CN109908706B - 离子液体微胶囊及其制备方法和在除低浓度气体中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种离子液体微胶囊及其制备方法和在脱除低浓度气体中的应用，制备方法包括：将离子液体和多元醇制成溶液后，与气相纳米二氧化硅在高速搅拌机里进行高速搅拌，得到所述离子液体微胶囊；所述的溶液中，离子液体的质量浓度为20%～50%。本发明所制得的离子液体微胶囊具有体积小，比表面积大，吸收速度快的特点，可快速高效去除原料气中低浓度气体。

Description

离子液体微胶囊及其制备方法和在除低浓度气体中的应用
技术领域
本发明属于气体纯化领域，具体涉及到一种离子液体微胶囊及其制备方法和其在原料气体中低浓度气体脱除技术中的应用。
背景技术
近年来，随着科技的进步与时代的发展，各类高新产业逐渐兴起，高纯原料气体的需求日渐增加，例如电子行业，冶金，食品，油气生产，气相色谱等。尤其在冶金行业中涉及到的金属脱碳过程，在使用惰性气体作为保护气时，对其中二氧化碳的含量要求极高。其余如甲烷气中脱硫化氢，烟气中脱硫，均需处理低浓度的酸性气体。又如目前对于VOCs的排放要求越来越高，致使传统的吸收等处理方法效果不能达到排放标准。
目前对气体进行净化处理的方法主要有：物理吸收法、化学吸收法、变压吸附法和膜分离法。以上方法中物理吸附法、变压吸附法虽然生产过程绿色环保，无三废产生，但由于涉及温度与压强，对能源的消耗和设备材料的要求较高，成本压力大。而膜分离方法工业化大批量生产上应用还不广泛，且需要从国外进口装置，成本较高，净化后的原料气体品质也难以令人满意。化学吸收法虽然成本较低，解吸方便，但无法有效去除较低浓度的杂质气体，只能作为初步吸收。离子液体由于其低挥发性和高设计性，也用于吸收处理酸性气体和其他VOCs气体，但其黏度大，流动性差，严重影响了其工业应用。
干水类物质，由疏水硅颗粒和水高速搅拌而成，通过硅颗粒包裹水，形成了3～100微米的微颗粒体系。而离子液体制备的“干水”类微胶囊，其颗粒直径小于10微米，其较大的比表面积可实现快速高效的吸收。但是“干水”形态的形成需要被包裹液体具有较高的表面张力，而功能化离子液体往往不符合这一要求，限制了离子液体制备“干水”类微胶囊的应用。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种新型、高效的离子液体微胶囊固体吸收剂及其制备方法与除低浓度气体的工艺，即将离子液体在有机体系中，与纳米二氧化硅制成二氧化硅包裹的离子液体微胶囊，用于吸收低浓度气体，可完美解决功能化离子液体不能制备“干水”类微胶囊的问题。采用本发明的方法制备得到的微胶囊直径小于200微米，比表面积大，孔隙多，由此吸收速率较离子液体或其溶液高出数十倍。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种离子液体微胶囊的制备方法，包括如下步骤：
（1）将离子液体和多元醇制成溶液后，与纳米二氧化硅在高速搅拌机里进行高速搅拌，得到所述离子液体微胶囊；所述的溶液中，离子液体的质量浓度为20%～50%。
优选的，所述离子液体为咪唑类、季铵盐类离子液体；优选为四甲基胺-甘氨酸离子液体、1-乙基3-甲基咪唑-甘氨酸离子液体、1-乙基3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体或四乙基胺-丙氨酸离子液体。
优选的，所述多元醇为乙二醇或丙三醇中的一种或两种。
优选的，步骤（1）所述的溶液与所述二氧化硅的质量比为4~9:1。
优选的，所述高速搅拌的转速为5000~20000rpm。
本发明还提供由上述制备方法制备得到的离子液体微胶囊。
本发明进一步提供采用上述制备方法制备得到的离子液体微胶囊脱除低浓度气体的工艺，包括如下步骤：
（2）将含有低浓度气体的原料气从文丘里混合器的气体入口进入所述文丘里混合器，所述离子液体微胶囊由所述文丘里混合器的液体入口进入，所述原料气与所述离子液体微胶囊形成气固混合物，在此过程中所述低浓度气体被所述离子液体微胶囊吸收；所述低浓度气体为低浓度的二氧化碳、二氧化硫、硫化氢或VOC中的一种或多种。
进一步的，所述原料气还包括甲烷、氢气、氧气或惰性气体中的一种或多种。
进一步的，所述工艺还包括离子液体微胶囊的回收步骤。
进一步的，所述气固混合物中，所述离子液体微胶囊与所述原料气的体积比为0.001～0.5:1。
进一步的，所述离子液体微胶囊的回收步骤包括：
（3）所述气固混合物进入旋风分离器，经旋风分离器分离成待再生固体和排出气体，所述排出气体直接排出，所述待再生固体通过再生室成为再生离子液体微胶囊后重新进入所述文丘里混合器或直接重新进入所述文丘里混合器；
