具有高传质特性的纳米流体体系对硫化氢的强化脱除性能及机理研究

According to the strong toxicity and corrosiveness, hydrogen sulfide has been one of the gases that must be removed in the industrial process. The removal of hydrogen sulfide by traditional water phase desulfurizer as well as non-aqueous liquid, such as ionic liquids and deep eutectic solvents, could remove hydrogen sulfide effectively. However, some defects limited the wider application of liquid phase desulfurizer. Nanofluid system can effectively enhance the mass transfer performance by adding nano particles into the liquid. The purpose of this study is to build nanofluid systems based on aqueous solution, ionic liquids and deep eutectic solvents to enhance the desulfurization performance at both room temperature and high temperature. Combined with experimental data, kinetic analysis and characterization, we will establish the regulation mechanism of physical and chemical properties of nanofluids, reveal the structure-activity relationship between the composition and desulfurization performance of nanofluids, and clear the strengthening effect of gas-liquid mass transfer process as well as the desulfurization-regeneration mechanism. In this application, a new idea of liquid based nanofluids for desulfurization is put forward. Through effective means, the problem of mass transfer barrier of liquid-phase desulfurizer will be solved, which is of great significance for the development and application of new desulfurizer with high mass transfer characteristic.

硫化氢气体具有较强的毒性和腐蚀性，是工业过程中必须去除的污染气体之一。传统水相脱硫剂以及离子液体、低共熔溶剂等非水液体在硫化氢脱除方面具备显著优势，但同时存在部分缺陷。研究发现，通过构建纳米流体体系，向常规液体中加入纳米颗粒，可有效提升气液传质性能。本研究拟利用纳米流体的强化传质特性，构建基于水溶液、离子液体和低共熔溶剂的针对硫化氢气体脱除的新型纳米流体脱硫剂，提升硫化氢气体在脱硫剂中的传质作用，进而强化其在常温及高温条件下的脱硫性能。并结合实验数据、动力学分析、测试表征等手段，建立纳米流体物化特性调控机制，揭示纳米流体组成与脱硫性能的构效关系，明确纳米流体对气液传质的强化作用以及脱硫-再生机理。本申请提出了构建纳米流体脱硫剂的新思路，通过可行手段有效强化液相脱硫剂的气液传质过程，对新型高传质特性脱硫剂的开发及应用具有重要意义。

本项目构建了多个纳米流体体系，探讨其组成因素与脱硫特性的构效关系，并探讨脱硫及强化机理。主要研究工作包括：.1）分别构建碱性及氧化性低共熔溶剂体系，探讨溶剂组成对硫化氢吸收性能的影响，分析脱硫机理，获得具备较高脱硫及再生性能的低共熔溶剂体系脱硫剂。.2）以碱性低共熔溶剂为基础液体，引入不同纳米颗粒，构建纳米流体体系。研究发现铜纳米颗粒的引入可以显著增强气液吸收性能，吸收后反应物和反应产物在Cu-纳米颗粒表面发生积累，再生后S2-以Cu2S形式存在，部分硫再生后被氧化为零价硫。使用双搅拌气液反应器考察了纳米流体体系的宏观动力学行为，发现纳米颗粒的加入会促进纳米流体体系的传质能力，从而增强硫化氢脱除性能。.3）以氧化性离子液体为基础液体，引入纳米颗粒，构建离子液体基纳米流体体系，探讨纳米颗粒种类、性质对脱硫性能的影响，发现SiO2纳米颗粒的强化性能最为显著，可以显著增强吸收剂的吸收-再生性能。.4）制备ZIF-67纳米颗粒，发现其对硫化氢气体具有较强的化学吸附性能。将ZIF-67纳米颗粒引入碱性低共熔溶剂体系中，构建纳米流体体系，考查ZIF-67纳米颗粒的引入对体系脱硫性能的影响，发现ZIF-67纳米颗粒的引入可以显著增强氯化胆碱/尿素体系的脱硫性能，吸收后ZIF-67的表面被CoS2覆盖。.5）向不同粘度的碱性低共熔溶剂体系中分别引入二氧化硅纳米颗粒，构建纳米流体体系，并进行硫化氢气体吸收实验，适当含量SiO2纳米颗粒的加入显著强化了原液体的脱硫及再生性能。.6）向不同水溶液体系中引入四种不同的纳米颗粒，构建不同浓度的纳米流体体系，考察纳米流体体系的构建对碱性以及氧化性水溶液脱硫性能的影响，发现碳纳米管和纳米铜颗粒的添加对H2S气体的去除均有不同程度的增强作用。.通过以上工作，发现向液体吸收剂中引入恰当的纳米颗粒构建纳米流体体系后，可以显著提升吸收剂对硫化氢气体的捕集效率。本项目工作将推动气态污染物治理进展，并为其他新型气态污染物吸收剂的开发提供参考。