CN103949152A - 一种消除烟气中重金属的方法及纳米烟气脱重金属装置 - Google Patents

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Abstract

一种消除烟气中重金属的方法：(1)将纳米材料嵌入纤维基体上；(2)使含有重金属的烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体；(3)纳米材料与烟气中的重金属反应，捕获烟气中的重金属。一种纳米烟气脱重金属装置，其特征在于它包括嵌有纳米材料的纤维基体。优越性：1、本发明可以排除由燃煤废气中产生的汞和其他重金属物质，如铅；2、本发明的回收的利益远超过设备本身的运行成本，使用者可获得更多的利润；3、本发明可适用的工业市场包括水泥厂、钢铁厂、市政府废物燃烧厂、医疗废物燃烧厂、氯气制造厂、纸浆和纸张生产厂等；4、本发明的装置利用风扇旋转来产生离心力，以确保烟气完全的混合并且不产生任何背压。

Description

一种消除烟气中重金属的方法及纳米烟气脱重金属装置
(一)技术领域：
本发明涉及一种废气处理方法及装置，尤其是一种消除烟气中重金属的方法及纳米烟气脱重金属装置。
(二)背景技术：
燃煤电厂是空气中重金属(如汞、铅)含量的最大污染源，汞、铅污染会严重侵害儿童神经系统的发育而造成儿童智力的严重损坏。2011年美国环保局局长签属了一份关于减少空气中有毒物质的法律政策，规定在2016年所有燃煤和燃油发电机的汞的脱除率必需达到91％。美国每年约有将近117吨的汞排放量；而美国每一个燃煤电厂每年至少花600万～700万美元来消除汞的排放，但是目前为止美国对于汞的脱除率只能达到40％～70％的效率。同样，铅的脱除也存在类似的问题。
世界环境污染最严重的国家是印度，其次是中国，然后是美国及欧洲。以汞为例，现今中国汞的年排放量大约是一千吨，将近于美国年排放量的10倍！而据调查，国内目前尚无任何成型的脱汞工艺和设施！许多国际研发公司正努力发展和改善利用活性碳作为吸附剂的方法来控制汞废气的排放。但是不管你再如何改善吸附剂，它仍然只是一个利用物理性质来过滤的方法。而且活性碳制标不治本，它会对环境造成第二次污染。
根据中国当地科学家出版的文章披露北、上、广和沿海地区由于燃煤电厂排放汞污染已达到非常严重的地步，有些区域甚至达到危险范围。水源污染不能简单的含盖所有工业废水的污染，各燃煤企业排放的有毒有害废气经过大气环流以降雨的方式同样污染着江河大地甚至海洋。根据美国环保局2012年所做的调查，世界上10个由于燃煤工业导致空气污染最严重的城市主要分布在中国和印度。
由于有毒有害物质自身的漂移个性，我们可以不用怀疑地确信世界环保法则将会深深的锲入到各个领域包括：政治、外交、经济、贸易！
虽然汞存在于煤中的含量只有微量，但在燃烧过程中释放进大气时，它可以利用多种方式进入附近的水系统并积聚在鱼类中，制造潜在的人类健康问题。面临的挑战是，汞会以不同的化学形式从燃煤锅炉中被释放，这取决于煤的类型与焚烧设备的种类。烟气中的汞(Hg)存在三种不同的形式，元素汞(Hg0)、氧化汞(Hg+1与Hg+2)、与颗粒结合汞(Hgp)。元素汞在煤燃烧过程中被释放，当烟气冷却时，它会因天然煤中过量的氯气而转化成HgCl2(以Hg+1与Hg+2的形式)。另外的元素汞和氧化汞均可依附在飞尘颗粒的固体表面，而形成颗粒态汞。氧化汞与颗粒态汞容易通过污染控制技术来捕获；然而、元素汞极易挥发，并具有非常低的水溶解度，这使得它能够通过排气系统逃离。此外、元素汞因其5d106S2稳定的电子构型在化学氧化中具有非常高的持久性，即使是在气体环境下。元素汞可通过风吹与气流行驶很长的距离；然后再通过雨滴降临到地球表面。
到目前为止，只有一个具有减少汞排放能力的方法被肯定，那就是注入活性碳(ACI)。目前多数环保技术的研究强调活性碳注入(ACI)是作为主要控制汞减排的技术。活性碳(一个最常用于去除异味与饮用水系统中污染物的物质)已被证明在吸收燃煤锅炉烟气中的汞上具有几分令人满意的效果。汞粘附至活性碳颗粒，然后通过下游的颗粒控制装置，例如静电除尘器或袋滤器除去。活性碳(高度加工，含有大量微孔的碳)吸收气态形式的汞，并将其转换为可以被捕获的微粒形式。然而、已经有报道称，烟气中高含量硫的出现会大幅损害活性碳的性能。此外、因为烟气中的汞比其它有害物质的相对浓度来说非常的低，因此与ACI吸附剂短暂的接触时间(小于3秒)需要非常大量的活性碳以达到预想的效果。为了实现汞的高去除率(>91％)，碳与汞(C/Hg)在烟气中所需的比率已被证实为3000～20000比1(w/w)，具体取决于过程条件。尽管活性碳本身的价格相对低廉，但操作整个ACI系统的成本非常昂贵。此外、不仅是除去足够数量的汞废物需要巨量的活性碳；活性碳本身亦是一个恶化我们环境的来源。如何处置载汞活性碳成为了一个难题。如果活性碳中含有少于260ppm的汞，法规允许它被稳定化的填埋(例如封在混凝土中)。然而、多年来被埋藏的汞终会漏出，而污染我们的地下水。含有大于260ppm汞的活性碳被认为属于高汞子类别，并被禁止填埋。高汞含量的ACI必须永远存储在偏远地区的仓库。处置载汞活性碳的问题将成为一个全球性的困境。同样地，如何有效的消除烟气中的铅，也是急需解决的问题。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种消除烟气中重金属的方法及纳米烟气脱重金属装置，它能够解决现有技术的不足，它通过使用高性能、耐高温的纤维基体和嵌入的纳米材料；嵌有的纳米材料的无纺纤维可以捕获任何形式的汞和烟气中其它的重金属，如汞、铅。
