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 giao cho em đề tài tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ PGS Trần Hồng Côn thầy cô giáo môn Hóa Môi Trường- Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên trang bị cho em hệ thống kiến thức khoa học tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình thực đề tài Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè người thân bên cạnh chia sẻ, động viên tạo điều kiện tốt cho học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn 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.Giới thiệu chung thủy ngân 1.2.Tính chất thủy ngân 1.3.Ứng dụng, độc tính nguồn phát thải thủy ngân Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Error! Bookmark not defined 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.1.1 Mục tiêu: Error! Bookmark not defined 2.1.2 Nội dung: Error! Bookmark not defined 2.2 Đánh giá khả hấp phụ than hoạt tính biến tính Brom Error! Bookmark not defined 2.2.1 Chế tạo vật liệu than hoạt tính biến tính BromError! Bookmark not defined 2.2.2 Đặc trưng vật liệu Error! Bookmark not defined 2.2.3 Nghiên cứu khả hấp phụ vật liệuError! Bookmark not defined 2.3 Một số công nghệ xử lý thủy ngân Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Thiết kế chế tạo thiết bị Error! Bookmark not defined 3.1.1 Yêu cầu thiết bị xử lý Error! Bookmark not defined 3.1.2 Sơ đồ thiết bị xử lý hấp phụ Hg Error! Bookmark not defined 3.1.3 Tính toán thiết kế Error! Bookmark not defined 3.1.4 Kết chế tạo thiết bị nghiên cứu hấp phụ thủy ngânError! Bookmark not de 3.2.Khảo sát đánh giá khả hoạt động thiết bị Error! Bookmark not defined 3.2.1 Chạy thử nghiệm phòng thí nghiệmError! Bookmark not defined 3.2.2 Thử nghiệm thực tế Error! Bookmark not defined 3.3 Đề xuất hệ thống quy môcông nghiệp Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Thủy ngân kim loại nhiệt độ phòng Hình 1.2 Máy đo huyết áp thủy ngân Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Thimerosal(C9H9HgNaO2S) Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Bóng đèn huỳnh quang có chứa Hg Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Bóng đèn compact Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Khả hấp phụ Hg vật liệu ảnh hưởng nhiệt độ đến khả hấp phụ chúng Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Thiết bị xử lý thủy ngân Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Bên thiết bị Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Hệ thống xử lý thủy ngân mỏ Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống tháp hấp phụ công nghiệp Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Xử lý bụi Hình 2.8.Mô hình tháp hấp phụ Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Sơ đồ thiết bị nghiên cứu hấp phụ thủy ngân CS 1-3m3/h Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Cột rửa khí Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Sơ đồ cột hấp phụ Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Phần khung thiết bị Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Mô hình hệ thống xử lý thủy ngân Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Hình ảnh thiết bị thực tế Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Ảnh hưởng lưu lượng nước tới tốc độ khí Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Ảnh hưởng chiều cao lớp than (mở van số 4, đóng van số 5) Error! Bookmark not defined Hình 3.9 Ảnh hưởng chiều cao lớp than đến lưu lượng khí (mở hai van số 5) Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Địa điểm đặt thiết bị Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Dòng dẫn qua thiết bị nghiên cứu hấp phụ Hg Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Xác định nồng độ Hg đầu vào Error! Bookmark