CN104023824B - 用于从烟道气中除汞的物质的多官能组合物 - Google Patents

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Abstract

可用于注入到烟道气流中以从所述烟道气流中快速有效地除去汞的物质的多官能组合物。所述物质的多官能组合物可以包括固定炭吸附剂和矿物、呈卤化物盐形式的卤素，以提高(1)汞物类氧化的氧化反应动力学和(2)汞物类的质量扩散动力学。物质的多官能组合物对于从烟道气流中移出的飞灰与水泥产品(如混凝土)一起使用的能力也没有显著不利的影响。

Description

用于从烟道气中除汞的物质的多官能组合物
技术领域
本申请涉及用于从流体流(如烟道气流)中快速有效地除汞的组合物的领域。
背景技术
汞(Hg)是高毒性的化合物，且在可测量水平的暴露可对于各年龄阶层的人造成不利的健康影响，包括对脑部、心脏、肾、肺和免疫系统的伤害。汞是天然存在的，但也从多种人类活动(如燃烧化石燃料和其它工业过程)中释放出来。例如，在美国约40％的引入到环境中的汞来自于燃煤发电厂。
在美国和加拿大，已实施或正在考虑联邦和州/省法规来减少汞的排放，尤其是来自燃煤发电厂、炼钢厂、水泥窑、废物焚烧炉和锅炉、工业燃煤锅炉和其它燃煤设备的汞排放。例如，UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency(U.S.EPA)已发布MercuryAirToxicsStandards(MATS)，它尤其要求燃煤发电厂在大约2016年初截留约90％的它们的汞排放。
对燃煤发电厂的汞控制的领先技术是活性炭注入(activatedcarboninjection)。活性炭注入涉及将吸附剂(具体地为粉末活性炭)注入到发电厂的锅炉所释放的烟道气中。粉末活性炭是具有高表面积的多孔碳质材料，其暴露有相当量的有利化学官能和催化反应位点，且其对于多种化合物产生了高吸附潜力，包括从烟道气中捕获汞。在大多数燃煤发电厂中，甚至是在可通过为其它污染物所设计的控制装置(如用于控制二氧化硫和酸性气体的湿式洗涤器或干式洗涤器)实现一些汞控制的那些工厂中，活性炭注入技术已显示了控制汞排放的潜力。
除了汞之外，锅炉的烟道气流夹带了多种化合物，包括颗粒物(如飞灰)。使用仪器如静电沉降器(ESP)或织物滤袋集尘室(fabricfilterbaghouse)来除去这种颗粒物，发电厂经营者可以将飞灰出售给混凝土生产商作为波特兰水泥(Portlandcement)的替代物。这些销售对于发电厂经营者是极为有利的，这是因为它们产生了另外的收入来源，且消除了埋填飞灰的需要。
发明内容
根据本申请，通过活性炭注入从锅炉烟道气中捕获和除去汞的特征可以在于三个主要步骤，这些步骤可以先后进行或同时进行：(1)所注入的吸附剂与汞物类的接触，所述汞物类通常在烟道气中以非常稀的浓度(如，<十亿分之100份)存在；(2)汞单质(即Hg0)转化为氧化的汞物类(如，Hg+和Hg2+)，所述汞单质相对惰性且不易于被吸附，所述氧化的汞物类更易于被吸附且显著地更可溶于水性增溶介质(如水)中；和(3)氧化的汞物类扩散进入孔中，它紧紧地保留(例如，被隔离)在孔中而未被释放。烟道气流以非常高的速度如超过25英尺/秒(例如，超过7.6米/秒)穿过管道系统。因此，一旦注入，吸附剂必须快速完成这三个步骤，从而接触、氧化和隔离汞。在某些情况中，吸附剂在烟道气中仅具有1至2秒的保留时间。常规的粉末活性炭和其它类似吸附剂产品在这些限制下未有效地完成这三个所需的步骤。
提供如下所述的新型物质的组合物是有利的：其克服了常规吸附剂的传统限制，并且例如为了满足关于汞排放的政府法规，其可以有效地充当吸附剂、催化剂和溶剂，以有效地从烟道气流中除去汞。在这点上，提供了多官能的物质的组合物的多种实施方式。这些物质的多官能组合物在如下所述的方面克服了常规吸附剂的限制：例如为了满足关于汞排放的政府法规，可以将它们注入到烟道气流中，以有效快速地从烟道气流中除去汞。
物质的多官能组合物可以包含至少约20wt.％且不多于约75wt.％的固定炭、至少约20wt.％且不多于约50wt.％的矿物、至少约1wt.％且不多于约15wt.％的卤素、和至少约3wt.％且不多于约12wt.％的基于水的增溶介质。所述物质的多官能组合物的中值粒度还可以为不大于约15微米，所述物质的多官能组合物的微孔体积加上介孔体积的总和还可以为至少约0.2cc/g，微孔体积与介孔体积的比例为至少约0.7且不大于约1.5。
各发电厂均具有可以使物质的多官能组合物的汞捕获性能随地点不同而发生变化的独特因素(例如，能量生产能力、煤原料、排放控制装置、工厂布局、操作温度和其它条件等)。因此，比较多种物质的组合物捕获汞的效率的报道性(informative)方法是在发电厂进行β测试，以比较在类似条件下注入多官能组合物时的汞排放与注入标准可商购产品时的汞排放。
在一种特性描述中，当在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入物质的多官能组合物时，所述物质的多官能组合物将以比在相当的操作条件下的标准可商购粉末活性炭产品(本申请中称为对比样品C)小至少约30％的组合物注入速率(以lbs/MMacf(一百万实际立方英尺)计)得到小于1.2lbHg/TBtu的汞排放。在又另一特性描述中，当在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入物质的多官能组合物时，所述物质的多官能组合物将以比在相当的操作条件下的常规粉末活性炭产品(本申请中称为对比样品C)小至少约60％的组合物注入速率(以lbs/MMacf计)得到小于1.2lbHg/TBtu的汞排放。
在另一特性描述中，当在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入物质的多官能组合物并且将汞排放速率(lbHg/Tbtu)作为组合物注入速率(lbs/MMacf)的函数进行作图时，具有最高R2值(即，相关系数)的趋势线在1.2lbsHg/Tbtu处的斜率小于约-0.6。在又另一特性描述中，当在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入物质的组合物并且将汞排放速率(lbHg/Tbtu)作为组合物注入速率(lbs/MMacf)的函数进行作图时，具有最高R2值的趋势线在1.2lbsHg/Tbtu处的斜率小于约-1.5。
在另一特性描述中，当在燃烧低煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入物质的多官能组合物时，所述物质的多官能组合物将以比在相当的操作条件下的常规粉末活性炭产品(本申请中称为对比样品D)小至少约50％的组合物注入速率(以lbs/MMacf计)得到小于4.0lbHg/TBtu的汞排放。