本发明的技术方案：一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)将纳米材料嵌入纤维基体上；
(2)使含有重金属的烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体；
(3)纳米材料与烟气中的重金属反应，捕获烟气中的重金属。
所述将纳米材料嵌入纤维基体上的方法为：
在纤维基体上附着粘合剂；在粘合剂变干之前，将纳米材料由纳米喷雾器喷洒在织物上；在纳米材料被喷上之后，放置在室温下至少24小时，使之完全固化。
所述粘合剂选用REN50至80()的有机硅树脂溶液、环氧树脂或者甲基环氧。REN系列是一个可用于任何耐热应用的粘合剂，它已被使用于许多制造工业，如汽车和飞机制造业；它可以在不失去粘附性的情况下承受高达650度的温度，并且还提供了良好的耐腐蚀性；REN系列通常在一小时的200度烘烤后变干。
所述将纳米材料嵌入纤维基体上的方法为：直接装载纳米材料在纤维基体上：将纳米材料悬浊在挥发性溶剂中；将纤维基体浸透在纳米材料悬浊液中，或将纳米材料通过喷雾器喷洒在纤维基体上；将附着有纳米材料的纤维基体在500度的烤箱中进行3至4小时的加热处理；在溶液蒸发后，纳米线和纳米颗粒将会与纤维网交织在一起；冷却至室温后，纳米材料将被安全的锁在纤维基体中。
所述挥发性溶剂为乙醇或乙酸乙酯。
所述纳米材料为附在纳米载体颗粒上的金纳米粒子、附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子或CdS纳米线。
所述附在纳米载体颗粒上的金纳米粒子的合成方法为：
将2到4摩尔/L的HAuCl4溶于蒸馏水中；用过筛后100至200微米直径的TiO2或r-Al2O3或SiO2作为纳米载体，加入到金溶液中；将溶液加热至70摄氏度，然后让它老化(需要被存储的一段时间，以获得所期望的品质)20到40分钟；冷却到40摄氏度，加入30％NH3；过滤并用水洗涤，在100度烘箱中干燥至少12小时；然后在空气中350℃煅烧至少4小时；得到附在纳米载体TiO2或r-Al2O3或SiO2颗粒上的Au纳米颗粒，即Au-TiO2金-二氧化钛、Au-SiO2金-二氧化硅或Au-Al2O3；
或者，用沉积加载(DP)的技术：用蒸馏水制备0.1到0.5摩尔/L的氯金酸溶液；将溶液以10毫升/分钟的速度缓慢并搅拌的加入到TiO2或r-Al2O3或SiO2纳米载体的悬浮液中；加温至65℃并保持至少1小时，然后冷却至室温；添加1摩尔/L的NH4OH，pH调节至7；缓慢搅拌至少2小时；过滤后用热水洗涤，在80℃烤箱中烘干至少12小时；然后在空气中180℃煅烧至少4小时，得到附在纳米载体TiO2或r-Al2O3或SiO2颗粒上的Au纳米颗粒，即Au-TiO2金-二氧化钛、Au-SiO2金-二氧化硅或Au-Al2O3。
所述Au-TiO2金-二氧化钛、Au-SiO2金-二氧化硅或Au-Al2O3中Au的质量百分比为少于5％。
当湿气很重的时候，Au-TiO2金-二氧化钛具有比Au-SiO2金-二氧化硅和Au-Al2O3的更好的催化活性。
金在低温(不低于-20℃)在湿润(湿度>100％)条件下表现出高的催化活性，下表现出超强的稳定性；此外，金纳米颗粒形式沉积在过渡金属氧化物载体上时它的催化特性将得到提高。
所述附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子的合成方法：
按照溶质与溶剤的质量与体积(W/V)比大于50比例，将摩尔比1:18～20的(NH4)6W7O24·4H2O和Na2S·9H2O添加到的0.8摩尔/L的HCl中，剧烈搅拌的溶液；80℃下加热至少0.5小时；
然后加入与Na2S·9H2O等摩尔量的NH2OH·HCl到溶液中，同时剧烈搅拌至少1小时；
在超声发生器里用高于20千赫(每秒20,000次)超声处理10分钟；
用去离子水洗涤数次以除去反应物的残留物，通过离心分离得到黑色粉末；
在空气中干燥，得到最终产物WS2粉末，即为WS2纳米粒子；
WS2纳米粒子使用前在一个400oC充满氮气的马弗沪内烘焙2小时功能化；
将WS2纳米粒子与TiO2或r-Al2O3或SiO2纳米载体按质量比1:20-50在水中混合，慢慢搅拌至少1小时，然后400度以上干燥至少2小时，得到附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子。
所述CdS纳米线的合成方法为：
在picoclave高压力反应器(高压釜)中放入甲苯，蒸馏水，和1，12烷硫醇，以体积比20：2：1混合；加入1:1摩尔比的氯化镉和硫脲酸；将高压釜保持在180摄氏度进行反应24小时，然后使其冷却至室温；一种黄色的粉末会沉淀，收集沉淀粉物后用乙醇和蒸馏水洗涤以除去残留的有机溶剂；最终的产物在真空70℃干燥至少6小时，得到CdS纳米线；CdS纳米线使用前必须于乙醇中超声处理；
或者，首先将0.16～0.20M的硫酸镉加入到不断搅拌下的7～8摩尔/L氨水溶液中；在此之后，在强力的搅拌之下缓慢的加入0.6～0.8M的硫脲酸；将溶液加温至65℃，而且pH保持在9-11，强力的搅拌50-70分钟；然后将沉淀的黄色固体离心后收集，并在烘箱中干燥，65℃保持至少4小时，得到CdS纳米线；CdS纳米线使用前必须于乙醇中超声处理。
