CHƯƠNG II ĐỐI TƯỢNG, MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.3 Phương pháp nghiên cứu , chế tạo
Tìm hiểu thu thập, tìm kiếm các nguồn tài liệu sách báo thông qua internet, thư viện nhằm tìm kiếm các nội dung liên quan đến nghiên cứu về khí HCl, chế tạo vật liệu, quá trình xử lý khí HCl, tính toán thiết kế tháp hấp phụ. Hằng ngày thu thập ghi chép tổng hợp các số liệu, quá trình thực hiện trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài vào cuồn sổ ghi chép.
2.3.2. Phương pháp nghiên cứu vật liệu Fe2O3 –MnO2
a. Phương pháp hiển vi điện tử quét ( SEM – Scanning Electron Microscope) Kính hiển vi điện tử quét một vòng chùm tia điện tử đi qua các thấu kính để tiêu tụ thành một điểm rất nhỏ để chiếu lên bề mặt của mẫu nghiên cứu. Nhiều hiệu ứng
xảy ra khi các hạt điện tử của chùm tia va chạm với các nguyên tử ở bề mặt vật rắn. Từ điểm ở bề mặt mẫu mà các điện tử chiếu đến, có nhiều loại hạt, nhiều loại tia phát ra gọi chung là các loại tín hiệu.
Cho chùm tia điện tử quét trên mẫu và quét một cách đồng bộ một tia điện tử trên màn hình, thu và khuếch đại một loại tín hiệu nào đó từ mẫu phát ra để làm thay đổi cường độ sáng của tia điện tử quét trên màn hình ta có được ảnh.
Độ phóng đại của hiển vi điện tử quét thông thường là từ vài ngàn lần đến vài trăm ngàn lần, năng suất phân giải phụ thuộc vào đường kính chùm tia điện tử tiêu thụ chiếu lên mẫu.
Ưu điểm của phương pháp SEM là cho phép thu được hình ảnh ba chiều của vật thể và do vậy thường được dùng để khảo sát hình dạng, cấu trúc bề mặt vật liệu.
a. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET)
Phương pháp BET được ứng dụng rất nhiều trong xác định diện tích bề mặt riêng của một vật liệu thông qua phương trình BET.
= + ()
P là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí.
Po là áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp thụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở cùng nhiệt độ.
V là thể tích chất bị hấp phụ ở áp suất tương đối P/Po tính bằng cm3. Vm là thể tích lớp đơn phân tử trên toàn bộ bề mặt S tính bằng cm3.
C là hằng số liên quan đến năng lượng hấp phụ đối với lớp bị hấp phụ và chất bị hấp phụ đầu tiên hay liên quan đến mức độ tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.
2.3.3 Phương pháp mô hình phòng thí nghiệm a. Mô hình hệ thiết bị
Chú thích:
1 – Buồng chứa khí 2 – Khóa 1
3 – Quạt 4 – Khóa 2
5 – Van điều chỉnh lưu lượng
6 – Khóa 3 7 – Khóa 4 8 – Khóa 5 9 – Tháp hấp phụ 10 – Hộp thu khí
Hình 2.1: Mô hình hệ thiết bị xử lý khí thải b. Chế độ thí nghiệm và quy trình vận hành
Chế độ thí nghiệm
- Khảo sát chế độ nhiệt độ của hệ tới khả năng hấp phụ khí HCl của vật liệu Fe2O3 – MnO2.
- Đánh giá hiệu quả xử lý HCl của vật liệu Fe2O3 – MnO2 dựa trên sự thay đổi của hàm lượng khí HCl đầu vào.
Quy trình tạo và thu khí HCl
- Sử dụng bếp lò để đốt hỗn hợp giấy trắng, ống nhựa. Tiến hành xé nhỏ một lượng giấy trắng và ống nhựa đã được cắt nhỏ cho vào bếp. Tiến hành nhóm lửa bằng giấy.
