CN110201628A - 一种可脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼，包括掺杂物质以及氮化硼制备时所需的三聚氰胺、硼酸原料，该组分按照摩尔比分为掺杂物：0.1‑1mol，三聚氰胺：1‑5mol，硼酸：1‑5mol。同时还提供了该掺杂氮化硼的其制备方法。该方法在基于两步法制备多孔氮化硼的基础上在第一步前驱体制备时引入掺杂物质，制备出高比表面积，高孔隙率的多孔氮化硼材料，并且根据掺杂物质的不同对于高温烟气中的重金属具有不同的吸附选择性，具有优于非掺杂多孔氮化硼对于高温烟气中重金属的吸附能力。

Description

一种可脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼及其制备方法
技术领域
本发明提供了一种可脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼，以及提供了该掺杂氮化硼的其制备方法。
背景技术
随着中国城市现代化的发展，我国的污水处理量逐年上升，污泥作为污水处理的副产物也随之增加。据统计，2018年我国污泥年产量约4000万吨(按含水率80％计)，且处理率不足30％。我国污泥中的重金属含量较高，一些相对突出的重金属如Zn可以达到几千ppm，均值可达到1450mg/kg。焚烧作为一种“减量化、无害化、资源化”效果最好的一种污泥处置的技术方式，在世界范围内发展迅速。我国环保部出台的《城镇污水处理厂污泥处理处置污染防治最佳可行技术指南(试行)》(2010年)中也明确把污泥焚烧作为我国污泥处理处置最佳可行技术之一。但是，在污泥焚烧过程中污泥中所含有的重金属元素也会迁移转化而富集在飞灰颗粒上或直接以气态析出从而危害我们的生存环境。因此。对焚烧烟气中的重金属进行有效脱除和控制是具有环保意义的重要举措。
目前在焚烧烟气的脱除和控制方面有很多方法。例如CN105879852A利用粉煤灰颗粒表面光滑，用酸氧化后表面较为粗糙，增大了比表面积，再经锰和铁掺杂后，团聚在其表面，对汞具有良好的催化性能，能将汞氧化并且牢牢吸附在粉煤灰表面，并且自身也会再次氧化，使吸附剂的活性保持稳定，继续发挥吸附作用。但是粉煤灰中本身就具有一定的金属元素，对高温烟气中重金属的吸附存在交互影响和吸附干扰。又如CN105148657A通过在活性炭吸附塔内采用若干活性炭填料层，使烟气通活性炭填料层，延长接触时间，增大接触面积，有效地去除烟气中的二恶英、重金属等有害物质，但是为了延长设备的使用寿命在喷淋塔后面加设烟气平衡塔，对经过碱洗的烟气进一步水洗，使烟气平衡至中性，减小了烟气对设备的腐蚀力。但是引入的水洗产生的废水需要再次进行处理，增加了一定的生产成本。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼的制备方法，该方法在基于两步法制备多孔氮化硼的基础上在第一步前驱体制备时引入掺杂物质，制备出高比表面积，高孔隙率的多孔氮化硼材料，并且根据掺杂物质的不同对于高温烟气中的重金属具有不同的吸附选择性，具有优于非掺杂多孔氮化硼对于高温烟气中重金属的吸附能力。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
一种可脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼，包括掺杂物质以及氮化硼制备时所需的三聚氰胺、硼酸原料，该组分按照摩尔比分为掺杂物：0.1--1mol，三聚氰胺：1--5mol，硼酸：1--5mol。
进一步地，掺杂物为0.2mol，三聚氰胺为1mol，硼酸为2mol，
进一步地，该掺杂物为磷或者硫。
根据本发明的另一方面还提供了一种脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼的制备方法，包括如下步骤，
步骤(1)：称取一定量上述组分配比的掺杂物、三聚氰胺和硼酸均匀混合并溶于水，然后将其放入恒温摇床中震荡使其溶解并保温8小时；
