湿潤条件下で室温の H2S および SO2 ガスを除去するための三元金属酸化物ナノ複合材料

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15387 (2022) この記事を引用

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三元 Mn-Zn-Fe 酸化物ナノ複合材料を、室温で H2S および SO2 ガスを除去するための 1 ステップ共沈法により製造しました。 ナノ複合材料は、ZnO、MnO2、および表面積 21.03 m2 g-1 のフェライトを含んでいます。 この吸着剤は、湿った状態で酸性硫黄ガスをより良く鉱化するのに効果的でした。 この材料は、最適化された実験条件において、それぞれ 1.31 および 0.49 mmol g-1 の最大 H2S および SO2 除去能力を示しました。 分光分析により、H2S の鉱化生成物として硫化物、硫黄、亜硫酸塩の形成が確認されました。 さらに、ナノ複合材料は、SO2 を唯一の酸化副生成物として硫酸塩に変換する可能性があります。 これらの有毒ガスの酸化は、表面吸着水中でのガス分子の溶解と解離、その後の分子状酸素と水の存在下での遷移金属イオンの酸化還元挙動によって引き起こされます。 したがって、この研究は、深層脱硫用途向けの潜在的なナノ複合吸着剤を示しました。

大気汚染は世界的な問題であり、過去数十年にわたるさまざまな人為的活動によって拡大してきました。 空気を有毒にする数多くの空気汚染物質の中でも、硫化水素 (H2S) と二酸化硫黄 (SO2) は、人間の健康と環境に深刻な被害を引き起こすことが知られています。 H2S は、腐敗した有機物、石油産業、石炭および天然ガスをベースとした火力発電所、および下水処理施設から放出される有毒な刺激臭のあるガスです1、2。 200 ～ 500 ppm のレベルの H2S への急性曝露は嗅神経を麻痺させる可能性があり、500 ppm を超えると突然死につながる可能性があります 2,3。 さらに、H2S の SO2 への変換とその加水分解により酸性雨が形成されると、土壌と水域が酸性化する可能性があり、それぞれ植物と海洋生物に悲惨な影響を与える可能性があります4,5。 SO2 は鋭い臭気を持つ無色の有毒ガスであり、慢性気管支炎や気道の感染症など、さまざまな呼吸器疾患を引き起こす可能性があります6。 1 ～ 5 ppm の低い SO2 濃度でも人間が不快感を感じるには十分ですが、100 ppm を超えると生命を脅かす可能性があります7。 大気中の SO2 の主な発生源は、火力発電所と車両の排出物です8。 したがって、大気汚染を制限し、スモッグの形成や酸性雨などの壊滅的な出来事を防ぐために、発生地からの H2S と SO2 の除去を優先する必要があります。

これらの有毒ガスを吸着剤表面に化学吸着することは、H2S および SO2 ガスを吸着して無機化して硫黄や硫酸塩などの無毒な副産物にする最も単純で手頃な方法の 1 つです9。 さらに、化学吸着は、根本的にも金銭的にも困難な排ガス脱硫や天然ガス精製用途にとって非常に効率的です1,10。 この目的のために、金属酸化物は、（電子供与体として作用する）H2S や SO2 などの酸性ガスと反応する可能性のある弱塩基性サイト (格子酸素) と塩基性 OH– 基の存在により、大きな可能性を示しています 11,12。 これらのガスに対する金属酸化物の表面反応性は、水分子の存在下で増幅される可能性があります。 まず、金属酸化物表面の水層が解離反応し、水酸基密度が向上します。 第二に、表面の水膜がガス分子を溶解し、金属酸化物表面との反応性相互作用のエネルギー障壁が低下するため、化学吸着プロセス全体が促進されます 13、14、15、16、17。 したがって、金属酸化物に対する酸性ガスの吸着時の水のプラスの効果を調査する価値はあり、これがこの研究作業の焦点です。 また、低 H2S/SO2 濃縮物の修復用の吸着剤材料を探索して、深層脱硫およびガス精製用途における吸着剤の適用可能性を確認することも同様に重要です。

