聚合硫酸鐵－硫酸銅溶液吸收H2S的研究

沈 力，張 亮，劉 淼

（吉林大學環境與資源學院，吉林 長春 130012）

硫化氫（H2S）是一種具有臭雞蛋氣味的刺激性氣體，廣泛存在于各種有毒有害氣體之中，如垃圾處理廠廢氣、含硫天然氣和煤氣、食品工業和污泥處理廠的廢氣等［1］.我國對環境大氣、車間空氣及工業廢氣中硫化氫質量濃度已有嚴格規定：居民區環境大氣中硫化氫的最高質量濃度不得超過0.01mg／m3；車間工作地點空氣中最高質量濃度不得超過10mg／m3；城市煤氣中不得超過20mg／m3；油品煉廠廢氣中硫化氫質量濃度要求凈化至10～20mg／m3.含硫化氫廢氣的達標處理對環境和人體健康有著舉足輕重的作用［2］.目前，國內外處理H2S廢氣的方法主要分為干法和濕法兩類，研究較多的如利用活性炭吸附、雜多酸鐵離子吸附和碳酸鈉溶液吸附等［3－5］.

聚合硫酸鐵是一種鐵系無機高分子絮凝劑，具有良好的絮凝和吸附作用.在水處理過程中，聚合硫酸鐵能很快形成大量的［Fe（OH）2］＋，［Fe（OH）］2＋和［Fe2（OH）2］4＋等多核絡離子，極易生成絮凝體，凝聚性能好［6］.而且絮凝劑耗量少、沉降速度快、pH適用范圍寬、水中殘留鐵離子少、水解產物脫水性能優良、重金屬的去除率高、出水質量優良、處理成本低［7］.聚合硫酸鐵廣泛應用于生活飲用水、工業循環水及化工、石油、礦山、造紙、印染、釀造、鋼鐵、煤氣等行業工業廢水的凈化處理［8］，對不同地區不同種類的水源均能達到理想的效果.

本文著重考察了聚合硫酸鐵－硫酸銅溶液對H2S氣體的吸收處理，以找到一種既可以吸收高濃度H2S氣體又方便易得的吸收劑，以較低的濃度得以吸收較大濃度的H2S氣體，這樣高濃度H2S的處理流程將得到簡化，處理成本也將大幅度下降.

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

儀器：QC－1型空氣采樣器，大型氣泡吸收管（長春吉大小天鵝儀器有限公司）；721型分光光度計（上海第三分析儀廠）；FA1604型電子天平（上海天平儀器廠）.

試劑：標準吸收液，將4.3g硫酸鎘、0.30g氫氧化鈉、10.0g聚乙烯醇磷酸銨定容至1000mL；對氨基二甲基苯胺貯備液，量取濃硫酸25.0mL，邊攪拌邊倒入15.0mL水中，冷卻.稱取6.0g對氨基二甲基苯胺鹽酸鹽，溶解于上述硫酸溶液中，在冰箱中長期保存；混合顯色劑，吸取2.5mL貯備液，用體積分數為50%的硫酸溶液稀釋至100mL.使用時，按1.00mL對氨基二甲基苯胺使用液和一滴FeCl3溶液的比例相混合.

1.2 吸收液的制備

將10.0g聚合硫酸鐵完全溶解于少量水中，再加入24.25g硫酸銅晶體，使之完全溶解，定容至200mL.儲存于容量瓶中以備使用，可長期保存.H2O2見光可分解，極不穩定，需現用現加.由于該吸收液的吸收效果非常好，故實驗使用時需再稀釋50倍.

1.3 標準曲線的制備

利用亞甲基蘭分光光度法繪制標準曲線［9］.

1.4 實驗裝置

用FeS與稀硫酸的反應制取H2S氣體，可8h持續均勻地產生H2S氣體，完全可以滿足實驗要求，可以通過調節酸的濃度調節產生H2S速度的快慢.實驗過程由大氣采樣器控制流量，實驗裝置如圖1所示.

圖1 實驗裝置圖

1.5 實驗步驟

（1）H2S初始濃度的測定

在H2S氣體發生裝置中加入250mL水，再用滴管加入5滴濃硫酸（0.25mL），搖勻后，投入大小約1cm3的FeS固體（FeS之前用鹽酸清洗，以清除表面氧化膜保證反應的進行），連接尾氣吸收裝置，打開大氣采樣器，開始抽氣.待30min后H2S氣體產生速率基本穩定后再連接吸收裝置進行實驗.在2個吸收管中分別加入10.0mL的標準吸收液吸收H2S氣體，通過大氣采樣器0.5L／min的流速采樣5min，在2個吸收管中各取1mL均勻溶液于20mL比色管中，加入2mL混合顯色劑，再將溶液稀釋至20mL，搖勻，靜置30min，加一滴磷酸氫二銨溶液，搖勻以排除鐵離子顏色的干擾［10］.將溶液加在1mL比色皿內，以水為參比，在665nm波長下測定吸光度［11］，并計算出H2S的初始濃度.由于吸收H2S的量與濃度、流速、吸收時間均有關系，為減少吸收時間，H2S的濃度應略高，實驗測得H2S的平均初始質量濃度為68mg／m3，符合實驗要求.

