呂強(qiáng)三,胡金山,李紅霞

(河北理工大學(xué) 化工與生物技術(shù)學(xué)院,河北唐山 063009)

煙氣中的SO2是分布廣、數(shù)量大、危害嚴(yán)重的氣體污染物之一,其主要來(lái)源有含硫燃料的燃燒、含硫礦物的冶煉、化學(xué)工業(yè)的廢氣等工業(yè)。隨著環(huán)保力度的加強(qiáng),煙氣脫硫技術(shù)越來(lái)越引起人們的重視。

乳狀液膜分離技術(shù)是 20世紀(jì) 60年代末發(fā)明的,它綜合了固體膜分離與溶液萃取的特,是一種新型的膜分離技術(shù)。由于乳狀液膜分離技術(shù)具有比表面積大、傳質(zhì)速率高、選擇性好、分離速度快、能耗低以及膜相能夠重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于金屬離子的分離[1-2]、氣體分離[3],環(huán)境保護(hù)[4]、生物醫(yī)藥[5]和石油化工[6]等領(lǐng)域。

1 乳狀液膜法煙氣脫硫的原理

實(shí)驗(yàn)采用NaOH作脫硫劑,乳狀液膜法煙氣脫硫機(jī)理如圖1所示。

圖1 乳狀液膜煙氣脫硫機(jī)理

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要試劑與儀器

煤油:市售;表面活性劑蘭—113B:蘭州煉油廠;ACD—5505型超靜音氣泵:廣東海利集團(tuán)有限公司; FS—1型可調(diào)高速勻漿機(jī):江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司;PHS—3D數(shù)字酸度/離子計(jì):上海雷磁儀器廠;78—1型磁力加熱攪拌器:杭州儀表電機(jī)廠。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 油包水型乳狀液的制備

將表面活性劑蘭—113B、煤油和NaOH溶液按一定比例混合后加到制乳器中,在2500～3000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌15min,即制成油包水型(W/O)乳狀液。

2.2.2 煙氣脫硫

將得到的乳狀液按一定的乳水比分散到外相液中,煙氣脫硫過(guò)程在 300～400 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行攪拌,進(jìn)氣SO2濃度約為2360mg/m3。

2.2.3 分析方法

采用碘量法對(duì)SO2濃度進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 內(nèi)相液濃度對(duì)脫硫效率的影響

在液膜傳質(zhì)過(guò)程中,內(nèi)相溶液中的NaOH與SO2進(jìn)行反應(yīng)生成Na2SO3和Na2SO4,使SO2不斷地從外相液中傳輸?shù)絻?nèi)相中,從而使SO2得到分離。因此內(nèi)相液NaOH的濃度直接影響到脫硫效率。內(nèi)相液NaOH的濃度對(duì)脫硫效率的影響如圖 2所示。

圖2 內(nèi)相液濃度對(duì)脫硫效率的影響

由圖2可知,隨著內(nèi)相中NaOH溶液濃度的增加,脫硫效率也隨之增大,這是因?yàn)闈舛仍礁?增大了SO2與吸收劑之間的反應(yīng)機(jī)會(huì),從而增大了脫硫效率;當(dāng)NaOH溶液濃度增到0.10mol/L時(shí),脫硫效率可到98.60%,而其濃度繼續(xù)增大時(shí),脫硫效率不再增大。因此,內(nèi)相溶液NaOH的濃度選用0.10 mol/L。

3.2 攪拌速度對(duì)脫硫效率的影響

改變攪拌速度,進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 3所示。

L113B為3%(v/v);油內(nèi)比為5:5;外相液pH為8;乳水比為1:5

由圖3可知,攪拌速度從200 r/min增大到400 r/min時(shí),脫硫效率會(huì)迅速增大,當(dāng)攪拌速度為400 r/min時(shí),脫硫效率最大,可達(dá) 98.7%,再繼續(xù)增大攪拌速度時(shí),脫硫效率反而會(huì)有所降低。這是因?yàn)橥馑嗯c乳狀液在適當(dāng)?shù)臄嚢杷俣认掠欣跉庖旱慕佑|,會(huì)生成很小的乳液滴,分布比較均勻,從而為溶質(zhì)的遷移提供了很大的相界面積。當(dāng)攪拌速度太小時(shí),外水相與乳狀液不能達(dá)到充分的混合,乳液液滴較大,且分布不均勻,因而不能提供足夠大的氣液兩相接觸的面積,致使脫硫效率不高;而當(dāng)攪拌速度太大時(shí),又會(huì)使液膜破裂,液膜不夠穩(wěn)定。根據(jù)圖3中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,攪拌速度為400 r/min時(shí),脫硫效果最佳。

3.3 正交實(shí)驗(yàn)

在初步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用正交試驗(yàn)法對(duì)表面活性劑用量、油內(nèi)比、乳水比和外相液pH值等對(duì)脫硫效率影響較大的 4個(gè)因素進(jìn)行考察,每個(gè)因素設(shè) 3個(gè)水平,L9(34)正交試驗(yàn)見(jiàn)表 1,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3 攪拌速度對(duì)脫硫效率的影響

表1 NaOH為介質(zhì)的乳狀液膜煙氣脫硫水平表

表2 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)定結(jié)果

1)因子影響指標(biāo)的主次順序。從極值R來(lái)看,RC=0.68〉RB=0.36〉RD=0.24〉RA=0.15,由于級(jí)差大小反映了因子影響指標(biāo)的主次,所以第三列極差最大說(shuō)明乳水比是重要因素,主要次序是:

乳水比C油內(nèi)比B外相液pH值D表面活性劑用量A

2)選擇最優(yōu)方案。從上表中可以看出各因子中哪個(gè)水平的平均指標(biāo)最高。結(jié)果是:表面活性劑用量 A以A2(3%)平均指標(biāo)最高;油內(nèi)比B以B2(5:5)平均指標(biāo)最高;乳水比C以C2(1:5)平均指標(biāo)最高;外相液pH D以D2(8)平均指標(biāo)最高。因而選出方案A2B2C2D2,即表面活性劑用量為3%(v/v),油內(nèi)比為5:5,乳水比為1:5,外相液pH為8。

3)正交表中的第2號(hào)實(shí)驗(yàn)A1B2C2D2和上面分析出來(lái)的最優(yōu)方案A2B2C2D2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果A2B2C2D2的C值為98.8%,說(shuō)明A2B2C2D2是最優(yōu)方案。

4 結(jié)論

(1)確定了最佳工藝條件:表面活性劑L113B用量為3%(v/v),內(nèi)相NaOH溶液濃度為0.10 mol/L,外相液pH為8,油內(nèi)比為5:5,乳水比為1:5,攪拌速度為400 r/min。

(2)乳狀液膜法煙氣脫硫具有簡(jiǎn)單、高效、快速、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),內(nèi)相液較高的NaOH濃度,提高了脫硫效率,同時(shí)也避免了外向液過(guò)高的 pH對(duì)脫硫設(shè)備的強(qiáng)腐蝕性,有著潛在的工業(yè)應(yīng)用前景。

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