Thiết kế chế tạo thiết bị nghiên cứu hấp phu hơi thủy ngân và mô phỏng hệ thống ở quy mô sản xuất

Cho đến nay cũng đã có nhiều loại vật liệu hấp phụ hơi thủyngân được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng, phần lớn các vật liệu này đều sử dụngthan hoạt tính như là vật liệu nền do những tính

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

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

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

Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân đãluôn 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

MỤC 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 5

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 11

2.1.1 Mục tiêu: 11

2.1.2 Nội dung: 11

2.2 Đánh giá khả năng hấp phụ của than hoạt tính biến tính Brom 11

2.2.1 Chế tạo vật liệu than hoạt tính biến tính bằng Brom 11

2.2.2 Đặc trưng của vật liệu 12

2.2.3 Nghiên cứu khả năng hấp phụ hơi của vật liệu 13

2.3 Một số công nghệ xử lý hơi thủy ngân 15

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21

3.1 Thiết kế và chế tạo thiết bị 21

3.1.1 Yêu cầu cơ bản đối với thiết bị xử lý 21

3.1.2 Sơ đồ thiết bị xử lý hấp phụ hơi Hg 21

3.1.3 Tính toán và thiết kế 22

3.1.4 Kết quả chế tạo thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân 28

3.2 Khảo sát đánh giá khả năng hoạt động của thiết bị 31

3.2.1 Chạy thử nghiệm trong phòng thí nghiệm 31

3.2.2 Thử nghiệm thực tế 35

3.3 Đề xuất hệ thống quy mô công nghiệp 43

KẾT LUẬN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Thủy ngân kim loại ở nhiệt độ phòng 3

Hình 1.2 Máy đo huyết áp thủy ngân 6

Hình 1.3 Thimerosal( C9H9HgNaO2 ) S 6 Hình 1.4 Bóng đèn huỳnh quang có chứa Hg 7

Hình 1.5 Bóng đèn compact 8

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 13

Hình 2.2 Thiết bị xử lý hơi thủy ngân 16

Hình 2.3 Bên trong thiết bị 16

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị 17

Hình 2.5 Hệ thống xử lý hơi thủy ngân tại mỏ 18

Hình 2.6 Sơ đồ một hệ thống tháp hấp phụ trong công nghiệp 19

Hình 2.7 Xử lý bụi Hình 2.8.Mô hình tháp hấp phụ 20

Hình 3.1 Sơ đồ thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân CS 1-3m3 /h 21

Hình 3.2 Cột rửa khí 24

Hình 3.3 Sơ đồ cột hấp phụ 26

Hình 3.4 Phần khung thiết bị 28

Hình 3.5 Mô hình hệ thống xử lý hơi thủy ngân 29

Hình 3.6 Hình ảnh thiết bị thực tế 30

Hình 3.7 Ảnh hưởng lưu lượng nước tới tốc độ khí 32

Hình 3.8 Ảnh hưởng của chiều cao lớp than (mở van số 4, đóng van số 5) 34

Hình 3.9 Ảnh hưởng chiều cao lớp than đến lưu lượng khí (mở hai van số 4 và 5) 35 Hình 3.10 Địa điểm đặt thiết bị 36

Hình 3.11 Dòng hơi được dẫn qua thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi Hg 37

Hình 3.12 Xác định nồng độ Hg đầu vào 39

Hình 3.13 Xác định đầu ra của Hg 41

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Hằng số bền của phức chất [MX4] n [3] 5

Bảng 2.1 Khả năng hấp phụ brom của than hoạt tính 11Bảng 2.2 Một số đặc trưng của vật liệu than hoạt tính và than hoạt tính biến tính 12Bảng 2.3 Tải trọng hấp phụ cân bằng của vật liệu ở các nồng độ hơi Hg khác nhau14

Bảng 3.1 Ảnh hưởng của lưu lượng nước tới tốc độ khí 32Bảng 3.2 Ảnh hưởng của độ dày lớp vật liệu hấp phụ đến lưu lượng khí (mở van số

4, đóng van số 5) 33Bảng 3.3 Ảnh hưởng chiều cao lớp vậy liệu hấp phụ đến lưu lượng khí (khi mở hai

van số 4 và 5) 34

Bảng 3.4 Kết quả nồng độ Hg đầu vào 40

Bảng 3.5 Kết quả nồng độ Hg đầu ra 43

MỞ ĐẦU

Thủy ngân được coi là một trong những kim loại có độc tính cao nhất tồn tạitrong 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 nghiệpnhư Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam…

Ở Việt Nam, việc các nhà máy khu công nghiệp, các cơ sở Y tế… hàng năm đãphát thải ra môi trường với một hàm lượng hơi thủy ngân cao hơn nhiều lần mứccho 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 khiđưa 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 hoạtđộng sản xuất, xử lý có phát thải thủy ngân như đốt rác, tái chế rác thải Trong sốcác 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 thikhi áp dụng thực tế Cho đến nay cũng đã có nhiều loại vật liệu hấp phụ hơi thủyngân được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng, phần lớn các vật liệu này đều sử dụngthan 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 trìnhthực tiễn