この研究では、湿潤条件下で H2S および SO2 ガスを室温で吸着除去するための 1 ステップ共沈法により、手頃な価格の Mn-Zn-Fe 金属酸化物ナノ複合材料を作製しました。 H2S と SO2 のガス濃度 500 および 100 ppm は、これらの汚染物質を人体に対する毒性範囲内で捕捉する際の工業用途と適合性を考慮して採用されました。 この酸化物は、湿潤条件下でより優れた吸着性能を示し、完全に無機化されて無毒の副生成物が生成されました。 吸着プロセスに影響を与える要因の研究に加えて、さまざまな顕微鏡および分光学的手法を使用して吸着メカニズムが詳細に研究されました。 この研究では、酸化物ナノ複合材料が乾湿両条件下で低濃度のガス状 H2S および SO2 を除去し、石化する可能性があることが確認されました。

硝酸マンガン(II)四水和物(Mn(NO3)2・4H2O)、硝酸亜鉛(II)六水和物(Zn(NO3)2・6H2O)、硝酸鉄(III)九水和物(Fe(NO3)3・9H2O)、および2.0 mol L-1 NaOH 溶液は韓国の Samchum Pure Chemicals から購入しました。 純粋な N2 ガスとバランスをとった H2S ガス (0.05 Vol.%) および SO2 ガス (0.01 Vol.%) は、韓国の Union Gas から調達されました。 すべての溶液は再蒸留水で調製されました。

５０ｍＬの脱イオン水に、３．７６ｇのＭｎ（ＮＯ３）２・４Ｈ２Ｏ、４．４５ｇのＺｎ（ＮＯ３）２・６Ｈ２Ｏ、および４．０４ｇのＦｅ（ＮＯ３）３・９Ｈ２Ｏを溶解して、最終的なＭｎ２＋：Ｚｎ２＋を得た。 Fe3+ 比は 3:3:2。 ナノコンポジット内の MnO2 と ZnO の形成には、2 価カチオンと 3 価カチオンのより高い比率が採用されました (より高い酸性ガス吸着容量のため)。 激しく撹拌しながら、溶液のｐＨが１２．５に達するまで、２．０モルＬ−１のＮａＯＨ溶液を滴下した。 この pH は、以前に報告されているように、三元酸化物ナノ複合材料の形成には十分でした 18。 2時間撹拌した後、沈殿物を相分離し、熱風オーブン中393Kで一晩乾燥させた。 素材の製造プロセスにおける環境への全体的な影響を軽減するために、洗浄に過剰な水の使用を避けました。

表面および透過モードの形態は、電界放射型走査電子顕微鏡 (FE-SEM、日立 S-4300、日立、日本) および電界放射型 TEM (FE-TEM、JEM-2010F、日本電子株式会社、日本) で調査されました。それぞれ。 ＳＥＭ分析は、イオンスパッタリング（Ｅ－１０４８ 日立イオンスパッタ）により金－白金合金でコーティングした後、細かく粉砕した乾燥サンプルに対して行われた。 元素分析は、エネルギー分散型 X 線分光法 (EDAX、X-Maxn 80 T、Oxford Instruments、英国) を使用して行われました。 比表面積と空隙率は、質量 0.324 g で 423 K で 6 時間脱気した後、Gemini 2360 シリーズ (Micromeritics、米国ノークロス) 装置を使用して 77 K で標準的な N2 吸脱着等温線を分析することによって決定されました。 粉末 X 線回折 (PXRD) パターンは、Cu Kα 線 (λ = 1.5406 Å) と Ni フィルターを備えた Ultima IV (Riraku, Japan) X 線回折計で室温 (2θ = 5 ～ 50°) で得られました。 。 サンプルのフーリエ変換赤外 (FTIR) スペクトルは、KBr ペレットを使用して Cary670 FTIR 分光計 (Agilent Technologies、米国) で記録しました。 X線光電子分光法（XPS）分析では、K-α XPS装置（Thermo Fisher Scientific、英国）を単色Al Kα X線源とともに使用しました。 圧力は 4.8 × 10−9 mbar に固定されました。 スペクトルは、284.7 eV に設定された C 1 s (芳香族炭素) の主線に電荷補正されました。 スペクトルは、CasaXPS ソフトウェア (バージョン 2.3.14) を使用して分析しました。

