СПОСОБ АБСОРБЦИИ И УТИЛИЗАЦИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ И СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ПАХУЧИХ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И МИКРООРГАНИЗМОВ Российский патент 2018 года по МПК B01D53/14 B01D53/58 B01D53/48 B01D53/56 B01D53/64 B01D53/72 

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к фильтрации газов, в частности - к способу абсорбции и утилизации вредных загрязняющих веществ из газообразных источников с использованием гумино-фульвинового абсорбирующего реагента.

В настоящее время различные типы газов могут вызывать загрязнение и неприятные запахи. Потоки газов содержат множество загрязняющих веществ, которые, как правило, выбрасываются в атмосферу. Дымовой газ - это газ, выходящий в атмосферу через дымоход, то есть, трубу или канал для выноса отработанных газов из камина, плиты, печи, котла или парогенератора. Типичный случай дымового газа представляет собой отработанный газ сгорания, вырабатываемый электростанциями. Состав дымового газа зависит от сжигаемого материала, но обычно включает азот, диоксид углерода и водяной пар, а также избыточный кислород. Поток газа также содержит загрязняющие вещества - такие, как твердые частицы (сажу), окись углерода, оксид азота и оксиды серы. Многие из этих газов могут быть вредными для окружающей среды.

Птицеводство - это разведение видов домашней птицы - таких, как куры, индейки, утки и гуси, в целях получения мяса или яиц для питания. В птичниках для интенсивного выращивания бройлерных цыплят, воздух может загрязняться аммиаком, выделяющимся из помета. Это может приводить к повреждениям глаз и дыхательных систем цыплят, и вызывать болезненные ожоги у них на лапах (так называемые «аммиачные ожоги»). Кроме того, аммиак испускает зловонный запах, который может быть неприятен фермерам и жителям окрестных поселений.

Очевидно, существует потребность в реагенте для сбора вредных загрязняющих веществ, выделяемых разнообразными источниками газов.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном из вариантов настоящего изобретения способ фильтрации газа предусматривает: пропускание газа через сильно алкализированный жидкий абсорбирующий реагент, содержащий гумино-фульвиновое вещество.

В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения способ фильтрации включает следующие этапы: пропускание потока газа через сильно алкализированный жидкий абсорбирующий реагент, содержащий гумино-фульвиновое вещество, с образованием отработанного сильно алкализированного жидкого гумино-фульвинового абсорбирующего реагента; и перекрестное сшивание отработанного сильно алкализированного жидкого гумино-фульвинового абсорбирующего реагента с образованием твердого фильтра.

В соответствии с третьим вариантом настоящего изобретения способ удаления пахучих химических веществ и микроорганизмов включает: обработку камеры, заполненной газом, распылением внутри нее сильно алкализированного жидкого гумино-фульвинового абсорбирующего реагента, где в состав газа входят пахучие химические вещества, включая аммиак, где газ также содержит множество микроорганизмов и спор, где в результате обработки снижаются уровни содержания аммиака и, по меньшей мере, отчасти, уничтожается множество микроорганизмов и спор.

Указанные варианты, их признаки и преимущества настоящего изобретения становятся понятными со ссылкой на приведенные ниже чертежи, описание и формулу изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На ФИГ. 1 представлена схема процесса фильтрации газа, образующегося при сжигании угля, и синтетического газа; и

На ФИГ. 2 изображена диаграмма поглощения СО₂ из газа, образующегося при сжигании угля, и синтетического газа гумино-фульвиновым абсорбирующим реагентом в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Приведенное ниже подробное описание относится к лучшим из предусматриваемых в настоящее время способам реализации возможных вариантов осуществления изобретения. Описание не следует понимать как имеющее ограничительный смысл: оно приведено исключительно для иллюстрации общих принципов изобретения, а объем изобретения лучше всего определен прилагаемой формулой.

Настоящее изобретение включает использование натурального органического реагента для удаления многочисленных загрязняющих веществ. Загрязнения, удаляемые из потока газа, включают, среди прочих, диоксид углерода, оксид серы, оксиды азота, сульфиды водорода, радионуклиды, меркаптаны, аммиак, токсичные металлы, твердые частицы, летучие пары и органические вещества. Настоящее изобретение также включает утилизацию абсорбирующего реагента посредством использования сильно алкализированного гумино-фульвинового фильтра для повышения плодородия почвы, выделение диоксида углерода из абсорбирующего реагента, преобразование жидкого абсорбирующего реагента в твердый для утилизации или использования в качестве фильтра для удаления загрязнений из воды, отходов и химикатов.

