孙丽娜李凯汤立红刘娜宁平孙鑫张旭
常见金属氧化物烟气脱硫研究进展
孙丽娜1,李凯1,汤立红1,刘娜1,宁平1,孙鑫1,2,张旭3
(1昆明理工大学环境科学与工程学院,云南昆明650504;2省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,云南昆明 650093;3昆明市城市排水监测站,云南昆明650034)
对几种常见金属氧化物的烟气脱硫(SO2)进行了研究,分别从干法、湿法以及半干法详细介绍了常见金属氧化物的脱硫效果及影响脱硫效果的各种因素。干法脱硫剂主要发生吸附反应、氧化反应;湿法脱硫主要是液相催化氧化作用;半干法脱硫以CaO为主要脱硫成分。干法脱硫催化剂有再生操作复杂、制备成本较高的缺点;湿法烟气脱硫效率高、适应范围广,成为主要的烟气脱硫方法,但湿法脱硫也存在占地面积大、技术复杂、脱硫过程中会造成资源浪费等问题。本文对比总结了常见金属氧化物的脱硫特点及其工业应用现状,分析了矿浆脱硫的可行性,同时对矿浆脱硫的研究前景提出展望,从而进一步为工业废气净化研究奠定基础。
金属氧化物;烟气脱硫;催化剂载体;催化作用;氧化
随着工业的不断发展与进步,工业生产过程中产生的硫化物的量越来越多,加上我国以煤为主要工业原料,煤炭占一次能源的75%,因此对煤炭的过度依赖导致环境污染的加剧。我国二氧化硫年排放总量1974.4万吨,居世界首位,其中煤炭燃烧所排出的SO2占排放总量的93.9%[1]。SO2对人体、植物以及生态环境都有很大的危害,对人类的健康危害主要表现在对人体的呼吸道具有很强的刺激性,可对人肺部造成危害;对植物和生态系统的危害表现在会溶解在雨水中形成酸雨,进而对土壤和植物造成影响,使农作物减产等[2]。大气污染的日益严重对人类日常生活也产生越来越多的影响,国家“十二五”规划提出建立资源节约型社会,出台了关于SO2排放的新标准,同时也在不断研究SO2的处理技术。
SO2的脱除方法有很多种,烟气脱硫方法分为干法脱硫、半干法脱硫以及湿法脱硫。烟气脱硫装置如图1所示,干法和半干法脱硫技术与湿法相比具有投资少、占地面积小、运行费用低、设备简单等优点,但同时也存在脱硫效率低、副产物不能商品化等问题[3-4]。湿法脱硫是采用液体吸收剂吸收烟气中的SO2。常用方法有石灰/石灰石吸收法、钠碱法、催化氧化还原法等,湿法烟气脱硫技术凭借其脱硫效率高、适应范围广等优点成为主要的烟气脱硫方法。但湿法烟气脱硫技术具有投资大、占地面积广、设备复杂、运行费用和技术要求高等缺点,因此发展受到限制。脱硫剂要用于工业应用需要考虑以下方面:①燃煤含硫量;②机组容量;③FGD使用寿命;④化学计量比;⑤原料(吸收剂、动力、水等价格);⑥烟气流量;⑦脱硫效率;⑧贴现率;⑨通货膨胀率;⑩建设周期年限。近年来,利用矿浆来脱除烟气中SO2的研究引起人们广泛关注,目前矿浆脱硫研究主要集中在对软锰矿、镁渣以及铜渣等[5-7]的研究,研究发现矿浆脱硫机理是矿浆中金属氧化物的催化氧化作用,该技术实现了以废治废的目的。因此,对常见金属氧化物脱硫研究进展进行综述具有重要意义。
利用CuO来脱除SO2是将CuO负载在载体上进行脱硫,该法是将活性载体放入铜盐溶液中进行浸渍,焙烧制得脱硫剂。在脱硫过程中,CuO与SO2反应生成CuSO4,然后在吸收SO2接近饱和的时候通入甲烷等气体,将CuSO4还原为Cu和高浓度的SO2,然后将高浓度的SO2回收利用,Cu在烟气当中游离氧的作用下生成CuO而再生。脱硫机理如式(1)。
