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

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

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 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

LỜI 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

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 môcông 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(C9H9HgNaO2S) 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 nhau 14 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) 34Bảng 3.4 Kết quả nồng độ Hg đầu vào 40Bảng 3.5 Kết quả nồng độ Hg đầu ra 43

1

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

2

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 3570C; 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

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]

4

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)2Bởi 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 Phức chất của thuỷ ngân thường là rất bền, liên kết Hg – phối tử trong tất cả các phức chất là liên kết cộng hoá trị Trong đó, phức chất được tạo nên với phối tử

0,920 V 0,789 V

Hg2+ Hg22+ Hg0 0,854 V

Hợp chất cơ thủy ngân: Hg2+ tạo nên một số lớn chất cơ kim, trong đó nhiều chất 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 dễ bay hơi, độc và có khả năng phản ứng cao Người ta thường dùng chúng để điều chế những cơ kim khác:

R2Hg + Zn  R2Zn + Hg Khác 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 hóa học, phương pháp nghiên cứu cấu trúc bằng tia Rơnghen, phương pháp đo độ dẫn điện.[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,

- 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 nhiều thiết bị phòng thí nghiệm khác Là một chất lỏng với tỷ trọng rất cao, Hg được sử

- 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 mục đích y học dân tộc và nghi lễ Ngày xưa, để chữa bệnh tắc ruột, người ta cho bệnh nhân uống thủy ngân lỏng (100-200 g) Ở trạng thái kim loại không phân tán, thủy ngân không độc và có tỷ trọng lớn nên sẽ chảy trong hệ thống tiêu hóa và giúp thông ruột cho bệnh nhân

Một số sử dụng khác: chuyển mạch điện bằng thủy ngân, điện phân với cathode thủy ngân để sản xuất NaOH và clo, các điện cực trong một số dạng thiết bị điện 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

8

động của con người Theo ước tính, từ các hoạt động của mình con người đã phát thải khoảng 1000 – 6000 tấn thủy ngân hằng năm, trong đó có khoảng 30-55% thủy ngân 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 phát thải vào khí quyển chủ yếu từ quá trình than nhiệt điện; sản xuất và xử lý bóng đèn huỳnh quang; sản xuất màn hình LCD của máy vi tính; quá trình đốt chất thải rắn đô thị và bệnh viện; và từ nhiều quá trình công nghệ khác có sử dụng thủy ngân như làm catot trong quá trình sản xuất khí clo từ điện phân muối ăn; sử dụng trong thiếtbị 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 than nhiệt 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 các quá trình khác là 27,0% Trong mọi sinh hoạt hằng ngày, chúng ta sử dụng điện như một nhu cầu thiết yếu và một thực tế cần quan tâm là nguồn năng lượng cung cấp cho 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 để sinh

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

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

Hiện nay ở Mỹ, 90% lượng đèn huỳnh quang được sử dụng trong các hoạt động thương mại và công nghiệp Trong điều kiện thông thường, mỗi bóng đèn hoạt động 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 chính sách tiết kiệm điện năng cũng như nhu cầu sử dụng ngày càng gia tăng, số lượng bóng đèn compact được sản xuất ra ngày càng nhiều Các tính toán cho thấy hằng năm người ta thường thay thế khoảng 20% số bóng đèn sử dụng (không còn khả năng sử dụng) Trong những năm gần đây, số lượng bóng đèn quang thải bỏ ngày càng nhiều (tại Mỹ khoảng 200 triệu, tại Anh khoảng 100 triệu, Thái Lan khoảng 45 triệu) Nếu như năm 2005, cả nước ta mới tiêu thụ được 3 triệu bóng đèn compact thì năm 2006 con số này đã là 10,5 triệu chiếc Với quyết định của Thủ tướng về phê duyệt chương trình tiết kiệm điện giai đoạn 2006– 2010, đèn huỳnh quang compact chính thức được phép thay thế cho đèn dây tóc nóng sáng tại các vị trí thích 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 có nghĩa là 5 mg thuỷ ngân độc hại sẽ được phát tán ra môi trường, và gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ của những người tình cờ tiếp xúc với nó Theo khuyến cáo

10

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, mệt mỏi 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 hủy hoại 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 một bóng 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]

11

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 sử dụng 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 bụi than bằng nước cất sau đó được sấy khô ở nhiệt độ 1050C trong vòng 4 giờ và để nguội 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 1 giờ, than tẩm được tách khỏi dung dịch, rửa bằng nước cất, sấy khô 1050C trong vòng 3 giờ, để nguội trong bình hút ẩm thu được vật liệu than tẩm bromua Phần dung dịch và nước rửa được thu lại để phân tích lượng brom không hấp phụ Kết quả phân tích cho thấy khối lượng brom được hấp phụ tối đa trên than hoạt tính là 11,5%.[2]

Bảng 2.1 Khả năng hấp phụ brom của than hoạt tính

Khả năng hấp phụ % 99,13 99,24 99,4 99,47 95,62

Kết quả đo diện tích bề mặt riêng của vật liệu cho thấy sau khi tẩm bằng dung dịch 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 của than 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, tỷ khối và độ cứng hầu như không thay đổi so với than hoạt tính chưa biến tính Sự thay đổi quan trọng là về bề mặt riêng, tổng thể tích lỗ xốp và đường kính trung bình 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 đến khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu, mà sự quyết định ở đây là hoạt tính bề mặt 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