（2）聚合硫酸鐵－硫酸銅溶液對H2S氣體的吸收

在一定的初始濃度和一定的反應時間條件下，在H2S發生裝置連接的第1個吸收管中，換成聚合硫酸鐵的吸收液，并加入不同比例H2O2作為催化劑.氣體先經過聚合硫酸鐵吸收液吸收，剩余尾氣再由第2個吸收管吸收.通過已知的初始濃度和時間可以計算出產生的H2S總量，再計算出尾氣吸收裝置吸收的H2S的量即可得到聚合硫酸鐵－硫酸銅溶液吸收的H2S量，測定方法同上.

H2S去除率公式：X＝［（c0－c）／c0］×100%.

其中：c0代表初始濃度，c代表反應后氣體的濃度，X代表去除率.

2 結果與討論

在未加聚合硫酸鐵－硫酸銅的實驗裝置中，串聯2個吸收裝置，目的是讓吸收管1未完全吸收的H2S氣體被吸收管2吸收，2個吸收管的濃度求和既是H2S氣體的初始濃度.經實驗測得，吸收裝置2吸收H2S的濃度遠低于裝置1吸收的H2S，可粗略認為在吸收裝置1中吸收H2S的濃度等同于H2S發生裝置生成的H2S的濃度.當吸收裝置1加入聚合硫酸鐵－硫酸銅吸收液，吸收裝置2加入標準吸收液時，通過測標準吸收液吸收的量，從而計算出聚合硫酸鐵－硫酸銅吸收液的吸收效率.

2.1 不同比例H2O2作為催化劑的對比實驗

實驗過程中加入與Cu2＋不同物質的量配比的H2O2作為催化劑（如圖2所示）.當Cu2＋與H2O2的物質的量比為1∶4時，其穿透時間較不加H2O2和加入配比為1∶2的時間都要長，當不加H2O2時出口濃度急劇增加，而當Cu2＋與H2O2的物質的量比為1∶4時，其穿透曲線上升緩慢，可見H2O2的加入對于聚合硫酸鐵－硫酸銅溶液的吸收效果有明顯的增強，起到很好的催化效果.

由圖2可見，當Cu2＋與H2O2物質的量比為1∶4的時吸收效果最好.取H2S出口濃度為進口濃度的10%作為穿透點，則聚合硫酸鐵－硫酸銅溶液在100min穿透，吸收效率維持在90%以上.從圖2中可以看出，在氣體流量、吸附劑用量相同的條件下，不同時間下Cu2＋與H2O2物質的量比為1∶4時對H2S的吸收量最大.此溶液相比于其他固體吸附劑如沸石、活性炭等有更大的吸收容量和吸收速率.

圖2 不同比例H2O2作為催化劑聚合硫酸鐵－硫酸銅溶液對H2S吸收的穿透曲線

2.2 多種組合吸收液吸收H2S的對比實驗

在原始條件均不變的條件下，控制初始質量濃度為68mg／m3，按照聚合硫酸鐵－硫酸銅的混合比例，配成聚合硫酸鐵－硫酸鋅、聚合硫酸鐵－氯化鐵的吸收液，同樣加入n（Cu2＋）∶n（H2O2）＝1∶4的H2O2作為催化劑，測定其各自的吸收效率（如圖3所示）.從圖3可以看出，聚合硫酸鐵中加入硫酸銅的穿透時間最長，其吸收效率最大.

圖3 聚合硫酸鐵和多種鹽類組合對H2S吸收的穿透曲線

2.3 H2S的吸收效率和吸收量

實驗中對H2S的吸收效率進行了計算，圖4給出了H2S吸收效率隨時間變化的關系.從圖4中可以看出，聚合硫酸鐵－硫酸銅的吸收液在前120min內的吸收效率保持在80%以上，前50min的吸收效率接近100%.

聚合硫酸鐵－硫酸銅溶液對H2S的吸收量隨時間的變化關系如圖5所示.由圖5可見，隨著時間的增長，聚合硫酸鐵－硫酸銅溶液對H2S的吸收量不斷增加，但增長幅度逐漸降低，直至大約200min時完全穿透.

圖4 聚合硫酸鐵－硫酸銅吸收液吸收H2S的效率與時間關系

圖5 聚合硫酸鐵－硫酸銅溶液對H2S的吸收量隨時間的變化關系

3 結論

實驗研究了一種新型聚合硫酸鐵－硫酸銅吸收液對H2S的吸收能力、催化劑H2O2的用量和催化效果.通過幾組對比實驗得出以下結論：

（1）測得H2S氣體初始質量濃度為68mg／m3，遠高于生活中H2S氣體的濃度，而所用稀釋50倍后的吸收液在較高H2S氣體初始濃度和一定反應時間條件下，該吸收液對H2S就有較好的吸收作用.

（2）H2O2的加入對吸收反應的進行有明顯促進作用，隨著H2O2量的增加，穿透時間增加，吸收反應更加充分完全，吸收效率有所增加.

（3）實驗中應用的幾種鹽類與聚合硫酸鐵組成的混合溶液對H2S氣體的吸收均有很好的吸收效果.在維持吸收效率達到90%以上的情況下，聚合硫酸鐵與硫酸銅配成的吸收液要比與其他鹽類配成的吸收液吸收H2S氣體的時間更長，吸收的量更大.

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