汞由于其剧毒性、富集性、全球迁移性，威胁着人类健康和生态环境，已引起广泛关注。煤燃烧是最主要的人为汞排放源之一，燃煤汞排放控制对全球汞减排具有重要意义。目前活性炭喷射脱汞具有高效性和应用前景，但脱汞后的吸附剂未实现再生，吸附于活性炭中的汞会产生再释放，造成汞的二次污染。因此，开发高效、廉价的可再生脱汞吸附剂能够在汞减排的同时实现吸附剂的重复利用和汞的有效回收，是燃煤脱汞应用技术的重要发展方向。本文选取过渡金属锰的氧化物作为脱汞活性相制备可再生脱汞吸附剂，对其热再生循环脱汞性能与氧化锰晶格类型的本质联系、汞吸附氧化的作用机制和再生方法、SO2和O2对汞吸附影响的微观作用机理等科学问题进行了深入研究。
　　以 γ-Al2O3为载体，等体积浸渍法制备锰改性氧化铝，在固定床连续汞脱除实验装置上比较了锰盐前驱体对改性氧化铝脱汞性能的影响。通过氮吸附、扫描电子显微镜及元素能谱分析、X射线光电子能谱分析表征了醋酸锰改性氧化铝的微观形貌结构、元素成分和表面锰的化学形态。在固定床连续汞脱除实验、脉冲注射汞脱除实验和程序升温脱附实验装置上，研究了汞的吸附氧化脱除机制和热再生循环脱汞性能，通过X射线光电子能谱分析确定了热再生前后锰化学形态的变化。醋酸锰改性氧化铝的累积汞脱除量为硝酸锰改性的1.3~1.4倍。锰元素以II、III、IV价混合氧化物的形式负载于氧化铝表面，形成均匀分布的脱汞活性位。温度高于125℃时，脱汞效率超过80%。汞的脱除包括吸附和氧化，效率分别为50%和40%。负载型锰氧化物经过多次热再生过程后向低价态转化，限制了锰改性氧化铝的循环脱汞性能。在脉冲注射汞脱除实验中，锰改性氧化铝可实现多次高效循环脱汞。
　　为确定热再生性能与氧化锰晶格结构的本征关系，在固定床连续汞脱除实验装置上，对不同晶型锰氧化物的汞脱除效率和热再生性能进行了比较。α-MnO2和γ-MnO2在120分钟内的汞脱除效率均维持在96%以上，远高于其它晶型的氧化锰。结合热再生循环汞脱除实验结果和热重分析、X射线衍射分析、透射电子显微镜、X射线光电子能谱分析结果，揭示了热再生过程对 α-MnO2和 γ-MnO2本身物理结构和化学活性的作用机制。α-MnO2经过5次热再生后仍然保留其128μg/g的初始汞脱除量，而γ-MnO2的初始汞脱除量从首次的131.42μg/g降低至5次循环后的68.74μg/g。分析表明，γ-MnO2对晶格氧的贮存能力弱于 α-MnO2，经过热再生过程的累积作用后，引发了结构重组和相变，表现为孔隙结构塌缩熔聚，造成汞脱除反应所需的微观表面减少，氧化性能减弱，是造成其热再生循环脱汞性能下降的主要原因。
　　采用α-MnO2原位生长的方法制备了Fe-Si-Mn核壳结构的锰基磁性复合材料，在固定床连续汞脱除实验装置上进行了锰基磁性复合材料的汞脱除特性研究。为考察烟气组分中SO2/SO3对汞吸附的影响，采用异丙醇溶液吸收法（IPA）进行采样，对 SO2的吸附氧化形态及其转化进行了深入探讨，明确了SO2对汞脱除特性的影响机制。在模拟烟气条件进行了锰基磁性复合材料的再生循环脱汞性能，探索了水洗再生和热再生结合的可行性。SO2经过气固非均相氧化、吸附，生成沉积式硫酸盐和游离态 SO3。温度的升高促进了锰基磁性复合材料表面的硫酸盐化，造成汞吸附活性位的消耗与覆盖。O2通过与SO2竞争吸附，削弱了SO2对汞脱除反应的抑制作用。低温含氧气氛可缓解SO2对锰基磁性复合材料的硫酸盐化作用。水洗和热再生结合的再生方法可实现锰基磁性复合材料的稳定循环脱汞。水洗液中 SO42-和 Mn 的定量分析表明，SO2最终以 Mn2(SO4)3和Mn(SO4)2的形态稳定吸附于样品表面。
　　基于密度泛函理论，建立了α-MnO2 (100)表面体系，采用电荷布居分析、电子密度差、分波态密度分析了Hg0吸附的内在机制。对Hg0、O2、SO2三种气体分子的竞争吸附强弱关系进行了比较。从表面体系的能带结构、电子转移、汞吸附和脱附能量关系的角度，阐释了O2和SO2表面修饰对Hg0吸附的影响机制。Hg0的价层电子通过吸附位点原子蓄入整个表面体系，引起表面模型中其余的锰和氧原子周围电子密度的改变，完成化学吸附。O2和SO2均可通过化学吸附在α-MnO2 (100)表面的二配位氧原子和五配位锰原子位点吸附，SO2在五配位锰原子位点的吸附优先性远高于O2和Hg0，表现出较强的吸附位点竞争性。SO2和O2的解离吸附通过改变带隙的大小，调质表面体系的电子流动性和电子空穴，分别抑制和促进Hg0的吸附反应，该推论通过吸附能的变化得到了验证。不含SO2时，吸附态汞易与解离吸附氧结合生成脱附能较高的HgO；含SO2时，吸附态汞脱附为自由Hg0和游离态HgO反应的吸热量明显下降，表明SO2对吸附态汞的脱附表现为促进作用。