呂凱 ，孟紅霞 ，洪成林 ，喬秀文 ，齊譽 ，但建明 *

（1石河子大學化學化工學院/新疆兵團化工綠色過程重點實驗室/省部共建國家重點實驗室培育基地/材料化工新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室，新疆 石河子 832003；2新疆天業(yè)集團天辰水泥公司，新疆 石河子 832000）

利用煙氣脫硫中間產(chǎn)物亞硫酸鈣與芒硝制備亞硫酸氫鈉

呂凱1，孟紅霞2，洪成林1，喬秀文1，齊譽1，但建明1*

（1石河子大學化學化工學院/新疆兵團化工綠色過程重點實驗室/省部共建國家重點實驗室培育基地/材料化工新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室，新疆 石河子 832003；2新疆天業(yè)集團天辰水泥公司，新疆 石河子 832000）

濕法石灰/石灰石-石膏法為目前主要的煙氣脫硫技術，但其中間產(chǎn)物亞硫酸鈣的氧化過程需消耗大量能源且煙氣中硫資源未被回收利用。為簡化濕法煙氣脫硫氧化過程和節(jié)省電能消耗，并實現(xiàn)煙氣硫資源的回收利用，本文研究將亞硫酸鈣轉化為亞硫酸氫鈉。本文以亞硫酸鈣轉化率為指標，亞硫酸鈣、硫酸鈉和硫酸為反應物，探究反應物比例、亞硫酸鈣濃度、硫酸濃度、反應溫度等因素對轉化率及反應液NaHSO3濃度的影響。通過正交實驗確定該反應的最優(yōu)條件為：亞硫酸鈣濃度為 30%，反應物比例關系為 nCaSO3∶nH2SO4∶nNa2SO4=1∶1.1∶1，硫酸濃度為 3 mol/L，反應溫度為 20℃。最優(yōu)條件下，轉化率可達到94.05%，反應液NaHSO3濃度達到205 g/L，這表明脫硫中間產(chǎn)物亞硫酸鈣制備亞硫酸氫鈉具有可行性，符合環(huán)保循環(huán)理念，具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

脫硫中間產(chǎn)物；亞硫酸鈣；硫酸鈉；亞硫酸氫鈉；轉化率

我國硫資源短缺[1]，過渡依賴進口硫，煙氣脫硫技術向回收硫資源、可再生方向發(fā)展。濕法石灰/石灰石—石膏法作為煙氣脫硫的主要技術[2]，技術成熟、脫硫效率高且穩(wěn)定[3-4]，但其為不可再生脫硫技術[5]。該法在脫硫過程中將脫硫中間產(chǎn)物亞硫酸鈣強制氧化成石膏[6-8]，不僅消耗大量電能，且煙氣中的SO2未被回收利用。與此同時，我國芒硝資源十分豐富[9]，氯堿工業(yè)也產(chǎn)生大量工業(yè)芒硝，但由于其附加價值低，不利于遠距離運輸利用。

亞硫酸鹽是一種應用范圍廣、用量較大的基礎化工產(chǎn)品，其附加價值較高，具有廣闊的市場前景[10-11]。若將煙氣脫硫中間產(chǎn)物亞硫酸鈣和氯堿化工副產(chǎn)物芒硝轉化為具有較好附加價值的亞硫酸氫鈉，則不僅可以簡化濕法脫硫工藝、節(jié)省設備投資、降低電能消耗，循環(huán)利用工業(yè)固廢，還可得到較高附加價值的亞硫酸鹽。目前直接利用煙氣中SO2制備亞硫酸鈉或亞硫酸氫鈉目前也有較多研究。徐小勇[12]對煙氣中低濃度SO2制備亞硫酸氫鈉的可行性進行分析，提出該過程存在兩個問題，即煙氣中二氧化硫濃度過低以及煙氣成分復雜。姜孝先[13]等研究以石灰、芒硝吸收SO2后用石灰中和制備亞硫酸鈉，所制得產(chǎn)品中亞硫酸鈉含量僅為90%。李春萍[14]等研究由芒硝、石灰采用兩步吸收反應制備高濃度的亞硫酸鈉。以上研究尚無利用脫硫中間產(chǎn)物亞硫酸鈣和工業(yè)芒硝制備亞硫酸氫鈉的研究。

