基于克劳斯反应的烟气脱硫功能化离子液体再生的研究
SO2作为燃煤烟气产生的主要污染物之一，危害着人体健康和环境安全。另一方面，我国硫资源短缺，而SO2是制备硫磺和硫酸的重要原料，直接排放也造成了资源浪费。离子液体(ILs)是一种由阴阳离子组成的室温熔融盐，在气体吸收领域具有强大的优势。然而常规离子液体仅能通过物理作用吸收较高浓度的SO2，对于烟气中含量较低的SO2(如O.2vol％)，含有一些特殊基团的功能化离子液体能够通过化学作用对其实现有效的捕集。由于这种作用力较强，吸收焓较高，解吸通常需要高温水蒸气汽提的方式。高温解吸不仅能耗较高，影响吸收剂的稳定性，还面临着解吸获得的SO2和水蒸气混合气体难分离的问题。因此，本文旨在寻找一种烟气脱硫功能化离子液体的再生方法，以达到再生效率高、能耗低、产物易分离的目标。由此，通过借鉴液相克劳斯反应，本文向吸收SO2后的功能化离子液体中通入H2S，使功能化离子液体得到温和再生的同时，SO2转化为硫磺得到资源化利用。具体研究了克劳斯反应对功能化离子液体与乙二醇或水作为溶剂的两个体系的再生过程，考察了影响再生转化率的因素，并总结出克劳斯反应在两种体系中不同的机理。主要工作及结论如下: (1)合成了三种乳酸根阴离子功能化离子液体:乙醇胺乳酸盐([MEA]L)，四甲基胍乳酸盐([TMG]L)，四乙基胺乳酸盐([N2222]L)，与乙二醇(EG)按照一定的比例混合配置成吸收剂，对2vol％SO2进行吸收，随后在反应釜中通入H2S进行再生。结果表明，三种吸收剂均无需另外添加任何催化剂即可迅速与H2S反应，达到较高的转化率。其中，在40℃时SO2在[MEA]L+EG（m[MEA]L∶mEG=1∶1）中具有最高的转化率，可达96.4％。此外，克劳斯反应转化率随温度的升高而减小，且不受H2S初始压力（均已过量）和乙二醇质量分数的影响。通过X射线衍射(XRD)表征，产物为斜交硫(S8)。氢核磁共振(1H NMR)表征再生前后的离子液体，结构并未发生变化。经过三次吸收-再生循环，SO2吸收量和克劳斯反应转化率没有发生明显下降，证明该法可以对功能化离子液体与EG二元体系进行高效再生。此外，还研究了硫磺在离子液体中溶解的原因，提出并验证了几种避免硫磺溶解的方法。 (2)将功能化离子液体的溶剂由EG换为水，同样与三种功能化离子液体按照一定的比例配置成吸收剂，通过克劳斯反应进行再生。结果表明，含水体系的转化率明显低于无水体系，且转化率随着水含量的增加而降低，随吸收剂酸性的增强而增加。针对这一现象，本文研究了H2SO3、NaHSO3和Na2SO3水溶液中的克劳斯反应，证实了克劳斯反应转化率与S(Ⅳ)存在形式有关，氧化性:H2SO3＞HSO3-＞SO32-，且三种形式的分布与溶液的pH有关。而结合有水情况下功能化离子液体吸收SO2的机理，在该体系中参与克劳斯反应的是氧化性较弱的HSO3-与SO32-，因此转化率较低。
燃煤烟气;脱硫处理;功能化离子液体;克劳斯反应;再生过程
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
吴卫泽;任树行
2020
中文
X701.3
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）