intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite Fe2O3 - MgO - Bentonite, ứng dụng xử lí khí H2S

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST
Báo xấu
32
lượt xem 7
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là tổng hợp vật liệu nanocomposit Fe2O3/MgO/bentonit (có thể được viết là Fe/MgO/bentonit); xây dựng quy trình công nghệ xử lý hiệu quả H2S trên cơ sở sử dụng vật liệu đã chế tạo. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite Fe2O3 - MgO - Bentonite, ứng dụng xử lí khí H2S

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- QUẢN THỊ THU TRANG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANOCOMPOSITE Fe2O3/MgO/BENTONITE, ỨNG DỤNG XỬ LÝ KHÍ H2S Chuyên ngành: Khoa học Môi trƣờng Mã số: 608502 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Phan Thị Ngọc Bích Hà Nội – Năm 2014
  2. LỜI CÁM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Phan Thị Ngọc Bích, đã hướng dẫn tận tình về mặt khoa học đồng thời tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt giúp tôi có thể hoàn thành luận văn của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Khoa học Môi trường – Trường ĐH Khoa học Tự nhiên đã dạy dỗ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các cán bộ phòng Hóa Vô cơ- Viện Hóa học- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nơi tôi đang công tác và cũng là nơi tôi nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Đặc biệt tôi xin cảm ơn đến KSC. Phạm Văn Lâm, người đã tận tình chỉ bảo, cũng như giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian qua. Tôi xin cảm ơn đến đề tài “Xây dựng công nghệ xử lý hydro sulfua trên vật liệu-xúc tác mới, ứng dụng làm sạch khí biogas”, thuộc hướng công nghệ môi trường - cấp viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã giúp đỡ về mặt kinh phí cho quá trình nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cám ơn đến các cán bộ của phòng sau đại học – Trường đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi, tất cả các bạn bè, những người đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt những năm học tập vừa qua. Hà Nội, tháng 01 năm 2014 Học viên Quản Thị Thu Trang
  3. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................... 3 1.1. Tổng quan khí H2S ............................................................................ 3 1.1.1. Khí H2S ................................................................................................ 3 1.1.2. Các nguồn phát sinh H2S ..................................................................... 3 1.1.2.1. Nguồn tự nhiên .......................................................................... 3 1.1.2.2. Nguồn nhân tạo ......................................................................... 4 1.1.3. Độc tính và đặc tính ăn mòn của H2S .................................................. 6 1.1.3.1. Độc tính của H2S ....................................................................... 6 1.1.3.2. Đặc tính ăn mòn ........................................................................ 7 1.1.4. Hiện trạng ô nhiễm H2S trong môi trường tại Việt Nam................................ 9 1.1.5. Các phƣơng pháp loại bỏ H2S ........................................................... 11 1.1.5.1. Phương pháp hóa học ............................................................... 11 1.1.5.1a. Quá trình rắn-khí (quá trình khô) ........................................... 12 1.1.5.1b. Quá trình lỏng-khí (quá trình ướt): ........................................ 14 1.1.5.2. Phương pháp sinh học ............................................................. 18 1.1.5.3. Phương pháp màng .................................................................. 18 1.1.6. Tình hình nghiên cứu và triển khai công nghệ loại bỏ H2S ............ 19 1.1.6.1. Tình hình nghiên cứu và triển khai công nghệ loại bỏ H2S trên thế giới .................................................................................................. 19 1.1.6.2. Tình hình nghiên cứu và triển khai công nghệ loại bỏ H2S tại Việt Nam .............................................................................................. 21 1.2. Tổng quan vật liệu.................................................................................. 22 1.2.1. Sắt (III) oxit ............................................................................... 22 1.2.2. Vật liệu MgO .............................................................................. 24 1.2.3. Khoáng sét bentonit ................................................................... 26 1.2.4. Vật liệu nanocomposit Fe 2 O3/MgO/bentonit ............................... 29