- Dùng quạt thổi khí cấp khí cho lò đốt từ dưới lên để quá trình cháy hoàn toàn và diễn ra nhanh hơn.
- Đợi cho hỗn hợp chất gồm giấy và ống nhựa cháy hoàn toàn ta tiến hành thu khí bằng cách lắp hệ kín bao gồm chụp thu khí, đường ống dẫn khí và buồng thu khí.
- Giấy cháy hết thì cấp thêm một lượng khoảng 0,1kg giấy vào bếp. Cứ sau một thời gian giấy gần cháy hết thì lại cấp thêm 0,1kg giấy vào để duy trì tình trạng cháy.
- Sau một khoảng thời gian 3h đốt cháy ta thu được một lượng khí nhất định rồi tiến hành nén khí bằng máy nén khí.
Quy trình vận hành
- Bước 1: Tiến hành đưa 3 viên vật liệu hấp phụ Fe2O3 – MnO2 vào trong buồng hấp phụ của tháp. Bật thiết bị điều chỉnh nhiệt độ để gia nhiệt cho hệ vật liệu trong khoảng nhiệt độ hoạt động của hệ. Lưu ý cần phải gia nhiệt ở 120oC trước 30 phút để hệ vật liệu hoạt động trong điều kiện ổn định.
- Bước 2: Sau đó mở bình chứa khí, điều chỉnh van khí từ máy nén khí và mở khóa 1 (2) dẫn khí từ bình chứa khí vào buồng chứa khí (1), đồng thời đóng khóa 2 (4).
- Bước 3: Sau một thời gian lượng khí vào buồng chứa khí nhất định thì đóng khóa 1 (2), mở khóa 2 (4) và bật quạt hút đẩy (3), lúc này quạt sẽ hút khí từ buồng chứa khí vào quạt và đẩy khí từ quạt vào các ống dẫn. Mở thiết bị điều chỉnh lưu lượng (5) điều chỉnh van của thiết bị mức lưu lượng nhất định và mở khóa 3 (6), khóa 5 (8) để khí được đưa qua các ống dẫn khí vào tháp hấp phụ.
- Bước 4: Thiết bị hoạt động theo chế độ gián đoạn, nên sau khi hết một thời gian làm việc của tháp, đóng khóa 5 (8) và mở khóa 4 (7) cho khí còn lại trong buồng chứa khí thoát ra hết. Sau đó, ta tiến hành gia nhiệt hệ vật liệu để giải hấp vật liệu trước khi tiến hành thí nghiệm mới ở 200oC trong 1 giờ.
Vật liệu chế tạo thiết bị.
Bảng 2.1: Thiết bị được chế tạo bằng nhiều chất liệu khác nhau ST
T Thiết bị Vật liệu chính Vật liệu phụ trợ Gia công
1 Quạt hút đẩy khí Sắt, đồng Nhựa
2 Hộp chứa khí Tôn inox Keo chịu nhiệt,
van khóa, ống tio
Cắt, tạo hình, hàn, gắn keo 3 Ống dẫn khí Nhựa PVC Keo gắn ống, cút Cắt, nối, gắn keo 4 Van điều chỉnh Nhựa PVC, sắt Keo gắn ống, ren
trong, ren ngoài Cắt, nối, gắn keo 5 Thiết bị điều chỉnh
lưu lượng Sắt Ren trong 15, 25
6 Tháp hấp phụ Inox 304 Cắt, tạo hình , hàn ,
mài bóng 7 Thiết bị gia nhiệt Tôn, đồng, thép
đen, inox Nhựa, ổ sứ , dây
đồng, ốc vít Gia công, lắp đặt , đấu nối
8 Dây dẫn điện Dây đồng Băng dính cách
điện Đấu nối
9 Máy nén khí Thép , nhựa Dầu máy, ống nhựa, van điều
chỉnh
10 Bình khí Thép Van chỉnh lưu
lượng, ống tio 2.3.4 Phương pháp phân tích
Phương pháp hấp thụ HCl bằng nước cất (Tiêu chuẩn Bộ Y Tế - Y học lao động và vệ sinh môi trường).
