CN109731562A - 一种多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，首先采用水洗去除脱硫剂中的硫酸和亚硫酸，然后在氮气氛围下加热去除脱硫剂中的单质硫。再生后的多孔炭基脱硫剂的硫容可达未使用脱硫剂的80～99％，能够高效恢复脱硫剂的脱硫活性；且通过本发明提供的方法能够实现多孔炭基脱硫剂的多次再生，有利于脱硫剂的循环使用，降低脱硫成本，在本领域具有巨大的应用前景。

Description

一种多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法

技术领域

本发明属于环保技术领域，涉及用于脱除硫化氢的脱硫剂再生技术，具体涉及一种多孔炭基脱硫剂的再生方法。

背景技术

沼气、天然气等作为重要的清洁能源，是节能减排的重要组成部分和关键环节，在应对气候变化和发展低碳经济、促进新农村建设方面发挥了巨大的作用。然而，在沼气的生产和天然气的开采过程中，往往伴随着H₂S气体的产生。H₂S是一种有害的剧毒气体，当空气中浓度超过28mg/m³时，人就无法正常工作；超过1000mg/m³时，就可引起急性中毒，造成人员死亡。此外，H₂S对管道、燃烧器和仪器仪表等还有强烈的腐蚀作用，燃烧后生成的SO₂会造成环境污染，并导致严重的酸雨、雾霾等污染问题。通常，沼气中的H₂S浓度为100～15000mg/m³，而我国天然气中H₂S含量超过10000mg/m³的天然气占总储量的25％，远远高于我国环保标准的规定20mg/m³。为实现能源气的环保、高值、高效利用，脱硫技术的研究与开发尤为迫切。

因此，国内外研发了大量用于脱除硫化氢的脱硫剂。常见的脱硫剂主要为氧化铁、氧化锌和多孔炭。氧化铁脱硫剂由于受化学平衡的限制，很难达到精脱硫，且氧化铁脱硫剂受夹带的水蒸汽影响，脱硫效果欠佳，且再生困难。氧化锌能够精脱硫，缺点是高温操作、使用成本高。多孔炭脱硫是利用其发达的孔隙结构和表面活性基团的吸附、催化氧化H₂S，达到脱硫的目的，具有低能耗、设备简单、室温操作等优点，被广泛应用于脱除硫化氢。

在脱硫过程中，气体中的硫化氢会被多孔炭材料表面的活性组分如金属氧化物、含氧官能团、含氮官能团等催化氧化为单质硫，并有少量的硫酸及亚硫酸生成。脱硫过程产生的单质硫及亚硫酸、硫酸会附着在多孔炭材料的孔道内，覆盖脱硫活性点位使脱硫剂失活，造成脱硫效率下降，必须进行更换或再生。通常，失活的多孔炭脱硫剂作为危险废物进入填埋场进行填埋，不仅增加了填埋场的负担，而且还大大增加了脱硫剂的使用成本。因此，对失活的脱硫剂通过一定的再生方法去除其内部附着的脱硫产物恢复脱硫活性是非常必要的。

常用的多孔炭基脱硫剂(即活性炭类脱硫剂)的再生方法有热再生和溶剂再生。

热再生是在氮气或者空气氛围中，加热吸附饱和的多孔炭基脱硫剂，释放其中存储的单质硫及硫酸、亚硫酸等脱硫产物，从而恢复其脱硫活性。然而，在加热过程中，附着在多孔炭基脱硫剂上的硫酸会与炭基体发生反应，不但会破坏多孔炭材料的孔隙结构，使多孔炭材料的质量大量损失和产生SO₂气体(公式(1)和(2))，而且还会增加多孔炭材料的表面酸性。多孔炭基脱硫剂表面酸性的增加，会极大地减弱其对酸性气体硫化氢的吸附和催化能力，导致其热再生效率较低。因此，多孔炭基脱硫剂的热再生法使用较少。

C+H₂SO₄→CO_(g)+SO_2(g)+H₂O_(g) (1)

C+2H₂SO₄→CO_2(g)+2SO_2(g)+2H₂O_(g) (2)

