Nghiên cứu khả năng xử lý khí h2s bằng vật liệu zno biến tính

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.86 MB, 100 trang )

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------------------------

NGUYỄN PHÚ QUÍ

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ KHÍ H2S
BẰNG VẬT LIỆU ZnO BIẾN TÍNH
CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT HĨA HỌC
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60.52.75

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2014

CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Quang Long.
PGS. TS. Huỳnh Kỳ Phƣơng Hạ.
Cán bộ chấm nhận xét 1 :

PGS. TS. Nguyễn Đình Thành.

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

TS. Nguyễn Tuấn Anh.

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 12 tháng 01 năm 2015.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Lê Thị Kim Phụng
2. PGS. TS. Nguyễn Đình Thành
3. TS. Nguyễn Tuấn Anh
4. TS. Nguyễn Trung Kiên
5. TS. Lê Minh Viễn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA…………

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang i

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ……………Nguyễn Phú Q......................... MSHV:13050824
Ngày, tháng, năm sinh:…………….01/01/1990....................... Nơi sinh: Bình Dƣơng.
Chun ngành: ………………Kỹ Thuật Hóa Học ................... Mã số : ….60.52.75........
I. TÊN ĐỀ TÀI: ‘Nghiên Cứu Khả Năng Xử Lý Khí H2S bằng Vật Liệu ZnO
Biến Tính’ ......................................................................................................................
.............................................................................................................................................
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ..........................................................................................
1.Nghiêm cứu tổng hợp và biến tính vật liệu ZnO bằng các phƣơng pháp khác nhau.
2.Phân tích các đặc trƣng cấu trúc, bề mặt của vật liệu ZnO biến tính.
3.Nghiên cứu q trình xử lý khí H2S bằng phƣơng pháp hấp thụ trên bề mặt vật liệu.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20/01/2014.

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/11/2014
IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):
TS. Nguyễn Quang Long
PGS. TS. Huỳnh Kỳ Phƣơng Hạ

Tp. HCM, ngày . .08 .. tháng .01. . năm 2015.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang ii

Lời Cám Ơn
Trƣớc tiên tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến q thầy cơ trƣờng
ĐHBK nói chung, cũng nhƣ q thầy cơ khoa Kỹ Thuật Hóa Học nói riêng đã
truyền đạt kiến thức quý báu và tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành đƣợc
bài luận văn này.
Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, tơi xin gửi lời cám ơn đến thầy Nguyễn
Quang Long, ngƣời thầy đầy tâm huyết, thầy đã chia sẽ kinh nghiệm và truyền
đạt cho em những bài học quý giá, thầy là ngƣời trực tiếp theo dõi dẫn dắt và
hƣớng dẫn em hồn thành đề tài này.
Và tơi cũng xin cảm ơn đến các bạn sinh viên trong phịng thí nghiệm xúc
tác của trƣờng Đại Học Bách Khoa TP HCM đã giúp tơi hồn trong q trình

thực hiện luận văn này.

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang iii

Tóm tắt luận văn
Luận văn nghiên cứu tổng hợp vật liệu trên nền kẽm oxit để xử lý khí H2S
trong các nguồn khác nhau. Kẽm oxit đƣợc đƣa lên chất mang có bề mặt riêng
lớn là Al2O3, SiO2 bằng phƣơng pháp tẩm ƣớt, một vật liệu composite
ZnO/Al2O3 đƣợc tổng hợp bằng phƣơng pháp đồng kết tủa, vật liệu này có khả
năng hấp thụ khí H2S với nồng độ đầu vào 1000 ppm tƣơng tự nhƣ vật liệu ZnO
thuần túy nhƣng nhiệt độ hấp thụ lại thấp hơn, trong điều kiện hấp thụ ở nhiệt độ
phòng vật liệu composite này cho kết quả tốt hơn các vật liệu ZnO/Al2O3 và
ZnO/SiO2 khi hấp thụ khí H2S ở nhiệt độ cao. Do đó, khi sử dụng vật liệu
composite này có thể tiết kiệm một phần năng lƣợng hơn khi sử dụng vật liệu
kẽm oxit thuần túy mà vẫn đạt hiệu quả của quá trình hấp thụ.

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang iv

ABSTRACT

In this study, ZnO based is synthesized by impregnation method on
materials with high surface area as -Al2O3, SiO2 and co-precipitation method.
The particles were characterized crystal structure, morphology and surface area.
The products were compared absorption of H2S gas at 1000 ppm at different

temperature. The composite ZnO-Al2O3 was prepared by co-precipitation
method had the best performance.