Натуральным органическим реагентом по настоящему изобретению является содержащий гуминово-фульвиновое вещество сильно алкализированный абсорбирующий реагент, который может иметь жидкую форму и впоследствии может быть преобразован в твердую форму. Жидкая форма сильно алкализированного гумино-фульвинового абсорбирующего реагента (далее - гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент) представляет собой уникальный и инновационный подход к поглощению СО₂. После поглощения СО₂ указанный жидкий реагент может быть преобразован в твердый фильтр для удаления многочисленных загрязняющих веществ из сточных вод. Гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент представляет собой получаемый из угля органический гуминовый жидкий продукт, который, как показали стендовые испытания, способен удалять 100% парниковых газов (ПГ) из газов, образующихся при сжигании угля. Кроме того, жидкий гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент удаляет NOx, выступающие в качестве прекурсоров окислы азота, потенциал которых к образованию ПГ в 200 раз выше, чем у СО₂, а также SOx и следы токсичных металлов, которые образуются при сжигании ископаемых видов топлива - таких, как уголь и нефть. Удаление этих многочисленных загрязняющих веществ из газообразных продуктов сгорания достигается посредством пропускания газа через жидкий гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент. Этот реагент может распыляться по течению или против течения потока газа при пропускании газа через контейнер. Настоящее изобретение может также быть рассмотрено в качестве экономичного способа обработки в отдельном башенном реакторе, а также представляет практичный и экономически эффективный подход для переоборудования существующих поглотителей SOx, работающих на часто используемых для обработки дымового газа жидких реагентах.

В качестве жидкого абсорбирующего реагента может использоваться получаемый из угля органический гуминовый продукт. В состав жидкого гумино-фульвинового абсорбирующего реагента с его многочисленными функциональными группами входят карбоксильная, гидроксильная и эноловая группы, а также его углеродная матрица. Указанный реагент обладает многочисленными адсорбционными, хелатирующими и ионообменными свойствами, что позволяет ему связываться с многочисленными органическими и неорганическими химическими веществами из различных сред. Использованный жидкий гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент может в последующем быть подвергнут перекрестному сшиванию с образованием твердого фильтра для обработки воды или химикатов. За счет множества точек связывания из такого твердого фильтра успешно создан фильтр для очистки воды от многочисленных загрязняющих веществ.

Гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент получают из гуминовой кислоты. Гуминовая кислота представляет собой вещество цвета от черного до коричневого, с сильно функционал изированной, богатой углеродом макромолекулой. Структурный состав и свойства этого химического вещества являются предметом обширных научных исследований, проводимых в различных университетах и научных учреждениях во всем мире. К универсальным характерным свойствам гуминовой кислоты относятся, в частности: высокая катионообменная способность, способность хелатировать металлы, способность адсорбировать органические вещества и высокая водоудерживающая способность. Как выяснилось, замечательные свойства молекулы гуминовой кислоты заключаются не только в единообразии химического состава, но и в способности захватывать ионы металлов. Она имеет устойчивую молекулу и представляет собой четвертое по значимости хранилище углерода на нашей планете - после осадочных горных пород, ископаемых видов топлива и океанов. Кроме того, органический гумус в почве является конечным продуктом и не подлежит дальнейшей минерализации в силу своего уникального молекулярного состава. Гумус становится растворимым в сильнощелочном растворе и осаждается протонированием при рН<2. Связанные с ним дополнительные компоненты - это фульвиновая кислота, которая остается растворимой при любых условиях рН. К источникам гуминовой кислоты относятся, в частности, уголь - например, бурый уголь, торф, компост, а также донные отложения в озерах, реках и т.п. Производство жидкого гумино-фульвинового абсорбирующего реагента включает извлечение гуминовой кислоты из сортов угля, богатых гумусом. Извлечение гуминовой кислоты может осуществляться с использованием микроорганизмов или без такового. Ниже описывается один из примеров получения гуминовой кислоты с использованием микроорганизмов. Этот процесс может включать расщепление углей аэробными микроорганизмами с последующим извлечением водорастворимой гуминовой кислоты в щелочных условиях. Уголь может обрабатываться комплексом получаемых из пищеварительной системы термитов и прошедших обработку микроорганизмов (далее обозначаемых как Mic-1), Уголь может образовывать суспензию с водой в результате мягкого перемешивания в анаэробных условиях. Концентрация бактерий в ходе этого процесса может составлять от примерно 1 до примерно 20% от массы смеси угля, воды и бактерий. Концентрация угля в смеси может составлять от примерно 0,01% до примерно 50% от массы смеси. В результате этого процесса преобразуется почти 95% содержащихся в угле гуминовых кислот.