溶剂再生是利用溶剂溶解、洗脱失活后存储在脱硫剂上的单质硫等脱硫产物，从而恢复脱硫剂的活性。由于硫单质难溶于水，微溶于酒精，易溶于二硫化碳，因此，溶剂再生主要使用二硫化碳作为溶剂。专利公开号为CN 102489278 A的专利文献公开的“一种硫化氢脱硫剂的再生方法”以二硫化碳为主要原料，以有机试剂为稀释剂配制成洗脱液，脱硫剂用洗脱液浸泡、淋洗脱硫后，经过滤、干燥即可实现成功地再生脱硫剂。但是，该方法大量使用的二硫化碳易挥发，且高毒、易燃、易爆，对环境和人体健康危害极大，是国家管制药品，且成本较高。同时，该方法再生脱硫剂后的洗脱液中的硫单质需要进一步蒸馏才能富集利用，过程复杂，能耗较高。另一方面，该方法难以洗除脱硫过程产生的硫酸、亚硫酸，导致该方法的再生效率不高，只有8～78％。

因此，实现对脱除硫化氢后的多孔炭基脱硫剂的高效再生，其关键是如何有效去除导致其脱硫活性降低的脱硫产物，如硫单质、亚硫酸和硫酸，同时不改变多孔炭基脱硫剂的孔隙结构和表面化学性质。

发明内容

针对现有多孔炭基硫化氢脱硫剂再生技术存在的再生效率低、成本高、脱硫产物难回收、工艺复杂等问题，本发明的目的旨在提供一种多孔炭基脱硫剂的再生方法，能够有效去除多孔炭基脱硫剂的脱硫产物，高效恢复脱硫剂的脱硫活性，分离出的脱硫产物(如硫单质、硫酸和亚硫酸)可以进行分级回收，实现硫资源的再生。

由脱硫产物如单质硫、亚硫酸和硫酸的物理化学性质可知，亚硫酸和硫酸易溶于水，而单质硫不溶于水却易升华。基于此，本发明提出了采用水洗-加热两级分段再生的方法去除失活后的多孔炭基脱硫剂的脱硫产物，首先通过水洗去除待处理的失活脱硫剂中的亚硫酸和硫酸，然后通过加热去除硫单质，从而高效恢复脱硫剂的脱硫活性，同时实现脱硫产物的分级资源化利用。

本发明提供的多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，包括以下步骤：

(1)洗涤：利用水对失活的多孔炭基脱硫剂进行洗涤至洗液pH值≥6.5；

(2)干燥：将洗涤后的多孔炭基脱硫剂于不高于60℃的温度下干燥；

(3)加热：将干燥后的多孔炭基脱硫剂在氮气氛围下加热至300～450℃，并于该温度下保持10～60分钟。

上述多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，步骤(1)的目的是通过水洗去除脱硫剂中的亚硫酸和硫酸。洗涤具体实现方式可为：淋洗、振荡洗涤和超声洗涤等方式中的至少一种，通常采用其中的一种方式。利用水洗涤失活的多孔炭基脱硫剂，去除其中的硫酸和亚硫酸，洗涤结束后经过滤或抽滤去除洗液；洗涤过程中可通过更换水重复上述操作至洗液的pH值≥6.5(对于淋洗，可以定时测定洗液的pH值)。每次洗涤使用水量为5～50mL/g多孔炭基脱硫剂(即水量按照与多孔炭基脱硫剂的体积质量比为5～50mL/g计量)。洗涤使用的水可为去离子水、蒸馏水或自来水。淋洗具体操作为：将失活的脱硫剂置于淋洗装置中，以水作为淋洗液对脱硫剂进行淋洗。振荡洗涤具体操作为：将脱硫剂与水置于容器混合后，然后将容器置于摇床或振荡箱中振荡洗涤；振荡洗涤时间一般为5～30min。超声洗涤具体操作为：将脱硫剂与水置于容器混合后，然后再将容器置于超声设备中超声洗涤，超声洗涤的时间一般为2～10min。

上述多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，步骤(2)中，优先采取在40～60℃对多孔炭基脱硫剂进行干燥24～48h。

上述多孔炭基硫化氢脱硫剂的两段式再生方法，步骤(3)的目的是通过加热升华的方式去除脱硫剂中的单质硫，为了避免脱硫剂的理化性质发生改变，本发明是在氮气氛围中进行的。本发明采用的加热升温速率为5～20℃/min。在加热至300～450℃以后保持10～60min即可去除脱硫剂上的单质硫，同时可以将升华后的硫单质富集回收。

与现有技术相比，本发明提供的多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，具有如下十分突出的优点和有益技术效果：

1、本发明采用两段式再生方法，首先采用水洗去除脱硫剂中的硫酸和亚硫酸，然后在氮气氛围下加热去除脱硫剂中的单质硫，再生后的多孔炭基脱硫剂的硫化氢硫容可达未使用脱硫剂的80～99％，能够高效恢复脱硫剂的脱硫活性。