  4. CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................31 2.1. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu ............................................................ 31 2.1.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm ................................................. 31 2.1.2. Tổng hợp nanocomposit Fe 2O3/MgO/ bentonit ............................ 31 2.1.2.1. Điều chế -Fe2O3 ..................................................................... 31 2.1.2.2. Tổng hợp Fe2O3/bentonit .......................................................... 31 2.1.2.3. Tổng hợp MgO ....................................................................... 32 2.1.2.4. Tổng hợp nanocomposit Fe/MgO ........................................... 32 2.1.2.5. Tổng hợp vật liệu Fe/MgO/bentonit bằng phương pháp trộn cơ học (mẫu F1BM) ................................................................................... 33 2.1.2.6. Tổng hợp vật liệu bằng phương pháp kết tủa trong dung dịch (Mẫu F2BM) ......................................................................................... 33 2.1.2.7. Phương pháp tạo hạt vật liệu ................................................... 33 2.2. Xác định các đặc trƣng cơ bản của vật liệu ......................................... 33 2.3. Xác định hiệu quả xử lý H2S của vật liệu nano composite Fe/MgO/ bentonit sử dụng công nghệ khô .................................................................. 34 2.3.1. Phương pháp thực nghiệm ........................................................... 34 2.3.2. Vật liệu ....................................................................................... 38 2.3.3. Phương pháp xác định hàm lượng H2S trong dòng khí ................ 38 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 42 3.1. Tổng hợp vật liệu nanocomposit Fe/MgO/bentonit ............................ 42 3.1.1. Điều chế  - Fe2O3 ..................................................................... 42 3.1.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................... 43 3.1.1.2. Ảnh hưởng của thời gian ủ mẫu .............................................. 43 3.1.2. Tổng hợp Fe2O3/bentonit từ dung dịch FeCl 3 (Mẫu FB) .............. 44 3.1.3. Tổng hợp vật liệu Fe/MgO/bentonit bằng phương pháp trộn cơ học (mẫu F1BM) ......................................................................................... 46 3.1.4. Tổng hợp vật liệu Fe/MgO/bentonit bằng phương pháp kết tủa (mẫu F2MB) ......................................................................................... 48
  5. 3.2. Xác định hiệu quả xử lý H2S của vật liệu nano composite Fe/MgO/bentonit sử dụng công nghệ khô ................................................... 52 3.2.1. Khả năng xử lý H2S của vật liệu Fe/MgO/bentonite ...................... 53 3.2.2. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tầng rỗng quá trình loại bỏ H2S ........... 54 3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ khí H2S ban đầu đến khả năng loại bỏ H2S............ 56 3.2.4. So sánh hiệu quả loại bỏ H2S của vật liệu F2MB với vật liệu thương mại Trung Quốc ........................................................................ 57 3.2.5. Khảo sát thời gian sống của vật liệu khi hệ thống vận hành ở chế độ gián đoạn với tái sinh riêng biệt ....................................................... 58 KẾT LUẬN .................................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................62 PHỤ LỤC ............................................................................................. 68