VT lỗ xốp dtb, Ao

13

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, cột hấp phụ đường kính 11,5 mm được nhồi 1,00g than kích thước hạt 0,1-0,5 mm và chạy tốc độ dòng 1,00 L/phút, thời gian chạy 60 phút Lượng thủy ngân được hấp phụ là hiệu số giữa lượng thủy ngân chạy không tải và lượng thủy ngân không bị hấp phụ trong cùng điều kiện nhiệt độ, áp suất và lưu lượng dòng khí

 Ảnh hưởng của brom mang trên than hoạt tính

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

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

 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 các vật liệu ở các nồng độ hơi Hg khác nhau, thử nghiệm được tiến hành như sau: cột hấp phụ được nhồi 1,00g vật liệu, cho thiết bị chạy với lưu lượng dòng khí mang là 0,50 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 thì cột hấp phụ được coi là đã cân bằng hấp phụ ở nồng độ đầu vào đó Kết quả đối với than 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 có khả năng hấp phụ hơi thủy ngân khá tốt, nhưng môi trường nhiệt độ cao thì giảm mạnh Khi than được biến tính bằng brom nguyên tố thì khả năng hấp phụ hơi thủy ngân được cải thiện rõ rệt cả về dung lượng hấp phụ lẫn độ bền và ổn định trước tác động của nhiệt độ Đây là điều kiện tốt để sử dụng loại vật liệu này cho các ứng

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 đã tham khảo thêm một số công nghệ đã và đang được nghiên cứu trong nước Trên thực tế đã có một số công nghệ đã được áp dụng để xử lý nguồn phát thải hơi thủy ngân tại những lò đốt rác hoặc các khu vực xử lý bóng đèn huỳnh quang nhưng không phải công nghệ nào cũng được áp dụng cho tất cả trường hợp xử lý hơi thủy ngân Khi kết hợp các công nghệ này, có thể đạt hiệu suất loại bỏ thủy ngân đến 90%, nhưng cũng chỉ áp dụng được với một số nhà máy chứ không phải tất cả Ba công nghệ thường được áp dụng để kiểm soát hơi thủy ngân: công nghệ tinh chế nguyên 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 Adsorption System ( Hg – VAS 3) thuộc đề tài KC.08.15/11-15 được đặt tại bộ môn Hóa Môi trường – Khoa hóa học – Trường đại học Khoa học Tự nhiên – ĐH Quốc gia Hà Nội

Hệ thống thiết bị nghiên cứu khả năng hấp phụ hơi thủy ngân gồm 3 mảng chính trong hình 2.2 và 2.3: (1) các thiết bị điều khiển và các thiết bị hấp thụ không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ được lắp đặt ở phía ngoài, mặt trước của vỏ hộp máy như 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 số không quá 0,1oC đó là thiết bị hóa hơi thủy ngân, thiết bị sấy nóng khí mang, các

16

ống 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 2.2 Thiết bị xử lý hơi thủy ngân

Các bộ phận của thiết bị Bên trong buồng bảo ôn

Hình 2.3 Bên trong thiết bị

1

2

3

17

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 dụng hút ẩm làm khô không khí Van 3 ngã 1 và Rotameter dùng để kiểm tra xem dòng khí có lưu thông không Tiếp đó dòng không khí khô sẽ đi qua van 3 ngã 2 và Rotameter2 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 thủy ngân 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 để

đảm 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 thủy ngân tạo ra trong khoảng thời gian khảo sát t và lượng thủy ngân không hấp phụ được 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 thành công ba thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi Hg cho ba phòng thí nghiệm của ba đơn vị tham gia chương trình Cả ba thiết bị được sử dụng trong thời gian 6 đến 7 tháng đã chứng tỏ độ ổn định và độ tin cậy cho nghiên cứu hấp phụhơi Hg Do trên thị

18

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 hại không nhỏ cho nền công nghiệp khai thác và sử dụng khí Do vậy, nghiên cứu phương pháp xử lý hơi thủy ngân trong quá trình khai thác và xử lý khí là một đề tài cấp 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 dòng sản 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 19m3, đường kính tháp là 3m và chiều cao của tầng hấp phụ là 2,7m tháp này được dùng trong năm năm và thay hóa chất sau năm năm sử dụng Đối với phần tính toán của tác giả, sau khi áp dụng các công thức trong phần nghiên cứu đã dùng bộ số liệu của mỏ để tính toán kích thước tháp hấp phụ và đạt được kết quả tương đồng như tháp đang sử dụng ngoài thực tế Kết quả bình hấp phụ tính toán sau khi so sánh với

19

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 pháp hấp phụ tĩnh và phương pháp động Do phương pháp hấp phụ động có hiệu suất cao hơn 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 trong các buồng hấp phụ có chứa các chất có khả năng hấp phụ Khí thải chứa các chất cần hấp phụ được dẫn qua lớp chất hấp phụ Các chất cần hấp phụ sẽ được giữ lại còn 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

21

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 ổn

định, 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 thủy

ngân, lượng hơi thủy ngân được hấp phụ và lượng hơi thủy ngân không bị hấp phụ

phải được xác định chính xác Việc xác định lượng thủy ngân này, dòng hơi thủy

ngân có thể được nối trực tiếp với máy hấp phụ nguyên tử hoặc được hấp thụ hoàn

toàn trong dung dịch và xác định sau Trong nghiên cứu, nhiều khi cần thay đổi

nồng độ hơi thủy ngân và nghiên cứu ảnh hưởng của các thành phần khí đến quá

trình hấp phụ hơi thủy ngân Do thủy ngân là kim loại có độ độc cao cho nên thiết bị

không 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

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

6

6

7