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    廢舊輪胎熱裂解油復(fù)合脫氮?jiǎng)┑难芯?/h1>
    2023-02-02 06:55:52王婷婷謝輝英吳茶水
    精細(xì)石油化工 2023年1期
    關(guān)鍵詞:劑油乙酸堿性

    王婷婷,謝輝英,吳茶水,沈 健

    (泉州職業(yè)技術(shù)大學(xué),福建 晉江 362268)

    隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展,廢舊輪胎大量堆積嚴(yán)重污染環(huán)境,治理廢舊輪胎造成的“黑色污染”刻不容緩[1]。目前熱裂解技術(shù)是廢輪胎回收利用最有效的處理技術(shù),所得的熱解油主要是芳香族化合物、脂肪烴等有機(jī)物混合物,熱值與柴油相當(dāng),具有充當(dāng)燃料油的潛質(zhì)[2]。但是,熱裂解油中含有硫氮化合物,使油品的安定性變差,需經(jīng)過深度脫氮、脫硫處理[3]。

    相較于加氫脫氮和非加氫脫氮的常用方法,溶劑萃取脫氮以工藝簡單,操作費(fèi)用低的特點(diǎn)受到關(guān)注[4]。李文深等[5]制備了新型低共熔溶劑[Bmim]Br-丙二醇,對(duì)喹啉的累計(jì)脫除率可達(dá)98.3%,但是該溶劑需要多級(jí)萃取,工藝較繁瑣。朱爽等[6]采用聚乙烯亞胺(PEI)為萃取劑可同時(shí)脫除模型燃油中的非堿性氮化物和堿性氮化物,在實(shí)驗(yàn)條件下PEI對(duì)吲哚和吡咯的N-脫除率分別高達(dá)97.8%、95.1%,吡啶的N-脫除率為85.1%,喹啉只有28.8%。謝輝英等[7]采用單溶劑萃取輪胎裂解油,脫氮率達(dá)到78%,精制油的安定性得到較大的改善,但是脫氮率相對(duì)較低。

    筆者制備了復(fù)合脫氮?jiǎng)?,采用絡(luò)合萃取的方法脫氮,通過單溶劑中引入金屬離子,使其與堿性氮化物形成絡(luò)合物,溶解于溶劑中,提高了萃取劑的選擇性和溶解度,得到了較高的脫氮率,且操作工藝簡單。

    1 實(shí) 驗(yàn)

    1.1 試 劑

    三氯化鋁(結(jié)晶),AlCl3·6H2O,分析純,上海埃彼化學(xué)試劑有限公司;二水合氯化銅、氯化鋅、石油醚(90~120)、甲苯、喹啉、乙酸,分析純,西隴科學(xué)股份有限公司;去離子水。

    1.2 模擬裂解油配制

    由于輪胎裂解油中的堿性氮化合物主要是喹啉類化合物[7],因此實(shí)驗(yàn)采用石油醚和喹啉配制氮含量與輪胎裂解油一致,約為1 800 μg/g的模擬裂解油,作為原料進(jìn)行萃取脫氮。

    1.3 實(shí)驗(yàn)方法

    1.3.1 萃 取

    取20 mL模擬裂解油和不同量的復(fù)合脫氮?jiǎng)┯?00 mL錐形瓶中,恒溫?cái)嚢枰欢〞r(shí)間,在分液漏斗中靜置分層后,取上層油液進(jìn)行堿性氮含量的測定。

    1.3.2 脫氮?jiǎng)┑暮Y選方法

    通過對(duì)比不同金屬化合物的脫氮效果,先確定金屬化合物的種類,然后分別對(duì)水、乙酸的用量進(jìn)項(xiàng)分析,得到最好的配比值,最后確定萃取脫氮方法的最佳反應(yīng)溫度、時(shí)間劑油比等條件。

    1.4 分析方法

    氮含量采用SH/T 0162—1992標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定:

    脫氮率=(N0-N1)/N0×100%

    式中:N0、N1為脫氮前后油品中堿性氮含量。

    2 結(jié)果與討論

    2.1 復(fù)合脫氮?jiǎng)┲苽湟蛩氐目疾?/h3>

    2.1.1 金屬離子的選擇

    乙酸和水的體積比1∶1的溶液中,脫氮?jiǎng)┡c油的體積比為7.5%,萃取溫度25 ℃,萃取時(shí)間20 min。分別加入一定量的CuCl2、ZnCl2、AlCl3,考察金屬脫氮?jiǎng)?duì)脫氮率的影響,結(jié)果見圖1。

    由圖1可見,隨著3種金屬氯化物L(fēng)ewis酸加入量的增加,脫氮率逐步增加。這與絡(luò)合物的形成有關(guān),一般裂解油中的堿性氮化合物主要為吡啶、喹啉。絡(luò)合萃取脫氮就是利用這些化合物的氮原子上有孤對(duì)電子(為Lewis堿),是電子給予體。加入Lewis酸后,兩者進(jìn)行絡(luò)合作用生成絡(luò)合化合物,與油相分層,從而使堿性氮化物脫除,提高油品的抗氧化穩(wěn)定性[8-9]。隨著金屬離子的濃度增加,金屬離子在乙酸溶液中與堿性氮化物形成絡(luò)合物增多,形成的絡(luò)合物在乙酸溶液中具有較高的溶解度,從模擬油中脫出分離出去。在金屬加入量大于1 mol/L后增加幅度不大,這時(shí)萃取接近平衡,脫氮率可達(dá)95%以上。其中AlCl3脫氮率最高,故選取AlCl3作為金屬基。

    圖1 不同金屬基復(fù)合脫氮?jiǎng)?duì)脫氮率的影響

    2.1.2 三氯化鋁水溶液

    取20 mL模擬油,2×10-3mol AlCl3,在反應(yīng)溫度25 ℃、反應(yīng)時(shí)間20 min條件下分別加入不同量的水,考察水含量對(duì)脫氮率的影響,結(jié)果見圖2。

    圖2 三氯化鋁水溶液中水含量對(duì)脫氮效果的影響

    由圖2可見:在水含量0.5 mL處脫氮率較低,隨水含量的增加,金屬離子的分散性更好,更有利于與堿性氮形成絡(luò)合物,故脫氮率增加;大于2 mL后,隨著離子濃度降低,形成的絡(luò)合物的濃度減少,而有機(jī)相的絡(luò)合物難于溶解在極性溶劑水中,水含量越高,溶解得越少,所以脫氮率越低。

    2.1.3 水/乙酸(體積比)

    取20 mL模擬油,1 mL乙酸,2×10-3mol AlCl3,在反應(yīng)溫度25 ℃、反應(yīng)時(shí)間20 min條件下,改變水含量,考察水與乙酸體積比對(duì)脫氮率的影響,結(jié)果見圖3。

    圖3 水/乙酸體積比對(duì)脫氮率的影響

    由圖3可見,隨著脫氮?jiǎng)┲兴岜鹊脑黾樱摰氏仍黾雍蠼档?。這是因?yàn)樵谒岜容^低時(shí),乙酸濃度高,對(duì)金屬離子與堿性氮化合物形成的絡(luò)合物的溶解性較強(qiáng)。隨著水含量的增加,乙酸濃度降低,溶劑與絡(luò)合物的相容性降低,堿性氮在溶劑中的溶解性也隨之降低。當(dāng)水/酸(體積比)為1時(shí),脫氮率為97.1%。

