酸性水汽提过程中硫化氢与氨的高效分离技术

1、引言

酸性水是石油炼制、合成氨、煤化工等生产过程中产生的高浓度有机废水，富含硫化氢、氨、氰化物及挥发性有机物，若直接排放会严重污染环境。酸性水汽提通过蒸馏或汽提方式将硫化氢、氨等挥发性组分从水中分离，实现废水净化与资源回收。其中，硫化氢与氨的分离是核心环节，两者分离效果直接决定副产品硫化氢（用于制硫）和氨（用于制氨肥）的纯度。传统分离技术存在能耗高、分离效率低、产物纯度不足等问题，难以满足当前环保要求与资源回收需求。研究高效分离技术对提升酸性水汽提工艺的经济性与环保性具有重要意义。

2、酸性水汽中硫化氢与氨的存在形态及分离难点

2.1 存在形态

酸性水中的硫化氢与氨主要以离子态和分子态共存。在酸性条件下，硫化氢以分子态（ H₂S ）为主，氨以离子态（ NH₄⁺ ）为主；在碱性条件下，硫化氢以离子态（HS⁻、 S^2- ）为主，氨以分子态（NH₃）为主；中性条件下，两者均有部分以分子态存在。此外，硫化氢与氨可反应生成 NH₄HS、 (NH₄)₂S 等盐类，在一定温度和压力下溶解于水中，形成复杂的气液平衡体系。

2.2 分离难点

硫化氢与氨的分离面临多重挑战。两者在水中的溶解度均较高，且存在化学反应，常规蒸馏难以彻底分离；分子尺寸接近，扩散性能差异小，膜分离时选择性不足；分离过程受温度、压力、pH 值等参数影响显著，参数波动易导致分离效率下降；酸性水中的杂质（如酚类、烃类）会干扰分离过程，降低吸附剂或膜的性能；传统技术需高温高压条件，能耗高且设备腐蚀严重。

3、硫化氢与氨的高效分离技术

3.1 物理吸收分离技术

物理吸收技术利用溶剂对硫化氢与氨的溶解度差异实现分离，常用溶剂包括环丁砜、N - 甲基吡咯烷酮等。溶剂对硫化氢的溶解度远高于氨，在吸收塔中与酸性水汽提气接触，优先吸收硫化氢，富液经加热再生释放硫化氢，溶剂循环使用。该技术适用于硫化氢浓度较高的体系，具有能耗低、无副反应等特点，但对氨的分离效果有限，需配合其他技术使用。优化方向包括开发高效溶剂、强化气液传质（如采用高效填料塔）、优化吸收温度与压力参数。

3.2 化学吸收分离技术

化学吸收技术通过可逆化学反应实现选择性分离，分酸性吸收与碱性吸收两类。酸性吸收采用稀硫酸、磷酸等酸性溶剂，与氨发生中和反应生成铵盐，实现氨的分离，适用于氨浓度较高的场景，反应产物可直接作为肥料；碱性吸收采用氢氧化钠、氨水等碱性溶剂，与硫化氢反应生成硫化物，实现硫化氢的分离，富液经氧化或酸化再生回收硫化氢。化学吸收选择性高、分离彻底，但存在溶剂消耗量大、再生过程能耗高的问题。改进措施包括开发低挥发性吸收剂、优化反应温度与 pH 值、采用新型反应器（如喷射式反应器）强化传质。

3.3 膜分离技术

膜分离技术利用高分子膜或陶瓷膜的选择透过性分离硫化氢与氨，基于分子尺寸筛分或溶解 - 扩散机制。复合膜（如聚酰亚胺 - 陶瓷复合膜）对硫化氢的透过性高于氨，在压力驱动下，硫化氢优先透过膜形成渗透侧产物，氨则留在截留侧。膜分离具有能耗低、设备紧凑、操作简单等优势，适用于低浓度体系，但膜易受杂质污染，长期运行稳定性有待提升。技术优化包括开发抗污染膜材料（如耐硫耐氨的石墨烯膜）、优化膜组件结构（如中空纤维膜束排列）、采用错流过滤减少浓差极化。

3.4 精馏耦合分离技术

精馏耦合技术通过多塔串联或增设侧线采出实现分离，结合温度与压力调控强化分离效果。酸性水汽提气先进入硫化氢精馏塔，在塔顶低温条件下分离出高纯度硫化氢；塔底富氨物流进入氨精馏塔，在碱性条件下蒸出氨，实现两者彻底分离。该技术适用于大规模工业化生产，产物纯度可达 99% 以上，但能耗较高。优化方向包括采用热泵技术回收塔顶余热、优化塔内件（如高效浮阀塔盘）、通过流程模拟软件优化塔压与回流比。

