Химия и химические технологии (5)

Базаянц Г.В., Дариенко О.Л., Айрапетян К.В.

Автомобильно-дорожный институт Государственного высшего учебного заведения «Донецкий национальный технический университет», г. Горловка

ПОВЫШЕНИЕ РАСТВОРЯЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

И СОРБЦИОННОЙ ЁМКОСТИ ПОГЛОТИТЕЛЬНЫХ РАСТВОРОВ ДЕСУЛЬФУРИЗАЦИОННЫХ УСТАНОВОК

Десульфуризационные установки (ДСУ) нашли широкое применение в теплоэнергетике и черной металлургии. Они предназначены для очистки от диоксида серы отходящих газов перед их выбросом в атмосферу. В качестве поглотителей SO₂ наиболее эффективны щелочные водные растворы. Ограничительными факторами являються растворимость диоксида серы в воде при данной температуре и сорбционная ёмкость поглотительного раствора.

Рассмотрим возможные способы оптимизации этих параметров режимными мероприятиями.

Известно [1], что в присутствии электролитов растворимость газов в жидкостях понижается. Количественно эту закономерность впервые отразил И.М. Сеченов, в виде зависимости:

(1)

где Х₀ и Х – мольные доли газа в воде и в водном растворе электролита соответственно;

k – эмпирическая константа, зависящая от температуры, природы газа и электролита;

С – концентрация раствора.

Из формулы (1) видно, что чем выше концентрация электролита в растворе, тем ниже в нём мольная доля растворённого газа. По этой причине снижение концентрации электролита приведёт к повышению растворимости газа, что увеличит эффективность газоочистимости. Однако снижение концентрации электролита понизит сорбционную ёмкость поглотительного раствора, что ухудшит технико-экономические показатели работы ДСУ из-за необходимости более частых замен отработанного раствора свежеприготовленным.

Для решения указанного противоречия в качестве поглотительной жидкости в ДСУ рассмотрена возможность использования моноионного раствора электролита. При этом моноионным считали раствор, содержащий преимущественно ионы одного типа – катионы либо анионы. В свою очередь, под преимущественным понимали концентрацию данного типа ионов, превышающую концентрацию противоионов не менее чем в 100 раз.

Примером моноанионных растворов является католит – вода, подвергнутая электролизу в катодном объёме диафрагменного электролизёра. В результате восстановительного процесса на поверхности катода

(2)

как известно [2], образуется водный раствор, содержащий преимущественно ионы ОН^-.

Аналогично этому, при электролизе воды в анодном объёме диафрагменного электролизёра в результате окислительной реакции на поверхности анода

(2)

получают анолит – монокатионный раствор с преимущественным содержанием ионов Н⁺.

Специальными приёмами нами получены монокатионные либо, напротив, моноанионные водные растворы различных электролитов.

Проанализируем возможность их использования в намеченных целях. В качестве примера рассмотрим процесс десульфуризации газов щелочным поглотительным раствором на основе NaOH.

Вначале диоксид серы растворяется в поглотительной жидкости. Часть его содержится в воде в виде молекул SO₂(р), а другая часть химически взаимодействует с ней по реакции:

(3)

Будучи слабым электролитом, сернистая кислота диссоциирует по первой ступени

(4)

что численно характеризуется константой К_д(1)=1,3210^-2. Из-за малой величины К_д(2) диссоциацией этой кислоты по второй ступени в практических расчётах можно пренебречь.

Чем выше содержание SO₂ в воде, тем выше эффективность газоочистки. Однако растворимость диоксида серы в поглотительном растворе рассматриваемой ДСУ ограничивается концентрацией ионов электролита – катионов Na⁺ и анионов ОН^-. При этом очевидно, что ионы Na⁺ с точки зрения десульфуризации газов совершенно бесполезны. Поэтому использование католита, содержащего только ионы ОН^-, вместо щелочного раствора, содержащего ионы ОН^- и Na⁺ в равных количествах, при равной концентрации ионов ОН^- снижает общую концентрацию электролита вдвое. Согласно (1), это способствует большей растворимости SO₂ в поглотительном растворе.