所述再生室内再生的条件为：再生温度50~100℃，再生压力0.00001~0.01mPa。
优选的，所述原料气中所述低浓度气体的摩尔含量浓度为0.0001～3%。
进一步的，所述原料气的压强为0.001～5MPa，温度为5~40℃。
净化处理后，原料气体中的原低浓度气体的含量可控制在0.001 %（体积分率）以下。
进一步的，上述工艺采用的装置包括：文丘里混合器，所述文丘里混合器的气体入口连接所述原料气，所述文丘里混合器的液体入口连接原料罐的出口，所述文丘里混合器的出口连接吸收室的进口，所述吸收室的出口连接旋风分离器的进口，所述旋风分离器的固体出口连接所述原料罐，所述旋风分离器的固体出口通过支管依次连接再生室和所述原料罐。
本发明的有益效果在于：
基于疏水性纳米硅的液体微胶囊，其形成和稳定需要液体具有较高的表面张力。水溶液体系的离子液体微胶囊，其中的水分会因为高温或真空，挥发而降低液体的表面张力，致使胶囊坍塌。而本发明采用的有机体系，其挥发度较低，且表面张力大，因而具有更好的稳定性和使用性，并且，其有本身对于二氧化碳以及有机VOCs等低浓度气体都有一定的吸收能力。
本发明所制备得到的离子液体微胶囊作为吸收剂，具有流动性好，吸收快的特点，并可以随气体一同流动。
本发明所述工艺采用固体吸收剂，气体与吸收剂可以在吸收室内充分接触吸收，吸收效果好；吸收后气固分离可直接采用旋风分离器，分离简单。
再生室内通过高温低压的方式即可将离子液体微胶囊再生，操作简单，不需加入其他再生剂，避免了二次污染。
离子液体微胶囊再生释放的低浓度气体，可继续资源化利用。
附图说明
图1为本专利发明实施采用的流程图。
图2为本发明所制备得到的离子液体微胶囊的吸收曲线。
图1中：1为文丘里混合器；2为吸收室；3为旋风分离器；4为原料罐；5为再生室；1-1为文丘里混合器的气体入口，1-2为气固混合物出口；2-1为旋风分离器的进口管线；3-1为排出气体的排出管线；3-2为待再生固体的排出管线；4-1为原料罐的进口；4-2为文丘里混合器的液体入口；4-3为离子液体微胶囊的补充管线；4-4为新鲜离子液体微胶囊的补充管线；5-1为再生室的进口；5-2为气体排出管线；5-3为再生离子液体微胶囊的管线。
具体实施方式
实施例1
某高纯甲烷生产厂家，待处理气量为30000Nm3/h，原料氮气中含H2S为0.10%（摩尔分数）。采用本发明的技术进行处理，包括如下步骤：
（1）将四甲基胺-甘氨酸离子液体与乙二醇制成离子液体质量分数为50%的溶液，与气相二氧化硅按质量比6:1的比例混合，之后于高速搅拌机里，10000转/min快速搅拌获得离子液体微胶囊。
（2）采用图1所示的流程，将压强为2MPa，温度为10℃的原料气从文丘里混合器的气体入口送入文丘里混合器，离子液体微胶囊由文丘里混合器的液体入口进入，离子液体微胶囊与原料气的体积比为1: 300，在混合过程中低浓度的H2S被吸收。文丘里混合器的出口排出的气固混合物进入吸收室进一步吸收。
（3）气固混合物进入旋风分离器，经旋风分离器分离成待再生固体和排出气体，排出气体直接排出，待再生固体通过再生室成为再生离子液体微胶囊后重新进入文丘里混合器使用；再生室内再生的条件为：再生温度50℃，再生压力0.00001mPa。
经过净化处理后，原料气中的H2S的摩尔含量降至0.022%左右。
实施例2
某高纯氢气生产厂家，待处理气量为4000Nm3/h，原料氢气中含CO2为0.2%（摩尔分数）。采用本发明的技术进行处理，包括如下步骤：
（1）将1-乙基3-甲基咪唑-甘氨酸离子液体与乙二醇制成离子液体质量分数为30%的溶液，与气相二氧化硅按质量比8:1的比例混合，之后于高速搅拌机里，10000转/min快速搅拌获得离子液体微胶囊。获得粒径分布为10～100微米的离子液体微胶囊。
（2）采用图1所示的流程，将压强为1MPa，温度为20℃的原料气从文丘里混合器的气体入口送入文丘里混合器，离子液体微胶囊由文丘里混合器的液体入口进入，离子液体微胶囊与原料气的体积比为1: 600，在混合过程中低浓度的CO2被吸收。文丘里混合器的出口排出的气固混合物进入吸收室进一步吸收。
（3）气固混合物进入旋风分离器，经旋风分离器分离成待再生固体和排出气体，排出气体直接排出，待再生固体直接重新进入文丘里混合器使用。
经检测，原料氢气中的CO2的摩尔含量降至0.016%左右。
实施例3
对于空气中含丙酮等VOCs为0.0001%（摩尔分数），采用本发明的技术进行处理，包括如下步骤：
（1）将1-乙基3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体与丙三醇制成离子液体质量分数为50%的溶液，与气相二氧化硅按质量比9:1的比例混合，之后于高速搅拌机里，5000转/min快速搅拌获得离子液体微胶囊。
