氣浮分離法在硫化氫制氫過程中強化硫磺分離應用研究

1、    氣浮分離法在硫化氫制氫過程中強化硫磺分離應用研究    李培艷 俞英摘      要： 間接電解硫化氫技術中生成的硫磺顆粒小且呈絮狀，所以硫磺分離一直是重點和難點。結合間接電解法生成硫磺的特性，選用氣浮法進行硫磺分離。通過氣浮實驗條件的確定、成品硫磺模擬氣浮實驗、模擬吸收液氣浮實驗確定氣浮法分離h2s制氫過程中生成硫磺的效果及條件。關  鍵  詞：氣浮;硫化氫制氫;硫磺分離：tq 016       ： a  

2、;     ： 1671-0460（2019）08-1725-05abstract： sulfur particles are small and flocculent in indirect electrolysis process of hydrogen sulfide， so sulfur separation is important and difficult. according to characteristics of sulfur produced by indirect electrolysis process， air f

3、lotation method was used for sulfur separation. in the process of research， the separation effect and conditions were determined for hydrogen production from hydrogen sulfide through three experiments： the determination of experimental conditions for flotation， the simulation of flotation for sulfur

4、 product and the simulation of flotation for absorption liquid.key words：  flotation; hydrogen production from hydrogen sulfide; sulfur separation在h2s制氫過程中生成的硫磺可用沉降分離方法和熔融分離方法分離，且分離效果不錯，但是沉降分離過程中耗時長、后續(xù)處理難度大且沉降劑對h2s制氫過程電解液有影響;熔融分離可以省時，但能耗較大。此外，h2s吸收過程是在酸性條件下進行，對設備材質要求較高。由于硫磺是一種不溶于水的固體，在溶液中以懸浮的狀態(tài)

5、存在，所以考慮廣泛應用在污水處理中的氣浮分離方法分離h2s制氫過程中生成硫磺。1  氣浮技術理論基礎1.1  氣浮的原理及應用氣浮法是以大量高度分散的微小氣泡作為載體將液體中微小懸浮顆?；驈U水中的乳化油粘附于其上，形成密度小于水的浮體浮于水面實現固液或液液分離的過程1，2。氣浮法是在最早應用于選礦工業(yè)的浮選法的基礎上發(fā)展起來的，經過后來實踐及理論研究逐漸成熟并廣泛應用于生活飲用水處理，還應用在工業(yè)廢水處理中，包括食品、醫(yī)藥、紡織、煉油、化工等。1.2  氣浮法分類根據微氣泡產生的方式氣浮法可分為分散空氣氣浮法、靜電噴涂空氣法、溶氣氣浮法和電解氣浮法。溶氣氣浮法3是

6、空氣在一定壓力下溶于水中并達到飽和狀態(tài)，然后驟然降低廢水壓力，此時溶解于水中的空氣便以微小氣泡的形式從水中放出從而進行氣浮廢水處理。溶氣氣浮法分為真空溶氣氣浮和壓力溶氣氣浮，目前在廢水處理中壓力溶氣氣浮法應用最廣。分散空氣氣浮4是利用微孔、擴散板或微孔管直接向氣浮池通入壓縮空氣或采用水泵吸水管吸氣、水力噴射器、高速葉輪等向水中充氣來產生大量氣泡來實現氣浮分離。該方法能耗低，但是產生的氣泡較大，微孔易堵塞，給固液分離造成很大的不便。近年來出現了一種新型射流氣浮設備，分離效果較好。電解氣浮法5，6是對廢水進行電解，被電解出h2、o2和co2等微小氣泡具有很大的浮載能力起浮選劑的作用，廢水中的懸浮顆

7、粒粘附在這些微氣泡上，并隨這些氣泡上浮加以去除，以達到凈水的目的。靜電噴涂空氣法7是氣體通過毛細管在毛細管頂端的液體介質中產生氣泡，毛細管帶電作為系統(tǒng)高壓誘導電場裝置的電極，毛細管頂端上的靜電應力使氣泡進入溶液，分解產生范圍1080 m大小的微氣泡，是一種新方法。以上幾種方法各有所長，但是相對成熟的是溶氣氣浮法，特別是加壓溶氣氣浮法應用在很多工業(yè)領域。近年來出現的射流氣浮方法因為其具有設備操作簡單、耗能少等優(yōu)點，所以也逐漸被應用，發(fā)展前景比較廣闊。1.3  影響氣浮法因素對于不同的氣浮分離體系，影響因素各不相同。一般情況下要想達到比較好分離效果，以下幾個因素具有重要作用。（1）氣泡尺

