Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu tại phịng thí nghiệm của bộ mơn cơng nghệ hóa học chúng tôi đã chế tạo thành công thiết bị xử lý hơi thủy ngân và sẵn sàng cho những thử nghiệm tiếp theo.
Để đáp ứng những yêu cầu trên, hơi thủy ngân được tạo ra bằng cách sử dụng áp suất hơi thủy ngân bão hòa ở những giá trị nhiệt độ xác định. Khi đưa vào nghiên cứu có thay đổi nồng độ hơi thủy ngân được thực hiện bằng cách pha lỗng với khí sạch ở cùng nhiệt độ. Các khí ảnh hưởng được đưa vào hệ thống bằng các đường dẫn nối với các nguồn khí bên ngồi. Luồng khí khơ có cùng nhiệt độ sẽ mang hơi
Lưu lượng kế khí Lưu lượng kế nước
thủy ngân bão hòa bên trên bề mặt thủy ngân lỏng đi qua cột hấp phụ. Lượng thủy ngân trước và sau hấp phụ sẽ được hấp thụ vào dung dịch oxi hóa mạnh để chuyển Hg thành Hg2+và giữ lại trong dung dịch. Toàn bộ hệ thống thiết bị sẽ làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất bên ngồi nhờ máy hút khí đặt ở cuối đường ống. Chính điều này đã làm hơi thủy ngân khơng rị rỉ ra bên ngồi.
3.2.Khảo sát đánh giá khả năng hoạt động của thiết bị 3.2.1. Chạy thử nghiệm trong phịng thí nghiệm 3.2.1. Chạy thử nghiệm trong phịng thí nghiệm
Thiết bị xử lí hơi thủy ngân sau khi được hồn thành sẽ được đưa tới các lị đốt rác hoặc khu vực xử lí bóng đèn huỳnh quang để đánh giá khả năng hoạt động, và độ ổn định của thiết bị vì vậy trước khi đưa ra điều kiện thực tế cần phải kiểm tra thận trọng trong phịng thí nghiệm. Trong bước này hệ thống được đánh giá bởi hai dữ liệu:
Ảnh hưởng của lưu lượng nước đến lưu lượng dịng khí
Ảnh hưởng của chiều cao lớp vật liệu hấp phụ đến lưu lượng dịng khí Thứ nhất, yếu tố ảnh hưởng của lưu lượng nước toàn bộ thiết bị rỗng cả hai cột hấp phụ chưa được nhồi than hoạt tính, thay đổi lưu lượng khí từ 2m3/h đến 10 m3/h, tiếp theo nước được bơm lên cột rửa khí với lưu lượng thay đổi từ 20 L/phút đến 120 L/phút, theo dõi sự thay đổi tốc độ trên lưu lượng kế khí.
Thứ hai, yếu tố ảnh hưởng chiều dày lớp than hoạt tính, chiều cao lớp than sẽ được thay đổi, ban đầu nhồi thanvào cột số 4, khóa van cột số 5. Sau khi đánh giá xong tiếp tục nhồi than vào cả hai cột số 4 và 5, thay đổi chiều cao lớp than từ 10cm đến 52 cm, với lưu lượng của máy hút khí thay đổi từ 2 đến 10m3/h theo dõi sự thay đổi lưu lượng khí thiết bị đo.
3.2.1.1. Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng nƣớc tới lƣu lƣợng dịng khí
Nghiên cứu được tiến hành với cột rửa khí, điều chỉnh cơng suất của lưu lượng khí tại 5 điểm 2, 3, 5, 6, 10 (m3/h), lưu lượng nước được đưa vào cột rửa thay đổi
từ 20 đến 120 L/phút, toàn bộ hệ thống hoạt động trong vịng 30 phút và lưu lượng khí được lấy theo giá trị trung bình sau mỗi 6 phút.
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của lưu lượng nước tới lưu lượng khí
Q(m3/h) 0 20 40 60 80 100 120 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 10 10 10 10 10 10 10 10
Từ các số liệu trên ta có hình sau.
