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处理BTX,选三甘醇还是离子液体?
苯、甲苯和二甲苯这些轻质芳烃化学品(BTX)广泛存在于工业环境中,是毒性最大的一类挥发性有机化合物(VOCs)之一。BTX流失到土壤和地下水中会对人类健康和生态系统造成严重危害。环境中BTX的持续累积使得减少它们的排放变得更加迫切。目前,可利用的BTX处理技术有焚烧法、生物降解法、溶剂吸收法、催化氧化法和吸附法等。其中,溶剂吸收法因其操作简单,能在不破坏BTX结构的情况下捕获BTX而得到广泛应用。
在BTX吸附中,作为传统有机溶剂的理想替代品,离子液体(IL)发挥着越来越重要的作用。尽管已经测量了大量热力学数据以进一步评估基于IL的BTX吸收过程,这些数据仍处于实验室规模,能耗、环境和经济方面的综合过程评估仍然缺乏。此外,以IL为基础的BTX去除工艺的工业化还需要进行可持续和系统的评估,以减少在实际应用场景中可能出现故障的潜在风险。因此,为了降低工业化阶段的风险,对吸附工艺进行系统的分析和评价,综合考虑吸附材料的热集成、生命周期环境影响和经济效益,势在必行。
图1. BTX处理方法
(图片来源:ACS Sustainable Chem. Eng.)
北京工业大学的代成娜教授课题组比较了以三甘醇(TEG)吸收剂为方案和以[EMIM][Tf2N] IL为方案的BTX吸收过程,构建了基于[EMIM][Tf2N]IL和TEG的BTX吸收流程。通过能量评估,可以得到工稀释剂艺能耗和物料平衡,并通过热集成来评估两种工艺的节能潜力;通过进行环境评估,可以计算每个阶段工艺的生命周期影响(LCI),并回答哪个工艺更环保(IL或TEG)的问题;通过进行经济评价,可以得到两种工艺的总成本(CAPEX),并回答在这两种工艺的总成本(固定成本或运行成本)中哪个部分占主要的问题。
图2. BTX处理流程图
(图片来源:ACS Sustainable Chem. Eng.)
能量分析表明,磷酸钙与[EMIM][Tf2N]方案相比,基于TEG的BTX吸收工艺需要更高的能量消耗(加热和冷却能量),后者分别是前者的1.08倍和0.74倍。关于[EMIM][Tf2N]方案,研究人员进行了热集成以进一步评估其节能潜力。结果表明,该方案中热集成后可节省5%和3.4%的冷热公用设施。经济分析表明,对于[EMIM][Tf2N]和TEG情景,TAC分别为48.41和61.11百万美元/年,前者比后者低26.3%。因此,基于[EMIM][Tf2N]的BTX吸收工艺在经济性能方面具有显著的工业化潜力。环境分析表明,对于捕获1 kg的BTX,无吸收剂回收的[EMIM][Tf2N]情景的生命周期影响在所有类别中都高于TEG情景,最大的差异在于AP类别。然而,在考虑IL的回收时,[EMIM][Tf2N]方案在所有生命周期类别中都比TEG表现得更好。
图3. 处理流程中的热衡算
(图片来源:ACS Sustainable Chem. Eng.)
图4. 不同吸附流程的LCI对比
(图片来源:ACS Sustainable Chem. Eng.)
综上所述,与传统的三甘醇相比,以[EMIM][Tf2N] IL为吸收剂的BTX吸收工艺在能源和经济方面都是一项具有竞争力的技术。
原文链接:
原文作者:
Bin Wu, Gangqiang Yu, Ning Liu, Ruinian Xu, Biaohua Chen, and Chengna Dai
DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c07707
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