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

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
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
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 mô công 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 .............................................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


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
phụ như 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.

1


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
(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
chiếm 23,3% và

202

200

Hg

Hg chiếm 29,6%. Thuỷ ngân đông đặc ở -400C; sôi ở 3570C; tỷ

trọng 13,6 trọng 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

2


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 3000C tạo thành HgO và ở 4000C 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].

3


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:
0,920 V

Hg2+

0,789 V

Hg22+

Hg0

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)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 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
4


chứa halogen, cacbon, nitơ, phốt pho, lưu huỳnh là các phức chất bền nhất. Bảng
1.1 là các giá trị hằng số bền đối của phức chất Hg2+
Bảng 1.1. Hằng số bền của phức chất [MX4]n [3]
Phức
chất
[HgX4]n

Hằng số bền, Kb
Cl-

Br-

I-

CN-

SCN-

NH3

1,66.1015

1,0.1021

6,67.1029

9,33.1038

1,69.102

-

Những phức chất của Hg(II) được dùng trong hóa học phân tích là K2[HgI4] và
(NH4)2[Hg(SCN)4].
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,
5


dùng làm hạt nổ, kíp nổ. Hơi khói từ ngòi nổ fulmiat thủy ngân có thể gây nhiễm
độc.[5]
Ngoài ra thủy ngân được sử dụng chủ yếu trong sản xuất các loại hóa chất,
trong kỹ thuật điện và điện tử. Nó cũng được sử dụng trong một số nhiệt kế và một
số ứng dụng khác là:
- 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(C9H9HgNaO2S)
- 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

6

dụng để làm kín các chi tiết chuyển động của máy khuấy dùng trong kỹ thuật hóa
học.
- Điểm ba trạng thái của thủy ngân, -38,8344 °C, là điểm cố định được sử
dụng như nhiệt độ tiêu chuẩn cho thang đo nhiệt độ quốc tế (ITS-90).
- Trong một số đèn điện tử.
- 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

7

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

8


Bóng đèn huỳnh quang, với hình dạng quăn, xoắn riêng biệt, nhìn rất bắt mắt
chúng được cho là có ưu điểm giúp tiết kiệm điện, năng lượng và giảm ô nhiễm.
Tuy nhiên, mỗi bóng đèn huỳnh quang lại có chứa khoảng 5 mg thuỷ ngân. Dù

rằng, đây chỉ là một lượng nhỏ xíu, nhưng thật sự 5 mg thuỷ ngân là đủ để nhiễm
bẩn khoảng 22680 lít nước uống, theo khuyến cáo của Cơ quan bảo vệ môi trường
Hoa Kỳ (EPA).
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

9


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]

10


CHƢƠNG 2: PHƢƠNG 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
m brom ban đầu, mg

300

500

700

900

1200

m brom còn lại, mg

2,6

3,8

4,2

4,8

52,6

Khả năng hấp phụ %

99,13

99,24

99,4

99,47

95,62

Tỉ lệ Br/AC, %

2,97

4,96

6,96

8,95

11,47

11


Từ kết quả bảng 2.1 cho thấy khả năng mang brom trên than trà bắc (than gáo
dừa) kích thước 0,1- 0,5 mm là tối đa khoảng 15%.
Quá trình thực nghiệm cũng cho thấy khả năng đưa brom lên bề mặt than sử
dụng brom nguyên tố tốt hơn nhiều khi sử dụng dung dịch bromua. Khi sử dụng
brom, brom vừa đóng vai trò chất hấp phụ vừa đóng vai trò chất oxi hóa chuyển hóa

các nhóm chức mang tính khử trên bề mặt than. Việc này vừa tạo ra các mối liên kết
giữa cacbon với brom vừa làm cho bề mặt than ưa nước hơn và dễ dàng hấp phụ ion
bromua hơn.
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
Đặc trưng
Vật liệu

BET area,
m2/g

Langmuir
area, m2/g

VT lỗ xốp

dtb, Ao

Than hoạt tính

975

1449

0,745

15,19

Than 10% brom

894

1224

0,864

23,94

12


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 1,00 g 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].

hiệu suất, %

105
100

THT 11,5%
Br
THT 9% Br

95
90

THT 7% Br

85

THT 5% Br

80
THT 3% Br

75

Nhiệt độ,oC

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
13


hoạt tính mang brom với mật độ brom đủ lớn thì cơ chế hấp phụ ở đây là hấp phụ
hóa học chiếm ưu thế. Các liên kết –C-Br-Hg trở nên bền vững và khó có thể phá
vỡ bởi nhiệt độ chưa quá cao. Điều này rất có ý nghĩa và thuận lợi cho việc hấp phụ
hơi thủy ngân ở các nguồn thải có nhiệt độ cao.
 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
Hơi Hg
mg/m3

Tải trọng
CB, mg/g

33,4

95,1

189,6

268,5

304,2

386,9

79,6

148,5

202,6

226,1

241,2

248,4

Từ kết quả bảng 2.3 có thể thấy rằng khi nồng độ hơi Hg trong pha khí tăng
(theo nhiệt độ bay hơi của Hg) thì tải trọng hấp phụ cân bằng của vật liệu tăng theo
nhưng không theo quy luật nào. Điều này chứng tỏ quá trình hấp phụ hơi Hg trên

than biến tính rất phức tạp. Một mặt ảnh hưởng bởi cơ chế hấp phụ khác nhau, mặt
khác còn chịu ảnh hưởng của tốc độ khuếch tán và hấp phụ của Hg ở các nhiệt độ
khác nhau. Nhưng nhìn chung tải trọng hấp phụ cân bằng của vật liệu than hoạt tính
biến tính bằng brom là rất cao, bền và ổn định trước tác động của nhiệt độ
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
14


dụng xử lý hơi thủy ngân ở các nguồn khí có nhiệt độ cao, quy trình biến tính khá
đơn giản, có thể tiến hành ở những nơi có ít điều kiện về trang bị kỹ thuật. Do vậy,
ở đề tài này chúng tôi chọn vật liệu than hoạt tính đã biến tính Brom làm vật liệu
hấp phụ ưu điểm của loại vật liệu này là bề mặt than hoạt tính đã được thay đổi cấu
trúc bề mặt 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 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
ống nạp vật liệu nghiên cứu hấp phụ, thiết bị trộn khí, thiết bị cấp nhiệt, (3) Các
15


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.

1

Hình 2.2. Thiết bị xử lý hơi thủy ngân

3

2

Các bộ phận của thiết bị

Bên trong buồng bảo ôn

Hình 2.3. Bên trong thiết bị

16


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
Rotameter 2 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 phụ hơi Hg. Do trên thị
17


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 19
m3, 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

18


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.

19