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang v

LỜI CAM ĐOAN

Nghiên cứu này được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Xúc tác – Trường
Đại học Bách Khoa TP. HCM.
Kết quả nghiên cứu này do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
Thầy TS. Nguyễn Quang Long.
Các kết quả nghiên cứu trình bày trong luận văn này là các số liệu trung
thực, không sao chép kết quả nghiên cứu của tác giả khác.
Tơi xin cam đoan.
Nguyễn Phú Q

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang vi

Mục Lục
Tóm tắt luận văn ........................................................................................................... iv
Danh mục Hình ................................................................................................................ x
Danh mục bảng ............................................................................................................... xi
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................. 4
1.1.Giới thiêụ về Biogas .................................................................................................. 4

1.1.1.

Biogas là gì .................................................................................................. 4

1.1.2.

Phân loại biogas .......................................................................................... 4

1.1.3.

Nguồn gốc biogas ........................................................................................ 4

1.1.4.

Đặc thù của khí Biogas chuyển hóa thành điện năng ................................. 6

1.1.5.

Kỹ thuật làm sạch khí Biogas...................................................................... 7

1.2.Tổng quan về khí H2S................................................................................................ 8
1.2.1.

Khái niệm .................................................................................................... 8

1.2.2.

Tính chất hóa học ........................................................................................ 9

1.2.3.

Nguồn gốc ................................................................................................. 11

1.2.4.

Tác hại của khí H2S ................................................................................... 12

1.3.Các phƣơng phƣơng pháp phân tích H2S ................................................................ 15
1.3.1.

Phƣơng pháp sắc ký khí ............................................................................ 15

1.3.2.

Phƣơng pháp Metylen xanh ...................................................................... 16

1.3.3.

Phƣơng pháp cực phổ xung vi phân .......................................................... 16

1.3.4.

Phƣơng pháp điện thế trực tiếp sử dụng điện cực chọn lọc ion S2-........... 17

1.3.5.

Phƣơng pháp Iod (chuẩn độ ngƣợc) .......................................................... 17

1.3.6.

Phƣơng pháp khối lƣợng ........................................................................... 17

1.3.7.

Phƣơng pháp đo độ đục ............................................................................. 18

1.4.Các cơng trình nghiên cứu. ...................................................................................... 18
1.4.1.

Phƣơng pháp làm sạch khí sử dụng dung dch alkanolamine .................... 18

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang vii

1.4.2.

Quy trình Catacarb .................................................................................... 20

1.4.3.

Quy trình Selecsol ..................................................................................... 20

1.4.4.

Quy trình Fluor .......................................................................................... 20

1.4.5.

Quy trình Pirizol ........................................................................................ 20

1.4.6.

Quy trình Sulfinol ..................................................................................... 21

1.4.7.

Quy trình “Ecarsol” ................................................................................... 21

1.5.Phƣơng pháp sử dụng chất rắn xử lý khí H2S ....................................................... 21
1.6.Tổng quan về Kẽm Oxit .......................................................................................... 26
1.6.1.

Giới thiệu vật liệu Kẽm Oxit ..................................................................... 26

1.6.2.

Các dạng hình thái học của ZnO cấu trúc nano ........................................ 28

1.6.3.

Tính chất và ứng dụng của ZnO cấu trúc nano ..................................... 29

1.7.Vật liệu rắn xử lý khí H2S ....................................................................................... 30
1.7.1.

Cấu trúc vật liệu ....................................................................................... 30

1.7.2.

Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu ................................................................. 31

1.7.3.

Vai trò của  – Al2O3 đối với vật liệu........................................................ 32

1.7.4.

Phân loại nhôm oxit .................................................................................. 32

Chương 2: THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 36
2.1.Tổng hợp vật liệu ..................................................................................................... 36
2.1.1.

Hoá chất, dụng cụ thiết bị ......................................................................... 36

2.1.2.

Tổng hợp chất mang -Al2O3 .................................................................... 37

2.1.3.

Tổng hợp vật liệu ZnO .............................................................................. 39

2.1.4.

Tổng hợp vật liệu ZnO/Al2O3 bằng phƣơng pháp tẩm. ............................ 39

2.1.5.

Tổng hợp vật liệu Zn/Si bằng phƣơng pháp tẩm ƣớt ................................ 41

2.1.6.

Tổng hợp vật liệu Zn-Al............................................................................ 42

2.2.Đánh giá cấu trúc vật liệu ........................................................................................ 42
2.2.1.

Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) .......................................................... 42

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang viii

2.2.2.

Phƣơng pháp đo bề mặt riêng (BET) ........................................................ 43

2.2.3.

Phƣơng pháp sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM)............................ 43

2.3.Đánh giá hoạt tính của các vật liệu .......................................................................... 43
2.3.1.

Thiết kế hệ thống ....................................................................................... 43

2.3.2.

Quy trình đánh giá khả năng xử lý khí H2S .............................................. 44

2.3.3.

