生物法再生铁离子溶液脱除气体中硫化氢的研究

论文摘要

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。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 硫化氢气体的性质、来源及危害

1.1.1 硫化氢气体的性质

1.1.2 硫化氢气体的来源

1.1.3 硫化氢气体的危害

1.2 干法脱硫的研究现状

1.2.1 克劳斯氧化法

1.2.2 活性炭吸附法

1.2.3 分子筛法

1.2.4 铁系脱硫剂

1.2.5 锌系脱硫剂

1.2.6 锰矿脱硫法

1.2.7 膜分离法

1.3 湿法脱硫的研究现状

1.3.1 物理吸收法

1.3.2 化学吸收法

1.3.3 物理化学吸收法

1.3.4 湿式氧化法

2S气体的研究现状与进展'>1.4 生物法脱除H₂S气体的研究现状与进展

1.4.1 生物脱硫菌的菌种分类

2S气体的处理工艺'>1.4.2 生物法脱除H₂S气体的处理工艺

2S气体的生物脱除方法研究'>1.4.3 H₂S气体的生物脱除方法研究

2S气体的生物脱除方法分析与比较'>1.4.4 H₂S气体的生物脱除方法分析与比较

2S气体的发展趋势'>1.4.5 生物法脱除H₂S气体的发展趋势

1.5 氧化亚铁硫杆菌的生理特性

1.6 氧化亚铁硫杆菌的固定化

1.6.1 固定化细胞技术的方法

1.6.2 固定化细胞技术的特点

1.6.3 氧化亚铁硫杆菌固定化技术的研究

1.7 课题的目的意义、研究内容与创新点

1.7.1 课题提出的目的意义

1.7.2 本课题的研究内容

1.7.3 本课题的创新之处

第二章氧化亚铁硫杆菌的选育及其生长特性

2.1 实验主要仪器与设备

2.2 实验方法

2.2.1 细菌计数方法

2.2.2 细菌染色方法

2.2.3 细菌培养方法、培养基及测试方法

2.3 菌种的采集、分离纯化与鉴定

2.3.1 菌种的采集

2.3.2 菌种的分离纯化与鉴定

2.3.3 菌种保存

2.4 氧化亚铁硫杆菌生长特性的研究

2.4.1 培养温度对细菌氧化活性的影响

2.4.2 初始pH值对细菌氧化活性的影响

2+浓度对细菌氧化活性的影响'>2.4.3 初始Fe²⁺浓度对细菌氧化活性的影响

2.4.4 接种量对细菌氧化活性的影响

2.5 氧化亚铁硫杆菌生长动力学研究

2.5.1 氧化亚铁硫杆菌生长动力学的研究方法

2.5.2 在不同培养温度条件下生长动力学研究

2.5.3 在不同初始pH条件下生长动力学研究

2+浓度条件下生长动力学研究'>2.5.4 在不同初始Fe²⁺浓度条件下生长动力学研究

2.6 小结

第三章氧化亚铁硫杆菌的固定化技术研究

3.1 概述

2+的试验研究'>3.2 游离细胞氧化Fe²⁺的试验研究

3.2.1 实验材料与方法

3.2.2 实验结果与分析

3.3 以软性塑料纤维为填料的固定化技术研究

3.3.1 实验装置和方法

3.3.2 固定化细胞生物反应器的挂膜

3.3.3 实验结果与分析

3.4 以沸石为填料气液逆流式固定化技术研究

3.4.1 概述

3.4.2 实验装置与方法

3.4.3 固定化细胞生物反应器的挂膜

3.4.4 实验结果与分析

3.5 以沸石为填料气液并流式固定化

3.5.1 实验装置与方法

3.5.2 固定化细胞生物反应器的挂膜与启动

3.5.3 实验结果与分析

3.5.4 气液并流式固定化细胞的反应动力学研究

3.6 不同形式固定化技术的分析与比较

3.7 小结

2S气体的研究'>第四章再生铁离子溶液鼓泡塔吸收脱除 H₂S气体的研究

4.1 概述

4.2 实验方法与分析方法

4.2.1 实验装置及方法

4.2.2 分析方法

3+溶液浓度与H₂S气体脱除效率的关系'>4.3 Fe³⁺溶液浓度与H₂S气体脱除效率的关系

2S进气浓度条件下的试验研究'>4.3.1 在不同H₂S进气浓度条件下的试验研究

2S气体进气量条件下的试验研究'>4.3.2 在不同H₂S气体进气量条件下的试验研究

3+溶液吸收脱除H₂S气体的研究'>4.4 再生Fe³⁺溶液吸收脱除H₂S气体的研究

2S气体进气浓度条件下的试验研究'>4.4.1 在不同H₂S气体进气浓度条件下的试验研究

2S气体进气量条件下的试验研究'>4.4.2 在不同H₂S气体进气量条件下的试验研究

2S气体停留时间与Fe³⁺溶液流量对脱硫效率的影响'>4.4.3 H₂S气体停留时间与Fe³⁺溶液流量对脱硫效率的影响

2S实验装置长时间运行的脱硫效果'>4.4.4 脱除H₂S实验装置长时间运行的脱硫效果

4.5 小结

2S气体的研究'>第五章细菌氧化黄铁矿产生的铁离子溶液脱除 H₂S气体的研究

5.1 概述

5.2 实验材料与实验方法

5.2.1 试验用黄铁矿的制备

5.2.2 培养基及细菌在黄铁矿中的驯化培养

5.2.3 分析方法与计算方法

5.2.4 实验装置与实验方法

5.3 实验结果与分析

5.3.1 粒度大小对细菌氧化黄铁矿的影响

5.3.2 矿浆浓度对细菌氧化黄铁矿的影响

5.3.3 细菌在气升式反应器氧化黄铁矿的研究

3+溶液脱除H₂S气体的试验研究'>5.3.4 细菌氧化黄铁矿产生的Fe³⁺溶液脱除H₂S气体的试验研究

5.3.5 细菌氧化黄铁矿的机理分析

5.4 结论

2S气体的机理研究'>第六章再生铁离子溶液脱除 H₂S气体的机理研究

6.1 概述

6.2 再生铁离子溶液体系中固相硫的稳定性

6.2.1 电位-pH图的基本原理

2S影响时S-H₂O体系中固相硫的稳定区'>6.2.2 不考虑气相H₂S影响时S-H₂O体系中固相硫的稳定区

2S影响时S-H₂O体系中固相硫的稳定区'>6.2.3 考虑气相H₂S影响时S-H₂O体系中固相硫的稳定区

6.3 再生铁离子溶液体系中固相铁的氢氧化物稳定性

2S气体水溶液的溶液化学特性'>6.4 H₂S气体水溶液的溶液化学特性

3+的溶液化学特性'>6.5 再生铁离子溶液中Fe³⁺的溶液化学特性

3沉淀'>6.5.1 铁离子溶液水解生成Fe（OH）₃沉淀

6.5.2 铁离子溶液水解生成铁的轻基络合物

2S气体的机理分析'>6.5.3 再生铁离子溶液转化H₂S气体的机理分析

2+的机理分析'>6.6 细菌氧化Fe²⁺的机理分析

6.7 结论

第七章结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

参考文献

附录一

附录二

致谢

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