1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- LÊ NGỌC THẮNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ HƠI THỦY NGÂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG Ở QUY MÔ SẢN XUẤT LUẬN
Trang 11
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
LÊ NGỌC THẮNG
THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ HƠI THỦY NGÂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Ở QUY MÔ SẢN XUẤT
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - 2014
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
LÊ NGỌC THẮNG
THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU HẤP PHỤ HƠI THỦY NGÂN VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Ở QUY MÔ SẢN XUẤT
Chuyên ngành: Hóa Môi Trường
Mã số: 60440120
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS NGUYỄN HỌA MI
Hà Nội – 2014
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Họa Mi đã giao cho em đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn này
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của PGS Trần Hồng Côn và các thầy
cô giáo của bộ môn Hóa Môi Trường- Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên đã trang bị cho em hệ thống kiến thức khoa học và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài
Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân đã luôn bên cạnh chia sẻ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn của mình
Tôi xin chân thành cảm ơn
Hà Nội, tháng 12 năm 2014
Học viên
LÊ NGỌC THẮNG
Trang 4MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1
1.1.Giới thiệu chung về thủy ngân 2
1.2.Tính chất của thủy ngân 2
1.3.Ứng dụng, độc tính và nguồn phát thải thủy ngân Error! Bookmark not
defined.
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Error! Bookmark not defined.
2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Error! Bookmark not defined.
2.1.1 Mục tiêu: Error! Bookmark not defined.
2.1.2 Nội dung: Error! Bookmark not defined.
2.2 Đánh giá khả năng hấp phụ của than hoạt tính biến tính Brom Error!
Bookmark not defined.
2.2.1 Chế tạo vật liệu than hoạt tính biến tính bằng BromError! Bookmark not defined.
2.2.2 Đặc trưng của vật liệu Error! Bookmark not defined.
2.2.3 Nghiên cứu khả năng hấp phụ hơi của vật liệuError! Bookmark not defined.
2.3 Một số công nghệ xử lý hơi thủy ngân Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined.
3.1 Thiết kế và chế tạo thiết bị Error! Bookmark not defined.
3.1.1 Yêu cầu cơ bản đối với thiết bị xử lý Error! Bookmark not defined.
3.1.2 Sơ đồ thiết bị xử lý hấp phụ hơi Hg Error! Bookmark not defined.
3.1.3 Tính toán và thiết kế Error! Bookmark not defined.
3.1.4 Kết quả chế tạo thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngânError! Bookmark not defined 3.2.Khảo sát đánh giá khả năng hoạt động của thiết bị Error! Bookmark not
defined.
3.2.1 Chạy thử nghiệm trong phòng thí nghiệmError! Bookmark not defined.
3.2.2 Thử nghiệm thực tế Error! Bookmark not defined.
3.3 Đề xuất hệ thống quy môcông nghiệp Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO 5
Trang 5DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Thủy ngân kim loại ở nhiệt độ phòng 3
Hình 1.2 Máy đo huyết áp thủy ngân Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3 Thimerosal(C9H9HgNaO2S) Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Bóng đèn huỳnh quang có chứa Hg Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Bóng đèn compact Error! Bookmark not defined
Hình 2.1 Khả năng hấp phụ hơi Hg của các vật liệu và ảnh hưởng của nhiệt độ đến
khả năng hấp phụ của chúng Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Thiết bị xử lý hơi thủy ngân Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Bên trong thiết bị Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Hệ thống xử lý hơi thủy ngân tại mỏ Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Sơ đồ một hệ thống tháp hấp phụ trong công nghiệp Error! Bookmark
not defined.
Hình 2.7 Xử lý bụi Hình 2.8.Mô hình tháp hấp phụ Error! Bookmark not
defined
Hình 3.1 Sơ đồ thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân CS 1-3m3/h Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.2 Cột rửa khí Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Sơ đồ cột hấp phụ Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Phần khung thiết bị Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Mô hình hệ thống xử lý hơi thủy ngân Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Hình ảnh thiết bị thực tế Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Ảnh hưởng lưu lượng nước tới tốc độ khí Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Ảnh hưởng của chiều cao lớp than (mở van số 4, đóng van số 5) Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.9 Ảnh hưởng chiều cao lớp than đến lưu lượng khí (mở hai van số 4 và 5)
Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Địa điểm đặt thiết bị Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Dòng hơi được dẫn qua thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi Hg Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.12 Xác định nồng độ Hg đầu vào Error! Bookmark not defined.
