MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH DANH MỤC VIẾT TẮT MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………1 CHƯƠNG I : TỔNG QUAN TÀI LIỆU................................................................................ 2 1.1. Khí HF …………………………………………………………………………...2 1.1.1.Giới thiệu.......................................................................................................................... 2 1.1.2.Tính chất hóa lý của khí HF ........................................................................................... 2 1.1.3.Ứng dụng.......................................................................................................................... 2 1.1.4.Ảnh hưởng của khí HF.................................................................................................... 3 1.1.5.Nguồn gốc phát sinh của khí HF.................................................................................... 3 1.1.6.Biện pháp giảm thiểu....................................................................................................... 4 1.2. Các phương pháp xử lý khí HF ........................................................................................ 4 1.2.1.Phương pháp hấp thụ....................................................................................................... 4 1.2.2.Phương pháp hấp phụ...................................................................................................... 8 1.2.3. Phương pháp khô dùng hệ hấp phụ Fe2O3MnO2...................................................... 12 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................... 14 2.1. Đối tượng, mục tiêu nghiên cứu..................................................................................... 14 2.1.1. Đối tượng....................................................................................................................... 14 2.1.2. Mục tiêu nghiên cứu..................................................................................................... 14 2.1.3. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................................... 14 2.2. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................... 14 2.3. Phương pháp nghiên cứu, chế tạo .................................................................................. 14 2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu ...................................................................................... 14 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu vật liệu Fe2O3 –MnO2....................................................... 15 2.3.3. Chế tạo vật liệu.............................................................................................................. 16 2.3.3.1. Chế tạo gốm cordierit................................................................................................ 16 2.3.3. Phương pháp mô hình phòng thí nghiệm ................................................................... 18 2.3.4. Phương pháp phân tích................................................................................................ 21 2.3.5. Phương pháp xử lý số liệu............................................................................................ 24 CHƯƠNG III: MÔ HÌNH XỬ LÝ KHÍ HF BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ Fe2O3 MnO2(QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM)......................................................................... 25 3.1. Đánh giá vật liệu .............................................................................................................. 