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 phổbiến nhất Các loại khoáng này trung bình chứa khoảng 80 phần tỷ thủy ngân Cácloại nguyên liệu, than đá và than nâu chứa vào khoảng 100 phần tỷ thủy ngân Hàmlượng 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 trongcác 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 baophủ bởi màng oxit nên mất ánh kim Thuỷ ngân có 7 đồng vị bền, trong đó 200Hgchiếm 23,3% và 202Hg chiếm 29,6% Thuỷ ngân đông đặc ở -400C; sôi ở 3570C; tỷtrọng 13,6 trọng lượng phân tử 200,61 Là kim loại duy nhất tồn tại ở dạng lỏngtrong điều kiện thường nên thủy ngân được dùng trong nhiệt kế, áp kế, phù kế vàbơm chân không…

Thủy ngân là nguyên tố tương đối trơ về mặt hoá học so với các nguyên tốtrong 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 sựtương tác mãnh liệt giữa kim loại và thủy ngân Tuỳ thuộc vào tỷ lệ của kim loại tantrong thủy ngân mà hỗn hống ở dạng lỏng hoặc rắn Một công dụng rất lớn của thủy

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 mãnhliệt 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 khôngkim loại khác như phốt pho, selen v.v Đặc biệt tương tác của thủy ngân với lưuhuỳnh và iot xảy ra dễ dàng ở nhiệt độ thường do ái lực liên kết của nó với lưuhuỳnh và iot rất cao

Các hợp chất của thuỷ ngân có mức oxi hoá là +2 hoặc +1, xác suất tạo thànhhai trạng thái oxi hoá đó gần tương đương với nhau về mặt nhiệt động học, trong đótrạng 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 hóahọc, 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 đổiliên tục hệ số giữa thủy ngân nguyên tố và thủy ngân bị oxy hóa [10] Thủy ngânnguyên tố làm gia tăng mức độ ô nhiễm không khí Mặt khác, thủy ngân bị oxy hóalại tan tốt trong nước, mức độ nguy hiểm nhiều hơn rất nhiều, phụ thuộc vào môitrường gần với nguồn phát sinh chất thải, và dễ dàng đi vào các chu kỳ sinh quyển[10]

Thủy ngân tồn tại ở dạng khí hơi trong lò đốt MSW và lò đốt than, ví dụ nhưthủy ngân nguyên tố (Hg0), hoặc ở dạng oxy hóa như oxit thủy ngân (HgO), thủyngân clorua (HgCl2) và mercurous chloride(Hg2Cl2).[10]

Sơ đồ thế oxi hóa khử của thủy ngân:

0,920 V 0,789 V

Sơ đồ trên cho thấy muối Hg2+ có khả năng oxi hóa Khi tác dụng với nhữngchất khử, muối Hg2+ biến đổi thành muối Hg22+, sau đó biến thành Hg0 Còn khi tácdụng 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 ngânthì sản phẩm thu được không phải là muối Hg2+ mà là muối của Hg22+ Ion Hg2+ cókhả năng tạo nên nhiều phức chất, trong đó thủy ngân có những số phối trí đặc trưng

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 cảHNO3 và chỉ tan dễ khi đun nóng với nước cường thuỷ:

3HgS + 8HNO3 + 6HCl → 3HgCl2 + 3H2SO4 + 8NO + 4H2OPhức chất của thuỷ ngân thường là rất bền, liên kết Hg – phối tử trong tất cả

chứa halogen, cacbon, nitơ, phốt pho, lưu huỳnh là các phức chất bền nhất Bảng 1.1

là các giá trị hằng số bền đối của phức chất Hg2+

Bảng 1.1 Hằng số bền của phức chất [MX 4 ] n [3]

Phứcchất

[HgX4]nNhững phức chất của Hg(II) được dùng trong hóa học phân tích là K2[HgI4]

và (NH4)2[Hg(SCN)4]

Hợp chất cơ thủy ngân: Hg2+ tạo nên một số lớn chất cơ kim, trong đó nhiềuchất có hoạt tính sinh học Cơ thủy ngân có công thức tổng quát là RHgX và R2Hg(R là gốc hidrocacbon và X là anion axit) Đa số cơ thủy ngân là những chất lỏng dễbay hơi, độc và có khả năng phản ứng cao Người ta thường dùng chúng để điều chếnhững cơ kim khác:

R2Hg + Zn → R2Zn + HgKhác với những nguyên tố cùng nhóm trong bảng hệ thống tuần hoàn là Zn và

Cd, thủy ngân còn tạo nên những hợp chất trong đó có ion Hg22+ với liên kết Hg –

Hg Sự tồn tại của ion này được xác minh bằng phương pháp như phương pháp hóahọc, phương pháp nghiên cứu cấu trúc bằng tia Rơnghen, phương pháp đo độ dẫnđiện.[9]