CuO载体种类有很多,不同载体具有不同的脱硫效果以及适用范围。常用的载体是活性炭,活性炭(AC)具有较大的比表面积、良好的孔结构以及适中的脱硫反应温度,因此其被选作脱硫剂的载体。徐砚等[8]研究发现,以活性炭(AC)为载体,负载CuO脱硫剂的脱硫率随着活性组分负载量以及焙烧温度的增加而先升高后降低,载铜量大概在5%~7.5%是最合适的;最优焙烧温度是400℃;最适宜的焙烧时间是3h。郭姗姗等[9]研究发现,将活性炭经45%的HNO3预处理能提高活性炭的亲水性,让活性炭更容易和活性组分结合;同时可以通过添加1%的CeO2提高CuO在催化剂表面的分散度,这一过程能明显提高催化剂的活性与稳定性。王禹苏等[10]研究了双金属负载剂来提高脱硫效率,通过添加不同种类的碱金属(K、Na、Ca)进行比较,其中以活性炭(AC)为载体,负载CuO-K2O催化剂的脱硫活性最优。最优制备条件为CuO负载量为9%、K2O负载量为6%、焙烧温度400℃、焙烧时间3h,该条件下100%脱除率可以维持45min。CuO/AC脱硫剂失活可利用氨气吹扫对催化剂进行再生,NH3仅将CuSO4中的SO42–还原成SO2,未与Cu2+发生反应,无单质铜生成,保持了铜物种高的分散性,呈现高的二次脱硫活性[11]。再生机理如式(2)。
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γ-Al2O3也是一种常用的载体,RAHMANINEJAD等[12-14]研究CuO/γ-Al2O3催化剂对硫的吸收效果,该催化剂具有催化效率高、使用寿命较长的优点。齐景丽等[15]认为用干混法制备脱硫剂时,添加活性组分的含量是可以控制的,活性组分的最高浓度可以达到70%~80%,脱硫效果十分明显。干混法制备脱硫剂最佳活化温度在450℃左右。沈德树等[16]对浸渍过程中的影响因素进行了研究,浸渍液的浓度是影响催化剂活性的一个很重要的因素,研究发现进行两次浸渍效果会更好,其浸渍液硝酸盐浓度为8mol/L,活化温度和活化时间分别为450℃和2h。马新灵等[17-20]的研究认为用Cu(NO3)2溶液做浸渍液,用等体积浸渍法制备脱硫剂效果比过量浸渍法效果更好,在400~430℃之间进行脱硫反应,载铜量6%左右最合适,脱硫率能达到90%左右。由于CuO/γ-Al2O3只有上边附着的一层CuO能参与吸附反应,因此只能是单层吸附,同时由于颗粒孔径的问题,催化剂容易被烟气中的粉尘堵塞,也会产生较大的流体阻力,很难应用于工业领域,所以研发出蜂窝状的催化剂[21-23]。蜂窝状催化剂就是利用蜂窝状堇青石为第一负载体,氧化铝为第二负载体,因为蜂窝状堇青石具有很好的力学性能以及较高的热稳定性而被选作第一载体,这种吸附剂是由CuO负载于涂有Al2O3的堇青石载体上构成的。在反应中加入Na可以提高催化剂吸附硫的容量,但是一部分由钠的添加而增加的硫容是不可恢复的,因此需要控制钠的加入量。蜂窝状堇青石基催化剂的最适宜载铜量为6.0%,载钠量为2.0%。这种催化剂在温度为400℃时脱除效果最好,在空速为2300h–1以下的情况下脱硫率可以长时间维持在80%以上。铝基氧化铜失活后,通入还原性气体(如氢气、甲烷等)进行再生[24],将CuSO4初步还原成单质铜。再生后的单质铜能够迅速被空气中的氧气氧化为CuO,从而使脱硫剂完全再生,循环使用。脱硫剂再生时释放的SO2经浓缩后可制成硫酸或单质硫。整个再生过程在硫化反应相同的温度范围内进行,系统无需再加热。主要反应如式(3)~式(5)。
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GAUDIN等[25-28]的研究认为介孔二氧化硅基是一种较好的吸附剂,以介孔二氧化硅(KIT-6)为载体负载CuO-Ce的催化剂具有很好的脱硫效果,在400℃时脱硫效果最好。WANG等[29-30]的研究认为以有序介孔材料(MCM-41)为载体,673K在氧化铈以及氧化锂的协同作用下构成的吸附剂具有很好的吸附效果。CuO负载在不同载体的最适条件见表1。
表1 CuO负载在不同载体的最适条件
目前国内外对CuO脱硫剂的实验研究已经很成熟,但是工业应用较少,造成这种现象的原因是氧化铜脱硫剂的孔径很容易被堵塞,而且这种脱硫方法不利于催化剂再生[31]。
氧化铁吸收SO2的机理是在反应过程中Fe2O3与SO2反应生成Fe2(SO4)3,反应式如式(6)。
3SO2+O2+Fe2O3—→Fe2(SO4)3(6)
