摘要：燃煤烟气中的SO2和NO x是主要的大气污染物，传统脱硫脱硝技术存在高能耗、高成本及催化剂易失活等问题。生物质基碳材料因其具有比表面积大、可调控孔隙结构以及含有丰富的表面官能团等特性，在污染物吸附与催化转化方面展现出优势。研究表明，金属负载（Fe、Mn、Ce和Cu）和氮掺杂可提升催化活性，特别是在低温SCR反应中表现优异。未来，研究应聚焦于优化孔结构、增强催化活性及提升耐久性，以推动其在燃煤烟气治理中的应用。

       关键词：燃煤烟气治理；脱硫脱硝；金属负载；氮掺杂；低温SCR催化剂

　　0引言

　　燃煤在燃烧过程中释放的大量二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）污染物是酸雨、光化学烟雾和细颗粒物（PM2.5）污染的主要来源，加剧了全球气候变化。现有的脱硫脱硝技术，如湿法脱硫（WFGD）、选择性催化还原（SCR）等，普遍存在能耗高、成本昂贵、催化剂易失活和副产物处理复杂等问题[1]。

　　生物质基碳材料因其孔隙结构丰富、比表面积大及表面官能团可调控，在SO2和NOx的吸附与催化转化方面表现出优异性能。其来源广泛，可用农业废弃物、林业残渣和工业有机废弃物等生物质资源制备，兼具低成本、可再生和环境友好等优势[2]。通过金属负载（Fe、Mn、Ce和Cu等）、氮掺杂及活化处理，可进一步提升其催化氧化和选择性还原能力，在燃煤烟气脱硫脱硝领域展现出巨大的应用潜力。

　　1生物质基碳材料的制备与性能优化

　　1.1生物质基碳材料的制备方法

　　生物质基碳材料的性能受制备方法的影响，常见的制备方法包括热解炭化法、化学活化法、水热炭化法及模板法[3]。不同生物质基碳材料的制备方法如表1所示。

　　1.2关键材料特性及优化

　　生物质基碳材料的脱硫脱硝性能受孔结构、比表面积、表面官能团及金属负载情况的影响[4]。优化这些关键特性，有助于提升其吸附能力及催化活性。比表面积大的材料能够提供更多的活性位点，提高吸附速率。然而，过度的微孔化可能导致气体扩散受限。

　　氧官能团（如羟基、羧基）可增强SO2的化学吸附，而氮掺杂（如吡啶氮、吡咯氮）可提高NOx的还原能力。此外，硫掺杂可促进SO2氧化成SO3，提高湿法脱硫效率。优化官能团的含量和类型，可提高碳材料的活性和选择性。金属负载改性通过在碳材料表面引入过渡金属，可提升其催化能力[5]。如Fe-Mn负载碳在SCR反应中可促进NH3活化，提高低温脱硝效率[6]。在高温条件下，材料的碳骨架可能发生结构坍塌，导致比表面积减小，从而降低吸附和催化能力。

　　2生物质基碳材料的脱硫脱硝机制

　　2.1脱硫机制

　　燃煤烟气中的SO2可通过物理吸附、化学吸附及催化氧化进行去除。物理吸附依赖于材料的孔结构和比表面积。然而，物理吸附易受温度和湿度的影响。化学吸附主要通过表面碱性位点与SO2的作用增强结合能力。生物质基碳材料经过KOH、NaOH等化学活化后，可在表面引入碱性官能团（如-OH、-COO-），使SO2与其发生结合反应，形成稳定的硫酸盐或亚硫酸盐。此外，氮掺杂（N-doped）碳材料可提供碱性中心，提高吸附SO2的能力。负载Fe、Mn等过渡金属的生物质基碳材料可促进SO2的氧化，使其进一步转化为SO3，并与水蒸气反应形成H2SO4，从而提高脱硫效率。脱硫反应过程如式（1）、式（2）所示。

　　2.2脱硝机制

　　NOx的去除主要依赖于物理吸附、氧化催化及选择性催化还原（SCR）[7]。物理吸附主要依赖于材料的孔隙结构和比表面积。NO的分子直径为0.317 nm，可通过微孔填充作用被捕捉，而较大的介孔结构则可提高NO的扩散速率，减少吸附饱和效应，从而增强脱硝稳定性。氧化催化可将NO氧化为更易去除的NO2，从而提高脱硝效率，如式（3）所示。负载CeO2、MnO2等金属氧化物的生物质基碳材料可提供氧空位，更易与还原剂反应完成脱硝过程。

　　3研究进展与挑战

　　3.1研究进展

　　近年来，生物质基碳材料在燃煤烟气脱硫脱硝领域的应用研究较多，主要体现在掺杂改性[9]、金属负载[10]及低温SCR催化剂[11]等方面。氮掺杂可引入吡啶氮、吡咯氮和石墨氮等活性位点，提高碳材料的电子供给能力，增强SO2的化学吸附和NO的氧化能力[12]。传统的V2O5-WO3/TiO2催化剂主要适用300～400℃,而生物质基碳负载催化剂在100～300℃范围内表现出较高活性。Fe-Mn负载碳材料在180℃时的NOx去除率可达85％以上，且对SO2和水蒸气的耐受性较好。不同生物质基碳材料的脱硝性能如表2所示。

