CN113082960A - 一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂及生产、再生方法 - Google Patents

一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂及生产、再生方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂及生产、再生方法，所述低共熔溶剂以甲基三苯基溴化磷为氢键受体，以乙二醇为氢键供体，乙二醇与甲基三苯基溴化磷的摩尔比为(3.5～4.5)：1，另外添加活性组分Na2S·9H2O，添加量为0.1～1mol/L；所述低共熔溶剂用于吸收烟气中SO2时，吸收温度为30～70℃。本发明在现有低共熔溶剂基础上，通过添加活性组分Na2S·9H2O，显著提高了低共熔溶剂的脱硫能力和温度窗范围，实现了低共熔溶剂用于烟气脱硫技术的关键性突破；同时简易了低共熔溶剂的再生条件，降低了工业应用成本。

Description

一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂及生产、再生方法
技术领域
本发明涉及工业烟气净化技术领域，尤其涉及一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂及生产、再生方法。
背景技术
化石燃料燃烧是我们生产和生活中能量的重要来源之一，但是随之产生的二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOX)也是大气中酸性气体污染物的主要来源，对人类健康和工农业发展造成了严重危害。例如，燃煤电厂造成的烟气污染已经成为国家治理环境的重中之重，目前，脱硫工艺已经成为实现烟气净化的一种重要手段。
烟气脱硫技术中最成熟和最常用的工艺是灰石-石膏湿法烟气脱硫技术。但是该技术的投资和运行成本较高，容易造成设备的结垢、腐蚀、磨损。此外，其脱硫后的副产物主要以不完全氧化的亚硫酸钙为主，且杂质较多，其在作业区大量堆积，难以进行进一步的处理，已成为继火电厂粉煤灰后的第二大固体废物，对气候、土壤、植物和人类健康都存在很大的危害。而从资源化利用的角度来讲，二氧化硫可用于生产漂白剂、防腐剂、制备硫酸等；氮氧化物可用于生产化肥、无机酸、有机酸、农药和新型水泥混凝土外加剂等。因此，开发一种可高效回收烟气中SO2和NOX资源的烟气净化技术对我国社会、经济和环境都有重要的意义。
低共熔溶剂(Deep Eutectic Solvents,即DES)是主要利用氢键供体(醇类、羧酸类)和氢键受体(卤化季磷盐、卤化季胺盐、含氮杂环及其盐类)，按照一定化学计量比组成的，在室温下呈现液态的离子液体类似物。低共熔溶剂(DES)与离子液体(ILs)的性质相似，除了具有离子液体蒸气压低、结构可调等优点外，还具有以下几个优势：1)制备和提纯简单；2)可生物降解；3)价格低廉；4)具有可调的物理性质。因此，近几年来，低共熔溶剂被广泛用于吸收烟气中的SO2、NOX和CO2等酸性气体的研究中。
公开号为CN106823744A的中国专利申请公开了“一种高选择性脱硫系统及其脱硫剂的复配方法”，主要利用多元低共熔溶剂来进行吸收烟气中的H2S，不仅对烟气中SO2难以进行分离且后期处理困难。公开号为CN112264061A的中国专利申请公开了“一种脱硫催化剂及其制备方法”、公开号为CN109012702A的中国专利申请公开了“一种预硫化型加氢脱硫催化剂的制备方法”，采用金属盐类合成低共熔溶剂，主要用于燃油脱硫，但是所有的金属盐不仅成本较高，且自身带有很大的污染性。
除此之外，在现有研究中，所有用于吸收SO2的低共熔溶剂也面临以下的难题，如：吸附时间过短、饱和吸附量低、难以在40℃以上的条件下使用，这些难题都限制了低共熔溶剂用于工业烟气脱硫。如公告号为CN107096352B的中国发明专利公开了“一种可再生低共熔溶剂吸收SO2的方法”，其中明确说明在10℃条件下，低共熔溶剂对二氧化硫的吸收量为0.11g/g吸收剂，当温度升到40℃时，吸收量降低为0.052g/g吸收剂。论文“Bin Jiang-Novel Deep Eutectic Solvents for Highly Efficient and Reversible Absorptionof SO2 by Preorganization Strategy”虽然合成了多种类型的低共熔溶剂，但是仍然难以克服温度窗影响较大的困难。不仅如此，现有的所有公开文献和研究结果均与此相类似，即合成的低共熔溶剂难以适应温度的变化。因此，开发一种新型绿色高效的低共熔溶剂对于工业烟气净化起着至关重要的作用。
发明内容
本发明提供了一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂及生产、再生方法，在现有低共熔溶剂基础上，通过添加活性组分Na2S·9H2O，显著提高了低共熔溶剂的脱硫能力和温度窗范围，实现了低共熔溶剂用于烟气脱硫技术的关键性突破；同时简易了低共熔溶剂的再生条件，降低了工业应用成本。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂，以甲基三苯基溴化磷为氢键受体，以乙二醇为氢键供体，乙二醇与甲基三苯基溴化磷的摩尔比为(3.5～4.5)：1，另外添加活性组分Na2S·9H2O，添加量为0.1～1mol/L；所述低共熔溶剂用于吸收烟气中SO2时，吸收温度为30～70℃。