1.3 Ứng dụng, độc tính và nguồn phát thải thủy ngân

 Ứng dụng của thủy ngân: Thủy ngân được ứng dụng rộng rãi trong nhiều

lĩnh vực và nhiều ngành sản xuất khác nhau Trong công nghiệp, thuỷ ngân

được sử dụng nhiều nhất để sản xuất Cl2 và NaOH bằng phương pháp điện phân,sản xuất thiết bị điện như bóng đèn huỳnh quang, đèn hơi thủy ngân, pin thủy ngân,máy nắn dòng và ngắt dòng, các thiết bị kiểm tra công nghệ…Oxit thủy ngân đỏ(HgO) làm chất xúc tác trong công nghiệp pha sơn chống hà bám ngoài tàu, thuyền

đi biển Thủy ngân fulmiat Hg(CNO)2 được dùng trong công nghệ chế tạo thuốc nổ,

dùng làm hạt nổ, kíp nổ Hơi khói từ ngòi nổ fulmiat thủy ngân có thể gây nhiễmđộc.[5]

Ngoài ra thủy ngân được sử dụng chủ yếu trong sản xuất các loại hóa chất,trong kỹ thuật điện và điện tử Nó cũng được sử dụng trong một số nhiệt kế và một

số ứng dụng khác là:

- Máy đo huyết áp chứa thủy ngân (đã bị cấm ở một số nơi)

Hình 1.2 Máy đo huyết áp thủy ngân

-Thimerosal (C9H9HgNaO2S) một hợp chất hữu cơ được sử dụng như là chất khử trùng trong vaccin và mực xăm

Hình 1.3 Thimerosal(C 9 H 9 HgNaO 2 S)

-Phong vũ kế thủy ngân, bơm khuyếch tán, tích điện kế thủy ngân và nhiềuthiết bị phòng thí nghiệm khác Là một chất lỏng với tỷ trọng rất cao, Hg được sử

dụng để làm kín các chi tiết chuyển động của máy khuấy dùng trong kỹ thuật hóa học.

- Điểm ba trạng thái của thủy ngân, -38,8344 °C, là điểm cố định được sử dụng như nhiệt độ tiêu chuẩn cho thang đo nhiệt độ quốc tế (ITS-90)

- Trong một số đèn điện tử

- Hơi thủy ngân được sử dụng trong đèn huỳnh quang

Hình 1.4 Bóng đèn huỳnh quang có chứa Hg

- Thủy ngân được sử dụng tách vàng và bạc trong các quặng sa khoáng

- Thủy ngân vẫn còn được sử dụng trong một số nền văn hóa cho các mụcđích y học dân tộc và nghi lễ Ngày xưa, để chữa bệnh tắc ruột, người ta cho bệnhnhân uống thủy ngân lỏng (100-200 g) Ở trạng thái kim loại không phân tán, thủyngân không độc và có tỷ trọng lớn nên sẽ chảy trong hệ thống tiêu hóa và giúpthông ruột cho bệnh nhân

Một số sử dụng khác: chuyển mạch điện bằng thủy ngân, điện phân vớicathode thủy ngân để sản xuất NaOH và clo, các điện cực trong một số dạng thiết bịđiện tử, pin và chất xúc tác, thuốc diệt cỏ (ngừng sử dụng năm 1995), thuốc trừ sâu,hỗn hống nha khoa, pha chế thuốc và kính thiên văn gương lỏng.[4]

 Độc tính và nguồn phát thải của thủy ngân: Hàm lượng thủy ngân phát

thải vào sinh quyển ngày càng tăng, vừa do các quá trình tự nhiên, vừa do các hoạt

động của con người Theo ước tính, từ các hoạt động của mình con người đã phátthải khoảng 1000 – 6000 tấn thủy ngân hằng năm, trong đó có khoảng 30- 55% thủyngân phát thải vào khí quyển trên phạm vi toàn cầu Năm 2004, phát thải thủy ngân

ở Mỹ là 158 tấn/năm, còn ở Canada con số này là 7,84 tấn/năm Thủy ngân phátthải vào khí quyển chủ yếu từ quá trình than nhiệt điện; sản xuất và xử lý bóng đènhuỳnh quang; sản xuất màn hình LCD của máy vi tính; quá trình đốt chất thải rắn đôthị và bệnh viện; và từ nhiều quá trình công nghệ khác có sử dụng thủy ngân nhưlàm catot trong quá trình sản xuất khí clo từ điện phân muối ăn; sử dụng trongthiếtbị ngắt và đo dòng điện; làm xúc tác; thuốc chống nấm mốc, sản xuất bóng đèn

a) Các nhà máy than nhiệt điện:

Năm 1999, theo thống kê của EPA (Environmental Protection Agency)[11],lượng thủy ngân phát thải vào không khí ở Mỹ qua các hoạt động: nhà máy thannhiệt điện chiếm 31,0%, lò đốt chất thải nguy hại là 4,0%, lò đốt chất thải bệnh viện

là 11% lò đốt chất thải đô thị là 618,5 % quá trình sản xuất xi măng là 3% và cácquá trình khác là 27,0% Trong mọi sinh hoạt hằng ngày, chúng ta sử dụng điện nhưmột nhu cầu thiết yếu và một thực tế cần quan tâm là nguồn năng lượng cung cấpcho nhu cầu điện năng của chúng ta lại xuất phát chủ yếu từ quá trình đốt than đá.Tại Mỹ và nhiều quốc gia trên thế giới (trong đó có Việt Nam) đều dùng than đá đểsinh ra điện và quá trình đốt than này gây ô nhiễm không khí nhiều nhất.[11]

b) Bóng đèn huỳnh quang

Hình 1.5 Bóng đèn compact

Bóng đèn huỳnh quang, với hình dạng quăn, xoắn riêng biệt, nhìn rất bắt mắtchúng được cho là có ưu điểm giúp tiết kiệm điện, năng lượng và giảm ô nhiễm.

Tuy nhiên, mỗi bóng đèn huỳnh quang lại có chứa khoảng 5 mg thuỷ ngân Dù rằng,đây chỉ là một lượng nhỏ xíu, nhưng thật sự 5 mg thuỷ ngân là đủ để nhiễm bẩnkhoảng 22680 lít nước uống, theo khuyến cáo của Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa

Kỳ (EPA)

Chừng nào những bóng đèn huỳnh quang này vẫn hoạt động tốt, nghĩa làlượng thuỷ ngân độc hại vẫn còn được chứa trong bóng đèn, thì nó sẽ không gây ravấn đề, nhưng khi những bóng đèn huỳnh quang này bị hư hỏng, chúng sẽ trở thànhmối hiểm họa thật sự đối với môi trường và sức khỏe con người nếu chúng khôngđược làm sạch và xử lý đúng cách.

Hiện nay ở Mỹ, 90% lượng đèn huỳnh quang được sử dụng trong các hoạtđộng thương mại và công nghiệp Trong điều kiện thông thường, mỗi bóng đèn hoạtđộng khoảng từ 3 đến 4 năm, thiết kế vận hành cho thấy nó hoạt động khoảng

20000 giờ nhưng trên thực tế nó chỉ hoạt động được 15000 giờ Như vậy, với chínhsách tiết kiệm điện năng cũng như nhu cầu sử dụng ngày càng gia tăng, số lượngbóng đèn compact được sản xuất ra ngày càng nhiều Các tính toán cho thấy hằngnăm người ta thường thay thế khoảng 20% số bóng đèn sử dụng (không còn khảnăng sử dụng) Trong những năm gần đây, số lượng bóng đèn quang thải bỏ ngàycàng nhiều (tại Mỹ khoảng 200 triệu, tại Anh khoảng 100 triệu, Thái Lan khoảng 45triệu) Nếu như năm 2005, cả nước ta mới tiêu thụ được 3 triệu bóng đèn compactthì năm 2006 con số này đã là 10,5 triệu chiếc Với quyết định của Thủ tướng vềphê duyệt chương trình tiết kiệm điện giai đoạn 2006– 2010, đèn huỳnh quangcompact chính thức được phép thay thế cho đèn dây tóc nóng sáng tại các vị tríthích hợp (công suất khoảng 9 – 15 W, gọn nhẹ và giá thành hợp lý)

Nếu có 1 bóng đèn huỳnh quang bị phá vỡ với bất kỳ lý do gì đi nữa, thì cónghĩa là 5 mg thuỷ ngân độc hại sẽ được phát tán ra môi trường, và gây ảnh hưởngtrực tiếp đến sức khoẻ của những người tình cờ tiếp xúc với nó Theo khuyến cáo

của cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA): Tiếp xúc thuỷ ngân ở lượng thấp(dưới 5 mg) có thể gây ra các hiện tượng run, thay đổi tính tình, bị mất ngủ, mệtmỏi cơ bắp, và chứng nhức đầu Nếu tiếp xúc ở liều lượng cao hoặc tiếp xúc lâu dài

có thể dẫn đến chứng đần độn, thay đổi nhân cách, điếc, mất trí nhớ, thậm chí là hủyhoại nhiễm sắc thể; các tế bào thần kinh, não, và thận cũng sẽ bị hủy hoại nặng.Chất thủy ngân độc hại này còn ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thần kinh của bào thai

và trẻ em

Nghiên cứu của Economic Information cho thấy 0,5 mg thủy ngân trong mộtbóng đèn tiết kiệm năng lượng có thể làm ô nhiễm 180 tấn nước và đất Năm 2008,bóng đèn tiết kiệm năng lượng đã được Trung Quốc liệt kê trong danh sách những

đồ phế thải gây nguy hiểm.[4]

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

2.1.1 Mục tiêu: Đề xuất được phương pháp xử lý hơi thủy ngân và công nghệ sử

dụng để thiết kế và chế tạo thiết bị nghiên cứu

2.1.2 Nội dung: + Nghiên cứu than hoạt tính đã biến tính Br làm vật liệu hấp phụ

hơi thủy ngân

+ Nghiên cứu các công nghệ xử lý hơi thủy ngân trong nước và sửdụng công nghệ tháp hấp phụ chế tạo thiết bị

