CN102049179A - 负载型氧化铁系脱硫剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负载型铁系脱硫剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：a)配制可溶性铁盐溶液和碱溶液；b)以多孔性材料为载体，将载体放入步骤a)配制的可溶性铁盐溶液中，在压力小于3MPa且不等于常压的条件下浸渍；c)对步骤b)中所得经浸渍的载体在30-85℃下干燥；1-24小时，d)将步骤c)中得到的经干燥后的载体置于碱溶液中，在压力小于3MPa且不等于常压的条件下浸渍；e)干燥或沥干步骤c)中所得载体，并用20～80℃水对所述载体进行洗脱，直到洗脱水中没有阴离子为止；f)将e)步骤中所得载体，在30～85℃下干燥1～24h，制得该脱硫剂。采用本发明方法制备的脱硫剂具有累计硫容高、易再生，机械强度高和耐磨耗等优点，被广泛运用于石油、化工等行业的精脱硫过程中。
Description
技术领域
本发明涉及一种脱硫剂的制备方法。具体地说，是一种常温氧化铁系脱硫剂的制备方法。
背景技术
在工业生产中的很多场合都会产生硫化物。诸如，在以煤或者石油制取化工原料的生产过程中，以及普通工业生产排放的废水或者废气中。其中，在以煤或者石油制取化工原料的生产过程中，其产生的硫化氢主要是由于原料中含有较多的含硫物质，使得该含硫物质在生产过程中发生反应而释放出硫化氢，从而直接导致后续生产工段中催化剂活性物质中毒失活。此外，工业生产中排放的废水或者废气中所含的硫化氢等硫化物，如果直接排放会严重影响环境，甚至于造成人畜中毒。硫化氢在空气中及在潮湿环境条件下，还会对管道、燃烧设备以及计量仪表产生腐蚀作用。
目前，研究人员为了有效地减少上述硫化物对工业生产以及环境的破坏，对于脱硫剂的研发给予了足够的重视。现有技术中的脱硫剂品种很多，多数以铁系脱硫剂、锰氧化物脱硫剂、固体碱/液体碱脱硫剂、活性炭脱硫剂或者分子筛负载活性金属脱硫剂为主。其中，铁系脱硫剂是较为传统的脱硫剂之一，该类型脱硫剂主要是以铁氧化物作为脱硫剂的活性组分，所述铁氧化物包括四氧化三铁、三氧化二铁以及水合氧化铁，且铁系脱硫剂中的脱硫剂主活性组分多数包括上述铁氧化物中的两种或者三种。
在现有技术中，中国专利CN1312132A公开了一种常温氧化铁精脱硫剂，由氧化铁活性物质、助剂、粘合剂以及载体组成。其还进一步公开了该氧化铁精脱硫剂的制备方法，即先将硫酸亚铁与沉淀剂作用制备氧化铁，之后向制备好的氧化铁中添加一定量的助剂、粘合剂以及载体，混合均匀后挤条、干燥、焙烧即可。该现有技术中公开的方法是最为常见的氧化铁脱硫剂的制备方法。该制备方法存在混合时有效组分和载体混合不均匀等问题。当有效成分分布在载体外侧时，载体的抗压耐磨性能无法有效的发挥，所以经检测使用该方法制备得到的氧化铁精脱硫剂的强度一般只能达到50N/cm。
现有技术中，除上述制备方法外，氧化铁脱硫剂的另一种较常见的制备方法是浸渍法，即采用不同的多孔材料为载体，通过浸渍使有效活性成分负载在载体上，从而形成吸附脱硫的活性中心对硫化氢进行吸附脱除。如中国专利CN1135456A公开了一种活性炭脱硫剂及其制备方法，该脱硫剂以活性炭为载体，以选自Mg、Ca、Ba、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Cu、Zn、Cd、Hg、Pb的金属化合物中的1-3种作为有效活性组分。将活性炭载体浸入上述金属化合物的盐溶液中，浸渍一段时间后，过滤载体，滤干多余溶液，于30～550℃下对载体进行干燥和/或活化，即可得到氧化铁脱硫剂。该现有技术使用普通的浸渍方法实现脱硫活性物质在载体上的分布，但是由于该浸渍属于常压浸渍，在该种浸渍环境下，载体孔道内的空气占据一部分的孔道空间，导致了活性组分无法进一步顺利地完全进入载体的通道内部，从而导致活性组分在载体上的负载不均匀，进而影响脱硫剂的脱硫效率和效果。实验证明，该现有技术中制备得到的以单金属铁氧化物为活性组分的氧化铁脱硫剂，其对硫化氢气体进行吸附脱除的穿透硫容仅为5.6wt％。