Hình 3.7. Ảnh hưởng lưu lượng nước tới lưu lượng khí
Theo hình 3.7 ta thấy rằng lưu lượng nước không ảnh hưởng đến lưu lượng khí khi ta thay đổi cơng suất từ 20L/phút đến 120L/phút, ảnh hưởng của cột rửa khí
0 2 4 6 8 10 0 20 40 60 80 100 120 Q(m 3 /h ) LL nƣớc L/phút LL nước L/phút
khi phun nước và không phun nước không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống, và do vậy sự ảnh hưởng này là không quan trọng
3.2.1.2. Ảnh hƣởng của chiều cao lớp than đến lƣu lƣợng khí
TN1: Khóa van cột hấp phụ số 5, mở và nhồi than vào cột hấp phụ số 4.
Nghiên cứu được tiến hành với than hoạt tính biến tính brom kích thước hạt 0,1- 0,5 mm, độ dày từ 0 đến 52 cm và tốc độ khí được thực hiện tại 5 điểm : 2, 3, 5, 6, 10 (m3/h). Toàn bộ hệ thống hoạt động trong vịng 30 phút, sau 6 phút lưu lượng khí được ghi lại và lấy giá trị trung bình.
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) Chiềudàythan(cm) Q(m3/h) 0 10 20 30 40 50 52 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 5 5 5 4,99 4,97 4,95 4,91 4,90 6 6 5,99 5,97 5,93 5,89 5,85 5,84 10 10 9,7 9,40 9,15 8,90 8,65 8,50
Hình 3.8. Ảnh hưởng của chiều cao lớp than (mở van số 4, đóng van số 5)
Theo như hình 3.8, khi giá trị của lưu lượng khí ở những giá trị nhỏ như 2, 3, 5, 6 (m3/h), thì ảnh hưởng của nó là khơng đáng kể, lưu lượng khí giảm khoảng 2 hoặc 3%. Ngược lại, lưu lượng khí giảm rõ rệt hơn khi đặt ở mức 10 (m3/h), giảm khoảng 10 – 15%. Vì vậy, giá trị ở mức 3 (m3/h) với độ dày lớp vật liệu lớn nhất hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu bình thường.
TN 2: Mở cả hai van số 4 và 5, nhồi vật liệu than hoạt tính vào hai cột hấp phụ
sau đó lập thực nghiệm như TN1:
Bảng 3.3. Ảnh hưởng chiều cao lớp vật liệu hấp phụ đến lưu lượng khí (khi mở hai van số 4 và 5) Chiềudàythan(cm) Q(m3/h) 0 10 20 30 40 50 52 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 2,99 2,98 2,97 2,96 2,95 5 5 4,95 4,91 4,87 4,85 4,78 4,75 6 6 5,97 5,95 5,91 5,89 5,86 4,85 10 10 9,6 9,40 9,15 8,70 8,15 7,90 0 2 4 6 8 10 12 0 10 20 30 40 50 Q(m 3 /h)
Từ các số liệu trên ta có hình sau:
Hình 3.9. Ảnh hưởng chiều cao lớp than đến lưu lượngkhí ( mở hai van số 4 và 5)
Theo hình 3.9 ta thấy rằng, khi cơng suất máy hút khí là 2, 3, 5, 6 (m3/h), thì lưu lượng khí khơng bị ảnh hưởng nhiều bởi chiều dày lớp than hoạt tính, nhưng điều chỉnh lưu lượng kế lên tới các giá trị là 10(m3/h) thì sự ảnh hưởng càng rõ nét hơn, lưu lượng khí giảm 15- 20%, nhưng nếu xét công suất làm việc của thiết bị tại giá trị là 3(m3/h) thì vẫn đáp ứng yêu cầu nghiên cứu.