25 3.2. Đánh giá hiệu quả xử lý khí HF của vật liệu hấp phụ Fe2O3MnO2........................... 26 3.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của thời gian hấp phụ lên khả năng hấp phụ khí HF của vật liệu……………………………………………………………………………………26 3.2.2.Đánh giá tốc độ dòng khí đến khả năng hấp phụ khí HF của vật liệu Fe2O3MnO2.27 3.3. Tính toán thiết bị tháp hấp phụ ....................................................................................... 28 3.3.1.Truyền nhiệt ................................................................................................................... 28 3.3.2.Tính toán cân bằng vật chất.......................................................................................... 30 3.3.3.Tính toán thời gian hấp phụ một chu kỳ...................................................................... 33 3.3.4. Tái sinh vật liệu hấp phụ .............................................................................................. 34 3.3.5. Tính toán thiết bị phụ trợ.............................................................................................. 35 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................................... 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 1: MỘT SỐ NỘI DUNG THAM KHẢO PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA MÔI TRƯỜNG ĐỖ TRUNG BẮC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ HF ỨNG DỤNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ Fe2O3 –MnO2 (quy mô phòng thí nghiệm) HÀ NỘI, 2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA MÔI TRƯỜNG ĐỖ TRUNG BẮC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ HF ỨNG DỤNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ Fe2O3 –MnO2 (quy mô phòng thí nghiệm) Ngành Mã ngành : Công nghệ Kỹ thuật Môi trường : 52 51 04 06 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Phương Hạnh ThS Đoàn Thị Oanh HÀ NỘI, 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi: Đỗ Trung Bắc MSSV: DH00301395 Hiện sinh viên lớp ĐH3CM1 – Khoa Môi Trường – Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Với đề tài: “Thiết kế hệ thống xử lý HF ứng dụng vật liệu hấp phụ Fe2O3MnO2 (quy mô phòng thí nghiệm)” Tôi xin cam đoan đồ án thực hướng dẫn ThS Đoàn Thị Oanh – Giảng viên khoa Môi Trường – Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Tôi xin chịu trách nhiệm xác tính trung thực đồ án Hà Nội, tháng năm 2017 Sinh viên Đỗ Trung Bắc LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, trước tiên em xin chân thành cảm ơn giảng viên khoa Môi Trường Trường Đại Học Tài Nguyên Môi Trường Hà Nội dành thời gian, sức lực tâm huyết tận tình truyền đạt kiến thức đặc biệt kiến thức chuyên môn cần thiết giúp em có kỹ quan trọng để phục vụ cho trình làm đồ án tốt nghiệp Đồng thời, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Th.S Đoàn Thị Oanh – Giảng viên khoa Môi Trường – Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội, TS Nguyễn Phương Hạnh KS Phùng Đức Hiếu – Viện Công Nghệ Môi Trường quan tâm, giúp đỡ tận tình bảo hướng dẫn em suốt trình thực đồ án Cuối em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, người giúp đỡ, ủng hộ, động viên tạo điều kiện tốt cho em suốt thời gian theo học trường nói chung thời gian thực đồ án nói riêng Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2017 Sinh viên Đỗ Trung Bắc DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH DANH MỤC VIẾT TẮT yd Phần mol HF hỗn hợp khí đầu vào ( Phần khối lượng HF hỗn hợp khí đầu vào (kmol HF/kmol hỗn hợp) Khối lượng riêng hỗn hợp khí đầu vào (kg/m3) Phần mol HF hỗn hợp khí đầu Phần