步骤(2)：将步骤(1)中配置的溶液停止震荡通过缓慢降温的方式降温至 20-30℃，有絮状物产生，抽滤后得到固体沉淀物；将得到的固体沉淀物通过冷冻干燥方式干燥24小时，得到实验需要的干燥掺杂前驱体；将得到的前驱体利用玛瑙研钵研磨，得到粉末状前驱体；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的粉末状前驱体在保护气氛的高温制备4-8h，然后在保护气氛下降温至室温，最终得到粉末状掺杂氮化硼材料；
步骤(4)：通过喷射装置将步骤(3)中得到的粉末状掺杂氮化硼材料喷射入高温烟气管道内，利用布袋除尘器将吸附后的掺杂氮化硼材料进行收集；
步骤(5)：将步骤(4)收集的掺杂氮化硼反复加入HNO3溶液，对收集的掺杂氮化硼进行清洗，直到清洗后的HNO3溶液不再浑浊；
步骤(6)：将步骤(5)中清澈的HNO3溶液中缓慢加入NaOH溶液，中和 HNO3溶液，使溶液最终的pH范围在7-7.5之间；再将得到的溶液放入到离心机中，对清洗后的高温烟气吸附剂进行沉淀；
步骤(7)：将上述步骤的溶液去除，将留下的掺杂氮化硼放入烘箱中烘干，进行循环使用。
进一步地，步骤(1)中恒温摇床温度设置为85℃。
进一步地，在步骤(3)中保护气氛为氮气，保护气氛流量控制在200ml/min，制备温度为1050℃。
进一步地，在步骤(6)中，离心机的转速为2500r/min，持续时间为5min。
进一步地，在步骤(7)中，掺杂氮化硼在烘箱中烘烤时，烘箱的温度为105℃，烘烤的时间为24h。
本发明的有优点是：
本发明利用在制备氮化硼前驱体时添加掺杂物质的方式在源头上对氮化硼材料进行掺杂活化，将氮化硼自身的空间极性和离子键的效应进一步增强，将化学吸附位点进一步增加提高其吸附能力和吸附选择性。
本发明的制备方法简单，操作容易，产率高，制备的掺杂六方氮化硼材料为耐高温的非炭基吸附剂，可以在高温下使用，吸附后化学性能稳定，被吸附的重金属不会发生脱附现象。
本发明通过掺杂后的氮化硼吸附剂具有较高吸附能力，同时再生性能强，在实验室下测得循环使用10次后仍保持原有吸附量的70％以上。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种可脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼，包括掺杂物质以及氮化硼制备时所需的三聚氰胺、硼酸原料，该组分按照摩尔比分为：
掺杂物：0.1-1mol，三聚氰胺：1-5mol，硼酸：1-5mol。
作为方案的改进，掺杂物为0.2mol，三聚氰胺为1mol，硼酸为2mol。
其中该掺杂物为磷或者硫。具体实施方式如下：
实施例1：磷掺杂多孔氮化硼制备，
(1)将12.6g三聚氰胺和12.4g硼酸以及掺杂物磷0.62g加入到500ml的去离子水中，充分搅拌使三种原料在水中分布均匀，将其放置在恒温摇床中，在85℃下恒温震荡并保温8小时；
(2)将步骤(1)中配置的溶液停止震荡通过缓慢降温的方式降温至20-30℃，有絮状物产生，抽滤后得到磷掺杂氮化硼前驱体；
(3)将步骤(2)中得到的磷掺杂氮化硼前驱体通过冷冻干燥方式干燥24 小时，得到实验需要的干燥磷掺杂氮化硼前驱体；
(4)将步骤(3)中得到的干燥磷掺杂氮化硼前驱体利用玛瑙研钵研磨，得到粉末状磷掺杂氮化硼前驱体；
(5)将步骤(4)中得到的粉末状磷掺杂氮化硼前驱体在氮气气氛下高温制备5h，然后在氮气气氛下降温至室温，最终得到粉末状磷掺杂氮化硼材料。
(6)通过喷射装置将步骤(5)中得到的粉末状磷掺杂氮化硼材料喷射入高温烟气管道内；
(7)利用布袋除尘器将吸附后的磷掺杂氮化硼材料进行收集；
(8)将步骤(7)收集的磷掺杂氮化硼加入HNO3溶液，对收集的磷掺杂氮化硼进行清洗，然后将清洗后变的浑浊的HNO3溶液倒出，再加入新的 HNO3溶液继续进行清洗，直到清洗后的HNO3溶液不在浑浊；
(9)将步骤(8)中清澈的HNO3溶液中缓慢加入NaOH溶液，中和HNO3溶液，使溶液最终的pH范围在7-7.5之间；
