CN101537300B - 一种可循环的二氧化硫气体吸收剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可循环的二氧化硫气体吸收剂及其制备方法，所述的吸收剂是一种阳离子为多氮直链胺类的离子液体，由以下化学式所示：
式中PA为多氮直链胺类物质，R为H或者C1～C2烷基。本吸收剂的制备方法是以多氮直链胺类物质和短链羧酸为原料或者在溶剂中或者无溶剂直接进行反应。SO2的吸收量随着功能氮数量的增加而增加，并可解吸多次循环使用，能快速达到吸收、解吸平衡，解吸率＞95％，可以作为二氧化硫等酸性气体的吸收剂。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种气体吸收剂及其制备方法，具体地说是一种可循环使用的SO2气体吸收剂及其制备方法与吸收、解吸处理。
二、背景技术
室温离子液体是一类可以在室温甚至低于室温下被当做液态介质或“软”功能材料来应用和研究的物质。在小于100℃下呈液态，粘度较低，完全是由阴阳离子组成的，一般具有液态范围宽、溶解范围广、蒸汽压极低、稳定性好、酸碱性可调、电化学窗口宽和易于循环利用等独特性质；可以通过采用不同的阴、阳离子组合来调节离子液体的物理和化学性质，即离子液体具有优良的可设计性，可以通过分子设计获得特殊功能的离子液体。因此，离子液体被称为“绿色可设计溶剂”。由于离子液体这些特殊的性质，有望在21世纪取代易挥发对环境有害的传统有机溶剂。
我国是一个产煤大国，绝大多数单位采用的是燃煤锅炉，对于含硫量为2％的煤来说，每燃烧一吨煤，就有近40kg二氧化硫排放出来。由于大量二氧化硫排放于空气中，造成我国有40％以上的地区降酸雨，污染大气环境。由于环境保护防治酸雨的需要，必须脱除燃煤等工业设备所排放烟气中的二氧化硫。现有技术是在上述工业设施上加装排烟脱硫装置，而这些烟气脱硫装置，都必须使用某种二氧化硫吸收剂，以吸收脱除烟气中的二氧化硫。为了控制二氧化硫排放，治理酸雨污染，减少经济损失，国内外已研究开发出了200多种烟气脱硫技术，工业化应用的已达10余种之多，最常用的有石灰石/石膏法、喷雾干燥法、吸收再生法、炉内喷钙法、氧化铜法等。
纵观现有的脱硫技术，虽然方法众多，但存在的共同问题是成本高，由此不仅成为污染治理企业的沉重负担，而且也制约脱硫治理工程的实施。因此，大气污染的治理急需低成本，能够资源化，操作管理简单，小型化的脱硫方法以及脱硫装置。
基于环境保护要求，已有人考虑以用离子液体作为SO2气体吸收剂。申请号为200810025024.7中国专利文献中合成的离子液体吸收剂，考虑的是的是阴离子为二元羧酸系列的吸收剂。申请号为200510069406.6中国专利文献中合成液体吸收剂，采用该类液体吸收SO2气体，而合成的物质为醇胺羧酸盐，其阳离子是乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺和二苷醇胺，阴离子是乙酸和乳酸，并且该类离子液体都是接在一个氮原子上。申请号为200510073345.0中国专利文献利用氨基酸类离子液体吸收酸性气体，主要是用来吸收CO2气体，没有SO2吸收实施例，制备得到的氨基酸类离子液体成本高，不利于工业化。该专利文献合成氨基酸离子液体是一种咪唑型离子液体，是将氨基酸作为一个基团，接在五元环的一个氮原子上。
三、发明内容
本发明旨在提供一种可循环使用的多氮直链胺类功能离子液体作为SO2气体的吸收剂及其相应的吸收、解吸处理方法，所要解决的技术问题是遴选适宜的多氮直链胺类阳离子和短链羧酸类阴离子并构建相应的制备方法并研究其SO2酸性气体的吸收、解吸性能。
本发明所称的可循环的SO2气体吸收剂为多氮直链胺类离子液体吸收剂，是以下结构式所示的多氮直链胺类羧酸盐：
结构式中PA为多氮直链胺类物质，R为H或者C1～C2烷基。
具体地说，PA选自二乙烯三胺或者三乙烯四胺或者四乙烯五胺或者多乙烯多胺或者重氮氨基苯或者双氰胺等及其各自衍生物，其中在氮原子上有取代基；
R为H或者甲基或者乙基等。
以上所述的SO2气体吸收剂的制备方法，是以多氮直链胺类物质和短链羧酸为原料，包括反应过程和分离过程，所述的反应过程是在溶剂中于10～90℃条件下反应2～48小时，溶剂可选自蒸馏水或者乙醇，反应结束后分离脱去溶剂和过量的反应物得到吸收剂。
以上所述的SO2气体吸收剂的制备方法，是以多氮直链胺类物质和短链羧酸为原料，包括反应过程和分离过程，所述的反应过程是多氮直链胺类物质和短链羧酸在100～200℃条件下无溶剂直接反应1～24小时，反应结束后蒸去过量的反应物得到吸收剂。
本吸收剂多数为液体，少数为固体。对于液体吸收剂，通过将SO2直接通入其中；对于固体吸收剂，将其导入U型管进行吸收，或者负载在活性炭或者硅胶上面吸收酸性气体。
