一种铁基离子液体湿法氧化硫化氢和脱除二氧化碳的方法

技术领域

本发明属于气体净化技术领域，涉及一种新型铁基离子液体湿法氧化硫化氢以及高效捕集二氧化碳的方法。该方法中，吸收剂经过再生后可以循环使用，没有副产物生成，工艺过程简单，实现了气体中硫化氢和二氧化碳的同时脱除以及废物的资源化利用，是一种绿色高效的捕集分离硫化氢和二氧化碳的方法。

技术背景

硫化氢是一种无色有刺激性气味的有毒气体，能对人的神经系统造成伤害，严重危害人体健康。二氧化碳是一种温室气体，大量排放会导致气候变化，影响生态环境。在天然气、焦炉煤气、合成气、沼气等工业气体中，硫化氢和二氧化碳往往同时存在。工业气体中含有的硫化氢和二氧化碳会导致工艺过程设备和管道的严重腐蚀、催化剂中毒失活以及产品质量下降等问题，还会降低能源气体的热值。将这些酸性气体直接排放到大气中，会造成严重的环境污染。因此，为了减少酸性气体的危害，保护生态环境，必须脱除气体中的硫化氢和二氧化碳。

目前，工业中常用的酸性气体脱除方法主要有物理溶剂法、化学溶剂法、混合溶剂法和湿法氧化法。物理溶剂法是通过加压、降温等手段使酸性气体溶解在物理溶剂中。物理溶剂法对设备腐蚀小，溶剂循环量少，解吸能耗低。但物理溶剂通常需要在高压条件下操作，设备成本相对较高。化学溶剂法是通过酸性气体和溶剂中的碱性物质发生酸碱中和反应，生成溶解在溶剂中的盐，从而达到气体净化目的。醇胺法是工业上最具有代表性的化学溶剂法，其中MDEA对硫化氢有很好的选择性，具有抗降解能力强、化学稳定性和热稳定性好等优点。但是，醇胺法存在溶剂降解、溶液发泡和醇胺挥发等一系列问题。混合溶剂是用物理溶剂和化学溶剂按一定比例复配得到的，该法兼具物理溶剂法和化学溶剂法的优点。工业上最常用的混合溶剂法是砜胺法。该法主要缺点是在处理重质烃含量较高的原料气时烃共吸现象严重并且成本较高。

湿法氧化法是以含氧化剂的中性或弱碱性溶液为吸收剂吸收硫化氢，利用溶液中的氧载体将硫化氢氧化为单质硫，溶液通入空气或纯氧再生后循环使用。LO-CAT工艺是在常温下连续操作的低能耗硫磺回收工艺，是典型的湿法氧化脱硫工艺。该工艺具有气体净化脱硫效率高，产物硫磺质量好，溶液耗量少，能耗低，在常温条件下操作易于控制，副产物生成少等优点，是目前国内外使用较多的一种工艺。该方法目前仍须解决的主要问题是催化剂的流失和铁离子络合剂的降解等问题。LO-CAT工艺只能单一地脱除工业气体中的硫化氢，不具备高效捕集二氧化碳的能力，对于同时含有硫化氢和二氧化碳的工业气体，该工艺并不适用。

离子液体是由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的、在室温或室温附近温度下呈液体状态的盐类，也称室温离子液体。与传统有机溶剂相比，离子液体具有许多优良的性质，如液程范围宽、溶解性能好、饱和蒸汽压低、热稳定性和化学稳定性好、电导率高等。部分金属离子可与离子液体复合形成金属基离子液体，近年来，一些铁络合离子被引到离子液体结构中，得到的铁基离子液体除了具有离子液体普遍的优点外，还具有催化氧化等特殊功能。与传统酸性气体脱除技术相比，铁基离子液体蒸气压很低，不易挥发，在使用过程中几乎不会造成吸收液的损失，并且脱硫脱碳过程中不产生副盐，无二次污染，在气体净化方面有很大的发展潜力。

中国专利号为201710828731.9，名称为“一种高效捕集分离H

针对以上问题，需要开发一种成本低、工艺过程简单的高效捕集分离硫化氢和二氧化碳的方法，该方法不仅要具备传统湿法氧化脱硫工艺的优点，还要能够高效捕集二氧化碳，并且工艺过程绿色环保，运行成本低，适合大规模工业化应用。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种吡啶类铁基离子液体，将摩尔比超过0.4：1含(0.4：1)，但不大于2.5：1的氯化铁与烷基吡啶卤化盐充分混合反应，通过液-固两相分离铁基离子液体相可得。