所述纤维基体为间位芳纶Meta-aramid、聚四氟乙烯PTFE、聚苯硫醚PPS、聚苯并咪唑PBI、聚酰亚胺ployimide、RY805纤维(GEEnergy BHA Group)和PC102纤维(GE Energy BHA Group)，或者无纺纤维，所述无纺纤维为尼龙66、聚酯、聚氨酯等合成纤维。这些合成纤维都具有从1900～3150连续工作的温度范围；高性能纤维的主要特征是它独特的物理性能可以达到特殊化学反应的技术功能；这些纤维中最突出的一些性能为它们的抗张强度、工作温度、极限氧指数(LOI)、和耐化学性。LOI是大气中支持燃烧所需的氧含量；LOI大于25的纤维是所谓的阻燃剂，必须要有至少25％的氧气才能使它们燃烧。
所述重金属为汞或铅。
所述步骤(3)中纳米材料为附在纳米载体颗粒上的金纳米粒子，金(Au)元素与重金属元素汞(Hg0)和铅(Pb0)具有高亲和力，能够形成化学键，从而将重金属元素捕捉；纳米材料为附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子或CdS纳米线，通过MLCT(金属配体电荷转移)原理捕捉重金属元素：WS2和CdS在化学结构的特性上是介于离子化合物和共价化合物之间；金属(W和Cd)的特性表现就像刘易斯酸，而非金属无机配体(S)的特性表现就像刘易斯碱；电子集中在无机配体上，使部分的无机配体成为负电荷；无机配位体会吸引重金属元素，WS2、CdS会吸引烟气中的铅离子，元素铅和元素汞。
所述步骤(3)中嵌有纳米材料的纤维基体所捕获的重金属中的汞通过由巯基丙酸和2,6-吡啶二羧酸合成的液体来浸泡过滤器将重金属洗脱出来；所捕获的重金属中的金属铅(Pb0)会被转换成氢氧化铅Pb(OH)2；氢氧化铅可用稀醋酸或稀硝酸轻易的洗出。
所述巯基丙酸和2,6-吡啶二羧酸的螯合配体与汞有相当高度的结合性，结合常数分别为log K10.1和20.2；所以我们能对此无纺纤维过滤器进行清洗和回收使用；被清出来的汞可以从清洗液里萃取出来然后进行妥善的处置。
所述含有重金属的烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体之前通入反应容器中进行预处理；所述反应容器中加入含有芬顿试剂且使用α-羟基酸调节pH值至小于等于3的溶液,所述芬顿试剂包含能发生光助芬顿反应的金属系统和过氧化氢；所述溶液配置过氧化氢与水的质量百分比为3％～5％；过氧化氢与金属系统摩尔比大于等于10：1；
根据金属系统的光吸收峰，在反应容器中设置光照系统；
烟气通入反应容器，与芬顿试剂充分接触反应，使汞元素转化为汞离子；
将反应后溶液导出，并定时监测导出溶液中芬顿试剂的浓度，根据监测的情况，添加新的含有芬顿试剂的溶液使溶液成分保持稳定；将净化后的气体排出反应容器。
所述金属系统为Fe(II)/F(III)系统或Cu(I)/Cu(II)系统；当金属系统为Fe(II)/F(III)系统时，则光照为波长为200nm～400nm的紫外光；当金属系统为Cu(I)/Cu(II)系统时，光照为波长为600nm～800nm的可见光。
所述Fe(II)/F(III)系统由直径小于20纳米的FeSO4和Fe3O4颗粒构成。
所述Cu(I)/Cu(II)系统由直径小于20纳米的Cu2O和CuSO4颗粒构成。
所述α-羟基酸为乙醇酸、丙酮酸或乳酸。
所述过氧化氢的消耗量通过定期收集样品被密切的监测，并且使用碘/高锰酸钾(I/KMnO4)滴定法观察过氧化物的消耗率。
所述反应容器中气体直接通入液体以增加烟气与液体接触的面积和时间，或者液体通过喷淋装置喷出以增加烟气与液体接触的面积和时间；或者两种方式同时使用。
一种纳米烟气脱重金属装置，其特征在于它包括嵌有纳米材料的纤维基体。
所述嵌有纳米材料的纤维基体设置在离心风扇上。
所述嵌有纳米材料的纤维基体附着在离心风扇的扇叶上，或者设置在倾斜扇叶之间；所述倾斜扇叶的倾斜角度为30-45度。
所述纳米材料为附在纳米载体颗粒上的金纳米粒子、附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子或CdS纳米线。
所述纤维基体为间位芳纶Meta-aramid、聚四氟乙烯PTFE、聚苯硫醚PPS、聚苯并咪唑PBI、聚酰亚胺ployimide、RY805纤维(GEEnergy BHA Group)和PC102纤维(GE Energy BHA Group)，或者无纺纤维，所述无纺纤维为尼龙66、聚酯、聚氨酯等合成纤维。
所述离心风扇由框架和扇叶构成，扇叶通过，扇叶通过中心轴和轴套与框架连接与框架连接；所述框架和扇叶是由镍-钼合金(铝合金、不锈钢)制成，因它在任何温度下的耐酸性，例如合金(65％Ni、28.5％Mo、1.5％Cr、1.5％Fe、3％Co、3％W、3％Mn、0.5％Al、0.2％Ti、0.1％Si与0.01％C)便是一个很好的迭择。之前所描述的，可更换和可回收的嵌有纳米材料的纤维基体将会被安装在风扇的扇叶上。这种嵌有纳米材料的纤维基体的纳米材料是经过特别的设计来与烟气中的重金属产生反应，尤其是汞。根据不同的使用情况，一个典型的30万兆瓦电厂如果用比较次一点煤,每年大约也只需换无纺纤维2～3次。
所述一种纳米烟气脱重金属装置的输入端连接光能仓的输出端，光能仓包括光能仓体、光能仓进气口、光能仓出气口、光能仓进液口、气液混合通道、光能仓抽水泵、光能仓出液口、光能仓喷淋装置和光照设备，所述光能仓进气口和光能仓出气口设置在光能仓体的上部，所述光能仓进液口设置在光能仓体的中部，所述光能仓出液口设置在光能仓体的底部，所述气液混合通道、光能仓喷淋装置和光照设备位于光能仓体内，气液混合通道的输入端连接光能仓进气口，气液混合通道的输出端位于光能仓体下部接近仓底的位置，所述光能仓抽水泵通过管道连接光能仓体底部的输出端和光能仓喷淋装置的输入端；所述预处理仓出气口连接光能仓进气口。
所述光能仓体由不锈钢金属板制成，光能仓体内壁上涂有防腐涂层。
所述光能仓体的侧壁上设置光能仓液位器，光能仓体顶部设置光能仓检修盖。
所述光照设备为石英管紫外灯或可见光灯。