  6. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Ảnh hưởng của khí H2S theo nồng độ .............................................. 6 Bảng 1.2. Một số công nghệ hóa học xử lý H2S phổ biến hiện nay ............... 20 Bảng 2.1 Các điều kiện đo phổ F-AAS của Pb ............................................... 41 Bảng 3.1. Các thông số cấu trúc xốp của hai mẫu Fe/MgO/bentonit ............. 51 Bảng 3.2. Hiệu quả loại bỏ H2S của vật liệu Fe/MgO/bentonit ...................... 53 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tầng rỗng đến quá trình loại bỏ H2S .. 55 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ khí đầu vào tới hiệu quả loại bỏ H2S ...... 57 Bảng 3.5. So sánh khả năng xử lý H2S của vật liệu F2MB và vật liệu thương mại Trung Quốc tại cùng một điều kiện khảo sát ........................................... 58 Bảng 3.6. Khả năng sống của vật liệu sau khi hoàn nguyên........................... 59
  7. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cơ chế ăn mòn của H2S ..................................................................................... 8 Hình 1.2. Hệ thống xử lý H2S cho biogas và vật liệu nhập khẩu từ Trung Quốc ......22 Hình 1.3. Sắt(III) oxit ........................................................................................................22 Hình 1.4. Cấu trúc tinh thể hematit ..................................................................................23 Hình 1.5.a- Magie oxit, b- Cấu trúc tinh thể MgO .........................................................24 Hình 1.6. Mô hình cấu trúc của montmorillonite và phản ứng trao đổi cation............27 Hình 2.1. Thiết bị thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM D6646-03...............................35 Hình 2.2. Mô hình thí nghiệm xác định hiệu quả làm việc của vật liệu ở dạng khô...38 Hình 2.3. Đồng hồ đo khí iBrid Multi Gas Monitor ......................................................39 Hình 3.1. Giản đồ XRD của mẫu -Fe2O3 với nhiệt độ phản ứng khác nhau ............43 Hình 3.2. Giản đồ XRD của các mẫu α-Fe2O3 với thời gian ủ khác nhau .................44 Hình 3.3. Sơ đồ tổng hợp vật liệu xốp nano composite với chất mang bentonite......45 Hình 3.4. Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu: a- Fe/bentonit trước khi nung,............46 Hình 3.5. Giản đồ XRD của mẫu F1BM ........................................................................47 Hình 3.6. Phổ FTIR của mẫu FB và mẫu F1BM ...........................................................48 Hình 3.7. Ảnh SEM của tất cả các mẫu vật liệu: a--Fe2O3, b-FB, c-F1BM và d- F2BM ..................................................................................................................................50 Hình 3.8. Giản đồ XRD của mẫu F2BM ........................................................................51 Hình 3.9. Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc tầng rỗng đến quá trình loại bỏ H2S......56
  8. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT H2S: Hydro sunfua SRB: Vi khuẩn khử sunfat M: Vật liệu MgO FB: Vật liệu Fe2O3/bentonite FM: Vật liệu Fe2O3/MgO F1BM: Vật liệu nanocomposite Fe2O3/MgO/bentonite tổng hợp bằng phýõng pháp trộn cõ học F2MB: Vật liệu nanocomposite Fe2O3/MgO/bentonite tổng hợp bằng phýõng pháp kết tủa trực tiếp EBCT: Thời gian tiếp xúc theo tầng rỗng MMT: Montmorillonit
  9. Luận văn Thạc sỹ Khoa học Môi trường MỞ ĐẦU Hydro sunfua (H2S) là một khí độc hại, không màu sắc nhýng có mùi khó chịu (mùi trứng thối) phát thải vào khí quyển từ các nguồn tự nhiên và nhân tạo... Hydro sunfua được coi là một chất độc phổ rộng. Nó có thể đầu độc một số hệ thống khác nhau trong cơ thể, đặc biệt là hệ thống thần kinh. Chỉ với nồng độ 300 ppm trong khí quyển, H2S đã có thể gây chết người sau 20 phút tiếp xúc. H2S khi cháy không hoàn toàn tạo ra SO2 cũng là khí rất độc đối với con người và môi trường. Hydro sunfua với nồng độ thấp khoảng 1ppm đã có khả năng ăn mòn. Đây chính là nguyên nhân gây