khối lượng HF hỗn hợp khí đầu (kmol HF / kmol hỗn hợp) Khối lượng riêng hỗn hợp khí đầu (kg/m3) Lưu lượng khối lượng hỗn hợp khí đầu vào ) Lưu lượng khối lượng HF hỗn hợp khí đầu vào ) Lưu lượng khối lượng không khí hỗn hợp khí đầu vào Lưu lượng khối lượng HF hổn hợp khí đầu Lưu lượng khối lượng hổn hợp khí đầu M Khối lượng HF bị hấp phụ vật liệu hấp phụ Hệ số bão hòa vật liệu HF Hydroclorua TCVN Tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia SEM Scanning Electron Microscope- Hiển vi điện tử quét BET Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng MỤC LỤC MỞ ĐẦU Việt Nam quốc gia có vấn đề ô nhiễm môi trường Trong đó, ô nhiễm môi trường không khí vấn đề xúc, đặc biệt môi trường đô thị, công nghiệp làng nghề Ô nhiễm môi trường không khí có tác động xấu sức khoẻ người (đặc biệt gây bệnh đường hô hấp), ảnh hưởng đến hệ sinh thái biến đổi khí hậu như: hiệu ứng nhà kính, mưa axít suy giảm tầng ôzôn, Sự phát triển khu công nghiệp, khu đô thị làng nghề quy mô số lượng tín hiệu tốt phát triển kinh tế đất nước Tuy nhiên, bên cạnh lợi ích đem lại vấn đề ô nhiễm môi trường không khí ngày nhiều, áp lực làm biến đổi chất lượng không khí theo chiều hướng xấu lớn Vì vậy, cần có giải pháp kịp thời để khắc phục hạn chế tới mức thấp tình trạng ô nhiễm môi trường không khí, góp phần bảo đảm sức khỏe cho cộng đồng Hydroflorua (HF) chất khí độc hại sinh trình hoạt động lò gạch, gốm sứ, thủy tinh trình đốt than…Do hoạt động núi lửa nguồn tự nhiên sinh khí HF Khí HF gây tác hại lớn cho xanh sức khỏe người tiếp xúc phải, tiếp xúc với nồng độ cao gây bệnh nghiêm trọng ung thư, phá hủy cấu trúc xương, bệnh thận tiếp xúc với lượng lớn HF thời gian dài đường gây tử vong cho người Vì phương pháp có hiệu xử lý khí HF cao yêu cầu cấp thiết Hiện nay, nhiều phương pháp phát triển để xử lý khí Hydroflorua (HF), ví dụ phương pháp hấp phụ, hấp thụ dung dịch xút NaOH 5-10% Tuy nhiên hấp phụ kỹ thuật quan trọng sử dụng để loại bỏ khí Hydroflorua dễ vận hành chi phí thấp phù hợp với điều kiện Việt Nam Vì vậy, để áp dụng kiến thức học thời gian qua, nhằm định hướng cho việc góp phần nhỏ công kiểm soát ô nhiễm không khí Đồng thời, việc xử lý tận dụng nguồn ô nhiễm HF hay xử lý khí đạt quy chuẩn trước môi trường cần thiết Chính vậy, em chọn đề tài “Thiết kế hệ thống xử lý HF ứng dụng vật liệu hấp phụ Fe2O3MnO2 (quy mô phòng thí nghiệm) ” CHƯƠNG I : TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Khí HF 1.1.1 Giới thiệu Hình 1.1 Cấu trúc phân tử HF HF cấu tạo từ Hidro Flo, liên kết tạo thành liên kết cộng hóa trị Khi HF sinh từ từ nhà máy Supephotphat, lò nung gạch ngói, gốm sứ, thuỷ tinh từ trình đốt than… Hoạt động núi lửa nguồn tự nhiên sinh khí 1.1.2 Tính chất hóa lý khí HF HF chất không màu, độc, tnc = -3.36 0C, ts = 19.52 0C, KLR 0.98g/cm3 (ở 120C) Tan vô hạn nước tạo thành Axit Flohydric HF axit yếu Khí HF tan vô hạn nước tạo dung dịch axit flohidric, khác với axit HCl, axit HF axit yếu, tính chất đặc biệt axit HF tác dụng với silic đioxit (SiO2) có thành phần thủy tinh) → không dùng chai lọ thủy tinh để đựng dd axit HF SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O Hơi nước bốc cháy tiếp xúc với khí flo: 2F2 + 2H2O → 4HF + O2 1.1.3 Ứng dụng HF sử dụng chủ yếu công nghiệp, công nghiệp hóa dầu Khí dùng làm chất tẩy rửa gỉ sắt, làm đồng; dùng để khắc thủy tinh… Phản ứng HF SiO2 xảy theo phương trình : 4HF + SiO2 Từ HF SiF4 + 2H2O NaF, SnF2 bổ sung vào kem đánh để ngừa sâu 10 v1: vận tốc dòng khí qua lưới Ta cho diện tích rỗng 50% diện tích lưới Do v1 = 2× vk = ×0,026 = 0,052 (m/s) Trở lực dòng khí qua lớp than: Với: H: chiều cao lớp vật liệu , h = 