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CN113233989A - 1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐、1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐及合成和应用 - Google Patents

1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐、1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐及合成和应用 Download PDF

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CN113233989A CN202110582598.XA CN202110582598A CN113233989A CN 113233989 A CN113233989 A CN 113233989A CN 202110582598 A CN202110582598 A CN 202110582598A CN 113233989 A CN113233989 A CN 113233989A
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Abstract

本发明公开了一种1,4‑三羟乙基卞二铵硫酸盐、1,3,5‑三羟乙基卞三铵硫酸盐及合成和吸附二氧化硫的应用。1,4‑三羟乙基卞二铵硫酸盐、1,3,5‑三羟乙基卞三铵硫酸盐的合成是由1,4‑对二卤苄或1,3,5‑三(卤代甲基)苯与三乙醇胺经过取代反应，再与硫酸进行阴离子交换得到，该合成方法步骤简单，条件温和，有利于大规模生产，而合成的两种季铵盐对二氧化硫表现出较好吸附能力，具有吸附饱和度较高，吸附能力较强，性能稳定性好，易于解吸、可以重复使用、应用成本低等特点，满足市场上含SO2烟气治理、回收SO2等实际需求。

Description

1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐、1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐 及合成和应用
技术领域
本发明涉及一种二氧化硫吸附材料及其制备方法和应用，具体涉及一种1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐、1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐，还涉及一种以1,4-对二卤苄或1,3,5-三(卤代甲基)苯、三乙醇胺、硫酸等为主要原材料，通过取代反应、离子交换等步骤合成1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的方法，还涉及利用1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐作为二氧化硫吸附材料的应用，属于二氧化硫废气处理技术领域。
背景技术
二氧化硫(化学式SO2)是无色气体，有强烈刺激性气味，是大气主要污染物之一。易与大气中的水蒸气结合形成亚硫酸，是大气污染造成酸雨的主要物质之一。二氧化硫在二氧化氮存在或其他一定催化条件下会氧化成三氧化硫，从而易生成硫酸，硫酸因极强的腐蚀性而对周围环境、生物等造成危害。但同时二氧化硫也是一种重要的化工原料，主要用来生产硫酸；其本身用途也相当广泛，可以作为杀虫剂、杀菌剂、漂白剂和还原剂等为人类生产生活服务。
工业生产烟气中SO2的来源主要是化石燃料尤其是煤炭燃烧、矿石火法冶炼过程中含有的硫成分与空气发生氧化反应形成的。尾气中的SO2不加处理随意排放不仅会造成大气等环境污染，同时也是对SO2这一工业原料资源的极大浪费。目前工业上对烟气中SO2的脱除方法主要有酸碱中和反应法和物理化学吸附法等。其中酸碱中和反应法主要利用石灰石、石灰、烧碱、氨水等碱性物质与SO2反应加以脱除，而物理化学吸附法当前主要采用离子液脱SO2来完成。酸碱中和反应法虽然消除了SO2的危害，但同时SO2也生成了其它物质，SO2本身价值无法利用，且形成的石膏、芒硝等硫酸盐，不仅造成石膏市场饱和过剩难以消化，况且在相当一部分情况下，脱硫石膏因品质下降而无法有效利用，处置不当易形成二次污染。烧碱、氨水脱硫成本相对较高，经济性不佳，且氨易逸散至空气中而造成二次污染。物理化学吸附法如离子液脱SO2，虽然可以有效消除SO2对大气的污染，且同时也可回收SO2，但当前市场上离子液比较昂贵，导致使用成本较高，且离子液对使用环境也有一定要求，如烟气中粉尘较大时会对离子液造成污染，抗环境影响能力低，限制了其使用范围。
发明内容
针对现有技术中处理二氧化硫烟气的方法存在的不足，本发明的目的是在于提供一种1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐，这两种季铵盐具有离子液特性，其对二氧化硫表现出较好吸附能力，具有吸附饱和度较高，吸附能力较强，性能稳定性好，易于解吸等特点，且相对现有离子液体还具有绝对成本优势。
本发明的第二个目的是在于提供一种1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的合成方法，该方法利用的原料如1,4-对二卤苄或1,3,5-三(卤代甲基)苯、三乙醇胺、硫酸等为常规的化工原料，廉价易得，且合成方法步骤简单，条件温和，有利于大规模生产。
本发明的第三个目的是在于提供一种1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐作为二氧化硫吸附材料的应用，这两种季铵盐对二氧化硫表现出较好吸附能力，具有吸附饱和度较高，吸附能力较强，性能稳定性好，易于解吸、可以重复使用应用成本低等特点，满足市场上含SO2烟气治理、回收SO2等实际需求。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐，其具有式1所示结构：
Figure BDA0003086570510000021
本发明还提供了一种1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐，其具有式2所示结构：
Figure BDA0003086570510000031
