功能化低共熔溶剂的设计及用于吸收烟气中SO2的研究-文献详情-维普官网

文献检索

任意字段

文献信息

任意字段
主题词
篇关摘
篇名
关键词
摘要
作者
第一作者
作者单位
刊名
中图分类号
学科分类号
DOI
基金

智能检索

高级检索

检索历史

功能化低共熔溶剂的设计及用于吸收烟气中SO2的研究认领

被引量： 12

作者：

张凯

学位授予单位：

北京化工大学

摘要：

燃煤发电是我国电能的主要来源,燃煤烟气中的SO2是大气主要污染物之一,严重危害人类健康及环境质量。SO2的捕集及资源化利用对生态环境和社会有重要意义。低共熔溶剂(DES)是一种由氢键受体(HBA)和氢键供体(HBD)组成的熔点低于其单一组分的二元或多元混合物。低共熔溶剂具有优良的性质,在SO2捕集领域展示出巨大优势,然而目前报道的低共熔溶剂不能有效吸收烟气中低浓度的SO2。本文旨在设计能够吸收低浓度SO2的功能化低共熔溶剂,研究其对SO2的吸收规律及吸收机理,考察乳酸对其吸收和解吸SO2的调节性能,获得其比热容数据,为其工业化应用提供理论基础。主要工作及结论如下:(1)依据功能化离子液体吸收SO2的强酸置弱酸机理,设计合成了以甜菜碱(Bet)和左旋肉碱(L-car)两种内盐为氢键受体、乙二醇(EG)和水(H2O)为氢键供体的内盐型功能化低共熔溶剂。研究了 Bet-EG DES、L-car-EG DES、Bet-H2O DES 及 L-car-H2O DES 对 SO2 的吸收规律及吸收机理。结果表明,四种功能化低共熔溶剂均对S02有良好的吸收效果。在40℃ 下,L-car-EGDES(nL-car:nEG=1:3)对 2 vol%SO2(平衡气为 N2)的饱和吸收量为 0.820 mol S02/mol L-car(0.151 g SO2/g DES)。S02 的饱和吸收量不受氢键受体和氢键供体摩尔比的影响,且随温度的升高而降低,随SO2浓度的增加而增大。四种低共熔溶剂均具有良好的再生性能,在吸收解吸重复五次后,对SO2的饱和吸收量没有下降。通过分析吸收前后低共熔溶剂的核磁共振(NMR)及红外光谱(FTIR)谱图,推测内盐中-COO-为SO2吸收位点。(2)依据功能化离子液体中自由胺基与SO2的酸碱作用,设计合成了以咪唑(Im)、2-甲基咪唑(2-MeIm)、2-乙基咪唑(2-EtIm)和2-丙基咪唑(2-PrIm)为氢键受体、丙三醇(Gly)为氢键供体的咪唑型功能化低共熔溶剂,考察了其对SO2的吸收性能。在40℃下,四种低共熔溶剂(nHBA:nHBD=1:2)对 2 vol%S02 的饱和摩尔吸收量为 1 mol S02/mol HBA,支链烷基个数不影响低共熔溶剂对SO2的饱和摩尔吸收量,Im-Gly DES(nIm:nGly=1:2)对SO2有最高的饱和质量吸收量,Im中N(1)为SO2吸收位点。CO2和NO不影响Im-Gly DES对SO2的吸收。当吸收温度为 40℃、解吸温度为 100℃时,Im-Gly DES(nIm:nGly=1:2)对 0.2 vol%SO2净质量吸收量高达0.161 g SO2/g DES,且吸收后的SO2可被快速解吸。Im-Gly DES的再生实验表明,Im-Gly DES可多次用于SO2的吸收并保持稳定的SO2饱和吸收量。(3)提出采用廉价、稳定和水溶性好的氢氧化钠来替代昂贵的有机碱制备低共熔溶剂的思路,以降低吸收剂成本,提高吸收剂稳定性。合成了低黏度的乳酸钠(NaLa)-H2O DES。在 40℃下,wNaLa=50%的 NaLa-H2O DES对2.5 vol%SO2的饱和质量吸收量为0.130 g SO2/g DES,并可将进口浓度为 0.096 vol%的 SO2 脱除至 0 vol%。SO2 在 NaLa-H2O DES 中的饱和质量吸收量随温度的升高而降低,随NaLa含量及SO2浓度的增加而增大。通过1H NMR分析NaLa-H2O DES长时间的结构稳定性,在重复使用60天后(吸收温度为40℃、解吸温度为100℃),NaLa-H2O DES结构没有发生改变,表明NaLa-H2O DES具有非常好的结构稳定性。(4)再生能耗是可再生脱硫技术的主要成本。本文以NaLa-H20 DES吸收SO2的化学平衡方程式为基础,提出通过添加乳酸来调节多类吸收剂对SO2吸收和解吸性能的思路,以降低再生能耗和SO2解吸剩余量。当解吸温度相同时,乳酸的添加可显著降低SO2的解吸剩余量,SO2的解吸剩余量越低,所对应的气相中SO2(出口 SO2)浓度越低。乳酸在含水的吸收剂中有更明显的调节效果。当乳酸与NaLa的摩尔比为0.2:1时,对于进口 SO2浓度为 5500 mg/m3(约 0.2 vol%),出口 SO2浓度为 50 mg/m3(约0.0018 vol%),解吸温度为120℃的工艺条件,理论上可节约30%的蒸汽消耗量。此外,乳酸的添加可加快SO2的解吸速率,且不影响L-car-H2O DES和NaLa-H2O DES的再生性能。(5)吸收剂的比热容是重要的热力学数据。本文使用BT 2.15微量量热仪测量了 45℃-9O℃下两种内盐型(nHBA:nHBD=1:3)及四种咪唑型(nHBA:nHBD=1:2)功能化低共熔溶剂的比热容(Bet-EG DES、L-car-EG DES、Im-Gly DES、2-MeIm-Gly DES、2-EtIm-Gly DES 和 2-PrIm-Gly DES),并采用二次经验多项式对温度及比热容进行关联。结果表明,低共熔溶剂的比热容随温度的升高而增大,Im-Gly DES的比热容对温度较其它低共熔溶剂更为敏感。低共熔溶剂的比热容远小于相同条件下水的比热容。较小的比热容使得低共熔溶剂只需较少的热量即可实现其较大幅度的温升,有利于脱硫过程。

摘要译文

关键词：

功能化低共熔溶剂; SO2; 吸收; 机理; 能耗; 比热容

学位年度：

2019

学位类型：

博士

学科专业：

化学工程与技术

导师：

吴卫泽任树行

中图分类号：

X773[电力工业⑨];TQ413.2[有机溶剂]

学科分类号：

083002[环境工程];081702[化学工艺]

D O I：

10.26939/d.cnki.gbhgu.2019.000210