2、本发明能够实现多孔炭基脱硫剂的多次再生，有利于脱硫剂的循环使用，降低脱硫成本，在本领域具有巨大的应用前景。

3、本发明再生过程中产生的脱硫产物如硫酸、亚硫酸、单质硫等能够进一步有效分离出来，便于脱硫产物的回收和利用。

4、本发明相比于单纯热再生的方法，不会破坏多孔炭材料的孔隙结构和引起炭损失，也不会改变材料表面化学性质。

5、本发明相比于溶剂洗涤再生法，没有使用有毒有害的二硫化碳等溶剂，不会对环境产生二次污染，能够满足环保生产要求。

附图说明

图1为本发明实施例1中脱硫后氮掺杂多孔炭脱硫剂的热重分析曲线。

图2为本发明实施例1中脱硫后氮掺杂多孔炭脱硫剂中脱硫产物X射线能谱高分辨图。

图3为本发明实施例1中氮掺杂多孔炭脱硫剂经水洗、干燥后的热重分析曲线。

图4为本发明实施例1中脱硫失活的氮掺杂多孔炭和再生的氮掺杂多孔炭的X射线能谱图。

图5为本发明实施例2中氮掺杂多孔炭脱硫剂脱硫-再生循环测试分析图。

具体实施方式

以下将结合附图给出本发明实施例，并通过实施例对本发明的技术方案进行进一步的清楚、完整说明。显然，所述实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

将氮掺杂多孔炭用于脱除硫化氢，模拟沼气由硫化氢气体、氮气、空气混合配制，其中硫化氢浓度为1000ppmv，氧气浓度为10000ppmv，相对湿度为10％，脱硫时反应温度为25℃，当出口硫化氢浓度达到50ppm时实验停止，认为脱硫剂已失活，此时得到的工作曲线用于计算脱硫剂硫容。

本实施例使用的多孔炭基脱硫剂为国家烟气脱硫工程技术研究中心实验室提供的氮掺杂多孔炭，测试得到氮掺杂多孔炭脱硫剂的硫容为420mg/g。氮掺杂多孔炭的制备过程为：以柏木屑为原料，KOH为活化剂，三聚氰胺为掺氮剂，按照质量比为1:1:1在水中等体积浸渍12h后烘干，烘干所得产物于800℃条件下活化2h即得到氮掺杂多孔炭。

对脱硫后的氮掺杂多孔炭进行热重分析，并对氮掺杂多孔炭上附着的脱硫产物进行X射线能谱高分辨分析，分析结果如图1和图2所示。

图1所示，脱硫后氮掺杂多孔炭在190～280℃之间的失重峰主要是亚硫酸的分解和硫酸与碳基体的反应导致的质量损失，280～430℃之间的质量损失主要是单质硫的升华。

图2所示，脱硫产物的X射线能谱高分辨图表明多孔炭基脱硫剂的脱硫产物主要是硫酸、亚硫酸和单质硫。

本实施例使用的洗涤液为自来水。

取10g脱硫后失活的氮掺杂多孔炭脱硫剂置于250mL的磨口锥形瓶中，之后加入100mL自来水浸没脱硫剂，再放入超声设备中超声洗涤10min，然后过滤，采用pH计测定过滤的洗液的pH值。更换自来水重复上述操作对氮掺杂多孔炭进行洗涤，洗涤至过滤的洗液pH值≥6.5，停止洗涤，得到水洗后的氮掺杂多孔炭；将水洗后的氮掺杂多孔炭脱硫剂在60℃干燥24h。取干燥后的氮掺杂多孔炭脱硫剂置于管式炉中，在氮气保护下，以5℃/min的升温速率加热至400℃并保持60min，即得再生的氮掺杂多孔炭脱硫剂。

对水洗-干燥后的氮掺杂多孔炭脱硫剂进行热重分析，分析结果如图3所示。从图中可以看出，水洗-干燥后的脱硫剂的热分解曲线只剩下一个失重峰，主要归属单质硫的升华，这表明水洗涤过程已经基本洗除了硫酸和亚硫酸。

对脱硫失活的氮掺杂多孔炭和再生的氮掺杂多孔炭分别进行X射线能谱分析，分析结果如图4所示，从图中可以看出，脱硫后存储在脱硫剂上的脱硫产物，经过水洗-加热两段式再生方法再生后已经基本被去除，并且，水洗-加热两段式再生过程并未改变氮掺杂多孔炭脱硫剂的化学性质。

对脱硫失活的氮掺杂多孔炭和再生后的氮掺杂多孔炭分别进行氮气吸脱附分析，分析结果见表1所示。从表1中可以看出，再生后脱硫剂的孔隙结构和比表面积与未使用的脱硫剂(未进行脱硫反应)较为接近，表明水洗-加热两段式再生过程对脱硫剂的孔隙结构影响较小，可以恢复脱硫剂的孔隙结构。

