CN116212605A - 一种电化学介导捕集so2的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电化学介导捕集SO₂的装置及方法，包括双室电解槽、电解液储存槽和真空剥离器；双室电解槽以离子交换膜为隔膜分隔为阴极室和阳极室，双室电解槽内通入电解液，采用恒流电解，阴极室电解产生OH^‑，阳极室电解产生H⁺，并且阴极室和阳极室上都设有电解液入口和电解液出口；电解液储存槽用于吸附SO₂，其上设有气体进口、电解液入口和电解液出口；真空剥离器用于剥离SO₂，其上设有气体出口、电解液入口和电解液出口；电解液依次循环流入阴极室、电解液储存槽、阳极室和真空剥离器。上述装置及方法利用pH值波动和可逆氧化还原活性捕集剂来实现烟气中SO₂的选择性吸附和捕集，具有良好的发展前景。

Description

一种电化学介导捕集SO2的装置及方法

技术领域

本发明涉及SO₂脱除技术领域，尤其涉及一种电化学介导捕集SO₂的装置及方法。

背景技术

二氧化硫(SO₂)是大气污染物的主要成分之一，会造成酸雨等一系列的环境污染问题，危害人类身体健康。烟气脱硫被认为是控制SO₂排放最有效的方法。最常见的烟气脱硫方法是石灰石/石灰-石膏法，虽然其脱硫效率高，吸收剂-石灰石易于获得，但是生产过程中需要消耗大量水，且最终不可逆转地生成大量低品位的废弃石膏，造成二次污染。同时，SO₂是一种宝贵的化工资源，如果能将烟气中的SO₂分离和富集，从而使其资源化，具有非凡的意义。因此，必须研究效率高、易操作、无二次污染的方法处理低浓度SO₂气体。

利用电化学方法处理烟气中的SO₂具有诸多优势，它可以减少化学试剂的使用，具有流程简单、操作方便、能耗低等优点，引起了很多研究者的关注。目前，研究主要集中在两个方向：二氧化硫溶液的电化学还原和二氧化硫溶液的电化学氧化，但这些方法存在着多种副反应，导致目标产物的收率和电流效率较低。因此，寻找一种高效环保的SO₂烟气处理技术具有重要的现实意义。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种电化学介导捕集SO₂的装置及方法，该装置及方法基于电化学原理，利用pH值波动和可逆氧化还原活性捕集剂来实现烟气中SO₂的选择性吸附和捕集，减少化学试剂使用的同时，易于实施，无副反应发生，无原材料浪费与二次污染，运行成本低，电流效率高，具有良好的发展前景。

本发明提出一种电化学介导捕集SO₂的装置，包括双室电解槽、电解液储存槽和真空剥离器；

双室电解槽以离子交换膜为隔膜分隔为阴极室和阳极室，双室电解槽内通入电解液，采用恒流电解，阴极室电解产生OH^-，阳极室电解产生H⁺，并且阴极室和阳极室上都设有电解液入口和电解液出口；

电解液储存槽用于吸附SO₂，其上设有气体进口、电解液入口和电解液出口；真空剥离器用于剥离SO₂，其上设有气体出口、电解液入口和电解液出口；

阴极室的电解液出口与电解液储存槽的电解液入口相连，电解液储存槽的电解液出口与阳极室的电解液入口相连，阳极室的电解液出口与真空剥离器的电解液入口相连，真空剥离器的电解液出口与阴极室的电解液入口相连，以使得电解液依次循环流入阴极室、电解液储存槽、阳极室和真空剥离器。

优选地，阴极室以石墨为阴极，阳极室以铅银合金为阳极，电解液以包含4，4-联吡啶-3-胺、天冬酰胺和氯化1-丁基-3-甲基咪唑的水溶液为电解液。

本发明中，阴极室发生的电化学反应如下所示：

电解液储存槽发生的反应如下所示：

OH^-+SO₂→HSO₃ ^-

阳极室发生的电化学反应如下所示：

HSO₃ ^-+H⁺→SO_2(aq)+H₂O

本发明中，在以离子交换膜为隔膜分隔为阴极室和阳极室的双室电解槽中，以4，4-联吡啶-3-胺(简称Bpya)为氧化还原媒介，天冬酰胺为助溶剂，氯化1-丁基-3-甲基咪唑为支持电解质，利用Bpya/BpyaH₂氧化还原系统捕获SO₂：阴极室中，Bpya被电化学还原，以提供BpyaH₂，同时产生OH-，增加电解液的pH值，该阴极电解液被泵送到电解液储存槽，在那里引入模拟烟气或富含SO₂的气流，通过该阴极电解液吸附SO₂使电解液饱和，饱和SO₂的电解液再被泵送到阳极室，BpyaH₂被电化学氧化，使Bpya再生，同时产生H⁺，降低电解液的pH值，该阳极电解液被泵送到真空剥离器中，通过真空剥离器释放自由SO₂后并收集，电解液又回到阴极室，循环流动以实现连续捕集SO₂。

