CN109569537B - 一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法及应用 - Google Patents

一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法及应用，具体为将纸浆纤维、热熔纤维和阳离子改性增强树脂混合并进行疏解，疏解完毕后加入阳离子聚丙烯酰胺混匀，然后在造纸机上抄纸，干燥后得纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料。采用热熔纤维和阳离子改性增强树脂协同的方式，降低树脂的用量，减少对纤维孔隙结构的破坏，同时通过热熔纤维的形态调控进一步优化材料的孔隙结构和表面性能，提高纸张的力学强度和吸附性能。本发明制备工艺简单，操作方便，成本较低，对二氧化硫和硫化氢的吸附效果好，可用于净化天然气或吸附工业生产中产生的二氧化硫和硫化氢等有毒气体。

Description

一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及轻工技术及高分子材料领域，具体涉及一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法及应用。
背景技术
天然气在人类日常生活，工业生产等诸多领域发挥着重要的作用，成为人类密不可分的资源之一。随着天然气的不断被发现，我国天然气开发利用越来越受重视。然而，在现实生活中，天然气在运输过程中常常会出现冰堵情况或天然气气质达不到相应的要求而导致的其他安全事故等，不仅增加了天然气相关企业的运营成本，更在一定程度上阻碍了天然气进一步广泛使用的进程。不仅如此，天然气的燃烧，会产生诸如H2S，SO2和二氧化碳等的有毒气体，这些气体具有较强的酸性和腐蚀性，不仅对工业设备及管路造成严重腐蚀，同时不同浓度的有毒气体泄漏可对人体造成不同程度的伤害。因此，有效地开展天然气的净化处理成为一个重要的研究课题。目前，人们对天然气的净化处理方式主要利用联合装置，气相水解法、脱硫溶剂串级吸收法等吸收天然气中的相应物质，尤其是在吸收法工程中，吸附剂的选择显得尤其重要，现有吸附剂主要包括分子筛，活性炭，金属氧化物，膜吸附，离子液体，杂化化合物等材料，虽然这些材料具有较出色的脱硫性能，但是将其装在吸附装置中，仍存在吸附效率低，吸附阻力大等问题，因此，制备合适的天然气吸附剂显得尤为重要。
煤化工、石油化工，及炼厂等企业在生产中对含硫原油或者含硫煤进行加工处理，产生大量的含硫废气，如二氧化硫和硫化氢，这些尾气若不经处理直接排放，不仅达不到国家的环保要求，更会给社会环境和民众的身体健康造成危害，加重酸雨等气象灾害。因此，工业尾气脱硫处理工艺 一直是石油化工等行业关注的重要课题。工业中的含硫废气通常采用硫回收装置以单质硫的形式或溶剂吸收法对尾气进行处理，处理工艺复杂，成本高，而且处理效果差。
纸作为一种传统的工业产品，具有质轻，便宜，易得等的优点，如若将其作为硫化氢或二氧化硫的吸附材料，与其他吸附材料相比，具有不可替代的优势，然而，传统的纸张用在吸附材料上具有吸附率低，强度低容易破损等的缺点，因此改善传统纸张作为吸附材料的性能具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中对二氧化硫和硫化氢处理工艺复杂，吸附剂吸附效率低，传统纸纤维之间结合力很弱，功能基团单一，力学性能和吸附效率低的缺点，本发明提供了一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法及应用。
一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法，将纸浆纤维、热熔纤维和阳离子改性增强树脂混合后分散在水中，疏解得混合浆料，向混合浆料中加入阳离子聚丙烯酰胺并混合均匀，然后在造纸机上抄纸，干燥后得纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料。
优选地，所述的纸浆纤维为马尾松、落叶松、红松、云杉、杨木、桉木、枫木、稻草、麦草、芦苇、竹子、甘蔗渣、桑皮、棉杆和亚麻纸浆纤维中的一种。
优选地，所述的热熔纤维为聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种；本发明所述热熔纤维主要是为了增强纸张的力学性能，替代一部分阳离子改性增强树脂在木浆纤维中的含量，避免阳离子改性增强树脂过量影响纸张的孔结构，影响吸附作用。
优选地，所述的阳离子改性增强树脂为阳离子改性的酰胺树脂、环氧树脂、酚醛树脂和脲醛树脂中的一种；阳离子改性后的增强树脂，一方面是增强纸张的力学性能，另一方面可以发挥对二氧化硫和硫化氢的有效吸附作用。
优选地，所述的热熔纤维和阳离子改性增强树脂的分子量为1000~100000。
优选地，所述的纸浆纤维与热熔纤维的质量比为25~100 : 1。
优选地，所述的纸浆纤维与阳离子改性增强树脂的质量比为100~1000:1。
优选地，所述的混合浆料中纸浆纤维与水的质量体积比为1:50。
优选地，所述的阳离子聚丙烯酰胺为质量分数为1‰的水溶液；所述的纸浆纤维与阳离子聚丙烯酰胺的质量比为10000：1；阳离子聚丙烯酰胺主要是增强纸浆纤维与阳离子增强树脂之间的絮凝作用，使纸浆纤维与阳离子增强树脂可以有效的结合在一起。
优选地，使用标准纤维疏解机进行疏解，疏解转速为2000r/min，疏解时间为10min。
优选地，所述的二氧化硫/硫化氢吸附纸的定量为200±10g/m2，厚度为1±0.05mm。
本发明所述的一种二氧化硫/硫化氢吸附纸，主要是基于增强树脂中的阳离子可与二氧化硫和硫化氢等气体发挥静电吸附作用，从而使纸张具备吸附有害气体的作用。利用本发明提供的二氧化硫/硫化氢吸附纸对天然气进行处理，可有效吸附天然气中的二氧化硫和硫化氢等有害气体，从而实现对天然气的净化。利用本发明提供的二氧化硫/硫化氢吸附纸，可对工业生产中产生的二氧化硫和硫化氢尾气进行吸附，防止其污染环境。
有益效果
（1）本发明结合传统造纸工艺与原理制备高附加值纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料，制备工艺简单，操作方便，成本较低，对二氧化硫和硫化氢的吸附效果好。
（2）本发明采用热熔纤维和增强树脂协同作用的方式，一方面降低增强树脂的用量，减少对纤维孔隙结构的破坏，另一方面通过热熔纤维的形态调控优化材料的孔隙结构和表面性能，提高纸张的力学强度和吸附性能。
（3）本发明制备的纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料，使用便捷，易存储，可净化天然气或吸附工业生产中产生的二氧化硫或硫化氢等有毒气体。
附图说明
图1为纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料对二氧化硫和硫化氢的吸附试验装置图
1. 氮气气瓶；2. SO2 /H2S气体气瓶；3. 减压阀；4. 气体质量流量计；5. 混合瓶；6. 恒温室；7. 纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料；8. 气体检测仪；9.NaOH溶液。
具体实施方式：
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明实施例1~4制备的纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料和对比例1中制备的常规纸对二氧化硫（SO2）和硫化氢（H2S）的吸收效果采用以下实验：