Cơng thức tính dung lƣợng hấp thụ .......................................................... 44

2.3.4.

Các loại vật liệu đã đƣợc tổng hợp............................................................ 45

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..................................................................... 46
3.1.

Cấu trúc vật liệu ............................................................................................ 46

3.2.

Kết quả phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ............................... 50

3.3.

Kết quả đo diện tích bề mặt riêng của vật liệu ............................................ 53

3.4.

Kết quả khả năng hấp thụ của các vật liệu ................................................... 54

3.5.

Khảo sát khả năng tái sinh của vật liệu ........................................................ 68

Kết Luận……….. ......................................................................................................... 70
Kiến Nghị….. ................................................................................................................ 71
Tài liêụ tham khảo ....................................................................................................... 72

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang ix

Danh mục Hình
Hình 1 : Biogas và các khả năng ứng dụng. ....................................................................2
Hình 2: Các giai đoạn phân hủy trong biogas. ................................................................5
Hình 3: Vịng tuần hồn của lƣu huỳnh trong tự nhiên ..................................................9
Hình 4: Đồ thị quan hệ giữa các dạng H2S, HS-, S2- tại các pH khác nhau ...................10
Hình 5 Q trình oxi hóa H2S thành H2SO4 trong đƣờng ống. .....................................15
Hình 6: Sơ đồ quy trình loại bỏ khí axit sử dụng alkanolamine...................................19
Hình 7: Cơ chế quá trình hấp phụ và giải hấp phụ H2S trên vật liệu ZnO-TiO2 ..........26
Hình 8: Cấu trúc Kẽm oxit dạng wurtzite .....................................................................27
Hình 9: Cấu trúc Rocksalt và Zn blende của ZnO. .......................................................28
Hình 10: Một số dạng hình học của nano ZnO .............................................................29
Hình 11: Các ứng dụng chính của ZnO ........................................................................29
Hình 12:Sơ đồ tổng hợp -Al2O3. ..................................................................................37
Hình 13: Sơ đồ tổng hợp vật liệu ZnO. .........................................................................39
Hình 14: Sơ đồ tổng hợp vật liệu Zn/Al bằng phƣơng pháp tẩm ƣớt............................40
Hình 15: Sơ đồ tổng hợp vật liệu Zn/Si bằng phƣơng pháp tẩm ƣớt. ...........................41
Hình 16: Sơ đồ tổng hợp vật liệu ZnO-Al2O3 bằng phƣơng pháp đồng kết tủa. ..........42
Hình 17: Sơ đồ hệ thống đánh giá khả năng hấp thụ khí H2S. ......................................43

Hình 18: Đồ thị XRD vật liệu ZnO 400. ......................................................................46
Hình 19: Đồ thị XRD của vật liệu Zn/Al(10,400) và Zn/Al(15,400). ...........................46
Hình 20: Đồ thị XRD của vật liệu Zn/Al(20,400) và Zn/Al(25,400). ...........................47
Hình 21: Đồ thị XRD của vật liệu Zn/Al(15,450), Zn/Al(20,450), Zn/Al(25,450). .....48
Hình 22: Đồ thị XRD của vật liệu Zn/Al(25,400), Zn/Al(25,450), Zn/Al(500). ..........48
Hình 23: Đồ thị XRD của vật liệu ZnO-Al2O3 450, ZnO-Al2O3 500, ZnO-Al2O3 550.
.......................................................................................................................................49
Hình 24: Đồ thị XRD của vật liệu Zn/Si(15,400), Zn/Si(20,400), Zn/Si(25,400). .......50
Hình 25: Ảnh SEM Vật liệu ZnO. .................................................................................50
Hình 26: Ảnh SEM vật liệu Zn/Al(25,400) và vật liệu Zn/Al(25,450) .........................51
Hình 27: Ảnh SEM vật liệu Zn/Al(25,500) ...................................................................51
Hình 28: Ảnh SEM của vật liệu ZnO-Al2O3 450 và vật liệu ZnO-Al2O3 500. .............52
Hình 29: Ảnh SEM của vật liệu ZnO-Al2O3 550. .........................................................52
Hình 30: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu ZnO ở nhiệt độ 30, 200,
300, 400 0C. ...................................................................................................................54
LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang x

Hình 31: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu Zn/Al (10,400) ở nhiệt độ
200, 300, 400 0C. ...........................................................................................................55
Hình 32: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu Zn/Al (15,400) ở nhiệt độ
200, 300, 400 0C. ...........................................................................................................56
Hình 33: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu Zn/Al (20,400) ở nhiệt độ
200, 300, 400 0C. ...........................................................................................................57
Hình 34: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu Zn/Al (25,400) ở nhiệt độ
200, 300, 400 0C. ...........................................................................................................58
Hình 35: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu Zn/Al (15,450) ở nhiệt độ
200, 300, 400 0C. ...........................................................................................................59