Из извлеченной водорастворимой гуминовой кислоты может быть получен сильно алкализированный гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент с определенным содержанием гуминовой кислоты. Например, гуминовая кислота может быть смешана с щелочным раствором - в частности, таким, как, гидроксид калия, гидроксид натрия, гидроксид аммония и т.п. Смесь гуминовой кислоты с щелочным раствором образует сильно алкализированный гумино-фульвиновый жидкий абсорбирующий реагент. В некоторых вариантах осуществления изобретения сильно алкализированный гумино-фульвиновый жидкий абсорбирующий реагент может иметь нормальность от примерно 0.5N до примерно 10N, от примерно 1 до примерно 9N, от примерно 2N до примерно 8N, от примерно 3N до примерно 7N, от примерно 4N до примерно 8N, или около 5N. Высокая степень алкализации гумино-фульвинового жидкого абсорбирующего реагента позволяет фильтру поглощать большие количества СО₂ из потоков газов.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поглощение СО₂ и других парниковых газов можно увеличить за счет использования катализаторов. К катализаторам, которые могут использоваться для улучшения поглощения СО₂, относятся, в частности, многофункциональные твердые вещества - такие, как (среди прочих) цеолиты, глинозем и т.п. Кроме того, для этих целей могут использоваться переходные металлы - такие, как (среди прочих) кобальт, медь, никель, цинк, ванадий и т.п., а также комплексы переходных металлов с лигандами - например, в том числе, циклен и циклам.

Как упоминалось выше, гумино-фульвиновый жидкий абсорбирующий реагент используется для удаления многочисленных загрязняющих веществ из потоков газов. Гуминовая кислота может быть приготовлена в условиях высокой щелочности, что способствует связыванию соответствующих загрязняющих веществ из газообразных продуктов сгорания посредством пропускания газов через абсорбирующий реагент. Как подтверждают данные Фурье-спектроскопии (FTIR) до и после этой операции, СО₂ связывается с молекулой гуминовой кислоты и образует карбонат и бикарбонат, а также органические соединения на основе комплекса «СО₂-гуминовая кислота». Результаты стендовых испытаний для проверки осуществимости показывают, что гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент удаляет 0,7 кг загрязняющего вещества на галлон, в то время как соответствующий показатель для щелочного раствора при таких же условиях составляет 0,2 кг на галлон. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает поглощение СО₂ в количестве, превышающем показатели контрольной группы более, чем в три раза. Кроме того, за счет высокой щелочности поглощаются NOx и Sox, а токсичные металлы - такие, как ртуть, мышьяк и т.п. - адсорбируются на молекуле гуминовой кислоты.

После использования гумино-фульвинового абсорбирующего реагента для поглощения загрязняющих веществ потока газов, отработанный жидкий гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент может быть преобразован в твердый гумино-фульвиновый фильтр. При таких вариантах осуществления изобретения отработанный жидкий гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент может быть подвергнут полимеризации или перекрестному сшиванию. В результате перекрестного сшивания жидкого гумино-фульвинового абсорбирующего реагента образуется водонерастворимый полимер, который снижает растворимость адсорбента с повышением показателя рН. Активные группы гуминовой кислоты можно защитить кальцием. Перекрестно-сшитый жидкий гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент имеет низкую растворимость после перекрестного сшивания при значениях рН, близких к нейтральным, даже в присутствии ионов натрия.