本发明的技术效果：
本发明用于消除汞的技术效果：
本发明用于消除铅的技术效果：
本发明的优越性：1、本发明可以排除由燃煤废气中产生的汞和其他重金属物质，如铅；2、本发明的回收的利益远超过设备本身的运行成本，使用者可获得更多的利润；3、本发明可适用的工业市场包括水泥厂、钢铁厂、市政府废物燃烧厂、医疗废物燃烧厂、氯气制造厂、纸浆和纸张生产厂等；4、本发明的装置利用风扇旋转来产生离心力，以确保烟气完全的混合并且不产生任何背压；5、本发明的装置是可回收的，而且结构设计允许它被多次清洗并重复使用，这将大量为用户节省成本并且不会造成二次污染；6、离子汞是水溶性的，水溶性汞可以被轻易地过滤掉，并进行回收；7、本发明采用纳米颗粒或纳米线捕捉烟气中的重金属，由于其体积小，提供了一个非常高的与重金属元素反应的表面积；8、金纳米粒子很容易制造，使用的是金盐(如AuCl3)而不是大家普遍认为的元素金，所以会非常的便宜；金纳米粒子也可在市场购得，可通过大量购买节省制造时间。
(四)附图说明：
图1为本发明所涉一种纳米烟气脱重金属装置第一种实施例的结构示意图。
图2为本发明所涉一种纳米烟气脱重金属装置第一种实施例的立体示意图。
图3为本发明所涉一种纳米烟气脱重金属装置第一种实施例的分解示意图。
图4本发明所涉一种纳米烟气脱重金属装置第二种实施例的结构示意图。
图5本发明所涉一种纳米烟气脱重金属装置所连接的光能仓的结构示意图。
图6为本发明所涉一种消除烟气中重金属的方法中烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体之前进行光助芬顿反应中Fe(Ⅱ)氧化为Fe(Ⅲ)的反应方程式。
图7为本发明所涉一种消除烟气中重金属的方法中烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体之前进行光助芬顿反应中第一种Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)的反应方程式。
图8为本发明所涉一种消除烟气中重金属的方法中烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体之前进行光助芬顿反应中第二种Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)的反应方程式。
图9为本发明所涉一种消除烟气中重金属的方法中烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体之前进行光助芬顿反应中第三种Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)的反应方程式。
图10为本发明所涉一种消除烟气中重金属的方法中烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体之前进行光助芬顿反应中汞元素转化为汞离子的反应方程式。
图11-1、图11-2为本发明所涉一种消除烟气中重金属的方法中沉积在纤维基体的金-二氧化钛纳米粒子的SEM图像。
图12-1、图12-2为本发明所涉一种消除烟气中重金属的方法中附在二氧化钛纳米载体上的金纳米粒子的SEM图像。
其中，1-1为框架，1-2为扇叶，1-3为中心轴，1-4为轴套，1-5为嵌有纳米材料的纤维基体，1-6为夹件。
2-1为光能仓出气口，2-2为光能仓进气口，2-3为光能仓进液口，2-4为气液混合通道，2-5为光能仓抽水泵，2-6为光能仓出液口，2-7为光能仓液位器，2-8为光能仓喷淋装置，2-9为光能仓检修盖，2-10光照设备，2-11为光能仓体。
(五)具体实施方式：
实施例1：一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)将纳米材料嵌入纤维基体上；(见图11-1、图11-2、图12-1、图12-2)
(2)使含有重金属的烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体；
(3)纳米材料与烟气中的重金属反应，捕获烟气中的重金属。
所述将纳米材料嵌入纤维基体上的方法为：
在纤维基体上附着粘合剂；在粘合剂变干之前，将纳米材料由纳米喷雾器喷洒在织物上；在纳米材料被喷上之后，放置在室温下至少24小时，使之完全固化。(见图11-1、图11-2、图12-1、图12-2)
所述粘合剂选用REN50至80()的有机硅树脂溶液。REN系列是一个可用于任何耐热应用的粘合剂，它已被使用于许多制造工业，如汽车和飞机制造业；它可以在不失去粘附性的情况下承受高达650度的温度，并且还提供了良好的耐腐蚀性；REN系列通常在一小时的200度烘烤后变干。
所述纳米材料为附在纳米载体颗粒上的金纳米粒子。(见图11-1、图11-2、图12-1、图12-2)
所述附在纳米载体颗粒上的金纳米粒子的合成方法为：
准备2×10-4M的HAuCl4蒸馏水溶液；筛选直径为100～200μm的TiO2作为载体，并加入到金溶液中；将溶液加热至70摄氏度，然后反应为20分钟；冷却到40摄氏度，加50毫升30％NH3；过滤，并用水洗涤3次，在100度烘箱中干燥至少12小时；在空气中350℃煅烧4小时，得到附在纳米载体TiO2颗粒上的Au纳米颗粒，即Au-TiO2金-二氧化钛；
或者用沉积加载(DP)的技术：制备10mM的氯金酸蒸馏水溶液；将溶液以10毫升/分钟的速度缓慢加入到二氧化钛载体悬浮液；加温至65℃并保持1小时，然后冷却至室温；添加1M NH4OH调节pH值至7，缓慢搅拌2小时；过滤，用热水清洗，在80℃烤箱中干燥至少12小时；在空气中180℃煅烧4小时，得到附在纳米载体TiO2颗粒上的Au纳米颗粒，即Au-TiO2金-二氧化钛。(见图11-1、图11-2、图12-1、图12-2)