ra gây hư hỏng và giảm tuổi thọ của của các thiết bị điện, thiết bị vận chuyển và xử lý nước thải, các đường ống dẫn khí, dầu… Do những tác hại trên mà việc loại bỏ H2S là yêu cầu hàng đầu và bắt buộc. Công nghệ xử lý H2S đã ra đời và phát triển qua hơn một thế kỷ với rất nhiều bài báo, nhiều công trình khoa học được công bố. Nhìn chung, mỗi công nghệ xử lý H2S đều có thế mạnh riêng, hiệu quả với những qui mô, điều kiện cụ thể. Đồng thời chúng cũng đều có những bất lợi, nhược điểm và những vấn đề cần được tiếp tục giải quyết. Chính vì vậy, công nghệ xử lý H2S đã, đang và vẫn luôn luôn được các nhà nghiên cứu cũng như nhiều công ty, tập đoàn công nghiệp trên thế giới quan tâm chú ý. Hiện nay trên thế giới một xu hướng nghiên cứu đang được quan tâm là phát triển các vật liệu xúc tác trên cơ sở các muối hoặc oxit kim loại như Fe, Co trên các loại chất mang khác nhau (các oxit, cacbon, bentonite). Trong số đó, người ta chú ý nhiều đến các vật liệu trên nền sắt và các hợp chất của sắt hoặc tổ hợp composite của chúng với các thành phần khác bởi những ưu điểm của nó như: năng lượng bề mặt và diện tích bề mặt lớn, nhiều dạng hợp chất của sắt như Feo, -FeOOH, -Fe2O3, -Fe2O3, Fe3O4,…có hoạt tính hóa học, 1
  10. Luận văn Thạc sỹ Khoa học Môi trường đặc biệt là khả năng hấp phụ/ xúc tác rất cao, nguyên liệu rẻ, thân thiện với môi trường, không khó khăn trong việc chế tạo. Vật liệu xúc tác oxit sắt Fe2O3 trên một số chất mang là các oxit MgO, Al2O3, SiO2, ZrO2 đã được tổng hợp và khảo sát khả năng oxi hóa loại H2S. Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu Fe/MgO thể hiện hoạt tính cao nhất khi thực hiện quá trình loại H2S ở nhiệt độ thường. Với những ưu điểm này, vật liệu Fe/MgO nhận được sự quan tâm ngày càng tăng của các nhà nghiên cứu. Bên cạnh đó với sự phát triển của khoa học nano, bentonit được xem là chất nguồn lý tưởng để chế tạo các loại vật liệu nano composite. Trên cơ sở những phân tích trên, đề tài được lựa chọn là “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposit Fe2O3/MgO/Bentonit, ứng dụng xử lí khí H2S” với mục tiêu và nội dung nghiên cứu như sau: Mục tiêu nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu nanocomposit Fe2O3/MgO/bentonit (có thể được viết là Fe/MgO/bentonit) - Xây dựng quy trình công nghệ xử lý hiệu quả H2S trên cơ sở sử dụng vật liệu đã chế tạo. Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp vật liệu nano composite Fe/MgO/bentonit - Đánh giá các đặc trưng cơ bản của vật liệu chế tạo được. - Xây dựng mô hình thí nghiệm và đánh giá hiệu quả loại bỏ H2S của vật liệu nanocomposit Fe/MgO/bentonit 2
  11. Luận văn Thạc sỹ Khoa học Môi trường CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan khí H2S [47] 1.1.1. Khí H2S Hydro sunfua có công thức hóa học là H2S, là chất khí không màu, có mùi hôi đặc trưng của trứng thối, rất độc và có tính ăn mòn. H2S thường là kết quả từ quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí như trong các đầm lầy và rác thải… Hydro sunfua nặng hơn không khí nên nó thường tập trung tại các vị trí thấp, gần mặt đất mà không khuếch tán lên cao được, điều này càng gây nguy hiểm khi vào các khu vực có nhiễm khí H2S. Hỗn hợp của H2S và không khí có thể gây nổ. H2S và O2 khi cháy cho ngọn lửa màu xanh, sản phẩm tạo thành là lưu huỳnh dioxit (SO2)- một loại khí độc và gây mùi khó chịu.... Thông thường, H2S hoạt động như một chất khử. Ở nhiệt độ cao hoặc có chất xúc tác, SO2 có thể phản ứng với H2S tạo thành lưu huỳnh và nước. Tính chất này được khai thác trong quá trình Claus xử lý H2S. Đây là con đường chính để chuyển đổi H2S thành lưu huỳnh. Hydro sunfua khi hòa tan trong nước tạo thành hydrosulfua acid hoặc axit sulfua hydric là một axit yếu. Hydro sunfua phản ứng với các ion kim loại để tạo thành muối sunfua hoặc cũng có thể gọi là các muối của hydrogen sufua. Các muối sulfua thường có màu sẫm. Chì (II) acetate được sử dụng để phát hiện hydro sunfua do có xuất hiện kết tủa màu đen PbS. Các muối sulfua phản ứng với axit mạnh giải phóng H2S. Hydro sunfua phản ứng với rượu để hình thành thiol, một phần quan trọng của các hợp chất organosulfua. 1.1.2. Các nguồn phát sinh H2S 1.1.2.1. Nguồn tự nhiên [47] Khoảng 90% khí H2S phát thải vào không khí là bắt nguồn từ tự nhiên. H2S là một nhân tố chính tham gia trong chu trình sinh địa hoá của lưu huỳnh 3