氧化铁脱硫剂具有脱硫率高、硫容大和可再生的优点。氧化铁在脱硫过程中不产生温室气体CO2,而且可以利用工业废弃物(如电厂飞灰、铝厂赤泥、钢厂粉尘等)来替代,实现“以废治废”,具有非常好的环境效益和经济效益,脱硫剂是以氧化铁为主体,经加工制作成的多孔颗粒,其性能不仅与氧化铁本身的化学活性有关,还与其孔结构、抗压碎强度及寿命等物理性能有关[32]。
郝鹏鹏等[33]研究认为,氧化铁催化剂制备前处理的最优条件是350℃在马弗炉里焙烧2h,然后冷却24h,最后磨成40~80目的颗粒。反应过程中在300~450℃的温度区间内,随着反应温度升高,硫容先升高后降低,最佳反应温度是400~420℃。对于反应装置的研究,刘世斌等[34]对固定床及流化床的吸附特性进行了比较,发现移动床具有床层利用率高、空速大、可连续的优点。在合适的空速和固体物料流量条件下经过长时间运行后证明移动床的脱硫率高,床层利用率可达95%,因此提高了催化剂的使用寿命。对于氧化铁种类的选择,吴菊贤等[35]发现3种氧化铁晶体脱硫剂(Fe3O4、γ-Fe2O3和α-Fe2O3)在380~450℃的温度范围,Fe3O4的脱硫速率最快;而对于再生后的脱硫剂,不同类型的氧化铁晶体都转化成α-Fe2O3,且其活性较比原始的α-Fe2O3有很大程度的提高。吸收剂在645℃下能够再生,脱硫剂再生的化学反应方程式如式(7)。
Fe2(SO4)3—→Fe2O3+3SO2(7)
单一氧化铁脱硫剂存在精度低的问题,需要与其他金属氧化物配合使用,因此单一氧化铁脱硫剂很难用于工业应用。
氧化镁基吸附剂干法脱硫可以克服常规湿法脱硫所带来的初期投资高、运行费用较高、占地面积大、灰渣二次污染等不利因素,适宜在我国镁矿资源丰富的地区实施。氧化镁脱除SO2机理如式(8)所示,氧化镁脱硫剂失活后用氢气进行再生,再生机理如式(9)、式(10)。
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氧化镁吸附剂的烟气脱硫过程是一个多相反应的过程,整个脱硫过程不但存在表面反应,还要考虑吸附(脱附)和扩散等问题,脱硫的关键过程是SO2与O2反应生成SO3,同时SO2或SO3与氧化镁基吸附剂内外表面中的氧化镁晶体结合[36]。PRZEPIORSKI等[37]认为,将氧化镁附着在多孔炭上是一种可以在低温脱除SO2的吸附剂,MgO在550℃的煅烧温度下产生的颗粒有高的活性。超过550℃时,氧化镁会出现轻微烧结,活性降低的现象[38]。该催化剂的最佳工艺条件为:焙烧温度550℃,焙烧时间为2h,此时吸附剂的比表面积可达22m2/g,硫容为6.8mg/g,在氧气存在情况下,对于浓度为4000mg/m3的SO2,催化剂的100%脱除率可以维持20min。
石灰的主要成分主要是CaO,运用石灰-石膏脱硫法[39-40]是使用的最久也是最广的一种脱硫方法。该方法用石灰当脱硫剂,用石灰浆液吸收塔来吸收烟气中的SO2,生成亚硫酸钙,然后被氧化成硫酸钙,最后生成副产物石膏。脱硫之后的烟气经过除雾器来去除水分,然后加热升温从烟囱排出。石 灰-石膏法脱硫具有处理烟气量大、脱硫效率高、脱硫原材料来源范围广、价格低廉、煤种适应性好、技术发展快速且脱硫装置的运行不影响锅炉性能的优点,但是也存在占地面积广、在反应过程中容易结垢以及烟气温度过低等问题。反应的适宜条件为:10%~15%石灰浆液,pH为8左右,烟气温度50~60℃,在该反应条件下物料循环脱硫效率可以达到90%以上[41]。脱除过程中发生如式(11)~式(18)的反应[42]。
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对于石灰-石灰石反应,可以通过添加添加剂来延长反应时间,添加剂分为无机添加剂和有机添加剂两种,对于无机添加剂来说,硫酸镁、硫酸钠能够有效地提高脱硫效率,适宜的添加浓度为0.2mol/L[43-44]。对于有机添加剂,OLAUSSON[45]和EDEN[46]等研究发现,加入己二酸能够提高脱硫效率。对于反应中结垢的现象,可能造成的原因有以下几个:①溶液的水分蒸发,造成固体析出;②Ca(OH)2或CaCO3结晶析出;③CaSO3或CaSO4从溶液中结晶析出。结垢问题的解决方法如下:①保持吸收塔中液体的含量不变,将气液相对速度提高,通过增大气液接触速率来解决;②向溶液中加入二水硫酸钙来控制吸收液过饱和的现象;③使用添加剂如氯化钙、硫酸镁、氢氧化镁和己二酸来防止设备结垢。在烟气的温降过程中,通过增加水和烟气的接触时间可以提高脱硫效率,但是会使温度降得非常低,会影响烟气的抬升速率,造成大气污染,解决这一问题的方法是改进水的雾化方式,并在不影响脱硫效率的情况下缩减水与烟气的接触时间[46]。
