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        聚天冬氨酸絡合鐵體系在污水處理廠沼氣脫硫中的應用研究

        2023-12-22 01:52:36孫潔浩趙全輝唐量杜乾孔少康蔣保贊
        能源化工 2023年5期
        關(guān)鍵詞:硫化氫合劑沼氣

        孫潔浩,趙全輝,唐量,杜乾,孔少康,蔣保贊

        (河北絡合科技有限公司,河北石家莊 050035)

        沼氣(biogas)是指在隔絕空氣和一定的溫度、濕度、酸堿性條件下經(jīng)厭氧細菌分解有機物產(chǎn)生的混合氣體。沼氣可以作為生活燃料、化工原料和鍋爐及發(fā)電機的燃料[1-3]。我國沼氣資源豐富,在大型污水處理廠中,1 m3污泥能產(chǎn)出5~10 m3的沼氣,合理利用沼氣可以為我國節(jié)能減排事業(yè)作出突出貢獻。在污水處理廠中,污水中的生物質(zhì)雜質(zhì)經(jīng)水解、發(fā)酵等階段產(chǎn)生的沼氣含有CH4、CO2以及少量的CO、O2、N2、H2、H2S、H2O 等氣體[4-5],具體比例見表1。

        表1 我國城市污水處理廠沼氣成分

        沼氣中氣體種類較多,其中H2S 對品質(zhì)的影響較大。H2S 與沼氣中的水分結(jié)合形成氫硫酸腐蝕管道,燃燒后的產(chǎn)物SO2為酸雨的主要成分。NY/T 1220.1—2019《沼氣工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定沼氣中ρ(H2S)≤20 mg/m3,因此在使用前需進行凈化,使其品質(zhì)達到標準,脫硫成為沼氣凈化過程中較為重要的一步。

        目前國內(nèi)外的氣體脫硫方法有很多,主要分為干法、濕法、生物法等,其中絡合鐵脫硫技術(shù)屬于濕法脫硫中的氧化還原法,該技術(shù)集脫硫、回收硫為一體,具有脫硫效率高、副反應少、硫容量大、廢液量低等特點,近年來應用日益廣泛[6-16]。絡合鐵技術(shù)所用到的絡合劑(螯合劑)通常包括乙二胺四乙酸、氨基三乙酸、二乙烯三胺五乙酸等,但這些物質(zhì)也存在有毒、降解速率慢、易分解等缺點,因此開發(fā)更加環(huán)保安全的絡合劑是絡合鐵技術(shù)持續(xù)發(fā)展的重要目標[17~20]。筆者采用聚天冬氨酸(PASP)絡合劑,該物質(zhì)是一種水溶性聚合物,具有無磷、無毒、無公害和可完全生物降解的特性,對離子有極強的螯合能力,具有緩蝕與阻垢雙重功效[21-23]。

        筆者將PASP 和幾種常規(guī)絡合劑配制成脫硫液,通過對比試驗研究PASP 絡合鐵體系在沼氣脫硫領(lǐng)域的脫硫效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

        1 試驗部分

        1.1 主要試驗原料及儀器

        沼氣,某污水處理廠提供;乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)、二乙烯三胺五乙酸五鈉(DTPA)、氨基三乙酸三鈉(NTA),天津市百世化工有限公司;碳酸鈉、片堿、濃硫酸、冰乙酸,國藥集團化學試劑有限公司;乙酸鋅、硫酸鐵,天津市大茂化學試劑廠生產(chǎn);PASP 鈉鹽,河北協(xié)同環(huán)??萍脊煞萦邢薰?;碘、碘化鉀,金海碘化工有限公司。

        PHS-3C 型pH 計,上海儀電科學儀器股份有限公司;LX-JY0301 型空氣泵,家有樂寵電子商務有限公司;LSZ-15 型轉(zhuǎn)子流量計,杭州賽雅能源科技有限公司;BT100 型多用循環(huán)式真空水泵,保定融柏恒流泵制造有限公司。