3.2.2. Thử nghiệm thực tế
Địa điểm: Khu vực xử lý bóng đèn huỳnh quang – Cty TNHH Thương mại
Sản xuất Dịch vụ Môi trường xanh - Nam Sách- Hải Dương
Hàng năm công ty tiếp nhận hàng chục nghìn kg bóng đèn các loại, và ln trong tình trạng q tải thực tế thiết bị xử lý của công ty mới chỉ đạt công suất nhỏ 5-10kg chưa đáp ứng được nhu cầu. Và do vậy chúng tôi chọn đây là nơi thử nghiệm thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân.
0 2 4 6 8 10 12 0 10 20 30 40 50 Q(m 3 /h)
Hình 3.10. Địa điểm đặt thiết bị
Kết nối thiết bị xử lý hơi Hg với thiết bị xử lý bóng đèn huỳnh quang:
Để có được nguồn hơi thủy ngân phục vụ cho q trình nghiên cứu, chúng tơi kết nối ống dẫn hơi thủy ngân của hai thiết bị với nhau, tồn bộ q trình được trình bày sơ đồ sau:
Hình 3.11. Dịng hơi được dẫn qua thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi Hg
Sau khi bóng đèn được nghiền nát, dịng hơi thủy ngân sẽ đi qua cột rửa khí, bụi bẩn đã được loại bỏ dòng hơi tiếp tục được dẫn qua cột hấp phụ, tại đây Hg sẽ được than hoạt tính biến tính Brom xử lý và khí sạch sẽ đi ra ngồi, phần chất hấp phụ thải sẽ được chứa vào thùng phuy và xử lý sau.
3.2.2.1. Khảo sát nồng độ Hg đầu vào
- Ảnh hưởng của lưu lượng khí - Ảnh hưởng của các khí
Chuẩn bị:
- Vật liệu hấp phụ: 2kg vật liệu nhồi cho mỗi cột - Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng: 3 m3/h Tiến hành:
- Khí thải được hút trực tiếp khí từ thiết bị xử lý bóng đèn huỳnh quang qua thiết bị tạo hơi thủy ngân và qua cột hấp phụ.
- Thiết bị xử lý bóng đèn huỳnh quang vận hành 3h/mẻ/10 bóng (thiết bị chạy 2 mẻ/ ngày vào đầu buổi sáng và chiều)
- Sau 3 giờ lấy mẫu 1 lần
- Thời gian chạy 1 mẻ/lượt: Căn cứ vào dung lượng hấp phụ và nồng độ hơi thủy ngân đầu vào.
Để có thể xác định được nồng độ Hg đầu vào chúng tơi trích từ ống dẫn khí Hg một đoạn nhỏ được nối trực tiếp với một máy hấp thụ khí thay đổi lưu lượng từ 1 đến 3L/phút, nhiệm vụ của máy hấp thụ khí nó sẽ hấp thụ Hg vào 20ml dung dịch KMnO4 trong HNO31Mcó tính oxi hóa mạnh để chuyển Hg thành Hg2+ và giữ lại trong dung dịch, sau đó nồng độ Hg đầu vào sẽ được xác định sau bằng máy hấp thụ nguyên tử (hình 3.12)
Phương trình phản ứng
Hình 3.12. Xác định nồng độ Hg đầu vào
Khảo sát môi trƣờng xung quanh
- Nồng độ các khí xung quanh khu vực xử lý (đo trước 15 phút trước khi lấy mẫu)
- Nhiệt độ (khi bắt đầu chạy đến khi lấy mẫu) - Lưu lượng khí.
Kết quả nồng độ Hg đầu vào
Sau khi tiến hành khảo sát thiết bị như trên chúng tôi đã thu được kết quả nồng độ Hg đầu vào kết quả được tóm tắt ở bảng sau.