not defined Hình 3.13 Xác định đầu Hg Error! Bookmark not defined DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Hằng số bền phức chất [MX4]n [3] Error! Bookmark not defined Bảng 2.1 Khả hấp phụ brom than hoạt tính Error! Bookmark not defined Bảng 2.2 Một số đặc trưng vật liệu than hoạt tính than hoạt tính biến tính Error! Bookmark not defined Bảng 2.3 Tải trọng hấp phụ cân vật liệu nồng độ Hg khác Error! Bookmark not defined Bảng 3.1 Ảnh hưởng lưu lượng nước tới tốc độ khí Error! Bookmark not defined Bảng 3.2 Ảnh hưởng độ dày lớp vật liệu hấp phụ đến lưu lượng khí (mở van số 4, đóng van số 5) Error! Bookmark not defined Bảng 3.3 Ảnh hưởng chiều cao lớp liệu hấp phụ đến lưu lượng khí (khi mở hai van số 5) Error! Bookmark not defined Bảng 3.4 Kết nồng độ Hg đầu vào Error! Bookmark not defined Bảng 3.5 Kết nồng độ Hg đầu Error! Bookmark not defined MỞ ĐẦU Thủy ngân coi kim loại có độc tính cao tồn môi trường, thủy ngân coi chất ô nhiễm không khí nguy hại Do đó, giảm thiểu phát thải biện pháp xử lý thủy ngân vấn đề nhiều quốc gia quan tâm đặc biệt nước phát triển công nghiệp Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam… Ở Việt Nam, việc nhà máy khu công nghiệp, sở Y tế… hàng năm phát thải môi trường với hàm lượng thủy ngân cao nhiều lần mức cho phép so với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia lò đốt chất thải công nghiệp (QCVN 30:2012/BTNMT)là 0,2mg/m3, nhu cầu xử lý thủy ngân trước đưa khí thải môi trường theo QCVN cấp bách.[1] Tại Việt Nam, chưa có hệ thống xử lý thủy ngân hoạt động sản xuất, xử lý có phát thải thủy ngân đốt rác, tái chế rác thải.Trong số công nghệ xử lý thủy ngân công bố giới, phương pháp hấp phụ phương pháp có nhiều ưu điểm hiệu xử lý, giá thành tính khả thi áp dụng thực tế Cho đến có nhiều loại vật liệu hấp phụ thủy ngân nghiên cứu chế tạo ứng dụng, phần lớn vật liệu sử dụng than hoạt tính vật liệu tính chất ưu việt vật liệu hấp phụnhư diện tích bề mặt lớn, kích thước mao quản đa dạng, loại vật liệu phổ thông, dễ kiếm giá thành chấp nhận an toàn sử dụng[1] Với mục đích nghiên cứu xử lý hiệu thủy ngân lò đốt rác, sở xử lý tái chế loại bóng đèn huỳnh quang, đèn cao áp có chứa thủy ngân từ nhu cầu thực tiễn tiến hành “Thiết kế chế tạo thiết bị nghiên cứu hấp phụ thủy ngân mô hệ thống quy mô sản xuất’’với hi vọng thiết bị ứng dụng để kiểm soát, xử lý thủy ngân phát thải trình thực tiễn CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung thủy ngân Thủy ngân nguyên tố vỏ trái đất, tự nhiên thủy ngân có mặt dạng vết nhiều loại khoáng, đá chu sa (HgS), corderoit (Hg3S2Cl2), livingstonit (HgSb4S8) khoáng chất khác, chu sa quặng phổ biến Các loại khoáng trung bình chứa khoảng 80 phần tỷ thủy ngân Các loại nguyên liệu, than đá than nâu chứa vào khoảng 100 phần tỷ thủy ngân Hàm lượng trung bình tự nhiên đất trồng 0,1 phần triệu Người Trung Quốc Hindu cổ đại biết tới thủy ngân tìm thấy mộ cổ Ai Cập có niên đại khoảng 1500 TCN Thủy ngân có kí hiệu hóa học Hg viết tắt Hydrargyrum, từ Latinh hóa từ Hy Lạp Hydrargyros tổ hợp hai từ 'nước' 'bạc' lỏng nước có ánh kim bạc Trong ngôn ngữ Châu Âu nguyên tố đặt tên Mercury lấy theo tên thần La Mã, biết đến với tính linh động 1.2 Tính chất thủy ngân Thủy ngân kim loại màu trắng bạc không khí ẩm bị bao phủ màng oxit nên ánh kim Thuỷ ngân có đồng vị bền, chiếm 23,3% 202 200 Hg Hg chiếm 29,6% Thuỷ ngân đông đặc -400C; sôi 3570C; tỷ trọng 13,6trọng lượng phân tử 200,61 Là kim loại tồn dạng lỏng điều kiện thường nên thủy ngân dùng nhiệt kế, áp kế, phù kế bơm chân không… Thủy ngân nguyên tố tương đối trơ mặt hoá học so với nguyên tố nhóm IIB, có khả tạo hỗn hống với kim loại Sự tạo thành hỗn hống đơn giản trình hoà tan kim loại vào thủy ngân lỏng tương tác