Для перекрестного сшивания жидкого гумино-фульвинового абсорбирующего реагента в целях получения нерастворимого твердого гумино-фульвинового фильтра, может использоваться любой обычный перекрестносшивающий агент. К перекрестносшивающим агентам, которые могут использоваться для получения твердого фильтра, относятся, среди прочих, альдегиды и ферменты оксидоредуктазы. Эти продукты показывают значительно более низкую растворимость при более высоком значении рН. Так, при использовании глютаральдегида или смеси глютаральдегида с неорганической кислотой (HCl, HNO₃, H₂SO₄, Н₃РО₄ и т.п.), полученная перекрестно-сшитая гуминовая кислота имеет низкую растворимость в воде при значениях рН, близких к нейтральным, в присутствии ионов натрия.

Среди альдегидов, которые могут использоваться для перекрестного сшивания гуминовой кислоты - алифатические или ароматические альдегиды, имеющие от 1 до 22 атомов углерода. Альдегиды можно заменить любым замещающим веществом, которое не оказывает отрицательного воздействия на перекрестно-сшивающую способность альдегидов. Альдегиды могут быть насыщенными или ненасыщенными. Альдегид может представлять собой ароматический альдегид - такой, как бензальдегид, толуальдегид (о-, m- или р-) или салицилальдегид. Для перекрестного сшивания гумино-фульвинового абсорбирующего реагента может использоваться любой тип фермента оксидоредуктазы, включая пероксидазы и гидрогеназы.

Использование полученного преобразованием твердого гумино-фульвинового фильтра для удаления из сточных вод веществ, загрязняющих окружающую среду, основывается на наличии множества функциональных групп гуминовой кислоты, включая карбоксильную, гидроксильную и эноловую группу, а также ее углеродной матрице, которые придают фильтру его многочисленные адсорбционные, хелатирующие и ионообменные свойства. Так, твердый гумино-фульвиновый фильтр способен связывать многочисленные органические и неорганические вещества из различных потоков сточных вод. Металлы - например, содержащиеся в соединениях азота, кислорода и серы, связываются с углеродным каркасом гуминовых веществ через гетероатомы. Металлическая связь создается через кислород карбоксильной и фенольной групп. Кроме того, азот и сера положительно влияют на создание металлической связи. Твердый гумино-фульвиновый фильтр обладает высокой катионообменной способностью - от 2 до 5 мэкв на грамм. Однако срок службы твердого гумино-фульвинового фильтра зависит от концентрации загрязняющих веществ в сточных водах.

Вышеупомянутый гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент может использоваться для удаления загрязняющих веществ из других источников газов. Например, гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент может удалять пахучие химические вещества - такие, как аммиак, из птичников и т.п. Аммиак может выделяться в результате деятельности микроорганизмов и действия химических веществ. Настоящее изобретение может быть использовано для поглощения находящихся в воздухе пахучих химических веществ, а также удаления создающих их микроорганизмов и химических веществ. Птичники и т.п. могут обрабатываться гумино-фульвиновым абсорбирующим реагентом посредством распыления последнего на поверхности, имеющие химические, биологические загрязнения и радионуклиды, что, в свою очередь, существенно ослабляет запахи и уменьшает содержание загрязняющих веществ. Кроме того, можно распылять реагент в воздух, загрязненный пахучими химическими веществами, что приводит к удалению содержащихся в воздухе запахов и загрязняющих веществ.

Разумеется, вышесказанное относится к возможным вариантам осуществления изобретения, и вариантам, которые могут быть осуществлены путем модификации изобретения без отступления от духа и содержания изобретения, охарактеризованного в прилагаемой формуле.

Пример 1. Проводят испытания с синтетическим газом и с газом, образующимся при сжигании угля. Схема стендовых испытаний показана на Фиг. 1. Жидкий гумино-фульвиновый абсорбирующий реагент добавляют в колоночный реактор, заполненный стеклянными шариками. Колоночный реактор, заполненный жидким гумино-фульвиновым абсорбирующим реагентом, находится в условиях окружающей среды. Синтетический газ, предварительно смешанный в газовом баллоне, в следующем составе (масс. %): Н₂ 4.5%, СО 10%, N₂ 25%, CO₂ 30.5%, СН₄ 30% - подают со стороны днища в колоночном реакторе. Для анализа методом газовой хроматографии на наличие СО₂, SOx и NOx из мембраны до и после обработки берут пробы газа. Объем обработанного газа измеряют методом вытеснения водой.