Hình 36: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu Zn/Al (20,450) ở nhiệt độ
200, 300, 400 0C. ...........................................................................................................60
Hình 37: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu Zn/Al (25,450) ở nhiệt độ
200, 300, 400 0C. ...........................................................................................................61
Hình 38: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu Zn/Al (25,500) ở nhiệt độ
200, 300, 400 0C. ...........................................................................................................61
Hình 39: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu Zn/Si (15,400) ở nhiệt độ
200, 300, 400 0C. ...........................................................................................................62
Hình 40: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu Zn/Si (20,400) ở nhiệt độ
200, 300, 400 0C. ...........................................................................................................63
Hình 41: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu Zn/Si (25,400) ở nhiệt độ
200, 300, 400 0C. ...........................................................................................................63
Hình 42: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu ZnO-Al2O3 450,500,550 ở
30 0C. .............................................................................................................................64
Hình 43: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu ZnO-Al2O3 450,500,550 ở
200 0C. ...........................................................................................................................65
Hình 44: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu ZnO-Al2O3 450,500,550 ở
300 0C. ...........................................................................................................................66
Hình 45: Đồ thị đánh giá khả năng hấp thụ H2S của vật liệu ZnO-Al2O3 450,500,550 ở
400 0C. ...........................................................................................................................67
Hình 46: Đồ thị khảo sát khả năng tái sinh của vật liệu ZnO-Al2O3 450......................68

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang xi

Danh mục bảng
Bảng 1: Thành phần của biogas....................................................................................... 4
Bảng 2: Các tính chất hóa lý cở bản của khí H2S .......................................................... 10

Bảng 3: Phân loại các ảnh hƣởng của khí H2S theo nồng độ. ....................................... 13
Bảng 4: Yêu cầu về hàm lƣợng H2S trong các ứng dụng của biogas ............................ 15
Bảng 5: Một vài thông số của ZnO cấu trúc wurtzite. .................................................. 28
Bảng 6: Hóa chất, dung cụ và thiết bị ........................................................................... 36
Bảng 7: Kí hiệu các loại vật liệu đã tổng hợp ............................................................... 45
Bảng 8: Diện tích bề mặt riêng và dung lƣợng hấp thụ cảu vật liệu ............................. 53

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang xii

Đặt vấn đề
Vấn đề năng lƣợng và xử lý chất ô nhiễm môi trƣờng là thách thức đối với các
nhà khoa học và nhà quản lý ở tất cả các nƣớc trên thế giới trong đó có Viêt Nam.
Việc tìm kiếm công nghệ để sản xuất nhiên liệu mới đi từ các nguồn nguyên liệu khác
nhau là một trong những vấn đề đƣợc quan tâm. Đặc biệt trong tình hình hiện nay, một
khi giá nhiên liệu đƣợc sản xuất từ q trình chế biến dầu khí tăng rất cao, ln biến
động đã gây ảnh hƣởng lớn đến sự phát triển ổn định của các quốc gia. Theo đánh giá,
tính đến tháng 1 năm 2004 mức khai thác dầu mỏ thế giới là 1150 tỷ thùng [1]. Với
mức khai thác nhƣ hiện nay, lƣợng dầu mỏ trên thế giới đủ để chúng ta khai thác đến
năm 2040 [2], tổng dự trữ khí thiên nhiên là 140000 tỷ m3, đảm bảo khai thác khoảng
65 năm. Năm 2004 - năm khủng hoảng dầu mỏ, giá dầu tăng đến mức 60 USD/thùng,
năm 2005 hơn 67 USD/thùng và đến tháng 04 năm 2006 giá dầu đạt đến 73,5
USD/thùng; hiện nay giá giá đầu xấp xỉ 80 USD/thùng.
Tình hình trên cho thấy: trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng, nhu
cầu năng lƣợng về dầu mỏ ngày càng lớn, nhƣng khả năng cung cấp thì ngày càng cạn
dần. Đây là thách thức lớn của xã hội đối với tồn ngành năng lƣợng nói chung và
ngành động cơ đốt trong nói riêng. Vấn đề đặt ra khá cấp bách hiện nay phải tìm ra
nguồn năng lƣợng thay thế cho nguồn năng lƣợng truyền thống. Nhiều nhà khoa học

đang tập trung nghiên cứu tìm giải pháp thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống nhƣ
[3, 4]:
 Tìm nguồn nhiên liệu có trữ lƣợng lớn. Khí thiên nhiên (NG:Natural Gas), khí
đồng hành (NG, LPG: Liquefied Petroleum Gas).
 Tìm nguồn năng lƣợng thay thế: Hydro (H2), các loại carbon (C) và khí CO
lấy từ than đá.
 Các nguồn nhiên liệu pha trộn với nhiên liệu truyền thống: dầu diesel pha với
các loại dầu mỡ động vật và thực vật (Biodiesel), xăng pha với nƣớc
(Bingofuel), xăng pha cồn sinh học (Gasohol).

