[发明专利]用于捕集重金属的多金属捕集物质

说明书

发明领域

本发明涉及含有重金属的液体或气态流出物的处理领域，特别是油起源和其衍生物（例如工业气体，例如合成气体、天然气和液体烃）的流出物。更精确地，本发明涉及借助包含至少两种活性金属化合物的捕集物质来捕集存在于气态或液体流出物中的重金属，特别是汞，所述至少两种活性金属化合物为硫化铜和第二金属硫化物，所述第二金属硫化物的金属选自铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)。

现有技术

汞为在世界的许多地区(例如尼日尔海湾、南美、北非或亚太地区)中生产的气态烃或液体中存在的金属污染物。

出于很多原因，从工业的角度，期望从烃中消除汞。

首先，由于汞有毒，在那些烃中存在汞对在工作中与这些物质接触的操作者存在风险。元素形式的汞具有挥发性，并且通过吸入有严重的神经毒性风险。有机形式的汞通过皮肤接触引起与神经毒性类似的风险。

其次，在烃中存在汞对旨在提升那些烃的常规处理操作具有有害的影响。常规地，烃经历催化反应，例如对通过蒸汽裂化或催化裂化液体烃生产的烯烃的选择性氢化。然而，包含贵金属(例如铂和钯)的通常使用的催化剂可被汞失活。实际上，通过使贵金属纳米颗粒汞齐化，汞诱导催化剂烧结。降低催化剂的比表面积导致其催化活性非常显著的损失。

出于这些原因，更期望消除或至少降低在气态或液体烃流出物中汞的浓度。

在工业上，通过使待处理的流出物移动通过填充有吸附剂材料的保护床(或者称为捕集物质)，进行从气态或液体流出物消除汞。待消除的杂质(在这种情况下为汞)则不可逆地（优选通过化学吸附）保留在捕集物质的表面内或在捕集物质的表面处，并且从捕集物质床排空的流出物因此被纯化。

在捕集物质中，通过汞与基于元素硫的活性相反应，可捕集汞。实际上，元素硫S与元素汞Hg°不可逆地反应，如下所示：

Hg°(g/l)+S(s)→HgS(s)　　　　(1)

术语“Hg°(g/l)”是指汞溶解于气态(g)或液体(l)流体相中。与此相反，“(s)”表示通过捕集物质的活性相构成和通过反应产物构成的固相。

在宽的温度范围(通常0℃-150℃)内，反应(1)为自发的并且具有负的自由能ΔG(kJ/mol)。形成的产物HgS(称为辰砂或黑辰砂)为化学惰性的矿物相，其在宽泛的温度内为固体。因此，汞被捕获到捕集物质中，并且待处理的流出物被纯化。

常规地，基于元素硫的捕集物质通过将元素硫浸渍到活性炭类型载体上的方法得到。

然而，当待处理的流出物为液体或者当待处理的流出物为气态并且湿的时候，由于活性相可被水或另一种液体夹带，因此在活性炭上沉积的基于元素硫的捕集物质通常遭受稳定性问题。与活性相和活性炭的表面之间的低能量相互作用以及与硫在这些介质中的溶解度关联，该现象引起捕集物质的使用寿命剧烈下降。

为了克服这些缺点，例如可使用在具有受控的孔隙率的载体(例如氧化铝)上沉积的基于金属硫化物的捕集物质。硫化铜由于其稳定性和低制造成本而特别被使用。专利文献US 7 645 306描述了元素汞(Hg°)根据以下反应不可逆地还原硫化铜CuS的事实：

Hg°(g/l) + 2 CuS(s)→Cu₂S(s) + HgS(s)　　　　(2)。

该反应为气/固或液/固反应，由于活性相(在这种情况下为CuS)的比表面积提高，从其动力学的观点来看更有利。

通过以下常规地制备基于金属硫化物的捕集物质：在载体上沉积氧化物形式的金属(例如CuO)，随后进行硫化步骤，以将金属氧化物转化为金属硫化物。含有载体和硫化铜的捕集物质例如描述于1978年公布的专利US 4 094 777。

其它金属硫化物也可用于捕集汞。专利文献GB 2 428 598描述了使用金属硫化物，其中的金属属于元素周期分类中的过渡金属的第一行，特别是锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)和锌(Zn)，以便纯化气体，用于使重金属的吸附剂再生。