ガス吸着実験は、298 K でパイレックス管 (高さ 50 cm、直径 1 cm) に吸着剤 0.5 g を入れて実施しました。サンプルはグラスウールの間に固定され、シリカビーズ上に支持されました 19。 H2S ガス (0.05 Vol.%) または SO2 ガス (0.01 Vol.%) を一定の流量で通過させました。 流出ガスは、H2S ガス分析計 (GSR-310、Sensoronic、韓国) または SO2 ガス分析計 (GASTIGER 6000、Wandi、韓国) を使用して分析されました。 分析装置は、20% の破過点 (H2S については 100 ppm、SO2 について 20 ppm) に達するまで、流出ガス濃度をリアルタイムで毎分記録し、その後実験が完了しました。 湿潤サンプルは、吸着床にガスを通過させる前に、吸着床に水蒸気 (相対湿度 80%) を直接通過させることによって調製されました。 ガス吸着容量は、次の式を使用して測定されました。

ここで、C0-初期濃度 (mg L-1)、時間「t」における C 濃度 (mg L-1)、Q-流量 (L min-1)、m-吸着剤の質量 (g)、および tb-破過時間(秒)。

酸化物ナノ複合体のSEM顕微鏡写真には、不規則な形状のナノ小球が領域全体に均一に分布していることが示されました（図1a）。 塩基（沈殿剤）の制御された放出は、核生成および粒子成長速度の調節を助け、三元ナノ複合材料中の金属酸化物の凝集を防止しました。 高分解能TEMを用いて形態のより詳細な調査を行ったところ、ナノ小球が多面体ナノ粒子で構成されていることが確認された（図1b）。 ナノ粒子の結晶面は、縞幅を測定し、XRD パターンからの面間隔 (d) 値と相関させることによって割り当てられました。 縞幅 0.308、0.530、および 0.261 nm は、それぞれ MnO2 (110)20、ZnO (0002)21、および MFe2O4 (311)22 に割り当てられました。 EDAX元素分析により、それぞれのエネルギーで原子寄与率が13.80、7.14、3.57、75.48％であるMn、Zn、Fe、およびOのピークが確認されました（図1c）。 2D 元素マッピングでは、「Fe」マップ内の低密度領域 (「Mn」および「Zn」マップでマークされたそれぞれの高密度領域) とともに、豊富な密度の Mn および Zn が示されました。 このような分布の考えられる理由は、ナノ複合材料中での純粋な二元金属酸化物、三元金属酸化物の形成である可能性があります（図1d）。

(a) SEM 顕微鏡写真。 (b) 高解像度 TEM 顕微鏡写真。 (c) 元素分布分析。 (d) MZFO の 2D 元素マッピング。

MFZO ナノ複合材料の PXRD パターンには、β-MnO2 (紫色の丸)23、ZnO (ピンクの丸)24、フェライト (緑色の四角)25、および NaNO3 (青色の四角)26 の回折ピークがあり、ナノ複合材料のポリ酸化物の性質が確認されました。複合材料（図2a）。 Cu-Zn-Mn 三元酸化物ナノ複合材料の作製についても同様の報告があり、CuO、ZnO、MnO2 ナノ粒子が確認されています 18。 MFZO 製造中に洗浄ステップが行われていないことが、サンプル中に NaNO3 が存在する原因となっていました。 MFZO ナノ複合材料の N2 吸着脱着等温線は、マクロ多孔質材料で一般に予想されるタイプ III の挙動を示しました (図 2b)23。 ナノ複合材料は、21.03 m2 g-1 の BET 表面積と 0.07 cm3 g-1 の細孔容積を持っていました。 これらの値は、Mn2O3/Fe2O3 (6.18 m2 g-1、0.12 cm3 g-1)27、CeO2/Mn2O3/Fe2O3 (15.64 m2 g-1、0.09 cm3 g-1)28、Fe2O3/Na2SO4 などの他のナノ複合材料よりも高くなります。 (2.89 m2 g−1、0.01 cm3 g−1)29 が同じ用途に使用されます。 スペクトルには、金属 - 酸素伸縮振動の 621 cm-1 を中心とする広帯域があります 30,31。 835 および 1385 cm-1 のバンドは、それぞれ硝酸塩の非対称伸縮振動 (ν3-NO3-) および面外曲げ振動 (ν2-NO3-) に起因すると考えられました32。 3433 および 1635 cm-1 のバンドは、それぞれ吸着された水分子の伸縮振動モードと曲げ振動モードに割り当てられました (図 2c)33。 MFZO の XPS 調査により、Na 1 s、Zn 2p、Fe 2p、Mn 2p、O 1 s、および N 1 s のそれぞれの結合エネルギーでのピークが確認されました。 Na 1 s および N 1 s ピークは、NaNO3 の存在と関連していました (図 2d)。