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang 1

 Các nguồn nhiên liệu tái sinh: Biogas (lấy từ các loại phân và rác thải), các loại
dầu FO chất thải có nguồn từ Polyme gốc dầu mỏ.
Cơng nghệ biến nƣớc thải thành năng lƣợng sinh học đã và đang đƣợc triển
khai nhiều tại Việt Nam. Mơ hình này đã đƣợc tỉnh Tây Ninh [5] áp dụng thành công
với việc xây dựng các nhà máy tạo biogas từ xử lý nƣớc thải trong quá trình chế biến
tinh bột khoai mì. Hiện nay, Tây Ninh có khoảng 20 cơ sở đang triển khai xây dựng hệ
thống xử lý nƣớc thải theo phƣơng pháp kỵ khí biogas. Việc đầu tƣ hệ thống biogas sẽ
đƣợc hai cái lợi: thứ nhất là hạn chế gây ơ nhiễm mơi trƣờng khơng khí và mơi trƣờng
nƣớc, thứ hai sẽ tiết kiệm đƣợc tiền nhiên liệu khi sử dụng khí gas để vận hành máy
móc thiết bị chế biến tinh bột mì.
Do đó phong trào xây dựng các hầm biogas qui mơ gia đình, trang trại và ở các
hộ chăn nuôi gia súc ở nƣớc ta đang đƣợc phát triển. Biogas hiện chủ yếu đƣợc dung
thay thế chất đốt, kết quả khá tích cực về cả hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trƣờng.
Nguồn biogas nhận đƣợc từ các hầm khí sinh học đã cung cấp nhiên liệu phục vụ việc
đun nấu, giảm đƣợc hiện tƣợng chặt phá rừng làm chất đốt ở nông thôn. Nguồn khí

này có thể đƣợc dùng làm nhiên liệu cho động cơ để dẫn động các máy công tác nhƣ:
bơm nƣớc, máy xay xát, máy lạnh,...góp phần tiết kiệm chi phí năng lƣợng, giảm giá
thành sản xuất, góp phần tích cực vào việc cải thiện đời sống cho ngƣời dân và bảo vệ
mơi trƣờng.

Hình 1 : Biogas và các khả năng ứng dụng.
Các thành phần chính trong biogas bao gồm [6]: CH4 (methan), CO2 (carbon
dioxide), H2S (hydro sulfua), H2O…trong đó khí H2S là khí độc, có mùi khó chịu, ảnh
hƣớng xấu đến sức khỏe con ngƣời, ô nhiễm môi trƣờng, dễ ăn mòn các thiết bị đƣờng
ống, các chi tiết máy. Ngồi ra khí H2S cịn xuất hiện trong khí thải của một số quá
LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang 2

trình nhƣ: tinh chế dầu mỏ, tái sinh sợi, khu vực chế biến thực phẩm, xử lý rác
thải…Vì vậy vấn đề xử lý khí H2S thực sự trở thành vấn đề mang tính cấp bách, đang
đƣợc quan tâm nhất khơng chỉ ở Việt Nam mà còn nhiều nƣớc trên thế giới và cần có
những giải pháp hiệu quả nhằm kiểm sốt và xử lý kịp thời. Do đó, đề tài này đƣợc
thực hiện nghiên cứu về vấn đề “Xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính” nhằm
giải quyết vấn đề xử lý khí H2S ở nƣớc ta.
Mục tiêu nghiên cứu:
Tổng hợp vật liệu hấp thụ khí H2S nhằm đƣa nồng độ đầu ra của khí tới giới
hạn nhất định để phục vụ cho từng mực đích sử dụng khác nhau.
Mục tiêu cụ thể:
Nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu ZnO bằng các phƣơng pháp khác
nhau, và phân tích các đặc trƣng cấu trúc, bề mặt của các vật liệu đó. Nghiên cứu q
trình xử lý khí H2S bằng phƣơng pháp hấp thụ trên vật liệu ZnO biến tính đó.
Ý nghĩa khoa học:
Nâng cao khả năng hấp thụ khí H2S của vật liệu ZnO bằng các phƣơng pháp

biến tính khác nhau và luận giải bằng các kết quả phân tích cấu trúc và bề mặt vật liệu.

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang 3

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1.