При испытании с углями образец угля сжигают в трубчатой печи, нагретой до 800 градусов Цельсия воздухом, поступающим в нее из воздушно-газового баллона. Газообразный продукт сгорания пропускают в колбу для полного удаления сажи, после чего обрабатывают в колоночном реакторе с жидким гумино-фульвиновым реагентом. Состав и объем газа измеряют аналогично тому, как это делают с синтетическим газом, за исключением анализа на токсичные металлы. Обработанному газу дают выйти пузырьками в бренстедовскую кислоту для поглощения металлов в потоке газа, после чего производят анализ на металлы с использованием спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Испытания проводят как на низкосортном, так и на высокосортном угле. Кроме того, образцы угля насыщают токсичными металлами - мышьяком, кадмием, хромом, ртутью для повышения концентрации до такого уровня, чтобы эти металлы присутствовали в газообразных продуктах сгорания в более высокой концентрации по сравнению с их естественной концентрацией в угле. Это позволяет проводить анализ даже после использования небольшого объема сжигаемого угля в рамках экспериментальной модели. Результаты стендовых подтверждающих испытаний показаны на Фиг. 2.

Пример 2

Для испытаний на контроль запаха и содержания аммиака, а также уменьшение их образования, распыляют гумино-фульвиновый реагент на птичий помет в закрытой камере. Уровень аммиака сначала повышается со среднего показателя 50 до 100 ppm в результате гидролиза химических веществ, участвующих в образовании аммиака, после чего в течение 24 часов уровень аммиака снижается до среднего значения 25 ppm, что соответствует нормативным требованиям. Кроме того, результаты анализа показывают уничтожение находящихся на обработанном помете клостридий, спор и сальмонелл, которые не только приводят к образованию пахучих химических веществ, но и способствуют росту заболеваемости.

Группа изобретений относится к области газообработки. Для абсорбции и утилизации парниковых газов пропускают поток газов через алкализированный жидкий абсорбирующий реагент, содержащий гумино-фульвиновое вещество, с образованием отработанного алкализированного жидкого фильтрующего реагента. Производят перекрестное сшивание реагента с образованием твердого фильтра. Для удаления пахучих химических веществ и микроорганизмов обработку камеры, заполненной газом, содержащим аммиак, а также клостридии, сальмонеллы и их споры, проводят распылением алкализированного жидкого гумино-фульвинового абсорбирующего реагента. Обеспечивается повышение эффективности абсорбции газов и удаления пахучих химических веществ. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 пр., 2 ил.

1. Способ абсорбции и утилизации парниковых газов, характеризующийся тем, что через алкализированный жидкий абсорбирующий реагент, содержащий гумино-фульвиновое вещество, пропускают поток газов с образованием отработанного алкализированного жидкого фильтрующего реагента, перекрестное сшивание которого производят с образованием твердого фильтра.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что алкализированный жидкий абсорбирующий реагент получают из гуминовой и фульвиновой кислоты в сочетании с щелочным раствором.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что щелочной раствор представляет собой гидроксид калия, гидроксид натрия, гидроксид аммония или их сочетание.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что алкализированный жидкий абсорбирующий реагент удаляет множество загрязняющих веществ из потока газов.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что множество загрязняющих веществ включает диоксид углерода, оксид серы, оксиды азота, сульфиды водорода, меркаптаны, аммиак, радионуклиды, токсичные металлы, твердые частицы, летучие пары, органические вещества, или их сочетание.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фильтрацию вещества на водной основе производят с использованием твердого фильтра.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что алкализированный жидкий абсорбирующий реагент имеет нормальность не ниже 0.5N.

8. Способ удаления пахучих химических веществ и микроорганизмов, характеризующийся тем, что обработку камеры, заполненной газом, содержащим аммиак, а также клостридии, сальмонеллы и их споры, проводят распылением алкализированного жидкого гумино-фульвинового абсорбирующего реагента.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в камере находится птичий помет, а в состав микроорганизмов, находящихся в помете, входят клостридии и сальмонеллы.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что алкализированный жидкий абсорбирующий реагент содержит катализатор, который представляет собой цеолиты и глинозем, переходный металл, комплекс переходного металла или их сочетание.