本发明的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐和1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐对二氧化硫表现出较高的吸附能力，主要是利用了其氮正离子与二氧化硫进行结合，生成磺酸盐或亚硫酸盐，这种结合的强度较小，在加热的条件下会进行逆向反应，从而进行二氧化硫释放，而1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐和1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐分别含有两个和三个氮正离子，可以与两个或三个二氧化硫分子进行作用，具有良好的二氧化硫结合容量，而羟乙基可以影响氮正离子与二氧化硫的结合能力以及1,4-三羟乙基卞铵基团赋予1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐和1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐离子液体性能，改善其在水中的溶解性能。
本发明的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐和1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的阴离子为硫酸根，将1,4-卤化三羟乙基卞二铵盐和1,3,5-卤化三羟乙基卞三铵盐中的卤素阴离子转为硫酸根离子，可以避免卤化盐与二氧化硫直接反应生成磺酸盐，同时释放出部分卤离子，而磺酸盐在加热情况下容易发生歧化反应：4HSO3 -＝HSO4 -+SO4 2-+S2O3 2-+H++H2O；生成硫代硫酸根离子，而硫代硫酸根离子的存在会影响季铵盐的再次吸附二氧化硫的能力，从而影响吸附材料的再生性能，甚至会生成单质硫固体，同时释放的部分卤素离子累积到一定程度会对设备造成腐蚀或造成环境污染，将卤原子转换为硫酸根离子，可以延长二氧化硫吸附材料的使用寿命。
本发明还提供了一种1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐的合成方法，其包括以下步骤：
1)1,4-对二卤苄与三乙醇胺进行取代反应，得到1,4-卤化三羟乙基卞二铵盐；
2)1,4-卤化三羟乙基卞二铵盐与硫酸进行阴离子交换，得到1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐。
作为一个优选的方案，所述取代反应的条件为：在乙腈溶剂中，于70～95℃温度下回流反应7～10h。最优选的取代反应条件为：于80～90℃温度下回流反应8～9h。
作为一个优选的方案，1,4-对二卤苄与三乙醇胺的摩尔比为1:2～2.3。
作为一个优选的方案，所述硫酸的用量相对1,4-卤化三羟乙基卞二铵盐的摩尔量过量3％～6％。稍过量的硫酸能够保证1,4-卤化三羟乙基卞二铵盐中的卤素离子被硫酸根离子完全置换。
本发明还提供了一种1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的合成方法，包括以下步骤：
1)1,3,5-三(卤代甲基)苯与三乙醇胺进行取代反应，得到1,3,5-卤化三羟乙基卞三铵盐；
2)1,3,5-卤化三羟乙基卞三铵盐与硫酸进行阴离子交换，得到1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐。
作为一个优选的方案，所述取代反应的条件为：在乙腈溶剂中，于70～95℃温度下回流反应7～10h。最优选的取代反应条件为：于80～90℃温度下回流反应8～9h。
作为一个优选的方案，1,3,5-三(卤代甲基)苯与三乙醇胺的摩尔比为1:3～3.4。
作为一个优选的方案，所述硫酸的用量相对1,3,5-卤化三羟乙基卞三铵盐的摩尔量过量3％～6％。
本发明还提供了一种1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐的应用，其作为二氧化硫吸附材料应用。
本发明还提供了一种1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的应用，其作为二氧化硫吸附材料应用。
本发明提供的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐直接溶解至水中作为二氧化硫吸收液使用，二氧化硫吸收液中1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的浓度控制在15～30％。
本发明提供的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐在吸附二氧化硫至饱和后，在加热至100℃左右的温度条件下，可以实现二氧化硫的解吸。
本发明提供的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的制备方法，具体包括以下主要步骤：
(1)将1,4-对二卤苄或1,3,5-三(卤代甲基)苯加入到乙腈溶剂中，充分搅拌，分散均匀；1,4-对二卤苄或1,3,5-三(卤代甲基)苯与乙腈的质量比为1：2.5～2.8；
(2)再加入三乙醇胺，同时搅拌并将温度加热至70～95℃回流7～10h，反应方程式为：如果采用1,4-对二卤苄作为原料时，1,4-对二卤苄与三乙醇胺的摩尔比为1:2～2.3，如果采用1,3,5-三(卤代甲基)苯作为原料时，1,3,5-三(卤代甲基)苯与三乙醇胺的摩尔比为1:3～3.4；1,4-对二卤苄与1,3,5-三(卤代甲基)苯中的卤素元素可以为氯、溴、碘等常见的卤素；
Figure BDA0003086570510000051
或者，
Figure BDA0003086570510000052
(3)自然冷却至室温，并生成大量1,4-卤化三羟乙基卞二铵白色沉淀物或1,3,5-卤化三羟乙基卞三铵白色沉淀物，过滤后得到滤饼，将滤饼用乙腈溶液洗涤2～5次；
(4)将滤饼在40～60℃真空条件下，干燥7～10小时，得到1,4-卤化三羟乙基卞二铵或1,3,5-卤化三羟乙基卞三铵；
(5)在搅拌条件下，将浓硫酸缓慢加入到水中，再加入1,4-卤化三羟乙基卞二铵或1,3,5-卤化三羟乙基卞三铵，充分搅拌，得到1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐溶液或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐溶液，反应方程式为：
Figure BDA0003086570510000061
或者，
Figure BDA0003086570510000062
