CN111892499B - 一种离子液体及其在二氧化硫吸收中的应用 - Google Patents

一种离子液体及其在二氧化硫吸收中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离子液体及其在二氧化硫吸收中的应用，涉及离子液体应用技术领域。吸收二氧化硫的过程为：(1)含有SO2的气体与吸收前的吸收液接触，以吸收气体中SO2形成吸收后的吸收液；吸收前的吸收液包含所述离子液体和水；(2)对吸收后的吸收液加热和/或减压，进行解吸和吸收液再生；(3)将步骤(2)再生的吸收液应用于步骤(1)，循环步骤(2)和步骤(1)实现吸收液的循环利用。本发明离子液体毒性低，合成过程简单，方便规模化制备，可通过氨基、酰基、羟基与SO2分子间的多位点氢键作用来实现对SO2高效吸收，采用加热或减压方式亦可将SO2完全解吸出来，具有很好的循环性。

Description

一种离子液体及其在二氧化硫吸收中的应用
技术领域
本发明涉及离子液体应用技术领域，特别涉及可吸收气体中二氧化硫的离子液体。
背景技术
烟气脱硫是现在工业中商业化应用的主要脱硫方法，它技术成熟，工艺路线多样化，是目前对控制酸雨和SO2污染采用的最主要的手段。烟气脱硫技术多种多样，世界各国从20世纪50年代开始研究脱硫技术，至今脱硫技术已达200多种，主要的方法有湿法脱硫、半干法脱硫、干法脱硫、旋转喷雾干燥法脱硫、电子束法脱硫等多种脱硫工艺。但是，其基本原理都是以一种或几种碱性物质作为脱硫剂，与SO2反应生成化合物进而达到脱硫目的。
现有的烟气脱硫技术主要还是以“湿法脱硫”为主，石灰石/石灰-石膏法是湿法烟气脱硫技术的代表工艺。传统的湿法脱硫尽管脱硫效率高，但其一次性投入大，需要大量的水，以及占地面积广，另外对设备的腐蚀也很严重。而传统的干法脱硫虽然投资比湿法脱硫要小，但是反应速度慢，脱硫效率低，因此吸收剂的利用率很低，造成原料的浪费。
有机胺胺法脱硫工艺从20世纪30年代问世以来，已有70余年的发展历史。该工艺的发展过程实际上就是不同的醇胺溶剂之间复配和对添加剂的筛选，改进的过程。
与传统的有机溶剂相比，离子液体具有蒸气压低、热稳定性高、化学性质稳定和结构可调控等特点，得到了各国科研工作者的广泛关注。离子液体用于烟气脱硫领域具有吸收液稳定性高，循环使用性能好等优点。发表了许多关于离子液体吸收二氧化硫的研究工作，主要包括胍类离子液体、醇胺类离子液体、吡啶类离子液体、咪唑类离子液体、醚基功能化离子液体以及低共熔类离子液体。
虽然离子液体在吸收二氧化硫上展现出了很好的应用前景，但大多数离子液体的粘度非常高，导致传质和传热效率低，影响了离子液体的工业应用。此外，实际含二氧化硫的气体中通常含水，所以应该考虑水对离子液体吸收性能的影响。有文献表明，水与大多数离子液体有较好的亲和性，会与离子液体结合而使二氧化硫吸收量急剧下降。烟道气中除了含有水蒸气还含有氧气。在脱硫过程中，二氧化硫会被氧化，生成硫酸。而硫酸的形成会破坏离子液体的结构，致使离子液体吸收能力急剧下降最后失活。较昂贵的原料价格，过高的粘度，水稳定性差等缺点制约了传统离子液体的工业应用。因此，基于可再生吸收工艺，开发高效、可逆、低能耗的应用性更强的离子液体脱硫工艺是目前离子液体烟气脱硫领域的重要发展方向。
但是目前工业应用的功能化离子液体捕集二氧化硫气体的方法中，普遍存在捕集量还不够高、吸收焓高、不易脱附、循环性能差等问题，影响了其工业应用。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种离子液体及其应用，本发明离子液体每克离子液体的SO2饱和吸收量可达0.77g/g，毒性低，合成过程简单，方便规模化制备，作为吸收液，可实现对SO2高效吸收，易于解吸、可循环利用。
本发明离子液体中阴离子为含烷烃基的邻苯二甲酸根、含烷烃基的对苯二甲酸根、含烷烃基的邻环己烷二甲酸根或含烷烃基的对环己烷二甲酸根；阳离子由醇胺、脂肪胺、酰胺、脂环胺、芳香胺和/或萘系胺提供；
离子液体结构式为：
Figure BDA0002604223090000021
Figure BDA0002604223090000022
和/或
Figure BDA0002604223090000031
R为CnH2n+1(n为整数，0≤n≤4)；Y1结构式为
Figure BDA0002604223090000032
Y2结构式为
Figure BDA0002604223090000033
R1与R2相同或不同。
本发明离子液体在二氧化硫吸收中的应用；与水混合可以作为气体中二氧化硫的吸收液。离子液体含有的氨基、羧基、羟基等多功能化基团与SO2分子间的多位点氢键作用，实现对SO2的高效吸收。