实验在常压下进行，H2S/SO2和氮气的混合气体以200mL/min的流量通过放有本发明所制备的二氧化硫/硫化氢吸附纸的反应器中，H2S/SO2的浓度为500mg /m3。吸附温度通过恒温水浴或油浴控制，反应器出口硫化氢气体浓度通过硫化氢气体分析仪确定。尾气经过NaOH溶液吸收后排空，吸附流程图如图1所示：
H2S和SO2的吸附量的计算公式：
Figure 907094DEST_PATH_IMAGE001
A-纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料对SO2或H2S的吸附量，mg/g；
A0-原纸对SO2或H2S的吸附量，mg/g；
V- SO2或H2S气体体积，mL；
G-纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料用量，g；
C0-吸附前SO2或H2S气体的浓度，mg/L；
C-吸附后SO2或H2S气体的浓度，mg/L。
本发明实施例1~4制备的纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料和对比例1制备的常规纸的抗张强度通过参照国标GB/T453-2002方法测定，撕裂强度参照国GB/T453-1989方法测定。
实施例1：
将100g纸浆纤维、1 g聚乙烯（Mn=10000）和0.1g阳离子改性的聚酰胺（Mn=10000）混合后分散在5000mL水中，在标准纤维疏解机中以2000r/ min的速率疏解10min得混合浆料，向混合浆料中加入质量分数为1‰的阳离子聚丙烯酰胺10mL混合均匀，然后在小型抄纸机上抄纸，90℃温度下干燥得纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料。
其中，所述的纸浆纤维为马尾松、落叶松、红松、云杉、杨木、桉木、枫木、稻草、麦草、芦苇、竹子、甘蔗渣、桑皮、棉杆和亚麻中的一种。
制备得到的纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的定量为200±10g/m2，厚度为1±0.05mm，对得到的纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的力学强度和对SO2/H2S的吸附量进行检测，实验结果如表1所示。
Figure 443249DEST_PATH_IMAGE002
实施例2：
将100g杨木纸浆纤维、4g热熔纤维和0.1g阳离子增强树脂混合后分散在5000mL水中，在标准纤维疏解机中以2000r/ min的速率疏解10min得混合浆料，向混合浆料中加入质量分数为1‰的阳离子聚丙烯酰胺10mL并混合均匀，然后在小型抄纸机上抄纸，90℃温度下干燥得纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料。
其中，所述的热熔纤维为聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种；所述的热熔纤维的分子量为1000、5000、10000、20000、50000和100000中的一种；所述的阳离子改性增强树脂为阳离子改性的聚乙烯、聚酰胺、环氧树脂、酚醛树脂和脲醛树脂中的一种；所述的阳离子改性增强树脂分子量为1000、5000、10000、20000、50000和100000中的一种。
制备得到的纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的定量为200±10g/m2，厚度为1±0.05mm，对得到的纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的力学强度和对SO2/ H2S的吸附量进行检测，实验结果如表2所示。
Figure 336250DEST_PATH_IMAGE003
实施例3：
将100g甘蔗渣纸浆纤维、1g热熔纤维和1g阳离子增强树脂混合后分散在5000mL水中，在标准纤维疏解机中以2000r/ min的速率疏解10min得混合浆料，向混合浆料中加入质量分数为1‰的阳离子聚丙烯酰胺10mL并混合均匀，然后在小型抄纸机上抄纸，90℃温度下干燥得纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料。
其中，所述的热熔纤维为聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种；所述的热熔纤维的分子量为1000、5000、10000、20000、50000和100000中的一种；所述的阳离子改性增强树脂为阳离子改性的聚乙烯、聚酰胺、环氧树脂、酚醛树脂和脲醛树脂中的一种；所述的阳离子改性增强树脂分子量为1000、5000、10000、20000、50000和100000中的一种。
制备得到的纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的定量为200±10g/m2，厚度为1±0.05mm。对得到的纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的力学强度和对SO2/H2S的吸附量进行检测，实验结果如表3所示。
Figure 34078DEST_PATH_IMAGE004
实施例4：
将100g马尾松纸浆纤维、2g热熔纤维和0.2g阳离子增强树脂混合后分散在5000mL水中，在标准纤维疏解机中以2000r/ min的速率搅拌疏解10min得混合浆料，向混合浆料中加入质量分数为1‰的阳离子聚丙烯酰胺10mL并混合均匀，然后在小型抄纸机上抄纸，90℃温度下干燥得纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料。
其中，所述的热熔纤维为聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种；所述的热熔纤维的分子量为1000、5000、10000、20000、50000和100000中的一种；所述的阳离子改性增强树脂为阳离子改性的聚乙烯、聚酰胺、环氧树脂、酚醛树脂和脲醛树脂中的一种；所述的阳离子改性增强树脂分子量为1000、5000、10000、20000、50000和100000中的一种。
制备得到的纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的定量为200±10g/m2，厚度为1±0.05mm。对得到的纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的力学强度和对SO2/H2S的吸附量进行检测，实验结果如表4所示。
Figure 97849DEST_PATH_IMAGE005
对比例1：
将100g纸浆纤维分散在5000mL水中，在标准纤维疏解机中以2000r/ min的速率疏解10min得混合浆料，向混合浆料中加入质量分数为1‰的阳离子聚丙烯酰胺10mL并混合均匀，然后在小型抄纸机上抄纸，90℃温度下干燥得不含热熔纤维和阳离子增强树脂的常规吸附纸。
其中，所述的纸浆纤维为马尾松、落叶松、红松、云杉、杨木、桉木、枫木、稻草、麦草、芦苇、竹子、甘蔗渣、桑皮、棉杆和亚麻中的一种。
制备得到的常规吸附纸的定量为200±10g/m2，厚度为1±0.05mm，对得到的常规吸附纸的力学强度和对SO2/H2S的吸附量进行检测，实验结果如表5所示。
Figure 93487DEST_PATH_IMAGE006
通过以上数据可以明显的观察到，在纸浆纤维素中添加热熔纤维和阳离子增强树脂以后，纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料（纸）的强度和对SO2和H2S的吸附量均有明显的提高。