本发明使用的吡啶类铁基离子液体具有氧化性、对酸性气体溶解度大和可再生性能，是一种成本低、吸收好的脱硫脱碳吸收剂。所述吡啶类铁基离子液体具体制备过程如下：

将3-甲基吡啶和卤代烷以摩尔比1:1混合，在N

卤代烷包括但不局限于氯代丁烷，也可以是氯代己烷，氯代辛烷，溴代丁烷，溴代己烷，溴代辛烷等卤代烷烃衍生物。

将无水氯化铁与上述方法得到的烷基吡啶卤化盐在N

通过上述方法制备的吡啶类铁基离子液体的热分解温度都在270℃以上，具有良好的热稳定性，这将有利于吡啶类铁基离子液体的工业化应用。

本发明的第二个目的是提供一种高效捕集和分离气体中H

优选的是：包括以下步骤：

步骤1)将等摩尔量的3-甲基吡啶和卤代烷混合，搅拌并加热，制备烷基吡啶卤化盐；

步骤2)将烷基吡啶卤化盐与氯化铁充分混合搅拌后制备吸收剂吡啶类铁基离子液体；

步骤3)将含有一定浓度H

优选的是：所述的制备烷基吡啶卤化盐的原料卤代烷包括但不局限于氯代丁烷、氯代己烷、氯代辛烷、溴代丁烷、溴代己烷、溴代辛烷。

优选的是：所述的制备烷基吡啶卤化盐的反应温度介于60～180℃之间，优选反应温度介于90～150℃之间。

优选的是：所述的制备吡啶类铁基离子液体的原料氯化铁是指无水氯化铁。

优选的是，步骤3)中包括以下子步骤：

子步骤(1)在设定条件下，将含有H

子步骤(2)通过沉降过滤等方式分离硫磺颗粒，并通过闪蒸将CO

子步骤(3)向吸收剂中通入含氧气体，进行吸收剂再生，再生后的吸收剂循环使用。

优选的是，子步骤(1)中吸收温度介于20～90℃之间，压力介于200～6000kPa之间，优选反应温度介于为30～60℃之间，压力介于1200～3600kPa之间；气体中H

优选的是，子步骤(2)中，脱硫产物以硫磺颗粒的形式存在于吸收剂中，通过沉降过滤等方式将硫单质分离出来；然后通过闪蒸分离CO

优选的是，子步骤(3)中，通过向吸收剂中通入氧气或空气实现吸收剂的再生。再生温度为10～80℃，优选为30～60℃。

吡啶类铁基离子液体合成成本低、对硫化氢和二氧化碳都具有良好的吸收能力，将含有硫化氢和二氧化碳的工业气体通入到吡啶类铁基离子液体中，可以实现硫化氢和二氧化碳的高效捕集和分离。本吸收剂中含有的Fe

与传统湿法氧化脱硫工艺相比，在脱除硫化氢的同时也实现了对二氧化碳的高效捕集，工艺流程缩短，运行成本降低。

本发明所述的脱硫脱碳工艺，具体包括以下步骤：

(1)脱除硫化氢和二氧化碳：将含有硫化氢和二氧化碳的气体通入到上述吡啶类铁基离子液体中，其中，H

(2)吸收剂的再生与循环：吡啶类铁基离子液体将硫化氢氧化为硫磺，通过沉降过滤从吸收剂中分离出来，通过闪蒸将吸收的二氧化碳从吸收剂中解吸并收集，闪蒸罐的操作温度介于100～160℃之间，压力介于10～120kPa之间，优选操作温度介于120～140℃之间，压力介于20～60kPa之间。吸收剂通过与纯氧或空气作用实现再生，再生温度为10～80℃，优选30～60℃。每隔5分钟取少量吸收剂测定其Fe

根据本发明提供一种高效捕集分离硫化氢和二氧化碳的方法，具有以下有益效果：

(1)工艺流程简单，安全环保：本发明所使用的吡啶类铁基离子液体，原料价格低、热稳定性好，可以在高温下使用，在使用过程中不易损耗，不产生副产物，不会造成二次污染。该吡啶类铁基离子液体同时捕集硫化氢和二氧化碳，大大缩短了工艺流程，减少了设备费用支出和运行成本。

