*王宏宇 裴永麗 蘇立紅 栗俊田 康茂萍
(山西能源學(xué)院能源化學(xué)與材料工程系 山西 030600)
HPF法焦化脫硫廢液,是焦化企業(yè)以HPF脫硫工藝脫除煤氣中硫化氫、氰化氫時產(chǎn)生的一種危害極大的污染物,其外排或外泄都會對環(huán)境造成極大地破壞。脫硫廢液中含有多種有毒有害物質(zhì),其中COD>100000mg/L、硫化物>2000mg/L、氨氮>20000mg/L,同時脫硫廢液中硫氰酸銨、硫代硫酸銨、硫酸銨等無機(jī)鹽類含量達(dá)15%~20%,遠(yuǎn)超出了焦化廠生化處理入水口的要求(COD≤3500mg/L,氨氮≤300mg/L,硫化物≤75mg/L),所以焦化企業(yè)的生化處理系統(tǒng)無法對脫硫廢液進(jìn)行處理,已成為焦化企業(yè)亟待解決的技術(shù)難題。
針對脫硫廢液這一高濃度、難降解、有毒有害廢水的處理,國內(nèi)主要聚焦于處理和資源化利用兩方面[1]。其中,資源化利用可通過提鹽技術(shù)回收硫代硫酸銨、硫氰酸銨和硫酸銨這些應(yīng)用廣泛、價值較高的無機(jī)化工產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)變廢為寶的同時保證脫硫工段的穩(wěn)定運(yùn)行,給焦化企業(yè)帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益的同時取得良好的環(huán)保生產(chǎn)效果[2]。然而,不管是采用分步結(jié)晶法、溶析結(jié)晶法還是化學(xué)沉淀法,提鹽所得硫氰酸銨、硫代硫酸銨、硫酸銨產(chǎn)品純度均不高,而且鹽類產(chǎn)品市場容量有限[3]。特別是硫氰酸銨,雖然前期市場價格較高但市場需求較為穩(wěn)定,多家焦化廠同時上馬提鹽技術(shù)后,大量產(chǎn)品生產(chǎn)出來無銷路,只能大量堆積,占用場地,還可能泄露污染環(huán)境。而硫酸銨用途廣泛、市場巨大[4],大量投入市場也不會產(chǎn)生鹽產(chǎn)品堆積無銷路的問題。
為應(yīng)對上述難題,本研究提出使用硫酸與硫氰酸銨反應(yīng),將脫硫廢液中硫氰酸銨轉(zhuǎn)化為硫酸銨,以解決脫硫廢液提鹽處理所得鹽產(chǎn)品滯銷的難題。為驗(yàn)證上述策略的可行性,本研究選用硫酸對硫氰酸銨進(jìn)行模擬去除實(shí)驗(yàn),考察了不同反應(yīng)溫度、硫酸濃度對硫氰酸銨去除效果的影響。同時通過蒸發(fā)結(jié)晶分離產(chǎn)物,采用X射線光電子能譜對其晶型和組分進(jìn)行分析,以確定反應(yīng)產(chǎn)物。最后,使用硫酸溶液對實(shí)際焦化脫硫廢液中硫氰酸銨的去除效果進(jìn)行研究。
98%硫酸、硫氰酸銨、硝酸鐵、吐溫-80、濃硝酸、丙酮,均購自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司,均為分析純;焦化脫硫廢液(硫氰酸銨含量143.24g/L),取自JXYX焦化廠;去離子水。
恒流泵,UC-3281HPLC,美國康諾科技有限公司;分光光度計,723N,上海精密科學(xué)儀器有限公司制造;油浴鍋,DF-101S,上海力辰儀器科技有限公司;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,RE-3000A,上海亞榮生化儀器廠;X射線光電子能譜(XRD),Rigaku D/max-2200,日本理學(xué)株式會社。
硫酸去除硫氰酸銨實(shí)驗(yàn)在三口燒瓶中進(jìn)行。燒瓶中間口插有溫度計以觀察溫度,一側(cè)連接有尾氣吸收裝置。將100mL一定質(zhì)量濃度的硫酸溶液加入250mL三口燒瓶中,瓶中放有磁轉(zhuǎn)子。將燒瓶置于油浴中,在攪拌下加熱至一定反應(yīng)溫度。然后由燒瓶一側(cè)瓶口加入硫氰酸銨固體或脫硫廢液。每隔一定時間,從燒瓶中取反應(yīng)后液體樣品,采用分光光度法測定其硫氰酸銨濃度。實(shí)驗(yàn)過程如圖1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)過程簡圖Fig.1 Schematic diagram of experimental process
取50%硫酸在100℃下去除硫氰酸銨實(shí)驗(yàn)后溶液,使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對其進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶,得到白色固體。所得固體經(jīng)洗滌干燥后,使用X射線光電子能譜對其反應(yīng)產(chǎn)物晶型結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。
反應(yīng)溫度是影響硫氰酸銨去除反應(yīng)的關(guān)鍵因素之一。在100mL 35%的硫酸溶液中加入5g硫氰酸銨固體,在不同反應(yīng)溫度(70℃、80℃、90℃、100℃、110℃)下進(jìn)行硫氰酸銨去除試驗(yàn),以考察反應(yīng)溫度對硫氰酸銨去除效果影響,結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出,硫氰酸銨在各反應(yīng)溫度均能夠迅速被硫酸去除,且反應(yīng)溫度對硫氰酸銨去除效果的影響較大。在70℃下,硫氰酸銨去除率在反應(yīng)0.5min時達(dá)到80.2%,之后隨著反應(yīng)的進(jìn)行硫氰酸銨去除率緩慢增大,在反應(yīng)4.5min時達(dá)到99.9%,反應(yīng)7.5min達(dá)到100%。隨著反應(yīng)溫度的增大,硫氰酸銨去除率逐漸升高。在90℃下,反應(yīng)0.5min時硫氰酸銨去除率達(dá)到94.7%,并在反應(yīng)5min時達(dá)到100%。當(dāng)反應(yīng)溫度進(jìn)一步升高到100℃,硫氰酸銨去除率在反應(yīng)0.5min時就達(dá)到99.2%,此時溶液中硫氰酸銨質(zhì)量濃度由50000mg/L下降到396.5mg/L;反應(yīng)2min,硫氰酸銨去除率近似達(dá)到100%,溶液中硫氰酸銨質(zhì)量濃度僅為6.2mg/L。繼續(xù)升高反應(yīng)溫度到110℃,硫氰酸銨去除效果的提升已不太明顯。