        1.2 反應原理

        絡合鐵脫硫是以鐵的絡合物為催化劑脫除硫化氫氣體的技術(shù),在絡合鐵的堿性脫硫液中,H2S被吸收成為HS-,與絡合鐵Fe3+·Ln 發(fā)生氧化還原反應,其中Fe3+·Ln 被還原為Fe2+·Ln,HS-成為S(單質(zhì))。利用氧氣將反應后的Fe2+·Ln 再次氧化為Fe3+·Ln,實現(xiàn)循環(huán)脫硫。

        脫硫:H2S + 2Fe3+·Ln→2Fe2+·Ln + S ↓+ 2H+

        再生:4Fe2+·Ln + O2+ 2H2O→4Fe3+·Ln + 4OH-

        絡合鐵技術(shù)在脫硫過程中存在副反應如下。

        產(chǎn)生硫代硫酸鹽:2HS-+ 2O2→S2O32-+ H2O

        產(chǎn)生硫酸鹽:2S2O32-+ O2→2SO42-+ 2S ↓

        1.3 試驗方法

        由污水廠沼氣管道引出支管作為沼氣來源(沼氣中H2S 質(zhì)量濃度為5790 mg/m3),用減壓閥調(diào)節(jié)沼氣進氣流量,并用轉(zhuǎn)子流量計測量,先將沼氣通入緩沖瓶內(nèi)防止倒吸,后通入裝有絡合鐵脫硫液的瓶中進行脫硫,脫硫后的氣體再通過裝有過量乙酸鋅溶液的檢測瓶,最后通入裝有氫氧化鈉溶液的吸收瓶中防止硫化氫逸出。

        新絡合體系的性能主要從脫硫效率、再生能力、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面進行評判。脫硫效率是指沼氣中的硫化氫經(jīng)脫硫后脫除的硫化氫占脫硫前硫化氫的比例;再生能力是指脫硫液經(jīng)過脫硫、再生多次循環(huán)之后的脫硫效率;系統(tǒng)穩(wěn)定性是指脫硫管道腐蝕情況,計算式見式(1)。

        式中:v——管道腐蝕速率,mm/a;

        t1——腐蝕時間,取值8760 h/a;

        m0——脫硫前脫硫液中不銹鋼片質(zhì)量,g;

        m——脫硫后脫硫液中不銹鋼片質(zhì)量,g;

        ρ——不銹鋼片密度,g/cm3;

        S——不銹鋼片表面積,cm2;

        t2——脫硫時間,h。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 脫硫效率試驗

        在洗氣瓶中分別以EDTA、NTA、DTPA 和PASP 為絡合劑,以硫酸鐵為鐵離子源配制絡合鐵脫硫液150 mL,用碳酸鈉溶液和稀釋后的硫酸調(diào)節(jié)pH 值為8~9,將其放入35 ℃恒溫水浴鍋中,以3 L/min 的流量穩(wěn)定通入沼氣,檢測檢測瓶中硫化氫質(zhì)量,考察通氣時間對檢測瓶中硫化氫質(zhì)量的影響,結(jié)果見圖1。

        圖1 通氣時間對檢測瓶中硫化氫質(zhì)量的影響

        由圖1 可見:隨著通氣時間的增加,檢測瓶中硫化氫質(zhì)量逐漸增加。對比4 種絡合劑的脫硫效果,EDTA、NTA、DTPA 三者相差不大,而PASP 脫硫后剩余硫化氫質(zhì)量低于其他3 種,表明PASP 絡合體系對于硫化氫的轉(zhuǎn)化速率較快,其螯合結(jié)構(gòu)更加利于硫化氫的吸收,且其在水溶液中優(yōu)異的分散性也能增加硫化氫與鐵元素的接觸,從而提高反應速率。