通過研究亞硫酸鈣與芒硝和硫酸間的反應，使煙氣中低濃度的SO2資源轉化成附加值較高的亞硫酸氫鈉，在簡化脫硫工藝的同時提升脫硫產(chǎn)物的附加產(chǎn)值，符合環(huán)保循環(huán)經(jīng)濟理念，具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。本文利用脫硫中間產(chǎn)物亞硫酸鈣與芒硝和硫酸反應制備亞硫酸氫鈉，其反應方程式為：2CaSO3+Na2SO4+H2SO4+4H2O=2CaSO4·2H2O+2NaHSO3。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

1.1.1 材料

亞硫酸鈣，純度90%，購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；無水硫酸鈉，分析純，購自天津市盛奧試劑有限公司；濃硫酸，98%，分析純，購自天津市富宇精細化工有限公司。

1.1.2 儀器設備

電子天平XY600-2C，常州市幸運電子設備有限公司；機械攪拌器 RW20digital，IKA；攪拌恒溫水浴鍋 RCT basic，IKA；三口燒瓶，250 mL，四川蜀玻(集團)有限責任公司；恒壓分液漏斗，60 mL，北京欣維爾玻璃儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1亞硫酸氫鈉的制備

將亞硫酸鈣配成懸浮液，一定溫度下以300 r/min攪拌15 min，在密閉條件下將溶有硫酸鈉的硫酸混合溶液以一定的速度滴至亞硫酸鈣懸浮液中，混合液滴加完后繼續(xù)反應30 min，減壓抽濾，蒸餾水洗滌沉淀數(shù)次，合并濾液和洗滌液，并定容，為反應制備NaHSO3溶液。

1.2.2 反應轉化率及HSO3-濃度的測定

根據(jù)HG/T 2967-2010《工業(yè)無水亞硫酸鈉》[15]和HG/T3814-2006《工業(yè)亞硫酸氫鈉》[16]測定原料CaSO3及制備NaHSO3溶液中SO2含量。反應轉化率計算公式如下：

上式中：V1，V2分別為制備 NaHSO3溶液和 CaSO3滴定消耗Na2S2O3溶液體積，mL。

制備NaHSO3溶液中HSO3-濃度計算公式如下：

式（2）中：cNa2S2O3為 Na2S2O3標準溶液濃度，mol/L；VNa2S2O3為滴定NaHSO3所需Na2S2O3標準溶液體積，mL；MNaHSO3為 NaHSO3的摩爾質(zhì)量，g/mol；V反應液為制備NaHSO3溶液總體積，L。

2 結果與分析

2.1 硫酸加入量對亞硫酸鈣轉化率的影響

反應物比例為 nCaSO∶nNa2SO4=1∶1.2，亞硫酸鈣懸浮液濃度為10%，硫酸濃度為0.5 mol/L，反應溫度為30℃，考察硫酸加入量對轉化率的影響，結果如圖1所示。

圖1顯示：隨著硫酸量的增加，當硫酸量為80%-105%時，反應轉化率呈上升趨勢，而當硫酸量超過105%時，反應轉化率明顯下降。其原因是：亞硫酸鈣為堿性物質(zhì)，隨著硫酸逐滴加入到亞硫酸鈣懸浮液中，亞硫酸鈣與硫酸反應不斷生成可溶性的亞硫酸氫鹽。當硫酸量為105%時，亞硫酸鈣轉化率達到最大，接近95%。因亞硫酸氫鹽只能存在于弱酸性體系中，當硫酸用量超過105%時，體系酸度過高，此時過量硫酸與反應體系中生成的HSO3-反應生成SO2而逸出反應體系，造成反應體系中亞硫酸氫鹽濃度降低，最終表現(xiàn)為亞硫酸鈣反應轉化率降低。故硫酸加入量為105%左右為宜。

圖1 硫酸加入量對亞硫酸鈣轉化率的影響Fig.1 The effect of amount of sulphuric acid on the CaSO3conversion

