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        1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪基復(fù)合胺脫硫劑的合成與性能

        2021-12-02 02:08:00徐衛(wèi)崔鵬竇焰
        安徽化工 2021年6期
        關(guān)鍵詞:哌嗪羥乙脫硫劑

        徐衛(wèi),崔鵬,竇焰

        (合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,安徽合肥230009)

        有機胺脫硫劑具有脫硫效率高、可再生能力強、處理SO濃度低、不產(chǎn)生二次廢棄物等優(yōu)點,已被廣泛應(yīng)用于煙氣脫硫領(lǐng)域,其合成、脫硫性能、脫硫機理一直是國內(nèi)外的研究熱點。

        潘飛利用N-(2-羥乙基)哌嗪直接與PO反應(yīng)合成得到1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪,加入硫酸將該有機胺的強堿性胺基質(zhì)子化可以顯著提高該有機胺的解吸率,但其飽和吸收量有所降低。荊丹琳分別利用PZ與環(huán)氧乙烷(EO)、PZ與環(huán)氧丙烷(PO)水相法合成了N,N′-二(2-羥乙基)哌嗪(BHEP)、N-(2-羥乙基)哌嗪和N,N′-二(2-羥丙基)哌嗪(HPP)、N-(2-羥丙基)哌嗪、N,N′-二(1-甲基2-羥乙基)哌嗪兩種復(fù)合胺、有機胺脫硫劑,該脫硫劑吸收/解吸SO性能優(yōu)良。

        近年來,對于復(fù)合有機胺的研究越來越多。復(fù)合有機胺較單一,有機胺對SO、CO等酸性氣體具有更大的吸收容量。陳曉紅將N,N′-二(2-羥丙基)哌嗪、N-(2-羥乙基)哌嗪兩者按照9∶1的摩爾比混合,同濃度下復(fù)合胺的SO飽和吸收量相比純N,N′-二(2-羥丙基)哌嗪提高了10%,并且能夠保證解吸率基本不變。專利CN108079748A中報道了一種將PZ與PO直接水相法反應(yīng)得到以N,N′-二(2-羥丙基)哌嗪與N-(2-羥丙基)哌嗪為主的復(fù)合有機胺的方法,其SO飽和吸收量較單一的N,N′-二(2-羥丙基)哌嗪脫硫劑有明顯提高。

        本文擬以PZ、EO、PO為原料,以水為溶劑,采用水相法合成以1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪為主要成分的哌嗪基復(fù)合胺脫硫劑,并分析其脫硫性能。

        1 實驗部分

        1.1 試劑與儀器

        無水哌嗪(PZ),含量>99%,國藥試劑集團;環(huán)氧乙烷(EO),含量≥99.9%,南京上元工業(yè)氣體廠;環(huán)氧丙烷(PO),分析純,國藥試劑集團。

        DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器,鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;GSH0.5/0.5型高壓反應(yīng)釜,威海匯鑫化工機械有限公司;AY220電子天平,上海恒平科學(xué)儀器有限公司;GC-7900氣相色譜儀,天美(中國)科學(xué)儀器有限公司。

        1.2 實驗原理與過程分析

        EO和PO的三元環(huán)具有很大的環(huán)張力,因此很容易開環(huán)與PZ這種親核試劑發(fā)生取代反應(yīng)。水相法制備1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)的合成路線包括兩步反應(yīng):

        第一步為PZ與EO發(fā)生取代反應(yīng)合成得到以N-(2-羥乙基)哌嗪為主的混合物,主反應(yīng)如反應(yīng)方程式(1)。PZ為對稱六元環(huán)結(jié)構(gòu),兩個胺基的化學(xué)選擇性較低,因此第一步反應(yīng)中會有PZ與EO發(fā)生雙取代反應(yīng)生成副產(chǎn)物N,N′-二(2-羥乙基)哌嗪,副反應(yīng)如反應(yīng)方程式(2)。

        主反應(yīng):