石灰-石膏法广泛用于电厂烟气、冶炼废气等的净化。运用石灰-石膏法脱硫的工艺主要有稀钙浆喷淋法和两级喷淋式脱硫两种[47]。稀钙浆喷淋法:喷淋式吸收塔是使石灰石浆滴与烟气有效接触反应,除去烟气中的SO2的装置,经增稠器和离心分离机浓缩、分离获得可利用的石膏。这种工艺使亚硫酸钙在循环罐中充分接触氧化成硫酸钙。两级喷淋式脱硫工艺是在喷淋式脱硫工艺的基础上发展起来的,基本工艺是在单级喷淋塔的前部再加一级喷淋塔,石灰浆液在每级喷淋塔内形成独立的循环回路,脱硫产物分别进入增稠器制成石膏。
氧化镁脱硫剂具有高效脱硫效率、脱除过程中脱硫剂的消耗量较少、系统比较简单、设备面积小、施工时间短、安装时间快,初期投资较少且反应生成的副产物能够在一定的条件下进行回收利用,不容易形成二次污染,能耗低,操作简单以及成本较低的优点,所以氧化镁脱硫剂被广泛研究[48]。同时通过硫酸镁回收以及对硫酸镁废水处理能够节省基建投资和运行成本。
郭晴等[49-50]提出我国氧化镁矿产的储量占世界矿产储量的80%,资源丰富,具备使用镁法脱硫的良好条件。同时我国也是硫酸的生产和消耗大国,利用再生法吸收烟气中的二氧化硫生产硫酸,可以变废为宝,实现资源的循环利用。氧化镁脱硫的原理是氧化镁浆液吸收SO2,生成MgSO3或者继续氧化为MgSO4[51-52]。反应过程如式(19)~式(23)。
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镁法脱硫共有3种:抛弃法、再生法、氧化回收法[53]。最经典的脱硫方法是再生法,工艺过程主要包括:氧化镁浆液制备、烟气中二氧化硫吸收、固体分离和干燥、亚硫酸镁再生。对于脱硫吸收塔的研发,RAIMOHAN等[54]提出了一种新型双流喷雾脱硫塔,该塔能够对SO2质量浓度在400~1200mg/m3范围内工业排放气体具有很高的脱除率,脱硫效率能够达到99%以上,可以用于不同领域低浓度SO2气体的脱除。袁刚[55]的实验发现氧化镁脱硫可分为两个阶段,当pH>6的时候,随着pH降低脱硫效率也明显下降;当pH<6时,pH下降的时候脱硫效率基本保持恒定,即这时候的pH对于脱硫效率基本没有影响。在脱除过程向氧化镁脱硫剂中加入等量的硫酸镁将提高脱硫速率。
氧化镁脱硫技术是目前相对发展很完善且应用较广的一种脱硫方法,国外很早就开始研究氧化镁脱硫剂,在国内镁基湿法烟气脱硫工艺已经被越来越多地应用于工业锅炉烟气脱硫中。例如南通乙酸纤维有限公司的煤粉锅炉[56],南纤公司氧化镁脱硫工艺包括二氧化硫吸收系统、水处理系统、MgO卸料系统、MgO消解系统和硅藻土溶解系统。氧化镁脱硫工艺是中小型锅炉新上脱硫装置及老机组改建添加脱硫装置的优选。
对于氧化锰脱硫剂,最早的应用是用锰离子进行脱硫,童志权等[57]提出用含Mn2+的吸收液催化氧化脱除烟气中二氧化硫。Mn2+的脱硫率与pH有一定的关系,最适合的pH大概在5~6,脱硫率可以达到70%以上,反应随着进气口SO2浓度增加,吸收速率变慢。氧化锰可以用软锰矿来代替,软锰矿的主要成分是MnO2,在酸性溶液中具有较强的氧化性,烟气中的SO2在水溶液中与软锰矿粉主要发生以下氧化还原反应[58]:MnO2吸收SO2生成MnSO4或者MnS2O6,反应如式(24)、式(25)。
—→(25)