8、寸大小氣泡尺寸是氣浮過程的主要影響因素8，它直接影響氣泡與懸浮固體顆粒的碰撞概率、氣浮的速率以及回收率等。理論上氣泡越多越好，但實際中太小的氣泡不利于氣浮分離。這是因為待處理的懸浮物性質一定時，若氣泡越小，則固體顆粒上浮所需要粘結的氣泡數量越多，這樣增加了氣泡跟懸浮顆粒粘結的難度;其次，氣浮裝置也比較復雜，特別是用加壓溶氣氣浮時需要系統(tǒng)提供很大的壓力，則能耗大;此外，氣泡越小增加了浮渣的處理的難度。經過查閱文獻知，氣泡在40 m時氣浮分離效果最好，一般氣泡控制在10100 m就較合適。（2）絮體顆粒大小絮體顆粒大小是影響氣浮效率的另外一個主要因素。有學者9認為，絮體顆粒粒徑為4001 000

9、m時氣浮效果最好。后來人們研究發(fā)現，氣浮工藝無需這么大的顆粒也可以達到很好的分離效果。根據han等10研究結果表明，當微氣泡與絮體顆粒尺寸接近時兩者的粘附效率最大，故分離效果也更好。所以絮體顆粒在10100 m就足夠了。（3）溫度溫度主要影響氣浮體系的物化性質，如溶解度、泡沫穩(wěn)定性、吸附性等。但在不同的氣浮分離體系中，溫度有著不同的影響。例如在溶劑氣浮中，分離效率一般隨溫度的升高而降低。這是因為吸附是放熱過程，當溫度較低時，有利于浮選物在氣泡上吸附，分離效率則較高。在離子氣浮中，溫度的升高對不同體系有著不同的影響。當物理吸附占優(yōu)勢時，分離效率隨溫度的升高降低，這主要是因為物理吸附是放熱過程，溫

10、度升高不利于氣泡與絮體之間的吸附;當化學吸附占優(yōu)勢時，分離效率隨溫度升高而升高。在沉淀氣浮中，溫度的升高有利于固體顆粒的長大，但同時能增大沉淀的溶解和降低泡沫的穩(wěn)定性，故不利于沉淀氣浮過程。（4）其他影響因素除了氣泡尺寸大小、絮體顆粒大小以及溫度外，對不同的氣浮分離技術還有不同的影響因素。其中通?？紤]的還有離子強度、ph值、收集劑濃度、絮凝時間、有機溶劑的存在以及其他氣浮助劑等11。2  氣浮實驗設計本論文中氣浮實驗分離的是h2s制氫過程中生成的硫磺，待分離硫磺的介質是在強酸性（6 mol/l鹽酸）條件下，對氣浮分離裝置的要求比較苛刻。所以，凡能接觸到液體所用的裝置必須是耐酸性的。根

11、據不同氣浮分離方法的特點，本實驗用射流氣浮方法分離硫磺。2.1  氣浮實驗條件的確定氣浮過程中氣泡大小和數量多少起著關鍵作用，所以要確定射流氣浮裝置產生的氣泡大小和數量。此外，裝置運行的否穩(wěn)定性，溫度、時間等因素也要進行考慮。因為是實驗初始階段，所以先用清水（自來水）對整套氣浮實驗裝置進行實驗，觀測射流氣浮裝置的穩(wěn)定情況，氣泡的大小及其稀疏情況，然后得出最佳操作條件。2.1.1  氣泡大小的分析過程本實驗氣泡大小和數量的確定是借助攝影機對其分析。實驗中待射流氣浮裝置氣泡穩(wěn)定后，根據實際需要用攝像機對氣浮罐內上升的氣泡拍攝，放大進行分析。拍攝中需注意的是在氣浮罐內透過光束，使