所述Au-TiO2金-二氧化钛中Au的质量百分比为2％。
所述纤维基体为聚四氟乙烯PTFE。
所述重金属为汞或铅。
所述步骤(3)中嵌有纳米材料的纤维基体所捕获的重金属中的汞通过由巯基丙酸和2,6-吡啶二羧酸合成的液体来浸泡过滤器将重金属洗脱出来；所捕获的重金属中的金属铅(Pb0)会被转换成氢氧化铅Pb(OH)2；氢氧化铅可用稀醋酸或稀硝酸轻易的洗出。
所述巯基丙酸和2,6-吡啶二羧酸的螯合配体与汞有相当高度的结合性，结合常数分别为log K10.1和20.2；所以我们能对此无纺纤维过滤器进行清洗和回收使用；被清出来的汞可以从清洗液里萃取出来然后进行妥善的处置。
一种纳米烟气脱重金属装置(见图1至图3)，其特征在于它包括嵌有纳米材料的纤维基体1-5。
所述嵌有纳米材料的纤维基体1-5设置在离心风扇上。(见图1至图3)
所述嵌有纳米材料的纤维基体1-5通过夹件1-6附着在离心风扇的扇叶1-2上。(见图1至图3)
所述纳米材料为附在纳米载体颗粒上的金纳米粒子。
所述纤维基体为聚四氟乙烯PTFE。
所述离心风扇由框架1-1和5个扇叶1-2构成，扇叶1-2通过中心轴1-3和轴套1-4与框架1-1连接(见图1至图3)；所述框架1-1和扇叶1-2是由镍-钼合金制成，因它在任何温度下的耐酸性，例如合金(65％Ni、28.5％Mo、1.5％Cr、1.5％Fe、3％Co、3％W、3％Mn、0.5％Al、0.2％Ti、0.1％Si与0.01％C)。根据不同的使用情况，一个典型的30万兆瓦电厂如果用比较次一点煤,每年大约也只需换纳米材料的纤维基体2～3次。
实施例2：一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)将纳米材料嵌入纤维基体上；
(2)使含有重金属的烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体；
(3)纳米材料与烟气中的重金属反应，捕获烟气中的重金属。
所述将纳米材料嵌入纤维基体上的方法为：直接装载纳米材料在纤维基体上：将纳米材料悬浊在挥发性溶剂中；将纤维基体浸透在纳米材料悬浊液中，或将纳米材料通过喷雾器喷洒在纤维基体上；将附着有纳米材料的纤维基体在500度的烤箱中进行3至4小时的加热处理；在溶液蒸发后，纳米线和纳米颗粒将会与纤维网交织在一起；冷却至室温后，纳米材料将被安全的锁在纤维基体中。
所述挥发性溶剂为乙醇或乙酸乙酯。
所述纳米材料为附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子。
所述附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子的合成方法：
将0.88g的(NH4)6W7O24·4H2O和2.64Na2S·9H2O添加到的100mL0.8摩尔/L HCl中，剧烈搅拌的溶液；80℃下加热至少0.5小时；
然后加入与Na2S·9H2O等摩尔量的NH2OH·HCl到溶液中，同时剧烈搅拌至少1小时；
在超声发生器里用高于20千赫(每秒20,000次)超声处理10分钟；
用去离子水洗涤数次以除去反应物的残留物，通过离心分离得到黑色粉末；
在空气中干燥，得到最终产物WS2粉末，即为WS2纳米粒子；
WS2纳米粒子使用前在一个400oC充满氮气的马弗沪内烘焙2小时功能化；
将WS2纳米粒子与r-Al2O3纳米载体按质量比1:40在水中混合，慢慢搅拌至少1小时，然后400度以上干燥至少2小时，得到附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子。
所述纤维基体为无纺纤维尼龙66。
所述重金属为汞或铅。
所述步骤(3)中嵌有纳米材料的纤维基体所捕获的重金属中的汞通过由巯基丙酸和2,6-吡啶二羧酸合成的液体来浸泡过滤器将重金属洗脱出来；所捕获的重金属中的金属铅(Pb0)会被转换成氢氧化铅Pb(OH)2；氢氧化铅可用稀醋酸或稀硝酸轻易的洗出。
所述巯基丙酸和2,6-吡啶二羧酸的螯合配体与汞有相当高度的结合性，结合常数分别为log K10.1和20.2；所以我们能对此无纺纤维过滤器进行清洗和回收使用；被清出来的汞可以从清洗液里萃取出来然后进行妥善的处置。
所述含有重金属的烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体之前通入反应容器中进行预处理；所述反应容器中加入含有芬顿试剂且使用α-羟基酸调节pH值至小于等于3的溶液,所述芬顿试剂包含能发生光助芬顿反应的金属系统和过氧化氢；所述溶液配置过氧化氢与水的质量百分比为4％；过氧化氢与金属系统摩尔比为10：1；
根据金属系统的光吸收峰，在反应容器中设置光照系统；
烟气通入反应容器，与芬顿试剂充分接触反应，使汞元素转化为汞离子；(见图6至图10)
将反应后溶液导出，并定时监测导出溶液中芬顿试剂的浓度，根据监测的情况，添加新的含有芬顿试剂的溶液使溶液成分保持稳定；将净化后的气体排出反应容器。
所述金属系统为Fe(II)/F(III)系统，光照为波长为200nm～400nm的紫外光。
所述Fe(II)/F(III)系统由直径小于20纳米的FeSO4和Fe3O4颗粒构成。
所述α-羟基酸为或乳酸。
所述过氧化氢的消耗量通过每12小时收集样品被密切的监测，并且使用碘/高锰酸钾(I/KMnO4)滴定法观察过氧化物的消耗率。
所述反应容器中气体直接通入液体以增加烟气与液体接触的面积和时间，同时液体通过喷淋装置喷出以增加烟气与液体接触的面积和时间。
