离子液体净化H2S

离子液体净化离子液体净化 H2SH2S CO2CO2 刘祝 北京石油化工学院环境工程系 环 102 100399 摘要摘要 随着工业的发展 硫化氢 二氧化碳对环境的危害越来越大 而对其的治理技术也在不断发展 本文主要介绍了离子液体对 H2S CO2 的净化和最新研究成果 同时通过实验验证了离子液体净化 CO2 的 效果 探讨了 PH 电导率的变化情况 1 1 引言引言 近年来 离子液体 ionic liquids ILs 作为吸收剂在治理大气污染方面以其效率高 能 耗低 适用范围广等特点已经成为研究热点 离子液体是指完全由特定的阴离子和阳离子 组成的液体 是在室温或室温附近温度下呈液体状态的盐 也称为低温熔融盐 它具有低蒸 气压 不挥发 低熔点 宽液程 导电与导热性良好 热容性与稳定性高 溶解力选择性 强等特点 被誉为绿色溶剂 离子液体在大气污染控制方面的应用也是通过源头控制 过程 优化以及末端治理 3 个阶段来实现的 包括溶剂替代 化学合成 液体萃取 气体分离与吸 收 催化反应 电化学等 笔者主要从污染气体的末端治理介绍离子液体作为吸收剂净化 CO2 H2S 的研究进展情况 1 11 1 离子液体作为吸收剂的特点离子液体作为吸收剂的特点 1 离子液体液态范围宽 蒸气气压小 在常压 室温的条件下呈液体状态 不易蒸发 即使在 较高的温度和真空条件下也能保持稳定的液态 正是因为这个特点 离子液体作为吸收剂 能避免挥发 减少损失 便于储存 而且在减压条件下能有效分离出溶解在其中的易挥发气 体 2 离子液体在从低于或接近室温到 300 以上的条件下 都具有较高的热稳定性和化学稳定 性 与许多气体不发生化学反应 因此在加热过程中可以避免污染性气体在离子液体中的化 学分解 减少了对环境的污染 而且离子液体在较高温度下也不宜变质 再生性良好 可以循 环利用 3 可以设计组成离子液体的阴 阳离子 因此理论上可以组合出数量巨大的离子液体 根 据不同的用途和场合 以及对溶剂的不同要求 可以有更大的选择空间 4 离子液体来源广泛 价格相对便宜 制备合成工艺相对简单 1 21 2 离子液体吸收离子液体吸收 CO2CO2 研究研究 很多离子液体对 CO2 的吸收远高于其他气体 除常规离子液体外 功能化离子液体 单 体聚合物离子液体 多元混合离子液体 离子液体溶液以及吸收器设计等是目前离子液体 用于气体分离的主要研究内容 通过化学结合力吸收 CO2 的离子液体即功能化离子液体功能化离子液体往往具备较高 的吸收容量和吸收速率通常通过碱性基团 如氨基 实现与 CO2 的化学结合 因而功能化离 子液体主要有氨基酸和阳离子氨基取代等类型 Kenta Fukumot 首次报道了咪唑阳离子与氨基酸组合而成的离子液体 开启了以氨基酸作 为阴离子或阳离子合成离子液体的研究工作 Yu Hong 报道了以几种铵为阳离子和 Gly fL Ala b Ala Va1 等四种阴离子组合而成 1 5 种新型氨基酸室温离子液体 其 中 N2224 L Ala1 的粘度最低 其在吸收 CO2 的过程中粘度会逐渐增大 CO2 吸收量 约为 0 5mol mo1 达到吸收平衡的时间要比普通的有机胺和其他氨基酸类离子液体要 快 Zhang Jianmin 合成了分别以 glycine l lanine l b alanine l serine 和 l lysine 为阴离子的离子液体 并测定了 CO2 溶解度 在所对应离子液体含水量约 1wt 的情况下吸收容量可达 0 5mol mol 阳离子带氨基的离子液体是由 Bates 首次报道的 其合成了 1 一 f1 一氨基丙基 1 3 一丁基咪唑氟硼酸 NH2p biml BF4 CO2 在此离子液 体中的溶解度可达 7 4wt 远远超过了常规离子液体的吸收量 吴永良用氮甲基咪唑 和 3 一溴丙胺氢溴酸盐合成了 1 一 fl 一氨基丙基 1 3 一甲基溴盐 f NH2 p mi m B r 4 0 和 1 0 6 K Pa 下 45 w t 水一 NH2 P mim Br 溶液中 CO2 的饱和浓度可达 0 444mol Mol 接近理论吸收量 0 5mol mo1 在 90 真空状态下 吸收的 CO2 能 够完全解吸 且可重复使用 1 31 3 离子液体吸收离子液体吸收 H2SH2S H2S 是一种具有高度刺激性的气体 具有强烈的臭鸡蛋气味 气体中 H2S 的存在不仅会引 起设备和管路腐蚀 催化剂中毒 而且会严重威胁人身安全 中国对环境大气 车间空气及 工业废气中 H2S 浓度都有严格规定 将离子液体用于净化 H2S 气体也成为了一个新的研究方 向 JALILI 等测定了 H2S 在 1 丁基 3 甲基咪唑四氟硼酸盐 bmim BF4 1 己基 3 甲 基咪唑六氟磷酸盐 hmim PF6 和 1 丁基 3 甲基咪唑双 三氟 亚胺 bmim T f2 N 这 3 种咪唑类离子液体中的溶解度以及相关热力学数据 结果表明 在压力为 1 MPa 以 下 温度为 