Trang 6Hình 3.13 Xác định đầu ra của Hg Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Hằng số bền của phức chất [MX4]n [3] Error! Bookmark not defined Bảng 2.1 Khả năng hấp phụ brom của than hoạt tính Error! Bookmark not
defined.
Bảng 2.2 Một số đặc trưng của vật liệu than hoạt tính và than hoạt tính biến tính
Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.3 Tải trọng hấp phụ cân bằng của vật liệu ở các nồng độ hơi Hg khác nhau
Error! Bookmark not defined Bảng 3.1 Ảnh hưởng của lưu lượng nước tới tốc độ khí Error! Bookmark not
defined.
Bảng 3.2 Ảnh hưởng của độ dày lớp vật liệu hấp phụ đến lưu lượng khí (mở van số
4, đóng van số 5) Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.3 Ảnh hưởng chiều cao lớp vậy liệu hấp phụ đến lưu lượng khí (khi mở hai
van số 4 và 5) Error! Bookmark not defined Bảng 3.4 Kết quả nồng độ Hg đầu vào Error! Bookmark not defined Bảng 3.5 Kết quả nồng độ Hg đầu ra Error! Bookmark not defined.
Trang 71
MỞ ĐẦU
Thủy ngân được coi là một trong những kim loại có độc tính cao nhất tồn tại trong môi trường, hơi thủy ngân cũng được coi là chất ô nhiễm không khí nguy hại
Do đó, giảm thiểu sự phát thải cũng như biện pháp xử lý hơi thủy ngân đang là vấn
đề được nhiều quốc gia quan tâm đặc biệt là các nước đang phát triển công nghiệp như Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam…
Ở Việt Nam, việc các nhà máy khu công nghiệp, các cơ sở Y tế… hàng năm đã phát thải ra môi trường với một hàm lượng hơi thủy ngân cao hơn nhiều lần mức cho phép so với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về lò đốt chất thải công nghiệp (QCVN 30:2012/BTNMT)là 0,2mg/m3, vì thế nhu cầu xử lý thủy ngân trước khi đưa khí thải ra môi trường theo QCVN là rất cấp bách.[1]
Tại Việt Nam, hầu như chưa có hệ thống xử lý hơi thủy ngân đối với các hoạt động sản xuất, xử lý có phát thải thủy ngân như đốt rác, tái chế rác thải.Trong số các công nghệ xử lý hơi thủy ngân được công bố trên thế giới, phương pháp hấp phụ là phương pháp có nhiều ưu điểm hơn cả về hiệu quả xử lý, giá thành và tính khả thi khi áp dụng thực tế Cho đến nay cũng đã có nhiều loại vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng, phần lớn các vật liệu này đều sử dụng than hoạt tính như là vật liệu nền do những tính chất ưu việt của vật liệu hấp phụnhư là diện tích bề mặt lớn, kích thước mao quản đa dạng, là loại vật liệu phổ thông, dễ kiếm giá thành chấp nhận được và an toàn trong sử dụng[1]
Với mục đích nghiên cứu xử lý hiệu quả hơi thủy ngân tại các lò đốt rác, các
cơ sở xử lý tái chế các loại bóng đèn huỳnh quang, đèn cao áp có chứa thủy ngân từ
nhu cầu thực tiễn chúng tôi tiến hành “Thiết kế chế tạo thiết bị nghiên cứu hấp
phụ hơi thủy ngân và mô phỏng hệ thống ở quy mô sản xuất’’với hi vọng thiết bị
này sẽ được ứng dụng để kiểm soát, xử lý hơi thủy ngân phát thải trong quá trình thực tiễn
Trang 82
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về thủy ngân
Thủy ngân là một nguyên tố hiếm trong vỏ trái đất, trong tự nhiên thủy ngân
có mặt ở dạng vết của nhiều loại khoáng, đá như trong chu sa (HgS), corderoit (Hg3S2Cl2), livingstonit (HgSb4S8) và các khoáng chất khác, chu sa là quặng phổ biến nhất Các loại khoáng này trung bình chứa khoảng 80 phần tỷ thủy ngân Các loại nguyên liệu, than đá và than nâu chứa vào khoảng 100 phần tỷ thủy ngân Hàm lượng trung bình tự nhiên trong đất trồng là 0,1 phần triệu
