钢厂尾气发酵液中乙醇/2,3-丁二醇的吸附分离过程研究

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近年来,温室效应逐渐受到世界各国的关注,由温室效应引起的气候变化已经成为全球性环境问题。钢铁工业、大型发电厂以及水泥生产企业是大型CO2排放源,所以,以钢厂尾气中的CO、CO2作为碳源,通过发酵方法生产乙醇和2,3-丁二醇,对于保障我国能源供应安全,控制并减少温室气体的排放,应对由温室效应引起的全球气候变暖问题具有重要的意义。由于发酵液中2,3-丁二醇具有高沸点、强亲水性和低浓度的特点,现有的分离回收方法成本和能耗都较高。本文拟采用吸附法回收钢厂尾气发酵液中乙醇和2,3-丁二醇,以降低回收成本和能耗。主要研究内容和结论如下:  (1)通过静态吸附实验,对33种树脂、沸石和碳材料(包括大孔型离子交换树脂、凝胶型离子交换树脂、吸附树脂、疏水性沸石分子筛和活性炭小球)吸附回收乙醇和2,3-丁二醇的性能进行比较。研究发现Ambedite XAD-7HP树脂具有较好的吸附乙醇和2,3-丁二醇的性能,且生物相容性好。通过对树脂吸附前后红外结构对比发现,吸附后羰基峰发生了红移的现象,据此可以判断树脂通过氢键作用吸附乙醇和2,3-丁二醇。  (2)实验测量XAD-7HP树脂吸附乙醇和2,3-丁二醇的单组分与双组分吸附平衡等温线,分别采用Langmuir和Freundlich等温线方程拟合,并获得相关的模型参数。建立准一阶动力学模型、准二阶动力学模型和大孔扩散模型,结合间歇吸附速率实验数据,分析XAD-7HP树脂吸附乙醇和2,3-丁二醇的动力学。基于大孔扩散模型,拟合得到乙醇和2,3-丁二醇在XAD-7HP树脂内扩散系数,并对扩散阻力进行分析。  (3)以异丙醇、丙酮和甲醇三种溶剂为洗脱剂,研究吸附2,3-丁二醇饱和后XAD-7HP树脂的脱附效率。静态脱附实验表明纯甲醇洗脱效率较好,其洗脱率达到94.12%。研究不同进料浓度对于乙醇和2,3-丁二醇单组分穿透曲线的影响,以及乙醇和2,3-丁二醇双组分吸附解吸曲线,结果表明甲醇作为洗脱剂对于乙醇和2,3-丁二醇吸附饱和后XAD-7HP树脂填充床进行洗脱,乙醇和2,3-丁二醇可以在洗脱液中得到富集,洗脱液中乙醇和2,3-丁二醇的最大浓度分别为78.21g/L和71.10g/L。
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