众所周知，颗粒强度是衡量脱硫剂性能的一个重要指标，在脱硫剂使用过程中，脱硫剂颗粒强度低，则表明其抗压强度不够，那么在脱硫剂装填和脱硫处理过程中容易出现脱硫剂粉化的问题，从而导致脱硫剂的无端流失，进而影响硫化效率和硫化效果。此外，脱硫剂的穿透硫容也是衡量脱硫剂性能的另一个重要指标，脱硫剂的穿透硫容说明了脱硫剂吸附硫化物的容量，可吸附硫化物的容量越大那么脱硫剂的脱硫效率也就越高。对于任一脱硫剂而言，应尽可能的同时满足上述二项要求，即在具备较大的穿透硫容的同时也要保证脱硫剂具有适宜的抗压强度。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题是现有技术中的氧化铁脱硫剂的制备方法采用通常的浸渍工艺，在常压条件下，由于空气占据一部分的脱硫剂载体孔道空间，导致了活性组分无法全部顺利地完全进入载体的通道内部，从而导致活性组分在载体上的负载不均匀，影响氧化铁脱硫剂的脱硫效果和脱硫效率，进而提供一种在高压和负压环境下，可以将脱硫剂活性组分充分分散于载体孔道内，制得具有较大机械抗压强度和较大穿透硫容的脱硫剂的制备方法。为解决上述技术问题，本发明提供了一种氧化铁系脱硫剂的制备方法，其包括如下步骤：
a)配制可溶性铁盐溶液和碱溶液；
b)以多孔材料为载体，将载体放入步骤a)配制的可溶性铁盐溶液中，在压力为小于或等于3MPa且不等于常压的正压条件下或负压条件下进行浸渍；
c)对步骤b)中所得经浸渍后的载体于30-85℃进行干燥；
d)将步骤c)中得到的经干燥后的载体置于碱溶液中，在压力为小于或等于3MPa且不等于常压的正压条件下或负压条件下进行浸渍；
e)干燥或沥干步骤d)中得到的载体，并用20～80℃的水对所述载体进行洗脱，直到洗脱水中没有阴离子为止；
f)将步骤e)中所得载体于30～85℃下干燥即可。
其中，所述的可溶性铁盐为硫酸亚铁或氯化铁；所述碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水中的一种或多种。
所述压力为3MPa～-0.1MPa且不等于常压。优选上述压力为2MPa～-0.03MPa且不等于常压。
所述载体为粒度为4～8目活性炭。直径为3～6mm的氧化铝球体。
所述步骤b)和d)中的浸渍时间为1-24小时。
所述步骤c)、e)和f)中进行干燥的时间为1～24小时。
在所述步骤d)之前，所述步骤b)和c)可重复进行多次。
本发明所述的负载型氧化铁系脱硫剂的制备方法，主要采用的是二次浸渍结合改变压力环境的浸渍技术实现脱硫活性组分在脱硫剂载体上的负载和均匀分布。所述改变压力环境包括加压至高于常压，或减压至低于常压乃至负压。其中，目前负压浸渍技术在现有技术中主要应用在铸件后续处理、混凝土改性和聚合物辅助成型的材料加工工艺中，本申请第一次将该加压或减压甚至负压浸渍工艺应用于脱硫剂的制备工艺中，获得了显著的进步。