mãnh liệt kim loại thủy ngân Tuỳ thuộc vào tỷ lệ kim loại tan thủy ngân mà hỗn hống dạng lỏng rắn Một công dụng lớn thủy ngân người sử dụng từ xa xưa tạo hỗn hống với vàng, bạc để tách nguyên tố khỏi đất, đá, quặng Ở nhiệt độ thường, thủy ngân không phản ứng với oxi phản ứng mãnh liệt 3000C tạo thành HgO 4000C oxit lại phân huỷ thành nguyên tố Ngoài ra, thủy ngân tác dụng với halogen, lưu huỳnh nguyên tố không kim loại khác phốt pho, selen v.v Đặc biệt tương tác thủy ngân với lưu huỳnh iot xảy dễ dàng nhiệt độ thường lực liên kết với lưu huỳnh iot cao Các hợp chất thuỷ ngân có mức oxi hoá +2 +1, xác suất tạo thành hai trạng thái oxi hoá gần tương đương với mặt nhiệt động học, trạng thái oxi hoá +2 thường gặp bền +1 Hình 1.1 Thủy ngân kim loại nhiệt độ phòng Hình thái thủy ngân môi trường đặc trưng phức hóa học, diễn thể khí thể nước Trong phản ứng hóa học, sai số lớn thường xuất hiện, phản ứng oxy hóa khử, sai số làm thay đổi liên tục hệ số thủy ngân nguyên tố 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 nước, mức độ nguy hiểm nhiều nhiều, phụ thuộc vào môi trường gần với nguồn phát sinh chất thải, dễ dàng vào chu kỳ sinh [10] Thủy ngân tồn dạng khí lò đốt MSW lò đốt than, ví dụ thủy ngân nguyên tố (Hg0), dạng oxy hóa oxit thủy ngân (HgO), thủy ngân clorua (HgCl2) mercurous chloride(Hg2Cl2).[10] Sơ đồ oxi hóa khử thủy ngân: Sơ đồ cho thấy muối Hg2+ có khả oxi hóa Khi tác dụng với chất khử, muối Hg2+ biến đổi thành muối Hg22+, sau biến thành Hg0 Còn tác dụng với thủy ngân kim loại, muối Hg2+ lại tạo thành muối Hg22+ Hg(NO3)2 + Hg  Hg2(NO3)2 Bởi vậy, tác dụng với axit nitric hay axit sunfuric đặc, có dư thủy ngân sản phẩm thu muối Hg2+ mà muối Hg22+ Ion Hg2+ có khả tạo nên nhiều phức chất, thủy ngân có số phối trí đặc trưng Các muối thuỷ ngân (II) halogenua (HgX2) chất dạng tinh thể không màu, trừ HgI2 có màu đỏ, HgF2 hợp chất có liên kết ion, nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sôi cao halogenua HgX2, bị thuỷ phân gần hoàn toàn nước lạnh Ba halogenua lại thể rõ đặc tính cộng hoá trị Chúng tan số dung môi hữu nhiều nước Trong nước, ba halogenua phân ly (~ 1%) nên bị thuỷ phân không đáng kể Ở trạng thái dung dịch, chúng tồn dạng phân tử Thủy ngân sunfua (HgS) chất dạng tinh thể có màu đỏ màu đen, tan nước với tích số tan 10-53 HgS tan chậm dung dịch axit đặc kể HNO3 tan dễ đun nóng với nước cường thuỷ: 3HgS + 8HNO3 + 6HCl  3HgCl2 + 3H2SO4 + 8NO + 4H2O TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Trần Hồng Côn, Đồng Thị Kim Loan, Công nghệ xử lý khí thải (2006), Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Lê Thị Cẩm Nhung“Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng vật liệu hấp phụ chọn lọc Hg từ than hoạt tính” Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN Đặng thị Thanh Lê, Nguyễn Trọng Uyển, Hóa học vô (2013), Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Huỳnh Việt Quang, Tạ Quốc Dũng, Nguyễn Minh Hải “Nghiên cứu phương pháp xử lý thủy ngân khai thác khí” Trường Đại học Bách khoa TP.HCM Mạc Văn Thức “Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ thủy ngân”Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng hóa học, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Mai Thanh Truyết (12/2008), “Hiểm họa thủy ngân than nhiệt điện”, Y dược Ngày Tiếng Anh D.J Akers, B Toole-O’Neil (1998), “Coal cleaning for HAP control: cost and performance”, Presented at the International Technical Conference on Coal Utilization and Fuel Systems, March 9– 13 D.J Akers, B Toole-O’Neil (1998), “Coal cleaning for HAP control: cost and performance”, Presented at the International Technical Conference on Coal Utilization and Fuel Systems, March 9– 13 10 C Battistoni, E Bemporad, A