a. Nguyên tắc
HCl tác dụng với AgNO3 tạo thành kết tủa trắng AgCl theo phương trình phản ứng:
AgNO3 + HCl AgCl trắng + HNO3
b. Quy định chung
- Hóa chất theo TCVN 1058 – 78 - Nước cất theo TCVN 2117 – 77 - Cân phân tích có độ chính xác 0,1 mg
- Độ chính xác của phương pháp 0,1%, sai số cho phép trong phạp vi ± 0,5%.
c. Dụng cụ và hóa chất - Dụng cụ:
+ Máy hút không khí
+ Ống hấp thụ kiểu Impinger – ống nghiệm 10 x 120mm.
+ Pipet 1, 5 ml.
+ Bình nón 100 ml . - Hóa chất:
+ Dung dịch chuẩn HCl 100 ppm: hòa tan 0,1654 g NaCl với nước cất sau đó định mức thành 1000 ml.
+ Dung dịch HNO3 1%.
+ Dung dịch AgNO3 1%: Cân 1g AgNO3 hòa tan với nước cất sau đó định mức thành 100ml.
+ Dung dịch hấp thụ : nước cất 2 lần.
d. Lấy mẫu
Cho vào ống hấp thụ 5 ml nước cất. Hút không khí qua với tốc độ 20l/h. Thể tích không khí cần lấy với nồng độ HCl trung bình 10-15 lít.
Sau khi hấp thụ mẫu xong, lấy toàn bộ dung dịch ở hai ống hấp thụ và nước tráng rửa hai bình hấp thụ. Hòa trộn dung dịch ở hai bình hấp thụ rồi lấy một thể tích chính xác đem phân tích.
e. Phân tích
Lấy 3 ml dung dịch đã hấp thụ cho vào ống nghiệm. sau đó cho 1 ml HNO3 1%
và AgNO3 1% lắc đều để 10 phút so màu ở bước sóng 450 nm.
f. Lập đường chuẩn
Bảng 2.2: Xây dựng đường chuẩn
STT 0 1 2 3 4 5 6 7
Dd HCl chuẩn
100ppm 0 0.03 0.0
5 0.08 0.1 0.15 0.2 0.25
Dd HNO3 1% 1ml
AgNO3 1% 1ml
Nước cất 3 2.97 2.9
5 2.92 2.9 2.85 2.8 2.75
Nồng độ HCl (àg/ml) 0 3 5 8 10 15 20 25
Lắc đều các ống nghiệm để 10 phút để ổn định màu rồi đem so màu ở bước sóng 450 nm.
g. Phương trình đường chuẩn
Bảng 2.3: Kết quả đo quang Abs ứng với từng nồng độ HCl
C (àg/ml) 0 3 5 8 10 15 20
Abs 0 0.027 0.048 0.071 0.077 0.127 0.157
Hình 2.2: Đồ thị đường thẳng đường chuẩn của HCl + Phương trình đường chuẩn: y = 0.0078x + 0.0041.
h. Tính kết quả
Từ loạt chuẩn đo độ hấp thụ, vẽ giản đồ A = f (C), sử dụng phương trình bình phương cực tiểu để lập phương trình y = ax +b. Từ trị số độ hấp thụ của mẫu Am suy ra nồng độ Cm.
Hàm lượng HCl trong không khí X (mg/m3) tính theo công thức:
= Trong đó:
y : Hàm lượng HCl trong dóy chuẩn (àg)
Vht : Tổng thể tích dung dịch hấp thụ ( ml)
Vxd : Tổng thể tích dung dịch hấp thụ lấy ra phân tích( ml) V : Thể tích khí đã hút ở điều kiện chuẩn (l)
2.3.5. Phương pháp xử lý số liệu
Sử dụngphần mềm excel, original 6.0 để thống kê, tính toán số liệu hàm lượng khí HCl đầu vào, ra, độ hấp phụ của vật liệu, vẽ biểu đồ, phương trình đường thẳng.