氧化锰烟气脱硫中可能的影响因素有5种,这5种影响因素影响程度大小为:烟气SO2进口浓度>液气比>空塔气速>液固比>温度[59]。温度越高,脱硫率下降的越快,同一时刻锰的浸出率升高,SO42–的生成量增大;矿浆pH越低(pH≈1),脱硫率下降的越快,同一时刻锰的浸出率升高,SO42–的生成量增大;液固比越高,高脱硫率的持续时间越短,即脱硫率下降的越快,同一时刻锰的浸出率升高,SO42–的生成量减小;搅拌速度越大,脱硫率下降的越快,相同时刻锰的浸出率越高,生成SO42–的量越多[60]。
氧化锰脱硫剂的工业应用中多使用低品位软锰矿来代替氧化锰,燃煤锅炉烟气脱硫资源化利用中试系统包括燃煤锅炉烟气脱硫和后续处理两部分,燃煤锅炉烟气脱硫部分主要由喷淋鼓泡脱硫塔、加热器、风机等组成,后续处理部分包括脱硫液净化除杂、高温氧化处理等。燃煤锅炉烟气脱硫资源化利用中试研究的适宜工艺条件为:软锰矿粒径为0.125mm,矿浆中硫酸浓度为20g/L,液固比为5∶1,反应温度为80℃,反应时间为7h,矿浆流量为50m3/h。在适宜工艺条件下,烟气脱硫率为90.2%,锰浸出率为91.5%[61]。
半干法脱硫技术有喷雾烟气干燥脱硫、NID干燥脱硫、烟气循环流化床脱硫等,这3种技术主要是以CaO为主要原材料。脱硫的机理是将干的脱硫剂喷入塔中,然后与喷入的水与烟气接触,发生氧化反应[62]。其中喷雾烟气干燥脱硫是使用最早的一种半干法脱硫技术,主要是由主吸收剂制备和供给系统、吸收和干燥系统、除尘及物料循环系统等组成,脱硫率能达到80%~90%,这种脱硫方法中除尘器大部分使用袋式除尘器[63]。NID是一种高效的脱硫方法,对于高浓度的SO2具有很好的脱除效果,柳龙等[64]对进气浓度不同情况下的脱硫效果进行了研究,低浓度下脱硫效率更高,在进气浓度为2800mg/m3、反应温度为120℃、Ca/S为1.6、循环倍率为150时、脱硫效果最高,可以达到91%。
对于烟气中SO2脱除的研究,国内外学者已经研究了很多年,不同的金属氧化物脱硫的浓度以及脱硫效果都不同,可以根据不同的需要进行选择,每一种方法都有他们各自的优势及弊端。干法脱硫中目前最常用的是氧化铜脱硫,氧化铜脱硫具有很好的脱硫效率,且氧化铜可根据需要选择不同的载体进行吸附,因此可以处理多种浓度的SO2。氧化铁脱硫剂是一种研发历史较早,而且可以实现资源节约的一种脱硫剂,但是脱硫效果一般,没有实现广泛应用。湿法脱硫中石灰法和氧化镁脱硫都是常用的脱硫方法,但是因为钙基引起脱硫设备的结垢而引起堵塞,使得脱硫系统需要经常维护,无法长期稳定运行,而氧化镁脱硫剂则不存在结垢、堵塞、腐蚀等问题因此被广泛应用。氧化锰脱硫剂是新兴的脱硫剂,可以利用矿浆等物质来代替氧化锰,可以节约资源,实现物质的循环利用,因此有很好的发展前景。
因为这些方法都是用金属氧化剂进行脱硫,而现在大量的有色金属废渣以及尾矿的处理也面临着巨大的问题,全国矿产地有大量的有色金属废渣以及尾矿堆积造成大量的环境污染。云南是有色金属王国,尾矿种类复杂,有铁、铅锌、铜、锡、钛、锰、镍、钨、锑、银、钠、钼等尾矿,其中,铅锌、铜、锰等有色金属尾矿产量较大,这几种尾矿库的数量占全省尾矿库的47%,有色金属残渣中较为常见的有铜渣、锌渣、铝渣、镍渣等。除此之外,还有从铝土矿提炼氧化铝时排出的赤泥、轧钢过程中产生的氧化铁渣等。有色金属废渣中含有有色金属以及贵金属,可以提取有色金属废渣以及尾矿中的成分选择合适的催化剂来脱除硫,例如现在研究的赤泥脱硫等,这是一种很具有研发前景的脱硫剂,这样不仅可以实现对资源的节约,而且可以实现对固体废弃物进行回收利用,可以从源头控制污染,实现资源、环境和效益的有机结合。
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Research progress of common metal oxides for flue gas desulfurization
SUN Lina1,LI Kai1,TANG Lihong1,LIU Na1,NING Ping1,SUN Xin1,2,ZHANG Xu3
