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生物法再生铁离子溶液脱除气体中硫化氢的研究

作　者: 李志章
导　师: 徐晓军
学　校: 昆明理工大学
专　业: 矿物加工工程
关键词: 氧化亚铁硫杆菌 固定化 再生铁离子溶液 硫化氢 鼓泡塔 生物脱硫
分类号: X701
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


本论文进行生物法再生铁离子溶液脱除H2S气体的研究。通过氧化亚铁硫杆菌的固定化细胞生物反应器再生的Fe3+溶液，在鼓泡塔进行脱除H2S气体的研究。由于该法脱硫效率高，运行费用低，在常温常压下操作，脱硫过程中无废料排出，且生成的硫资源还可被再利用，因此被认为是最有发展前途的生物脱硫方法之一。从云南省某硫化矿的矿坑酸性废水中分离出一类细菌，经分析鉴定初步断定该菌种为以氧化亚铁硫杆菌为优势菌的工程菌；并进行氧化亚铁硫杆菌生长特性与生长动力学研究。以软性塑料纤维与沸石为填料，用吸附法构建了氧化亚铁硫杆菌固定化细胞生物反应器，考查了固定化细胞生物反应器形式、空气流量的大小、液体流量的大小、Fe2+浓度的变化、pH值的变化等因素对固定化细胞生物反应器氧化Fe2+的影响，研究结果表明，其大大提高Fe2+的氧化速率且性能稳定。在初始pH=1．6的条件下，要达到95％以上的Fe2+氧化率，以软性塑料纤维为填料的固定化其Fe2+氧化速率仅为0．36g/L/h；以沸石为填料气液逆流式固定化，其Fe2+氧化速率为0．63g/L/h，是以软性塑料纤维为填料的1．75倍；而以沸石为填料气液并流式固定化，其Fe2+氧化速率高达1．10g/L/h，是气液逆流式固定化的1．75倍。但以软性塑料纤维为填料的固定化反应器结构简单，运行费用低，操作方便且容易控制，同时由于采用悬挂软性塑料纤维为填料，可有效避免填料塔的堵塞。通过固定化细胞生物反应器再生的Fe3+溶液在鼓泡塔吸收脱除H2S气体，考查了Fe3+浓度、H2S气体进气浓度、进气量、气体停留时间与Fe3+溶液流量等操作因素对H2S脱除效率的影响，以及脱硫装置长时间连续运行的脱硫效果。当H2S气体进气浓度高达8100 mg／m3，通过在较大的气体停留时间与Fe3+溶液流量下运行仍可达到99．77％的脱硫效率，H2S出气浓度在20mg／m3以下，达到国家规定的城市煤气、天然气与油品炼厂废气中H2S标准；且H2S的处理负荷高达1031．85g／m3／h。脱除H2S实验装置长时间连续运行的研究结果表明，当H2S气体的进气浓度为4000 mg／m3左右时，脱硫效率随运行时间的延长而缓慢降低，运行250h后的脱硫效率从初始的99．81％下降到98．01％，H2S出气浓度从7．80mg／m3上升到82．00mg／m3。要想保持脱硫效率的稳定，需定期向溶液中补加Fe2+以保持溶液中铁离子浓度的基本稳定，同时补加Fe2+还可以维持氧化亚铁硫杆菌的氧化活性。通过细菌氧化黄铁矿产生的铁离子溶液脱除H2S气体，考查了黄铁矿的粒度大小、矿浆浓度这两个主要因素对细菌氧化黄铁矿的影响。利用气升式反应器氧化黄铁矿所产生的铁离子溶液进行脱除H2S气体的对比试验研究，研究结果表明与细菌氧化FeSO4·7H2O产生Fe3+溶液的脱硫效率相差不大，这说明用黄铁矿来代替FeSO4·7H2O用于生物脱硫在技术上是可行的。利用S-H2O系和Fe-H2O系的E-pH图分析脱除H2S气体过程中形成单质硫的稳定性和形成固相铁的氢氧化物的可能性。进行H2S气体水溶液和再生铁离子溶液中Fe3+的溶液化学特性研究，研究结果表明，只有当溶液的pH>2．29，才会产生Fe（OH）3沉淀；当pH<2．29，再生铁离子溶液中的铁离子主要是以Fe2（OH）24+、Fe3+形式存在，其次是以Fe（OH）2+形式存在。通过理论分析得出再生铁离子溶液脱除H2S气体是经过三种途径实现的，一是Fe3+的直接氧化作用，二是Fe2（OH）24+的间接催化氧化作用，三是Fe（OH）2+的直接氧化作用。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章 绪论  12-41