在另一特性描述中，当在燃烧低煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入物质的多官能组合物并且将汞排放速率(lbHg/Tbtu)作为组合物注入速率(lbs/MMacf)的函数进行作图时，具有最高R2值的趋势线在4.0lbsHg/Tbtu处的斜率小于约-8.0。
在另一特性描述中，所述物质的多官能组合物的矿物源自用于制造所述物质的多官能组合物的原料。在另一特性描述中，所述物质的多官能组合物包含选自含钙矿物、含钾矿物、含铁矿物、含硅矿物、含硅酸盐矿物、含钠矿物、含锡矿物、含锌矿物、含镁矿物、含硅铝酸盐矿物及其组合的矿物。在一种特定的特性描述中，所述矿物包括氧化物矿物。在另一特性描述中，所述矿物包括至少1wt.％的含铁矿物。
在另一特性描述中，所述物质的多官能组合物包括至少约3wt.％且不多于约8wt.％的基于水的增溶介质。
在另一特性描述中，所述物质的多官能组合物的中值粒度不大于约12微米。在又另一特性描述中，所述物质的多官能组合物的中值粒度为至少约5微米。
在另一特性描述中，所述物质的多官能组合物的哈氏可磨性系数为至少约90。在又另一特性描述中，所述物质的多官能组合物的哈氏可磨性系数为至少约100。
在另一特性描述中，所述物质的多官能组合物的汞颗粒密度为至少约0.5g/cc且不大于约0.9g/cc。在另一特性描述中，所述物质的多官能组合物的包封颗粒密度为至少约0.3g/cc且不大于约1.5g/cc。在又另一特性描述中，所述物质的多官能组合物的包封颗粒密度为至少约0.5g/cc且不大于约1.0g/cc。
在另一特性描述中，所述物质的多官能组合物的微孔体积加上介孔体积的总和为至少约0.25cc/g。
在另一特性描述中，控制所述物质的多官能组合物的孔隙率，以使得物质的多官能组合物的介孔体积为至少约0.10cc/g且不大于约0.15cc/g，物质的多官能组合物的微孔体积为至少约0.10cc/g且不大于约0.15cc/g，且微孔体积与介孔体积的比例大于约0.9且小于约1.5。
在另一特性描述中，所述物质的多官能组合物的pH大于约8且小于约12。
在另一特性描述中，当通过扫描电子显微镜(SEM)和能量色散谱仪(EnergyDispersiveSpectrometry，EDS)以12,000倍的放大率在至少20微米×10微米的图像面积中分析所述物质的多官能组合物时，归属于卤素的像素(pixels)显示的平均宽度为至少约0.05微米且不大于约2微米，其中归属于卤素的总像素面积占总图像面积的至少约10％。在进一步的特性描述中，当通过扫描电子显微镜和能量色散谱仪以12,000倍的放大率在至少20微米×15微米的图像面积中分析所述物质的组合物时，在任何10微米×10微米的扫描面积中，归属于卤素的像素出现在至少20％的像素面积中。
此外，尽管对于发电厂经营者来说，活性炭注入仍然是减少汞排放以满足政府法规的经济可行的方法，但是所加入的粉末活性炭可能会阻止从烟道气流中提取的飞灰作为混凝土添加剂的使用，消减工厂经营者的潜在收入来源，并且需要工厂经营者埋填飞灰。因此，提供如下所述的物质的组合物也是有利的：例如为了满足关于汞排放的政府法规，所述物质的组合物可以从烟道气流中除汞，且所述物质的组合物对从烟道气流中移出的飞灰与水泥产品(如混凝土)一起使用的能力不具有显著的不利影响。
因此，在一种特性描述中，在泡沫体稳定性测试期间，物质的多官能组合物可以吸附不多于约800份的加气剂每一百万份的物质的组合物，基于质量。在另一特性描述中，在泡沫体稳定性测试期间，物质的多官能组合物可以吸附不多于约750份的加气剂每一百万份的物质的组合物，基于质量。在又另一特性描述中，当泡沫体处于稳定状态时，在泡沫体稳定性测试期间物质的多官能组合物可以吸附不多于约3mg的加气剂每1g的在物质的多官能组合物中的固定炭。在仍然进一步的特性描述中，所述物质的多官能组合物适合于与包括加气剂和水的水泥组合物共混，以形成水泥共混物，其中所述水泥共混物的泡沫体稳定时间不多于约30分钟。
附图说明
图1示意性地说明了物质的多官能组合物的表面的实例。
图2说明了在物质的多官能组合物的表面上的胶体溴化物盐(bromidesalt)的图像，通过扫描电子显微镜结合能量色散谱仪取得。
图3示意性地说明了用于捕获和隔离来自烟道气流中的汞的示例工厂布局和方法。
图4说明了生产物质的多组分组合物的流程图。
图5说明了燃烧高煤阶煤(PowderRiverBasin煤)的约200MW燃煤发电厂的汞捕获性能，将物质的多官能组合物的两种制剂与可商购的吸附剂进行比较。
图6说明了燃烧低煤阶煤(NorthDakota褐煤)的约600MW燃煤发电厂的汞捕获性能，将物质的多官能组合物与可商购的吸附剂进行比较。
图7说明了对物质的多官能组合物的样品与若干对比吸附剂组合物进行比较的混凝土泡沫体稳定性测试结果。
具体实施方式
提供物质的多官能组合物的多种实施方式，所述物质的多官能组合物在注入到流体气流如烟道气流(例如来自燃煤锅炉或余能锅炉)中时尤其可用于快速有效地从烟道气流中捕获和除去汞。在这点上，有利的是物质的多官能组合物包括若干不同的组分，所述组分可以协同地(1)增加与在烟道气中的汞物类接触的概率，(2)减少汞氧化和捕获所需的时间(例如，作为提高的氧化反应动力学和/或质量扩散动力学的结果)，和(3)有利地减少为了回收足够量的汞以满足汞的移除标准(如可适用的政府法规)而必须注入的材料的总量。此外，当在汞捕获(如，在静电沉降器或织物滤袋集尘室中)之后从烟道气流中移出物质的多官能组合物以及来自锅炉的飞灰时，物质的多官能组合物可以与该飞灰一起用作在生产混凝土或类似水泥产品中的可接受的水泥替代物。
在这点上，物质的多官能组合物可以包括碳质材料(例如，固定炭)、矿物、卤素(例如，呈卤化物盐(halidesalt)的形式)和水性增溶介质，它们协同地一起氧化汞和促进汞从流体流(例如，从烟道气流)中的移除。例如，矿物和呈卤化物盐(例如，溴化物盐(bromidesalt))形式的卤素可以促进汞单质的氧化，水性增溶介质(如，水)可以溶解氧化的汞以及促进质量扩散动力学。此外，物质的多官能组合物可以具有多个有利的物理特征，如较小的粒度和控制良好的孔尺寸分布。如图1中所示，具有小粒度和控制良好的孔尺寸分布的包含矿物、卤素和碳质材料的协同组合的物质的多官能组合物提供了较大的表面积(在其上发生动力学机制)，以及提供了快速有效地从锅炉烟道气中隔离汞的充分的捕获机制。
对照图1，物质的多官能组合物100可以含有多孔碳质材料102(例如，固定炭)，所述多孔碳质材料102适合于在合适的孔尺寸中为汞氧化提供大的表面积以及从烟道气流中隔离氧化的汞。物质的多官能组合物100可以包括至少约10wt％的固定炭102，例如至少约15wt％或甚至至少约20wt％的固定炭102。然而，优选物质的多官能组合物100的固定炭含量不超过约75wt％，例如不多于约60wt％或例如不多于约55wt％的固定炭102。由于控制良好的孔结构和在物质的多官能组合物100中存在其它组分，所以需要较少量的固定炭102用于汞氧化和隔离(例如，与典型的吸附剂组合物相比，每单位体积的烟道气流需要少量的固定炭)。