（2）采用图1所示的流程，将压强为0.001MPa，温度为40℃的原料气从文丘里混合器的气体入口送入文丘里混合器，离子液体微胶囊由文丘里混合器的液体入口进入，离子液体微胶囊与原料气的体积比为1:1000，在混合过程中低浓度的VOCs被吸收。文丘里混合器的出口排出的气固混合物进入吸收室进一步吸收。
（3）气固混合物进入旋风分离器，经旋风分离器分离成待再生固体和排出气体，排出气体直接排出，待再生固体通过再生室成为再生离子液体微胶囊后重新进入文丘里混合器使用；再生室内再生的条件为：再生温度100℃，再生压力0.01mPa。
经过净化处理后，原料气中的VOCs的摩尔含量降至0.00001%左右。
实施例4
对于甲烷中含SO2为3%（摩尔分数），采用本发明的技术进行处理，包括如下步骤：
（1）将四乙基胺-丙氨酸离子液体与丙三醇制成离子液体质量分数为20%的溶液，与气相二氧化硅按质量比4:1的比例混合，之后于高速搅拌机里，20000转/min快速搅拌获得离子液体微胶囊。
（2）采用图1所示的流程，将压强为5MPa，温度为5℃的原料气从文丘里混合器的气体入口送入文丘里混合器，离子液体微胶囊由文丘里混合器的液体入口进入，离子液体微胶囊与原料气的体积比为1: 2，在混合过程中低浓度的SO2被吸收。文丘里混合器的出口排出的气固混合物进入吸收室进一步吸收。
（3）气固混合物进入旋风分离器，经旋风分离器分离成待再生固体和排出气体，排出气体直接排出，待再生固体通过再生室成为再生离子液体微胶囊后重新进入文丘里混合器使用；再生室内再生的条件为：再生温度70℃，再生压力0. 001mPa。
经过净化处理后，原料气中的SO2的摩尔含量降至0.1%左右。

Claims (9)

1.一种离子液体微胶囊的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将离子液体和多元醇制成溶液后，与纳米二氧化硅在高速搅拌机里进行高速搅拌，得到所述离子液体微胶囊；所述的溶液中，离子液体的质量浓度为5%～90%；所述离子液体为季铵盐类离子液体、1-乙基3-甲基咪唑-甘氨酸离子液体或1-乙基3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体；所述的溶液与所述二氧化硅的质量比为4~9:1。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述离子液体为四甲基胺-甘氨酸离子液体或四乙基胺-丙氨酸离子液体。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多元醇为乙二醇或丙三醇中的一种或两种。
4.一种由权利要求1-3任一所述制备方法制备得到的离子液体微胶囊。
5.一种采用权利要求1-3任一所述制备方法制备得到的离子液体微胶囊脱除低浓度气体的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
（2）将含有低浓度气体的原料气从文丘里混合器的气体入口进入所述文丘里混合器，所述离子液体微胶囊由所述文丘里混合器的液体入口进入，所述原料气与所述离子液体微胶囊形成气固混合物，在此过程中所述低浓度气体被所述离子液体微胶囊吸收；所述低浓度气体为低浓度的二氧化碳、二氧化硫、硫化氢或VOC中的一种或多种；所述离子液体微胶囊与所述原料气的体积比为0.001～0.5:1。
6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述原料气还包括甲烷、氢气、氧气或惰性气体中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括离子液体微胶囊的回收步骤；所述的回收步骤包括：
（3）所述气固混合物进入旋风分离器，经旋风分离器分离成待再生固体和排出气体，所述排出气体直接排出，所述待再生固体通过再生室成为再生离子液体微胶囊后重新进入所述文丘里混合器或直接重新进入所述文丘里混合器；
所述再生室内再生的条件为：再生温度50~100℃，再生压力0.00001~0.01MPa 。
8.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述原料气中所述低浓度气体的摩尔含量浓度为0.0001～3%。
9.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述原料气的压强为0.001～5MPa，温度为5~40℃。
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