  1.1 硫化氢气体的性质、来源及危害  12-14
    1.1.1 硫化氢气体的性质  12
    1.1.2 硫化氢气体的来源  12-13
    1.1.3 硫化氢气体的危害  13-14
  1.2 干法脱硫的研究现状  14-17
    1.2.1 克劳斯氧化法  14-15
    1.2.2 活性炭吸附法  15
    1.2.3 分子筛法  15-16
    1.2.4 铁系脱硫剂  16
    1.2.5 锌系脱硫剂  16-17
    1.2.6 锰矿脱硫法  17
    1.2.7 膜分离法  17
  1.3 湿法脱硫的研究现状  17-23
    1.3.1 物理吸收法  17-18
    1.3.2 化学吸收法  18-19
    1.3.3 物理化学吸收法  19
    1.3.4 湿式氧化法  19-23
  1.4 生物法脱除H_2S气体的研究现状与进展  23-35
    1.4.1 生物脱硫菌的菌种分类  23-24
    1.4.2 生物法脱除H_2S气体的处理工艺  24-28
    1.4.3 H_2S气体的生物脱除方法研究  28-33
    1.4.4 H_2S气体的生物脱除方法分析与比较  33-34
    1.4.5 生物法脱除H_2S气体的发展趋势  34-35
  1.5 氧化亚铁硫杆菌的生理特性  35-36
  1.6 氧化亚铁硫杆菌的固定化  36-39
    1.6.1 固定化细胞技术的方法  36-37
    1.6.2 固定化细胞技术的特点  37-38
    1.6.3 氧化亚铁硫杆菌固定化技术的研究  38-39
  1.7 课题的目的意义、研究内容与创新点  39-41
    1.7.1 课题提出的目的意义  39-40
    1.7.2 本课题的研究内容  40
    1.7.3 本课题的创新之处  40-41
第二章 氧化亚铁硫杆菌的选育及其生长特性  41-57
  2.1 实验主要仪器与设备  41
  2.2 实验方法  41-43
    2.2.1 细菌计数方法  41-42
    2.2.2 细菌染色方法  42-43
    2.2.3 细菌培养方法、培养基及测试方法  43
  2.3 菌种的采集、分离纯化与鉴定  43-45
    2.3.1 菌种的采集  43-44
    2.3.2 菌种的分离纯化与鉴定  44
    2.3.3 菌种保存  44-45
  2.4 氧化亚铁硫杆菌生长特性的研究  45-51
    2.4.1 培养温度对细菌氧化活性的影响  45-46
    2.4.2 初始pH值对细菌氧化活性的影响  46-49
    2.4.3 初始Fe~(2+)浓度对细菌氧化活性的影响  49-51
    2.4.4 接种量对细菌氧化活性的影响  51
  2.5 氧化亚铁硫杆菌生长动力学研究  51-56
    2.5.1 氧化亚铁硫杆菌生长动力学的研究方法  51-52
    2.5.2 在不同培养温度条件下生长动力学研究  52-53
    2.5.3 在不同初始pH条件下生长动力学研究  53-55
    2.5.4 在不同初始Fe~(2+)浓度条件下生长动力学研究  55-56
  2.6 小结  56-57
第三章 氧化亚铁硫杆菌的固定化技术研究  57-82
  3.1 概述  57
  3.2 游离细胞氧化Fe~(2+)的试验研究  57-58
    3.2.1 实验材料与方法  57-58
    3.2.2 实验结果与分析  58
  3.3 以软性塑料纤维为填料的固定化技术研究  58-66
    3.3.1 实验装置和方法  59-60
    3.3.2 固定化细胞生物反应器的挂膜  60-61
    3.3.3 实验结果与分析  61-66
  3.4 以沸石为填料气液逆流式固定化技术研究  66-73
    3.4.1 概述  66
    3.4.2 实验装置与方法  66-68
    3.4.3 固定化细胞生物反应器的挂膜  68