    2.2 脫氮的影響因素

    2.2.1 溫 度

    取模擬油20 mL,自制復(fù)合脫氮?jiǎng)? mL、攪拌時(shí)間20 min,考察溫度對(duì)脫氮率的影響,結(jié)果見圖4。

    圖4 溫度對(duì)脫氮率的影響

    由圖4可見,溫度對(duì)絡(luò)合物的形成有一定的影響,開始是絡(luò)合反應(yīng)速率控制,隨后是平衡控制。初期隨溫度增高,絡(luò)合速率增加,脫氮率增加。溫度繼續(xù)升高,絡(luò)合物不穩(wěn)定,分解,絡(luò)合鍵斷裂,絡(luò)合物減少,脫氮率降低。繼續(xù)增加溫度是溶解性的控制,即溫度增加溶解性增加,但是溶解的選擇性降低。萃取溫度會(huì)導(dǎo)致油品中不安定組分的聚合,使油品顏色變深。故適宜反應(yīng)溫度為30 ℃。

    2.2.2 萃取時(shí)間

    取模擬油20 mL、自制復(fù)合脫氮?jiǎng)? mL,反應(yīng)溫度30 ℃,考察萃取時(shí)間對(duì)脫氮率的影響,結(jié)果見圖5。

    圖5 萃取時(shí)間對(duì)脫氮率的影響

    由圖5可見,萃取時(shí)間對(duì)脫氮效果的影響不大,基本都能達(dá)到97%以上。因?yàn)槊摰獎(jiǎng)┲械乃鸵宜岽龠M(jìn)兩相之間更好的分散,使AlCl3能與堿性氮充分碰撞快速發(fā)生反應(yīng),實(shí)現(xiàn)氮化合物脫離去除。適宜反應(yīng)時(shí)間選20 min。

    2.2.3 劑油比

    取模擬油20 mL,反應(yīng)溫度30 ℃,攪拌時(shí)間20 min,改變復(fù)合脫氮?jiǎng)┯昧?,考察劑油比?duì)脫氮率的影響,結(jié)果見圖6。

    圖6 劑油比對(duì)脫氮率的影響

    由圖6可見,隨著劑油比的增加脫氮率增加,劑油比大于10%之后,脫氮率變化不大。劑油比較低時(shí),脫氮?jiǎng)┎荒苁箟A性氮化物形成絡(luò)合物而脫出;隨著反應(yīng)物金屬離子和乙酸組成的脫氮?jiǎng)┰黾樱磻?yīng)物的濃度增加,故形成的絡(luò)合物增加,同時(shí)脫氮?jiǎng)┰黾邮菇j(luò)合物的溶解量增大。且當(dāng)溶質(zhì)的量不變時(shí),溶劑越多,溶解度越大脫氮效果就越好。劑油比大于10%時(shí),已達(dá)到很高的脫氮率,接近了萃取平衡,故脫氮率變化不大。適宜劑油比為10%。

    2.3 復(fù)合脫氮?jiǎng)C(jī)理

    在相同反應(yīng)條件下,分別研究水+乙酸、水+金屬離子、復(fù)合脫氮?jiǎng)?種脫氮?jiǎng)┑拿摰Ч?,結(jié)果見圖7。

    圖7 不同脫氮?jiǎng)┑拿摰?/p>

    由圖7得出,復(fù)合脫氮?jiǎng)┑拿摰拭黠@高于其他兩種簡單脫氮?jiǎng)?。結(jié)合絡(luò)合萃取脫氮法[13]推理復(fù)合脫氮?jiǎng)┑淖饔脵C(jī)理主要包含絡(luò)合反應(yīng)和萃取兩個(gè)過程,首先金屬離子與堿性氮形成絡(luò)合物,提高了對(duì)含氮化合物的選擇性;其次,絡(luò)合物在水和乙酸混合酸性溶劑中有良好的溶解性能,最后進(jìn)入到水相層,實(shí)現(xiàn)分離目的。

    3 結(jié) 論

    用水、乙酸和AlCl3制備的復(fù)合脫氮?jiǎng)?,適宜配比為:水/乙酸(體積比)為1∶1,AlCl3濃度為1 mol/L。在適宜實(shí)驗(yàn)條件下,有效提高了脫氮率,具有較好的應(yīng)用前景,萃取脫氮的具體機(jī)理需要進(jìn)一步的研究分析。

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