一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的生产方法，包括如下步骤：
1)将乙二醇和甲基三苯基溴化磷按照设定摩尔比混合，配制成季磷基低共熔溶剂；
2)在合成的季磷基低共熔溶剂中添加设定比例的Na2S·9H2O，然后在55～60℃温度下磁力搅拌，得到透明状的低共熔溶剂。
一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的再生方法，脱硫后的低共熔溶剂采用静置分离或者筛板过滤的方法进行固液分离和溶剂再生，再生后的清液即季磷基低共熔溶剂经再次添加Na2S·9H2O后循环使用。
再生时的温度为室温。
采用静置分离方法再生时，静置时间大于48h，之后取上层清液，重新加入Na2S·9H2O后循环使用；采用筛板过滤器时，筛板目数在200目以上，取过滤后清液重新加入Na2S·9H2O后循环使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)所述低共熔溶剂作为吸附剂具有非常强的吸附能力，能较好的吸收烟气中大浓度的SO2，
2)吸附的SO2气体与Na2S·9H2O发生反应，可生成不溶于季磷基低共熔溶剂的单质硫和亚硫酸钠，便于固液分离；
3)所述低共熔溶剂有效克服了传统低共熔溶剂反应温度窗较低的问题，使低共熔溶剂能够在30～70℃下使用；
4)脱硫后的低共熔溶剂经固液分离出的澄清液即季磷基低共熔溶剂可以多次循环使用，分离出的单质硫和亚硫酸钠可进一步分离提纯，制成价值较高的化工品，无二次污染，降低了成本；
5)所述低共熔溶剂可用于工业烟气的深度脱硫和精脱硫。
附图说明
图1是本发明所述一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的生产及再生工艺流程图。
图2是本发明实施例中不同温度下添加0.01mol/LNa2S·9H2O的低共熔溶剂的脱硫效果对比图。
图3是本发明实施例中不同Na2S·9H2O添加量的低共熔溶剂的脱硫效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
本发明所述一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂，以甲基三苯基溴化磷为氢键受体，以乙二醇为氢键供体，乙二醇与甲基三苯基溴化磷的摩尔比为(3.5～4.5)：1，另外添加活性组分Na2S·9H2O，添加量为0.1～1mol/L；所述低共熔溶剂用于吸收烟气中SO2时，吸收温度为30～70℃。
如图1所示，一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的生产方法，包括如下步骤：
1)将乙二醇和甲基三苯基溴化磷按照设定摩尔比混合，配制成季磷基低共熔溶剂；
2)在合成的季磷基低共熔溶剂中添加设定比例的Na2S·9H2O，然后在55～60℃温度下磁力搅拌，得到透明状的低共熔溶剂。
如图1所示，一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的再生方法，脱硫后的低共熔溶剂采用静置分离或者筛板过滤的方法进行固液分离和溶剂再生，再生后的清液即季磷基低共熔溶剂经再次添加Na2S·9H2O后循环使用。
再生时的温度为室温。
采用静置分离方法再生时，静置时间大于48h，之后取上层清液，重新加入Na2S·9H2O后循环使用；采用筛板过滤器时，筛板目数在200目以上，取过滤后清液重新加入Na2S·9H2O后循环使用。
以下实施例在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。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【实施例1】
本实施例中，一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的生产过程如下：
1)将原料乙二醇和甲基三苯基溴化磷在250ml烧瓶内按照4∶1的摩尔比混合，配制成季磷基低共熔溶剂。
2)称取步骤1)中合成的季磷基低共熔溶剂100ml加入250ml的烧瓶中，再加入0.01mol的Na2S·9H2O，在55～60℃条件下磁力搅拌30min，然后冷却到室温，得到低共熔溶剂。
将制备得到的低共熔溶剂放入鼓泡式脱硫器，以100ml/min的流速通入3000ppm(8400mg/m3)的模拟烟气，反应温度为30℃。
本实施例中，在脱硫效率为100％的前提下，脱硫时间为520min，与纯季磷基低共熔溶相比，剂脱硫效果提高30倍。
【实施例2】
本实施例中，一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的生产过程如下：