2.2 硫酸鈉加入量對亞硫酸鈣轉化率的影響

反應物比例為 nCaSO3∶nH2SO4=1∶1，亞硫酸鈣懸浮液濃度為10%，硫酸濃度為0.5 mol/L，反應溫度為30℃，考察硫酸鈉加入量對轉化率的影響，其結果如圖2所示。

由圖2可知：隨著硫酸鈉量增加，亞硫酸鈣轉化率逐漸增大，當硫酸鈉量達到100%時，轉化率達到最大值為94.36%，當硫酸鈉量超過100%時，反應轉化率降低。這是由于該反應過程中，亞硫酸鈣與硫酸反應生成硫酸鈣與亞硫酸氫鈣，亞硫酸氫鈣電離出鈣離子，加入硫酸鈉可與鈣離子發(fā)生沉淀反應生成硫酸鈣和亞硫酸氫鈉，當加入硫酸鈉量過多，造成硫酸-硫酸鈉混合溶液粘度過大，則不利于反應的進行，使反應轉化率降低。故硫酸鈉量為100%為宜。

圖2 硫酸鈉加入量對亞硫酸鈣轉化率的影響Fig.2 The effect of amount of sodium sulfate on the CaSO3conversion

2.3 反應溫度對亞硫酸鈣轉化率的影響

由圖3可知：在研究溫度范圍內(nèi)，轉化率均達到90%以上，反應溫度對轉化率的影響較小。當反應溫度低于20℃時，轉化率隨反應溫度升高而增大，當反應溫度超過20℃時，轉化率隨反應溫度升高逐漸降低。這是由于該反應為放熱反應，在低濃度反應體系中，升高反應溫度可提高反應速率，防止亞硫酸鈣與硫酸反應時因局部過濃而生成SO2，使反應正向進行，反應轉化率增大；反應溫度過高，反應體系中SO2溶解度降低，將造成SO2未能及時與CaSO3反應而逸出反應體系，造成轉化率降低。故保持反應體系的溫度為20℃左右為宜。

圖3 反應溫度對亞硫酸鈣轉化率的影響Fig.3 The effect of reaction temperature on the CaSO3 conversion

2.4 亞硫酸鈣濃度對亞硫酸鈣轉化率及NaHSO3濃度的影響

圖4 亞硫酸鈣懸浮液濃度對亞硫酸鈣轉化率及NaHSO3濃度的影響Fig.4 The effect of concentration of calcium sulfite on the CaSO3conversion and concentration of NaHSO3

由圖4可知：增大亞硫酸鈣懸浮液濃度，反應轉化率增大，當亞硫酸鈣濃度為15%時，轉化率達到94.39%，繼續(xù)增大亞硫酸鈣懸浮液濃度，反應轉化率急劇降低后趨于穩(wěn)定，這是由于當亞硫酸鈣濃度過大時，反應體系體積過小，造成反應體系溶解SO2能力降低，而滴加硫酸因局部過濃生成的SO2未能及時與亞硫酸鈣反應而逸出反應體系，造成體系轉化率降低。由于亞硫酸鈣濃度增大，反應后反應液NaHSO3含量逐漸升高，最高可達到74.9 g/L，但亞硫酸鈣濃度過高會造成反應體系粘稠，流動性差。綜合考慮亞硫酸鈣濃度對轉化率及反應液NaHSO3濃度的影響，故亞硫酸鈣濃度以25%左右為宜。

2.5 硫酸濃度對亞硫酸鈣轉化率及NaHSO3濃度的影響

由圖5可知，當硫酸濃度從0.5 mol/L增加到2.5 mol/L時，反應體系轉化率基本保持不變，這是由于亞硫酸鈣濃度過低，反應體系體積大，對滴加混合溶液起到稀釋作用而未造成局部濃度過大，使反應轉化率基本保持不變。當硫酸濃度達到3.0 mol/L時，硫酸鈉不能全部溶解且混合液粘稠，造成反應未能完全進行而使轉化率急劇下降。隨著硫酸濃度的增大，使反應液中NaHSO3含量逐漸升高，但硫酸濃度達到3.0 mol/L時，因轉化率急劇降低使反應液中NaHSO3含量也急劇降低。綜合考慮硫酸濃度對轉化率及液相中HSO3-濃度的影響，硫酸濃度選用2.5 mol/L為宜。