在一方面，尤其与用于活性炭注入的典型吸附剂组合物相比，物质的多官能组合物100可以具有较小的平均粒度(例如，中值粒度，在本领域中也称为d50)。在这点上，物质的多官能组合物100的中值粒度可以为不大于约15微米，如不大于约12微米。在另一特性描述中，物质的多官能组合物100的中值粒度可以为至少约5微米，如至少约6微米或甚至至少约8微米。可以使用诸如光散射技术(例如，使用SaturnDigiSizerII，得自MicromeriticsInstrumentCorporation,Norcross,GA)等技术来测量d50中值粒度。较小的中值粒度(如不大于约15微米)意味着每体积的多官能组合物具有较大的表面积。增加的表面积导致了多个好处，包括但不限于汞暴露于矿物和卤素的增加、可用于发生反应的面积的增加和因而整个反应动力学得到改进。
物质的多官能组合物100还可以具有高的孔体积和控制良好的孔104分布，尤其是在介孔(即，至宽度)和微孔(即，不大于宽度)当中。已发现对于汞从烟道气流中的有效移除，控制良好的微孔和介孔的分布是合乎期望的。在这点上，尽管不意图受任何理论约束，但是认为相对于微孔，介孔是捕获和运输氧化的汞物类的主要结构，然而微孔是用于隔离氧化的汞物类的主要结构。
在这点上，物质的多官能组合物100的微孔体积加上介孔体积的总和可以为至少约0.10cc/g，如至少0.20cc/g，和至少约0.25cc/g或甚至至少约0.30cc/g。物质的多官能组合物的微孔体积可以为至少约0.10cc/g，如至少约0.15cc/g。此外，物质的多官能组合物100的介孔体积可以为至少约0.10cc/g，如至少约0.15cc/g。在一种特性描述中，微孔体积与介孔体积的比例可以为至少约0.7，如至少约0.9，且可以不大于约1.5。微孔体积相对于介孔体积的所述水平有利地能够实现物质的多官能组合物100对氧化的汞物类(如HgBr2)的有效捕获和隔离。可以使用气体吸附技术(例如，N2吸附)利用诸如TriStarII表面积分析仪(MicromeriticsInstruments公司，Norcross,GA,USA)的仪器来测量孔体积。
物质的多官能组合物100的特征还可以在于具有控制良好的颗粒密度。颗粒密度是颗粒质量除以颗粒体积(不包括对吸附不起作用的较大孔的孔体积)，且通常以g/cc为单位进行测量。颗粒密度与物质的多官能组合物的表面积与体积之比有关，所述物质的多官能组合物的表面积与体积之比继而影响了汞的捕获性能。测量颗粒密度的两种方法如下所述。
可以通过液态汞体积置换(volumedisplacement)来测量颗粒密度，在该情况中将结果称为汞颗粒密度。在这点上，物质的多官能组合物100的汞颗粒密度可以为至少约0.5g/cc，如至少约0.6g/cc。相反地，物质的多官能组合物的汞颗粒密度可以不大于约0.9g/cc，如不大于约0.8g/cc。可以通过MicromeriticsAccuPycPycnometer(MicromeriticsInc.,Norcross,GA,USA)测量汞颗粒密度。
还可以通过沉淀体积置换来测量颗粒密度，在该情况中将结果称为包封颗粒密度。在这点上，物质的多官能组合物100的包封颗粒密度可以为至少约0.5g/cc，如至少约0.6g/cc或至少约0.7g/cc。物质的多官能组合物100的包封颗粒密度可以为不大于约1.0g/cc，如不大于约0.9g/cc。可以使用MicromeriticsGeoPyc包封密度分析仪(Micrometrics,Inc.,Norcross,GA,USA)来测量包封颗粒密度。
物质的多官能组合物100的另一组分是矿物106。在一种特性描述中，该矿物106可以源自形成(例如，通过活化)碳质材料的原料。在另一特性描述中，可以单独地将一部分矿物106添加到物质的多官能组合物中，这需要另外的费用。尽管不意图受任何理论约束，但是认为该矿物106可以有利地促进在烟道气流中的汞单质的氧化。该矿物106的存在从而可以提高汞氧化的动力学，以使得与不含该矿物的吸附剂相比，为了从烟道气流中氧化和移出足够量的汞而所需的与烟道气流接触的时间减少。
矿物106可以有利地包括如下所述的矿物：所述矿物包括但不限于含铝矿物、含钙矿物、含铁矿物、含硅矿物、含硅酸盐矿物、含钠矿物、含钾矿物、含锌矿物、含锡矿物、含镁矿物及其组合。矿物可以主要是基于氧化物的矿物，如金属氧化物矿物(例如，CaO、Fe2O3、Fe3O4、FeO、Al2O3)和硅酸盐(例如，Al2SiO5)。在一种特性描述中，矿物106主要包括金属氧化物，尤其是氧化铝和铁氧化物。在另一特性描述中，矿物106包括含钙矿物、含铁矿物和硅铝酸盐。这些类型的矿物尤其良好地适合于催化汞的氧化反应。含铁的矿物尤其良好地适合于催化该氧化反应，在一种特性描述中，矿物包括至少1wt.％的含铁矿物。在促进汞的氧化、捕获和移除的控制良好的多孔结构内，矿物106紧密地缠结于物质的多官能组合物之中。
为了提供足够的反应活性和快速的氧化动力学，物质的多官能组合物100可以包括至少约20wt.％的矿物，如至少25wt.％的和甚至至少约30wt.％的矿物。然而，在物质的多官能组合物100中过量的矿物106可能对于汞的捕获是不利的。在这点上，物质的多官能组合物100可以包括不多于约50wt.％的矿物，如不多于约45wt.％的矿物。有利的是物质的多官能组合物可以包括不多于约40wt.％的矿物，如不多于约35wt.％的矿物。可以通过TGA701热重分析仪(LECO公司,St.Joseph,MI)测定总矿物含量。可以通过NitonXL3tX-射线荧光(XRF)分析仪(ThermoFisherScientificInc.,Waltham,MA)测定特定矿物的具体类型和数量。
物质的多官能组合物100还包括活性卤素108如卤化物盐(例如，溴化物盐)。虽然不认为卤素本身是汞的氧化剂，但是卤素在汞的氧化中是重要的反应参与物。物质的多官能组合物100可以包括至少约1wt.％的活性卤素108，如至少2wt.％的活性卤素108。卤素108的显著增加的用量可能对于汞的捕获和隔离是不利的，并且其还可造成仪器的腐蚀和在下游液体和气体流中的过量溴排放，这可能需要进一步的处理工艺。因此，物质的多官能组合物的活性卤素含量可以有利地不超过约15wt.％，例如不多于约10wt.％。
物质的多官能组合物的一个重要方面在于为了促进汞氧化，活性卤素108(例如Br或Br-)的可接近性非常高。在这点上，卤素沉积物可以主要具有胶体尺寸，而非颗粒尺寸。例如，这些卤素沉积物的平均宽度可以为至少约0.5微米且不大于约2.0微米(在胶体尺寸中，通过扫描电子显微镜(SEM)和能量色散谱仪(EDS)确定，与单独的分子尺寸相对)。如上所述，活性卤素108本身不是氧化剂，但是它可以作为反应试剂参与，从而促进汞的氧化。在这点上，尽管不意图受任何理论约束，但是认为卤素108和物质的多官能组合物100的其它特征协同地促进了汞单质(Hg°)110氧化成氧化的汞(Hg2+)112，尤其是在水性增溶作用的条件(例如，高湿烟道气条件)下。认为该组合消除了采用较昂贵和腐蚀形式的溴(例如Br2)处理物质的多官能组合物的需要。
