm 16.4nm.69.3nm-累计孔体积+七、， p 硅 v g /因为实验扭曲系数一般在26的范围内，与直圆筒的孔的值接近于3 （鲁思 文，1984）,则扭曲系数p被假设为3。汞在离子溶液层中的扩散系数由威尔克 畅关系（库塞勒,1997）估计：（5）其中a为汞离子，b为mec的离子溶齐归1, va是溶质（hg）的沸点吋的摩 尔体积。1.0p06c，c%.5；0402oto.s6.opbed volume （x10-7）图7.不同孔径的simm排出物hg2+历史浓度 总传质阻力可以计

26、算如下（seader和亨利，2006）：1 = rp i 能 kk 3kc 15de其中k是整个传质系数,k为表格q二kc的线性吸附等温线的吸附平衡常数。（6）代表的外部传质阻力。kc是外部传质系数，rp是颗粒半径。在右侧的第 二项是内部的传质阻力。de是有效扩散系数：1 1 1dg dp hg-liq外部传质阻力（气膜的传质阻力）可以从相关性（treybal, 1980）来估计:£ _ 1hg-gas 1dp(8)其中re是床中的雷诺数，dp为颗粒直径，dhg-gas是气相汞扩散系数，是 床的孔隙率，sc为气相施密特数，并且是经验常数。因为是正的，dhg气体是 比较大的（表3）,并

27、且气流速度也大（0.94米/秒），气相的传质阻力是微不足 道的。由式（6）,总的传质阻力就等于颗粒内传质阻力。1 略kkt5d(9)从表3中，dhg-liq的幅度比压差小约一个数量级，因此， 估计为：整体的传质阻力(10)由式（10）,汞通过离子涂层扩散至螯合位点是汞的吸收过程中的速率控制 步骤。这和在图3屮观察到的动态行为一致。基于方程。（10）,预计孔径大小将不会对汞吸附效率有显著作用。为了验证 这一点，我们用三种不同的孔径si-m-m吸附剂测试它们对hgci2的动态吸附。 硅#62, #22和#sp540-10232被选为基材附带有mpts配体和涂有25%（重量） mec离子层。这三个基

28、材具有类似的粒度范围，但显著孔径不同。图7所示为 三种材料的历史排出物中汞离子浓度。3种吸附剂显示出类似的动态行为，这 表明，孔径不显著影响hgci2的吸附过程。这些吸附剂具体的吸收汞的能力估计 是在10-11毫克/克的范围内。，值得注意的是，这些不饱和的吸附能力已经比相 应的商业上使用的活性炭高出好几倍，在固定床吸附器测定的一般是从0.2-2 mg/g （o'dowd 的等人2004）4。总结和结论两种耐热型螯合吸附剂已经成功全面发展，这些材料在160oc的模拟烟气中 表现出良好的对氯化汞的动态吸附行为。在目标区域中用假设上限的烟气处理吸 附剂，所观察到的汞含量是很高的，比商业活性炭

29、的高儿倍。开发的两个螯合吸 附剂吸收汞的机制是不同的，其区别仅在于配体结构。si-a-m的总的床动态吸附汞的能力被假设为mec涂层和mbt配体的能力的总和。而si-m-m的吸附剂与 此相反，总的汞的吸收是被mec量，裸露的配体量，和mec覆盖配体量的影响。沟道效应的程度是正比于基板的粒径。已经发现，孔径有对汞俘获无显著作 用。汞通过mec离子溶液涂层扩散被认为是对汞吸附过程中的速率控制步骤。虽然这种实验室级鉴定工作已用于固定床吸附，但强调的是，这可能不是在 现有配置刻度中最好的应用程序。我们的整体研究及开发方法，只是工作报告的 一个组成部分，为了设计一种具有超强的热力学(选择性和容量)和动力学

30、特性 的吸附剂，然后评估实际接触配置,最好的利用这些特性，以减少汞俘获的成木， 减少二次废物的产生，并消除副产物污染。致谢这项工作是由来自俄亥俄州煤炭发展办公室通过俄亥俄煤炭研究协会提供 资金支持。对他们的支持深表感谢。参考文献abu-daabes, m., 2005. synthesis and characterization of a nano-structured chelating adsorbents for the direct removal of mercury vapor from flue gases. doc toral dissertation, chemical e

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