2.2 Đánh giá khả năng hấp phụ của than hoạt tính biến tính Brom

2.2.1 Chế tạo vật liệu than hoạt tính biến tính bằng Brom

Than hoạt tính Trà Bắc có kích thước hạt 0,1 đến 0,5 mm được rửa sạch bụithan bằng nước cất sau đó được sấy khô ở nhiệt độ 1050C trong vòng 4 giờ và đểnguội đến nhiệt độ phòng Than sạch được đem ngâm với dung dịch brom 1% theo

tỉ lệ khối lượng tính trên than hoạt tính là 3; 5; 7; 9 và 12% Sau thời gian ngâm 1giờ, than tẩm được tách khỏi dung dịch, rửa bằng nước cất, sấy khô 1050C trongvòng 3 giờ, để nguội trong bình hút ẩm thu được vật liệu than tẩm bromua Phầndung dịch và nước rửa được thu lại để phân tích lượng brom không hấp phụ Kếtquả phân tích cho thấy khối lượng brom được hấp phụ tối đa trên than hoạt tính là11,5%.[2]

Bảng 2.1 Khả năng hấp phụ brom của than hoạt tính

m brom ban đầu, mg

m brom còn lại, mg

Khả năng hấp phụ %

Tỉ lệ Br/AC, %

Từ kết quả bảng 2.1 cho thấy khả năng mang brom trên than trà bắc (than gáodừa) kích thước 0,1- 0,5 mm là tối đa khoảng 15%.

Quá trình thực nghiệm cũng cho thấy khả năng đưa brom lên bề mặt than sửdụng brom nguyên tố tốt hơn nhiều khi sử dụng dung dịch bromua Khi sử dụngbrom, brom vừa đóng vai trò chất hấp phụ vừa đóng vai trò chất oxi hóa chuyển hóacác nhóm chức mang tính khử trên bề mặt than Việc này vừa tạo ra các mối liên kếtgiữa cacbon với brom vừa làm cho bề mặt than ưa nước hơn và dễ dàng hấp phụ ionbromua hơn

Kết quả đo diện tích bề mặt riêng của vật liệu cho thấy sau khi tẩm bằng dungdịch brom nguyên tố, diện tích bề mặt riêng của than bị giảm đi so với ban đầu.Điều này có thể lý giải được là do quá trình oxi hóa làm cho một số dạng lỗ xốp củathan lớn lên và do ion bromua chiếm chỗ trong các lỗ xốp.[2]

2.2.2 Đặc trƣng của vật liệu

Vật liệu sau khi mang brom (lấy mẫu 10% brom để so sánh) có màu sắc, tỷkhối và độ cứng hầu như không thay đổi so với than hoạt tính chưa biến tính Sựthay đổi quan trọng là về bề mặt riêng, tổng thể tích lỗ xốp và đường kính trungbình của lỗ xốp Kết quả như trên bảng 2.2 cho thấy bề mặt riêng giảm, tổng thể tích

và đường kính trung bình của lỗ xốp tăng Những sự thay đổi này ít ảnh hưởng đếnkhả năng hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu, mà sự quyết định ở đây là hoạt tính bềmặt của vật liệu đối với hơi Hg kim loại [2]

Bảng 2.2 Một số đặc trưng của vật liệu than hoạt tính và than hoạt tính biến tính

Đặc trưng

Vật liệu

Than hoạt tính

Than 10% brom

2.2.3 Nghiên cứu khả năng hấp phụ hơi của vật liệu

Để nghiên cứu khả năng hấp phụ hơi Hg của các loại vật liệu khác nhau, cộthấp phụ đường kính 11,5 mm được nhồi 1,00 g than kích thước hạt 0,1-0,5 mm vàchạy tốc độ dòng 1,00 L/phút, thời gian chạy 60 phút Lượng thủy ngân được hấpphụ là hiệu số giữa lượng thủy ngân chạy không tải và lượng thủy ngân không bịhấp phụ trong cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất và lưu lượng dòng khí

Các loại vật liệu được chế tạo trên mục 2.2.1 và than hoạt tính không biến tínhđược đem khảo sát khả năng hấp phụ như mô tả Kết quả được thể hiện trên hình 2.2[2]