(a) PXRD パターン。 (b) N2 の吸脱着等温線。 (c) FTIR スペクトル。 (d) MZFO の XPS 調査。

MFZO の HRXPS Mn 2p3/2 信号は、Mn イオンの Mn2+ (23.2%)、Mn3+ (43.9%)、および Mn4+ (32.9%) の酸化状態の 640.7、641.6、および 642.8 eV での 3 つの寄与にデコンボリューションされました 34。 分析により、多価MnイオンがMnO2およびMnベースのフェライトの形成に関連していることが示されました（図3a、表S1）。 HRXPS Zn 2p スペクトルには、Zn2+ イオンの 2p3/2 信号と 2p1/2 信号の 2 つのピークがそれぞれ 1021.4 と 1044.3 eV にあります (図 3b、表 S2)。 HRXPS Fe 2p スペクトルでは、2p3/2 信号は、Fe2+ (70.4%) と Fe3+ イオン (29.6%) の 710.8 eV と 712.9 eV の 2 つの寄与にデコンボリューションされました (図 3c、表 S3)。 これら 2 つの寄与はフェライトの形成によるものでした。 HRXPS O 1 sスペクトルには、格子酸素（56.9％）、表面ヒドロキシル基/硝酸イオン（24.6％）、および水分子（18.4％）の530.0、531.4、および532.9 eVにそれぞれデコンボリューションされた3つのピークがあります（図3d） 、表S4)37。

高解像度 XPS (a) Mn 2p。 (b) 亜鉛 2p。 (c) Fe 2p; (d) MFZO の O1s スペクトル。

合成されたナノ複合材料は、乾燥条件と湿潤条件の両方でブレークスルーカラムでの H2S 除去についてテストされました（図 4a）。 乾燥状態では0.73 mmol g-1の吸着容量が達成されました。 しかし、湿った状態では、容量は1.03 mmol g-1に増加し、酸化物表面上の水膜中のH2S分子の溶解と解離によって媒介される吸着プロセスにおける水の積極的な役割を示しています。 吸着能力に及ぼすパラメータ、すなわちガス流量（図４ｂ）と吸着剤の充填量（図４ｃ）の影響を湿潤条件で研究した。 吸着容量は流量の増加とともに減少し、流量0.1 L min-1で最大容量1.21 mmol g-1が達成されました。 流量の増加は、ガス保持時間の低下により吸着質と吸着剤の相互作用を悪化させ、容量に悪影響を及ぼしました38。 吸着容量は吸着剤の負荷が増加するにつれて減少し、0.2 gの吸着剤および0.2 L min-1の流量で最大容量1.31 mmol g-1が達成されました。 この挙動は、おそらく吸着床内で湿った吸着剤粒子が乱雑になり、反応が起こる有効表面積が減少するため、利用されない酸化物の塊の存在に関連している可能性があります 31。 ただし、0.2 g 未満ではブレークスルー実験は行われませんでした。 この材料は高密度であるため、0.2 g 未満の吸着剤を装填すると、ベッドの長さが狭くなり (チューブの直径が 6 mm であるため)、吸着質と吸着剤の相互作用が不十分になりました。 合成されたナノ複合材料で達成された 1.31 mmol g-1 の最大吸着容量は、市販の ZnO (1.16 mmol g-1)39、CeO2-Mn2O3-Fe2O3 (0.83 mmol g-1)28、Mn2O3 について報告されているものと同等かそれよりも高いです。同様の実験条件における -Fe2O3 (0.35 mmol g-1)27、α-Fe2O3-Na2SO4 (1.06 mmol g-1)29、および ZnFe2O4 (0.05 mmol g-1)40。