优选地，恒流电解的电流密度为2-4mA/dm²。

优选地，所述装置还包括电解液循环泵，电解液循环泵用于提供电解液循环流动的动力。

优选地，所述装置还包括气体收集罐，气体收集罐用于收集真空剥离器剥离出的SO₂。

本发明提出一种电化学介导捕集SO₂的方法，包括采用上述电化学介导捕集SO₂的装置；

工作过程中，将含有SO₂的气体经电解液储存槽上的气体进口通入其中，电解液储存槽中的电解液吸附SO₂形成HSO₃-；之后含有HSO₃-的电解液流入阳极室中，阳极室电解产生的H⁺与电解液中的HSO₃ ^-反应形成SO₂；接着含有SO₂的电解液流入真空剥离器中，经真空剥离器剥离从其上的气体出口排出并被收集，之后电解液流入阴极室中，阴极室电解产生的OH^-溶于电解液中，再循环流入电解液储存槽中。

优选地，电解液的流量为20-40mL/min，温度为30-40℃。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明能够有效用于烟气中SO₂的捕集，4，4-联吡啶-3-胺循环使用，无原材料的浪费与污染，属绿色环保，具有工业化应用的潜力。

(2)本发明工艺流程简单，易于控制，条件温和，操作电压低，能耗低。

附图说明

图1为本发明所述电化学介导捕集SO₂装置的结构示意图；

其中，1-阳极室、2-阴极室、3-离子交换膜、4-电解液储存槽、5-真空剥离器、6-酸度计、7-电解液循环泵、8-气体收集罐、9-温度剂、10-稳压电源。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但是应该明确提出这些实施例用于举例说明，但是不解释为限制本发明的范围。

实施例1

参照图1，本实施例提出一种电化学介导捕集SO₂的装置，包括双室电解槽、电解液储存槽4、真空剥离器5、酸度计6、两电解液循环泵7、气体收集罐8、温度剂9和稳压电源10；

双室电解槽包括阳极室1、阴极室2和离子交换膜3，离子交换膜3作为隔膜将双室电解槽分隔为阳极室1和阴极室2，本实施例中离子交换膜3具体为PiperION阴离子交换膜，阳极室1和阴极室2内分别通入电解液，本实施例中以包含0.1mol/L的4，4-联吡啶-3-胺、1.5mol/L的天冬酰胺、1mol/L的氯化1-丁基-3-甲基咪唑的水溶液为电解液，阳极室1和阴极室2上都设有电解液入口和电解液出口；阳极室1内设有铅银合金阳极，阴极室2内设有石墨阴极，铅银合金阳极和石墨阴极则分别与稳压电源10的正极和负极相连；电解液储存槽4上设有气体进口和气体出口，同时设有电解液入口和电解液出口；真空剥离器5上设有气体出口，同时也设有电解液入口和电解液出口，本实施例中真空剥离器4具体为中空纤维膜接触器；酸度计6置于电解液储存槽4内，温度剂9则置于双室电解槽中；

具体实施方式中，阴极室2的电解液出口通过循环管路与电解液储存槽4的电解液入口相连，电解液储存槽4的电解液出口通过循环管路与阳极室1的电解液入口相连，并且该循环管路上设有一电解液循环泵7，阳极室1的电解液出口通过循环管路与真空剥离器5的电解液入口相连，真空剥离器5的电解液出口通过循环管路与阴极室2的电解液入口相连，同样该循环管路上设有另一电解液循环泵7；与此同时，真空剥离器5的气体出口通过气体管路与气体收集罐8相连。