圖2 反應(yīng)溫度對硫氰酸銨去除效果影響Fig.2 Effect of reaction temperature on degradation performance of NH4SCN
圖3 硫酸含量對硫氰酸銨去除效果影響Fig.3 Effect of sulfuric acid concentration on degradation performance of NH4SCN
為考察硫酸濃度對硫氰酸銨去除效果影響,反應(yīng)溫度為100℃下,在100mL不同質(zhì)量濃度的硫酸溶液中加入5g硫氰酸銨固體,以硫酸溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為變量(20%、25%、35%、40%、50%)進(jìn)行硫氰酸銨去除試驗(yàn),結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%硫酸下,硫氰酸銨去除率在反應(yīng)0.5min時僅為42.6%,之后隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸增大,在反應(yīng)6.5min時達(dá)到99.2%,反應(yīng)10min約達(dá)到100%。隨著硫酸濃度的增大,硫氰酸銨去除率逐漸升高。硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25%、35%、40%、50%時,反應(yīng)0.5min,硫氰酸銨去除率分別達(dá)到60.3%、94.9%、99.9%、100%。由此可見,增大硫酸濃度可以顯著提升硫氰酸銨去除效果。
為確定硫酸溶液與硫氰酸銨反應(yīng)后產(chǎn)物的晶型和主要組成部分,對其進(jìn)行了XRD分析,所得XRD譜圖如圖4所示。產(chǎn)物出現(xiàn)了位于20.2°、20.5°、22.5°、29.5°、30.0°處的特征衍射峰,分別歸屬于硫酸銨(標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片No.41-0642)的(120)、(111)、(200)、(031)、(002)晶面。與硫酸銨XRD譜圖(標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片NO.41-0642)對比發(fā)現(xiàn),產(chǎn)物XRD譜圖中出現(xiàn)的衍射峰位置、相對強(qiáng)度均較為吻合,表明產(chǎn)物的主要成分為硫酸銨。由X射線光電子能譜分析結(jié)果可知,采用硫酸溶液,可有效地將硫氰酸銨去除,并生成硫酸銨,為HPF法焦化脫硫廢液的有效處理提供了新思路。
圖4 產(chǎn)物的XRD譜圖Fig.4 XRD pattern of reaction product
為考察硫酸溶液對實(shí)際脫硫廢液中硫氰酸銨的去除效果,在100℃的反應(yīng)溫度下,向100mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的硫酸溶液中以一定的速率加入脫硫廢液,脫硫廢液的投加速率為3mL/min,每20min從燒瓶中取樣測定其硫氰酸銨濃度。作為對比,以相同速率向蒸餾水中投加脫硫廢液,每20min從燒瓶中取樣測定空白中硫氰酸銨濃度,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,相較于空白中硫氰酸銨濃度,50%硫酸中硫氰酸銨濃度大幅降低。在反應(yīng)20min時硫酸溶液中硫氰酸銨質(zhì)量濃度僅為177.0mg/L,而蒸餾水中達(dá)到8632.8mg/L,脫硫廢液中硫氰酸銨去除率達(dá)到97.9%。之后隨著反應(yīng)進(jìn)行,硫酸不斷被消耗,硫酸溶液中硫氰酸銨去除率逐漸降低,硫氰酸銨濃度升高速率逐漸增大,但仍遠(yuǎn)低于空白中硫氰酸銨濃度。在反應(yīng)100min時,蒸餾水中硫氰酸銨濃度達(dá)到42977.6mg/L,硫酸溶液中硫氰酸銨質(zhì)量濃度為12125.7mg/L。因此,硫酸溶液可以有效去除脫硫廢液中硫氰酸銨。
圖5 對脫硫廢液中硫氰酸銨去除效果Fig.5 Removal effect of NH4SCN from desulfurization wastewater
硫酸可有效去除硫氰酸銨,在反應(yīng)過程中,反應(yīng)溫度的升高可顯著加快硫氰酸銨的去除速率。在反應(yīng)溫度100℃下,反應(yīng)2min就可實(shí)現(xiàn)硫氰酸銨的完全去除。同時,硫氰酸銨去除率隨著硫酸濃度的增大而逐漸增大。硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時,反應(yīng)0.5min的硫氰酸銨去除率就達(dá)到100%。對反應(yīng)后產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析,確定其為硫酸銨。以焦化脫硫廢液為研究對象進(jìn)行硫氰酸銨去除試驗(yàn),結(jié)果表明,在反應(yīng)溫度100℃、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%下,反應(yīng)20min時脫硫廢液中硫氰酸銨去除率達(dá)到97.9%。本方法可有效去除實(shí)際焦化脫硫廢液中硫氰酸銨,從而實(shí)現(xiàn)脫硫廢液的資源化利用。