12、分散的氣泡拍攝的更為清楚。2.1.2  氣泡大小的影響因素（1）液體流量對氣泡大小影響根據實驗觀察，氣泡大小與液體流量有關。本實驗中對氣體流量在25、125、250 l/h條件下，確定液體流量與氣泡直徑大小關系。實驗結果如圖1所示，氣泡直徑隨液體流量的的增大而變小。液體流量大于500 l/h時，氣泡分散的均勻，大部分氣泡直徑范圍在50300 m之間，所以在實驗中選擇液體流量大于500 l/h。（2）氣體流量對氣泡大小的影響通過實驗知，氣泡直徑大小不僅和液體流量有關，和氣體流量也有關。圖2為在液體流量一定的條件下，氣泡直徑大小與氣體流量的關系。由上圖2知，液體流量一定時，氣泡直徑隨氣體

13、流量的增加而增大，氣浮分離過程中氣泡越小越有利于分離。但是氣體流量小的時候氣浮罐中的氣泡很少，不利于氣浮分離，所以實驗中氣體流量不能太小。通過實驗觀察，結合氣泡大小和數量多少，選擇氣體流量在180220 l/h之間。2.1.3  裝置穩(wěn)定性的測定氣浮分離過程中，裝置運行的穩(wěn)定性是不可忽視的。實驗中測定射流氣浮穩(wěn)定情況通過觀察氣泡的穩(wěn)定性來確定。實驗開始在氣浮罐內裝入液體，流入泵內的液體混有一些氣體，所以在打開泵運轉時氣浮內會出現大的不均勻的氣泡，或者出現小的漩渦，待運行一段時間后，氣泡變小且均勻，漩渦消失。根據實驗知，5 min后射流裝置基本穩(wěn)定。2.1.4  小結通過實驗

14、測定，氣體流量為180220 l/h，液體流量大于500 l/h，5 min后射流氣浮裝置運轉穩(wěn)定，大部分氣泡直徑集中在150300 m之間。一般氣浮分離中氣泡直徑為10100 m可以達到氣浮分離效果，40 m最佳，所以實驗中就氣泡大小而言是難以實現分離的，但是實際中不同的固液分離體系要求各不相同，所以能否實現分離需做進一步模擬實驗。2.2  成品硫磺模擬氣浮實驗氣泡大小的分析是在清水中測定的，固體顆粒的加入會是影響氣泡的大小，所以用成品硫磺進行模擬實驗。2.2.1  硫磺顆粒度大小分析氣浮分離不僅和氣泡大小有關，而且和固體顆粒大小有關。實驗中用的硫磺是升華硫，所以對其進行

15、粒度分析。分析結果如圖3所示，硫磺顆粒在10100 m之間占90%以上。根據文獻查閱氣浮絮體顆粒在10100 m可以進行氣浮分離，所以在清水中加入升華硫進行實驗。2.2.2  實驗過程本實驗在5 l清水中加入10 g升華硫，固液體系溫度15 。由于硫磺難溶于水，所以先要使硫磺在少許水中完全浸濕，然后再加入清水中。在模擬硫磺實驗中，待完全浸濕的硫磺加入清水后。經反復實驗，液體流量為520 l/h，氣體流量為200 l/h時，氣泡分散度均勻，氣泡直徑在小50150 m之間約占60%以上。根據實驗得知，可以實現硫磺分離，分離效率可達到95%以上。2.2.3  溫度的影響溫度的大小

16、對氣浮分離也有一定的影響。硫磺和水之間的粘附是物理吸附，溫度升高不利于氣泡與硫磺顆粒之間的吸附，會降低硫磺分離效果。但是硫磺顆粒大小與溫度有關，溫度升高時，細小的硫磺顆粒發(fā)生聚并，變成大的顆粒，有利于氣浮。本實驗用升華硫和清水進行模擬實驗。實驗結果如圖4知，溫度的升高有利于氣浮的分離。當溫度升高到60 時，分離效率可提高到98%以上。表明溫度對硫磺顆粒與氣泡的粘附作用影響較小，對硫磺顆粒聚并的影響大。2.3  模擬吸收液氣浮實驗2.3.1  生成硫磺顆粒度大小分析由圖3知，升華硫顆粒大小主要分布10100 m之間，可以實現氣浮分離。但是h2s吸收過程中生成的硫磺顆粒細小，顆