Tại phòng phân tích, vừa tiến hành thí nghệm phân tích vừa ghi chép tổng hợp các số liệu phân tích thu được vào sổ tay cá nhân. Để tính toán dễ dàng nhanh chóng, thống kê kiểm soát số liệu, đánh giá sự thay đổi của số liệu ta tiến hành nhập số liệu và tính toán trên excel. Từ bảng excel đó ta dễ dàng quan sát, đánh giá điều chỉnh điều chỉnh chế độ vận hành sao cho phù hợp thu được kết quả tốt hơn.
Việc thu thập, thống kê, phân tích đánh giá xử lý số liệu trong quá trình nghiên cứu đóng vai trò quan trọng, thiết yếu, là kết quả đánh giá của cả quá trình thực hiện, đồng thời là yếu tố quyết định sự thành công của đề tài.
Bột Cao lanh Bột Talc Bột Al(OH)3
Hỗn hợp Nước
Sấy khô, nung ở 1250oC trong 3h
Gốm cordierite Cân định lượng
CHƯƠNG III: MÔ HÌNH XỬ LÝ KHÍ HCl BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ Fe2O3
–MnO2 (QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM) 3.1. CHẾ TẠO VẬT LIỆU
3.1.1. Chế tạo gốm Cordierite
- Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu và phối trộn các vật liệu theo tỷ lệ : caolanh 33,1%, bột talc 38,9%, bột Al(OH)3 28%.
- Bước 2: Nghiền nguyờn liệu thu được phối liệu cú cấp hạt mịn (Φ < 10àm chiếm hơn 50%), thành phần đồng nhất.
- Bước 3: Trộn lẫn các nguyên liệu lại với nhau tạo ra hỗn hợp khô, sau đó cho thêm dung môi nước vào hỗn hợp trên ta thu được hỗn hợp ướt; nhào trộn rồi nặn thành các viên nhỏ.
- Bước 4: Phơi khô, rồi đem nung ở 1250oC, ta thu được vật liệu gốm Cordierite.
Hình 3.1: Sơ đồ tổng hợp gốm Cordierit 3.1.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ Fe2O3 –MnO2
Chế tạo vật liệu hấp phụ Fe2O3 –MnO2 dưới dạng các viên gốm có kích thước 50 x 50 x 100 mm; có đục lỗ trên vật liệu với số lỗ là 16 lỗ, đường kính lỗ 0,4 cm.
Các bước tiến hành để chế tạo vật liệu hấp phụ Fe2O3 –MnO2 như sau:
• Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu. Nguyên liệu chính để chế tạo vật liệu hấp phụ Fe2O3 – MnO2 bao gồm:
+ Oxit sắt Fe2O3.
+ Đioxit mangan MnO2.
+ Bột gốm Cordierite Mg2Al4Si3O18. + Caolanh Al2Si2O5(OH)4.
Trong đó oxit Fe2O3 và MnO2 là hợp chất có độ sạch cao, ở dạng quặng sắt, mangan tự nhiên có thành phần hóa học theo bảng 2.1). Caolin là khoáng chất tự nhiên. Thành phần các phối liệu của gốm được ghi trong bảng 2.1. Bột gốm cordierite có độ hạt <0,1 mm, thu được từ gốm cordierite nghiền nhỏ.
Tỷ lệ phân bố phối trộn của các vật liệu như sau: Fe2O3 35%, MnO2 10%, bột gốm cordierite 40%, caolanh 15%.
Bảng 3.1: Tổng hợp các kết quả phân tích thành phần hóa học nguyên liệu ban đầu và sản phẩm nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ.
Nguyên liệu hay sản phẩm Hàm lượng các oxit (%)