中文译文－铁基化离子液体乙醇和水三元体系的湿法烟气脱硫技术.doc

1、外文翻译题目1：Ternary System of Fe-based Ionic Liquid, Ethanol and Water for Wet Flue Gas Desulfurization题目2： Experimental Study on Fast Suspension Bed Flue Gas Desulfurization铁基化离子液体，乙醇和水三元体系的湿法烟气脱硫技术作者：解美莹，李沛沛，郭惠锋，高丽霞，余江国籍：中国出处：Chinese Journal of Chemical Engineering 摘要：本文中，铁基离子液体（Fe-IL）是由FeCl36H2O和1-丁基

2、-3-甲基咪唑铁基离子液体混合形成的。实验为了构建一个三元湿法烟气脱硫体系，研究了铁基离子液体、酒精和水的三相图，烟气流速、二氧化硫浓度、反应温度、pH值和铁基离子液体等因素在湿法脱硫法中对二氧化硫去除效率的比重。结果表明，最佳三元组合脱硫方案为铁基离子液体、酒精和水的体积比为11.53。pH值应为2.0左右，在这样的实验条件下，二氧化硫的脱出效率可达到90%以上。反应生成的产物硫酸对反应过程有抑制作用。采用这种三元脱硫技术，不仅铁基离子液体可以被回收利用，而且产物硫酸可以直接从这个三元脱硫体系中分离出来。关键词：铁基离子液体，三元相图，二氧化硫，湿法烟气脱硫1 引言化石燃料的广泛使用，例如石

3、油和煤炭的燃烧，导致了大量包括二氧化硫在内的酸性气体排放到大气中，对人类的健康和生产性活动造成了严重威胁。其中一种最重要的方法是利用液体加强对二氧化硫的吸附，减少烟气中二氧化硫的量。在湿法烟气脱硫技术中，用金属离子作催化剂的技术已经被广泛使用，如用铁（III）或者用强氧化剂将Mn（）氧化为Mn（）。用三价铁离子去除二氧化硫的液相氧化过程可以用以下的化学反应来描述：2Fe3+ +SO32-+H2O2Fe2+ SO42-+2H2+2SO32- +O22SO42-2Fe2+SO2+O2+2H2+2Fe3+H2SO4全过程反应可以简化为：2SO2+ O2+2H2O2H2SO4这种脱硫工艺的优点是脱硫效

4、率高，反应速度快，但是，二氧化硫的去除只能在水相中当二氧化硫以SO32-和HSO3-的形式存在时才能发生，因此，将脱硫产物从水相中分离出来，并且回收催化剂是很困难的。反应中必须持续加入催化剂，因此，探索一种新的湿法烟气脱硫技术是很重要的。离子液体作为一种很有前途的功能材料比传统吸附剂有很多的优势，包括蒸汽压低，溶解性良好，耐热性强，化学性质稳定。在降低烟气中二氧化硫浓度方面非常有潜力。疏水性的铁基离子液体可以在室温下经BmimCl和FeCl3直接混合而成。据报道，石油中的有机硫可以被铁基离子液体和过氧化氢催化氧化并除去。我们的研究也表明硫化氢可以被铁基离子液体氧化并直接转化为硫单质。铁基离子液

5、体经氧气氧化后可以再利用。在这个实验中，具有强氧化性的铁基离子液体被作为催化剂将二氧化硫氧化为硫酸。我们注意到疏水性的铁基离子液体可以在加入酒精后溶解于水中，当加热使酒精从液相中挥发后恢复原状。也就是说，一个有铁基离子液体、酒精和水组成的三元体系可以将二氧化硫氧化为硫酸，当加热三元体系使酒精挥发后，催化剂铁基离子液体可以从液相硫酸中分离出来。因此，这是一种没有催化剂和产物浪费的环保湿法烟气脱硫技术。通过相分离的脱硫过程的原理概念图如图1所示，在这种脱硫过程中，铁基离子液体，酒精和水被混合为脱硫系统做准备。酒精提高了疏水的铁基离子液体在水中的溶解性，形成一种均相溶液，在脱硫反应之后，通过脱硫溶液