17、粒中有可能包裹鐵離子，顆粒大小能否達到分離要求，需進一步分析。所以實驗中模擬h2s吸收液和硫化鈉反應生成硫磺，進行粒度分析。生成硫磺過程中因在酸性條件下進行的，為確保無h2s溢出，必須是高濃度的的fe3+溶液，然后對生成的硫磺進行過濾、沖洗、烘干。生成硫磺吸收液經分析，主要組成如表1。生成硫磺顆粒度大小分布經分析如圖5知，420 m的硫磺顆粒占一部分，其他的集中在1001 500 m之間。實際中生成的硫磺顆粒很小，圖中出現大的顆粒是由于分析時有硫磺顆粒沒有很好的分散開，所以生成硫磺顆粒大小主要集中在420 m之間。氣浮實驗中，太小的硫磺顆粒不利于氣浮，所以用模擬吸收液進行氣浮實驗時需加入絮凝劑

18、。2.3.2  絮凝劑選擇氣浮過程中，大的絮凝體可以提高浮升的速度從而可以提高氣浮效率，所以絮凝劑在氣浮分離中應用很廣泛。由于h2s制氫過程中生成的硫磺顆粒很細小，且吸收液又是強酸條件下高濃度的fe3+/fe2+溶液，所以需要加入適當的絮凝劑改變硫磺的顆粒形狀，實現氣浮分離。目前的高分子絮凝劑pam具有用量少，形成絮凝體性能良好等優(yōu)點。所以本實驗選擇廣泛用于工業(yè)生產中的pam（聚丙烯酰胺）作為氣浮分離的絮凝劑。實驗條件及溶液組成如表2。實驗結果如表3知，在同等條件下，陽離子型pamc3098500600萬，90%100%絮凝效果更好，所以選擇它為硫磺顆粒絮凝劑。上述實驗操作過程需注意

19、的是待氣浮罐中的溶液運轉穩(wěn)定后再緩緩加入絮凝劑，否則影響絮凝效果。2.3.3  絮凝劑加入量的確定絮凝劑的用量與溶液中懸浮物含量的多少有關，一般情況下隨絮凝劑用量的增加絮凝效果增強，但是到了一定的峰值，絮凝效果最佳，若再增加用量反而不利于絮凝。由于實驗中溶液體系的復雜性，所以需要確定絮凝劑的用量。本實驗根據吸收液中硫磺分離效果確定pam的用量。實驗條件及溶液組成如表4。實驗結果如圖6所示，不加絮凝劑時，受實驗裝置，硫磺顆粒度大小以及溶液的影響，分離效率還不到10%，加入絮凝劑后明顯的提高了分離效率。當絮凝劑加入量小于10 mg/l時，硫磺分離效率明顯增大，說明pam絮凝效果逐漸增加;

20、當絮凝劑加入量達到10 mg/l以后，雖然分離效果逐漸增大，但是效果不是很明顯。根據前期研究人員9用庫爾特儀對不同pam含量下硫磺顆粒進行測量得知，pam含量為1020 mg/l時硫磺顆粒最大，20 mg/l之后硫磺顆粒反而變小;此外隨pam含量的增加，鐵離子的損失逐漸增大，特別是大于10 mg/l時鐵離子損失更大。所以在以后的實驗中選擇加入pam含量是10 mg/l。實驗結果如圖7知，隨溫度升高，硫磺分離效果增大，這是由于溫度的升高硫磺顆粒聚并變大，有利于分離。但是溫度升高，有酸霧溢出，造成溶液酸度下降，不利于h2s吸收;溫度的升高也有可能使pam性質發(fā)生變化;此外，溫度的升高給整個造作過程

21、造成很多不便，所以在實驗時盡可能控制在低溫。3  小 結通過實驗知，h2s吸收過程中生成的硫磺可用氣浮法分離效果可達到95%以上，但是需要加入一定量的絮凝劑。采用氣浮法分離硫磺具有設備緊湊簡單、輔助劑量較少、分離效果好等優(yōu)點。此外，絮凝劑的加入對點解液也有一定的影響。參考文獻：1 zhu xihai，ren xin，chen weiguo，et al.the tread and present study on separation techniques by flotationj.technology of water treatment （in chinese），1991，17（6）：355-360.2james k.edzwald.principles and applications of dissolved air flotationj.water science and technology，1995，31（3-4）：1-2.3tsouris c，dwpaoli d w，feng