本实施例还提出一种电化学介导捕集SO₂的方法，其是采用上述电化学介导捕集SO₂的装置实现，具体工作过程中，先将2000mL的电解液事先倒入电解液储存槽4中，分别打开电解液循环泵7和稳压电源10，驱动电解液从电解液储存槽4、双室电解槽、真空剥离器5中循环流过，并控制电解液温度为30℃，流量为20mL/min，同时采用恒流电解，并控制电流密度为2.5mA/dm²；之后将模拟烟气(含有1％SO₂)以2L/min的流速通过电解液储存槽4上的气体进口通入到电解液储存槽4中，电解液储存槽4中的电解液吸附其中的SO₂形成HSO₃ ^-，其余未被吸附的气体则通过电解液储存槽4上的气体出口排出，之后含有HSO₃ ^-的电解液再流入阳极室1中，阳极室1电解产生的H⁺与电解液中HSO₃ ^-反应形成H₂SO₃，再分解成SO₂；接着含有SO₂的电解液流入真空剥离器5中，真空剥离器5剥离出SO₂从其上的气体出口排出并经过气体管路通入气体收集罐8中被不断收集，之后电解液流入阴极室2中，阴极室2电解产生的OH^-溶于电解液中，再循环流入电解液储存槽4中，按照上述工作循环1h后注入5mL水，不断重复上述工作循环直至运行12h后，电流效率为25％。

实施例2

参照图1，本实施例同样提出一种电化学介导捕集SO₂的装置及方法，其和实施例1中的设置相同，除了以包含0.2mol/L的4，4-联吡啶-3-胺、2mol/L的天冬酰胺、1mol/L的氯化1-丁基-3-甲基咪唑的水溶液为电解液，控制电解液温度为35℃，流量为40mL/min，同时控制电流密度为3mA/dm²，当同样不断重复上述工作循环直至运行12h后，电流效率可达28％。

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 (8)

1.一种电化学介导捕集SO₂的装置，其特征在于，包括双室电解槽、电解液储存槽和真空剥离器；

双室电解槽以离子交换膜为隔膜分隔为阴极室和阳极室，双室电解槽内通入电解液，采用恒流电解，阴极室电解产生OH^-，阳极室电解产生H⁺，并且阴极室和阳极室上都设有电解液入口和电解液出口；

电解液储存槽用于吸附SO₂，其上设有气体进口、电解液入口和电解液出口；真空剥离器用于剥离SO₂，其上设有气体出口、电解液入口和电解液出口；

阴极室的电解液出口与电解液储存槽的电解液入口相连，电解液储存槽的电解液出口与阳极室的电解液入口相连，阳极室的电解液出口与真空剥离器的电解液入口相连，真空剥离器的电解液出口与阴极室的电解液入口相连，以使得电解液依次循环流入阴极室、电解液储存槽、阳极室和真空剥离器。

2.根据权利要求1所述电化学介导捕集SO₂的装置，其特征在于，阴极室以石墨为阴极，阳极室以铅银合金为阳极，电解液以包含4，4-联吡啶-3-胺、天冬酰胺和氯化1-丁基-3-甲基咪唑的水溶液为电解液。

3.根据权利要求2所述电化学介导捕集SO₂的装置，其特征在于，电解液中，4，4-联吡啶-3-胺的浓度为0.1-0.2mol/L，天冬酰胺的浓度为1-2mol/L，氯化1-丁基-3-甲基咪唑的浓度为0.5-1mol/L。

4.根据权利要求1-3任一项所述电化学介导捕集SO₂的装置，其特征在于，恒流电解的电流密度为2-4mA/dm²。

5.根据权利要求1-4任一项所述电化学介导捕集SO₂的装置，其特征在于，所述装置还包括电解液循环泵，电解液循环泵用于提供电解液循环流动的动力。

6.根据权利要求1-5任一项所述电化学介导捕集SO₂的装置，其特征在于，所述装置还包括气体收集罐，气体收集罐用于收集真空剥离器剥离出的SO₂。

7.一种电化学介导捕集SO₂的方法，其特征在于，包括采用权利要求1-6任一项所述电化学介导捕集SO₂的装置；

工作过程中，将含有SO₂的气体经电解液储存槽上的气体进口通入其中，电解液储存槽中的电解液吸附SO₂形成HSO₃ ^-；之后含有HSO₃ ^-的电解液流入阳极室中，阳极室电解产生的H⁺与电解液中的HSO₃ ^-反应形成SO₂；接着含有SO₂的电解液流入真空剥离器中，经真空剥离器剥离从其上的气体出口排出并被收集，之后电解液流入阴极室中，阴极室电解产生的OH^-溶于电解液中，再循环流入电解液储存槽中。

8.根据权利要求7所述电化学介导捕集SO₂的方法，其特征在于，电解液的流量为20-40mL/min，温度为30-40℃。

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