Основой любого процесса так называемой «мокрой» десульфуризации газов щелочными абсорбентами является процесс связывания растворенного диоксида серы ионами ОН^- с образованием аниона сернистой кислоты:

(5)

Поскольку катионы Na⁺ с другими компонентами раствора не образуют малорастворимых либо слабодиссоциированных соединений, их присутствие в поглотительном растворе не только бесполезно, но и в значительной степени вредно. Такой вывод обусловлен не только ухудшением растворимости диоксида серы в воде, но и увеличением ионной силы раствора, а, следовательно, снижением активности ионов ОН^- в растворе.

Результатом химического взаимодействия по уравнению (5) является снижение содержания молекул SO₂ в поглотительном растворе, что, согласно принципу Ле Шателье, приводит к смещению вправо равновесия в системе . В итоге всё новые порции диоксида серы переходят из очищаемого газа в жидкость. Этим и обеспечивается более высокая сорбционная ёмкость растворов, содержащих избыточные ионы ОН^-, по сравнению с нейтральной водой.

Теоретически процесс (5) протекает до полного истощения ионов ОН^- в жидкости. Таким образом, сорбционная ёмкость рабочего раствора ДСУ – это его максимально возможная поглотительная способность по отношению к SO₂ при данной температуре. Так как в процессе (5) количество веществ SO₂ и ОН^- эквимолярно, то в первом приближении с достаточной для практических расчётов точностью сорбционную ёмкость любого ОН^- - содержащего раствора можно оценить величиной

(6)

где – растворимость SO₂ в нейтральной воде при данной температуре, моль/л;

- активность ионов ОН^- в поглотительной жидкости при тех же условиях, моль/л.

В нейтральной воде величина имеет порядок 10^-7 моль/л, что пренебрежимо мало по сравнению со значением . Поэтому для такой воды расчётная формула (6) упрощается и принимает вид

(7)

В нижеприведённой таблице представлены результаты сравнительного расчёта сорбционной ёмкости раствора NaOH и католита при равной концентрации ионов OH^- в случае десульфуризации газа, содержащего 0,20% SO₂ (по объёму).

Таблица 1 - Сорбционная ёмкость щелочесодержащего раствора и католита

Концентрация ионов OH^-, моль/л	Ионная сила, моль/л		Сорбционная ёмкость, моль SO2/л
	раствора	католита	раствора	католита
0,01	0,010	0,005	0,0130	0,0133
0,05	0,050	0,025	0,0448	0,0469
0,10	0,100	0,050	0,0813	0,0857
0,50	0,500	0,250	0,3500	0,3627
1,00	1,000	0,500	0,4396	0,6958
1,50	1,500	0,750	1,1224	1,0659

Из таблицы видно, что при равной концентрации активного сорбента в поглотительной жидкости в реально используемом интервале водородного показателя преимущество католита над щелочесодержащим раствором по сорбционной ёмкости наиболее ощутимо (в 1,6 раза) в 1М жидкости. Получение более концентрированного католита в настоящее время технически трудноосуществимо.

Таким образом, показано, что использование моноанионного раствора (католита) вместо обычного щелочного раствора в диапазоне концентрации ионов OH^- до 1 моль/л в качестве поглотительной жидкости десульфуризационной установки более эффективно. При необходимости применения более концентрированных поглотителей диоксида серы преимущество получают щелочесодержащие растворы.

1. Белик В.В., Киенская К.И. Физическая и коллоидная химия: -М.: Изд.центр «Академия», 2005.-228 с.

2. Яковлев С.В., Краснобородько И.Г., Рогов В.М. Технология электрохимической очистки воды. –Л.: Строиздат, 1987.-312 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

1. Базаянц Г.В. – д.т.н., профессор, профессор кафедры «Общенаучные дисциплины»,

Автомобильно-дорожный институт Государственного высшего учебного заведения «Донецкий национальный технический университет»,

84627, г. Горловка, ул. Нестерова, 126 – 28, тел. 8(0624) 55-88 -68.

2. Дариенко О.Л., соискатель кафедры «Экология и БЖД», методист факультета «Экономика и управление»,

Автомобильно-дорожный институт Государственного высшего учебного заведения «Донецкий национальный технический университет»,

84626, г. Горловка, ул. Пушкинская, 50 – 3, тел. 8(06242)2-08-40.

3. Айрапетян К.В., студентка

Автомобильно-дорожный институт Государственного высшего учебного заведения «Донецкий национальный технический университет»,

84600, г. Горловка, пр. Ленина, 15 – 8, тел.8(06242)4-03-63