0,3 m = 0,984 ft ( 1m = 3,28 ft) v2: vận tốc dòng khí qua lớp vật liệu (ft/min), v = 0,026 m/s = 5,098 (ft/min), (1 ft/min= 0,0051 m/s) ( inch H2O = 249.0889 Trở lực tháp: Đường kính ống + Chọn đường kính ống dẫn hỗn hợp khí vào 27 mm Bề dày ống, chọn b = 0,3() Lưu lượng khí đầu vào: 0,2.10-5 m3/s Vậy vận tốc hỗn hợp khí vào: = = = 0,003 m/s + Đường kính ống dẫn hỗn hợp khí Chọn đường kính ống dẫn hỗn hợp khí : 27 () Bề dày ống, chọn b = 0,3() Tính toán khí Thiết bị làm việc nhiệt độ t = 120 oC điều kiện ăn mòn, chọn vật liệu thép không gỉ inox để chế tạo thiết bị Do phải chịu tác dụng hoá học với khí thải dung dịch có tính ăn mòn cao nên vật liệu chế tạo tháp hấp thụ đường ống dẫn khí chọn loại thép hợp kim đặc biệt thuộc nhóm thép không gỉ, bền nhiệt chịu nhiệt, chúng có tính chòu ăn mòn cao điều kiện làm việc thiết bị 41 Giới hạn bền:σK = 850.106 (N/m2) - Giới hạn chảy: σc = 650.106 (N/m2) - Chiều dày thép: b = 0,4 – 0,25 (mm) - Độ dãn tương đối: δ = 40% - Hệ số dẫn nhiệt: λ = 16,3 (W/m.0C) - Khối lượng riêng: ρ = 7900 (kg/m3) Chọn công nghệ gia công hàn tay hồ quang điện, cách hàn giáp mối bên - Hệ số hiệu chỉnh: η = - Hệ số an toàn bền kéo: nk = 2,6 - Hệ số an toàn bền chảy: nc = 1,5 Chiều dày thân Đường kính D = 0,32 m =320 mm Chiều cao tháp H = 0,5 m Vật liệu inox - Chiều dày thép: 0,3 ÷ 0,4 mm - Giới hạn bền = 850 106 N/m2, - = 650 106 N/m2 Ta có: η = 1,0; nk = 2,6; nc = 1,5 [6, bảng II III, tr.356] Ứng suất cho phép inox theo giới hạn bền kéo: [] = η = = 327 106 N/m2 Ứng suất cho phép inox theo giới hạn chảy: [] = η = = 433 106 N/m2 Chiều dày đáy, nắp 42 - Đáy Chóp hình nón thép, góc đáy 600 Ta chọn inox vật liệu làm nắp tháp đáy 43 ( Phụ lục 1) KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Chế tạo vật liệu Fe2O3 –MnO2 có khả hấp phụ khí ứng dụng xử lý khí HF: vật liệu Fe2O3 –MnO2 sau điều chế có kích thước hạt từ 80 – 200 nm; diện tích bề mặt riêng theo BET 7,0937 m2/g Đánh giá ảnh hưởng thời gian hấp phụ lên khả hấp phụ khí HF vật liệu: kết nghiên cứu cho thấy điều kiện nghiên cứu tốc độ khí đầu vào Q = 1,2 l/phút, nồng độ khí HF đầu vào mg/m 3, trọng lượng vật liệu hấp phụ Fe2O3-MnO2 sử dụng nghiên cứu gram, thời gian hấp phụ khí thay đổi 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút, 50 phút, 60 phút; nhiệt độ hấp phụ trì 120 oC hiệu suất hấp phụ vật liệu > 90% Đánh giá tốc độ khí đến khả hấp phụ khí HF Fe2O3-MnO2: điều kiện nghiên cứu nồng độ khí HF đầu vào mg/m3, tốc độ khí đầu vào thay đổi với: Q = 1,2; 1,5; 2,0; 2,5 l/phút, trọng lượng vật liệu hấp phụ Fe2O3-MnO2 sử dụng nghiên cứu gram, thời gian hấp phụ khí 40 phút, nhiệt độ hấp phụ trì 120 oC Kết thu cho thấy độ hấp phụ HF vật liệu tăng tăng tốc độ khí đầu vào Thiết kế hệ mô hình xử lý xử lý khí HF ứng dụng vật liệu hấp phụ Fe2O3 –MnO2 Các khí độc hại SO2, CO2, Cl2, HF, xử lý với phương pháp thu hồi HF, HCl sản xuất HCl, HF nồng độ cao Vật liệu hấp phụ Fe2O3 – MnO2 hấp phụ nhiều chất khí khác HF KIẾN NGHỊ Trong trình nghiên cứu khả xử lý khí thải thiết bị, điều kiện thời gian kinh phí hạn chế, khả chuyên môn chưa cao nên số lượng thí nghiệm hạn chế, cần đầu tư thêm để đánh giá hiệu xử lý khí HF vật liệu Những số liệu thu trình tài liệu thực tiễn mở rộng phạm vi cho nghiên cứu liên quan đến vấn đề nhằm nâng cao hiệu suất xử lý khí thải điều kiện khác nhau, phục vụ rộng rãi sản xuất đời sống 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bin, Các trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm, tập 4, Các trình truyền chất (chuyển khối, khuếch tán), Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam , Quá trình thiết bị công nghiệp hoá học – Ví