6、的简单蒸馏，酒精可以被分离出来，铁基离子液体可以从水中分离出来并被回收再利用，生成的产物硫酸溶解在脱硫以后的溶液中可以被回收利用。本实验研究了脱硫工艺的影响因素，并优化脱硫的条件以提高脱硫性能。图1 湿法脱硫相分离的概念示意图2 实验部分2.1 材料甲基咪唑（金属粉末注射成型，纯度99.5%）是常州中凯化学公司生产的，氯丁烷（分析纯）是北京利益精细化学公司生产的，乙酸乙酯是北京北化精密化学公司生产的，六水合三氯化铁是天津富晨化学试剂公司生产的，酒精、盐酸和氨水（17%，以质量记）都是来自市场的分析纯，Karl-Fischer试剂是由国药控股化学试剂有限公司提供的，纯净的氮气和氧气，含有0.25

7、%和0.47%氮气的二氧化硫是由北京中科慧杰分析技术公司提供的，硫酸是由北京化学制造厂提供的分析纯，所有化学试剂都是直接使用，没有经过任何预处理。2.2 铁基离子液体的准备铁基离子液体（Fe-IL, BmimFeCl4）是由两个步骤合成的，如前所说。第一步是准备1-丁基-3-甲基咪唑鎓氯化物（BmimCl）。氯丁烷和甲基咪唑混合，并在70下搅拌72小时。用等体积的乙酸乙酯清洗3-5分钟，并在70下真空蒸馏，可得到浅黄色的液体产物。第二个步骤是制备铁基离子液体（Fe-IL），在空气中，按体积比12混合BmimCl和FeCl36H2O，并持续12小时。离心后得到两相体系，暗绿色上层是所谓的铁基离子

8、液体。2.3 铁基离子液体-酒精-水体系的相图构建在40 C时，三元体系中铁基离子液体、酒精和水是质量分数不同的液体，分别放入恒温振荡培养箱并且混合充分12小时。温度的准确度为0.5C。然后将平衡混合物静置约12小时，以清楚地分开的液-液两相。通过确定在每个阶段的三种化合物的浓度，得到的三元混合物的液-液平衡数据。水的分数通Karl-Fischer水分测定分析仪测定，铁基离子液体的含量用紫外/可见分光光度计在192 nm处测定。 然后根据质量平衡计算出酒精的含量，基于这些测量值，画出三元体系的三相图，并确定合适的脱硫介质。2.4 脱硫过程脱硫实验装置如图2所示，三元脱硫溶液是由铁基离子液体，酒

9、精和水按不同的比率混合而成的，三元脱硫液的pH控制用HCl-NH4Cl缓冲溶液。将50ml 脱硫溶液投入反应器中。该反应器的结构和尺寸为图2（a）所示。反应温度为40，将水套连接到水浴中，初始二氧化硫浓度为32.5gm3 ，氧气分数为10%，烟气流速为150mlmin1，当温度和气体流量稳定后，该气体流被切换到反应器中，启动脱硫工艺，脱硫性能是由碘量法尾气中测得二氧化硫的浓度评价的。对脱硫效率进行计算，用原始SO 2的浓度C0，参照尾气中SO 2浓度Ct，如下面的方程所示： 3 结果和讨论3.1 铁基离子液体、酒精和水在40下的三元相图图3是铁基离子液体（Fe-IL）、乙醇和水在温度为40时的

10、三元相图，很显然，铁基离子液体是疏水性且不与水混溶的，因此有三相图中有双扇区。随着铁基离子液体和水两项混合物中酒精的增加，可以得到均匀混合的溶液，相反，将乙醇从三元体系中除去后，两相的铁基离子液体（Fe-IL）和水可还原。所有这些提供了实呈现现图1概念的基础。图2 脱硫实验装置（a）和反应器1尺寸1反应器；2水浴套；3玻璃砂漏斗；4水浴；5脱裤溶液；6二氧化硫气体筒；7，9减压阀；8氧气筒；10，11流量计；12缓冲瓶；13尾气净化器；14聚光器根据SO2在水溶液中的湿式脱硫装置，可认为是铁基离子液体（Fe-IL）中的铁（III）在O2和H2O存在时，将SO2氧化为H2 SO4。根据图3铁基离

