煤燃烧过程中伴随着大量有害重金属的排放,随着燃煤电厂污染物排放标准的日益提高,发展燃煤电厂重金属排放控制手段势在必行。燃煤电厂是大气铅的主要来源之一,对于半挥发性重金属铅,煤的矿物组分是影响铅元素迁移挥发的重要因素。目前,高温环境下矿物对铅的迁移规律的影响机制及定向除铅吸附剂的制备方法有待深入研究。针对以上问题,本文基于管式炉系统研究了重金属铅在燃煤过程中的赋存形态变化规律及原煤矿物组分对铅的捕集作用和吸附机制,根据铅的富集特性制备出高效除铅吸附剂。本文选用巩义无烟煤、大同烟煤及昭通褐煤三种典型煤炭,探究了不同煤阶和矿物组分的煤燃烧过程中铅的释放规律。低阶煤具有更高比例的有机结合铅,低温燃烧更易释放,煤中最主要的铅形态是硫化物结合态铅,在800℃~1000℃转化为气态氧化铅。无烟煤、烟煤和褐煤在700℃~1200℃燃烧过程中,SiO₂、Al₂O₃和CaO等矿物组分均能降低铅的挥发率,四种矿物组分对铅的捕集能力大小为:SiO₂2O₃2O₃。矿物的捕集效率随着燃烧温度的升高先升高后逐渐降低,Fe₂O₃在1000℃几乎完全丧失捕集能力。煤燃烧过程伴随着煤中固有矿物的分解和转化,固有矿物对燃煤释放出的铅具有一定捕集效果。将煤粉与氧化铅粉末混燃发现,无烟煤在1100℃以下呈现出铅的低挥发率是因为其固有矿物莫来石(Al₆Si₂O₁₃)吸附氧化铅,吸附产物为硅铝酸铅(Pb(Al₂Si₂O₈)),褐煤则是同时通过化学吸附和物理吸附捕集铅,烟煤中的固有矿物以赤铁矿为主,高温下几乎没有对铅的固留效果。为探究煤燃烧过程中矿物组分对铅的吸附反应机理,通过差示扫描量热仪获得了SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃对PbO的吸附机制。SiO₂、Al₂O₃、CaO均能提高PbO的初始失重温度,而Fe₂O₃则使PbO提前挥发。SiO₂、CaO、Fe₂O₃通过化学反应吸附固定PbO,主要反应产物为Pb Si O₃、Ca₂PbO₄、Pb Fe₁₂O₁₉,Al₂O₃则是发生较强的物理吸附固定PbO。SiO₂和Al₂O₃单独作用吸附PbO时效率最高,两者同时参与反应会显著提高捕集效率。利用密度泛函理论对矿物表面吸附氧化铅进行了研究,SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃的吸附主要发生于金属原子上,金属原子对PbO的吸附能高于氧原子对PbO的吸附能,吸附能大小顺序为:SiO₂>Fe₂O₃>Al₂O₃。CaO的吸附特性与另外三种矿物不同,氧原子对PbO的吸附能大于钙原子对PbO的吸附能。使用热力学平衡计算分析了含氯气氛和含硫气氛对矿物吸附PbO的影响,两种气氛都对吸附产生阻碍效果,含氯气氛使四种矿物丧失对PbO的吸附能力,PbO被氯化为Pb Cl₂,并在500℃时以气态形式挥发。含硫气氛则会影响四种吸附剂低温段的吸附,但由于Pb SO₄不易挥发,因此整体上并不会改变矿物吸附PbO的规律,由于SO₂的竞争吸附作用CaO无法捕集PbO。由于硅铝同时作用下能够最大程度地固定氧化铅,因此选用SiO₂为载体,硝酸铝Al(NO₃)₃和醋酸铝C₉H₉Al O₆为前驱物,制备定向除铅吸附剂。Al(NO₃)₃-SiO₂、C₉H₉Al O₆-SiO₂和高岭土对铅都具有较好的捕集效率,捕集效率都随着温度升高逐渐降低。900℃和1000℃以下,高岭土的捕集效率优于Al(NO₃)₃-SiO₂和C₉H₉Al O₆-SiO₂,温度升至1200℃时,高岭土的捕集效率低于Al(NO₃)₃-SiO₂和C₉H₉Al O₆-SiO₂。高温煅烧使高岭土的比表面积、孔容和孔径全部下降,从片层结构转变为球形结构,细微孔隙消失。煅烧后Al(NO₃)₃-SiO₂表面大块氧化铝分解为小颗粒氧化铝,显著提升表面孔隙的数量,C₉H₉Al O₆-SiO₂表面则是从原有的致密平坦表面发展出大量新的孔洞,拥有更大的平均孔容。利用量子化学对硅铝吸附剂进行建模和计算,结果表明硅铝吸附剂表面的Si top位、O top位和空位对PbO分子都具有极高的吸附能,吸附能显著高于SiO₂和Al₂O₃单独吸附PbO的吸附能。