燃煤汞排放量占人为汞排放量的比重较高,吸附剂喷射脱汞技术因其高效、操作简单的优点在部分场合得到应用。然而,该技术也因成本高、竞争吸附、温度域狭窄等问题,无法大规模推广。由铁基修饰改性的核桃壳生物焦以其成本低、吸附效率较高、再生性能优异等特点成为潜在新型吸附剂。铁基改性生物焦属于高分子质量混合物,结构复杂,其汞吸附性能主要由结构特性与表面化学性质两方面决定。因此,从微观角度解析探究铁基改性生物焦的分子结构对揭示铁基改性生物焦汞吸附作用机制与提高改性生物焦汞吸附性能具有重要意义。本论文选取铁基掺杂率10%的核桃壳生物焦作为研究对象,基于密度泛函原理,借助元素分析、傅里叶红外光谱、X射线衍射光谱、拉曼光谱、核磁共振碳谱等多种宏观表征手段,研究了铁基改性生物焦的元素组成、官能团种类、晶相结构、微观形貌、分子骨架及碳链结构,构建了缺陷型碳环掺杂高价金属的铁基改性生物焦三维分子结构单体模型,模拟了Hg~0在铁基改性生物焦表面吸附的反应路径,确定了Hg~0在铁基改性生物焦表面吸附氧化反应的活化能垒与决速步骤,揭示了改性生物焦吸附Hg~0的两种反应机制与相应成键机理。在探究生物焦再生可行性的基础上,揭示失活生物焦不同吸附位点的再生反应机制,探究了含氧官能团与气相组分对铁基改性生物焦汞吸附的影响规律。研究发现铁基改性生物焦由C、H、O、Fe、N等元素构成,分子结构以多环芳香碳为主,脂肪碳起连接作用。铁基改性生物焦的分子结构式为C46H24O12NFe2,Mr=894,XBP=0.59,构建的铁基改性生物焦分子模型的预测碳谱图与试验测得的核磁共振碳谱图相符,验证了模型的正确性。铁基改性生物焦表面Hg~0吸附途径多样化,吸附位点不唯一。Hg~0作为Lewis碱与作为Lewis酸的改性生物焦发生非均相氧化反应,Hg-O-Fe-Ox-1和络合物Hg-OM是Hg~0氧化后的主要赋存形态。其中,带有电子的氧空位是化学吸附位点,Fe3+、晶格氧与化学吸附氧是改性生物焦中表面吸附的氧化位点,四者的耦合作用共同实现了对Hg~0的吸附与氧化。改性后生物焦的五个吸附位点的吸附能分别为-341.52k J/mol,-268.89k J/mol,-182.25k J/mol,-171.24k J/mol,-201.52k J/mol,均属于化学吸附。失活的改性生物焦可通过氧气补充失去的晶格氧或化学吸附氧达到再生目的,但受到氧链长度的限制,一次再生最大汞吸附效率下降,约为改性生物焦初次汞吸附效率的90%。含氧官能团通过改变铁基改性生物焦的LUMO轨道能级与调控改性生物焦表面电荷影响改性生物焦的汞吸附性能,其中羟基对改性生物焦汞吸附产生抑制作用,醛基、酮基、羧基对改性生物焦汞吸附起到促进作用,促进程度由高到低为:醛基＞酮基＞羧基。CO2与HCl两种气相组分通过生成新的吸附位点促进改性生物焦汞吸附性能与吸附效率,而SO2消耗了铁基改性生物焦表面高价金属和晶格氧,与Hg~0形成竞争吸附,改性生物焦汞吸附效率下降至纯N2气氛的58%。