(2)吸收效果好：吡啶类铁基离子液体具有良好的硫化氢和二氧化碳吸收能力，有利于工业化应用。

(3)再生性能好：吸收剂可以通过氧气或空气再生，再生过程简单，再生后吸收性能基本不变，可以循环利用。

本发明采用吡啶类铁基离子液体为吸收剂，将含有H

下面通过实施例进一步描述本发明，但本发明并不限于下述实施例。

具体实施方式

以下结合具体实例对本发明进行详细描述。

1.吡啶类铁基离子液体制备实施例

实施例1-1：吡啶类铁基离子液体[C

向反应釜中加入等摩尔量的3-甲基吡啶和氯代正丁烷，在90℃下和N

将无水氯化铁和上述纯化得到的1-丁基-3-甲基吡啶氯盐按照摩尔比1.5：1混合，室温下在N

实施例1-2：吡啶类铁基离子液体[C

将等摩尔量的3-甲基吡啶和氯代正辛烷加入到反应釜中，在150℃下和N

将无水三氯化铁和上述纯化得到的1-辛基-3-甲基吡啶氯盐按照摩尔比1.2：1混合，室温下在N

实施例1-3：吡啶类铁基离子液体[C

将等摩尔量的3-甲基吡啶和氯代正己烷加入到反应釜中，在120℃下和N

将无水三氯化铁和上述纯化得到的1-己基-3-甲基吡啶氯盐按照摩尔比0.4：1混合，室温下在N

实施例1-4：吡啶类铁基离子液体[C

将等摩尔量的3-甲基吡啶和溴代正丁烷加入到反应釜中，在100℃下和N

将无水三氯化铁和上述纯化得到的1-丁基-3-甲基吡啶溴盐按照摩尔比2.5：1混合，室温下在N

2.脱除气体中含有的硫化氢和二氧化碳实施例

实施例2-1：用[C

配制硫化氢体积含量为1.2％、二氧化碳体积含量为20.6％(其余气体为氮气)的混合气体，并将流量为20mL/min的上述气体通入到装有50mL实施例1-1制得的[C

实施例2-2：用[C

配制硫化氢体积含量为2.1％、二氧化碳体积含量为30.2％(其余气体为氮气)的混合气体，并将流量为30mL/min的上述气体通入到装有60mL实施例1-2制得的[C

实施例2-3：用[C

配制硫化氢体积含量为1.8％、二氧化碳体积含量为24.3％(其余气体为氮气)的混合气体，并将流量为25mL/min的上述气体通入到装有55mL实施例1-3制得的[C

实施例2-4：用[C

配制硫化氢体积含量为2.6％、二氧化碳体积含量为32.8％(其余气体为氮气)的混合气体，并将流量为40mL/min的上述气体通入到装有70mL实施例1-4制得的[C

3.离子液体再生实施例

实施例3-1：[C

通过沉降过滤的方式将实施例2-1中吸收完成后的吸收剂与其中的硫单质分离。将分离出硫单质的吸收剂加入到闪蒸罐中，在温度为130℃、压力为55kPa的条件下，二氧化碳从吸收剂中解吸并被收集。然后将吸收剂加入到再生反应器中，在40℃的条件下，将流量为120mL/min的空气从再生反应器的底部通入，每隔5分钟取少量吸收剂测定其Fe

实施例3-2：[C

将实施例2-2中吸收完成后的吸收剂进行沉降，过滤出其中的硫单质。然后将吸收剂加入到闪蒸罐中，在温度为125℃、压力为40kPa的条件下，二氧化碳从吸收剂中解吸并被收集。将吸收剂加入到再生反应器中，在50℃的条件下，将流量为40mL/min的纯氧从再生反应器的底部通入，每隔5分钟取少量吸收剂测定其Fe

实施例3-3：[C

将实施例2-3中吸收完成后的吸收剂进行沉降，过滤出其中的硫单质。然后将吸收剂加入到闪蒸罐中，在温度为120℃、压力为30kPa的条件下，二氧化碳从吸收剂中解吸并被收集。将吸收剂加入到再生反应器中，在45℃的条件下，将流量为50mL/min的纯氧从再生反应器的底部通入，每隔5分钟取少量吸收剂测定其Fe

实施例3-4：[C

将实施例2-4中吸收完成后的吸收剂进行沉降，过滤出其中的硫单质。然后将吸收剂加入到闪蒸罐中，在温度为140℃、压力为50kPa的条件下，二氧化碳从吸收剂中解吸并被收集。将吸收剂加入到再生反应器中，在35℃的条件下，将流量为160mL/min的空气从再生反应器的底部通入，每隔5分钟取少量吸收剂测定其Fe

4.离子液体的循环使用实施例

实施例4-1：[C

将实施例3-1中再生后的吸收剂[C

实施例4-2：[C

采用实施例2-2中的方法测定实施例3-2中再生后吡啶类铁基离子液体[C

实施例4-3：[C

采用实施例2-3中的方法测定实施例3-3中再生后吡啶类铁基离子液体[C

实施例4-4：[C

采用实施例2-4中的方法测定实施例3-4中再生后吡啶类铁基离子液体[C