几种类型有机溶剂吸收SO2的研究

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SO2是空气中的主要污染气体之一。我国是世界上为数不多的燃煤大国,其产生的含硫气体对环境和人体的危害不可估量。一直以来,科研工作者不断地研究更有效的脱除SO2的方法。然而,无论是应用最普遍的石灰石法脱硫工艺,还是处于实验室研究阶段的脱硫方法,都存在不同程度的问题。因此,继续研发低能耗的、新型的和环保的烟气脱硫技术刻不容缓。近些年来,用有机溶剂脱除SO2的研究开发也较多。查阅文献可知,对于溶剂法吸收SO2性能的评价大多是通过采用静态法或动态法测定不同条件下SO2在溶剂中的溶解度的大小进行的。然而这两种方法均存在测定时间长的特点,因此本文介绍了一种鉴别溶剂吸收SO2能力大小的方法,实验结果表明,该方法可以快速、方便地判断出不同溶剂对SO2吸收性能优劣,从本文选定的26种溶剂对SO2的吸收效果来看,其顺序为:含氮类>醚类>砜类>酯类>醇类,并对N-甲基甲酰胺进行多次吸收和解吸SO2,发现其仍然具有较高的解吸率。此外采用Hansen溶解度参数理论对26种有机溶剂吸收SO2的过程进行了预测和解释,发现对于同一类型的溶剂而言溶解度参数理论可以和实验结果吻合,这意味着Hansen溶解度参数理论可以用来很好地预测溶剂对SO2的吸收过程评价。本文也采用Aspen Plus软件中的基本物性参数,对选定的26种溶剂的粘度、密度、蒸气压及表面张力随温度的变化情况进行了分析。综合吸收性能、解吸性能以及物性参数等发现N-甲基甲酰胺是一种潜在的用于脱除SO2的较好溶剂。同时,本文还采用光谱分析手段,紫外-可见光谱(UV-vis)、红外光谱(FT-IR)和核磁共振氢谱(1H-NMR)对不同类别的有机溶剂吸收SO2的机理进行研究。结果表明,不同官能团的有机溶剂与SO2之间的作用位点不同,醇类溶剂与SO2之间形成氢键,作用方式为-CH2-OH…OSO…;醚类溶剂与SO2之间主要是醚键O原子与SO2的S原子之间形成弱的缔合作用,作用方式为-CH2-O(CH2)…(O)SO…,而乙二醇单甲醚与SO2分子之间形成氢键;酯类溶剂中的双键O原子与SO2的硫原子之间发生p-π共轭作用;含氮类溶剂分子中的O原子或者N原子与SO2之间是通过静电引力缔合成大分子,而N-甲基甲酰胺与SO2分子之间形成氢键;砜类溶剂中的O原子与SO2分子中的S原子发生缔合作用。由于有机溶剂与SO2之间的这种弱的结合作用,使得SO2容易从溶剂中解吸,实现溶剂的再生,循环使用。此外,根据穿透溶解度实验结果可知,含氮类和醚类溶剂对SO2的吸收效果较好,所以选用含氮类溶剂三乙烯四胺和醚类溶剂三乙二醇二甲醚混合添加少量水体系来吸收SO2,三乙烯四胺在三乙二醇二甲醚或三乙二醇二甲醚+水体系中吸收SO2,都生成白色沉淀,对其化学组成及基本物性进行分析。通过各种表征分析发现,生成的三种白色沉淀化学结构基本一致,且白色沉淀为晶体,分子式为C6H22N4SO5,分子中含有亚硫酸根基团、亚甲基、NH2基团、NH基团、NH2+基团以及结晶水。推测其生成机理为:H2O+SO2→HSO3-+H+H2N HN NH NH2+H+→H2N HN NH2+ NH2H2N HN NH2+NH2+HSO3-+2H2→OH2N(CH22NH(CH22NH3SO3(CH22NH2·2H2O白色沉淀的水溶液呈中性,白色产物的性质不稳定,其在123℃以上发生分解,且185℃分解吸热较多,SO2全部分解析出。
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