相对现有技术，本发明技术方案带来的有益技术效果：
1)本发明的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐合成过程中以1,4-对二卤苄、1,3,5-三(卤代甲基)苯、乙腈、三乙醇胺、硫酸等常见的商品试剂为主要原材料，来源丰富，成本低。
2)本发明的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐合成过程步骤简单，条件温和，操作易控，成本低，有利于大规模生产。
3)本发明的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐具有特殊的分子结构，其具有离子液性质，化合物结构及物化性质稳定，能够承受150℃以下的高温而不分解，适应环境能力强，使用过程中抗污染能力强等等。
4)本发明的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐或1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐具有大量的吸附活性功能性官能团，对二氧化硫表现出较高的吸附能力，吸附饱和度更高，单位产品吸附量大，且易于解吸，可以在较低温度及常压条件下实现彻底解吸，解吸后的材料可以重复使用，其吸附性能没有明显下降，有利于降低材料消耗成本等，可满足市场上含SO2烟气治理、回收SO2等实际需求。
综上所述，本发明具有很好的经济价值和社会价值，易于推广应用。
附图说明
图1为实施例1制备的1,4-氯化三羟乙基卞二铵的核磁氢谱图。
图2为实施例1制备的1,4-氯化三羟乙基卞二铵的核磁碳谱图。
图3为实施例2制备的1,3,5-溴化三羟乙基卞三铵的核磁氢谱图。
图4为实施例2制备的1,3,5-溴化三羟乙基卞三铵的核磁碳谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，而不是限制本发明权利要求的保护范围。
以下实施例中涉及的化学试剂原料如果没有特殊说明，都为常见的市售原料。
实施例1
本实施例以1,4-对二氯苄、乙腈、三乙醇胺、硫酸等为主要原材料，在一定条件下通过化学合成方法制得。具体包括以下主要步骤：
(1)将1份1,4-对二氯苄加入到2.5份乙腈溶液中，充分搅拌，分散均匀；
(2)再加入2.2份三乙醇胺，同时搅拌并将温度加热至80℃回流8h，反应方程式为：
Figure BDA0003086570510000071
(3)自然冷却至室温，并生成大量1,4-氯化三羟乙基卞二铵白色沉淀物，过滤后得到滤饼，将滤饼用乙腈溶液洗涤3次；
(4)将滤饼在50℃真空条件下，干燥8小时，得到1,4-氯化三羟乙基卞二铵；
(5)在搅拌条件下，将过量3％～6％的浓硫酸缓慢加入到水中，再加入1,4-氯化三羟乙基卞二铵，充分搅拌，得到50％浓度的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐溶液，反应方程式为：
Figure BDA0003086570510000081
(6)用水稀释至25％浓度，得到能高效吸附SO2的吸附材料。
(7)该1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐溶液使用方法与过程如下：
将质量分数为25％的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐的水溶液200mL装入集气瓶中，将铅冶炼厂含SO2尾气从烟气管道用软管引出，接上集气瓶将软管接入集气瓶进气口，接好管路。隔一段时间，称量集气瓶的增重情况，待集气瓶重量不再增加，记录总增重质量，得到二氧化硫吸附量为11.30g，得1,4-三羟乙基卞二铵质量分数为25％的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐的水溶液的SO2吸附容量为56.5g/L。将吸附饱和的吸附材料加热至100℃进行解吸，加热1.5h后，记录集气瓶整体失重为10.84g，得知解吸率为95.9％。
将解吸后的1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐溶液多次使用吸附SO2能力情况如下表所示：
Figure BDA0003086570510000082
实施例2
本实施例以1,3,5-三(溴甲基)苯、乙腈、三乙醇胺、硫酸等为主要原材料，在一定条件下通过化学合成方法制得。具体包括以下主要步骤：
(1)将1份1,3,5-三(溴甲基)苯加入到2.6份乙腈溶液中，充分搅拌，分散均匀；
(2)再加入3.3份三乙醇胺，同时搅拌并将温度加热至80℃回流8h，反应方程式为：
Figure BDA0003086570510000091
(3)自然冷却至室温，并生成大量1,3,5-溴化三羟乙基卞三铵白色沉淀物，过滤后得到滤饼，将滤饼用乙腈溶液洗涤3次；
(4)将滤饼在50℃真空条件下，干燥8小时，得到1,3,5-溴化三羟乙基卞三铵；
(5)在搅拌条件下，将过量3％～6％的浓硫酸缓慢加入到水中，再加入1,3,5-溴化三羟乙基卞三铵，充分搅拌，得到50％浓度的1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐溶液，反应方程式为：
Figure BDA0003086570510000092
(6)用水稀释至25％浓度，得到能高效吸附SO2的吸附材料。
(7)该1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐溶液使用方法与过程如下：
将质量分数为25％的1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的水溶液200mL装入集气瓶中，将铅冶炼厂含SO2尾气从烟气管道用软管引出，接上集气瓶将软管接入集气瓶进气口，接好管路。隔一段时间，称量集气瓶的增重情况，待集气瓶重量不再增加，记录总增重质量，得到二氧化硫吸附量为10.78g，得1,3,5-三羟乙基卞三铵质量分数为25％的1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的水溶液的SO2吸附容量为53.9g/L。将吸附饱和的吸附材料加热至100℃进行解吸，加热1.5h后，记录集气瓶整体失重为10.50g，得知解吸率为97.4％。
将解吸后的1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐溶液多次使用吸附SO2能力情况如下表所示：
Figure BDA0003086570510000101

