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火力发电厂燃煤烟气中的单质汞主要通过催化氧化和吸附剂吸附的方式脱除。但是,现有的脱汞吸附剂存在竞争吸附、价格昂贵、温度域窄等问题,制约了该技术的广泛使用。因此,以生物质的热解产物生物焦作为绿色廉价高效的汞吸附剂有可能成为最具前途的方法之一。生物焦为高质异性混合物,结构复杂。从微观分子角度研究生物焦分子结构的特征,可获得生物焦的汞吸附机理,对生物焦的汞吸附工艺的开发具有重要的科学意义和实践价值。本论文选用核桃壳生物焦,基于元素分析和工业分析,通过红外光谱分析、XRD,研究了生物焦的化学成分,同时采用13C-NMR测试技术对生物焦分子结构的特征进行分析表征,构建了生物焦的分子结构模型。研究发现核桃壳生物焦主要由C、H、O和N元素构成,芳香碳为生物焦分子结构的主要成分,而脂肪碳则起到联结芳香结构单元的作用。生物焦分子结构模型以芳香结构为主,并含有1个甲基、4个羟基以及8个羰基,分子式为C55H37NO14,Mr=935。所构建分子模型的13C-NMR预测计算光谱图与实验光谱图吻合,且与FTIR、元素分析等表征结果一致。在UFF、Dreiding和MM2三种力场下对三维模型结构进行优化,结果发现在UFF力场下优化后的三维结构总势能最大,为1855kJ·mol-1,而MM2力场下势能最小,为529.4kJ·mol-1。同时通过量子化学半经验PM6方法对三种优化后构象的生成热进行计算可得Dreiding力场下优化的结构更稳定。本论文基于密度泛函理论,对生物焦结构片段进行优化模拟,计算含氧官能团和金属离子对生物焦的汞吸附性能影响,通过计算得出单质汞与生物焦的吸附高度、吸附能和Mulliken布居数。研究发现醛基、羰基官能团促进了生物焦的物理和化学吸附;羟基官能团基本没有影响生物焦的汞吸附能力;醚基抑制了生物焦的汞吸附能力。相比未改性生物焦吸附剂,负载Fe3+、Co3+、Ni2+、Cu2+和Zn2+均能提高其对汞的吸附能力,吸附过程既有物理吸附,也有化学吸附。改性后的生物焦对汞吸附能分别为224.9.1、236.9、78.3、184.5和91.1kJ·mol-1,均大于未改性生物焦的吸附能19.1kJ·mol-1,吸附过程以化学吸附为主。金属离子邻近的碳原子吸附位为主要吸附位点。