电迁移膜反应器可从混合气体中分离出NO
阅读：发布时间：2020-11-16
研究人员提出了一种集成电迁移膜吸收法，可从模拟混合气体中分离出NO。实验考察了放电电压、气体流量、入口浓度和吸附剂对一体化电迁移膜反应器中NO分离效率和传质系数的影响。实验结果表明，随着集成电迁移膜反应器的外加放电电压的增加，NO分离效率和传质系数增大。在实验过程中，无论是否排放，NO的分离效率都随着气体流量和NO入口浓度的增加而不断降低。随着气体流量的增加，NO传质系数先增大后减小，而随着NO入口浓度的增加，传质系数减小。与试验条件下无放电电压的膜吸收相比，在18kV放电电压下，NO分离效率和传质系数分别提高了48.7%和9.7倍。
相关论文以题为“NO Separation Characteristics in Integrated Electromigration Membrane Reactor”发表在《Applied Sciences》上。
研究目的
随着污染的频繁发生和资源短缺的加剧，从污染的去除到污染物的资源化利用，污染控制技术一直在研究。化石燃料燃烧释放的NOx会引起酸雨、雾霾、光化学烟雾等恶劣的环境问题，对人体健康和生态环境都有危害。目前，选择性非催化还原脱硝技术(SNCR)和选择性催化还原脱硝技术(SCR)在降低NOx排放方面表现出较高的去除效率。但同时也伴随着一些技术难题，如大型设备、空气预热器堵塞、废催化剂处理等。因此，开发新的反硝化技术或改进现有技术，提高排放标准就显得尤为重要。
历史研究
以膜纤维介质为分离界面的膜气分离方法是一种*的气体吸收工艺，具有良好的应用前景。具有能耗低、结构紧凑、操作简单、选择性强等优点，通过气液不接触有效地克服了传统湿法吸收设备中泛水、窜槽、起泡等缺点。近年来，开展了一系列膜吸收分离硫化氢(H2S)、SO2、NOx酸性气体的实验。例如，研究人员在膜吸收反应器中研究了H2S、SO2、NH3、CO2从气相到液相的传质过程，并测量了部分气体的传质系数。Rami等人利用膜吸收法在高压下研究了天然气中硫化氢的去除效率。Sun等人研究了以海水为吸收剂的中空纤维膜去除SO2的可行性，并研究了相关参数对其传质系数的影响。Zhang等人分析了一些参数对膜接触器中SO2去除效率的影响。Kartohardjono等人和Wang等人研究了膜吸收去除NOx的特性。在这些研究中,气体分子通过膜的转移主要取决于气体的浓度差和压差的两面膜,它是伴随着高气体动力和大单位气体膜面积实现高气体分离效率。
电迁移是以电场力为驱动力，从混合物中浓缩或分离特定组分的一种有效分离方法。以电场力为驱动力的方法在工业生产中得到了广泛的应用，在电渗析、电滤、静电除尘器等应用中表现出了优良的技术经济性能。然而，很少有研究报道在膜吸收过程中通过电迁移提高气体分离效率。鉴于此，本文提出了一种将等离子体技术、电迁移、膜分离和化学吸收有机结合的一体化电迁移膜分离工艺。分析了一体化电迁移膜分离反应器中NO的分离机理。研究人员还讨论了放电电压、气体流量、入口浓度和吸附剂对NO分离效率和传质系数的影响。希望本研究能为气体分离技术的发展提供新的思路和参考。
实验方法
实验过程示意图如图1所示。实验装置主要由气体分配装置、一体化电迁移膜分离反应器和气体测量系统组成。采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制备230×50×60 mm的矩形反应器。
图1.一体化电迁移膜反应器NO分离原理图。
放电针电极均匀放置在电抗器上壁上，并与外部负极高压直流电源相连。将不锈钢板制成的接地电极置于反应釜内底，反应釜内底充满水吸收剂。hydrophobicmicroporous膜由PVDF(聚偏二氟乙烯)和聚四氟乙烯(聚四氟乙烯树脂)和孔隙大小0.22µm和150µm的厚度是针电极和接地电极之间的安装,接地电极平行和反应堆划分成两个部分。由压缩钢瓶提供的N2-NO混合气体通过针电极与膜之间的空间，而吸水水剂以65 mL·min−1的恒定流量连续通过膜与接地电极之间的空间。处理后的气体通过气体吸收装置排出，利用烟气分析仪测定NO的进、出口浓度。
放电电压对分离效率和传质系数的影响
放电电压对NO分离效率和传质系数的影响如图2和图3所示。从图2可以看出，NO分离效率与放电电压有关。当放电电压从8 kV增加到18 kV时，NO分离效率先略有上升后迅速上升。在18 kV电压下，分离效率约为57%，比无放电时提高了48.7%。NO负离子的形成与反应区的电子浓度有关(Hajime Tamon 1996)。当放电电压低于8 kV时，效率增量小于1.05%，由于反应空间内电子浓度较低，几乎没有形成负离子。当放电电压过电晕起爆电压时，电子雪崩导致电子数量迅速增加，促使没有负离子的形成。因此，NO分离效率随着放电电压的增大而迅速提高。当放电电压高于18 kV时，电场发生破坏。因此，设定*放电电压为18 kV。同样，NO的传质系数随着放电电压的增大而增大(图3)。当放电电压由0增大到18 kV时，NO的传质系数由0.91×10−4增大到8.81×10−4 m·s−1;在放电电压为18kv时，传质系数约为未施加电压时的9.7倍。这可能是由于较高的放电电压使NO负离子的数量和电迁移速度增加，不仅促进了NO的吸收，而且降低了气相传质阻力。
图2.放电电压对分离效率的影响。
图3.放电电压对传质系数的影响。
吸附剂对no分离效率和传质系数的影响
两种不同吸附剂NaClO2和KMnO4/NaOH对分离效率和传质系数的影响如图4和图5所示。从图4和图5可以看出,电晕放电可以提高分离效率和传递系数,和分离效率和传递系数与吸收剂NaClO2高于那些KMnO4 /氢氧化钠作为吸收剂放电条件下或没有放电。这可能是由于以下三个原因:(1)无负离子的迁移提高了电场的吸收效率;(ii) NaClO2与NO的反应速率高于KMnO4/NaOH与NO的反应速率;(iii)在气体流量不变，其他实验条件相同的情况下，吸收率越高，液相传质阻力越小。
图4.吸附剂对分离效率的影响。
图5.吸附剂对传质系数的影响。
论
通过实验研究可以得出以下结论:
(1)综合电迁移膜分离方法能有效分离NO和NO- n2混合气体。在放电电压为18kV时，反应器中NO的分离效率约为57%。与无排放膜吸收工艺相比，NO的传质系数提高了9.7倍，提高了48.7%；
(2)NO负离子的电迁移能促进NO的分离和传质。在实验条件下，“当外加电压越高，放电电压越高，NO的分离效率和传质系数越高”；
(3)无论是否排放，NO的分离效率都随着气体流量和NO入口浓度的增加而不断下降。随着气体流量的增加，NO传质系数先增大后减小，随着NO入口浓度的增加传质系数减小。