表1脱硫剂和再生脱硫剂的孔隙结构

取再生后的氮掺杂多孔炭再次进行脱硫，实验条件与初始脱硫条件相同，测试得到再生后氮掺杂多孔炭脱硫剂的硫容为415mg/g，是未使用氮掺杂多孔炭脱硫剂的99％。本实发明提供的再生方法能够高效恢复脱硫剂的脱硫活性。

实施例2

本实施例使用的多孔炭基脱硫剂、进行的脱硫试验均与实施例1相同，这里不再赘述。

本实施例使用的洗涤液为自来水。

取10g脱硫后失活的氮掺杂多孔炭脱硫剂置于250mL的磨口锥形瓶中，之后加入100mL自来水浸没脱硫剂，再放入超声设备中超声洗涤10min，然后过滤，采用pH计测定过滤的洗液的pH值。更换自来水重复上述操作对氮掺杂多孔炭进行洗涤，洗涤至过滤的洗液pH值≥6.5，停止洗涤，得到水洗后的氮掺杂多孔炭；将水洗后的氮掺杂多孔炭脱硫剂在60℃干燥24h。取干燥后的氮掺杂多孔炭脱硫剂置于管式炉中，在氮气保护下，然后以5℃/min的升温速率加热至400℃并保持60min，即得再生的氮掺杂多孔炭脱硫剂。

取再生后的氮掺杂多孔炭按照实施例1给出的脱硫过程进行脱硫，脱硫结束后，再按照前面给出的再生过程进行脱硫剂再生。整个脱硫-再生过程循环5次。

测量每次脱硫过程中氮掺杂多孔炭脱硫剂的硫容和穿透时间，结果如图5所示。

从图5中可以看出，第一次再生氮掺杂多孔炭脱硫剂的硫容为415mg/g，是未使用脱硫剂的99％。第5次再生氮掺杂多孔炭脱硫剂的硫容为360mg/g，是未使用氮掺杂多孔炭脱硫剂的86％，由此可以看出，该两段再生方法实现了氮掺杂多孔炭脱硫剂的高效再生。

实施例3

本实施例使用的脱硫剂为实验室制备的氮掺杂木质中孔炭，制备过程为：以生物质废弃物柏木屑为原料，磷酸为活化剂，按照磷酸与柏木屑的质量比为1.2:1在水中等体积浸渍12小时后在600℃下活化2h得到中孔炭；然后再采用尿素为掺氮剂，按照尿素与制备的中孔炭的质量比为2:1在水中等体积浸渍12小时后，在700℃小反应1小时制备得到氮掺杂中孔炭。

将制备的氮掺杂木质中孔炭按照实施例1给出的脱硫步骤进行脱硫试验，测试得到的氮掺杂木质中孔炭脱硫剂硫容为365mg/g，其脱硫产物主要有硫单质、亚硫酸、硫酸。

本实施例使用的洗涤液为自来水。

取10g脱硫后的氮掺杂木质中孔炭脱硫剂置于250mL的磨口锥形瓶中，之后加入50mL自来水浸没氮掺杂木质中孔炭脱硫剂，再放入摇床振荡洗涤30min，然后过滤，采用pH计测得过滤的洗液的pH值为4.3。更换自来水重复上述操作三次对多孔炭进行洗涤，测得最后一次过滤的洗液的pH值为6.7，停止洗涤，得到水洗后的氮掺杂木质中孔炭脱硫剂；将水洗后的氮掺杂木质中孔炭脱硫剂在50℃干燥48h。取干燥后的氮掺杂木质中孔炭脱硫剂于管式炉中在氮气保护下，以5℃/min的升温速率加热至450℃并保持10min，即得再生的氮掺杂木质中孔炭脱硫剂。

用再生的氮掺杂木质中孔炭脱硫剂按照前面给出的脱硫过程进行脱硫，测试得到氮掺杂木质中孔炭脱硫剂的硫容为320mg/g，是未使用脱硫剂的88％。

实施例4

本实施例使用的脱硫剂为工业上常用的商业多孔炭脱硫剂。

将多孔炭脱硫剂按照实施例1给出的脱硫步骤进行脱硫试验，测试得到的多孔炭脱硫剂的硫容为250mg/g，其脱硫产物主要有硫单质、亚硫酸、硫酸。

本实施例使用的洗涤液为蒸馏水。

取10g脱硫后失活的多孔炭脱硫剂置于1L的锥形瓶中，之后加入500mL蒸馏水浸没脱硫剂，再放入超声设备中超声洗涤2min，继后过滤，采用pH计测得过滤的洗液的pH值为5.6。更换蒸馏水重复上述操作1次对改性多孔炭脱硫剂进行洗涤，测得最后一次过滤的洗液的pH值为6.9，停止洗涤，得到水洗后的多孔炭脱硫剂；将水洗后的多孔炭脱硫剂在60℃干燥24h。取干燥后的多孔炭脱硫剂置于管式炉中，在氮气保护下，以20℃/min的升温速率加热至300℃并保持60min，即得再生的多孔炭脱硫剂。

