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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
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

S) 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 1-3m
3
/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


cho phép so với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về lò đốt chất thải công nghiệp
(QCVN 30:2012/BTNMT)là 0,2mg/m
3
, 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
phụnhư 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.
2

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
(Hg
3
S
2

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
3

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 300
0
C tạo thành HgO và ở 400
0
C 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

dụng với thủy ngân kim loại, muối Hg
2+
lại tạo thành muối Hg
2
2+
.
Hg(NO
3
)
2
+ Hg  Hg
2
(NO
3
)
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 Hg
2+
mà là muối của Hg
2
2+
. Ion Hg
2+
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 (HgX
2

O
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
0,920 V 0,789 V
Hg
2+
Hg
2
2+
Hg
0

0,854 V
5

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 Hg
2+
Bảng 1.1. Hằng số bền của phức chất [MX
4
]
n
[3]
Phức

38
1,69.10
2
-
Những phức chất của Hg(II) được dùng trong hóa học phân tích là K
2
[HgI
4
] và
(NH
4
)
2
[Hg(SCN)
4
].
Hợp chất cơ thủy ngân: Hg
2+
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 R
2
Hg
(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:
R
2
Hg + Zn  R
2
Zn + Hg

Hình 1.2. Máy đo huyết áp thủy ngân
- Thimerosal (C
9
H
9
HgNaO
2
S) một hợp chất hữu cơ được sử dụng như là chất
khử trùng trong vaccin và mực xăm.

Hình 1.3. Thimerosal(C
9
H
9
HgNaO
2
S)
- 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
7

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

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
9

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

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 105
0
C 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 105
0
C 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

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,
m
2
/g
Langmuir
area, m
2
/g
V
T
lỗ xốp
d
tb,
A
o
Than hoạt tính
975
1449

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
75
80
85
90
95
100
105
hiệu suất, %
Nhiệt độ,
o
C
THT
11,5% Br
THT 9%
Br
THT 7%
Br
THT 5%
Br
THT 3%
Br
14

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

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
15

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

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
Rotameter2 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 KMnO
4
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:
2MnO
4
-
+ 5Hg
0
+ 16H
+
 5Hg
2+
+ 2Mn
2+
+ 8H
2
O
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.

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.

Trích đoạn xuất hệ thống quy môcông nghiệp

---