光学芬顿反应可氧化Hg0而形成Hg2+因为芬顿反应中的Fe3+离子可以容易地被Hg0还原成Fe2+。(见图6至图10)
一种纳米烟气脱重金属装置(见图1至图3)，其特征在于它包括嵌有纳米材料的纤维基体1-5。
所述嵌有纳米材料的纤维基体1-5设置在离心风扇上。(见图1至图3)
所述嵌有纳米材料的纤维基体1-5通过夹件1-6附着在离心风扇的扇叶1-2上。(见图1至图3)
所述纳米材料为附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子。
所述纤维基体为无纺纤维尼龙66。
所述离心风扇由框架1-1和扇叶1-2构成，扇叶1-2通过中心轴1-3和轴套1-4与框架1-1连接(见图1至图3)；所述框架1-1和扇叶1-2是由铝合金制成。
所述一种纳米烟气脱重金属装置的输入端连接光能仓的输出端，光能仓包括光能仓体2-11、光能仓进气口2-2、光能仓出气口2-1、光能仓进液口2-3、气液混合通道2-4、光能仓抽水泵2-5、光能仓出液口2-6、光能仓喷淋装置2-8和光照设备2-10，所述光能仓进气口2-2和光能仓出气口2-1设置在光能仓体2-11的上部，所述光能仓进液口2-3设置在光能仓体2-11的中部，所述光能仓出液口2-6设置在光能仓体2-11的底部，所述气液混合通道2-4、光能仓喷淋装置2-8和光照设备2-10位于光能仓体2-11内，气液混合通道2-4的输入端连接光能仓进气口2-2，气液混合通道2-4的输出端位于光能仓体2-11下部接近仓底的位置，所述光能仓抽水泵2-5通过管道连接光能仓体2-11底部的输出端和光能仓喷淋装置2-8的输入端；所述预处理仓出气口1-12连接光能仓进气口2-2。
所述光能仓体2-11由不锈钢金属板制成，光能仓体2-11内壁上涂有防腐涂层。
所述光能仓体2-11的侧壁上设置光能仓液位器2-7，光能仓体2-11顶部设置光能仓检修盖2-9。
所述光照设备2-10为石英管紫外灯或可见光灯。
实施例3：一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)将纳米材料嵌入纤维基体上；
(2)使含有重金属的烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体；
(3)纳米材料与烟气中的重金属反应，捕获烟气中的重金属。
所述将纳米材料嵌入纤维基体上的方法为：
在纤维基体上附着粘合剂；在粘合剂变干之前，将纳米材料由纳米喷雾器喷洒在织物上；在纳米材料被喷上之后，放置在室温下至少24小时，使之完全固化
所述粘合剂环氧树脂。
所述纳米材料为CdS纳米线。
所述CdS纳米线的合成方法为：
在picoclave高压力反应器(高压釜)中放入甲苯，蒸馏水，和1，12烷硫醇，以体积比20：2：1混合；加入1:1摩尒比的氯化镉和硫脲酸；将高压釜保持在180摄氏度进行反应24小时，然后使其冷却至室温；一种黄色的粉末会沉淀，收集沉淀粉物后用乙醇和蒸馏水洗涤以除去残留的有机溶剂；最终的产物在真空70℃干燥至少6小时，得到CdS纳米线；CdS纳米线使用前必须于乙醇中超声处理；
或者，将0.16M硫酸镉溶液加入7.5M氨水溶液中并不断搅拌下；然后，将0.6M的硫脲溶液缓慢加入到经过充分搅拌的混合物中；温度和pH分别保持在约65℃和10；将析出的黄色固体产物离心，并在烘箱中干燥，在65℃保持4小时；CdS纳米线使用前必须于乙醇中超声处理。
所述纤维基体为间位芳纶Meta-aramid。
所述重金属为汞或铅。
所述步骤(3)中嵌有纳米材料的纤维基体所捕获的重金属中的汞通过由巯基丙酸和2,6-吡啶二羧酸合成的液体来浸泡过滤器将重金属洗脱出来；所捕获的重金属中的金属铅(Pb0)会被转换成氢氧化铅Pb(OH)2；氢氧化铅可用稀醋酸或稀硝酸轻易的洗出。
所述巯基丙酸和2,6-吡啶二羧酸的螯合配体与汞有相当高度的结合性，结合常数分别为log K10.1和20.2；所以我们能对此无纺纤维过滤器进行清洗和回收使用；被清出来的汞可以从清洗液里萃取出来然后进行妥善的处置。
一种纳米烟气脱重金属装置(见图4)，其特征在于它包括嵌有纳米材料的纤维基体1-5。
所述嵌有纳米材料的纤维基体1-5设置在离心风扇上。(见图4)
所述嵌有纳米材料的纤维基体1-5设置在倾斜扇叶1-2之间；所述倾斜扇叶1-2的倾斜角度为45度。(见图4)
所述纳米材料为CdS纳米线。
所述纤维基体为间位芳纶Meta-aramid。
所述离心风扇由框架1-1和扇叶1-2构成(见图4)；所述框架1-1和扇叶1-2是由不锈钢制成。

Claims (26)

1.一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)将纳米材料嵌入纤维基体上；
(2)使含有重金属的烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体；
(3)纳米材料与烟气中的重金属反应，捕获烟气中的重金属。
2.根据权利要求1所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述将纳米材料嵌入纤维基体上的方法为：
在纤维基体上附着粘合剂；在粘合剂变干之前，将纳米材料由纳米喷雾器喷洒在织物上；在纳米材料被喷上之后，放置在室温下至少24小时，使之完全固化；
或者，所述将纳米材料嵌入纤维基体上的方法为：直接装载纳米材料在纤维基体上：将纳米材料悬浊在挥发性溶剂中；将纤维基体浸透在纳米材料悬浊液中，或将纳米材料通过喷雾器喷洒在纤维基体上；将附着有纳米材料的纤维基体在500度的烤箱中进行3至4小时的加热处理；在溶液蒸发后，纳米线和纳米颗粒将会与纤维网交织在一起；冷却至室温后，纳米材料将被安全的锁在纤维基体中。