Xác định nồng độ Hg đầu vào Máy hấp thụ khí dd KMNO4, trong HNO3 0,1
Bảng 3.4. Kết quả nồng độ Hg đầu vào Mẫu Công suất (m3/h) LL Hấp thụ(l/p) Số
Bóng CO2 CO NO2 SO2 H2S
Nhiệt Độ (0C) Đầu vào (mg/m3) M1 3 1 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 32,00 KPH M2 3 1 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 32,00 KPH M1 3 1 10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 32,00 KPH M2 3 1 10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 32,00 KPH M2 3 2 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 32,00 KPH M2 3 2 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 32,00 KPH M2 3 2 10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 32,00 KPH M1 3 3 10 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 32,00 0,82 M1 3 3 10 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 32,00 0,84 M1 3 3 10 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 32,00 0.83 M1 3 3 10 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 32,00 0.83 M3 3 3 0 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 32,00 0.23 M4 3 3 0 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 32,00 0.26 M5 3 3 0 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 32,00 0,25 M6 3 3 0 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 32,00 0.28 Chú thích “ KPH ” khơng phát hiện
Lượng thủy ngân đầu vào khi có nghiền 10 bóng đèn huỳnh quang: 0,83 mg/m3
3.2.2.2. Khảo sát nồng độ Hg đầu ra
Khảo sát khí đầu ra của thiết bị hấp phụ: Đầu vào nồng độ Hg khi nghiền 10 bóng đèn huỳnh quang là 0,83 mg/m3giữ ở mức ổn định, tiến hành khảo sát tương tự trích đầu ra của thiết bị nối vào máy hút khí để xác định nồng độ đầu ra của thủy ngân (hình 3.13).
Hình 3.13. Xác định đầu ra của Hg
Chia làm 3 đợt:
Đợt 1:Chạy từ 9h00 ngày đầu tiên đến đủ 48 giờ
M1 M2 M3 M4 M5
Thời điểm lấy
mẫu 16h00 9h00 16h00 9h00
Tổng thời gian
chạy mẫu (giờ) 7 24 31 48
Nồng độ Hg đầu ra
Đợt 2: Chạy từ 11h00 ngày đầu tiên đến đến đủ 48 giờ
M1 M2 M3 M4 M5
Thời điểm lấy
mẫu 16h00 11h00 17h00 9h00 11h00
Tổng thời gian
chạy mẫu (giờ) 5 24 30 46 48
Đợt 3: Chạy từ 17h00 ngày đầu tiên đến đến đủ 48 giờ
M1 M2 M3 M4 M5
Thời điểm lấy
mẫu 9h00 16 h00 9h00 13h00 17h00
Tổng thời gian
chạy mẫu (giờ) 16 23 40 44 48
Kết quả nồng độ Hg đầu ra
Đợt chạy mẫu thứ nhất: Dùng dung dịch, hấp thụ khí tại đầu ra của hệ thống với lưu lượng hấp thụ là 3 L/phút tại các khoảng thời gian 7, 24, 31, 48 tiếng. Được kí hiệu lần lượt là I-1, I-2, I-3, I-4.
Đợt chạy mẫu thứ hai: dùng dung dịch, hấp thụ khí tại đầu ra của hệ thống với lưu lượng hấp thụ là 3 L/phút tại các khoảng thời gian 5, 24, 30, 46, 48 tiếng. Được kí hiệu lần lượt là II-1, II-2, II-3, II-4, II-5
Đợt chạy mẫu thứ ba: dùng dung dịch, hấp thụ khí tại đầu ra của hệ thống với lưu lượng hấp thụ là 3 L/phút tại các khoảng thời gian 16, 23, 40, 44, 48 tiếng. Được kí hiệu lần lượt là III-1, III-2, II-3, III-4, III-5.Kết quả phân tích các mẫu được thể hiện ở bảng dưới đây.