105

100 95

Nhiệt độ, o C

THT 11,5%

Br THT 9% Br

THT 7% Br THT 5% Br THT 3% Br

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

Từ kết quả trên cho thấy than hoạt tính có khả năng hấp phụ hơi Hg kém hơnhẳn so với các loại than hoạt tính có mang brom Đồng thời kết quả cũng chỉ ra rằnghàm lượng brom mang trên than càng lớn thì khả năng hấp phụ càng tốt hơn Thanhoạt tính mang brom từ 5% trở lên có khả năng hấp phụ hơi thủy ngân hầu nhưhoàn toàn (từ 98% trở lên) Một kết quả mang tính khoa học và thực tiễn cao đó làvới than hoạt tính mang brom từ 5% trở lên, khả năng hấp phụ hơi Hg hầu nhưkhông bị giảm khi nhiệt độ hấp phụ tăng (không chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ hấpphụ) Điều này có thể lý giải là do khi hơi Hg hấp phụ trên than hoạt tính thì cơ chếhấp phụ vật lý chiếm ưu thế cho nên yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng khá mạnh Khi than

hoạt tính mang brom với mật độ brom đủ lớn thì cơ chế hấp phụ ở đây là hấp phụhóa học chiếm ưu thế Các liên kết –C-Br-Hg trở nên bền vững và khó có thể phá vỡbởi nhiệt độ chưa quá cao Điều này rất có ý nghĩa và thuận lợi cho việc hấp phụ hơithủy ngân ở các nguồn thải có nhiệt độ cao.

 Xác định tải trọng cân bằng của vật liệu

Để xác định tải trọng hấp phụ hơi thủy ngân trong điều kiện cân bằng của cácvật liệu ở các nồng độ hơi Hg khác nhau, thử nghiệm được tiến hành như sau: cộthấp phụ được nhồi 1,00g vật liệu, cho thiết bị chạy với lưu lượng dòng khí mang là0,50 L/phút Nồng độ hơi thủy ngân sau cột hấp phụ được phân tích liên tục (ít nhất

30 phút một lần) Khi kết quả đo nồng độ hơi thủy ngân ở đầu ra xấp xỉ đầu vào thìcột hấp phụ được coi là đã cân bằng hấp phụ ở nồng độ đầu vào đó Kết quả đối vớithan hoạt tính mang 11,5% Br được thể hiện trên bảng 2.3[2]

Bảng 2.3 Tải trọng hấp phụ cân bằng của vật liệu ở các nồng độ hơi Hg khác nhau

Vật liệu than hoạt tính Trà Bắc dạng kích thước 0,1- 0,5 mm bản thân nó cókhả năng hấp phụ hơi thủy ngân khá tốt, nhưng môi trường nhiệt độ cao thì giảmmạnh Khi than được biến tính bằng brom nguyên tố thì khả năng hấp phụ hơi thủyngân được cải thiện rõ rệt cả về dung lượng hấp phụ lẫn độ bền và ổn định trước tácđộng của nhiệt độ Đây là điều kiện tốt để sử dụng loại vật liệu này cho các ứng

dụng xử lý hơi thủy ngân ở các nguồn khí có nhiệt độ cao, quy trình biến tính kháđơn giản, có thể tiến hành ở những nơi có ít điều kiện về trang bị kỹ thuật Do vậy,

ở đề tài này chúng tôi chọn vật liệu than hoạt tính đã biến tính Brom làm vật liệuhấp phụ ưu điểm của loại vật liệu này là bề mặt than hoạt tính đã được thay đổi cấutrúc bề mặt làm tăng cường dung lượng hấp phụ đồng thời tạo liên kết bền hơn giữathủy ngân và than hoạt tính[2]

2.3 Một số công nghệ xử lý hơi thủy ngân

Để có thể chế tạo được thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân chúng tôi đãtham khảo thêm một số công nghệ đã và đang được nghiên cứu trong nước Trênthực tế đã có một số công nghệ đã được áp dụng để xử lý nguồn phát thải hơi thủyngân tại những lò đốt rác hoặc các khu vực xử lý bóng đèn huỳnh quang nhưngkhông phải công nghệ nào cũng được áp dụng cho tất cả trường hợp xử lý hơi thủyngân Khi kết hợp các công nghệ này, có thể đạt hiệu suất loại bỏ thủy ngân đến90%, nhưng cũng chỉ áp dụng được với một số nhà máy chứ không phải tất cả Bacông nghệ thường được áp dụng để kiểm soát hơi thủy ngân: công nghệ tinh chếnguyên liệu đầu vào, công nghệ dùng tháp hấp thụ và công nghệ dùng tháp hấp phụ

Ở Việt Nam đã có một số các các công trình nghiên cứu đã và đang được thực hiện

 Thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân – Mercury Vapor AdsorptionSystem ( Hg – VAS 3) thuộc đề tài KC.08.15/11-15 được đặt tại bộ môn Hóa Môitrường – Khoa hóa học – Trường đại học Khoa học Tự nhiên – ĐH Quốc gia HàNội

Hệ thống thiết bị nghiên cứu khả năng hấp phụ hơi thủy ngân gồm 3 mảngchính trong hình 2.2 và 2.3: (1) các thiết bị điều khiển và các thiết bị hấp thụ khôngchịu ảnh hưởng của nhiệt độ được lắp đặt ở phía ngoài, mặt trước của vỏ hộp máynhư các rotameter, van ba chiều các ống hấp phụ hơi Hg, thiết bị điều chỉnh nhiệt độ

và các công tắc, (2) Các thiết bị cần được bảo ôn ở những nhiệt độ cố định, sai sốkhông quá 0,1oC đó là thiết bị hóa hơi thủy ngân, thiết bị sấy nóng khí mang, cácống nạp vật liệu nghiên cứu hấp phụ, thiết bị trộn khí, thiết bị cấp nhiệt, (3) Các

thiết bị khác được lắp ráp bên trong hộp máy như máy bơm, bộ hút ẩm, bình chặn

hơi thủy ngân, động cơ và quạt khí nóng tuần hoàn, rơle và automat.

