[發明專利]一種改性碳納米管材料、用于吸附氣態元素汞的方法及其再生方法

有效

• 申請號: 201110429828.5
• 申請日: 2011-12-20
• 公開（公告）號: CN102553527A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 苑春剛;張楊陽;張艷
• 申請（專利權）人: 華北電力大學（保定）
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/30;B01J20/34;B01D53/02
• 代理公司: 石家莊冀科專利商標事務所有限公司 13108
• 代理人: 李羨民

技術領域

本發明涉及一種改性碳納米管材料及利用其去除氣態元素汞的方法和再生方法，尤其涉及一種硒修飾碳納米管材料及利用其吸附氣態元素汞的方法和再生方法，屬環境污染控制技術領域。

背景技術

汞是一種毒性很強的重金屬元素，在地球化學循環過程中還可以被生物甲基化生成更毒的有機汞化合物，其中甲基汞被認為是目前已知的最毒化合物之一，具有神經毒性和遺傳毒性，并可以通過母體危害嬰幼兒的健康。汞在自然界中不能被降解而完全消除，只能從一種存在狀態轉移到另外一種存在狀態，在不同介質中進行遷移。大氣是全球汞污染的重要傳輸通道，在汞污染過程和汞的生物地球化學循環過程中發揮極其重要的作用。大氣中的汞主要是以氣態元素汞（Hg⁰）的形式存在。氣態元素汞具有較低的水溶性和干沉降速率，在大氣中可以滯留0.5-2年，并可以跨區域甚至隨大氣環流在全球范圍內進行遷移，危害范圍極大，是全世界共同關注的污染物。大氣中汞的污染來源主要包括天然來源和人為來源兩個主要途徑。天然來源包括火山噴發、巖石風化和森林大火等地質活動或自然災害。人為來源主要包括化石燃料燃燒、工業生產過程和部分含汞產品的使用和處置。燃煤和垃圾焚燒是大氣汞最主要的人為排放源；除此之外，一些含汞產品的生產、使用和處置過程也會引起大氣汞污染。這些產品主要包括熒光燈、體溫計和血壓計等日常用品或專業設備。據估計，過去100年當中，約有20萬噸的汞被釋放進入大氣，其中目前還有3500噸的汞仍然滯留在大氣中。

因為大氣汞排放的最主要污染源是燃煤煙氣和工業廢氣，近年來，有關氣態元素汞的污染控制技術研究主要集中在對燃煤煙氣中汞的脫除和對含汞廢氣的凈化方面，而針對室內空氣或大氣中氣態元素汞的脫出研究較少。隨著含汞產品產銷數量的增加以及歷史沉淀增多，在其生產、銷售、使用和處置等各環節可能出現的氣態汞污染問題也越來越受到重視，并逐步成為了一個亟待解決的環境問題。煙氣和廢氣中汞控制技術主要包括吸附法、化學氧化法、催化氧化法、冷凝法、氣相反應法和電子射線法等。其中吸附法是研究和應用最多、最有效的方法。由于燃煤煙氣和工業廢氣的流量通常很大，吸附劑常采用噴灑的方式注入，吸附劑用量很大。為了節省成本，所選用的吸附劑主要是一些廉價的吸附材料。常用的吸附劑有飛灰、活性炭、鈣基和礦石類吸附劑等。活性碳由于具有大的比表面積和強吸附能力，是最常用的氣態汞吸附劑。但是，未經處理的活性碳吸附氣態元素汞的效率低，容量小，很難滿足實際需要。為了提高活性碳的吸附能力，近年來，提出了一系列改性活性碳作為吸附材料。這些改性吸附材料主要是通過將一些與汞具有較強親和能力的金屬元素或鹵素元素及其化合物負載到活性碳上以提高其對氣態元素汞的吸附能力和選擇性，如氯改性活性碳、碘改性活性碳、金改性活性碳和銀改性活性碳等。此外，還有硫改性活性碳等等。

改性后的活性碳對氣態元素汞的吸附能力雖然有了一定的提高，但其吸附選擇性、吸附效率、吸附容量和有效吸附活性保持時間等方面還有待改善。因此，在實際應用過程中仍需要很大的投加量，導致處理過程產生大量含汞固體廢棄物，處置難度高，二次污染風險較大。另外，用于改性的部分元素本身就具有一定的毒性或腐蝕性，容易對設備或操作人員造成損害或毒害。此外，目前研究或使用的大多數吸附劑很難再生和重復使用。總之，現有吸附劑和控制方法絕大部分是針對工業煙氣或廢氣而研究開發的，不太適合作為室內空氣或大氣中氣態元素汞的吸附脫除，也不適合對處理過程進行設備化和自動化。研究開發一種選擇性高、吸附效率高、吸附容量大并且可以再生利用的氣態元素汞吸附劑是解決上述問題的有效途徑。因此，有必要開發新型有效的氣態元素汞吸附材料。

????碳納米管具有獨特的管狀納米結構、很大的表面積和縱橫比、很強的表面結合能與不飽和性，易與其他原子和離子結合，結構牢固，性質穩定，是一種理想的新型吸附材料。此外，碳納米管管徑分布均勻，密度小，質地膨松，具有非常良好的透氣性。在吸附去除氣體污染物方面具有潛在的應用價值。如上所述，硫元素已經被成功應用于氣態元素汞吸附材料的改性，而與硫同屬氧族元素的硒對汞也具有很強的親和能力。研究表明，納米尺度的硒對氣態元素汞表現出了非常優越的吸附性能。但是，目前還沒有有關硒改性吸附材料吸附脫除氣態元素汞的報道。硒作為一種公認的營養元素，經過硒改性的吸附劑本身不會存在污染和毒性風險。通過硒對碳納米管材料進行改性，借助碳納米管材料的納米結構框架和強吸附性能，組合硒對汞很強的親和能力將有望開發一種新型有效的氣態元素汞吸附材料。

發明內容