  12. Luận văn Thạc sỹ Khoa học Môi trường trên trái đất, nó là sản phẩm của sự phân hủy người chết, động thực vật, chất thải động vật… đặc biệt là khi điều này xảy ra trong điều kiện ẩm ướt, oxy hạn chế. Trong điều kiện thiếu ôxy, vi khuẩn lưu huỳnh khử sulfat, sunfua lấy năng lượng từ quá trình oxy hóa hydro hoặc phân tử hữu cơ bằng cách chuyển lưu huỳnh hoặc sulfat thành H2S. Các vi khuẩn khác giải phóng H2S từ các axit amin chứa lưu huỳnh, điều này làm phát sinh mùi của trứng thối. Trong các đầm lầy, hồ phú dưỡng hoặc vùng chết của đại dương...ở điều kiện oxy thấp (hoặc thiếu oxy), vi khuẩn khử sunfat sẽ lấy sunfat có trong nước để oxy hóa các chất hữu cơ và tạo ra H2S giải phóng ra ngoài môi trường. Bên cạnh đó một lượng H2S cũng sẽ phản ứng với các ion kim loại trong nước tạo ra các muối sunfua, chẳng hạn như FeS, PbS thường là màu đen hoặc nâu tạo nên màu đen của bùn. Núi lửa và một số suối nước nóng (cũng như suối lạnh) cũng phát ra một lượng H2S, do quá trình thủy phân của các khoáng chất sunfua: MS + H2O → MO + H2S Hydro sunfua có thể xuất hiện tự nhiên trong nước giếng…thường là do vi khuẩn khử sulfat. 1.1.2.2. Nguồn nhân tạo [35, 44, 47] Khoảng 10% tổng lượng phát thải toàn cầu của H2S là do hoạt động của con người, chủ yếu là từ việc khai thác và tinh chế dầu, khí tự nhiên. Ngoài ra còn có các con đường phát sinh H2S từ các lò luyện than cốc, từ các nhà máy giấy và các ngành thuộc da, các nhà máy xử lý nước thải, các dây chuyền xử lý phế thải sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, các bãi rác chôn lấp, bể phốt.... H2S phát sinh từ bất kỳ chất hữu cơ nào, đặc biệt là khi ở nhiệt độ cao. Hydro sunfua là một thành phần tự nhiên của dầu thô và khí tự nhiên. Dầu mỏ, khí thiên nhiên là những sản phẩm chuyển đổi nhiệt của các chất hữu cơ mục nát - được gọi là kerogen, bị mắc kẹt trong đá trầm tích. Kerogen giải 4
  13. Luận văn Thạc sỹ Khoa học Môi trường phóng H2S trong quá trình phân hủy, do đó nó có trong thành phần của dầu và khí đốt. Trong thực tế, hydro sunfua là tạp chất chủ yếu trong khí tự nhiên. Tùy theo hàm lượng của H2S trong thành phần khí mà người ta phân biệt ra khí chua, khí ngọt. Theo cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) phân loại khí thiên nhiên là khí chua khi H2S có mặt với số lượng lớn hơn 5,7 mg/m3. Khoảng 15- 25% khí đốt tự nhiên ở Mỹ có thể chứa hydro sunfua, trong khi trên toàn thế giới, con số này là 30%. Khí chua sau khi khai thác từ các giếng khoan khai thác khí được vận chuyển bằng đường ống dẫn khí tới các nhà máy tinh lọc và xử lý để làm ngọt bằng cách loại bỏ H2S. Do đó trong quá trình khai thác và vận chuyển, nếu không đảm bảo đúng kĩ thuật thì H2S có thể rỉ vào khí quyển, ngoài ra còn rò rỉ từ giếng nhàn rỗi hoặc các giếng đã không còn khai thác. Trong công nghiệp lọc dầu, quá trình sunfua hóa bằng hidro đã làm giải phóng một lượng lớn lưu huỳnh từ dầu mỏ. Dầu khí khi đưa vào sử dụng có thể sinh ra H2S khi khai thác, lưu trữ, vận chuyển, hoặc giai đoạn chế biến. Trong quá trình khai thác, hydro sunfua có thể phát tán vào không khí tại đầu giếng, máy bơm, đường ống, thiết bị tách, lưu trữ dầu bình, bể chứa nước. Vì khí H2S không có giá trị về mặt kinh tế nên nó thường được xử lý bằng cách đốt bỏ. H2S khi cháy tạo ra lưu huỳnh dioxit (SO2), nhưng trong trường hợp cháy không hoàn toàn, H2S có thể được phóng vào khí quyển. Khí sinh học - biogas (sau đây gọi là biogas) là sản phẩm của quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí. Biogas sinh ra từ các bể phân hủy yếm khí trong dây chuyền xử lý phế thải sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp… chứa các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học hoặc tại các đầm phá và các bãi chôn lấp. Khí biogas bao gồm chủ yếu là khí methan CH4 (50-60%) có ích, CO2 (40-50%), lượng nhỏ (cỡ 0,1 đến 2-3%) khí H2S (và một số hợp chất chứa lưu huỳnh khác như mercaptan, SO2), NH3, hơi nước, 5