本吸收剂可以在室温下或10～80℃恒温条件下快速高效地吸收SO2气体，并有极高的选择性。所谓快速是指在0.5～3小时内即可达到吸附平衡。所谓高效是指吸收剂吸收SO2摩尔分数高于0.5000，并且随着氮原子的增加，吸收SO2的量逐渐增加，1小时的吸收率高于98.00％。所谓选择性是指不仅可吸收纯酸性气体中的SO2，而且可吸收混合酸性气体，比如烟道气、机动车尾气和石油采出气等中的SO2。
本吸收剂吸附SO2达到平衡后可以通过加热使SO2解吸，1小时内解吸率一般＞90％，有的高达99％。吸收剂加热解吸时，底部有黄色物质产生，解吸后的吸收剂仍可以循环使用。进行多次循环后，仍具有快速、高效的吸收，解吸性能。
本发明涉及离子液体吸收和解吸SO2酸性气体优点如下：
1)吸收剂物质稳定，吸收剂合成条件温和，时间短；
2)吸收剂具有选择吸收性，可用于混合气体中SO2的吸收；
3)吸收的SO2能可逆解吸出来并且作为硫资源回收；
4)加热后SO2能转化为单质硫从液体中析出；
5)吸收、解吸SO2气体操作条件温和，时间短；
6)吸收剂可以循环使用。
与传统的脱硫工艺相比，缩短了流程，简化了工艺，并且提高了脱硫效果，具有SO2去除率高、吸收剂可以循环使用，运行费用低、经济效益明显和不产生二次污染的优点。所以离子液体吸收及解吸SO2气体的工艺技术应用前景相当广阔。
四、具体实施方式：
本发明用以下实施例说明，但本发明并不限于下述实施例，在不脱离前后所述宗旨的范围下，变化实施都包括在本发明的技术范围内。
实施例1
将三口烧瓶，冷凝回流管，封口滴液漏斗和搅拌装置组装一起。二乙烯三胺与甲酸的摩尔量之比为1∶3，以水为溶剂。温度控制在60℃，滴加甲酸溶液，反应12小时。将混合液体80℃减压旋转蒸馏脱除溶剂及过量的原料，得到的液体再放入50℃真空干燥箱24小时，最后得到二乙烯三胺甲酸黄色离子液体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取二乙烯三胺甲酸离子液体置于吸收器中，吸收器置于30℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，吸收剂变成黄色透明，1小时可以达到平衡吸收量的98.35％，二乙烯三胺甲酸吸收SO2摩尔分数为0.5050。
将吸收平衡的离子液体置于100℃的环境中，进行SO2解吸试验，3小时可以达到解吸平衡，解吸率达到91.01％。
将解吸的吸收剂再进行SO2气体的吸收，吸收SO2的摩尔分数为0.5010，2小时解吸率为98.5％。
实施例2
将三口烧瓶，冷凝回流管，封口滴液漏斗和搅拌装置组装一起。三乙烯四胺与甲酸的摩尔量之比为1∶4，以乙醇为溶剂。温度控制在90℃，滴加甲酸溶液，反应6小时。将混合液体50℃减压旋转蒸馏脱除溶剂及过量的原料，得到的液体再放入50℃真空干燥箱36小时，最后得到三乙烯四胺甲酸黄色离子液体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取三乙烯四胺甲酸离子液体置于吸收器中，吸收器置于30℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，吸收剂变成黄色透明，1小时可以达到平衡吸收量的99.54％，三乙烯四胺甲酸吸收SO2摩尔分数为0.5667。
将吸收平衡的离子液体置于120℃的环境中，进行SO2解吸试验，1.5小时可以达到解吸平衡，解吸率达到99.00％。
实施例3
将三口烧瓶，冷凝回流管，封口滴液漏斗和搅拌装置组装一起。四乙烯五胺与甲酸的摩尔量之比为1∶5，以乙醇为溶剂。温度控制在60℃，滴加甲酸溶液，反应10小时。将混合液体50℃减压旋转蒸馏脱除溶剂及过量的原料，得到的液体再放入50℃真空干燥箱36小时，最后得到四乙烯五胺甲酸棕黄色离子液体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取四乙烯五胺甲酸离子液体置于吸收器中，吸收器置于30℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，吸收剂变成黄色透明，1小时可以达到平衡吸收量的98.27％，四乙烯五胺甲酸吸收SO2摩尔分数为0.6578。
将吸收平衡的离子液体置于130℃的环境中，进行SO2解吸试验，1小时可以达到解吸平衡，解吸率达到95.82％。
实施例4
将三口烧瓶，冷凝回流管，封口滴液漏斗和搅拌装置组装一起。多乙烯多胺与甲酸反应，甲酸过量，以水为溶剂。温度控制在80℃，滴加甲酸溶液，反应8小时。将混合液体80℃减压旋转蒸馏脱除溶剂及过量的原料，得到的液体再放入50℃真空干燥箱36小时，最后得到多乙烯多胺甲酸棕红色离子液体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取多乙烯多胺甲酸离子液体置于吸收器中，吸收器置于60℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，吸收剂变成粘稠液体。