3.根据权利要求2所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述挥发性溶剂为乙醇或乙酸乙酯。
4.根据权利要求1或2所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述纳米材料为附在纳米载体颗粒上的金纳米粒子、附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子或CdS纳米线。
5.根据权利要求4所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述附在纳米载体颗粒上的金纳米粒子的合成方法为：
将2到4摩尔/L的HAuCl4溶于蒸馏水中；用过筛后100至200微米直径的TiO2或r-Al2O3或SiO2作为纳米载体，加入到金溶液中；将溶液加热至70摄氏度，然后让它老化(需要被存储的一段时间，以获得所期望的品质)20到40分钟；冷却到40摄氏度，加入30％NH3；过滤并用水洗涤，在100度烘箱中干燥至少12小时；然后在空气中350℃煅烧至少4小时；得到附在纳米载体TiO2或r-Al2O3或SiO2颗粒上的Au纳米颗粒，即Au-TiO2金-二氧化钛、Au-SiO2金-二氧化硅或Au-Al2O3；
或者，用沉积加载(DP)的技术：用蒸馏水制备0.1到0.5摩尔/L的氯金酸溶液；将溶液以10毫升/分钟的速度缓慢并搅拌的加入到TiO2或r-Al2O3或SiO2纳米载体的悬浮液中；加温至65℃并保持至少1小时，然后冷却至室温；添加1摩尔/L的NH4OH，pH调节至7；缓慢搅拌至少2小时；过滤后用热水洗涤，在80℃烤箱中烘干至少12小时；然后在空气中180℃煅烧至少4小时，得到附在纳米载体TiO2或r-Al2O3或SiO2颗粒上的Au纳米颗粒，即Au-TiO2金-二氧化钛、Au-SiO2金-二氧化硅或Au-Al2O3。
6.根据权利要求5所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述Au-TiO2金-二氧化钛、Au-SiO2金-二氧化硅或Au-Al2O3中Au的质量百分比为少于5％。
7.根据权利要求4所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子的合成方法：
按照溶质与溶剤的质量与体积(W/V)比大于50比例，将摩尔比1:18～20的(NH4)6W7O24·4H2O和Na2S·9H2O添加到的0.8mol/L的HCl中，剧烈搅拌的溶液；80℃下加热至少0.5小时；
然后加入与Na2S·9H2O等摩尔量的NH2OH·HCl到溶液中，同时剧烈搅拌至少1小时；
在超声发生器里用高于20千赫(每秒20,000次)超声处理10分钟；
用去离子水洗涤数次以除去反应物的残留物，通过离心分离得到黑色粉末；
在空气中干燥，得到最终产物WS2粉末，即为WS2纳米粒子。
8.根据权利要求7所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于WS2纳米粒子使用前需在一个400oC充满氮气的马弗沪内烘焙2小时以功能化。
9.根据权利要求7所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于将WS2纳米粒子与TiO2或r-Al2O3或SiO2纳米载体按质量比1:20-50在水中混合，慢慢搅拌至少1小时，然后400度以上干燥至少2小时，得到附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子。
10.根据权利要求4所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述CdS纳米线的合成方法为：
在picoclave高压力反应器中放入甲苯，蒸馏水，和1，12烷硫醇，以体积比20：2：1混合；加入1:1摩尔比的氯化镉和硫脲酸；将高压釜保持在180摄氏度进行反应24小时，然后使其冷却至室温；一种黄色的粉末会沉淀，收集沉淀粉物后用乙醇和蒸馏水洗涤以除去残留的有机溶剂；最终的产物在真空70℃干燥至少6小时，得到CdS纳米线；
或者，首先将0.16～0.20M的硫酸镉加入到不断搅拌下的7～8摩尔/L氨水溶液中；在此之后，在强力的搅拌之下缓慢的加入0.6～0.8M的硫脲酸；将溶液加温至65℃，而且pH保持在9-11，强力的搅拌50-70分钟；然后将沉淀的黄色固体离心后收集，并在烘箱中干燥，65℃保持至少4小时，得到CdS纳米线。
11.根据权利要求10所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述CdS纳米线使用前在乙醇中超声处理。
12.根据权利要求1或2所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述纤维基体为间位芳纶Meta-aramid、聚四氟乙烯PTFE、聚苯硫醚PPS、聚苯并咪唑PBI、聚酰亚胺ployimide、RY805纤维和PC102纤维，或者无纺纤维，所述无纺纤维为尼龙66、聚酯或聚氨酯。
13.根据权利要求1所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述重金属为汞或铅。