Claims (8)

1.一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法，其特征在于，将纸浆纤维、热熔纤维和阳离子改性增强树脂混合后分散在水中，疏解得混合浆料，向混合浆料中加入阳离子聚丙烯酰胺并混合均匀，然后在造纸机上抄纸，干燥后得纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料；
所述的纸浆纤维为马尾松、落叶松、红松、云杉、杨木、桉木、枫木、稻草、麦草、芦苇、竹子、甘蔗渣、桑皮、棉杆和亚麻纸浆纤维中的一种；
所述的热熔纤维为聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种；
所述的阳离子改性增强树脂为阳离子改性的酰胺树脂、环氧树脂、酚醛树脂和脲醛树脂中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的热熔纤维和阳离子改性增强树脂的分子量为1000~100000。
3.根据权利要求1所述的一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的纸浆纤维与热熔纤维的质量比为25~100 : 1；
所述纸浆纤维与阳离子改性增强树脂的质量比为100~1000:1；
所述的混合浆料中纸浆纤维与水的质量比为1:50。
4.根据权利要求1所述的一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法，其特征在于，所述阳离子聚丙烯酰胺为质量分数为1‰的水溶液。
5.根据权利要求4所述的一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的纸浆纤维与阳离子聚丙烯酰胺的质量比为10000：1。
6.根据权利要求1所述的一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法，其特征在于，使用标准纤维疏解机进行疏解，疏解转速为2000r/min，疏解时间为10 min。
7.根据权利要求1所述的一种纸基二氧化硫/硫化氢吸附材料的制备方法，其特征在于，所述的二氧化硫/硫化氢吸附纸的定量为200±10g/m2，厚度为1±0.05mm。
8.一种权利要求1~7任一项所述的方法制备得到的纸基二氧化硫/硫化氢吸附纸材料在天然气净化和尾气处理中的应用。
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