Giơí thiêụ về Biogas:

1.1.1. Biogas là gì?

Là một dạng khí sinh học đƣợc tái tạo từ quá trình phân hủy những chất thải
của động vật trong điều kiện hầm kín[6]. Nhờ hoạt động của các vi sinh vật, các chất
thải này sẽ lên men tạo khí, đƣợc sử dụng làm khí đốt và chạy động cơ đốt trong.
Biogas đƣợc xem là một dạng năng lƣợng sinh học có đƣợc từ sự nén hoặc khử
(digestion) hoặc lên men (fermentation) trong điều kiện yếm khí (anaerobic) của
những chất thải có nguồn gốc hữu cơ.
1.1.2. Phân loại biogas:

Tùy theo nguồn gốc phát sinh ra khí, những loại năng lƣợng sinh học có nhiều
tên khác nhau nhƣ: khí ẩm ƣớt (swamp gas), khí ẩm từ cây cỏ (marsh gas), khí bãi rác
(landfill gas) và khí nén (digester gas).
1.1.3. Nguồn gốc biogas:

Là các phế liệu trong sản xuất nông, lâm nghiệp, và các hoạt động sản xuất và
chế biến nông lâm sản, hoặc phân gia súc là nguồn nguyên liệu chủ yếu hiện nay trong
các hầm biogas của nƣớc ta.

Bảng 1: Thành phần của biogas [7]:
Thành phần

Kí Hiệu % thể tích

Methane

CH4

50-75

Carbon dioxide

CO2

25-45

Hơi nƣớc

H2 O

2-7

Oxygen

O2

<2

Nitrogen

N2

<2

Ammonia

NH3

<1

Hydrogen sulphide

H2S

<1

H2

<1

Hydrogen
Quy trình phân hủy:[8]

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang 4

Các chất thải đƣợc phân hủy nhờ các vi sinh vật trong điều kiện hồn tồn

khơng có oxy. Q trình này đƣợc chia làm 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: các chất hữu cơ cao phân tử đƣợc vi sinh vật chuyển thành các
chất có có trọng lƣợng thấp hơn nhƣ axit hữu cơ, đƣờng, glyxerin…(gọi chung là
cacbonhydrat).
Giai đoạn 2: giai đoạn các vi sinh vật methane phát triển mạnh để chuyển tồn
bộ các chất carbon hydrat thành CH4 và CO2.

Hình 2: Các giai đoạn phân hủy trong biogas.

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang 5

1.1.4. Đặc thù của khí Biogas chuyển hóa thành điện năng: [9, 10]

Năm 2009, tại Đức có hơn 4.500 nhà máy điện biogas cấp trên 1,500 MW hòa
lƣới điện quốc gia, quy mô các nhà máy tăng qua từng năm. Nếu năm 1999, một nhà
máy điện biogas có cơng suất trung bình là 60kW/nhà máy thì đa tăng đến 300kW/nha
máy vào năm 2009, vì đẩu tƣ quy mơ này có lãi hơn và lợi nhuận tăng cao khi kết hợp
bán nhiệt và điện. Trong nhiều qua, Đức là nƣớc đi tiên phong trong phát triển các nhà
máy điện biogas có công nghệ và kinh nghiệm quản lý vận hành. Đến nay một sỗ nƣớ270
130
7
2.4
1.8
275
135
7.6
2.5

1.9
280
140
8.6
2.5
2

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

T=
T=
T=
2000C
3000C
4000C
9.6
2.7
2
10.4
2.8
2.1
11.3
2.8
2.2
12
2.8
2.2
12.8
2.9
2.2

13.6
2.9
2.3
14.5
2.9
2.3
15.2
3
2.4
15.5
3
2.5
16.6
3
2.6
17.5
3
2.6
18.9
3.8
2.7
19.8
4.3
2.7
21
4.8
2.8
22.3
5.3
2.9

23.1
5.8
3
6.3
3.2
6.8
3.3
7.3
3.4
7.8
3.5
8.3
3.6
8.8
3.7
9.3
3.8
9.8
3.9
10.3
3.9
10.8
4.1
11.3
4.2
12.5
4.9

Trang 75

Số liệu đánh giá khả năng hấp thụ của vật liệu ZnO-Al2O3 450, ZnO-Al2O3 500, ZnO-Al2O3 550
ở nhiệt độ 30 0C.

Thời gian hấp thụ ZnO-Al2O3 450 ZnO-Al2O3 500 ZnO-Al2O3 550
1

0.0

0.1

3.5

5

0.1

0.2

3.5

10

0.2

1.8

3.6

15

0.3

5.1

3.6

20

0.6

9.2

3.7

25

0.9

14.1

3.7

30

1.2

20.4

3.9

35

1.5

28.2

8.7

40

1.9

36.1

18.2

45

7.0

45.2

27.8

50

18.8

55.7

38.7

55

37.1

130.2

50.4

60

61.9

140.2

63.2

65

91.8

147.1

88.6

70

150.5

154.7

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang 76

Số liệu đánh giá khả năng hấp thụ của vật liệu ZnO-Al2O3 450, ZnO-Al2O3 500, ZnO-Al2O3 550
ở nhiệt độ 300 0C.