利用上述离子液体吸收SO2过程如下：(1)含有SO2的气体与吸收前的吸收液接触，以吸收气体中SO2形成吸收后的吸收液；吸收前的吸收液包含所述离子液体和水；(2)对吸收后的吸收液加热和/或减压，进行解吸和吸收液再生，以产生经过再生的吸收液和气态的二氧化硫；(3)将步骤(2)再生的吸收液应用于步骤(1)，循环步骤(2)和步骤(1)实现吸收液的循环利用。
步骤(1)中吸收气体中SO2的温度为5-80℃，压力为0.08-1MPa。
吸收后的吸收液在70-150℃下解吸SO2，解吸压力为0.001-0.11MPa。
可以通过蒸馏解吸出二氧化硫，实现吸收液再生，再返回吸收塔等吸收装置，这样吸收液循环使用。
吸收前的吸收液中水的质量百分比为5-95％。
为了减少吸收过程中对设备的腐蚀，可以在吸收前的吸收液中加入缓蚀剂，缓蚀剂与吸收前的吸收液重量比为0.01-0.4。缓蚀剂可以为金属氧化物或无机盐，例如铬酸盐、重铬酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、硅酸盐、钼酸盐、钨酸盐或硫酸盐中的一种或多种。
本发明还要求保护含有所述离子液体的二氧化硫吸收液，该吸收液还可以含有不影响吸收效果的其他助剂。
在离子液体中的阴阳离子上引入各类官能团氰基、醚基、氨基、卤素等，合成满足特定需求的离子液体，使其高效、可逆、低耗地吸收SO2，因此，本发明通过功能化离子液体的结构设计，既提高离子液体的捕集量，改善离子液体的脱附性能，从而实现二氧化硫气体的高容量和低能耗捕集。与现有报道的离子液体相比，本发明离子液体具有合成工艺简单、毒性较低和降解性较好等优点。
本发明的有益效果在于：
本发明离子液体不仅毒性低，合成过程简单，方便规模化制备，而且蒸气压低，挥发性低，扩散到大气中量少，适合作为吸收液；作为吸收液，可通过氨基、酰基、羟基与SO2分子间的多位点氢键作用来实现对SO2高效吸收，每克离子液体的SO2饱和吸收量高达0.77g/g，采用加热或减压方式亦可将SO2完全解吸出来，实现吸收液再生，具有很好的循环性，再生后吸收液可循环使用且吸收性能保持稳定。该吸收液具有合成简单、价格便宜、粘度低、稳定性好、SO2吸收量高、易于解吸、可循环利用等优点，为SO2净化分离提供了一种新途径。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
烧瓶中加入61.08g乙醇胺和61g水，按乙醇胺和邻苯二甲酸摩尔比2:1取83.06g邻苯二甲酸于恒压滴液漏斗，在室温下缓慢滴定，滴定结束后升温至80℃反应3h后结束。反应制备出的离子液体溶液为淡黄色液体，流动性好。
将上述离子液体水溶液和水按体积1:1混合稀释，取5ml稀释后离子液体溶液作为吸收液放于反应瓶中，调节气体流量为50ml/min，将SO2气体接入反应瓶，吸收过程中每隔1min称量吸收液质量，吸收30min后停止实验。每克离子液体的SO2饱和吸收量为0.64g/g。
实施例2
在烧瓶中加入105.14g二乙醇胺和105g水，按二乙醇胺和4-甲基邻苯二甲酸摩尔比2:1取90g4-甲基邻苯二甲酸于恒压滴液漏斗，在室温下缓慢滴定，滴定结束后升温至80℃反应大约3h后结束。反应制备出的离子液体溶液为深黄色液体，流动性好。
将上述离子液体水溶液和水按体积1:1混合稀释，取5ml稀释后离子液体溶液作为吸收液放于反应瓶中，调节气体流量为50ml/min，将SO2气体接入反应瓶，吸收过程中每隔1min称量吸收液质量，吸收30min后停止实验。每克离子液体的SO2饱和吸收量为0.54g/g。
实施例3
在烧瓶中加入129.24g正辛胺和130g水，按正辛胺和邻环己烷二甲酸摩尔比2:1取86.09g邻环己烷二甲酸于恒压滴液漏斗，在室温下缓慢滴定，滴定结束后升温至80℃反应大约3h后结束。反应制备出的离子液体溶液为深黄色液体，流动性好。
将上述离子液体水溶液和水按体积1:1混合稀释，取5ml稀释后离子液体溶液作为吸收液放于反应瓶中，调节气体流量为50ml/min，将SO2气体接入反应瓶，吸收过程中每隔1min称量吸收液质量，吸收30min后停止实验。每克离子液体的SO2饱和吸收量为0.60g/g。
实施例4
在烧瓶中加入59.07g乙酰胺，按乙酰胺和甲基对苯二甲酸摩尔比2:1反应，称量90g甲基对本二甲酸乙酰胺于恒压滴液漏斗，在室温下缓慢滴定，滴定结束后升温至80℃反应大约3h后结束。反应制备出的离子液体溶液为深黄色液体，流动性好。
将上述离子液体水溶液和水按体积1:1混合稀释，取5ml稀释后离子液体溶液作为吸收液放于反应瓶中，调节气体流量为50ml/min，将SO2气体接入反应瓶，吸收过程中每隔1min称量吸收液质量，吸收30min后停止实验。每克离子液体的SO2饱和吸收量为0.77g/g。