  14. Luận văn Thạc sỹ Khoa học Môi trường một số hợp chất halogen, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi….Tuy chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong thành phần biogas nhưng H2S lại gây ra rất nhiều khó chịu về mùi và tính ăn mòn của nó [41]. 1.1.3. Độc tính và đặc tính ăn mòn của H2S 1.1.3.1. Độc tính của H2S [22, 35] H2S là chất khí cực độc, độc tính ngang với HCN và cao hơn CO từ 5 đến 6 lần. Bảng 1.1 phân loại các ảnh hưởng của khí H2S theo nồng độ: Bảng 1.1. Ảnh hưởng của khí H2S theo nồng độ Vì hydro sunfua có mùi trứng thối đặc trưng nên nó có thể phát hiện ngay khi ở nồng độ thấp (từ 0,5 ppm). Tuy nhiên ở nồng độ trên 150 ppm cơ thể sẽ không thể nhận biết H2S vì nó nhanh chóng làm suy yếu khứu giác, dẫn đến vô hiệu hóa các cảm giác về mùi, nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe và đe dọa tính mạng của con người là rất cao. Hầu hết các ảnh hưởng của hydro sunfua cho con người đều xảy ra với đường hô hấp, mặc dù tiếp xúc thường cũng ảnh hưởng đến mắt. H2S được coi là một chất độc có phổ rộng. Các cơ quan tiếp xúc dạng niêm mạc (mắt, mũi) 6
  15. Luận văn Thạc sỹ Khoa học Môi trường và những bộ phân có nhu cầu oxy cao (phổi, não) là những mục tiêu chính của hydro sunfua. H2S hoạt động tương tự như HCN, nó tạo thành một mối liên kết phức tạp với sắt trong các enzym cytochrome ty lạp thể ức chế sự hô hấp của tế bào, dẫn đến tế bào thiếu oxy và chết. Cơ thể con người giải độc H2S bằng cách ôxi hóa thành sulfat hoặc thiosunfat bởi các hemoglobin liên kết với oxy trong máu hoặc men gan. Độc tính gây chết người xảy ra khi H2S có mặt trong nồng độ đủ cao vượt quá khả năng giải độc của cơ thể. Ở các cấp độ lên đến 100- 150 ppm, hydro sunfua là một chất kích thích tế bào, gây viêm kết giác mạc và kết mạc, kích thích các cơ quan hô hấp với các triệu chứng như chảy nước mắt và ho. Kích ứng da cũng là một triệu chứng phổ biến. Giảm tức thời của ý thức, nhanh chóng ngưng thở (chậm lại hoặc tạm thời ngừng thở), và cái chết có thể do tiếp xúc cấp tính với mức trên 1000 ppm. Các hiệu ứng không gây chết người có thể được tóm tắt như: - Các triệu chứng liên quan đến thần kinh: chóng mặt, kích động, lú lẫn, đau đầu, buồn ngủ, buồn nôn, nôn mửa, co giật, giãn đồng tử và bất tỉnh - Các triệu chứng liên quan đến hô hấp - phổi: ho, tức ngực, khó thở (thở nhanh), tím tái (chuyển sang màu xanh do thiếu oxy), ho ra máu (nhổ nước bọt hoặc ho ra máu), phù phổi (dịch trong phổi), và ngưng thở với các hiệu ứng tim mạch thứ cấp. Ảnh hưởng sức khỏe con người tiếp xúc với hydro sunfua phụ thuộc nồng độ của khí và thời gian tiếp xúc. Giá trị giới hạn của khí H2S là 10 ppm. Các hoạt động khi có sự tồn tại của khí H2S với hàm lượng cao hơn không được phép kéo dài quá 8 giờ. Hầu hết những thông báo chỉ dẫn đều nhấn mạnh 6 - 7 ppm là hàm lượng tối đa mà khí H2S được phép tồn tại, nhưng không quá 12 giờ. 1.1.3.2. Đặc tính ăn mòn [19, 26] Bên cạnh tính độc, H2S còn có tính chất gây hại khác, đó là tính ăn mòn. Quá trình ăn mòn của H2S đối với các vật liệu có thể giải thích qua 2 cơ chế: 7
  16. Luận văn Thạc sỹ Khoa học Môi trường - Do kết quả của quá trình biến đổi sinh học từ khí H2S thành axit H2SO4 trong môi trường không khí ẩm. - Do phản ứng hóa học với kim loại như đồng, sắt và bạc… với khí H2S. Cơ chế ăn mòn thứ nhất là nguyên nhân chính cho sự ăn mòn bên trong của các đường ống nước thải, các đường ống thép…Trong tự nhiên luôn tồn tại ion sunfat, khi ion sunfat kết hợp với chất nền hữu cơ trong quá trình trao đổi chất của vi khuẩn khử sunfat (SRB- Sulfate Reducing Bacteria) hình thành ion HS- và CO2 SO42- + chất nền hữu cơ → HS- và CO2 SRB đã khử ion sunfat thành axit hydrosunfua. Axit hydrosunfua ăn mòn thép tạo thành FeS. FeS sinh ra tạo cặp pin với thép, dẫn đến sắt bị hòa tan. Điện tử từ bề mặt FeS sinh ra được SRB lấy đi làm cho quá trình ăn mòn điện hóa này diễn ra dễ dàng và liên tục. Bên cạnh đó, vi khuẩn có khả năng oxy hóa H2S thành H2SO4 có mặt khắp nơi trong tự nhiên và trong cả nước thải, cũng sẽ chuyển H2S trong không khí, cùng với độ ẩm có sẵn thành axit sunfuric và ăn mòn đường ống, bê tông.... Hình 1.1. Cơ chế ăn mòn của H2S Cơ chế ăn mòn thứ hai của H2S giải thích cho việc phá hỏng nhanh chóng của các thiết bị điện, các hệ thống máy móc, thiết bị để vận chuyển và xử lý nước thải, khí tự nhiên, khí biogas… Người ta có thể gọi ăn mòn do khí H2S 8