Thời gian

ZnO-

ZnO-

ZnO-

Thời gian

ZnO-

ZnO-

ZnO-

hấp thụ

Al2O3 450

Al2O3 500

Al2O3 550

hấp thụ

Al2O3 450

Al2O3 500

Al2O3 550

1

0.2

0.2

0

125

0.4

21.2

28.3

5

0.2

1.5

0.1

130

0.4

22.6

28.5

10

0.2

2.1

0.4

135

0.4

24.1

28.9

15

0.2

2.4

1.1

140

0.4

25.3

29.2

20

0.2

2.8

2

145

0.4

26.7

29.7

25

0.2

3.1

3.4

150

0.4

27.7

29.8

30

0.2

3.3

4.7

155

0.4

28

29.9

35

0.2

3.9

6.6

160

0.4

28.2

30.4

40

0.2

4.3

8.4

165

0.4

28.7

30.8

45

0.2

4.5

10.2

170

0.4

29.1

31.3

50

0.2

4.8

12

175

0.4

29.5

32.1

55

0.2

5.1

14.4

180

0.4

29.7

33.2

60

0.2

5.6

16.9

185

0.4

30.1

34.2

65

0.2

5.9

19.4

190

0.4

30.2

35.8

70

0.2

6.1

21.7

195

0.4

30.6

37.1

75

0.3

6.4

24.1

200

0.4

30.9

37.8

80

0.3

6.9

25.4

205

0.4

31.1

38.7

85

0.3

7.8

25.8

210

0.4

31.4

40.1

90

0.3

9.4

26.1

215

0.4

32.1

41.2

95

0.3

10.9

26.5

220

0.4

32.7

42.6

100

0.3

12.5

26.8

225

0.4

34.2

43.5

105

0.3

13.7

27

230

0.8

35.8

45.3

110

0.4

15.6

27.2

235

1.5

37.7

115

0.4

16.8

27.5

240

7.8

38.8

120

0.4

17.9

27.6

245

15.1

40.6

125

0.4

19.8

28

250

0.4

21.2

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang 77

Số liệu đánh giá khả năng hấp thụ của vật liệu ZnO-Al2O3 450, ZnO-Al2O3 500, ZnO-Al2O3 550
ở nhiệt độ 400 0C.

Thời gian

ZnO-

ZnO-

ZnO-

Thời gian

ZnO-

ZnO-

ZnO-

hấp thụ

Al2O3 450

Al2O3 500

Al2O3 550

hấp thụ

Al2O3 450

Al2O3 500

Al2O3 550

1

0.3

0

0

125

3.1

17.8

217.2

5

0.6

0

4.5

130

3.2

18.5

228.8

10

0.7

0.5

10

135

3.3

19.4

235.9

15

1

0.9

11.4

140

3.4

20.1

245

20

1.1

2

13.1

145

3.4

20.2

252.1

25

1.4

2.4

15.5

150

3.5

21.1

259.6

30

1.6

3.3

23.2

155

3.6

21.9

271.3

35

1.8

3.9

32.6

160

3.6

22.2

277.7

40

1.9

4.2

41.3

165

3.8

23.7

286.2

45

2.1

5.1

49.7

170

3.8

24.3

292.8

50

2.1

5.5

59.1

175

3.9

25.3

299.3

55

2.2

6

69.6

180

4

27.1

308.3

60

2.2

7

79.6

185

4

28.5

315.2

65

2.3

7.4

86.5

190

4.1

29.8

323.1

70

2.4

8.1

94.1

195

4.2

30.7

329

75

2.5

8.8

123.2

200

4.3

31

334.8

80

2.6

9.3

137.4

205

4.5

31.3

340.7

85

2.6

10.1

146.8

210

4.6

31.6

347.9

90

2.7

11.2

155.7

215

4.7

31.7

353.8

95

2.8

12

163.9

220

4.9

31.9

360.1

100

2.8

12.9

171.5

225

5.2

32.2

365.5

105

2.9

13.9

184.2

230

5.3

32.3

370.5

110

3

14.5

192.1

235

5.7

32.5

375.2

115

3

15.3

201.3

240

6

32.7

120

3.1

16.3

209.4

245

8

32.9

125

3.1

17.2

217.2

250

11.7

32.9

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang 78

Số liệu đánh giá khả năng hấp thụ của vật liệu Zn/Al(10,400); Zn/Al(15,400) ở nhiệt độ 200 0C,
300 0C,400 0C.
Zn/Al(10,400)