(1Faulty of Environmental Science and Engineering,Kunming University of Science &Technology,Kunming 650093,Yunnan,China;2State Key Laboratory of Clean and Exploitation of Complex Non-ferrous Metal Resources,Kunming 650093,Yunnan,China;3Kunming Urban Drainage Stations,Kunming 650034,Yunnan,China)
In this paper,the desulfurization effect of several common flue gas desulfurization metal oxides(SO2)and the influence factors were studied,from the aspects of dry,wet and semi-dry desulfurization factors in detail. Dry desulfurization mainly includes adsorption reaction and oxidation reaction,while wet desulfurization mainly has liquid phase catalytic oxidation,and the main components of desulfurization of semi-dry desulfurization is calcium oxide. Dry desulfurization catalyst has the disadvantages of complex regeneration operation and high preparation cost,while wet flue gas desulfurization technology has high desulfurization efficiency,and wide range applications,which makes it a major method of flue gas desulfurization. However,wet desulfurization also requires large space,and complicated technology,and has the resource wastes and other issues. In this paper,we also compare and summarize the common metal oxide desulfurization characteristics and industrial application situation,analyze the feasibility of pulp desulfurization. The prospects of pulp desulfurization research,which provide a foundation for the research of industrial waste gas purification.
metal oxide;flue gas desulfurization;catalyst support;catalysis;oxidation
X511
A
1000–6613(2017)01–0181–08
10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.023
2016-04-14;修改稿日期:2016-06-10。
孙丽娜(1993—),女,硕士研究生,研究方向为大气污染控制。E-mail xiaohai311521@163.com。联系人:孙鑫,博士,讲师,主要从事大气污染控制及资源化技术的研究。E-mail sunxin_kmust@163.com。