dụ tập,- Tập 10, Trường đại học Bách Khoa TP.HCM [3] Trần Hồng Côn Đồng Kim Loan, Công nghệ xử lý khí thải, Đại học quốc gia Hà Nội [4] Trần Ngọc Chấn, Giáo trình ô nhiễm không khí xử lý khí thải tập [5] Nguyễn Thu Huyền, Mai Quang Tuấn (2014), Giáo trình kỹ thuật xử lý khí thải, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội [6] Mai Hữu Khiêm, Giáo trình hóa keo, Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh [7] Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Hồ Lê Viên, Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 1,Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [8] Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Phạm Xuân Toản, Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội [9] Phạm Xuân Toản, Các trình thiết bị công nghệ hóa chất thực phẩm, tập 3, Các trình thiết bị truyền nhiệt, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [10] Trần Ngọc Tuyên, Tạp chí khoa học, Đại học Huế, số 48, 2008 [11] Công ty vật liệu chịu lửa Dũng Thu – Yên Viên- Gia Lâm- Hà Nội [12] Phương pháp thử Niosh method 7906 [13] Đặng Đình Kim, Bùi Thị Kim Anh, Trần Thị Minh Nguyệt, Đoàn Thị Oanh, Nghiên cứu công nghệ sử dụng khí thải đốt than để sản xuất sinh khối vi tảo có giá trị dinh dưỡng KC 08-08/11-15 PHỤ LỤC 1: MỘT SỐ NỘI DUNG THAM KHẢO Bảng I Độ nhớt chất khí áp suất at Bảng II Độ nhớt không khí phụ thuộc vài nhiệt độ áp suất(μ.108, N.s/m2) Bảng III Bảng tính toán nắp thiết bị hình nón PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU Bột Tal Bột Al(OH)3 Bột cao lanh Gốm cordierite sau nung MnO2 Bột gốm cordierite nghiền Fe2O3 Khuôn vật liệu Vật liệu trước nung Mẫu đem đo BET Vật liệu sau nung Mẫu đem đo SEM Ống nhựa, van Hộp chứa khí Bộ điều khiển gia nhiệt Quạt hút, đẩy khí Máy nén khí Tháp hấp phụ Thiết bị điều chỉnh lưu lượng khí Buồng hấp phụ Tủ sấy Bóng chứa khí Bơm khí từ máy nén vào bóng Thiết bị lấy mẫu khí HF SIBATA Ống thu khí HF Hệ hấp phụ khí Ống chứa vật liệu hấp phụ Nguyên liệu sau phối trộn TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc KHOA MÔI TRƯỜNG NỘI DUNG CHỈNH SỬA ĐỒ ÁN THEO Ý KIẾN CỦA HỘI ĐỒNG ST T Nội dung yêu cầu chỉnh sửa đồ án theo ý kiến Hội đồng Quá trình chế tạo lắp ráp vật liệu ống tháp hấp phụ Thêm vào tài liệu tham khảo tỷ lệ phối trộn từ nghiêm cứu Thông số đầu vào cần kiểm soát, khí tạo Đổi tên chương thành Đối tượng Phương pháp nghiên cứu Thêm hiệu xử lý phương pháp xử lý khí HF khác % để so sánh với phương pháp có hiệu tốt không Trang chỉnh sửa 16, Đã bổ sung vào mục 2.3.3.2, phụ lục ảnh 17, 18 Đã bổ sung tài liệu tham khảo tạp chí khoa học, Đại học Huế Nghiên cứu công nghệ sử dụng khí 16, 17 thải đốt than để sản xuất sinh khối vi tảo có giá trị dinh dưỡng KC 0808/11-15 Tiếp nhận ý kiến chỉnh sửa sinh viên Đã bổ sung vào mục 2.3.3 18 Đã sửa theo yêu cầu Đã bổ sung vào mục 1.2.1.4 mục 8, 28 3.2 Hà Nội, ngày 02 tháng 06 năm 2017 Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Chủ tịch Hội đồng (Ký ghi rõ họ tên) Sinh viên thực (Ký ghi rõ họ tên) ... không khí Đồng thời, việc xử lý tận dụng nguồn ô nhiễm HF hay xử lý khí đạt quy chuẩn trước môi trường cần thiết Chính vậy, em chọn đề tài Thiết kế hệ thống xử lý HF ứng dụng vật liệu hấp phụ Fe2O3MnO2... thời gian hấp phụ lên khả hấp phụ khí HF vật - liệu Fe2O3- MnO2 Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ khí đầu vào lên khả hấp phụ khí HF vật - liệu Fe2O3- MnO2 Quy trình chế tạo thu khí HF Sử dụng bếp điện... chất bị hấp phụ Lượng khí bị hấp phụ tỷ lệ thuận theo diện tích bề mặt vật liệu hấp phụ - Một ưu điểm trình hấp phụ vật lý tốc độ hấp phụ diễn nhanh Hấp phụ hoá học : - Là loại hấp phụ gây