Zn/Al(15,400)

Thời gian

T=

T=

T=

Thời gian

T=

T=

T=

hấp thụ

2000C

3000C

4000C

hấp thụ

2000C

3000C

4000C

1

5.8

6.1

4.2

1

7.8

6

8

2

6.4

6.5

4.4

2

8

6

8.1

4

8.3

7.8

4.7

4

8.4

6.3

8.4

6

10.3

9.4

5.3

6

8.6

6.5

8.5

8

11.2

10.9

5.7

8

9.3

7

8.7

10

11.8

11.7

6.2

10

9.8

7.7

8.9

12

13

12.8

7.2

12

9.9

7.7

9.2

14

14.8

13.8

8.5

14

10.1

7.9

9.3

16

16.9

14.6

10.1

16

10.8

8.9

9.6

18

19.1

15.3

11.9

18

11.7

9.9

9.8

20

20.1

15.9

14

20

12

10.4

10.2

22

23.8

17.9

15.1

22

12.8

12.2

10.6

24

29.7

19.6

16.2

24

14.1

12.9

10.9

26

33.7

22.3

17.7

26

14.8

13.9

11.3

28

50.5

27.4

19.3

28

15.7

15.9

11.9

30

73.5

33.9

21

30

17.2

17.5

12.3

32

92.2

36.7

22.7

32

17.9

18.8

12.9

34

102.7

46

23.9

34

19.6

20.5

13.6

36

155.7

62.3

24.4

36

21.7

21.4

14.3

38

174.5

88.4

25

38

22.8

22.8

15.1

40

105.3

25.8

40

25.6

24

16.1

42

113.6

27.1

42

28.8

25.1

17.2

44

124.8

29.1

44

51.4

26.3

18.5

46

352.9

30.6

46

73.9

27.3

19.9

48

34.4

48

84.9

27.8

21.8

50

41.2

50

103.2

28.4

23.9

52

48.4

52

106

39.6

39.9

54

56.7

54

122.1

56.8

58.4

56

65.3

56

136.8

79.1

80.3

58

72.7

58

143.9

88

101.6

60

80.8

60

174.1

104.3

106.8

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang 79

Số liệu đánh giá khả năng hấp thụ của vật liệu Zn/Al(20,400); Zn/Al(25,400) ở nhiệt độ 200 0C,

300 0C,400 0C.
Zn/Al(20,400)

Zn/Al(25,400)

Thời gian

T=

T=

T=

Thời gian

T=

T=

T=

hấp thụ

2000C

3000C

4000C

hấp thụ

2000C

3000C

4000C

1

0.3

0.4

0.2

1

0

0.2

0.2

2

0.9

0.6

0.4

2

0.1

0.3

0.2

4

1.6

1.2

0.8

4

1.9

1.1

0.2

6

3

2.3

1.1

6

6.6

0.2

0.2

8

5

3.1

1.7

8

15.1

3.4

0.2

10

6.4

3.8

2.1

10

27.6

6.7

0.2

12

7.7

4.3

2.2

12

40.4

12.1

0.2

14

8.9

4.6

2.6

14

54.6

20.5

0.2

16

12.5

5.5

3.1

16

73

27.1

0.2

18

17.4

6.7

3.5

18

97.4

37

0.2

20

22.5

9

4.2

20

115.8

48.6

0.4

22

28.3

9.8

4.8

22

56.8

0.9

24

35

12

5.7

24

73.1

0

26

15.4

6.4

26

85.5

1.4

28

21.5

7.2

28

95.9

1.7

30

28.7

8.4

30

121.2

4.5

32

35

9.7

32

131.4

6.3

34

39.5

11.1

34

148.7

11.2

36

44.3

12.8

36

176.4

14.4

38

49.3

14.8

38

185.3

22.4

40

50.2

17.7

40

213.3

26.8

42

51.8

48

42

237.2

37.2

44

53.8

67

44

244.5

41.8

46

55.2

93.7

46

287.7

54.8

48

60

108.3

48

299

58.9

50

63.8

119.2

50

306.7

73.6

52

79.5

52

354.1

78.5

54

84.9

54

353.3

56

87.7

56

372.2

58

93.7

58

407.5

60

395.8

60

LVThS: Nghiên cứu khả năng xử lý khí H2S bằng vật liệu ZnO biến tính

Trang 80

Số liệu đánh giá khả năng hấp thụ của vật liệu Zn/Al(15,450); Zn/Al(20,450) ở nhiệt độ 200 0C,
300 0C,400 0C.
Zn/Al(15,450)

Zn/Al(20,450)
T = 200 C

T = 3000C