(a) 乾燥/湿式吸着剤の H2S 破過曲線。 (b) 異なる流量での湿った吸着剤。 (c) 吸着剤の充填。 条件: [吸着剤] = 0.5 g、流量 = 0.2 L min−1 (その他の場合は変更)。

ナノ複合材料は、乾燥条件および湿潤条件におけるSO2の吸着についても研究されました（図5a）。 乾燥状態での 0.22 mmol g-1 の吸着容量は、湿潤状態では 0.41 mmol g-1 とほぼ 2 倍になりました。 このような挙動は、MnO216 上の酸化的 SO2 吸着について報告されています。 水分子の存在下での SO2 吸着は硫酸塩生成反応を大幅に加速し、全体的な吸着プロセスに有利に働きました。 ガス流量の増加は、吸着質と吸着剤の相互作用が不十分なため、吸着プロセスに悪影響を及ぼしました（図5b）。 複合材料の SO2 吸着容量は、吸着剤負荷の減少とともに大幅に向上し、0.2 g の吸着剤および 0.2 L min-1 の流量で最大吸着容量 0.49 mmol g-1 が確認されました。 ここでも、層負荷の増加のマイナスの役割は、H2Sガスの吸着で観察された効果と一致していました（図5c）。 したがって、最適化された実験条件では、吸着剤は 0.49 mmol g-1 の SO2 ガスを除去できました。 この値は非常に有意であり、同様の実験条件における ZnO (0.28 mmol g-1)41、MnO2 (0.48 ～ 1.23 mmol g-1)42、NaMxOy (0.73 mmol g-1)7 の報告値に匹敵します。 ナノ複合材料は、SO2 ガスと比較して高い H2S 吸着能力を持っていました。 優れた H2S 吸着は、SO2 と比較してエネルギー障壁がはるかに低く、吸着エネルギーが高いため、H2S 分子が容易に解離することに関連しており、これは計算計算を通じて Zn-MoSe2 構造について以前に実証されています 43。

(a) 乾式/湿式吸着剤の SO2 破過曲線。 (b) 異なる流量での湿った吸着剤。 (c) 異なる吸着剤負荷での湿った吸着剤。 条件: [吸着剤] = 0.5 g、流量 = 0.2 L min−1 (その他の場合は変更)。

H2S および SO2 吸着後の SEM および TEM 顕微鏡写真では、ナノ粒子の塊が乱雑なナノロッドに変化することを除いて、表面形態に大きな変化はありませんでした（図 S1、S2）。 乾燥サンプルの SEM 顕微鏡写真では表面形態にそのような変化が見られなかったため、これは水分とガスの酸性度の複合効果によるものである可能性があります。 ガスに曝露されたサンプルの EDAX 分析により、約 2.3 keV に硫黄の新しいピークが確認されました。 H2S 吸着サンプルの S ピークの強度は、SO2 の強度よりもはるかに高く、実験結果と一致しました（図 S3）。 H2S および SO2 吸着サンプルの 2D 元素マッピングにより、酸化物表面上に高密度の硫黄原子がナノ複合材料上に均一に分布していることが確認されました (図 6)。

(a) H2S 後の湿った MFZO の 2D 元素マッピング。 (b) SO2 の吸着。

ガスに曝露されたサンプルの PXRD パターンでは、H2S 吸着サンプルの新しいピーク (紫色の星印) を除いて、回折ピークに有意な変化は見られませんでした。 これら 2 つのピークは、ZnSO344 の存在に割り当てられました。 これらのサンプルに追加の新しいピークが存在しないことは、表面での酸化硫黄種の形成に関連している可能性があります（図7a）。 N2 の吸脱着等温線を図 7b に示します。 H2S 吸着サンプルでは、​​表面積と細孔容積がそれぞれ 26% と 17% 減少しました (表 1)。 ただし、SO2 にさらされたサンプルでは、​​これらの値の最小限の低下が観察されました。 表面積と気孔率の低下は、酸化硫黄種の堆積に関連しており、それが気孔を詰まらせた可能性がある29。 この目詰まりは、より多くのガス量の吸着とその後の表面への鉱化により、H2S 吸着サンプルでより多く発生すると予想されました。

