[发明专利]磁性吸附剂、用于制备磁性吸附剂的方法和从流体流中除去污染物的方法

说明书

背景技术

在目前被EPA管控的众多有害的空气污染物(hazardous air pollutant，HAP)中，汞和含汞化合物由于升高的释放率和缺少适当的控制技术而成为重点关注源。尽管在环境中的产生量通常较低，但是汞可转移到多种生物体中，然后通过食物链放大。例如，在一些鱼中，累积的汞浓度可达到比水中高几百万倍的水平。人们消费这些鱼，致使汞在多种组织中积累，可造成严重的神经和发育影响，例如丧失感觉或认知能力、震颤、无法行走、惊厥乃至死亡。甲基汞是最常见形式的有机汞，其几乎完全被吸收到血流中，并且可通过胎盘转移到胎儿的所有组织中，包括脑中。由于与食用受汞污染的鱼有关的健康关注，一些地区如美国五大湖的禁止捕鱼已造成了相当大的经济损失。

EPA估计近87％的人为汞排放来自来源例如废物(如在废物转能设备中)和化石燃料的燃烧(如在燃煤发电场中)。认识到这一点，已经使用控制技术来试图捕获和处理存在于燃烧废气中的汞。目前，将粉状活性炭(Powdered Activated Carbon，PAC)注入到烟道气流中被证明是用于汞除去的最好的控制技术。当基于Mercury and Air Toxics Standards的用于汞除去的法规于2015年实施时，据Freedonia估计，对用于捕获汞的粉状活性炭的需求预期将达到约260,000吨每年。增加的实施将对受管控的设施造成很大的经济负担。目前，已表明溴化活性炭具有最高的每磅产品汞除去率。但是，这些产品具有更高的边际成本(cost margin)，因此将增加经济影响，并且可能对工厂设备造成腐蚀。此外，PAC通常低的汞吸附效率和缺少适当的再生技术已经激起了改进材料以降低成本或提高性能的兴趣。

使用PCA注入系统的另一个缺点是废PAC在粉煤灰中的积累。粉煤灰，煤燃烧副产品(Coal Combustion Byproduct，CCB)(即，不燃性无机物和未燃的碳)的细小颗粒部分，被从烟道气中收集，然后通常被出售，用于在混凝土和其他材料的生产中有益地再利用。用粉煤灰代替建筑材料中通常使用的石灰、水泥或碎石材料可节约能源和资源，同时提供了对废物的填埋处理的替代选择。但是，当通常的粉煤灰收集设备与PAC注入系统结合时，由于灰中很大部分的碳，使收集的粉煤灰的质量下降。这种粉煤灰不能再次出售用于有益地再利用，而必须填埋。对于分离技术的最新研究还没有发现从粉煤灰中分离PAC的合适方法。因此，期望可容易地从粉煤灰中分离PAC的方法。这样的方法将(a)保持用于随后出售和再利用的粉煤灰的质量，以及(b)允许将PAC再次用于另外的汞捕获。

美国专利No.7,879,136教导了一种通过借助湿式沉淀法产生的磁性活性炭来从粉煤灰中回收PAC的方法。该方法与美国专利2,479,930、6,914,034和8,097,185B2类似，后者也教导了使用铁前体制备磁性活性炭的方法。另外一些文献如下产生磁性吸附剂：使用粘合剂使吸附剂与磁性材料组合(美国专利No.7,429,330)，将吸附剂与磁性材料混合(美国专利No.4,260,523)或将磁性材料与有机材料混合然后活化(美国专利4,260,523、4,201,831和7,429,330)。

尽管所参考专利描述的方法均能很好地用于实验室规模的应用，但是其也对全规模生产带来了挑战，包括但不限于高能源成本。因此，干式生产方法是磁性活性炭技术转向全规模的关键。美国专利No.8,057,576(“′576专利”)已经教导了使用物理方法来产生用于汞捕获的共混产品。该产品是吸附材料和与汞形成络合物或使汞氧化或二者皆有的添加剂的混合物。所述添加剂不是植入到吸附剂表面上。

这一点通过以下事实来凸显，该专利的一个实施方案教导将吸附剂和添加剂分别注入到烟道气中。′576专利的发明不包括磁性添加剂，因此产品不能通过磁性从粉煤灰中回收。

发明内容

通过借助干式生产方法将磁性添加剂物理地植入到吸附剂上，可大规模地产生用于汞捕获之吸附剂的成本效益的方法。

本文公开了制备磁性吸附剂的方法，使用磁性吸附剂从流体流中除去污染物的方法以及使用后磁性吸附剂的回收。

更具体地，提供了磁性吸附剂，其具有用于从煤燃烧设备的烟道气中捕获汞的足够的氧化力、亲和力和表面积。该材料还可用于捕获其他目标污染物，例如砷和硒。然后可将所述磁性吸附剂从煤燃烧粉煤灰中回收，并且再注入到烟道气中用于另外的汞捕获。