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị

Nguyên lý hoạt động: Thiết bị vận hành theo nguyên tắc áp suất âm được tạo

ra bởi 1 bơm hút khí, dòng không khí sẽ được đi qua ống chứa Silicagen có tác dụnghút ẩm làm khô không khí Van 3 ngã 1 và Rotameter dùng để kiểm tra xem dòngkhí có lưu thông không Tiếp đó dòng không khí khô sẽ đi qua van 3 ngã 2 vàRotameter 2 rồi đi vào buồng bay hơi thủy ngân Dòng khí mang theo hơi thủy ngân

đi qua buồng hòa trộn và tiếp tục đi qua ống chứa chất hấp phụ Lượng hơi thủyngân còn dư đi qua 3 ống hấp thụ, mỗi ống chứa 20ml dung dịch KMnO4 0,1M.Nếu còn hơi thủy ngân sẽ đi qua bình chắn (bình an toàn) chứa 200g than hoạt đểđảm bảo khí thoát ra khỏi hệ thống là khí sạch

Phản ứng tại hệ thống ống hấp thụ diễn ra như sau:

2MnO4- + 5Hg0 + 16H+→ 5Hg2+ + 2Mn2+ + 8H2O

Lượng thủy ngân hấp phụ trên vật liệu được tính bằng hiệu giữa lượng thủyngân tạo ra trong khoảng thời gian khảo sát t và lượng thủy ngân không hấp phụđược xác định trong hệ bộ ống hấp thụ

Điều quan trọng đầu tiên là đề tài đã thiết kế, chế tạo, lắp đặt vận hành thànhcông ba thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi Hg cho ba phòng thí nghiệm của ba đơn vịtham gia chương trình Cả ba thiết bị được sử dụng trong thời gian 6 đến 7 tháng đãchứng tỏ độ ổn định và độ tin cậy cho nghiên cứu hấp phụ hơi Hg Do trên thị

trường chưa có thiết bị thương mại nào phục vụ cho mục đích này, cho nên đây có thể được coi như thành công quan trọng của đề tài trong lĩnh vực này.[9]

 Tại viện dầu khí quốc gia Việt Nam đã và đang nghiên cứu chế tạo thiết

bị xử lý hơi thủy ngân trong khai thác khí

Sự có mặt của thủy ngân trong khí khai thác có thể gây ra những thiệt hạikhông nhỏ cho nền công nghiệp khai thác và sử dụng khí Do vậy, nghiên cứuphương pháp xử lý hơi thủy ngân trong quá trình khai thác và xử lý khí là một đề tàicấp thiết, phù hợp với hoàn cảnh thực tế nước ta hiện nay

Trong quá trình nghiên cứu, nhóm tác giả đã tiến hành tính toán thiết kế thiết

bị hấp phụ thủy ngân để làm giảm đáng kể hàm lượng thủy ngân ở đầu ra của dòngsản phẩm

Hình 2.5 Hệ thống xử lý hơi thủy ngân tại mỏ

Sau khi áp dụng thực tế của một bình hấp phụ thủy ngân đã được sử dụng tại

mỏ, với cùng thông số đầu vào và chế độ làm việc, thể tích hấp phụ được dùng là 19

m3, đường kính tháp là 3m và chiều cao của tầng hấp phụ là 2,7m tháp này đượcdùng trong năm năm và thay hóa chất sau năm năm sử dụng Đối với phần tính toáncủa tác giả, sau khi áp dụng các công thức trong phần nghiên cứu đã dùng bộ số liệucủa mỏ để tính toán kích thước tháp hấp phụ và đạt được kết quả tương đồng nhưtháp đang sử dụng ngoài thực tế Kết quả bình hấp phụ tính toán sau khi so sánh với

kết quả thiết bị xử lý ở mỏ và có thể chấp nhận được để đưa vào sản xuất thực nghiệm.[7]

Ngoài ra một số hệ thống tháp hấp phụ cũng được sử dụng trong xử lý khí thải

Hình 2.6 Sơ đồ một hệ thống tháp hấp phụ trong công nghiệp

+ Chất hấp phụ sau khi sử dụng đều có khả năng tái sinh, điều này làm giảm giá thành xử lý và đây cũng là ưu điểm lớn nhất của phương pháp

+ Thiết kế đơn giản tiết kiệm chi phí.[1]

