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Investigation of the interactions of mercury with oxygen-containing functional groups on the surface of activated carbons

Subject Area Chemical and Thermal Process Engineering
Term from 2019 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 437971415
 
Final Report Year 2024

Final Report Abstract

Ziel dieses Vorhabens war es, den Einfluss unterschiedlicher Heteroatome auf der Oberfläche der Aktivkohle und der Co-Adsorption von Wasser auf die Adsorption von elementarem Quecksilber zu untersuchen. Dabei sollten insbesondere die Adsorptionsmechanismen näher beschrieben und ihre quantitative Bedeutung eingeordnet werden. Hierzu wurden zwei kommerzielle Aktivkohlen, die ausschließlich physisorptive Wechselwirkungen mit elementarem Quecksilber ausbilden, systematisch modifiziert. Nach einer ausführlichen Charakterisierung mittels Elementaranalysen, Boehm-Titrationen, Argon-Isothermen und REM-Messungen wurden Durchbruchskurven und gekoppelte Ad- und Desorptionsexperimente mit TPD durchgeführt. Um den Einfluss von Chlor auf die Adsorption von Quecksilber zu untersuchen, wurden die Aktivkohlen mit 0,2, 0,6 und 1 molarer HCl modifiziert. Elementaranalysen belegten, dass nach der Modifikation ausschließlich oberflächengebundenes Chlor vorhanden ist. Die gekoppelten Ad- und Desorptionsexperimente mit TPD zeigen, dass Quecksilber mit dem vorhandenen Chlor Oberflächenkomplexe ausbildet, wodurch die chemisorptive Kapazität der Aktivkohlen stark erhöht wird. Der Nachweis mehrerer Desorptionspeaks bei unterschiedlichen Desorptionstemperaturen deutet auf verschiedene chemisorptive Mechanismen mit Quecksilber und oberflächengebundenem Chlor hin. Messungen der Konzentration von Hg0 und Hgtotal zeigten, dass bei der Desorption des Quecksilbers von der Oberfläche der modifizierten Aktivkohlen HgCl2 gebildet wird. Ein mechanistischer Vorschlag beschreibt die Umwandlung eines gebundenen HgCl2-Komplexes durch Aufnahme eines Hg-Atoms in einen Hg2Cl2-Komplex bei höheren Quecksilberbeladungen. Durch die Experimente mit einer thermischen Behandlung der Aktivkohlen im Zusammenhang mit den ermittelten Parametern der Chemisorption von Hg0 an oberflächengebundenen Chloratomen konnte gezeigt werden, dass die chemisorptiven Mechanismen bei beiden Ausgangsmaterialien sehr ähnlich sind. Um den Einfluss von Phosphor auf die Adsorption von elementarem Quecksilber zu untersuchen, wurden die beiden Ausgangsmaterialien mit 2 und 10 molarer Phosphorsäure modifiziert. Durch eine Analyse des Phosphorgehaltes der mit H3PO4 modifizierten sowie der mit H3PO4 modifizierten und thermisch behandelten Aktivkohle wurde gezeigt, dass nach der Behandlung mit H3PO4 auf der Oberfläche der Aktivkohle Phosphorsäureester vorhanden sind. Die Ergebnisse der TPD belegen, dass Oberflächenkomplexe aus Quecksilber und Phosphorsäureestern gebildet werden, wodurch die chemisorptive Kapazität der Aktivkohle stark erhöht wird. Auf Grundlage der experimentellen und simulativen Ergebnisse wurde ein chemisorptiver schematischer Mechanismus skizziert. Durch Experimente zur Adsorption und Desorption von Hg0 wurde nachgewiesen, dass durch funktionelle Sauerstoffgruppen auf der Oberfläche der Aktivkohle die chemisorptive Kapazität bei der Einkomponenten-Adsorption von Hg0 nur sehr geringfügig erhöht wird. Es konnte gezeigt werden, dass Wasser in der Gasphase die Adsorption von elementarem Quecksilber an den Basismaterialien und an den mit HCl und H3PO4 modifizierten Aktivkohlen nicht beeinflusst. Allerdings zeigte sich bei Messungen zur Co-Adsorption von Wasser an den mit HNO3 und H2O modifizierten Aktivkohlen, dass für eine signifikante Chemisorption von Quecksilber mit funktionellen Sauerstoffgruppen adsorbiertes Wasser auf der Oberfläche der Aktivkohle vorhanden sein muss. Auf Basis der experimentellen Daten wurden schematische Darstellungen für die gebildeten Oberflächenkomplexe von Quecksilber an unterschiedlichen funktionellen Sauerstoffgruppen vorgeschlagen, die durch eine Hydrathülle stabilisiert werden.

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