用再生的多孔炭脱硫剂按照前面给出的脱硫过程进行脱硫，计算得到多孔炭脱硫剂的硫容为212mg/g，是未使用脱硫剂的85％。

实施例5

本实施例使用的脱硫剂为国家烟气脱硫工程技术研究中心实验室制备的氮掺杂中孔炭，制备过程为：选用NH₃为氮源，在高温条件下对中孔炭进行氮掺杂。称取0.4g中孔炭置于石英舟中，在N₂氛围中以20℃/min的升温速率升温至目标喷NH₃温度(600℃)，将气体转换为浓度为1％的NH₃(N₂为平衡气体)，以100mL/min的流速通入高温管式炉中保持1h，随后关闭NH₃，继续通入N₂，待样品冷却至室温，即获得高温NH₃处理后的N掺杂中孔炭(见参考文献：周琦颖新型N掺杂中孔炭的制备及其脱硫脱碳性能研究四川大学2018)。

将氮掺杂中孔炭脱硫剂按照实施例1给出的脱硫步骤进行脱硫试验，测试得到的中孔炭脱硫剂的硫容为130mg/g，其脱硫产物主要有硫单质、亚硫酸、硫酸。

本实施例使用的洗涤液为自来水。

取10g脱硫后失活的中孔炭脱硫剂置于直径50mm的布氏漏斗，采用50mL/min的自来水淋洗，每隔5min采集过滤的洗液的pH值，12min后，测得过滤的洗液的pH值为6.5，停止洗涤，得到水洗后的中孔炭；将水洗后的中孔炭脱硫剂在60℃干燥24h。取干燥后的中孔炭脱硫剂置于管式炉中，在氮气保护下，以10℃/min的升温速率加热至400℃并保持40min，即得再生的中孔炭脱硫剂。

用再生的氮掺杂中孔炭脱硫剂按照前面给出的脱硫过程进行脱硫，测试得到氮掺杂中孔炭脱硫剂的硫容为114mg/g，是未使用脱硫剂的88％。

Claims (9)

1.一种多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)洗涤：利用水对失活的多孔炭基脱硫剂洗涤至洗液pH值≥6.5；

(2)干燥：将洗涤后的多孔炭基脱硫剂于不高于60℃的温度下干燥；

(3)加热：将干燥后的多孔炭基脱硫剂在氮气氛围下加热至300～450℃，并于该温度下保持至少10分钟。

2.根据权利要求1所述多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，其特征在于步骤(1)中，通过淋洗、振荡洗涤和超声洗涤中至少一种方式对失活的多孔炭基脱硫剂进行洗涤，去除其中的硫酸和亚硫酸，洗涤结束后经过滤或抽滤去除洗液。

3.根据权利要求2所述多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，其特征在于洗涤时使用水量为5～50mL/g多孔炭基脱硫剂。

4.根据权利要求2所述多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，其特征在于淋洗具体操作为：将失活的脱硫剂置于淋洗装置中，以水作为淋洗液对脱硫剂进行淋洗；振荡洗涤具体操作为：将脱硫剂与水置于容器混合，然后再将容器置于摇床或振荡箱中进行振荡洗涤；超声洗涤具体操作为：将脱硫剂与水置于容器混合，然后再将容器置于超声设备中进行超声洗涤。

5.根据权利要求4所述多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，其特征在于振荡处理时间为5～30min；超声处理时间为2～10min。

6.根据权利要求1至5任一所述多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，其特征在于洗涤使用的水为去离子水、蒸馏水或自来水。

7.根据权利要求1所述多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，其特征在于，洗涤后的多孔炭基脱硫剂于40℃～60℃下干燥24～48h。

8.根据权利要求1所述多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，其特征在于步骤(3)中加热升温速率为5～20℃/min。

9.根据权利要求1或8所述多孔炭基脱硫剂的两段式再生方法，其特征在于步骤(3)中，将多孔炭基脱硫剂加热后保持10～60min。