303 15 343 15K 时 H2S 在这 3 种离子液体溶 解度大小依次为 bmim Tf2N bmim BF4 hmim PF6 并且大于 CO2 在这些离子液体中的溶解度 因而 天 然气可利用 H2S 和 CO2 在离子液体中溶解度的差异而将二者从中相互分离出来在此基础上 ROSTA MI 等将这 3 种离子液体的阳离子换成 hmim 在其他条件基本相同的情况下 H2S 在 3 种离子液体中的溶解度大小依次为 hmim BF4 hmim PF6 hmim Tf2N 经过对比发现 调节离子液体阴 阳离子能影响 H2S 的溶解度 随着阳离子取代基链长的 增加 H2S 的溶解度也随之增大 即 hmim BF4 bmin BF4 hmim PF6 bmin PF6 hmim Tf 2N bmin Tf2N JOU 也利用离子液体 bmim PF6 在不同压力 不同温度条件下来吸收 H2S 实验表 明其吸收效果良好 9MPa 时 H2S 的溶解度达到 0 7 摩尔分数 另外 同其他气体一样 温 度 压力对 H2S 在离子液体中的溶解度均有较大影响 0 2 MPa 下 温度从 298K 上升到 403 K H2S 溶解度相应从 0 84 下降到 0 20 摩尔分数 GUO 等利用合成的一系列己内酰胺四丁基溴化铵离子液体吸收 H2S 结果表明 己内酰胺 与四丁基溴化铵物质的量比为 1 1 时 该离子液体对 H2S 吸收性能最佳 常压下 在 303 2K 时 H2S 的溶解度为 5 40 质量分数 将离子液体解吸后再吸收 循环使用 6 次 其对 H2S 的溶解性能几乎不变 2 实验实验 2 1 实验目的实验目的 随着世界工业经济的发展 人口的剧增 全球气候面临越来越严重的问题 CO2 排放量 越来越大 温室效应越来越严重 全球灾难性气候变化屡屡出现 已经严重危害到人类的 生存环境和健康安全 因此开发更为有效的 CO2 捕集和分离技术显得尤为迫切 本实验就 离子液体吸收 CO2 这项技术做了简单的研究 2 2 实验仪器实验仪器 PHS 3C 型 PH 计 Sension7 电导仪 DF 101S 集热式恒温加热磁力搅拌器 D08 201ZM 型流量显示仪 烘干器 2 3 实验步骤实验步骤 实验试剂采用离子液体 取 10ml 离子液体 用 90ml 去离子水稀释将其 PH 调整到 6 5 配置好溶液后 先用参考溶液校准 PHS 3C 型 PH 计及 Sension7 电导仪 校验完毕后测定 配好的溶液的 PH 值和电导率 记录下来 将烘干好的鼓泡吸收管用空量筒固定好后用天 平称量质量 M1 取 12ML 左右溶液加入鼓泡吸收管再次称量质量 M2 将鼓泡吸收管离子 液体液面完全浸如到集热式恒温加热强力搅拌器中进行加热 是试液保持恒定 25 然后 接通硫容测试装置进行鼓泡 二氧化碳钢瓶出口压力依次设置为 0 06 0 12 0 18 0 24 0 30mpa 流量仪设定为固定 20 ml min 鼓泡 20min 后取出试液 称量试液质量 M3 测量试液 PH 及电导率 与原溶液测得的数据进行对比 得出实验结论 2 4 结果讨论结果讨论 室温 25 流量 20ml min pH 6 50 S 4 83 s cm 序号 pH S s cm M g 10 630 070 013 20 800 100 011 30 880 130 023 40 900 170 014 50 930 220 025 M M3 M2 M2 M1 压力和 PH 关系 压力和 s 序号M1 gM2 gM3 g压力 P mpa pH电导率 S s cm 1163 470175 449175 6040 065 874 90 2161 314172 384172 5090 125 704 93 3166 872175 342175 5330 185 624 96 4167 191177 875178 0230 245 605 00 5164 425175 011175 2740 305 575 05 压力和 M 3 结论结论 根据实验数据及其变化曲线可知随着压力的增加 离子液体的 PH s 均增大 m 无明显关系 分析如下 离子液体反应前 ph 为 5 87 呈酸性 随着压力的增大 离子液体的 ph 越低 ph 越大 说 明其中的 H 增多 酸性更强 说明有更多的 CO2 溶解其中 离子液体反应前的 S 为 4 90 s cm 随着压力的增大其电导率越来越高 说明其中的游 离离子有所增多 离子溶液与更多的 CO2 进行了反应 质量与压力变化无明显相关性 是由于在鼓泡过程中二氧化碳气泡不稳定 以及在实验 设备移动时会使溶解于液体中的二氧化碳气体溢出导致质量变化 根据以上实验数据可知随着压力的增加离子液体与二氧化碳气体的反应量增大 与二氧 化碳的溶解量无明显关系 参考文献 1 高亮 郭斌 段二红 离子液体在净化 C O 2 S O 2 H 2 S 方面的研究进展 河北工业科技 2011 年 9 月 第 5 期 2 孔