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

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG 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 TRƢỜNG 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 CHƢƠNG 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 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG 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 CHƢƠNG 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(C 9 H 9 HgNaO 2 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 1-3m 3 /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 [MX 4 ] n [3] 5 Bảng 2.1. Khả năng hấp phụ brom của than hoạt tính 11 Bảng 2.2. Một số đặc trưng của vật liệu than hoạt tính và than hoạt tính biến tính 12 Bảng 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 32 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) 33 Bảng 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 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/m 3 , 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 CHƢƠNG 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 (Hg 3 S 2 Cl 2 ), livingstonit (HgSb 4 S 8 ) 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 200 Hg chiếm 23,3% và 202 Hg chiếm 29,6%. Thuỷ ngân đông đặc ở -40 0 C; sôi ở 357 0 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 3 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 300 0 C tạo thành HgO và ở 400 0 C 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]. 4 Thủy ngân tồn tại ở dạng khí hơi trong lò đốt MSW và lò đốt than, ví dụ như thủy ngân nguyên tố (Hg 0 ), hoặc ở dạng oxy hóa như oxit thủy ngân (HgO), thủy ngân clorua (HgCl 2 ) và mercurous chloride(Hg 2 Cl 2 ).[10] Sơ đồ thế oxi hóa khử của thủy ngân: Sơ đồ trên cho thấy muối Hg 2+ có khả năng oxi hóa. Khi tác dụng với những chất khử, muối Hg 2+ biến đổi thành muối Hg 2 2+ , sau đó biến thành Hg 0 . Còn khi tác dụng với thủy ngân kim loại, muối Hg 2+ lại tạo thành muối Hg 2 2+ . Hg(NO 3 ) 2 + Hg  Hg 2 (NO 3 ) 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 Hg 2+ mà là muối của Hg 2 2+ . Ion Hg 2+ 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 (HgX 2 ) là chất dạng tinh thể không màu, trừ HgI 2 có màu đỏ, HgF 2 là hợp chất có liên kết ion, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao nhất trong các halogenua HgX 2 , 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 HNO 3 và chỉ tan dễ khi đun nóng với nước cường thuỷ: 3HgS + 8HNO 3 + 6HCl  3HgCl 2 + 3H 2 SO 4 + 8NO + 4H 2 O 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 Hg 2+ Hg 2 2+ Hg 0 0,854 V [...]... 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. .. liệu hấp phụ + 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 20 CHƢƠNG 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. .. 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 6 7 Hình 3.1 Sơ đồ thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân CS 1-3m3/h 21... làm tăng cường dung lượng hấp phụ đồng thời tạo liên kết bền hơn giữa thủy 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 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... 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. .. 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... suất 3m3/h, đảm bảo nồng độ thủy 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 các yếu tốmôi trường khi đưa thiết bị ra thực tế ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm, diện tích chiều cao Trong thiết bị phần quan trọng nhất là cột hấp phụ, mục đích chính của phần thiết kế này là tính toán thể tích của tầng hấp phụ từ đó đưa ra những thông... hợp 27 Công suất: 160L/P Công suất: 16m3/h Sản xuất: China Sản xuất: China 3.1.4.Kết quả chế tạo thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân  Khung thiết bị Hình 3.4 Phần khung thiết bị 28 - Số liệu kỹ thuật của khung thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân này là 0,50 ×1,160 × 1,530 (m) - Đường ống dẫn khí được sản xuất bằng nhựa Tiền Phong PVC, UPVC C2 D34 với đường kính là 0.034m - Bơm ly tâm với... 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... 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 15 ống nạp vật liệu nghiên cứu hấp phụ, thiết bị trộn . 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. 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. 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