在本申请所述的制备方法中，首先需要配制浸渍液，即可溶性铁盐溶液和碱溶液。之后，进行第一次浸渍，将多孔材料载体放入配制好的可溶性铁盐溶液中，在压力为小于或等于3MPa且不等于常压的正压条件下或负压条件下进行浸渍；此处，选用压力为小于或等于3MPa且不等于常压的正压条件或负压条件的浸渍工艺，能够通过该条件将多孔材料载体孔道内的空气从孔道内压出，同时压力作用于浸渍液表面，在压力作用下，使得浸渍液能充分进入孔道内部，实现浸渍液活性成分在载体孔道内部的充分附着。其中，限定所述压力必须小于3MPa，是因为压力太高会导致脱硫剂载体的破碎，而是脱硫剂失去实际使用价值。而在负压条件下，由于载体孔道内空气处于正常的大气压力下，而浸渍液表面的压力低于大气压，这就形成了压力差，使得孔道内空气排出，进而使得浸渍液进入载体孔道内。首次浸渍后，为了实现上述浸渍液活性成分在载体孔道内部的充分附着固定，采用在30～85℃下进行干燥的处理方法，选择上述干燥温度一方面可以实现上述浸渍液活性成分在载体孔道内部的固定，另一方面也保证了该活性成分的稳定性，不会由于温度高而引起分解从而导致活性成分发生变化；此外，为了提高制备效率，上述干燥时间优选为1～24小时。然后，需要进行第二次浸渍，将上述经干燥后的载体置于配制好的碱液中，同样在压力为小于或等于3MPa且不等于常压的正压条件下或负压条件下进行浸渍，将碱液顺利导入载体孔道内，使得碱液和固定于孔道内的铁盐充分进行反应，生成脱硫剂活性成分前驱体，有效地实现了孔道内沉淀。同样地，对上述经二次浸渍后的载体进行干燥或沥干，实现上述生成的脱硫剂活性成分前驱体在载体孔道内的固定。但是，由于上述反应过程中会有副产物盐类物质生成，如氯化钠等。这些盐类物质易结晶，当其附着在载体孔道内时会阻碍负载在载体孔道内的有效成分和含硫化氢气体的接触，从而影响该脱硫剂的脱硫性能的发挥，所以须采用洗脱处理进行去除，其中选择洗脱水的温度为20～80℃，是因为氯化钠等盐类物质在水中熔点较低，升温后溶解度提高，使得洗脱更容易。最后，将上述经洗脱后的载体同样在30～85℃下进行干燥处理，选择上述干燥温度的理由同前述。
此外，对于脱硫剂载体的选择，优选粒径为4～8目的活性炭，或直径为3～6mm的氧化铝球体。选择上述载体是为了保证有效成分在较短时间内负载均匀，同时避免了施加压力时，由于载体体积过小而易被压碎，从而使得脱硫剂的完整性受影响等问题的发生。
所述步骤b)中的压力为3MPa～-0.1MPa且不等于常压。优选上述压力为2MPa～-0.03MPa且不等于常压。优选上述条件，一方面考虑压力不能太高，太高容易导致脱硫剂载体的粉碎，另一方面，在上述压力范围之内是非常容易设置的压力环境，生产成本较低。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的负载型氧化铁脱硫剂采用二次浸渍工艺和改变压力环境的浸渍工艺相结合的制备方法，在压力为小于或等于3MPa且不等于常压的正压条件下或负压条件下进行浸渍，利用加压、减压甚至负压实现了多孔载体孔道内部空气的释放，将浸渍液中的活性成分顺利导入载体孔道内部，实现了活性成分在载体上的充分、均匀的分布，尤其是在载体中心部分的分布。并再次通过上述浸渍工艺将碱液引入孔道内部，通过孔道内沉淀生成了脱硫剂的最终脱硫活性物质水合氧化铁，从而最终实现了脱硫活性物质在载体上的均匀分布，提高了脱硫剂和硫化氢的接触面积，保证了脱硫剂的脱硫活性，提高了脱硫剂的脱硫效率。使用该方法制备得到的氧化铁脱硫剂的机械抗压强度高达63N/cm，对硫化氢的初始穿透硫容可以高达13.3％。
具体实施方式
在本申请的以下实施例中，所用的原料与无机碱等其他试剂规格均为化学纯。
实施例1
取七水硫酸亚铁30g溶于70g水中配成溶液，量取直径为5mm的氧化铝球体20g浸入30ml七水硫酸亚铁溶液中，放入容器密闭，用真空泵使容器内压力达到-0.08MPa，浸渍2小时。取出，沥去多余的七水硫酸亚铁溶液，沥干球体，在85℃下烘干1小时。
