[发明专利]一种改性碳纳米管材料、用于吸附气态元素汞的方法及其再生方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改性碳纳米管材料及利用其去除气态元素汞的方法和再生方法，尤其涉及一种硒修饰碳纳米管材料及利用其吸附气态元素汞的方法和再生方法，属环境污染控制技术领域。

背景技术

汞是一种毒性很强的重金属元素，在地球化学循环过程中还可以被生物甲基化生成更毒的有机汞化合物，其中甲基汞被认为是目前已知的最毒化合物之一，具有神经毒性和遗传毒性，并可以通过母体危害婴幼儿的健康。汞在自然界中不能被降解而完全消除，只能从一种存在状态转移到另外一种存在状态，在不同介质中进行迁移。大气是全球汞污染的重要传输通道，在汞污染过程和汞的生物地球化学循环过程中发挥极其重要的作用。大气中的汞主要是以气态元素汞（Hg⁰）的形式存在。气态元素汞具有较低的水溶性和干沉降速率，在大气中可以滞留0.5-2年，并可以跨区域甚至随大气环流在全球范围内进行迁移，危害范围极大，是全世界共同关注的污染物。大气中汞的污染来源主要包括天然来源和人为来源两个主要途径。天然来源包括火山喷发、岩石风化和森林大火等地质活动或自然灾害。人为来源主要包括化石燃料燃烧、工业生产过程和部分含汞产品的使用和处置。燃煤和垃圾焚烧是大气汞最主要的人为排放源；除此之外，一些含汞产品的生产、使用和处置过程也会引起大气汞污染。这些产品主要包括荧光灯、体温计和血压计等日常用品或专业设备。据估计，过去100年当中，约有20万吨的汞被释放进入大气，其中目前还有3500吨的汞仍然滞留在大气中。

因为大气汞排放的最主要污染源是燃煤烟气和工业废气，近年来，有关气态元素汞的污染控制技术研究主要集中在对燃煤烟气中汞的脱除和对含汞废气的净化方面，而针对室内空气或大气中气态元素汞的脱出研究较少。随着含汞产品产销数量的增加以及历史沉淀增多，在其生产、销售、使用和处置等各环节可能出现的气态汞污染问题也越来越受到重视，并逐步成为了一个亟待解决的环境问题。烟气和废气中汞控制技术主要包括吸附法、化学氧化法、催化氧化法、冷凝法、气相反应法和电子射线法等。其中吸附法是研究和应用最多、最有效的方法。由于燃煤烟气和工业废气的流量通常很大，吸附剂常采用喷洒的方式注入，吸附剂用量很大。为了节省成本，所选用的吸附剂主要是一些廉价的吸附材料。常用的吸附剂有飞灰、活性炭、钙基和矿石类吸附剂等。活性碳由于具有大的比表面积和强吸附能力，是最常用的气态汞吸附剂。但是，未经处理的活性碳吸附气态元素汞的效率低，容量小，很难满足实际需要。为了提高活性碳的吸附能力，近年来，提出了一系列改性活性碳作为吸附材料。这些改性吸附材料主要是通过将一些与汞具有较强亲和能力的金属元素或卤素元素及其化合物负载到活性碳上以提高其对气态元素汞的吸附能力和选择性，如氯改性活性碳、碘改性活性碳、金改性活性碳和银改性活性碳等。此外，还有硫改性活性碳等等。

改性后的活性碳对气态元素汞的吸附能力虽然有了一定的提高，但其吸附选择性、吸附效率、吸附容量和有效吸附活性保持时间等方面还有待改善。因此，在实际应用过程中仍需要很大的投加量，导致处理过程产生大量含汞固体废弃物，处置难度高，二次污染风险较大。另外，用于改性的部分元素本身就具有一定的毒性或腐蚀性，容易对设备或操作人员造成损害或毒害。此外，目前研究或使用的大多数吸附剂很难再生和重复使用。总之，现有吸附剂和控制方法绝大部分是针对工业烟气或废气而研究开发的，不太适合作为室内空气或大气中气态元素汞的吸附脱除，也不适合对处理过程进行设备化和自动化。研究开发一种选择性高、吸附效率高、吸附容量大并且可以再生利用的气态元素汞吸附剂是解决上述问题的有效途径。因此，有必要开发新型有效的气态元素汞吸附材料。

    碳纳米管具有独特的管状纳米结构、很大的表面积和纵横比、很强的表面结合能与不饱和性，易与其他原子和离子结合，结构牢固，性质稳定，是一种理想的新型吸附材料。此外，碳纳米管管径分布均匀，密度小，质地膨松，具有非常良好的透气性。在吸附去除气体污染物方面具有潜在的应用价值。如上所述，硫元素已经被成功应用于气态元素汞吸附材料的改性，而与硫同属氧族元素的硒对汞也具有很强的亲和能力。研究表明，纳米尺度的硒对气态元素汞表现出了非常优越的吸附性能。但是，目前还没有有关硒改性吸附材料吸附脱除气态元素汞的报道。硒作为一种公认的营养元素，经过硒改性的吸附剂本身不会存在污染和毒性风险。通过硒对碳纳米管材料进行改性，借助碳纳米管材料的纳米结构框架和强吸附性能，组合硒对汞很强的亲和能力将有望开发一种新型有效的气态元素汞吸附材料。

发明内容