(a) PXRD パターン。 (b) N2 の吸脱着等温線。 高解像度 XPS (c) Mn 2p。 (d) 亜鉛 2p。 (e) Fe 2p。 (f) H2S および SO2 吸着後の湿潤 MZFO の O1s スペクトル。

吸着メカニズムに関するより詳細な情報は、ガス吸着プロセス後の MFZO ナノ複合材料の XPS 分析によって推定されました。 H2S 吸着サンプルの HRXPS Mn 2p スペクトルでは、Mn2+、Mn3+、および Mn4+ の 3 つの寄与すべてが、これらの酸化種の割合の変化とともにわずかに低い結合エネルギーで存在します。 結合エネルギーの赤方偏移は、Mn 酸化物の部分的な硫化に関連している可能性があります 31。 さらに、酸化状態の比率の変化は、化学吸着プロセス中の Mn2+/Mn3+/Mn4+ 酸化還元サイクルの関与に関連している可能性があります 17。 しかし、SO2 吸着サンプルの場合、酸化状態の割合のみが位置のわずかなシフトで変化し、これは SO2 の酸化の原因となる Mn 酸化還元挙動に関連していました (図 7c)17,45。 H2S 吸着の HRXPS Zn 2p スペクトルは、おそらく ZnSO3 種の形成により、ピーク位置に最小限の赤方偏移を示しました。 しかし、SO2 吸着サンプルではそのような変化は観察されず、これは化学吸着プロセスの非局在化の性質をさらに示唆しました（図7d）。 H2S 吸着 MFZO の HRXPS Fe 2p スペクトルでは、ピーク位置がわずかにシフトしましたが、Fe2+ 種と Fe3+ 種の割合の変化は最小限でした。 DFT 計算では、H2S は Fe2O3 (Fe3+ サイト) よりも FeO (Fe2+ サイト) でよりよく解離反応することが予測されています 46。 以前に報告した Mn2O3/Fe2O3 上への H2S の吸着に関する研究でも、バルク Fe2O3 相は酸化プロセスに関与しませんでした 27。 ピーク位置のわずかな変動は、H2S 吸着プロセスにおける Fe2+ 部位の関与に関連している可能性があります。 SO2 吸着サンプルでは、​​Fe2+ と Fe3+ のピーク位置がそれぞれ 0.1 eV と 0.4 eV 赤方偏移し、Fe2+ の割合が大幅に低下しました (70.4 ～ 62.3%)。 SO2 分子は、Fe3+ サイトよりも Fe2+ サイトに対してはるかに反応性が高いことが証明されています。 したがって、Fe2+寄与の低下は、二価のFeサイトがSO2分子の酸化に対応していることを示唆しました（図7e）47。 H2S 吸着サンプルの HRXPS O1 s スペクトルでは、金属 - 酸素結合の寄与は減少しましたが、-OH/O-N の 531.6 eV での寄与は金属硫化物および亜硫酸塩 (SO3-) 種の形成により増加しました。 、 それぞれ。 SO2 吸着サンプルの場合、格子酸素の消費と硫酸塩種の形成により、531.5 eV ピークはさらに向上しました（図 7f）。