11、子液体（Fe-IL）在水和乙醇的共溶剂中完全混合，以确保湿式脱硫可以在水溶液中有效地进行，并且当乙醇是从脱硫液中除去后，铁基离子液体（Fe-IL）作为催化剂可以回收和再次使用，它完全满足脱硫图新概念的要求，如图1所示。图3 铁基离子液体，乙醇和水在40三相图3.2 铁基离子液体、酒精和水三元系统的湿法烟气脱硫技术水溶液中的湿法二氧化硫脱硫是一个复杂的过程，包括吸收二氧化硫从气相到液相，在液相中的质量传递，催化氧化和催化剂的再生，甚至产品的分离等过程，这涉及到许多操作参数，包括初始SO2浓度，气体流速，反应温度，pH和脱硫液组合物等。3.2.1 二氧化硫浓度的影响SO2浓度对脱硫效率的影响示于图

12、4。由图4可知，脱硫效率随着反应时间的增加而下降，事实上，二氧化硫脱硫效率由SO2吸收和Fe（II）与Fe （III）的再生率相互影响的。如果SO2吸收缓慢，催化剂可以迅速再生，在整个脱硫过程是通过吸收进行控制的。如果吸收很快，催化剂再生率缓慢，整个脱硫过程由催化剂再生控制。无论发生什么情况，SO2初始浓度的增加可导致脱硫效率显著下降。图4 不同SO2浓度下反应时间对脱硫效率的影响 （VFe-ILVwaterVethanol = 11.53，SO2：32.5 gm3，O2： 10%，pH = 2.0，T = 40 C） 32.5 gm3； 60.5 gm3在图4中，脱硫效率为90以上，在第一个

13、小时内，尽管二氧化硫初始浓度由32.5 gm3增加到60.5 gm3。这是由于在初始脱硫阶段，高浓度催化剂Fe（III）的影响，这意味着该催化剂的Fe（III）在控制整个脱硫过程中起着积极作用，反应一个小时后，脱硫效率迅速下降，此时SO2浓度为60.5 gm3，这是由于催化剂Fe（III）被迅速消耗，其再生速度太慢不能满足SO2氧化的需求。3.2.2 反应温度的影响图5显示了不同温度下反应时间对脱硫效率的影响。图5 不同温度下反应时间对脱硫效率的影响 （VFe-ILVwaterVethanol = 11.53，SO2： 32.5 gm3，O2： 10%，pH = 2.0） 30 C； 40 C

14、； 50 C； 60 CSO2和O2从气相到液相以及湿式催化脱硫的溶解过程与反应温度是密切相关的。温度升高不利于O2和SO2在脱硫液中的溶解，但可以促进催化化学反应速率。图5表明，脱硫性能在30，40和50的相似，而在60时，脱硫效率迅速下降。 3.2.3 流量的影响 脱硫效率和时间在不同的气体流率下的关系如图6示。显然，较低的气体流量意味着更长停留时间，这有利于SO2完全吸收进入液相，并且可以在较长一段时间保持较高脱硫效率。在这个实验中，最佳的气体流量为150 mlmin1。图6 不同烟气流量下反应时间对脱硫效率的影响（VFe-ILVwaterVethanol = 11.53，SO2：32.

15、5 gm3，O2：10%，pH = 2.0，T = 40 C） 150 mlmin1； 200 mlmin1； 300 mlmin13.2.4 氧气加载的影响图7显示了氧分压对脱硫效率的影响。图7 有无氧气条件下反应时间对脱硫效率的影响（VFe-ILVwaterVethanol = 11.53，SO2：32.5 gm3，O2：10%，pH = 2.0，T = 40 C） without O2； with O2由图可见，有O2负载时，脱硫效率可以达到100%，保持大约250分钟。在没有O2负载的情况下，脱硫效率会在120分钟以后迅速下降到90%以下。因此，O2在湿法二氧化硫脱硫过程中发挥了积极作用。这是因为铁基离子液体的再生是由O2诱发的，二氧化硫的反应可以在铁（III）离子浓度较高的情况下持续有效地运行。无O2负荷时，铁（）逐渐耗尽导致脱硫效率降低。3.2.5 pH值的影响 pH值在脱硫工艺中也是一个重要的影响因素，因为它对脱硫溶液中SO2的溶解度有影响。当pH值高于2.5时，Fe（III）会水解并产生沉淀物从而减少脱硫时活性Fe（III）的含量。如图8所示，在pH