将所得氧化铝球体放入质量浓度为30％的七水硫酸亚铁溶液中，放入容器密闭，用真空泵使容器内压力达到-0.08MPa，浸渍2小时。取出，沥去多余的七水硫酸亚铁溶液，在50℃下烘干10小时。
烘干后的球体投入到浓度为3mol/L的氢氧化钾溶液39.7ml中，放入容器密闭，用真空泵使容器内压力达到-0.08MPa，浸渍2小时，取出球体，沥去水。然后用20℃水洗涤，直到洗脱液中无硫酸根离子时为止。然后在85℃下烘干1小时，得水合氧化铁脱硫剂A。
实施例2
取90g氯化铁溶于110ml水中，量取直径为3mm的氧化铝球体30g，投入50ml氯化铁溶液中，放入容器密闭，用真空泵使容器内压力达到-0.1MPa，浸渍8小时。取出，滤出多余的氯化铁溶液，沥干球体，在85℃下烘干1小时。
烘干后的球体投入到浓度为3mol/L氢氧化钠溶液83.3ml中，放入容器中密闭，用真空泵使容器内真空度达到0.07MPa，浸渍2小时。取出球体，沥去水。
然后用40℃水洗涤，直到洗脱液中无氯离子为止。然后在85℃下烘干1小时，得水合氧化铁脱硫剂B。
实施例3
取80g氯化铁溶于120ml水中，量取直径为6mm氧化铝球体30g，投入50ml氯化铁溶液中，放入容器密闭，用真空泵使容器内压力达到3MPa，浸渍16小时。取出，滤出多余的氯化铁溶液，沥干球体，在70℃下烘干3小时。
烘干后的球体投入到浓度为4mol/L氢氧化钠溶液62.5ml中，放入容器密闭，用真空泵使容器内真空度达到0.09MPa，浸渍2小时。取出球体，沥去水。
然后用60℃水洗涤，直到洗脱液中无氯离子为止。然后70℃烘干3小时，得水合氧化铁脱硫剂C。
实施例4
取90g氯化铁溶于110ml水中，量取直径为4mm氧化铝球体30g，投入50ml氯化铁溶液中，放入容器密闭，用真空泵使容器内压力达到-0.05MPa，浸渍8小时。取出，滤出多余的氯化铁溶液，球体沥干，80℃烘干3小时；
烘干后的球体投入到浓度为3mol/L氢氧化钠溶液83.3ml中，放入容器密闭，用真空泵使容器内真空度达到0.05MPa，浸渍2小时。取出球体，沥去水。
然后用40℃水洗涤，直到洗脱液中无氯离子为止。然后80℃烘干3小时，得水合氧化铁脱硫剂D。
实施例5
取90g氯化铁溶于110ml水中，量取氧化铝球体30g，投入50ml氯化铁溶液中，放入容器密闭，用真空泵使容器内压力达到-0.03MPa，浸渍24小时。取出，滤出多余的氯化铁溶液，球体沥干，30℃烘干24小时；
烘干后的球体投入到浓度为3mol/L氢氧化钠溶液83.3ml中，放入容器密闭，用真空泵使容器内真空度达到0.03MPa，浸渍2小时。取出球体，沥去水。
然后用80℃水洗涤，直到洗脱液中无氯离子为止。然后30℃烘干24小时，得水合氧化铁脱硫剂E。
实施例6
取90g氯化铁溶于110ml水中，量取粒度为4目的木质活性炭30g，投入50ml氯化铁溶液中，放入容器密闭，然后往容器内充入N2，使容器内压力达到1MPa，浸渍6小时。取出，滤出多余的氯化铁溶液，沥干，80℃烘干3小时；
烘干木质活性炭投入到浓度为3mol/L氨水溶液123.5ml中，放入容器密闭，使容器内压力达到1MPa，浸渍6小时。取出，沥去水。
然后用40℃水洗涤，直到洗脱液中无氯离子为止。然后80℃烘干3小时，得水合氧化铁脱硫剂F。
实施例7
取90g氯化铁溶于110ml水中，量取粒度为8目煤质活性炭30g，投入50ml氯化铁溶液中，放入容器密闭，使容器内压力达到2MPa，浸渍1小时。取出，滤出多余的氯化铁溶液，沥干，85℃烘干4小时；
烘干煤质活性炭投入到浓度为3mol/L氢氧化钠溶液83.3ml中，放入容器密闭，使容器内压力达到2MPa，浸渍1小时。取出，沥去水。
然后用30℃水洗涤，直到洗脱液中无氯离子为止。然后85℃烘干4小时，得水合氧化铁脱硫剂G。