1)将原料乙二醇和甲基三苯基溴化磷在250ml烧瓶内按照4∶1的摩尔比混合，配制成季磷基低共熔溶剂。
2)称取步骤1)中合成的季磷基低共熔溶剂100ml加入250ml的烧瓶中，再加入0.01mol的Na2S·9H2O，在55～60℃条件下磁力搅拌30min，然后冷却到室温，得到低共熔溶剂。
将制备得到的低共熔溶剂放入鼓泡式脱硫器，以100ml/min的流速通入3000ppm(8400mg/m3)的模拟烟气，反应温度为50℃。
本实施例中，在脱硫效率为100％的前提下，脱硫时间为500min，与实施例1相比，脱硫时间几乎相同，说明低共熔溶剂在此温度下的脱硫能力几乎没有发生变化，即低共熔溶剂可以在50℃下使用并实现高效脱硫。
【实施例3】
本实施例中，一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的生产过程如下：
1)将原料乙二醇和甲基三苯基溴化磷在250ml烧瓶内按照4∶1的摩尔比混合，配制成季磷基低共熔溶剂。
2)称取步骤1)中合成的季磷基低共熔溶剂100ml加入250ml的烧瓶中，再加入0.01mol的Na2S·9H2O，在55～60℃条件下磁力搅拌30min，然后冷却到室温，得到低共熔溶剂。
将制备得到的低共熔溶剂放入鼓泡式脱硫器，以100ml/min的流速通入3000ppm(8400mg/m3)的模拟烟气，反应温度为70℃。
本实施例中，在脱硫效率为100％的前提下，脱硫时间为510min，与实施例1相比，脱硫时间几乎相同，说明低共熔溶剂在此温度下的脱硫能力几乎没有发生变化，即低共熔溶剂可以在70℃下使用并实现高效脱硫。
【实施例4】
本实施例中，一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的生产过程如下：
1)将原料乙二醇和甲基三苯基溴化磷在250ml烧瓶内按照4∶1的摩尔比混合，配制成季磷基低共熔溶剂。
2)称取步骤1)中合成季磷基低共熔溶剂100ml加入250ml的烧瓶中，再加入0.1mol的Na2S·9H2O，在55～60℃条件下磁力搅拌30min，然后冷却到室温，得到低共熔溶剂。
将制备得到的低共熔溶剂放入鼓泡式脱硫器，以100ml/min的流速通入3000ppm(8400mg/m3)的模拟烟气，反应温度为30℃。
本实施例中，在脱硫效率为100％的前提下，脱硫时间为4470min，与纯季磷基低共熔溶相比，剂脱硫效果提高220倍。
将本发明所述低共熔溶剂命名为DESs，其与SO2反应过程即作用机理如下：
SO2+DESs＝DESs-SO2
DESs+Na2S＝DESs+2Na++S2-
3DESs-SO2+4Na++2S2-＝2Na2S03+3S+3DESs
通过X射线衍射可以看出，脱硫后分离的固体样品主要为单质硫和亚硫酸钠，这两种副产物都是高附加值的化工品，说明本发明所述低共熔溶剂可以高效回收烟气中的S02。
【实施例5】
本实施例中，对实施例1得到的低共熔溶剂产品进行烟气脱硫效果实验：
实验仪器：烟气脱硫一体机、德国MRU烟气分析仪；
实验方法：取实施例1中的低共熔溶剂样品100ml装入烟气净化装置中，以3000ppm的SO2浓度，100ml/min的流速进行烟气脱硫实验。从图2和图3中可以看出，低共熔溶剂有非常大的温度窗范围，摆脱了传统低共熔溶剂在中温条件下无法使用的掣肘，具有取代现有烟气湿法脱硫剂的潜力。
本发明所述低共熔溶剂在烟气脱硫方面具有非常好的工业应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂，其特征在于，以甲基三苯基溴化磷为氢键受体，以乙二醇为氢键供体，乙二醇与甲基三苯基溴化磷的摩尔比为(3.5～4.5)：1，另外添加活性组分Na2S·9H2O，添加量为0.1～1mol/L；所述低共熔溶剂用于吸收烟气中SO2时，吸收温度为30～70℃。
2.根据权利要求1所述的一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将乙二醇和甲基三苯基溴化磷按照设定摩尔比混合，配制成季磷基低共熔溶剂；
2)在合成的季磷基低共熔溶剂中添加设定比例的Na2S·9H2O，然后在55～60℃温度下磁力搅拌，得到透明状的低共熔溶剂。
3.根据权利要求1所述的一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的再生方法，其特征在于，脱硫后的低共熔溶剂采用静置分离或者筛板过滤的方法进行固液分离和溶剂再生，再生后的清液即季磷基低共熔溶剂经再次添加Na2S·9H2O后循环使用。
4.根据权利要求3所述的一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的再生方法，其特征在于，再生时的温度为室温。
5.根据权利要求3所述的一种宽温度窗口烟气脱硫用低共熔溶剂的再生方法，其特征在于，采用静置分离方法再生时，静置时间大于48h，之后取上层清液，重新加入Na2S·9H2O后循环使用；采用筛板过滤器时，筛板目数在200目以上，取过滤后清液重新加入Na2S·9H2O后循环使用。
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