14.根据权利要求1所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述步骤(3)中纳米材料为附在纳米载体颗粒上的金纳米粒子，金(Au)元素与重金属元素汞(Hg0)和铅(Pb0)具有高亲和力，能够形成化学键，从而将重金属元素捕捉；纳米材料为附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子或CdS纳米线，通过金属配体电荷转移MLCT原理捕捉重金属元素：WS2和CdS在化学结构的特性上是介于离子化合物和共价化合物之间；金属W和Cd的特性表现就像刘易斯酸，而非金属无机配体S的特性表现就像刘易斯碱；电子集中在无机配体上，使部分的无机配体成为负电荷；无机配位体会吸引重金属元素，WS2、CdS会吸引烟气中的铅离子，元素铅和元素汞。
15.根据权利要求1所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述步骤(3)中嵌有纳米材料的纤维基体所捕获的重金属中的汞通过由巯基丙酸和2,6-吡啶二羧酸合成的液体来浸泡过滤器将重金属洗脱出来；所捕获的重金属中的金属铅(Pb0)会被转换成氢氧化铅Pb(OH)2；氢氧化铅可用稀醋酸或稀硝酸轻易的洗出。
16.根据权利要求1所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述含有重金属的烟气通过嵌有纳米材料的纤维基体之前通入反应容器中进行预处理；所述反应容器中加入含有芬顿试剂且使用α-羟基酸调节pH值至小于等于3的溶液,所述芬顿试剂包含能发生光助芬顿反应的金属系统和过氧化氢；所述溶液配置过氧化氢与水的质量百分比为3％～5％；过氧化氢与金属系统摩尔比大于等于10：1；
根据金属系统的光吸收峰，在反应容器中设置光照系统；
烟气通入反应容器，与芬顿试剂充分接触反应，使汞元素转化为汞离子；
将反应后溶液导出，并定时监测导出溶液中芬顿试剂的浓度，根据监测的情况，添加新的含有芬顿试剂的溶液使溶液成分保持稳定；将净化后的气体排出反应容器。
17.根据权利要求16所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述金属系统为Fe(II)/F(III)系统或Cu(I)/Cu(II)系统；当金属系统为Fe(II)/F(III)系统时，则光照为波长为200nm～400nm的紫外光；当金属系统为Cu(I)/Cu(II)系统时，光照为波长为600nm～800nm的可见光。
18.根据权利要求17所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述Fe(II)/F(III)系统由直径小于20纳米的FeSO4和Fe3O4颗粒构成；所述Cu(I)/Cu(II)系统由直径小于20纳米的Cu2O和CuSO4颗粒构成。
19.根据权利要求16所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述α-羟基酸为乙醇酸、丙酮酸或乳酸。
20.根据权利要求16所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述过氧化氢的消耗量通过定期收集样品被密切的监测，并且使用碘/高锰酸钾(I/KMnO4)滴定法观察过氧化物的消耗率。
21.根据权利要求16所述一种消除烟气中重金属的方法，其特征在于所述反应容器中气体直接通入液体以增加烟气与液体接触的面积和时间，或者液体通过喷淋装置喷出以增加烟气与液体接触的面积和时间；或者两种方式同时使用。
22.一种实现权利要求1所述消除烟气中重金属的方法的纳米烟气脱重金属装置，其特征在于它包括嵌有纳米材料的纤维基体。
23.根据权利要求22所述一种纳米烟气脱重金属装置，其特征在于所述嵌有纳米材料的纤维基体设置在离心风扇上；所述嵌有纳米材料的纤维基体附着在离心风扇的扇叶上，或者设置在倾斜扇叶之间；所述倾斜扇叶的倾斜角度为30-45度；所述离心风扇由框架和扇叶构成，扇叶通过，扇叶通过中心轴和轴套与框架连接与框架连接；所述框架和扇叶是由镍-钼合金、铝合金或不锈钢制成。
24.根据权利要求22所述一种纳米烟气脱重金属装置，其特征在于所述纳米材料为附在纳米载体颗粒上的金纳米粒子、附在纳米载体颗粒上的WS2纳米粒子或CdS纳米线；
所述纤维基体为间位芳纶Meta-aramid、聚四氟乙烯PTFE、聚苯硫醚PPS、聚苯并咪唑PBI、聚酰亚胺ployimide、RY805纤维(GE EnergyBHA Group)和PC102纤维(GE Energy BHA Group)，或者无纺纤维，所述无纺纤维为尼龙66、聚酯、聚氨酯等合成纤维。
25.根据权利要求22或23所述一种纳米烟气脱重金属装置，其特征在于所述一种纳米烟气脱重金属装置的输入端连接光能仓的输出端，光能仓包括光能仓体、光能仓进气口、光能仓出气口、光能仓进液口、气液混合通道、光能仓抽水泵、光能仓出液口、光能仓喷淋装置和光照设备，所述光能仓进气口和光能仓出气口设置在光能仓体的上部，所述光能仓进液口设置在光能仓体的中部，所述光能仓出液口设置在光能仓体的底部，所述气液混合通道、光能仓喷淋装置和光照设备位于光能仓体内，气液混合通道的输入端连接光能仓进气口，气液混合通道的输出端位于光能仓体下部接近仓底的位置，所述光能仓抽水泵通过管道连接光能仓体底部的输出端和光能仓喷淋装置的输入端；所述预处理仓出气口连接光能仓进气口。
26.根据权利要求25所述一种纳米烟气脱重金属装置，其特征在于所述光能仓体由不锈钢金属板制成，光能仓体内壁上涂有防腐涂层；所述光能仓体的侧壁上设置光能仓液位器，光能仓体顶部设置光能仓检修盖；所述光照设备为石英管紫外灯或可见光灯。
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