    3.4.4 实验结果与分析  68-73
  3.5 以沸石为填料气液并流式固定化  73-79
    3.5.1 实验装置与方法  73-74
    3.5.2 固定化细胞生物反应器的挂膜与启动  74-75
    3.5.3 实验结果与分析  75-78
    3.5.4 气液并流式固定化细胞的反应动力学研究  78-79
  3.6 不同形式固定化技术的分析与比较  79-80
  3.7 小结  80-82
第四章 再生铁离子溶液鼓泡塔吸收脱除 H_2S气体的研究  82-100
  4.1 概述  82-83
  4.2 实验方法与分析方法  83-84
    4.2.1 实验装置及方法  83
    4.2.2 分析方法  83-84
  4.3 Fe~(3+)溶液浓度与H_2S气体脱除效率的关系  84-87
    4.3.1 在不同H_2S进气浓度条件下的试验研究  84-85
    4.3.2 在不同H_2S气体进气量条件下的试验研究  85-87
  4.4 再生Fe~(3+)溶液吸收脱除H_2S气体的研究  87-98
    4.4.1 在不同H_2S气体进气浓度条件下的试验研究  87-88
    4.4.2 在不同H_2S气体进气量条件下的试验研究  88-89
    4.4.3 H_2S气体停留时间与Fe~(3+)溶液流量对脱硫效率的影响  89-95
    4.4.4 脱除H_2S实验装置长时间运行的脱硫效果  95-98
  4.5 小结  98-100
第五章 细菌氧化黄铁矿产生的铁离子溶液脱除 H_2S气体的研究  100-108
  5.1 概述  100
  5.2 实验材料与实验方法  100-103
    5.2.1 试验用黄铁矿的制备  100
    5.2.2 培养基及细菌在黄铁矿中的驯化培养  100-101
    5.2.3 分析方法与计算方法  101
    5.2.4 实验装置与实验方法  101-103
  5.3 实验结果与分析  103-107
    5.3.1 粒度大小对细菌氧化黄铁矿的影响  103
    5.3.2 矿浆浓度对细菌氧化黄铁矿的影响  103-104
    5.3.3 细菌在气升式反应器氧化黄铁矿的研究  104
    5.3.4 细菌氧化黄铁矿产生的Fe~(3+)溶液脱除H_2S气体的试验研究  104-106
    5.3.5 细菌氧化黄铁矿的机理分析  106-107
  5.4 结论  107-108
第六章 再生铁离子溶液脱除 H_2S气体的机理研究  108-128
  6.1 概述  108
  6.2 再生铁离子溶液体系中固相硫的稳定性  108-113
    6.2.1 电位-pH图的基本原理  108-110
    6.2.2 不考虑气相H_2S影响时S-H_2O体系中固相硫的稳定区  110-112
    6.2.3 考虑气相H_2S影响时S-H_2O体系中固相硫的稳定区  112-113
  6.3 再生铁离子溶液体系中固相铁的氢氧化物稳定性  113-115
  6.4 H_2S气体水溶液的溶液化学特性  115-117
  6.5 再生铁离子溶液中Fe~(3+)的溶液化学特性  117-123
    6.5.1 铁离子溶液水解生成Fe(OH)_3沉淀  117-119
    6.5.2 铁离子溶液水解生成铁的轻基络合物  119-122
    6.5.3 再生铁离子溶液转化H_2S气体的机理分析  122-123
  6.6 细菌氧化Fe~(2+)的机理分析  123-126
  6.7 结论  126-128
第七章 结论与建议  128-131
  7.1 结论  128-130
  7.2 建议  130-131
参考文献  131-140
附录一  140-141
附录二  141-143
致谢  143

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废气的处理与利用
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