        副反應(yīng):

        第二步主反應(yīng)為第一步合成產(chǎn)物中的N-(2-羥乙基)哌嗪與PO發(fā)生反應(yīng)合成1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪,主反應(yīng)如方程式(3);第一步反應(yīng)中為了提高PZ與EO合成N-(2-羥乙基)哌嗪的選擇性,反應(yīng)后體系中會有一定量的原料PZ。有機胺的水溶液為堿性,PO在堿性條件下會依據(jù)雙分子親核取代反應(yīng)機理(S2)繼續(xù)與PZ發(fā)生單取代和雙取代反應(yīng)生成副產(chǎn)物N-(2-羥丙基)哌嗪和N,N′-二(2-羥丙基)哌嗪,如反應(yīng)方程式(4)(5);也可能存在少量PO依據(jù)單分子親核取代反應(yīng)機理(S1)與PZ發(fā)生副反應(yīng)(6)和(7)生成副產(chǎn)物N-(1-甲基-2-羥乙基)哌嗪和N,N′-二(1-甲基-2羥乙基)哌嗪。

        主反應(yīng):

        副反應(yīng):

        依據(jù)反應(yīng)原理可以得到以1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪為主,N,N′-二(2-羥丙基)哌嗪、N-(2-羥乙基)哌嗪、N-(2-羥丙基)哌嗪、N,N′-二(2-羥乙基)哌嗪、PZ為輔的復(fù)合胺、有機胺脫硫劑。合成過程中會發(fā)生較多的副反應(yīng),因此需要對反應(yīng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以提高1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪的含量。

        1.3 合成過程

        (1)將計量的PZ溶于適量水后轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜中,用N將反應(yīng)釜內(nèi)空氣置換干凈后抽真空至-0.09 MPa。打開冷凝設(shè)備,在設(shè)定溫度下向反應(yīng)釜中通入EO并保持溫度穩(wěn)定,通畢反應(yīng)180 min,反應(yīng)完成取樣(1 mL)進(jìn)行GC檢測。

        (2)將取樣后N-(2-羥乙基)哌嗪反應(yīng)復(fù)合物轉(zhuǎn)移至四口燒瓶中,燒瓶接溫度計、恒壓滴液漏斗和蛇形冷凝管,前口塞一個可取樣的頂空橡膠塞,待溫度穩(wěn)定后緩慢滴加PO,滴加過程中保持溫度穩(wěn)定,滴加完成后繼續(xù)反應(yīng)一段時間,反應(yīng)結(jié)束后取樣(1 mL)進(jìn)行GC檢測。

        1.4 吸收、解吸SO2性能測試

        本文采用文獻(xiàn)[9]中相同的吸收、解吸SO性能測試方法進(jìn)行有機胺吸收、解吸SO性能測試。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 PZ與EO反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化

        PZ與EO發(fā)生取代反應(yīng)合成N-(2-羥乙基)哌嗪過程中容易發(fā)生副反應(yīng)(2)生成雙取代產(chǎn)物。研究了反應(yīng)溫度、PZ與EO反應(yīng)摩爾比、PZ初始反應(yīng)濃度對產(chǎn)物中N-(2-羥乙基)哌嗪含量的影響,結(jié)果如圖1中(a)(b)(c)所示。

        圖1 PZ與EO反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化Fig.1 Optimization of reaction parameters between PZ and EO

        由圖1(a)(b)(c)可知,三個影響因素中EO與PZ的反應(yīng)摩爾比對產(chǎn)物中N-(2-羥乙基)哌嗪的選擇性影響最大,反應(yīng)溫度和PZ初始反應(yīng)濃度對反應(yīng)的影響不明顯。

        優(yōu)化的PZ與EO的反應(yīng)參數(shù)為:反應(yīng)溫度為35℃,EO與PZ摩爾比為0.8,PZ初始反應(yīng)濃度為0.1 g/mL。圖2為N-(2-羥乙基)哌嗪合成優(yōu)化條件下產(chǎn)物的GC圖,表1列出了此條件下產(chǎn)物中各物質(zhì)的含量。