  17. Luận văn Thạc sỹ Khoa học Môi trường gây ra là ăn mòn chua. Khí H2S trong môi trường ẩm hoặc hòa tan trong nước tạo thành axit hydrosunfua. HS + H2O → HS- + H+ HS- + H2O → S2-+ H+ Fe + S2- → FeS Cũng theo như giải thích ở trên, H2S tác dụng với thép tạo thành FeS, khi đó FeS trở thành catot có điện tích (+) và thép là anot tạo thành pin ăn mòn, nên càng thúc đẩy quá trình ăn mòn thép do H2S gây ra. Hơn nữa, trong quá trình ăn mòn kim loại do H2S gây ra còn có sự tái sinh khí H2S nên quá trình ăn mòn H2S gây ra hầu như không giảm dần theo thời gian, nghĩa là sự phá hủy này diễn ra liên tục trong các thiết bị. Đối với các thiết bị, đường ống khí… làm từ Cu, Ag, Sn, quá trình ăn mòn này cũng xảy ra tương tự. 1.1.4. Hiện trạng ô nhiễm H2S trong môi trƣờng tại Việt Nam Theo Bộ Tài nguyên và Môi trường, hiện nước ta có đến 68% dân số sống ở nông thôn. Đa số người dân làm nghề nông hoặc sản xuất nhỏ tại các làng nghề. Hoạt động các làng nghề rất đa dạng, trong đó một số loại hình sản xuất có đặc thù phát thải nhiều loại khí độc hại như: làng nghề tái chế kim loại, giấy, nhựa, đúc đồng, làng nghề sản xuất vật liệu xây dựng …Theo báo cáo về dự án “Kiểm soát ô nhiễm môi trường làng nghề” giai đoạn 2009 - 2012 của Cục Kiểm soát ô nhiễm (Tổng cục Môi trường), kết quả quan trắc môi trường không khí thực hiện tại 46 làng nghề thuộc các lĩnh vực cho thấy, có 45/46 làng nghề (chiếm 97,8%) có chỉ tiêu quan trắc chất lượng không khí vượt quy chuẩn cho phép từ 1,1 – 4,3 lần. Cụ thể, làng nghề lụa Vạn Phúc (Hà Đông) có nồng độ H2S vượt tiêu chuẩn cho phép từ 2,8 – 3,1 lần. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường, hoạt động tại nhiều làng nghề thời gian qua đã phát triển mạnh, ngày càng mở rộng về quy mô và diện tích, khiến lượng chất thải hầu như không được xử lý đúng kỹ thuật, xả thải trực tiếp ra môi trường, đã 9
  18. Luận văn Thạc sỹ Khoa học Môi trường gây ô nhiễm môi trường đất, nước mặt, nước ngầm. Đặc biệt, nhiều làng nghề chăn nuôi và giết mổ còn phát sinh ô nhiễm mùi do quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải và các chất hữu cơ trong chế phẩm thừa thải ra tạo nên các khí: H2S, NO2, NH3 … Bên cạnh đó, hoạt động sản xuất nông nghiệp cũng thường phát sinh ra khí H2S và một số khí độc hại khác do trong quá trình trồng trọt có sử dụng các loại phân bón và thuốc trừ sâu. Trong chăn nuôi, phân và nước thải tuy chứa các thành phần NPK rất hữu ích cho cây trồng, nhưng chính các chất này lại sản sinh ra các loại khí CH4, H2S, CO2, NH3... gây ô nhiễm không khí và môi trường sống của con người và động vật. Theo ước tính của ngành chức năng, tổng khối lượng chất thải chăn nuôi ở Nam Định mỗi năm khoảng trên 1 triệu tấn. Tình trạng người chăn nuôi thiếu ý thức cộng đồng, vứt xác gia súc, gia cầm chết vì dịch bệnh ra môi trường cũng đang là vấn đề nhức nhối gây nguy hại cho môi trường, làm lây lan dịch bệnh. Trong nuôi trồng thủy sản, tình trạng ô nhiễm môi trường xảy ra do thức ăn dư thừa phân hủy thối rữa kết hợp với phân và các loại rác thải khác đọng lại dưới đáy ao nuôi. Ngoài ra, còn các hóa chất, kháng sinh được sử dụng trong quá trình nuôi tồn dư trong nước và đáy ao, đầm mà không được xử lý. Việc hình thành lớp bùn đáy do tích tụ lâu ngày của các chất hữu cơ, cặn bã là nơi sinh sống của các vi sinh vật gây thối, các vi sinh vật sinh các khí độc như NH3, NO2, H2S, CH4...; các vi sinh vật gây bệnh như: Vibrio, Aeromonas, Ecoli, Pseudomonas, Proteus, Staphylococcus... cùng nhiều loại nấm và nguyên sinh động vật. Việc xả bừa bãi nước thải không những gây ô nhiễm môi trường mà còn khiến dịch bệnh phát sinh, lây lan trên diện rộng cho các vùng nuôi. Tình trạng ô nhiễm tại các bãi rác đang trở nên ngày một nghiêm trọng và ảnh hưởng đến đời sống dân cư xung quanh vùng có bãi rác. Các bãi rác tại Việt Nam đều sử dụng biện pháp chôn lấp. Tuy nhiên, có tới 85-90% các bãi 10
