专利名称：一种加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术。具体地说是一种以嗜酸性铁氧化细菌为催化剂的加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术，属于气体净化技术领域。
背景技术：
硫化氢(hydrogen sulfide)是具有刺激性和窒息性的无色剧毒气体，硫化氢和氧气的反应产生单质硫这一过程在工业生产中具有重要价值，即
H2S + O2= S I + H2O①
利用该反应可以有效净化气体中的硫化氢污染，同时也可以生产高纯度硫磺，然而，在常规条件下，该反应速率极为缓慢，无法满足实际工业的需要。为了加速该反应步骤，目前普遍采用的是克劳斯反应技术，其技术原理如下
H2S + O2= SO2+ H2O②
SO2+ 2H2S = 3S I + 2H20③
即硫化氢先和氧气燃烧生成二氧化硫，然后生成的二氧化硫和硫化氢在120-150°C的高温条件和催化剂的作用下，生成单质硫。然而该反应操作条件苛刻，催化剂价格昂贵，对设备有较大的腐蚀，并且处理过程复杂，设备的投资额和运行费用高。尽管大量的学者对克劳斯反应及催化剂进行了很多的研究(200810047108. 0 一种克劳斯尾气加氢脱硫催化剂快速评价的反应系统；200810022175. 7内外水冷克劳斯尾气回收硫磺并达标排放的工艺； 200710049014. 2改良低温克劳斯硫磺回收方法；200710052787. 6 一种镍基克劳斯尾气加氢催化剂及其共沉淀制备方法；200710052788. 0 一种镍基克劳斯尾气加氢催化剂及其制备方法；20071011U95. X 一种含酸性气体的克劳斯硫磺回收催化剂及制备方法)，然而其高费用、高能耗、操作条件苛刻等一直是克劳斯反应的瓶颈。
发明内容
为了克服现有的克劳斯反应的技术缺陷，本发明提供一种新的加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术。该技术采用固定化的氧化亚铁钩端螺旋菌(L印tospirillum ferrooxidans)、氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferroxidans)等嗜酸性铁氧化细菌作为生物催化剂，这些嗜酸性铁氧化细菌能够将酸性环境中的1 2+转变为狗3+，获得维持其生长的能量。两种价态的铁离子可以作为反应中介，加速硫化氢和氧反应产生硫磺，其反应机理如下
2FeS04+l/202+H2S04 — Fe2 (SO4) 3+H20④(嗜酸性铁氧化细菌催化)
H2S+Fe2 (SO4) 3 — Fe2 (SO4) 3+H2S04+S I(5)
总反应，即
H2S + O2= S I + H2O①
从方程④和⑤可以看出，在整个反应过程中，引入狗3+作为催化剂，加速催化硫化氢反应生成单质硫，微生物在反应过程中又迅速使催化剂1 3+得以再生，通过这样的反应机制， 极大地加速了硫化氢和氧反应产生单质硫-硫磺的反应速率。为了更好地实现这种反应机制，本发明建立了一种新的加速催化硫化氢和和氧反应生成单质硫的技术，具体地说是一种以生物-化学两级反应器工艺为基础、嗜酸性铁氧化细菌为催化剂的加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术(见说明书附
图1)。生物-化学两级反应器由生物反应和化学反应两级反应器串联组成，生物反应器内填充固定化的嗜酸性铁氧化细菌颗粒，两级反应器内循环液相由细菌培养液组成，其主要成分Fe2+是细菌的能量来源，在生物反应器内进行方程④的反应，反应生成的狗3+流入化学反应器，在化学反应器!^3+和H2S进行方程⑤的反应生成单质硫-硫磺，Fe3+转变成狗2+，循环液经生物反应器后，溶液中的催化剂得以再生， 即狗2+转变为狗3+，再流入化学反应器，从而实现了在温和条件下，加速硫化氢和氧反应产生单质硫的反应进程。采用的嗜酸性铁氧化细菌可以是氧化亚铁硫杆菌、氧化亚铁钩端螺旋菌等可以氧化铁的嗜酸微生物。微生物固定化方法可以是公知的载体吸附法、共价结合法、包埋法等方法。固定化细胞的活化培养方法为将固定化细胞颗粒接入到装有9k液体培养基的三角瓶中，固定化细胞颗粒和培养液的体积比3 广6 1，25-35°C摇床培养，待其中的 Fe2+转变率达到80%后，将固定化细胞接入到新的培养基中，重复操作2-3次后，固定化细胞就达到了较好的活力。本发明的有益效果是，在嗜酸性铁氧化细菌和!^3+组成的催化系统下，硫化氢和氧可以在温和条件下连续反应，催化系统可以连续运行，和克劳斯反应相比，极大降低了能耗，运行费用低，产生的单质硫纯度高，降低了设备的投资额，避免了可能造成的二次污染。说明书附图
说明书附图1为本发明的技术工艺流程图。装置的主体是由生物反应器和化学反应器两级反应器串联组成，生物反应器内置多孔隔板或采用内循环沸腾床。化学反应器采用内循环沸腾床，废气喷头采用多孔喷头，孔数> 20个左右，孔直径0. 02-lmm,为了避免反应器内部液体的过渡蒸发，两种气体在进入反应器前都经过增湿器系统，增湿器内部装载一定量的水，生物反应器和化学反应器两者由管道相连，管道间有耐酸的循环泵和阀门，以控制两反应器间液体的循环。
具体实施方式
实施例一