将吸收平衡的离子液体置于130℃的环境中，进行SO2解吸试验，1小时可以达到解吸平衡。将吸收剂重复进行吸收，解吸实验。
实施例5
将三口烧瓶，冷凝回流管，封口滴液漏斗和搅拌装置组装一起。二乙烯三胺与乙酸的摩尔量之比为1∶2，以乙醇为溶剂。温度控制在40℃，滴加乙酸溶液，反应10小时。将混合液体70℃减压旋转蒸馏脱除溶剂及过量的原料，得到的液体再放入50℃真空干燥箱36小时，最后得到二乙烯三胺乙酸浅黄色离子液体固体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取二乙烯三胺乙酸离子液体置于固体吸收器中，吸收器置于10℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，吸收剂变成浅黄色固体，并且吸收剂变湿，2小时可以达到平衡吸收量的98.13％。
将吸收平衡的离子液体置于100℃的环境中，进行SO2解吸试验，1小时可以达到解吸平衡，解吸率达到94.00％。经过两次循环后，2小时SO2解吸率保持98.00％左右。
实施例6
将三口烧瓶，冷凝回流管，封口滴液漏斗和搅拌装置组装一起。三乙烯四胺与乙酸的摩尔量之比为1∶4，以乙醇为溶剂。温度控制在40℃，滴加乙酸溶液，反应24小时。将混合液体60℃减压旋转蒸馏脱除溶剂及过量的原料，得到的液体再放入50℃真空干燥箱36小时，最后得到三乙烯四胺乙酸黄色离子液体固体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取三乙烯四胺乙酸离子液体置于吸收器中，吸收器置于50℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，0.5小时可以达到平衡吸收量的95.34％。
将吸收平衡的离子液体置于140℃的环境中，进行SO2解吸试验，0.5小时可以达到解吸平衡，解吸率达到96.00％。
实施例7
将三口烧瓶，冷凝回流管，封口滴液漏斗和搅拌装置组装一起。四乙烯五胺与乙酸的摩尔量之比为1∶5，以乙醇为溶剂。温度控制在40℃，滴加乙酸溶液，反应8小时。将混合液体70℃减压旋转蒸馏脱除溶剂及过量的原料，得到的液体再放入50℃真空干燥箱36小时，最后得到四乙烯五胺乙酸深黄色离子液体固体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取四乙烯五胺乙酸离子液体置于吸收器中，吸收器置于25℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，1.5小时可以达到平衡吸收量的98.00％。
将吸收平衡的离子液体置于120℃的环境中，进行SO2解吸试验，1小时可以达到解吸平衡，解吸率达到94％。
实施例8
将三口烧瓶，冷凝回流管，封口滴液漏斗和搅拌装置组装一起。多乙烯多胺与乙酸反应，乙酸过量，以乙醇为溶剂。温度控制在40℃，滴加乙酸溶液，反应10小时。将混合液体70℃减压旋转蒸馏脱除溶剂及过量的原料，得到的液体再放入50℃真空干燥箱36小时，最后得到多乙烯多胺乙酸棕黄色离子液体固体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取多乙烯多胺乙酸离子液体置于吸收器中，吸收器置于80℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，3小时可以达到吸收平衡。
将吸收平衡的离子液体置于100℃的环境中，进行SO2解吸试验，1小时可以达到解吸平衡。
实施例9
重氮氨基苯与甲酸的摩尔量之比为1∶3，放入聚四氟乙烯衬套中，再放入高压釜中，于100℃环境中反应16小时。然后将得到的混合物放入90℃真空干燥箱中24小时，最后得到重氮氨基苯甲酸离子液体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取重氮氨基苯甲酸离子液体置于吸收器中，吸收器置于25℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，2小时可以达到平衡吸收量的95.20％。
将吸收平衡的离子液体置于120℃的环境中，进行SO2解吸试验，1小时可以达到解吸平衡，解吸率达到99.00％。
实施例10