因此，如图2中所示，卤素可以有利地以胶体的方式分散在整个物质的多官能组合物中，尤其是在与烟道气接触的组合物的表面上，例如，通过SEM与EDS确定。SEM对组合物成像，而EDS能够鉴定具体元素的位置。提供高度分散的卤素有利于快速的反应动力学。该分散反映了将卤素施用于物质的多官能组合物的有利途径。在卤素是可接近且良好分散的时(即，不成块或作为呈单独颗粒形式的固体混合物)，它是更为有效的。在一种特性描述中，当通过SEM和EDS以12,000倍的放大率在至少20微米×10微米的图像面积中分析所述物质的多官能组合物时，归属于卤素的像素(例如，使用EDS)显示的平均宽度为至少约0.05微米且不大于约2微米，其中归属于卤素的总像素面积占该总图像面积的至少约3％，例如总图像面积的至少约10％，或甚至总图像面积的至少约20％。在如图2所示的进一步的特性描述中，当通过SEM和EDS以12,000倍的放大率在至少20微米×15微米的图像面积中分析所述物质的组合物时，在任何10微米×10微米的扫描面积中，归属于卤素的像素出现在至少20％的像素面积中。
除了前述之外，物质的多官能组合物具有另外的有利表面化学特征。例如，烟道气通常是酸性的。当在该环境中隔离金属如汞时，有利的是在捕获之前溶解该金属，这常常需要特定的离子条件。因此，物质的多官能组合物的表面的pH可以大于8且不大于约12。
此外，再转回到图1，物质的多官能组合物100还可以包括一定量的基于水的增溶介质，如水116。这种基于水的增溶介质可以与烟道气的酸性对抗(combat)，通过在孔结构内溶解氧化的汞物类来提高汞氧化和隔离反应的质量扩散动力学，并且阻止捕获的汞再次溶解和再次进入烟道气中。在这点上，物质的多官能组合物可以包括至少约2wt.％的增溶介质，如至少约3wt.％或至少约6wt.％。然而，在物质的多官能组合物中增溶介质的量应不多于约12wt.％，如不多于约10wt.％，以避免对汞氧化反应的不利干扰和消耗炭吸附能力。
尽管不意图受任何特定理论约束，但是图1示意性地说明了认为是造成使用本申请所述的物质的多官能组合物从烟道气流中快速氧化和隔离汞的原因的机理。固定炭102为汞单质110提供了大表面积来与活性卤素108、矿物106和物质的多官能组合物100的其它组分反应。与在表面上或在表面附近的其它氧化还原剂紧密靠近的矿物106有利地催化、氧化、提高、和/或以其它方式促进汞的氧化和氧化的汞物类112(如Hg2+)的形成，所述氧化的汞物类112可以与卤素键合，从而形成该物类114，例如HgBr2。对于物质的多官能组合物来说，基于水的增溶介质(如，水116)的存在促进了氧化还原活性，在孔结构104之内的这些汞物类114的传输，和在孔104之内这些汞物类114的溶解，从而将汞物类114隔离在其中。因此，提高了汞氧化动力学和质量扩散动力学，从而使得物质的多官能组合物100能够快速有效地氧化和隔离汞。
提高的物质的多官能组合物的反应和扩散动力学可以使得燃煤机构(例如，燃煤发电厂)能够快速有效地捕获汞，以满足关于汞排放的法规限制。例如，U.S.EPAMercuryAirToxicStandards(MATS)基于每产生的能量数量的汞量而设置的汞排放限制对于燃烧高煤阶煤(即，煤具有>8,300Btu/lb)的燃煤发电厂是1.2lbHg/Tbtu，对于燃烧低煤阶煤(即，煤具有<＝8,300Btu/lb)的机构是4.0lbHg/Tbtu。
图3示意性地说明了用于从燃煤发电厂产生的烟道气流中除汞(使用活性炭注入来使物质的多官能组合物与烟道气流接触)的系统和方法。烟道气流301离开锅炉302，在此煤已燃烧。如图3中所示，随后烟道气流301可以进入空气加热器单元304，在此烟道气流301的温度降低。此后，可以将烟道气流301引入分离单元307(例如静电沉降器(ESP)或织物滤袋集尘室)中，所述分离单元307在烟道气离开烟囱308之前从烟道气中移出颗粒物。例如，可以使用冷侧(即在空气加热器单元之后)静电沉降器。那些本领域技术人员将认识到该工厂可以包括图3中未示出的其它装置，如选择性催化还原单元(SCR)等，且可以具有多种其它构造。为了从烟道气中捕获汞，可以将物质的多官能组合物引入到(例如，注入到)烟道气流301中，该步骤可以在303A空气加热器单元304之前或在303B空气加热器单元304之后，但在将会从烟道气中将它移出的分离单元307之前。
有利地，物质的多官能组合物的性质可以使得相对于典型的吸附剂组合物，注入到烟道气流中以获得高的汞移除率的物质的多官能组合物的用量减少。从烟道气流中移除汞所需的物质的多官能组合物的用量根据煤的组成和处理排放控制步骤而变化。因此，有利的是，将从在锅炉中燃烧的燃料或煤中移除的汞的百分比定义为以汞的磅数每万亿BTU的燃料量热热值(lbHg/Tbtu)计的从煤中移除的百分比，根据USEPAMATS方法在工厂的烟囱308处测得。在注入较少的吸附剂材料的同时捕获高水平的汞的能力可以有利地为发电厂经营者减少材料成本。
尽管分离单元307可以选自多种装置，包括ESP或织物滤袋集尘室，但是当将ESP用作分离单元307时，本申请所述的物质的多官能组合物尤其可用于从烟道气流301中移除汞。例如，分离单元307可以是冷侧ESP。尽管ESP单元通常具有低于织物滤袋集尘室单元的资金成本，但是常常使用织物滤袋集尘室单元来增加吸附剂组合物和烟道气流之间的接触时间，这是因为该单元捕集吸附剂，烟道气继续穿过在过滤器上的吸附剂，直至敲打过滤器以除去吸附剂和其它所捕集的材料。该保留时间常认为是在低于350°F的温度从烟道气流中充分捕获汞所必需的。然而，在使用本申请所述的物质的多官能组合物时(所述物质的多官能组合物提供了快速的汞物类的氧化反应动力学和质量扩散动力学)，甚至非常短的在烟道气流和物质的多官能组合物之间的保留时间(例如，接触时间)足以从烟道气流中除去至少约85％的汞，如至少约90％的汞。在这点上，保留时间可不多于约5秒(如不多于约3秒或甚至不多于约1秒)而同时达到该移除率。
如前所述，分离单元307将物质的多官能组合物连同飞灰一起与烟道气流分离，所述飞灰是由锅炉中煤的燃烧产生的。通过将混合物306与包括加气剂的水泥组合物共混，该混合物306可以有利地用于水泥材料(如混凝土)的生产中。在这点上，尽管不意图受任何理论约束，但是认为由于在物质的多官能组合物中含有较少量的固定炭，所以物质的多官能组合物吸附的加气剂的量相较于典型的吸附剂组合物有所减少。因此，与飞灰一起回收的物质的多官能组合物可以与水泥组合物进行共混，以与典型的吸附剂组合物相比，制造出较高品质的水泥。
具体地，在混凝土生产期间，将加气剂(例如，表面活性剂)添加到混合物中，以将空气夹带到混凝土中形成稳定的泡沫体，所述稳定的泡沫体对于混凝土强度是必需的。在加气剂的引入时，混凝土生产商优选泡沫体在较短时间内(例如，少于约30分钟内)稳定。对于在预拌的混凝土中的使用，该短时间的设计是尤其重要的。然而，大多数含有常规吸附剂的飞灰混合物既需要高浓度的加气剂(由于吸附剂争夺加气剂)，又导致泡沫体随时间不稳定(destabilizingovertime)。