实施例5
在烧瓶中加入93.14g苯胺和70g水，按苯胺和乙基对环己烷二甲酸摩尔比2:1取100g乙基对环己烷二甲酸于恒压滴液漏斗，在室温下缓慢滴定，反应有少量放热，反应物温度升高至36℃左右。滴定后升温至80℃反应大约3h后结束。反应制备出淡黄色离子液体，流动性较好。
将上述离子液体水溶液和水按体积1:1混合稀释，取5ml稀释后离子液体溶液作为吸收液放于反应瓶中，调节气体流量为50ml/min,将SO2气体接入反应瓶，吸收过程中每隔1min称量吸收液质量，吸收30min后停止实验。每克离子液体的SO2饱和吸收量为0.73g/g。
实施例6
取实施例2的吸收SO2饱和后的吸收液，在常压、106℃下进行全回流蒸馏1h后冷却，按照实施例1吸收条件，调节气体流量为50ml/min，将SO2气体接入反应瓶，吸收过程中每隔1min称量吸收液质量，吸收30min后停止实验，计算每克离子液体的SO2饱和吸收量。重复6次，每克离子液体的SO2饱和吸收量见下表。
Figure BDA0002604223090000061
实施例7
在烧瓶中加入74.5g三乙醇胺和30.5g乙醇胺，105g水，取166.13g邻苯二甲酸于恒压滴液漏斗，在室温下缓慢滴定，滴定结束后升温至80℃反应大约3h后结束。反应制备出的离子液体溶液为深黄色液体，流动性好。
将上述离子液体水溶液和水按体积1:1混合稀释，取5ml稀释后离子液体溶液作为吸收液放于反应瓶中，调节气体流量为50ml/min，将SO2气体接入反应瓶，吸收过程中每隔1min称量吸收液质量，吸收30min后停止实验。每克离子液体的SO2饱和吸收量为0.57g/g。
实施例8
烧瓶中加入61.08g乙醇胺和61g水，按乙醇胺和邻苯二甲酸摩尔比2:1取83.06g邻苯二甲酸于恒压滴液漏斗，在室温下缓慢滴定，滴定结束后升温至80℃反应3h后结束。反应制备出的离子液体溶液为淡黄色液体，流动性好。
将上述离子液体水溶液和水按体积1:1混合稀释，取5ml稀释后离子液体溶液作为吸收液放于反应瓶中，同时可以加入吸收液重量0.1％的硝酸钠作为缓蚀剂，调节气体流量为50ml/min，将SO2气体接入反应瓶，吸收过程中每隔1min称量吸收液质量，吸收30min后停止实验。每克离子液体的SO2饱和吸收量为0.65g/g。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的用于吸收气体中二氧化硫(SO2)的功能化离子液体制备方法和应用，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (8)

1.一种离子液体，其特征在于：离子液体结构式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure DEST_PATH_IMAGE006
或
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
2.权利要求1所述的离子液体在二氧化硫吸收中的应用。
3.根据权利要求2所述的离子液体在二氧化硫吸收中的应用，其特征在于：包括以下步骤：（1）含有SO2的气体与吸收前的吸收液接触，以吸收气体中SO2形成吸收后的吸收液；吸收前的吸收液包含所述离子液体和水；（2）对吸收后的吸收液加热和/或减压，进行解吸和吸收液再生；（3）将步骤（2）再生的吸收液应用于步骤（1），循环步骤（2）和步骤（1）实现吸收液的循环利用。
4.根据权利要求3所述的离子液体在二氧化硫吸收中的应用，其特征在于：步骤（1）中吸收气体中SO2的温度为5-80℃，压力为0.08-1MPa。
5.根据权利要求3所述的离子液体在二氧化硫吸收中的应用，其特征在于：吸收后的吸收液在70 - 150℃下解吸SO2，解吸压力为0.001-0.11MPa。
6.根据权利要求3所述的离子液体在二氧化硫吸收中的应用，其特征在于：吸收前的吸收液中水的质量百分比为5-95%。
7.根据权利要求3所述的离子液体在二氧化硫吸收中的应用，其特征在于：吸收前的吸收液中还含有缓蚀剂，缓蚀剂与吸收前的吸收液重量比为0.01-0.4；缓蚀剂为铬酸盐、重铬酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、硅酸盐、钼酸盐、钨酸盐或硫酸盐中的一种或多种。
8.一种含有权利要求1所述离子液体的二氧化硫吸收液。
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