圖5 硫酸濃度對亞硫酸鈣轉化率及NaHSO3濃度的影響Fig.5 The effect of concentration of?sulphuric acid on the CaSO3conversion and concentration of NaHSO3

2.6 正交實驗確定最優(yōu)反應條件

通過對該反應進行單因素實驗后，對該實驗進行五因素三水平正交實驗：硫酸濃度（因素A，mol/L），硫酸鈉用量（因素 B，%），硫酸用量（因素C，%），亞硫酸鈣濃度（因素D，%），溫度（因素E，℃）。檢測指標為轉化率（指標 x，%）和 NaHSO3濃度（指標y，g/L）。實驗結果如表1所示。計算各因素各水平下每種試驗指標的數(shù)據(jù)和以及平均值，并計算極差R，計算結果如表2所示。

根據(jù)極差大小列出各指標下的因素主次順序，對轉化率而言，主次順序為CBEDA，優(yōu)化水平組合為C3B3E1D1A1；對NaHSO3濃度而言，主次順序為DABEC，優(yōu)化水平組合為D3A3B2E1C2。

在2個指標中，NaHSO3濃度為關鍵指標，轉化率為一般指標，從亞硫酸鈣濃度與硫酸濃度來看，當D取D3和A取A3時，NaHSO3濃度分別增長43.7%和15.5%，而轉化率僅降低1.2%和0.9%，所以取D3A3；當溫度為30℃時，反應液流動性差，固液難以分離，當溫度為10℃時，相對于20℃時轉化率僅提高0.2%，但對實驗條件更為苛刻，故選E2；同理可分析，B 取 B3，C 取 C3，優(yōu)組合為 A3B3C3D3E2。

表1 正交試驗結果Tab.1 The data of orthogonal test

表2 正交試驗分析結果Tab.2 The analysis result of orthogonal test

2.7 驗證實驗

由正交實驗得到最優(yōu)實驗條件如下：

反應物比例為 nCaSO3∶nH2SO4∶nNa2SO4=1∶1.1∶1，亞硫酸鈣懸浮液濃度為30%，硫酸濃度為3 mol/L，反應溫度為20℃，對其進行重復性實驗，轉化率為93.29%、94.48%、94.37%，平均值為94.05%，標準偏差為0.83；NaHSO3濃度分別為204、207、207 g/L，平均值為206 g/L，標準偏差為1.22。

3 討論

（1）李曉文通過計算得出二氧化硫溶解于溶液中主要以亞硫酸氫鹽的形式存在[17]。因此，該特性為離子液等再生型脫硫劑的工業(yè)應用成為可能，而這一理論結果也說明亞硫酸鈣、硫酸與硫酸鈉反應時反應液中主要以亞硫酸氫鹽的形式存在，進一步證明本研究反應的可行性。

（2）利用 NaOH或者 NaCO3吸收煙氣中 SO2制備亞硫酸鈉或者亞硫酸氫鈉也被廣泛研究[18-22]。王亮[20]利用NaOH吸收SO2煙氣直接生產(chǎn)亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉，二氧化硫吸收率達100%，產(chǎn)品中NaSO3含量為97.3%，符合工業(yè)無水亞硫酸鈉優(yōu)等品指標。張成立等[22]通過Na2CO3逆流吸收SO2煙氣制備亞硫酸鈉，二氧化硫回收率高達98.6%以上。這些方法具有二氧化硫回收率高、物料處理周期短、產(chǎn)量大等優(yōu)點，但生產(chǎn)成本高。

本研究所用的方法亞硫酸鈣的轉化率為94.05%，相對較低，但該方法不僅針對大眾型脫硫技術，且鈣質(zhì)脫硫劑比氫氧化鈉價廉易得，對煙氣中二氧化硫回收彌補我國硫資源不足的現(xiàn)狀，提高火電廠脫硫效益，符合節(jié)約環(huán)保的經(jīng)濟體系，對實際生產(chǎn)具有重要意義。