        圖2 PZ與EO優(yōu)化條件下反應(yīng)產(chǎn)物GC圖Fig.2 GC diagram of reaction products under optimized con?ditions of PZ and EO

        表1 PZ與EO優(yōu)化條件下產(chǎn)物組成及含量Tab.2 The composition and content of the product under opti?mized conditions of PZ and EO

        2.2 中間產(chǎn)物與PO反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化

        在前述優(yōu)化條件下將合成的N-(2-羥乙基)哌嗪中間產(chǎn)物繼續(xù)滴加PO反應(yīng)合成1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪基復(fù)合胺。從表2可知,中間產(chǎn)物余有25.42%的PZ,會與PO發(fā)生副反應(yīng)。研究了反應(yīng)溫度、PO與PZ摩爾比(因為無法準(zhǔn)確定量產(chǎn)物中N-(2-羥乙基)哌嗪的摩爾量,這里以PO與PZ的摩爾比來體現(xiàn)PO與N-(2-羥乙基)哌嗪的摩爾比)、反應(yīng)時間對合成產(chǎn)物中1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪含量的影響,結(jié)果如圖3所示。

        由圖3(d)(e)(f)可知,由于反應(yīng)過程中所涉及的反應(yīng)較多,反應(yīng)溫度、PO與PZ摩爾比、反應(yīng)時間對產(chǎn)物中1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪的含量影響明顯。

        圖3 中間產(chǎn)物與PO反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化Fig.3 Optimization of reaction parameters between intermediate product and PO

        由此可得,水相中合成1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪基復(fù)合胺的優(yōu)化參數(shù)條件為:PZ初始濃度0.1 g/mL HO,PZ∶EO∶PO摩爾比為1∶0.8∶1.2,PZ依次與EO、PO的反應(yīng)溫度分別為35℃、25℃,中間產(chǎn)物與PO反應(yīng)時間為150 min。GC分析可得優(yōu)化參數(shù)下制得的復(fù)合胺組成及含量列于表2中。

        表2 優(yōu)化合成條件下產(chǎn)物的組成及含量Tab.3 Composition and content of products under optimized synthesis conditions

        2.3 吸收/解吸SO2性能

        對1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪基復(fù)合胺以及其合成產(chǎn)物中的三種雙羥基哌嗪有機胺的吸收/解吸SO性能進(jìn)行了對比,結(jié)果如表3所示。

        由表3可知,1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪基復(fù)合胺的吸收/解吸SO性能要優(yōu)于三種單一有機胺,與相關(guān)文獻(xiàn)的報道結(jié)果相吻合。

        表3 有機胺吸收/解吸SO2性能對比Tab.4 Comparison of SO2 absorption/desorption performance of organic amines

        3 結(jié)論

        以PZ、EO、PO為原料,以水為溶劑,水相法合成了1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪基復(fù)合胺脫硫劑。在PZ初始濃度為0.1 g/mL HO,PZ∶EO∶PO摩爾比為1∶0.8∶1.2,PZ與EO、PO的反應(yīng)溫度分別為35℃、25℃,中間產(chǎn)物與PO的反應(yīng)時間為150 min的優(yōu)化條件下產(chǎn)物中1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪、N,N′-二(2-羥丙基)哌嗪、N-(2-羥乙基)哌嗪、N-(2-羥丙基)哌嗪、N,N′-二(2-羥乙基)哌嗪、哌嗪、N-(1-甲基-2-羥乙基)哌嗪的含量分別為51.33%、21.44%、12.03%、11.12%、3.19%、0.73%、0.16%。所制得的1-(2-羥乙基)-4-(2-羥丙基)哌嗪基復(fù)合脫硫劑的SO飽和吸收量、解吸率分別為0.721 8 mol/mol、98.37%。

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