Galdikas, S Kačiulis, G Mattogno, S.Mickevičius, V Olevano (1996), “Interaction of mercury vapour with thin films of gold”, Appl Surf Sci 103, pp 107–111 11 P Biswas, C.Y Wu (2005), “Critical review: nanoparticles and the environment”, J Air Waste Manage Assoc 55, pp 708–746 12 Yan Cao,Jiang Wu, Weiguo Pan, Minqiang Shen, Jianxing Ren, Yuying Du…“Evaluation of mercury sorbents in a lab-scale multiphase flow reactor, a pilot-scale slipstream reactor and full-scale power plant” 13 T Chien, H Chu, and H Hsueh (2003), “Kinetic study on absorption of SO2 and NOx with acidic NaClO2 solutions using the spraying column”, Journal of EnvironmentalEngineering, vol 129, pp 967-974 14 J Dong, Z Xu, S.M Kuznicki (2009), “Magnetic multi-functional nano composites for environmental applications”, Adv Funct Mater 19, pp 1268–1275 15 J Dong, Z Xu, S.M Kuznicki (2009), “Mercury removal from flue gases by novel regenerable magnetic nanocomposite sorbents”, Environ Sci Technol 43, pp 3266–3271 16 D.D Ferris, et al (1992), “Engineering Development of Advanced Physical Fine Coal Cleaning Technologies-Froth Flotation”, ICF Kaiser Engineers Final Report for U.S.Department of Energy Agreement No DEAC22- 88PC88881, Dec 17 R.B Finkelman, R.W Stanton, C.B Cecil, J.A Minken (1979), “Modes of occurrence of selected trace elements in several Appalachian coals”, Prepr Pap.Am Chem Soc., Div Fuel Chem 23– 24, pp –24 18 K.C Galbreath, D.L Toman, C.J Zygarlicke, J.H Pavlish (2000), “Trace element partitioning and transformations during combustion of bituminous and subbituminous U.S coals in a 7-kW combustion system”, Energy Fuels 14 (6), pp 1265– 1279 19 S.B Ghorishi, R.M Keeney, S.D Serre (2002), “Development of a Climpregnated activated carbon for entrained-flow capture of elemental mercury”, Environ Sci Technol 36, pp 4454–4459 20 T.C Ho, A.R Ghai, F Guo, K.S Wang, J.R Hopper (1998), “Adsorption and desorption of mercury on sorbents at elevated temperatures”, Combust Sci Tech 134, pp 263–289 21 M Horvat, V Lupšina, B Pihlar (1991), “Determination of total mercury in coal fly ash by gold amalgamation cold vapour atomic absorption spectrometry” 22 H Hsi, M.J Rood, M Rostam-Abadi (2000), “Effects of sulfur impregnation temperature on the properties and mercury adsorption capacities of activated carbon fibers (ACFs)”, Environ Sci Technol 25, pp 2785–2791 23 H Hsi, M.J Rood, M Rostam-Abadi (2002), “Mercury adsorption properties of sulfur-impregnated adsorbents”, J Environ Eng 128, pp 1080–1089 [...]... nghệ xử lý khí thải (2006), Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội 2 Lê Thị Cẩm Nhung Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng vật liệu hấp phụ chọn lọc hơi Hg từ than hoạt tính” Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN 3 Đặng thị Thanh Lê, Nguyễn Trọng Uyển, Hóa học vô cơ (2013), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội 4 Huỳnh Việt Quang, Tạ Quốc Dũng, Nguyễn Minh Hải Nghiên. .. Tạ Quốc Dũng, Nguyễn Minh Hải Nghiên cứu phương pháp xử lý thủy ngân trong khai thác khí” Trường Đại học Bách khoa TP.HCM 5 Mạc Văn Thức Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN 6 Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng trong hóa học, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội 7 Mai... học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN 6 Nguyễn Đình Triệu (1999), Các phương pháp vật lý ứng dụng trong hóa học, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội 7 Mai Thanh Truyết (12/2008), “Hiểm họa thủy ngân trong than nhiệt điện”, Y dược Ngày nay Tiếng Anh 8 D.J Akers, B Toole-O’Neil (1998), “Coal cleaning for HAP control: cost and performance”, Presented at the International Technical Conference