Người Trung Quốc và Hindu cổ đại đã biết tới thủy ngân và tìm thấy nó trong các ngôi mộ cổ Ai Cập có niên đại khoảng 1500 TCN Thủy ngân có kí hiệu hóa học là Hg nó được viết tắt của Hydrargyrum, từ Latinh hóa của từ Hy Lạp Hydrargyros là tổ hợp của hai từ 'nước' và 'bạc' vì nó lỏng như nước và có ánh kim như bạc Trong ngôn ngữ Châu Âu nguyên tố này được đặt tên là Mercury lấy theo tên thần La Mã, được biết đến với tính linh động
1.2 Tính chất của thủy ngân
Thủy ngân là kim loại màu trắng bạc trong không khí ẩm nó dần dần bị bao phủ bởi màng oxit nên mất ánh kim Thuỷ ngân có 7 đồng vị bền, trong đó 200Hg chiếm 23,3% và 202Hg chiếm 29,6% Thuỷ ngân đông đặc ở -400C; sôi ở 3570
C; tỷ trọng 13,6trọng lượng phân tử 200,61 Là kim loại duy nhất tồn tại ở dạng lỏng trong điều kiện thường nên thủy ngân được dùng trong nhiệt kế, áp kế, phù kế và bơm chân không…
Thủy ngân là nguyên tố tương đối trơ về mặt hoá học so với các nguyên tố trong nhóm IIB, có khả năng tạo hỗn hống với các kim loại Sự tạo thành hỗn hống
có thể đơn giản là quá trình hoà tan kim loại vào trong thủy ngân lỏng hoặc là sự tương tác mãnh liệt giữa kim loại và thủy ngân Tuỳ thuộc vào tỷ lệ của kim loại tan trong thủy ngân mà hỗn hống ở dạng lỏng hoặc rắn Một công dụng rất lớn của thủy
Trang 93
ngân được con người sử dụng từ xa xưa đó là tạo hỗn hống với vàng, bạc để tách nguyên tố này khỏi đất, đá, quặng
Ở nhiệt độ thường, thủy ngân không phản ứng với oxi nhưng phản ứng mãnh liệt ở 3000C tạo thành HgO và ở 4000C oxit này lại phân huỷ thành nguyên tố Ngoài ra, thủy ngân còn tác dụng với halogen, lưu huỳnh và các nguyên tố không kim loại khác như phốt pho, selen v.v Đặc biệt tương tác của thủy ngân với lưu huỳnh và iot xảy ra dễ dàng ở nhiệt độ thường do ái lực liên kết của nó với lưu huỳnh và iot rất cao
Các hợp chất của thuỷ ngân có mức oxi hoá là +2 hoặc +1, xác suất tạo thành hai trạng thái oxi hoá đó gần tương đương với nhau về mặt nhiệt động học, trong đó trạng thái oxi hoá +2 thường gặp hơn và cũng bền hơn +1
Hình 1.1 Thủy ngân kim loại ở nhiệt độ phòng
Hình thái của thủy ngân trong môi trường được đặc trưng bởi một phức hóa học, nó có thể diễn ra cả ở thể khí và thể nước Trong phản ứng hóa học, những sai
số lớn vẫn thường xuất hiện, trong các phản ứng oxy hóa và khử, sai số làm thay đổi liên tục hệ số giữa thủy ngân nguyên tố và thủy ngân bị oxy hóa [10] Thủy ngân nguyên tố làm gia tăng mức độ ô nhiễm không khí Mặt khác, thủy ngân bị oxy hóa lại tan tốt trong nước, mức độ nguy hiểm nhiều hơn rất nhiều, phụ thuộc vào môi trường gần với nguồn phát sinh chất thải, và dễ dàng đi vào các chu kỳ sinh quyển [10]
Trang 104
Thủy ngân tồn tại ở dạng khí hơi trong lò đốt MSW và lò đốt than, ví dụ như thủy ngân nguyên tố (Hg0), hoặc ở dạng oxy hóa như oxit thủy ngân (HgO), thủy ngân clorua (HgCl2) và mercurous chloride(Hg2Cl2).[10]
Sơ đồ thế oxi hóa khử của thủy ngân:
Sơ đồ trên cho thấy muối Hg2+
có khả năng oxi hóa Khi tác dụng với những chất khử, muối Hg2+ biến đổi thành muối Hg22+, sau đó biến thành Hg0 Còn khi tác dụng với thủy ngân kim loại, muối Hg2+ lại tạo thành muối Hg22+
Hg(NO3)2 + Hg Hg2(NO3)2 Bởi vậy, khi tác dụng với axit nitric hay axit sunfuric đặc, nếu có dư thủy ngân thì sản phẩm thu được không phải là muối Hg2+ mà là muối của Hg22+ Ion Hg2+ có khả năng tạo nên nhiều phức chất, trong đó thủy ngân có những số phối trí đặc trưng là 2 và 4
Các muối thuỷ ngân (II) halogenua (HgX2) là chất dạng tinh thể không màu, trừ HgI2 có màu đỏ, HgF2 là hợp chất có liên kết ion, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao nhất trong các halogenua HgX2, nó bị thuỷ phân gần như hoàn toàn ngay trong nước lạnh Ba halogenua còn lại thể hiện rõ đặc tính cộng hoá trị Chúng tan trong một số dung môi hữu cơ nhiều hơn trong nước Trong nước, ba halogenua này phân ly rất kém (~ 1%) nên bị thuỷ phân không đáng kể Ở trạng thái hơi và trong dung dịch, chúng đều tồn tại ở dạng phân tử