（3）利用石灰、芒硝吸收SO2煙氣制備亞硫酸鈉或者亞硫酸氫鈉也有相關研究[13-14]。姜孝先[13]等研究以石灰、芒硝吸收SO2制備亞硫酸鈉，所制得產(chǎn)品中亞硫酸鈉含量僅為90%，且反應需在體系二氧化硫飽和度高的條件下進行。李春萍[14]等研究由芒硝、石灰采用兩步吸收反應制備高濃度的亞硫酸鈉，反應液中Na2SO3含量占20.97%，但將該反應與脫硫過程簡單結合，實驗條件較為苛刻。與之相比，本文探討以脫硫中間產(chǎn)物亞硫酸鈣與芒硝、硫酸反應制備亞硫酸鈉溶液，與脫硫過程相隔離，反應條件容易實現(xiàn)，同時為煙氣脫硫過程回收硫資源提供新思路。

4 結論

（1）以亞硫酸鈣、無水硫酸鈉和硫酸反應制備高濃度亞硫酸氫鈉，該實驗轉化率在90%以上，證明該反應是可行的。

（2）亞硫酸鈣、硫酸鈉、硫酸反應的最優(yōu)條件：反應比例為 nCaSO3∶nH2SO4∶nNa2SO4=1∶1.1∶1，亞硫酸鈣懸浮液濃度為30%，硫酸濃度為3 mol/L，反應溫度為20℃，對最優(yōu)條件進行重復實驗，該反應轉化率達到94.05%，NaHSO3濃度達到 206 g/L。

（3）在最優(yōu)條件下，反應液流動性差，固液分離困難，同時NaHSO3濃度達到206 g/L，未達到亞硫酸氫鈉的飽和濃度，有待后期研究改進。

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Preparing NaHSO3with CaSO3of flue gas desulfurization and glauber's salt

Lv Kai1,Meng Hongxia2,Hong Chenglin1,Qiao Xiuwen1,Qi Yu1,Dan Jianming1*
(1 School of Chemistry and Chemical Engineering,Shihezi University/Key Laboratory for Green Processing of Chemical Engineering of Xinjiang Bingtuan/Engineering Research Center of Materials-Oriented Chemical Engineering of Xinjiang Production and Construction Corps/Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering of Xinjiang Uygur Autonomous Region,Shihezi,Xinjiang 832003,China;2 Xinjiang Tianye Group Tianchen Cement Company,Shihezi,Xinjiang 832003,China)

Recently,the wet lime/limestone-gypsum method is the main flue gas desulfurization technology,but oxidation process from intermediate products CaSO3to gypsum demands vast energy,simultaneously,sulfur resource in flue gas not being utilized.To simplify oxidation process in the wet flue gas desulfurization technology,save energy consumption and fulfill cyclic utilization of CaSO3,the feasibility of the conversion from CaSO3to NaHSO3was researched in the paper.The article introduced a reaction between CaSO3,Na2SO4and H2SO4,regarding transformation rate as index,to prepare high-concentration NaHSO3.In the article,the effect of four factors on the conversion and concentration of NaHSO3,such as the proportion of all reagents,reaction temperature and the concentration of CaSO3and H2SO4were discussed,and then the optimal experimental condition was determined by orthogonal test,as follows:the proportion of all reagents wasnCaSO3∶nH2SO4∶nNa2SO4=1∶1.1∶1,reaction temperature was 20℃,the concentration of CaSO3was 30%and the concentration of H2SO4was 3 mol/L.Under the optimum conditions transformation rate and concentration of NaHSO3were 94.05%and 205 g/L respectively,indicating the feasibility of preparation of NaHSO3from intermediate products CaSO3.At the same time,the improvement accords with the theory of environmental economy and possesses significant theoretical and practical meaning.

intermediate products of desulfurization process;calcium sulfite;sodium sulfate;sodium bisulfite;transformation rate

TQ131.12;X781.3

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.05.007

1007-7383(2017)05-0564-06

2016-09-23

江蘇省機動車尾氣治理重點實驗室基金項目（OVEC021）

呂凱（1990-），男，碩士研究生，專業(yè)方向為無機非金屬材料。

*通信作者：但建明（1968-），男，教授，從事無機非金屬材料研究，e-mail:djm_tea@shzu.edu.cn。