Claims (10)

1.一种1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐，其特征在于：具有式1所示结构：
Figure FDA0003086570500000011
2.一种1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐，其特征在于：具有式2所示结构：
Figure FDA0003086570500000012
3.权利要求1所述的一种1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐的合成方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)1,4-对二卤苄与三乙醇胺进行取代反应，得到1,4-卤化三羟乙基卞二铵盐；
2)1,4-卤化三羟乙基卞二铵盐与硫酸进行阴离子交换，得到1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐。
4.根据权利要求3所述的一种1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐的合成方法，其特征在于：所述取代反应的条件为：在乙腈溶剂中，于70～95℃温度下回流反应7～10h；1,4-对二卤苄与三乙醇胺的摩尔比为1:2～2.3。
5.根据权利要求3所述的一种1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐的合成方法，其特征在于：
所述硫酸的用量相对1,4-卤化三羟乙基卞二铵盐的摩尔量过量3％～6％。
6.权利要求2所述的一种1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的合成方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)1,3,5-三(卤代甲基)苯与三乙醇胺进行取代反应，得到1,3,5-卤化三羟乙基卞三铵盐；
2)1,3,5-卤化三羟乙基卞三铵盐与硫酸进行阴离子交换，得到1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐。
7.根据权利要求6所述的一种1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的合成方法，其特征在于：所述取代反应的条件为：在乙腈溶剂中，于70～95℃温度下回流反应7～10h；
1,3,5-三(卤代甲基)苯与三乙醇胺的摩尔比为1:3～3.4。
8.根据权利要求6所述的一种1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的合成方法，其特征在于：所述硫酸的用量相对1,3,5-卤化三羟乙基卞三铵盐的摩尔量过量3％～6％。
9.权利要求1所述的一种1,4-三羟乙基卞二铵硫酸盐的应用，其特征在于：作为二氧化硫吸附材料应用。
10.权利要求2所述的一种1,3,5-三羟乙基卞三铵硫酸盐的应用，其特征在于：作为二氧化硫吸附材料应用。
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