Bảng 3.5. Kết quả nồng độ Hg đầu ra
Đợt Chạy
Mẫu Tên Mẫu Thời Gian(giờ) Abs Đầu ra Hg (mg/m3)
I I-1 7 0,165 KPH I-2 24 0,16 KPH I-3 32 0,162 KPH I-4 48 0,169 KPH II II-1 5 0,167 KPH II-2 26 0,168 KPH II-3 30 0,168 KPH II-4 47 0,164 KPH II-5 48 0,170 KPH III III-1 16 0,160 KPH III-2 23 0,170 KPH III-3 40 0,165 KPH III-4 44 0,168 KPH III-5 48 0,165 KPH Chú thích: “ KPH ” khơng phát hiện
Nhìn vào kết quả của bảng 3.5 ta thấy rằng đầu vào giữ ở mức ổn định với nồng độ Hg là 0,83mg/m3 thì sau khi qua thiết bị hấp phụ hơi thủy ngân, nồng độ đầu ra đã được xử lý hoàn tồn, là do bề mặt than hoạt tính vẫn chưa no, và đây là thời điểm than hấp phụ tốt nhất, theo như tính tốn ban đầu phải sau hai tháng mới phải thay than.
3.3. Đề xuất hệ thống quy môcông nghiệp
Theo như những nghiên cứu trước đó để xây dựng được hệ thống xử lý hơi thủy ngân từ tại các cơ sở lị đốt rác, ta có các thơng số sau.
Tải trọng cân bằng: 284,4 mg/g.
Cần xử lí Vl khí thải/ 180 ngày (6 tháng) thay than một lần vdịng khí = 0,2 m/s= 720m/h
Khối lượng riêng than hoạt tính: d= 630(g/l)= 0,63(g/m3) Cơng suất của lị đốt Q= 200m3/h
Mỗi ngày yêu cầu thiết bị làm việc 8h/ngày Hiệu suất đảm bảo yêu cầu: H= 98% [1] Tiết diện của tháp hấp phụ:
S= 𝑄 𝑉 =200 720 = 0,2778 m2 Đường kính của tháp: d= 4𝑆 𝜋 =4.0,2778 3,14 = 0,5948 𝑚 ≈ 0,6 𝑚 Thể tích khí mà hệ thống phải xử lí(trong 6 tháng): Vkhí= 180.8.200= 288000 m3 Tổng khối lượng thủy ngân:
mHg = 288000.0,98.386,9= 109198656 mg (Hg) Khối lượng than cần dùng để hấp phụ toàn bộ lượng Hg trên:
mthan= 109198656 284,4 = 383961,519 𝑚𝑔 = 383,9615𝑘𝑔 Thể tích tháp hấp phụ: Vtháp= 𝑚𝐻𝑔 𝑑𝑡ℎ 𝑎𝑛 = 383,9615 0,63 = 609,4626 𝑙í𝑡
Vậy chiều cao của lớp than hoạt tính hthan= 𝑉
𝑆 = 609,4626
0,2778.1000= 2,1938m= 2,2𝑚
Các cơ sở đốt rác đã có hệ thống xử lý bụi và hơi nóng nên đã giảm bớt khối lượng công việc mà hệ thống phải làm, vì thế ở đây chúng tơi khơng trình bày giai
đoạn tiền xử lý. Như vậy, ước tính chiều cao của tháp hấp phụ là 2,2m và đường kính tháp là 0,6m
Tháp hấp phụ không chỉ dùng để xử lý hơi Hg mà nó cịn sử xử lý được cả CO2, SO2, NOx… và do vậy than hoạt tính là loại vật liệu được sử dụng phổ biến trong cơng nghệ xử lý khí thải.
KẾT LUẬN
Sau một thời gian nghiên cứu và thử nghiệm về “ Thiết kế và chế tạo hệ thống xử lý hơi thủy ngân” kết quả ghi nhận được như sau:
Hệ thống nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân đã được thiết kế và chế tạo thành công với hiệu suất đạt 98%
Những điều kiện phù hợp để thu được hiệu suất xử lý tốt nhất được xác định: - Nhiệt độ khí: 320C
- Tốc độ lưu lượng khí: 3m3/h
- Tuổi thọ của than hoạt tính (than hoạt tính được tẩm bromua): 2 tháng