络合吸收NO传质—反应动力学及Fe~Ⅲ生物还原研究

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为控制酸雨及一系列严重的空气污染问题,矿物燃料燃烧产生的烟气中NOx的脱除,即烟气脱氮技术的研究引起了国内外的广泛关注。至今,在国际上仅选择性催化还原(SCR)及非选择性催化还原技术(SNCR)得到了一定规模的工业化应用。但这两种技术依然存在投资、运行费高,催化剂易失效,操作温度范围窄,易排放N2O和NH3等缺馅。 针对现有的烟气脱氮技术的缺点和局限性,本研究小组提出络合吸收结合生物再生方法来脱除烟气中的氮氧化物。本文作为该研究课题中一部分,考察了半胱氨酸亚铁溶液吸收NO的吸收容量,吸收速度,并与传统络合吸收剂EDTA亚铁溶液的吸收情况做了比较;初步探讨了半胱氨酸亚铁溶液吸收NO动力学区域,并对反应过程、反应速度常数进行了分析研究。同时,对微生物还原被氧化的Fe吸收液进行了基础探索性研究;为这个课题积累了必要的理论基础。 在筛板鼓泡吸收瓶对半胱氨酸亚铁Fe(CyS)2溶液络合吸收NO的吸收容量进行了研究。实验结果表明,Fe/CySH=1:4的配比的溶液能经济有效地保证较高的吸收容量。吸收溶液中的SO32-能有效地抑制吸收剂的氧化,当SO32/Fe(CyS)2为1:1时吸收剂的吸收容量约为不含SO32的溶液的1.5倍。模拟烟气中氧气对吸收效果有很大影响。当氧气含量达到5.5%时,NO的吸收容量约下降80%。SO32-能有效抑制氧气的氧化作用,混合气中氧气含量越高,SO32-对NO吸收容量的影响越明显。当烟气中含有5.5%氧气时,含1:1 SO32-/Fe(CySH)2的吸收剂的吸收容量大约可以增加200%。实验中还发现相同浓度的亚铁络合吸收剂,Fe(CyS)2溶液的NO吸收容量略高于NO常用吸收剂Fe(EDTA)。随着吸收反应的进行,Fe(CyS)2的抗氧化性能优于传统NO吸收剂Fe(EDTA)。 通过双搅拌釜内的吸收实验,探讨了Fe(II)(CyS)2吸收NO传质反应动力学。并考查了O2、SO32-对吸收速度的影响。与EDTA亚铁溶液吸收NO气体实验相比,在无氧条件下,EDTA亚铁溶液的吸收速度高于半胱氨酸亚铁溶液。当混和气中含有一定比例的氧气时,氧气对EDTA亚铁溶液吸收NO气体的速度的影响明显大于对半胱氨酸亚铁溶液吸收NO气体的反应。确定本实验条件下反应动力学区域:半胱氨酸亚铁溶液吸收NO气体为快速拟1级反应。在pH=8.0,50℃实验条件下,得到平均二级反应常数为1.18×108L/mol·s。三种理论模型:膜模型,Danckwerts表面更新模型,Higbie渗透模型应用与拟一级反应,增强因子的计算结果却是相同的,即E=γ。实验增强因子与模型计算值的比较发现,两者吻合较好,最大相对误差不超过13%。 针对吸收过程中Fe(EDTA)被还原成Fe(EDTA)后,吸收NO能力丧失的问题,利用驯化得到的微生物对Fe(EDTA)还原进行了研究。结果表明,铵盐适合作本生物反应体系的氮源,而硝酸盐因为会抑制Fe(EDTA)的微生物还原而不适合用作氮源;葡萄糖、乳酸相对于有一定杀菌作用的乙醇更适合于作为该体系的碳源;在30~50℃温度范围内,Fe(EDTA)还原率相差不大。当溶液中Fe(EDTA)浓度不超过8mmol·L-1时,葡萄糖浓度为8mmol·L-1,菌体接种量120mg(菌体干重)·L-1就能满足微生物反应需要,此时,Fe(EDTA)还原率可以达到50%以上,过量碳源或菌体接种量对还原率没有明显的促进作用。
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