　　3.2挑战

　　生物质基碳材料在燃煤烟气脱硫脱硝领域大规模应用仍面临材料稳定性差、低温脱硝活性以及副产物的处理等问题。

　　1）实际工况下，烟气温度波动较大，部分碳材料在长期高温（＞300℃)环境下可能出现孔道坍塌和活性位点失活。此外，烟气中的水蒸气和颗粒物可能导致催化剂堵塞，加速材料失活。

　　2）如何进一步提高低温SCR催化活性，使其在100～200℃范围内保持高效稳定运行，仍需从优化金属负载比、引入助催化剂（如Ce、W）及构建多级孔道结构等方面不断探索试验、优化改进，以提高NH3的活化效率和氧化还原能力。

　　3）在脱硫过程中，SO2会在催化剂表面生成硫酸盐或亚硫酸盐，可能导致催化剂中毒或孔道堵塞。如何才能减少副产物生成，提高催化剂的抗硫耐久性，仍需进一步研究。

　　4结论与展望

　　4.1结论

　　生物质基碳材料因其具有比表面积大、孔隙结构丰富和表面官能团可调控等特性，在燃煤烟气脱硫脱硝领域展现出广阔的应用前景。近年来，通过N掺杂、金属负载及低温SCR催化剂开发，碳材料的催化活性和耐久性得到显著提升。研究表明，Fe-Mn负载碳材料在低温脱硝中表现出较高活性，Ce-Mn负载碳则在抗硫能力方面具有明显优势。然而，受限于材料的长期稳定性、抗毒性及副产物控制，其大规模工业应用仍面临挑战。

　　4.2展望

　　尽管生物质基碳材料在燃煤烟气脱硫脱硝领域展现出巨大潜力，但其大规模应用仍面临诸多挑战。未来，研究应从以下几个方面进一步优化材料性能，提升其工业应用价值。

　　1）优化材料制备与结构调控，提升脱硫脱硝性能。探索可控活化方法、模板合成策略及纳米结构调控技术，提高气体扩散能力和催化剂负载均匀性。

　　2）发展高效金属负载和掺杂策略，提升催化活性和稳定性，研究其在低温SCR催化剂中的应用机制。

　　3）结合表面钝化、抗毒助剂负载及可再生催化剂开发等技术，提升材料的耐久性。

　　4）结合Hg、CO2和VOCs等多污染物协同处理，发展多功能催化材料，提高燃煤烟气的综合治理效率。同时，结合光催化、电催化及等离子体催化等新型污染控制技术，加速新型高效材料的筛选与开发，提升研究效率。

参考文献

　　[1]潘建，马雯卓，朱德庆，等.低阶煤一步法制备活性炭的脱硫脱硝性能[J].钢铁，2021，56（12）：142-152.

　　[2]李慧，贾丽娟，高冀芸，等.电石渣制备钙基催化剂及其脱硫脱硝研究[J].现代化工，2023，43（3）：134-139.

　　[3]李洋，刘洋，李长明，等.钙基复合吸收剂的制备及烟气同时脱硫脱硝性能[J].过程工程学报，2023，23（10）：1446-1457.

　　[4]刘俊逸，张晓昀，李杰，等.工业烟气脱硫脱硝及一体化新技术的研究进展[J].应用化工，2021，50（8）：2297-2302.

　　[5]赵昂然，韩永强，王志鹏，等.常温条件下赤泥同时脱硫脱硝实验研究[J].化工学报，2024，75（S1）：276-282.

　　[6]金鑫，李俊杰.活性炭负载过渡金属氧化物低温同时脱硫脱硝性能研究[J].烧结球团，2023，48（3）：42-49.

　　[7]李婉君，黄帮福，杨征宇，等.活性炭改性及其脱硫脱硝性能研究与展望[J].硅酸盐通报，2022，41（4）：1318-1327.

　　[8]肖政国.基于微纳米气泡湿法脱硫脱硝之直接法与间接法比较研究[J].应用化工，2022，51（S1）：34-40.

　　[9]肖凯，张永锋.燃煤烟气协同脱硫脱硝技术研究进展[J].现代化工，2021，41（11）：72-76.

　　[10]高生军，段俊，赵玲.燃煤烟气脱硫脱硝脱碳一体化技术的研究进展[J].环境化学，2021，40（7）：2234-2245.

　　[11]罗绍君，李慧，贾丽娟，等.冷冻干燥法制备改性电石渣同时脱硫脱硝研究[J].环境科学学报，2024，44（5）：423-434.

　　[12]谢承昊，高立华，湛文龙，等.微波场下粉煤灰/电石渣负载Na2O协同脱硫脱硝[J].环境工程，2022，40（2）：81-87.