H2S 吸着 MFZO の HRXPS S 2p スペクトルは、硫化物 (36.1%)、元素硫黄 (25.1%)、および亜硫酸塩 (38.8%) の 161.3、163.6、および 167.9 eV で観察される 2p3/2 ピークを持つ 3 セットのダブレットにデコンボリューションされました。 %)48. 一方、金属結合硫化物の形成は、水分子の存在下での H2S の解離吸着 (H+ と HS- へ) によって開始されます。 元素状硫黄および硫化物の形成は、遷移金属イオン、表面吸着分子状酸素、および水分子の酸化還元挙動によって媒介されます 31。 Wang らは、水分の存在下での In2O3 薄膜上の H2S の解離を報告しており、吸着水による H2S 分子の反応性解離により HS- および H+ 種が生成されました。 形成された HS- および H+ イオンは、表面に化学吸着された酸素種と反応して、硫化物および亜硫酸種を生成しました 49。 SO2 吸着 MFZO の HRXPS S 2p スペクトルには、168.4 eV に 2p3/2 ピークを持つ一連のダブレットがあり、これは硫酸塩種に割り当てられました (図 8、表 S5)48。 酸化物表面への SO2 の吸着は一般に、SO2 分子と格子酸素または表面ヒドロキシル基との反応性相互作用によって引き起こされ、亜硫酸塩/重亜硫酸塩が形成され、遷移金属酸化物とガス状酸素分子の酸化還元挙動を介して硫酸塩にさらに酸化されます7,17。 。 さらに、地表水中の H2S の溶解と同様に、SO2 は地表水分子によって容易に吸着および加水分解される可能性があり、これにより SO2 分子の酸化がエネルギー的に有利になります 17。

H2S および SO2 吸着前後の MFZO の高解像度 XPS S 2p スペクトル。

結論として、我々は、一段階の共沈反応によって Mn-Zn-Fe 金属酸化物ナノ複合材料を作製しました。 作製されたナノ複合材料は、表面積が 21.03 m2 g-1、細孔容積が 0.07 cm3 g-1 の MnO2、ZnO、フェライトを含んでいます。 ナノコンポジットは、乾燥条件および湿潤条件における H2S および SO2 の室温吸着除去についてテストされました。 この酸化物は、表面水膜内のガス分子の溶解と解離により、湿潤状態でより優れたガス吸着能力を示しました。 吸着剤は、より低い流量および吸着剤負荷でより優れた吸着能力を示した。 最適化された条件では、最大 1.31 および 0.49 mmol g-1 の H2S と SO2 がナノ複合材料によってそれぞれ除去されました。 詳細な分光分析により、吸着水と分子状酸素の存在下でのFeとMnの酸化還元サイクルによって媒介される、H2Sガスの硫化物、硫黄、亜硫酸塩への鉱化が確認されました。 Zn イオンは酸化プロセスに関与しませんでしたが、Zn2+ はおそらく硫化物および亜硫酸塩と相互作用しました。 SO2 の無機化は、酸化環境における Fe と Mn の酸化還元挙動によって引き起こされる硫酸塩の形成と関連していました。 このように、我々は、有毒な硫黄ガスの無機化に成功し、深層脱硫用途に適している可能性がある新しい吸着材料を提案しました。

データは、合理的な要求があれば、責任著者から入手できます。

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この研究は、韓国の「韓国土木建築技術研究院」(KICT)から提供された[プロジェクト #20220145-001]によって資金提供されました。

科学技術大学 (UST) 環境研究部、大田、34113、韓国

ニシェシュ クマール グプタ、キム ウンジ、ペ ジヨル、キム グァンス

韓国土木建築技術研究院 (KICT) 環境研究部、高陽、10223、韓国

ニシェシュ クマール グプタ、キム ウンジ、ペク ソヨン、ペ ジヨル、キム グァンス

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NKG は、概念化、正式な分析、ソフトウェア、元の草案の作成、およびレビューと編集を担当しました。 NKG、EJK、SB は、データのキュレーション、方法論、視覚化、検証を監督しました。 JB と KSK は資金調達、調査、プロジェクト管理、リソース、監督を担当しました。 すべての著者は、提出された原稿のバージョンを読み、同意しました。

ペ・ジヨルまたはキム・グァンスとの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Gupta、NK、Kim、EJ、Baek、S. 他湿潤条件下で室温の H2S および SO2 ガスを除去するための三元金属酸化物ナノ複合材料。 Sci Rep 12、15387 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-19800-6

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受信日: 2022 年 6 月 29 日

受理日: 2022 年 9 月 5 日

公開日: 2022 年 9 月 13 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19800-6

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科学レポート (2023)

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