        根據(jù)天然氣中硫化氫含量的要求,以脫硫后硫化氫質(zhì)量濃度大于20 mg/m3為硫穿透標準,圖1 中通氣5 min 以上時出現(xiàn)硫穿透情況,因此為簡化試驗步驟,后續(xù)試驗中沼氣通氣時間選擇4 min,不再每分鐘進行檢測。

        在洗氣瓶中加入絡合鐵脫硫液150 mL,用碳酸鈉溶液和稀釋后的硫酸調(diào)節(jié)pH 值分別為7.5,8.0,8.5,9.0,9.5,10.0,將其放入35 ℃恒溫水浴鍋中,以3 L/min 的流量穩(wěn)定通入沼氣4 min,考察pH 值對檢測瓶中硫化氫質(zhì)量的影響,結(jié)果見圖2。

        圖2 pH值對檢測瓶中硫化氫質(zhì)量的影響

        由圖2 可見:4 種絡合劑在pH=8~9 時檢測瓶中硫化氫質(zhì)量最低,折算脫硫后沼氣中硫化氫質(zhì)量濃度均小于20 mg/m3,即脫硫效率均高于99.5%。當pH <8 時,脫硫效率隨pH 值的增大而升高,在該階段因脫硫液堿性較低,硫化氫吸收效率差,因此導致脫硫效果低,同時也表明絡合鐵法脫硫需要保持一定的堿性。當pH >9 時,硫化氫吸收效率基本不再增加,且過高的pH 值容易導致金屬離子與絡合劑脫離,遇HS-和OH-反應生成沉淀,脫硫劑損失增大導致脫硫效率下降,因此pH 值優(yōu)選8~9。此外當pH 值較高時PASP 脫硫效率的衰減情況明顯優(yōu)于EDTA、NTA,表明使用PASP 作為絡合劑不僅能夠提高脫硫效果,而且可以增強脫硫劑對高pH 值脫硫液的適應性,有利于脫硫效果的穩(wěn)定性,更加便于操作和控制。

        2.2 脫硫液再生效果驗證

        在洗氣瓶中加入絡合鐵脫硫液150 mL,用碳酸鈉溶液和稀釋后的硫酸調(diào)節(jié)pH 值為8.5,將其放入35 ℃恒溫水浴鍋中,以3 L/min 的流量穩(wěn)定通入沼氣4 min,后用空氣泵鼓泡曝氣再生1 h,過濾除去硫顆粒,重復脫硫步驟,進行間歇脫硫試驗,5 次脫硫結(jié)果見圖3。

        圖3 脫硫液再生效果驗證

        由圖3 可見:在不改變現(xiàn)有脫硫液的情況下,循環(huán)脫硫(脫硫—再生—脫硫)多次之后,檢測瓶中硫化氫質(zhì)量呈上升趨勢,即脫硫效果隨著循環(huán)次數(shù)有所下降,4 種絡合劑體系均有下降趨勢,但PASP 絡合劑體系下降趨勢相對平緩,循環(huán)5 次后仍能保證脫硫后沼氣中硫化氫含量滿足國家標準要求,而其余3 種在循環(huán)4 次后硫化氫含量已超標,產(chǎn)品不合格,實際過程中補加藥劑頻繁,成本較高。

        進一步對4 種絡合劑體系循環(huán)脫硫時脫硫液中鐵離子的含量變化情況進行檢測分析,結(jié)果見圖4。

        圖4 循環(huán)脫硫時鐵含量變化

        由圖4 可見:在循環(huán)脫硫過程中,4 種絡合鐵體系的鐵離子均有所損失,其中PASP 損失率低,其余3 種損失率基本接近,即PASP 絡合體系脫硫過程鐵離子損失少,因此循環(huán)脫硫時脫硫效率下降趨勢平緩。