(10)将步骤(9)中得到的溶液放入到离心机中，对清洗后的磷掺杂氮化硼进行沉淀，离心机的转速为2500r/min，持续时间为5min；
(11)将步骤(10)中的溶液去除，将留下的磷掺杂氮化硼放入烘箱中烘干，进行循环使用，磷掺杂氮化硼在烘箱中烘烤时，烘箱的温度为 105℃，烘烤的时间为24h。
在实验条件下测得的磷掺杂氮化硼对烟气中Zn、Hg的吸附量分别为78.67mg/g、54.56mg/g；将磷掺杂氮化硼重复循环使用10次后对烟气中的Zn、 Hg的吸附量分别为58.37mg/g、40.34mg/g。
实施例(2)：硫掺杂多孔氮化硼制备
(1)将12.6g三聚氰胺和12.4g硼酸以及掺杂物硫0.64g加入到500ml的去离子水中，充分搅拌使三种原料在水中分布均匀，将其放置在恒温摇床中，在85℃下恒温震荡并保温8小时；
(2)将步骤(1)中配置的溶液停止震荡通过缓慢降温的方式降温至20-30℃，
有絮状物产生，抽滤后得到硫掺杂氮化硼前驱体；
(3)将步骤(2)中得到的硫掺杂氮化硼前驱体通过冷冻干燥方式干燥24 小时，得到实验需要的干燥硫掺杂氮化硼前驱体；
(4)将步骤(3)中得到的干燥硫掺杂氮化硼前驱体利用玛瑙研钵研磨，得到粉末状硫掺杂氮化硼前驱体；
(5)将步骤(4)中得到的粉末状硫掺杂氮化硼前驱体在氮气气氛下高温制备5h，然后在氮气气氛下降温至室温，最终得到粉末状硫掺杂氮化硼材料。
(6)通过喷射装置将步骤(5)中得到的粉末状硫掺杂氮化硼材料喷射入高温烟气管道内；
(7)利用布袋除尘器将吸附后的硫掺杂氮化硼材料进行收集；
(8)将步骤(7)收集的硫掺杂氮化硼加入HNO3溶液，对收集的硫掺杂氮化硼进行清洗，然后将清洗后变的浑浊的HNO3溶液倒出，再加入新的 HNO3溶液继续进行清洗，直到清洗后的HNO3溶液不在浑浊；
(9)将步骤(8)中清澈的HNO3溶液中缓慢加入NaOH溶液，中和HNO3溶液，使溶液最终的pH范围在7-7.5之间；
(10)将步骤(9)中得到的溶液放入到离心机中，对清洗后的硫掺杂氮化硼进行沉淀，离心机的转速为2500r/min，持续时间为5min；
(11)将步骤(10)中的溶液去除，将留下的硫掺杂氮化硼放入烘箱中烘干，进行循环使用，硫掺杂氮化硼在烘箱中烘烤时，烘箱的温度为 105℃，烘烤的时间为24h。
在实验条件下测得的硫掺杂氮化硼对烟气中Zn、Hg的吸附量分别为 67.34mg/g、70.96mg/g；将磷掺杂氮化硼重复循环使用10次后对烟气中的Zn、 Hg的吸附量分别为50.45mg/g、51.71mg/g。
比较例：将未掺杂的多孔氮化硼进行对比
(1)将12.6g三聚氰胺和12.4g硼酸加入到500ml的去离子水中，充分搅拌使原料在水中分布均匀，将其放置在恒温摇床中，在85℃下恒温震荡并保温8小时；
(2)将步骤(1)中配置的溶液停止震荡通过缓慢降温的方式降温至20-30℃，有絮状物产生，抽滤后得到多孔氮化硼前驱体；
(3)将步骤(2)中得到的多孔氮化硼前驱体通过冷冻干燥方式干燥24小时，得到实验需要的干燥多孔氮化硼前驱体；
(4)将步骤(3)中得到的干燥多孔氮化硼前驱体利用玛瑙研钵研磨，得到粉末状多孔氮化硼前驱体；
(5)将步骤(4)中得到的粉末状多孔氮化硼前驱体在氮气气氛下高温制备 5h，然后在氮气气氛下降温至室温，最终得到粉末状多孔氮化硼材料。
(6)通过喷射装置将步骤(5)中得到的粉末状多孔氮化硼材料喷射入高温烟气管道内；
(7)利用布袋除尘器将吸附后的多孔氮化硼材料进行收集；
(8)将步骤(7)收集的硫掺杂氮化硼加入HNO3溶液，对收集的多孔氮化硼进行清洗，然后将清洗后变的浑浊的HNO3溶液倒出，再加入新的 HNO3溶液继续进行清洗，直到清洗后的HNO3溶液不在浑浊；
(9)将步骤(8)中清澈的HNO3溶液中缓慢加入NaOH溶液，中和HNO3溶液，使溶液最终的pH范围在7-7.5之间；
(10)将步骤(9)中得到的溶液放入到离心机中，对清洗后的多孔氮化硼进行沉淀，离心机的转速为2500r/min，持续时间为5min；