在这点上，特殊的优势在于本发明的物质的多官能组合物可以吸附不多于800份的加气剂每一百万份的物质的多官能组合物，例如不多于750份的加气剂每一百万份的物质的多官能组合物(基于重量)。由于本发明的物质的多官能组合物吸附较少量的加气剂，所以较多的加气剂可用于将空气夹带到混凝土混合物中，并且使泡沫体稳定时间减少到不多于30分钟，例如不多于10分钟。此外，由于物质的多官能组合物的协同效应，与典型的吸附剂组合物相比，可以将用量减少的活性炭注入到烟道气流中以除去汞，这导致了从分离装置307中与混合物306一起提取得到的固定炭的量减少。
图4是说明根据一种实施方式制备物质的多官能组合物的示例性方法的流程图。制备过程从碳质原料401(如低阶褐煤，其具有较高含量的自然(native)矿物的天然沉淀)开始。在制备过程中，使该原料在放热条件下经受升高的温度和一种或多种氧化性气体一段时间，所述一段时间足以增加表面积、产生孔隙、改变表面化学和使先前包含在原料内的自然矿物暴露和片状脱落。在该过程中的具体步骤包括：(1)脱水402，其中加热原料以除去自由水和结合水，通常发生在100℃至150℃的温度；(2)脱挥处理403，其中除去自由的挥发性有机成分和弱键合的挥发性有机成分，通常发生在高于150℃的温度；(3)碳化404，其中继续除去非碳元素，浓缩碳单质，并且将碳单质转变成无规无定形结构，通常发生在约350℃至约800℃的温度；和(4)活化405，其中加入蒸汽、空气或其它氧化剂并且形成孔，通常发生在高于800℃的温度。可以例如在多膛(multi-hearth)炉或回转炉中实施制备过程。该制备过程不是分离的，各步骤可以重叠和使用在各步骤范围内的多种温度、气体和保留时间，以促进得到所制备产物的期望的表面化学和物理特性。
在活化405之后，可以使产物经受粉碎步骤406，以减小活化产物的粒度(例如，减小中值粒度)。粉碎406可以发生在例如碾磨机(mill)(如辊磨机(rollmill)、喷磨机(jetmill))或其它类似工艺中。可以进行粉碎406一段时间，所述时间足以使热处理的产物的中值粒度减小到不大于约15微米，如不大于约12微米。
有利的是物质的多官能组合物可以具有较高的哈氏可磨性系数(HGI)，其通过ASTM方法D409测量。研究HGI，从而在经验上测定将煤研磨为在煤锅炉中完全燃烧所必需的粒度的相对难度。已将HGI的使用扩展到研磨用于其它用途(如炼铁、水泥生产和用煤的化学工业)的煤。与具有高HGI值的那些粒料相比，低HGI值的粒料较难进行研磨。当研磨具有较低HGI的材料时，碾磨能力(millcapacity)也下降。在这点上，物质的多官能组合物的HGI可以为至少约80，如至少约90、至少约100或甚至至少约110。较高的HGI能够在较低能耗的情况下减小平均粒度。此外，与具有低HGI的较硬材料相比，物质的多官能组合物的较软材料将导致粉碎设备的腐蚀(例如，磨损)的减少。尽管不意图受任何理论约束，但是已观察到使用褐煤物质原料将导致较高的HGI。
可以在活化过程之后的任何阶段将卤素添加到产物中。例如，如图4所示，可以在407A粉碎之前或在407B粉碎之后引入卤素。卤素可以作为干或湿的卤化物盐来引入。
实施例
β测试是在燃煤发电厂对从烟道气中除汞的排放控制技术的能力进行的综合(full-scale)评价。第一步是使用USEPA确认的方法，具体地为方法30A(DeterminationofTotalVaporPhaseMercuryEmissionsfromStationarySources(仪器分析方法))或方法30B(DeterminationofTotalVaporPhaseMercuryEmissionsFromCoal-FiredCombustionSourcesUsingCarbonSorbentTraps)(各自可在40CFR部分60附录A-8到部分60中获得)，来建立基线汞排放。方法30A描述了汞连续排放监测系统(HgCEMs)(例如，由ThermoFisherScientificInc.ofWalthamMA制造)的使用，而方法30B描述了使用吸附剂捕集器(traps)(例如由OhioLumexCo.ofTwinsburgOH)进行的测试。如果使用的方法30A，则在汞排放达到相对稳态至少一小时的时间之后基于时间加权平均的测量方法来测量汞排放。如果使用方法30B，则基于(1)一旦期望的测试条件处于稳态时在放置于烟道气流中的至少3对捕集器中捕获的汞，和(2)得自所测试单元的平均空气排放速率(其可在烟囱处测量得到)，来计算汞排放。方法30B规定了吸附剂捕集器的质量方法(qualityprocedures)。
一旦建立基线，则将吸附剂以期望的速率注入烟道气中，一旦汞排放达到稳态(通常在约15之后)，则测量汞排放。对于各吸附剂，在各自期望的操作条件下以各自期望的注入速率重复该方法。通常，将注入速率从起初的预期不达到EPA汞排放限制(例如，0.5lbs/MMacf或更低)的速率变化到达到或超过EPA汞排放限制(例如，4.0lbs/MMacf、5.0lbs/MMacf或更多)所期望的速率。正确进行β测试所必需的吸附剂用量取决于期望的注入速率、所测试的单元条件和所使用的EPA方法。可以基于所燃烧煤的加热速率(如，BTU/MW)、单元的MW、烟道气的实际体积流量(如，以立方英尺计)和估计的正确完成测试所需的时间，来估计最低测试要求。
应记录各注入方案的操作条件，包括但不限于煤的类型、温度、载荷、和排放控制装置和布局。烟道气的温度应低于350°F，通常为275°F至325°F。应在全载荷的单元进行测试，如需要可以在减少的载荷下进行另外的测试。另外，如果在燃烧过程中该单元使用多种煤类型，则应采用多种煤完成另外的测试。应记录排放控制装置的具体顺序和类型以及其它操作条件。在给定的一系列操作条件下，在EPAMATS汞排放限制时的注入速率大致与达到合规所必须注入的吸附剂的量有关。
各发电厂具有独特的能量生产能力、煤原料、排放控制装置、工厂布局、操作温度和其它条件、以及多个其它因素。见以上对图3的讨论。在这些因素中的变化可使得物质的多官能组合物的汞捕获性能随工厂不同而变化。因此，比较多种物质的组合物捕获汞的效率的报道性方法在于在各工厂将该组合物的汞排放速率(lbHg/Tbtu)作为所注入物质的量(lb/MMacf)的函数与在类似条件下的标准可商购产品进行比较。标准可商购产品包括Premium和PremiumPlus(ADACarbonSolutions,LLC,Littleton,CO)；Hg-LH(NoritAmericasInc.,Marshall,TX)；-MCPlus(Calgon公司，Pittsburgh,PA)；和B-PACTM(Albermarle公司，BatonRouge,LA)。