        2.3 脫硫液對管道腐蝕情況驗證

        在洗氣瓶中分別配制4 種絡合鐵脫硫液150 mL,用碳酸鈉溶液和稀釋后的硫酸調(diào)節(jié)pH 值為8.5,將其放入35 ℃的恒溫水浴鍋中,以2 L/min的流量通入沼氣3 min,同時用蠕動泵對脫硫液進行循環(huán),循環(huán)流量為1 L/h。在模擬的循環(huán)脫硫工藝條件下,取4 片相同的不銹鋼鐵片放入洗氣瓶懸掛于脫硫液中,不銹鋼片不接觸瓶壁,定期取出不銹鋼片清洗烘干檢測質(zhì)量變化,確定腐蝕速率。試驗過程中需要定期檢查、補水、補堿,保持脫硫液的體積、pH 值穩(wěn)定。不銹鋼片耐腐蝕情況見圖5。

        由圖5 可見:針對4 種絡合劑分析,EDTA、NTA、DTPA 3 種絡合劑對不銹鋼片腐蝕效果接近,不銹鋼片在PASP 絡合體系中的腐蝕速率遠低于其他3 種絡合體系,表明PASP 絡合體系具有較強的緩蝕效果。PASP 所具有的抗腐蝕能力在復雜的脫硫液中仍能發(fā)揮作用,與EDTA 對比,PASP 體系緩蝕率高達88%以上,效果明顯,能大幅減少系統(tǒng)維修頻次。

        2.4 PASP脫硫過程機理分析

        聚天冬氨酸主鏈上的羧基氨基結(jié)構(gòu)與鐵離子通過配位鍵、共價鍵、靜電效應等形成高分子絡合物,包括端羧基和橋羧基2 種類型,每個鐵離子與1 個、2 個或4 個羧基和氨基相互作用達到平衡,而且羧基可能是來自同一高分子鏈上的相鄰結(jié)構(gòu)單元,也可能來自同一高分子鏈上的非相鄰單元,還可能是來自不同分子鏈。在羧基和氨基的作用下,鐵離子與PASP 形成上述各種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定交聯(lián)網(wǎng)狀絡合體系,該體系對于鐵離子的絡合能力更強,因此在脫硫過程中鐵離子的損失較小。而交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對于氣液接觸反應時的氣體捕捉能力遠比小分子結(jié)構(gòu)更強,接觸更加充分,脫硫效率大大提高。

        PASP 是一種氨基酸類有機緩蝕劑,通過分子鏈上的氨基、羧基、肽鍵等電負性較大的活性基團與不銹鋼表面之間的電子交換成鍵,使緩蝕劑分子吸附在金屬表面,由于PASP 為聚合物,分子鏈較長,因此可以在金屬表面形成一層網(wǎng)狀緩蝕劑膜,形成雙電層結(jié)構(gòu),進而抑制了金屬表面上的電化學腐蝕的反應過程,同時對于已經(jīng)產(chǎn)生腐蝕的部位,PASP 可以利用其絡合能力將銹層中的氧化鐵吸附脫離金屬表面,阻止腐蝕的持續(xù)進行。阻垢也是利用相似的原理。

        綜上分析,以PASP 作為絡合劑合成的絡合鐵脫硫劑脫硫效率高,脫硫穩(wěn)定性好,具有較好的抗腐蝕及阻垢作用。

        3 結(jié)論

        1)通過對比EDTA、NTA、DTPA、PASP 4 種絡合體系的脫硫效果,以PASP 為絡合劑構(gòu)成的絡合鐵脫硫劑,脫硫率高達99.9%以上,高于其他幾種絡合劑體系。

        2) PASP 絡合鐵脫硫劑再生效果好,連續(xù)脫硫—再生脫硫率衰減速率較EDTA、NTA、DTPA絡合鐵體系緩慢,穩(wěn)定性好。

        3) PASP 絡合鐵脫硫劑具有較強的抗腐蝕性,較EDTA、NTA、DTPA 絡合鐵緩蝕率達到88%以上,能夠保持脫硫設備管道處于長期穩(wěn)定狀態(tài),保證脫硫過程的連續(xù)進行。

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