锰/香烟滤嘴基多孔碳催化剂强化亚硫酸钙氧化的机制研究：价态循环与自由基/非自由基协同路径

为解决半干法烟气脱硫灰(CDA)中亚硫酸钙(CaSO3)氧化效率低的问题，湖南研究人员开发了锰/香烟滤嘴基多孔碳催化剂(Mn@CF-600)，通过价态循环与自由基(•SO32-/•O2–)及非自由基(1O2)协同路径，实现3小时内91.3%的氧化效率，为工业固废资源化提供新策略。

　　

随着工业快速发展，燃煤烟气中的二氧化硫(SO₂)排放引发严峻环境问题。半干法脱硫技术虽广泛应用，但产生的脱硫灰(CDA)含15-70%未完全氧化的亚硫酸钙(CaSO₃)，易导致建筑材料强度下降和二次污染。传统均相锰催化剂存在分离困难、成本高等缺陷，亟需开发高效稳定的多相催化体系。

湖南研究团队创新性地利用废弃香烟滤嘴为碳源，通过氯化锌活化-浸渍热解法构建了锰负载多孔碳催化剂(Mn@CF-600)。该材料具有479.16 m²·g^?1的高比表面积和丰富的活性位点（羰基、锰物种、氧空位）。在338K、空气辅助条件下，催化剂使CaSO₃氧化速率提升至0.0566 mmol·L^-1·s^?1，表观活化能仅18.70 kJ·mol^?1。固定化处理的CG-Mn@CF-600在5次循环后仍保持78.08%效率。

关键方法

1. 浸渍-热解法制备Mn@CF-600催化剂
2. 比表面积测试(BET)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料特性
3. 电子顺磁共振(ESR)检测自由基物种
4. 动力学实验测定反应级数和活化能

材料表征结果
催化剂呈现分级多孔结构，锰以Mn(II/III/IV)混合价态均匀分散。ZnCl₂活化有效抑制了金属团聚，形成丰富的C=O和氧空位(V_O)。

催化性能
空气流速和CaSO₃浓度反应级数分别为0.26和-0.31，1.0 g·L^-1催化剂用量达到扩散控制临界值。

机制分析
ESR证实体系存在•SO₃^2-、•O₂^–、¹O₂和•SO₅^-多种活性氧物种(ROS)。HSO₃^?通过质子耦合电子转移参与链反应，锰价态循环(Mn(II)→Mn(III)→Mn(IV))加速电子传递，羰基和V_O促进O₂活化生成¹O₂。

结论
该研究不仅为CDA资源化提供了低成本解决方案（香烟滤嘴废弃物利用率达100%），更揭示了碳基催化剂中金属价态循环与自由基/非自由基路径的协同机制。Mn@CF-600在酸性浆液体系中的稳定表现，为工业固废处理催化剂设计提供了新范式。论文发表于《Fuel》，对推动"以废治废"的绿色化学理念具有重要实践意义。