如果β测试得到了至少4个数据点(包括基线)，则可以将这些数据作图，并且采用由最高R2值所指示的最佳拟合的趋势线函数进行拟合。趋势线通常是非线性函数，如幂函数、对数函数或指数函数。可以将该趋势线在合规限制处的斜率作为该曲线在该点处的正切进行计算。该斜率给出了吸附剂的潜在的汞氧化速率和另外的汞移除潜力的指示。特别地，认为具有较陡斜和较负值的斜率的吸附剂具有提高的反应动力学，其可导致汞捕获的速率大大变高。2个β测试的结果如下所示。
实施例1
实施例1说明了相较于典型的吸附剂组合物，在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂中本申请所述的物质的多官能组合物的两个样品移除汞的能力。
物质的多官能组合物的第一样品(样品A)的中值粒度为约8微米。物质的多官能组合物的第二样品(样品B)的中值粒度为约12微米。样品A和样品B二者的矿物含量为约35wt.％，固定炭含量为约50wt.％，介孔体积加上微孔体积之和为约0.25cc/g，总介孔体积为约0.12cc/g，总微孔体积为约0.13cc/g。两个样品包括约5.5wt.％的溴化物盐。
将这些样品与现有技术吸附剂材料(对比样品C)进行比较，所述现有技术吸附剂材料具体地为称为Premium(ADACarbonSolutions,LLC,Littleton,CO)的吸附剂组合物。对比样品C的中值粒度为约25微米，固定炭含量为约50wt.％，矿物含量为约40wt.％，介孔体积加上微孔体积之和为约0.25cc/g，总介孔体积为约0.13cc/g，总微孔体积为约0.12cc/g。对比样品C包括约4.5wt.％的溴化物盐。
将样品A、B和C中的每一个注入到来自燃烧高煤阶煤(PowderRiverBasin煤)的约200MW发电机组的烟道气中。在所有情况下，将组合物注入空气加热器单元的上游，使用冷侧静电沉降器提取该组合物。在组合物注入之前CEMS测量了汞，并且也在烟囱中测量组合物的汞移除效率。
图5是汞排放速率作为吸附剂注入速率的函数的图，如图5中所示，样品B以相较于对比样品C少约33％的吸附剂使用量达到了对于高煤阶煤的USEPA达标限制(compliancelimit)(1.2lbsHg/Tbtu)，样品A以相较于对比样品C少约60％的吸附剂使用量的注入速率达到了达标限制。换言之，对比样品C需要大概约双倍多的样品A的注入量来达到汞的达标限制。此外，样品A和B的汞排放速率趋势线在1.2lbsHg/Tbtu的达标限制处的斜率分别为约-1.7和约-0.7，这比对比样品C的斜率分别陡斜超过约2.5倍和2倍。因此，相较于相当的加入量的样品C，加入量的本发明的物质的多官能组合物的注入最终捕获了更多的汞，并且使得该机构可以捕获的汞多于法规限制所要求的汞。
实施例2
实施例2说明了相较于典型的吸附剂组合物，在燃烧低煤阶煤的燃煤发电厂中本申请所述的物质的多官能组合物的样品移除汞的能力。
在该实施例2中的物质的多官能组合物的样品与实施例1中所述的样品A相同。
在该实施例2中的现有技术吸附剂材料(对比样品D)是称为PremiumPlus(ADACarbonSolutions,LLC,Littleton,CO)的吸附剂组合物。对比样品D的中值粒度为约25微米，固定炭含量为约50wt.％，自然矿物含量为约40wt.％，介孔体积加上微孔体积之和为约0.25cc/g，总介孔体积为约0.12cc/g，总微孔体积为约0.13cc/g。对比样品D包括约5.5wt.％的溴化物盐。
将这些组合物中的每一个注入到来自燃烧低煤阶煤(NorthDakota褐煤)的约600MW发电机组的烟道气中。在各情况中，将组合物注入空气加热器单元的上游，使用冷侧静电沉降器提取该组合物。在组合物注入之前CEMS测量了汞，并且也在烟囱中测量组合物的汞移除效率。
图6是汞排放速率作为吸附剂注入的函数的图，如图6中所示，样品A以比对比样品D少超过约60％的所注入的吸附剂达到了对于燃烧低煤阶煤的燃煤发电厂的USEPAMATS达标限制(4lbsHg/Tbtu)。换言之，对比样品D需要大概约双倍多的样品A的量来达到汞的达标限制。此外，样品A的趋势线在达标限制处的斜率为约-8，这比对比样品D的斜率陡斜超过约2倍。因此，相较于相当的加入量的目前可用的吸附剂，在达标限制的情况下加入量的本发明的物质的多官能组合物的注入最终捕获了更多的汞，并且使得该机构可以捕获的汞多于法规限制所要求的汞。
实施例3
实施例3说明了本申请所述的物质的多官能组合物用于生产混凝土的潜能。对照两个对比样品(对比样品E和对比样品F)和不含吸附剂或物质的多官能组合物的基线，测试了物质的多官能组合物的样品(样品A)。在实施例1中描述了样品A。对比样品E和F是两种可商购的活性炭产品。对比样品E的中值粒度为约25微米，固定炭含量为约68wt.％，矿物含量为约19wt.％，介孔体积加上微孔体积之和为约0.4cc/g，总介孔体积为约0.25cc/g，总微孔体积为约0.14cc/g。对比样品F的中值粒度为约18微米，固定炭含量为约72wt.％，矿物含量为约23wt.％，介孔体积加上微孔体积之和为约0.13cc/g，总介孔体积为约0.02cc/g，总微孔体积为约0.11cc/g。
本申请所使用的泡沫体稳定时间是直至初始的泡沫体稳定且不再需要添加加气剂来保持稳定的时间量。对各前述样品测试混凝土混合物的泡沫体稳定时间。为了进行泡沫体稳定性测试，将约0.04克的各样品与约3.96克的飞灰、约16克的波特兰水泥和50mL水混合。基线样品含有约4克的飞灰、16克的波特兰水泥和50mL水。将加气剂添加到混合物中，直至在上表面上形成泡沫体的稳定层(时间＝0)。在10至30分钟的时间间隔检查该混合物，以检验是否该泡沫体保持稳定(即，在指定的持续时间之后泡沫体泡孔保留)。如果泡沫体已不稳定，则加入更多的加气剂直至泡沫体重新稳定。该测试是由W.R.Grace&Co.的V.H.Dodson最先开发的泡沫体指数测试(见V.H.Dodson,FoamIndexTest,ConcreteAdmixtures,StructuralEngineeringSeries,VanNostrandReinhold,NewYork,pp140-143(1990))的变型。
如图7中所示，对比样品F非常类似于基线样品。样品A在约10分钟至30分钟之内显示出稳定。对比样品E甚至在120分钟之后仍没有稳定。
尽管对比样品F表现出快速的稳定化，但是认为这很大程度上是由于在吸附剂材料中缺少介孔和微孔。因此，认为对比样品F尽管对飞灰用作水泥替代物的能力没有显著不利的影响，但是不能有效快速地从烟道气流中除汞，因此，充其量，将需要非常大量的该吸附剂组合物注入到烟道气流中来满足可适用的汞消除法规。相反地，样品A既显示出快速有效地移除和隔离汞的能力，还显示出对飞灰用作水泥替代物的能力没有显著不利的影响。考虑到达到稳定泡沫体所需的时间，含有对比样品E的飞灰不能有效地用作水泥替代物。
尽管已详细描述了本发明的多种实施方式，但是显而易见的是，那些本领域技术人员将想到那些实施方式的变型和修改。然而，应明确理解的是这些变型和修改是在本发明的实质和范围之内的。

Claims (56)