(11)将步骤(10)中的溶液去除，将留下的多孔氮化硼放入烘箱中烘干，进行循环使用，多孔氮化硼在烘箱中烘烤时，烘箱的温度为105℃，烘烤的时间为24h。
在实验条件下测得未掺杂的多孔氮化硼对烟气中Zn、Hg的吸附量分别为51.64mg/g、43.28mg/g；将磷掺杂氮化硼重复循环使用10次后对烟气中的Zn、 Hg的吸附量分别为37.16mg/g、32.57mg/g。
综合以上实例，经过不同的掺杂物质的掺杂得到的掺杂氮化硼材料对于高温烟气中的重金属的吸附能力与多孔氮化硼的比较可以看出吸附能力有了明显提高。其中对于不同的掺杂物质得到的不同掺杂氮化硼对于不同的重金属具有不同吸附选择性，其中掺杂物质对吸附选择性具有调控能力。
上面对本发明的实施方式做了简要说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种可脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼，其特征在于：包括掺杂物质以及氮化硼制备时所需的三聚氰胺、硼酸原料，该组分按照摩尔比分为：
掺杂物：0.1-1mol，三聚氰胺：1-5mol，硼酸：1-5mol。
2.如权利要求1所述的一种可脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼，其特征在于：掺杂物为0.2mol，三聚氰胺为1mol，硼酸为2mol。
3.如权利要求1所述的一种可脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼，其特征在于：该掺杂物为磷或者硫。
4.一种脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤(1)：称取一定量上述组分配比的掺杂物、三聚氰胺和硼酸均匀混合并溶于水，然后将其放入恒温摇床中震荡使其溶解并保温8小时；
步骤(2)：将步骤(1)中配置的溶液停止震荡通过缓慢降温的方式降温至20-30℃，有絮状物产生，抽滤后得到固体沉淀物；将得到的固体沉淀物通过冷冻干燥方式干燥24小时，得到实验需要的干燥掺杂前驱体；将得到的前驱体利用玛瑙研钵研磨，得到粉末状前驱体；
步骤(3)：将步骤(2)中得到的粉末状前驱体在保护气氛的高温制备4-8h，然后在保护气氛下降温至室温，最终得到粉末状掺杂氮化硼材料；
步骤(4)：通过喷射装置将步骤(3)中得到的粉末状掺杂氮化硼材料喷射入高温烟气管道内，利用布袋除尘器将吸附后的掺杂氮化硼材料进行收集；
步骤(5)：将步骤(4)收集的掺杂氮化硼反复加入HNO3溶液，对收集的掺杂氮化硼进行清洗，直到清洗后的HNO3溶液不再浑浊；
步骤(6)：将步骤(5)中清澈的HNO3溶液中缓慢加入NaOH溶液，中和HNO3溶液，使溶液最终的pH范围在7-7.5之间；再将得到的溶液放入到离心机中，对清洗后的高温烟气吸附剂进行沉淀；
步骤(7)：将上述步骤的溶液去除，将留下的掺杂氮化硼放入烘箱中烘干，进行循环使用。
5.如权利要求4所述的一种脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼的制备方法，其特征在于：步骤(1)中恒温摇床温度设置为85℃。
6.如权利要求4所述的一种脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼的制备方法，其特征在于：在步骤(3)中保护气氛为氮气，保护气氛流量控制在200ml/min，制备温度为1050℃。
7.如权利要求4所述的一种脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼的制备方法，其特征在于：在步骤(6)中，离心机的转速为2500r/min，持续时间为5min。
8.如权利要求4所述的一种脱除高温烟气中重金属的掺杂氮化硼的制备方法，其特征在于：在步骤(7)中，掺杂氮化硼在烘箱中烘烤时，烘箱的温度为105℃，烘烤的时间为24h。
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