Khi thực hiện đề tài chúng tôi sử dụng công nghệ tháp hấp phụ, trong thực tế

để tiến hành hấp phụ, người ta có thể tiến hành theo hai phương pháp: phương pháphấp phụ tĩnh và phương pháp động Do phương pháp hấp phụ động có hiệu suất caohơn và phù hợp hơn đối với thực tiễn sản xuất cho nên thường được sử dụng trong

xử lý khí thải công nghiệp Quá trình hấp phụ thông thường được tiến hành trongcác buồng hấp phụ có chứa các chất có khả năng hấp phụ Khí thải chứa các chấtcần hấp phụ được dẫn qua lớp chất hấp phụ Các chất cần hấp phụ sẽ được giữ lạicòn khí sạch sẽ được thải ra ngoài

+ Công nghệ xử lý hơi thủy ngân: Sử dụng công nghệ tháp hấp phụ

Đã được nghiên cứu và trình bày ở trên, tiếp theo chúng tôi sẽ chế tạo thiết bị

và đưa vào thử nghiệm thực tế

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thiết kế và chế tạo thiết bị

3.1.1 Yêu cầu cơ bản đối với thiết bị xử lý.

Nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân trước tiên cần có nguồn hơi thủy ngân ổnđịnh, đồng thời trong quá trình hấp phụ không được phép xảy ra quá trình ngưng tụ

Vì thế nhiệt độ trong cột hấp phụ không được phép thấp hơn nhiệt độ của hơi thủyngân, lượng hơi thủy ngân được hấp phụ và lượng hơi thủy ngân không bị hấp phụphải được xác định chính xác Việc xác định lượng thủy ngân này, dòng hơi thủyngân có thể được nối trực tiếp với máy hấp phụ nguyên tử hoặc được hấp thụ hoàntoàn trong dung dịch và xác định sau Trong nghiên cứu, nhiều khi cần thay đổinồng độ hơi thủy ngân và nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần khí đến quátrình hấp phụ hơi thủy ngân Do thủy ngân là kim loại có độ độc cao cho nên thiết bịkhông được phép rò rỉ hay cho hơi thủy ngân không hấp phụ ra môi trường

3.1.2 Sơ đồ thiết bị xử lý hấp phụ hơi Hg

6

7

Hình 3.1 Sơ đồ thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân CS 1-3m 3 /h

 Chú thích: 1) Cột rửa khí, 2) Hộp chăn sol, 3) Giàn phun nước, 4+5) Cột

hấp phụ, 6) Lưu lượng kế nước, 7) Lưu lượng kế khí, 8) Bơm li tâm, 9) Thùng đựngnước, 10) máy hút khí con sò

 Thuyết minh sơ đồ công nghệ: Khí thải sau khi được thu gom bằng chụp

hút sẽ được dẫn qua cột số 1, tại đây nước được bơm từ thùng số 9 có đặt một lưulượng kế nước để điều chỉnh công suất, nước qua hệ thống phun dàn mưa,các hạtbụi, hơi nóng gặp nước sẽ bị thấm ướt và dìm xuống còn dòng khí đã loại bỏ bụibẩn sẽ đi qua bộ chặn sol khí 2, lượng nước có thể quay vòng trở lại sau khi lắng bụibẩn và tiếp tục quá trình dập bụi, khí tiếp tục được dẫn vào hai cột số 4 và 5 đã đượcnhồi sẵn vật liệu hấp phụ là than hoạt tính kích thước hạt từ 0,1- 0,5 mm xốp có bềmặt riêng lớn, tại đây hơi Hg và các khí độc hại khi đi qua chất hấp phụ chúng sẽ bịgiữ lại nhờ hiện tượng hấp phụ, khí thải sau khi được xử lí sẽ được thải ra

ngoài môi trường bằng máy hút chân không với công suất 3m3/h, đảm bảo nồng độthủy ngân đầu ra đạt QCVN

3.1.3 Tính toán và thiết kế

Việc tính toán thiết kế thiết bị hấp phụ hơi thủy ngân còn phụ thuộc vào cácyếu tố môi trường khi đưa thiết bị ra thực tế ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm, diện tíchchiều cao Trong thiết bị phần quan trọng nhất là cột hấp phụ, mục đích chính củaphần thiết kế này là tính toán thể tích của tầng hấp phụ từ đó đưa ra những thông số

về kích thước, đường kính, chiều cao của cột hấp phụ để lựa chọn thông số thíchhợp nhất phù hợp với yêu cầu của đề tài, do đây là mô hình thử nghiệm và đặt ở môitrường có các chất oxi hóa mạnh nên để giảm bớt chi phí, ống dẫn khí, cột rửa vàcột hấp phụ chúng tôi chọn vật liệu là nhựa PVC

3.1.3.1 Tính đường kính và chiều cao cột rửa khí bổ sung

Làm việc tại những môi trường có nhiệt độ cao, nguồn cung cấp khí thảithường có nhiệt độ lớn kèm theo rất nhiều bụi bẩn nên việc hạ nhiệt độ của hơi nóng

và loại bỏ bụi bẩn là hết sức cần thiết, cột số 1 sẽ đảm nhiệm vai trò này