1.物质的多官能组合物，其包含至少约20wt.％且不多于约75wt.％的固定炭、至少约20wt.％且不多于约50wt.％的矿物、至少约1wt.％且不多于约15wt.％的卤素、和至少约3wt.％且不多于约12wt.％的基于水的增溶介质，其中
所述物质的多官能组合物的中值粒度不大于约15微米；
所述物质的多官能组合物的微孔体积加上介孔体积的总和为至少约0.2cc/g；和
微孔体积与介孔体积的比例为至少约0.7且不大于约1.5。
2.权利要求1所述的物质的多官能组合物，当在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入所述物质的组合物时，所述物质的组合物将以比在相当的操作条件下的对比样品C小至少约30％的组合物注入速率(以lbs/MMacf计)得到小于1.2lbs/Tbtu的汞排放。
3.权利要求1所述的物质的多官能组合物，当在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入所述物质的组合物时，所述物质的组合物将以比在相当的操作条件下的对比样品C小至少约60％的组合物注入速率(以lbs/MMacf计)得到小于1.2lbs/Tbtu的汞排放。
4.权利要求1所述的物质的多官能组合物，当在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入所述物质的组合物并且将汞排放速率(lbHg/Tbtu)作为组合物注入速率(lbs/MMacf)的函数进行作图时，具有最高R2值的趋势线在1.2lbsHg/Tbtu处的斜率小于约-0.6。
5.权利要求1所述的物质的多官能组合物，当在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入所述物质的组合物并且将汞排放速率(lbHg/Tbtu)作为组合物注入速率(lbs/MMacf)的函数进行作图时，具有最高R2值的趋势线在1.2lbsHg/Tbtu处的斜率小于约-1.5。
6.权利要求1所述的物质的多官能组合物，当在燃烧低煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入所述物质的组合物时，所述物质的组合物将以比在相当的操作条件下的对比样品D小至少约50％的组合物注入速率(以lbs/MMacf计)得到小于4.0lbs/Tbtu的汞排放。
7.权利要求1所述的物质的多官能组合物，当在燃烧低煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入所述物质的组合物并且将汞排放速率(lbHg/Tbtu)作为组合物注入速率(lbs/MMacf)的函数进行作图时，具有最高R2值的趋势线在4.0lbsHg/Tbtu处的斜率小于约-8。
8.权利要求1的物质的多官能组合物，其中当在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂注入所述物质的多官能组合物时，所述物质的多官能组合物将以比在相当的操作条件下的对比样品C小至少约30％的组合物注入速率(以lbs/MMacf计)得到小于1.2lbs/Tbtu的汞排放，其中所述对比样品C是称作Premium的吸附剂组合物。
9.权利要求1的物质的多官能组合物，其中当在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂注入所述物质的多官能组合物时，所述物质的多官能组合物将以比在相当的操作条件下的对比样品C小至少约60％的组合物注入速率(以lbs/MMacf计)得到小于1.2lbs/Tbtu的汞排放，其中所述对比样品C是称作Premium的吸附剂组合物。
10.权利要求1的物质的多官能组合物，其中当在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入所述物质的多官能组合物并且将汞排放速率(lbHg/Tbtu)作为组合物注入速率(以lbs/MMacf计)的函数进行作图时，具有最高R2值的曲线在1.2lbsHg/Tbtu处的斜率小于约-0.6。
11.权利要求1的物质的多官能组合物，其中当在燃烧高煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入所述物质的多官能组合物并且将汞排放速率(lbHg/Tbtu)作为组合物注入速率(以lbs/MMacf计)的函数进行作图时，具有最高R2值的曲线在1.2lbsHg/Tbtu处的斜率小于约-1.5。
12.权利要求1的物质的多官能组合物，其中当在燃烧低煤阶煤的燃煤发电厂注入所述物质的多官能组合物时，所述物质的多官能组合物将以比在相当的操作条件下的对比样品D小至少约40％的组合物注入速率(以lbs/MMacf计)得到小于4.0lbs/Tbtu的汞排放，其中所述对比样品D是称作PremiumPlus的吸附剂组合物。
13.权利要求1的物质的多官能组合物，其中当在燃烧低煤阶煤的燃煤发电厂注入所述物质的多官能组合物时，所述物质的多官能组合物将以比在相当的操作条件下的对比样品D小至少约50％的组合物注入速率(以lbs/MMacf计)得到小于4.0lbs/Tbtu的汞排放，其中所述对比样品D是称作PremiumPlus的吸附剂组合物。
14.权利要求1的物质的多官能组合物，其中当在燃烧低煤阶煤的燃煤发电厂在β测试中注入所述物质的多官能组合物并且将汞排放速率(lbHg/Tbtu)作为组合物注入速率(lbs物质/MMacf)的函数进行作图时，具有最高R2值的趋势线在4.0lbsHg/Tbtu处的斜率小于约-8。
15.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述矿物源自用于制造所述物质的多官能组合物的原料。
16.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述矿物选自含钙矿物、含钾矿物、含铁矿物、含硅矿物、含硅酸盐矿物、含钠矿物、含锡矿物、含锌矿物、含镁矿物、含硅铝酸盐矿物，及其组合。
17.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述矿物包括氧化物矿物。
18.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述矿物包括至少1wt.％的含铁矿物。
19.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物包括至少约3wt.％且不多于约8wt.％的基于水的增溶介质。
20.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的中值粒度不大于约12微米。
21.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的中值粒度为至少约5微米。
22.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的哈氏可磨性系数为至少约90。