技术的主体装置由生物反应器和化学反应器两级反应器串联组成，如说明书附图1，生物反应器内填充(空隙率30%)的是经活化培养后的固定化氧化亚铁硫杆菌 (Acidithiobacillus ferroxidans)颗粒，为防止颗粒的积压，生物反应器内置多孔隔板或采用内循环沸腾床。化学反应器采用内循环沸腾床，废气喷头采用耐酸特氟纶(聚四氟乙烯)多孔喷头，孔数=20个，孔直径0.02-lmm，以降低废气气泡的直径，增加气液比。同时， 为了防止因通入的气体而造成的循环液的蒸发，生物和化学两级反应器通入的气体分别经过增湿处理。两级反应器内循环液相由细菌生长的9K培养液组成，调节初始pHl. 0，并以稀释率为0. Ι/h的液体流速循环，重铬酸钾滴定法检测液体中有lg/L的狗2+，循环液经生物反应器后，溶液中的狗2+转变为狗3+，并流入化学反应器与H2S反应，在化学反应器中!^3+又转变为狗2+，经过调节池对沉淀分离后，重新流入生物反应器，以提供固定化微生物生长的能量。通过跟踪检测调节池中各种离子浓度的变化，并根据固定化微生物的需要，调整保持生物反应器中营养物浓度的稳定性。在整个反应过程中，生物反应器内温度保持在25-35°C。 化学反应器常温操作，生物反应器通气量20kg02/m3d，在以上条件下连续操作，和氧反应的沼气中的硫化氢可达16. 2 kg/m3d (以生物反应器容积计算)，反应效率99%以上。实施例二
应用该技术处理橡胶工业尾气中的硫化氢，所用技术装置如说明书附图1，生物反应器内分别填充(空隙率30%)经活化培养后的固定化氧化亚铁钩端螺旋菌(L印tospirillum ferrooxidans)、氧化亚铁硫杆菌颗粒以及二者的混合物(1:1)，这些菌的固定方式皆采用包埋法(参见中国专利2005102004915)，化学反应器采用内循环沸腾床，废气喷头采用耐酸特氟纶(聚四氟乙烯)多孔喷头，孔数=20个，孔直径0. 02-lmm,调节初始pHl. 8，并以稀释率为Ι/h的液体流速循环，重铬酸钾滴定法检测系统内1 2+浓度15g/L，生物反应器通气量 20kg02/m3d，水力停留时间(生物反应器)1. Oh，用硫化氢检知管检测硫化氢尾气含量，在以上条件下连续操作，反应效率99%以上。硫化氢和氧反应生成单质硫的实验结果如表1。表1.硫化氢和氧反应生成单质硫的实验结果
权利要求
1.一种加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术，其特征是，该技术系统由生物反应器和化学反应器两级反应器串联组成，硫化氢和氧在化学反应器内部进行反应，化学反应器和生物反应器通过管道连接，反应催化液相体系在两者间循环。
2.根据权利要求1所述的一种加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术，其特征为该技术工艺采用微生物和狗3+组成的催化系统，从而实现了在温和条件下，加速了硫化氢和氧反应产生硫磺的反应进程。
3.根据权利要求1所述的一种加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术，其特征为加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的催化剂为狗3+。
4.根据权利要求1所述的一种加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术，其特征为催化系统中的微生物的作用是迅速再生催化剂，所使用的微生物可以是氧化亚铁硫杆菌、 氧化亚铁钩端螺旋菌等能使催化剂1 2+转变为1 3+的微生物或者微生物群体。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术，其特征为反应液的初始PHI. 0-2. 5，催化剂的含量为l-30g/L。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术，其特征为待反应的H2S气体自下而上通过化学反应器，并在其中反应，生物反应器内通入除菌后的空气，含狗3+的反应液在整个系统中循环。
7.根据权利要求1和4中任意一项所述的一种加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术，其特征为所用的微生物可以是游离的，也可以是固定化的。
8.根据权利要求1和6中任意一项所述的一种加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术，其特征为反应液在整个系统中循环，生物反应器的稀释率控制在0. 1-2. 0/h。
9.根据权利要求1、6和7中任意一项所述的一种加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术，其特征在为由生物反应器上部溢出的反应液通过化学反应器的上部流入化学反应器内部和逆向流动的含吐3气体反应，之后由化学反应器底部流出。
全文摘要
本发明涉及加速催化硫化氢和氧反应生成单质硫的技术，该技术系统由生物反应器和化学反应器两级反应器串联组成，反应液相体系在两者间的循环。待反应的H2S气体和空气分别自下而上通过化学反应器与生物反应器，在微生物和Fe3+组成的催化系统温和作用下，加速了硫化氢和氧反应产生硫磺的反应进程。该技术可广泛应用于化工反应和合成，以及含硫化氢气体的脱硫处理等。
文档编号B01D53/84GK102452643SQ20101051334
公开日2012年5月16日 申请日期2010年10月21日 优先权日2010年10月21日
发明者李红玉, 王玉建 申请人:李红玉