3.5 吸附分离技术

吸附分离技术利用吸附剂对硫化氢与氨的选择性吸附实现分离，常用吸附剂包括活性炭、分子筛、金属有机框架材料（MOFs）等。活性炭对硫化氢的吸附能力强，通过物理吸附与化学吸附（表面官能团反应）结合实现分离；分子筛（如 13X 型）对氨的吸附选择性高，可通过离子交换增强吸附性能；MOFs材料具有高比表面积与可调控孔径，对硫化氢与氨的分离系数可达传统吸附剂的 5-10 倍。吸附技术适用于低浓度气体处理，操作灵活，但吸附剂需频繁再生，再生过程易造成二次污染。改进措施包括开发可再生吸附剂、采用变温变压吸附（TSA/PSA）工艺提升效率。

4、分离技术的集成与优化

4.1 技术集成模式

单一技术难以满足高纯度分离需求，技术集成成为重要发展方向。物理吸收 - 膜分离集成：物理吸收预处理去除大部分硫化氢，膜分离深度净化，提升硫化氢纯度；化学吸收 - 精馏耦合：化学吸收分离氨并转化为铵盐，精馏回收高纯度氨，减少能耗；吸附 - 膜分离联用：吸附剂去除杂质，膜分离实现硫化氢与氨的高效分离，延长膜寿命。集成技术可发挥各技术优势，降低单套设备负荷，提升整体分离效率。

4.2 操作参数优化

通过调控关键参数提升分离效果。 pH 值调控：酸性条件下促进硫化氢以分子态存在，利于物理吸收或膜分离；碱性条件下增强氨的挥发性，提升精馏效率。温度与压力优化：低温高压有利于物理吸收，高温低压促进精馏分离；膜分离需控制操作压力在 0.3-0.8MPa ，避免膜材料老化。停留时间调整：吸收塔与精馏塔的停留时间需匹配反应速率，确保传质充分。

4.3 设备材质升级

针对硫化氢与氨的强腐蚀性，采用耐蚀材料延长设备寿命。吸收塔与精馏塔选用双相不锈钢、钛合金或衬里材料（如玻璃纤维增强塑料）；膜组件采用陶瓷或金属材质，替代传统高分子膜；泵阀等部件采用哈氏合金，减少腐蚀泄漏风险。设备材质升级虽增加初期投资，但可降低维护成本，提高运行稳定性。

5、结论

酸性水汽提过程中硫化氢与氨的高效分离是实现资源回收与环保达标的关键。物理吸收、化学吸收、膜分离、精馏耦合、吸附等技术各具优势，适用于不同工况条件：物理吸收与化学吸收适用于高浓度体系，膜分离与吸附技术适用于低浓度场景，精馏耦合技术可实现高纯度产物。通过技术集成、操作参数优化与设备材质升级，可显著提升分离效率、降低能耗与腐蚀风险。未来，需进一步开发新型高效分离材料（如功能性 MOFs、石墨烯膜）、智能化调控系统（基于实时监测的参数自适应调整），推动分离技术向低能耗、高选择性、长寿命方向发展，为酸性水处理行业的绿色可持续发展提供技术支撑。

参考文献

[1] 王强，李华。酸性水汽提工艺中硫化氢与氨分离技术研究进展 [J]. 化工进展，2021 (005):1954-1962.

[2] 赵晓非，陈永东。酸性水汽提塔内硫化氢与氨分离效率影响因素分析 [J].石油炼制与化工，2022 (008):78-83.

[3] 刘畅，张宇。新型规整填料在酸性水汽提塔硫化氢与氨分离中的应用 [J].化学工程，2020 (010):45-49.

[4] 孙明，周伟。助剂对酸性水汽提过程中硫化氢与氨分离效果的影响 [J].当代化工，2023 (003):621-624.

[5] 李阳，王萌。基于能量回收技术的酸性水汽提硫化氢与氨分离工艺优化[J]. 节能技术，2022 (006):543-547.

[6] 陈晨，赵亮 . “汽提 - 吸收” 耦合工艺实现酸性水汽提中硫化氢与氨高效分离的研究 [J]. 化工环保，2021 (004):432-437.