  19. Luận văn Thạc sỹ Khoa học Môi trường chôn lấp không hợp vệ sinh, có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường cao đặc biệt là môi trường không khí. Do quá trình phân hủy các chất hữu cơ đã sản sinh ra các loại khí H2S, CH4… gây mùi hôi thối và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của cộng đồng dân cư xung quanh đó. Hàng ngày, hàng giờ người dân đang phải tiếp xúc với các loại mùi ô nhiễm do rác thải, khí than, hóa chất độc hại được thải ra từ những nhà máy, cơ sở sản xuất… gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe. Khoảng 3 năm trở lại đây, hàng trăm người dân phường Tiên Cát và Thọ Sơn (TP Việt Trì, Phú Thọ) luôn lo lắng mảnh đất mình đang sinh sống sẽ trở thành “làng ung thư” do phải chịu đựng mùi hôi thối được phát ra từ hệ thống nước thải của công ty Miwon (có vốn đầu tư của Hàn Quốc) đóng trên địa bàn. Nước thải sinh ra từ quá trình sản xuất lên men mật, rỉ đường và tinh bột sắn. Trong quá trình lên men và phân giải, các chất hữu cơ vi sinh vật sẽ gây nên mùi khó chịu. Ngành công nghiệp giấy hàng năm cũng thải ra một lượng lớn khí H2S, SO và bụi (natri sulphate, natri cacbonate) thoát ra từ các hóa chất trong qui trình công nghệ, phát tán từ các quá trình nghiền bột hóa học cùng với chất hữu cơ bay hơi ở các mức thấp, từ nguyên liệu sợi (như các chất chiết suất) và các sản phẩm phản ứng (như các sulfide hữu cơ) từ các hóa chất và thành phần gỗ. Một vấn đề quan trọng nữa về chất lượng không khí là sự phát tán các hợp chất mùi hôi thối, hoặc độc hại từ qui trình công nghệ nghiền bột bằng sulphat. 1.1.5. Các phƣơng pháp loại bỏ H2S [15, 21, 31, 44] Có rất nhiều phương pháp để loại bỏ H2S, tuy nhiên ta có thể phân thành ba nhóm phương pháp chính: phương pháp hóa học, phương pháp sinh học, phương pháp màng. 1.1.5.1. Phương pháp hóa học Đối với các phương pháp hóa học người ta thường chia ra làm hai quá trình: quá trình rắn- khí hay còn được gọi là quá trình khô và quá trình lỏng- 11
  20. Luận văn Thạc sỹ Khoa học Môi trường khí hay còn gọi là quá trình ướt. 1.1.5.1a. Quá trình rắn- khí (quá trình khô) Loại bỏ H2S trong biogas bằng quá trình rắn-khí (quá trình khô) được thực hiện bằng cách cho dòng khí đi qua thiết bị chứa tác nhân xử lý H2S là các vật liệu ở dạng rắn. Thực chất của quá trình này là: hoặc H2S phản ứng với tác nhân hóa học ở dạng rắn, hoặc chúng bị hấp phụ lên trên bề mặt vật liệu rắn. Các tác nhân dạng rắn thường được sử dụng là các oxit của kim loại có ái lực mạnh với H2S như: các oxit sắt (Fe2O3, Fe3O4) và oxit kẽm, các chất kiềm rắn (Ca(OH)2, NaOH) hoặc trong trường hợp hấp phụ là các vật liệu như zeolite và than hoạt tính.  Vật liệu trên cơ sở oxit sắt Phương pháp xử lý H2S có lịch sử lâu đời nhất và cho đến nay vẫn còn được sử dụng trong thực tế là dùng oxit sắt tương tác chọn lọc với H2S. Oxit sắt loại bỏ lưu huỳnh bằng cách hình thành sunfua sắt không hòa tan. Có thể kéo dài thời hạn sử dụng của vật liệu bằng cách thêm một lượng xác định không khí cùng với biogas để tái sinh một phần vật liệu nhờ chuyển sắt sulfua thành sắt oxit và lưu huỳnh nguyên tố dưới tác dụng của oxy. Tuy nhiên, cuối cùng vẫn dẫn đến vật liệu bị bão hòa dung lượng hoặc bị bít tắc bởi lưu huỳnh nguyên tố và phải thay thế. Sản phẩm oxit sắt đầu tiên là "sắt xốp”, sau đó là SulfaTreat®, Sulfur-Rite®, và Media-G2®, Sulfa-Bind®... Các sản phẩm này có bản chất là các vật liệu composite của oxit sắt (thường là Fe2O3) trên nền các chất mang khác nhau. Cơ chế loại bỏ H2S cho nhóm vật liệu này theo các phương trình sau: Fe2O3 + 3H2S → Fe2S3 + 3H2O ΔH = -22 kJ/g-mol H2S 2Fe2S3 + O2 → 2Fe2O3 + 3S2 ΔH = -198 kJ/g-mol H2S Phương trình đầu cho thấy về lý thuyết 1kg Fe2O3 loại bỏ được 0,64 kg H2S. Phương trình thứ hai là phản ứng tái sinh tỏa nhiệt cao của oxit sắt hình 12
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.01: Bộ Luận Văn Thạc Sĩ Quản Trị Kinh Doanh MBA
165 tài liệu
2070 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2