23.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的哈氏可磨性系数为至少约100。
24.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的汞颗粒密度为至少约0.5g/cc且不大于约0.9g/cc。
25.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的包封颗粒密度为至少约0.3g/mL且不大于约1.5g/mL。
26.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的包封颗粒密度为至少约0.5g/cc且不大于约1.0g/cc。
27.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的微孔体积加上介孔体积的总和为至少约0.25cc/g。
28.权利要求1的物质的多官能组合物，其中：
所述物质的多官能组合物的介孔体积为至少约0.10cc/g且不大于约0.15cc/g；
所述物质的多官能组合物的微孔体积为至少约0.10cc/g且不大于约0.15cc/g；和
微孔体积与介孔体积的比例大于约0.9且小于约1.5。
29.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的pH大于约8且不大于约12。
30.权利要求1的物质的多官能组合物，其中当通过扫描电子显微镜和能量色散谱仪以12,000倍的放大率在至少20微米×10微米的图像面积中分析所述物质的多官能组合物时，归属于卤素的像素显示的平均宽度为至少约0.05微米且不大于约2微米，其中归属于卤素的总像素面积占总图像面积的至少约10％。
31.权利要求1的物质的多官能组合物，其中当通过扫描电子显微镜和能量色散谱仪以12,000倍的放大率在至少20微米×15微米的图像面积中分析所述物质的组合物时，在任何10微米×10微米的扫描面积中，归属于卤素的像素出现在至少20％的像素面积中。
32.权利要求1的物质的多官能组合物，其中这时所述卤素呈卤化物盐的形式。
33.权利要求1的物质的多官能组合物，其中这时所述卤素呈溴化物盐的形式。
34.权利要求1的物质的多官能组合物，其中在泡沫体稳定性测试期间，所述物质的多官能组合物吸附不多于约800份的加气剂每一百万份所述物质的组合物，基于质量。
35.权利要求1的物质的多官能组合物，其中在泡沫体稳定性测试期间，所述物质的多官能组合物吸附不多于约750份的加气剂每一百万份所述物质的组合物，基于质量。
36.权利要求1的物质的多官能组合物，其中当泡沫体在稳定状态时，在泡沫体稳定性测试期间，所述物质的多官能组合物吸附不多于约3mg的加气剂每1g的在所述物质的多官能组合物中的固定炭。
37.权利要求1的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物适合于与包括加气剂和水的水泥组合物共混，以形成水泥共混物，其中所述水泥共混物的泡沫体稳定时间不多于约30分钟。
38.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述矿物源自用于生产所述物质的多官能组合物的原料。
39.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述矿物选自含钙矿物、含钾矿物、含铁矿物、含硅矿物、含硅酸盐矿物、含钠矿物、含锡矿物、含锌矿物、含镁矿物、含硅铝酸盐矿物，及其组合。
40.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述矿物包括氧化物矿物。
41.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述矿物包括至少1wt.％的含铁矿物。
42.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物包括至少约3wt.％且不多于约8wt.％的基于水的增溶介质。
43.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的中值粒度不大于约12微米。
44.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的中值粒度为至少约5微米。
45.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的哈氏可磨性系数为至少约90。
46.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的哈氏可磨性系数为至少约100。
47.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的汞颗粒密度为至少约0.5g/cc且不大于约0.9g/cc。
48.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的包封颗粒密度为至少约0.3g/mL且不大于约1.5g/mL。
49.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的包封颗粒密度为至少约0.5g/cc且不大于约1.0g/cc。
50.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的微孔体积加上介孔体积的总和为至少约0.25cc/g。
51.权利要求34的物质的多官能组合物，其中：
所述物质的多官能组合物的介孔体积为至少约0.10cc/g且不大于约0.15cc/g；
所述物质的多官能组合物的微孔体积为至少约0.10cc/g且不大于约0.15cc/g；和
微孔体积与介孔体积的比例大于约0.9且小于约1.5。
52.权利要求34的物质的多官能组合物，其中所述物质的多官能组合物的pH大于约8且小于约12。
53.权利要求34的物质的多官能组合物，其中当通过扫描电子显微镜和能量色散谱仪以12,000倍的放大率在至少20微米×10微米的图像面积中分析所述物质的多官能组合物时，归属于卤素的像素显示的平均宽度为至少约0.05微米且不大于约2微米，其中归属于卤素的总像素面积占总图像面积的至少约10％。
54.权利要求34的物质的多官能组合物，其中当通过扫描电子显微镜和能量色散谱仪以12,000倍的放大率在至少20微米×15微米的图像面积中分析所述物质的组合物时，在任何10微米×10微米的扫描面积中，归属于卤素的像素出现在至少20％的像素面积中。
55.权利要求34的物质的多官能组合物，其中这时所述卤素呈卤化物盐的形式。
56.权利要求34的物质的多官能组合物，其中这时所述卤素呈溴化物盐的形式。
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