农机燃油中硫化物脱除效果及SO2对作物的影响

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我国是一个农业大国,随着农业机械化的不断推进,我国消耗柴油总量中,农机燃油消耗比例高达40%。到2020年,农机燃油消耗柴油预计消耗会达到柴油总量的70%,可达6455万吨。我国农机燃油硫含量较高,已经成为作物污染的重要源头。由于农机燃油的大型化,一方面由于农机燃油泄露事故频发,造成了硫化物对土壤的污染,影响作物生长;另一方面,尤其是农机燃油中硫化物燃烧后生成的SO2,及其形成的酸雨也对作物影响严重。研究发现,SO2对作物会产生极大的危害,如叶片光合色素、细胞膜、抗氧化酶、根尖生长和分裂等。我国每年由于SO2,以及由其反应生成的酸雨污染造成农作物等方面的经济损失达数千亿元。世界各国都非常重视农机燃油使用过程中的硫排放问题。然而,由于炼油结构问题,我国农机燃油中硫含量普遍偏高。因此,开展绿色、安全、高效的新型农机燃油脱硫工艺研究具有重要的理论意义和应用价值。本研究在研究揭示SO2对作物危害基础上,围绕农机燃油中硫化物的萃取脱除效果进行研究,为实现农机燃油中硫化物脱除提供理论基础和实验依据。从而达到改善作物生长环境,为作物的生长提供良好的生态环境。获得的主要结论如下:(1)质子型离子液体可有效的实现农机燃油中硫化物的萃取脱除。质子型离子液体阴阳离子结构对脱硫效率均有影响。然而,阳离子影响农机燃油脱硫效果更加明显。另外,该萃取脱硫过程平衡时间较短,30 min内即可达到平衡;随着离子液体用量的增加,脱硫效率显著增加;转速对萃取过程影响不大。当质子型离子液体与模拟油的质量比为4:1时,经离子液体[DMAPN]+[Pr]-和[DMEA]+[Pr]-萃取后,脱硫效率分别达84.7%和77.5%。经多次萃取,可实现深度脱硫。此外,可通过减压蒸馏工艺实现质子型离子液体的回收再用。研究表明,氢键作用是萃取过程的主要驱动力。(2)利用深共融溶剂的可设计性,构建了用于农机燃油中硫化物的萃取脱除工艺。单纯采用萃取脱硫工艺,深共融溶剂对硫化物的单次脱除效率最高可达71.1%。为实现燃油中有机硫化物的深度脱除目标,基于深共融溶剂的催化剂、萃取剂和溶剂的“三剂合一”理念,设计了氧化/萃取耦合脱硫工艺。氯化胆碱和四丁基氯化铵与对甲基苯磺酸组成的深共融溶剂脱硫效率均可达到99.9%以上,实现了燃油中有机硫化物的“一锅法”深度脱除。研究发现:氢键的给体和接受体对氧化/萃取过程均有影响,氢键的给体对脱硫过程影响较为显著;深共融溶剂的酸度对脱硫过程具有较大影响,酸性强弱与其氧化/萃取脱硫效率正相关;氧化剂用量对氧化/萃取过程具有重要影响。研究表明,该过程遵循先萃取、再氧化的路径,即苯并噻吩(BT)先被萃取进入深共融溶剂相,之后在自由基作用下,被氧化成BTO2,进而被萃取到深共融溶剂相。(3)基于深共融机理,选取醇类溶剂作为氢键给体,实现了农机燃油中硫化物高效脱除。经多次萃取后可实现农机燃油中有机硫化物深度脱除。脱硫过程受多种因素影响,如系统温度、平衡时间、模拟油初始浓度、系统转速、萃取剂用量等。研究表明高温不利于脱硫过程,室温即可获得较高的脱硫效率。且硫化物初始浓度越小,萃取率越高,当初始浓度增加到一定值时,萃取率基本保持不变。萃取剂用量越大越有利于脱硫过程,当聚乙二醇(PEG)与模拟油的质量比1:1时,脱硫效率即可达99.9%。萃取机理研究表明:PEG上的羟基与二苯并噻吩上的硫原子之间形成了氢键作用,使其形成了新的深共融溶剂,从而获得了较高的脱硫效率。(4)采用静止薰气法,研究了SO2对作物的影响。研究发现,SO2对作物的叶片具有急性危害,尤其是高浓度SO2对作物的叶片具有极大的急性危害,比低浓度伤害更加严重。SO2的接触时间和气体浓度是决定植物受伤害程度的两个关键因素。SO2浓度越高,叶片短期内出现坏死伤斑效果越明显,伤斑面积越大。时间越长,叶片的伤害越严重。上述研究为农机燃油中硫化物的脱除提供了新理论、新方法和新技术。有望缓解和有效的解决硫化物对作物的污染问题。
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