实施例8
取90g氯化铁溶于110ml水中，量取粒度为5目煤质活性炭30g，投入50ml氯化铁溶液中，放入容器密闭，用真空泵使容器内压力达到-0.07MPa，浸渍8小时。取出，滤出多余的氯化铁溶液，沥干，80℃烘干3小时；
烘干煤质活性炭投入到浓度为3mol/L氢氧化钠溶液83.3ml中，放入容器密闭，用真空泵使容器内真空度达到0.07MPa，浸渍2小时。取出，沥去水。
然后用40℃水洗涤，直到洗脱液中无氯离子为止。然后80℃烘干2小时，得水合氧化铁脱硫剂H。
活性评价例
采用本发明方法制备的脱硫剂在无氧条件下评价其硫容，操作条件步骤如下：
将产品在90℃下干燥1小时，然后用研钵研碎，过80-160目筛。准确称取1g过筛后的产品(称准至0.0001g)，将所述产品装填至玻璃反应管中，装填高度约为3-4cm左右，两端塞入棉花。反应管一端接H2S标准气(H2S浓度为4％)，一端接有0.1mol/L AgNO3的反应器上。打开H2S气钢瓶阀门，控制空速约200-400h-1。当装有AgNO3的反应器中刚刚出现黑色沉淀时，关闭阀门，停止实验。
上述实施例中所制得的产品的脱硫活性评价数据见表1所示。
表1
由表1可见，通过本发明所述方法制备的脱硫剂，其初始穿透硫容可以高达13.3wt％，机械强度可达63N/cm的。同时该脱硫剂也具有累计硫容高的优点。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护的范围。
Claims (8)
1.一种负载型氧化铁系脱硫剂的制备方法，包括如下步骤：
a)配制可溶性铁盐溶液和碱溶液；
b)以多孔材料为载体，将载体放入步骤a)配制的可溶性铁盐溶液中，在压力为小于或等于3MPa且不等于常压的正压条件下或负压条件下进行浸渍；
c)对步骤b)中所得经浸渍后的载体于30-85℃进行干燥；
d)将步骤c)中得到的经干燥后的载体置于碱溶液中，在压力为小于或等于3MPa且不等于常压的正压条件下或负压条件下进行浸渍；
e)干燥或沥干步骤d)中得到的载体，并用20～80℃的水对所述载体进行洗脱，直到洗脱水中没有阴离子为止；
f)将步骤e)中所得载体于30～85℃下干燥即可。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的可溶性铁盐为硫酸亚铁或氯化铁；所述碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或氨水中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压力为3MPa～-0.1MPa且不等于常压。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述压力为2MPa～-0.03MPa且不等于常压。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述载体为粒度为4～8目的活性炭和/或直径为3～6mm的氧化铝球体。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)和d)中的浸渍时间为1-24小时。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)、e)和f)中的干燥时间为1～24小时。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤d)之前，所述步骤b)和c)重复进行多次。
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