双氰胺与甲酸的摩尔量之比为1∶3，放入聚四氟乙烯衬套中，再放入高压釜中，于200℃环境中反应1小时。然后将得到的混合物放入100℃真空干燥箱中24小时，最后得到双氰胺甲酸离子液体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取双氰胺甲酸离子液体置于吸收器中，吸收器置于25℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，2小时可以达到吸收平衡。
将吸收平衡的离子液体置于100℃的环境中，进行SO2解吸试验，1小时可以达到解吸平衡。
实施例11
将三口烧瓶，冷凝回流管，封口滴液漏斗和搅拌装置组装一起。二乙烯三胺与丙酸的摩尔量之比为1∶2，以乙醇为溶剂。温度控制在10℃，滴加丙酸溶液，反应48小时。将混合液体70℃减压旋转蒸馏脱除溶剂及过量的原料，得到的液体再放入50℃真空干燥箱36小时，最后得到二乙烯三胺丙酸浅黄色离子液体固体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取二乙烯三胺丙酸离子液体置于固体吸收器中，吸收器置于25℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，吸收剂变成浅黄色固体，并且吸收剂变湿，1小时可以达到平衡吸收量的98.0％。
将吸收平衡的离子液体置于120℃的环境中，进行SO2解吸试验，2小时可以达到解吸平衡，解吸率达到99.00％。经过循环后，2小时SO2解吸率保持95.00％左右。
实施例12
三乙烯四胺与丙酸的摩尔量之比为1∶4，放入聚四氟乙烯衬套中，再放入高压釜中，于100℃环境中反应24小时。然后将得到的混合物放入90℃真空干燥箱中24小时，最后得到三乙烯四胺丙酸离子液体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取三乙烯四胺丙酸离子液体置于吸收器中，吸收器置于25℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，1小时可以达到平衡吸收量的94.10％。
将吸收平衡的离子液体置于100℃的环境中，进行SO2解吸试验，2小时可以达到解吸平衡，解吸率达到98.00％。
实施例13
N，N-二乙基-1，4-戊二胺与甲酸的摩尔量之比为1∶3，放入聚四氟乙烯衬套中，再放入高压釜中，于100℃环境中反应13小时。然后将得到的混合物放入90℃真空干燥箱中24小时，最后得到N，N-二乙基-1，4-戊二胺甲酸离子液体。将吸收剂放置在50℃的真空干燥箱中待用。
准确称取N，N-二乙基-1，4-戊二胺甲酸离子液体置于吸收器中，吸收器置于25℃的恒温体系中，向吸收器中通入SO2气体，1小时可以达到平衡吸收量的92.40％。
将吸收平衡的离子液体置于100℃的环境中，进行SO2解吸试验，2小时可以达到解吸平衡，解吸率达到95.30％。
Claims (3)
1.一种可循环的二氧化硫气体吸收剂，其特征在于：由以下结构式所示的多氮直链胺类羧酸盐物质：
结构式中PA为多氮直链胺类物质，R为H或者C1～C2烷基；所述的PA选自二乙烯三胺或者三乙烯四胺或者四乙烯五胺或者多乙烯多胺或者重氮氨基苯或者双氰胺及其各自衍生物，其中在氮原子上有取代基。
2.由权利要求1所述的吸收剂的制备方法，以多氮直链胺类物质和甲酸或乙酸为原料，包括反应过程和分离过程，其特征在于：所述的反应过程是在溶剂中于10～90℃条件下反应2～48小时，所述的溶剂选自蒸馏水或者乙醇。
3.由权利要求1所述的吸收剂的制备方法，以多氮直链胺类物质和甲酸或乙酸为原料，包括反应过程和分离过程，其特征在于：所述的反应过程是多氮直链胺类物质和短链羧酸在100～200℃条件下无溶剂直接反应1～24小时。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Anqing Xinshuguang Fine Chemical Co., Ltd. Assignor: Hefei University of Technology Contract record no.: 2012340000192 Denomination of invention: Recyclable sulfur dioxide gas absorbent and preparation method thereof Granted publication date: 20110810 License type: Exclusive License Open date: 20090923 Record date: 20120618 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110810 Termination date: 20170417 |