Thủy ngân sunfua (HgS) là chất dạng tinh thể có màu đỏ hoặc màu đen, tan rất
ít trong nước với tích số tan 10-53 HgS tan rất chậm trong dung dịch axit đặc kể cả HNO3 và chỉ tan dễ khi đun nóng với nước cường thuỷ:
3HgS + 8HNO3 + 6HCl 3HgCl2 + 3H2SO4 + 8NO + 4H2O
Trang 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1 Trần Hồng Côn, Đồng Thị Kim Loan, Công nghệ xử lý khí thải (2006), Nhà
xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội
phụ chọn lọc hơi Hg từ than hoạt tính” Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hóa học,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN
3 Đặng thị Thanh Lê, Nguyễn Trọng Uyển, Hóa học vô cơ (2013), Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội
4 Huỳnh Việt Quang, Tạ Quốc Dũng, Nguyễn Minh Hải “Nghiên cứu phương
pháp xử lý thủy ngân trong khai thác khí” Trường Đại học Bách khoa TP.HCM
hơi thủy ngân”Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên – ĐHQGHN
6 Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng trong hóa
học, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội
7 Mai Thanh Truyết (12/2008), “Hiểm họa thủy ngân trong than nhiệt điện”,
Y dược Ngày nay
Tiếng Anh
8 D.J Akers, B Toole-O’Neil (1998), “Coal cleaning for HAP control: cost
and performance”, Presented at the International Technical Conference on Coal
Utilization and Fuel Systems, March 9– 13
9 D.J Akers, B Toole-O’Neil (1998), “Coal cleaning for HAP control: cost
and performance”, Presented at the International Technical Conference on Coal
Utilization and Fuel Systems, March 9– 13
Trang 126
10 C Battistoni, E Bemporad, A Galdikas, S Kačiulis, G Mattogno, S.Mickevičius, V Olevano (1996), “Interaction of mercury vapour with thin films
of gold”, Appl Surf Sci 103, pp 107–111
11 P Biswas, C.Y Wu (2005), “Critical review: nanoparticles and the environment”, J Air Waste Manage Assoc 55, pp 708–746
12 Yan Cao,Jiang Wu, Weiguo Pan, Minqiang Shen, Jianxing Ren, Yuying Du…“Evaluation of mercury sorbents in a lab-scale multiphase flow reactor, a pilot-scale slipstream reactor and full-scale power plant”
13 T Chien, H Chu, and H Hsueh (2003), “Kinetic study on absorption of
SO2 and NOx with acidic NaClO2 solutions using the spraying column”, Journal of
EnvironmentalEngineering, vol 129, pp 967-974
14 J Dong, Z Xu, S.M Kuznicki (2009), “Magnetic multi-functional nano composites for environmental applications”, Adv Funct Mater 19, pp 1268–1275
15 J Dong, Z Xu, S.M Kuznicki (2009), “Mercury removal from flue gases
by novel regenerable magnetic nanocomposite sorbents”, Environ Sci Technol 43,
pp 3266–3271
16 D.D Ferris, et al (1992), “Engineering Development of Advanced
Physical Fine Coal Cleaning Technologies-Froth Flotation”, ICF Kaiser Engineers
Final Report for U.S.Department of Energy Agreement No DEAC22- 88PC88881,
Dec
17 R.B Finkelman, R.W Stanton, C.B Cecil, J.A Minken (1979), “Modes of occurrence of selected trace elements in several Appalachian coals”, Prepr
Pap.-Am Chem Soc., Div Fuel Chem 23– 24, pp 6 –24
18 K.C Galbreath, D.L Toman, C.J Zygarlicke, J.H Pavlish (2000), “Trace element partitioning and transformations during combustion of bituminous and subbituminous U.S coals in a 7-kW combustion system”, Energy Fuels 14 (6), pp 1265– 1279
