CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. Phương pháp nghiên cứu, chế tạo
2.3.3. Chế tạo vật liệu
2.3.3.1. Chế tạo gốm cordierit
- 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%.
Bột Cao lanh Bột Talc Bột Al(OH)3
Hỗn hợp Nước
Sấy khô, nung ở 1250oC trong 3h
Gốm cordierite Cân định lượng
- 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 2.1 Sơ đồ tổng hợp gốm Cordierit [10]
2.3.3.2. Chế tạo vật liệu hấp phụ Fe2O3-MnO2
Vật liệu hấp phụ Fe2O3-MnO2 được chế tạo theo sơ đồ qua các công đoạn [13]
Bước 1 : Chuẩn bị nguyên liệu
Nguyên liệu chính để chế tạo các viện gốm Fe2O3-MnO2 là oxit sắt ( Fe2O3) và dioxit Mangan (MnO2), bột gốm cordierite (Mg2Al4Si5O18), caolanh (Al2Si2O5(OH)4). Trong đó oxit sắt và dioxit Mangan là những hợp chất có độ sạch cao, cao lanh là khoáng chất tự nhiên, bột gốm cordierite có độ hạt < 0,1mm, thu được từ gốm cordierite nghiền nhỏ. Tỷ lệ phối trộn các vật liệu như sau : Fe2O3 (35%), MnO2 (10%), bột gốm cordierite (40%), cao lanh (15%).
Ta cân định lượng các hóa chất theo tỷ lệ phối trộn rồi trộn đều để thu được hỗn hợp khô, sau đó ta cho thêm nước với lượng vừa đủ để tạo độ ẩm cho hỗn hợp
và thêm dung dịch Na2Si2O5 vào hỗn hợp rồi để một thời gian cho các phản ứng được xảy ra.
Hình 2.2 Sơ đồ tổng hợp Fe2O3-MnO2
Bước 2 : Ép tạo hình
Sau khi cân định lượng các nguyên liệu được phối trộn đều ở trạng thái khô, sau đó nhào trộn với dung dịch Na2Si2O5 50% cho đến khi bão hòa. Ngừng một khoảng thời gian để phản ứng xảy ra. Hỗn hợp cần có độ dẻo thích hợp cho việc ép viên gốm. Mỗi viên gốm có kích thước 50x50x100; có đục lỗ trên vật liệu là 16 lỗ, đường kính mỗi lỗ là 3mm.
Bước 3 : Sấy khô và hoàn thiện sản phẩm
Các viên gốm Fe2O3-MnO2 sau khi tạo hình, phơi khô, sấy khô và nung ở 900oC trong 24h, đóng gói bảo quản.
2.3.3. Phương pháp mô hình phòng thí nghiệm
Hệ thiết bị xử lý khí thải
Dioxit mangan MnO2
Oxit sắt Fe2O3
Caolanh Al2Si2O5(OH)4
Gốm Cordierite Mg2Al4Si5O18
Cân định lượng
Hỗn hợp khô
Dung dịch Na2Si2O5
Hỗn hợp ướt
Tạo hình đùn
ép Sấy khô, nung
ở 900o, 24h Sản phẩm gốm
hấp phụ
Hình 2.3 Mô hình thiết bị xử lý khí thải
Chế độ thí nghiệm và quy trình vận hành
- Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian hấp phụ lên khả năng hấp phụ khí HF của vật liệu Fe2O3-MnO2
- Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ khí đầu vào lên khả năng hấp phụ khí HF của vật liệu Fe2O3-MnO2.
Quy trình chế tạo và thu khí HF
- Sử dụng bếp điện trở để đốt đất sét (đất sét được mua ở làng gốm Bát Tràng)
- Cho 5,2g đất sét lên bếp điện và tiến hành đốt trong vòng 1 giờ đến khi đất sét chuyển thành màu trắng hoàn toàn và vụn ra (do nồng độ khí HF phân tích không thể để nồng độ cao, nên lượng đất sét mang đốt và thời gian đốt còn hạn chế)
- Khi đốt khí được thu bằng chụp nón (chụp nón làm bằng tôn) và thu vào hòm tôn kín để giữ khí
- Ta dùng máy nén khí để thu khí từ hòm vào bình nén khí
- Ta bơm khí từ bình nén khí vào các bóng cao su để dùng khi chạy thí nghiệm.
Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ chế tạo khí HF
Vật liệu chế tạo thiết bị
Bảng 2.1 Thiết bị được chế tạo bằng nhiều vật liệu khác nhau
STT Thiết bị Vật liệu chính Vật liệu phụ trợ Gia công
1 Quạt hút đẩy Nhựa 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 Van 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
Mô tả quy trình vận hành chi tiết
Hình 2.5 Sơ đồ công nghệ mô hình xử lý hơi axit bằng vật liệu hấp phụ
(1) - Buồng thu khí (2) - Khóa 1 (3) - Quạt hút đẩy (4) - Khóa 2 (5) - Thiết bị điều chỉnh lưu lượng (6) – Khóa 3 (7) – Khóa 4 (8) – Khóa 5 (9) – Tháp hấp phụ (10) – Thiết bị gia nhiệt
Chú thích:
- Bước 1: Đưa vật liệu vào tháp. Gia nhiệt hệ vật liệu trong khoảng nhiệt độ mong muốn bằng bộ điều khiển nhiệt độ. Lưu ý cần phải gia nhiệt ở 120oC trước 20 - 30 phút để hệ vật liệu hoạt động trong điều kiện ổn định.
- Bước 2: Mở bình chứa khí công nghiệp, điều chỉnh van khí từ máy nén và mở khóa 1 (2) dẫn khí từ bình chứa khí công nghiệp vào buồng chứa khí (1), đồng thời đóng khóa 2 (4).
- Bước 3: Sau một thời gian đo đóng khóa 1 (3), mở khóa 2 (4) và bật quạt hút (3).
Mở van điều chỉnh lưu lượng (5) và mở khóa 3 (6), khóa 5 (8) để khí được đưa qua hệ vật liệu.
- Bước 4: Do thiết bị hoạt động theo chế độ gián đoạn, nên sau khi hết 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. Gia nhiệt hệ vật liệu lên 200oC trong 1h để giải hấp vật liệu trước khi tiến hành thí nghiệm mới.
2.3.4. Phương pháp phân tích Theo Niosh 7906 [13]
ÁP DỤNG: Phạm vi làm việc là (từ 0,1 đến 8 mg / mẫu đối với mẫu khí 250 Lít.
Phương pháp: Sắc kí ion Thể tích: 50 μL
Dung dịch rửa giải: 8 mM Na2CO3 / 1 mM NaHCO3. Tốc độ dòng chảy 1,0 mL / phút THÀNH PHẦN:
1. Natri bicacbonat NaHCO3
2. Natri cacbonat (Na2CO3)
3. Nước cất, nước khử ion, lọc qua màng lọc 0,45 μm
4. Dung dịch đệm bicacbonat / cacbonat(1.7 mM NaHCO3 /1.8 mM Na2CO3). Hòa tan 0.5712 g NaHCO3 and 0.7631 g Na2CO3 vào nước lọc khử ion 5. Chuẩn hóa dung dịch gốc, 1 mg/mL (như anion). Hòa tan muối trong nước khử ion được lọc:
a. Fluoride: 0.2210 g NaF/100 mL b. Chloride: 0.2103 g KCl/100 mL c. Photphat: 0.1433 g KH2PO4 /100 mL d. Bromide: 0.1288 g NaBr/100 mL e. Nitrate: 0.1371 g NaNO3 /100 mL f. Sulfate: 0.1814 g K2SO4 /100 mL
* Xem thận trọng
THIẾT BỊ:
Mẫu: ống thủy tinh, 11 cm x 7-mm OD, Chứa phần mặt trước 400 mg và phần dự trữ 200-mg của silica gel rửa sạch,được đậy bằng nút nhựa. Phía trước phần được giữ lại với một bộ lọc sợi thủy tinh.Nút đậy Urethane riêng biệt và giữ lại phần dự trữ.
Các ống có sẵn ngoài thị trường hoặc có thể được chuẩn bị theo PHỤ LỤC.
2. Bơm lấy mẫu cá nhân, 0,2-0,5 L / phút, với ống nối linh hoạt
3. Sắc ký lỏng Ion, tách anion HPIC-AG4A và anion HPIC-AG4A
Bộ lọc màng, máy dò độ dẫn, tích hợp và máy ghi biểu đồ dạng dải.
4. Bếp cách thủy: tấm đun nóng và cốc có mỏ đun sôi nước
5. Máy ly tâm ống, 15 ml, đã chia vạch, có nắp bằng nhựa
6. Xy lanh, 10 ml, đầu luer là polyetylen 7. Bộ lọc, đầu luer, với màng lọc, 13 mm, kích thước lỗ 0,8 μm
8. Micropipet, dùng một lần 9. Bình định mức, 50 và 100 ml
10. Bộ hẹn giờ trong phòng thí nghiệm 11. Chai, polyethylene, 100 mL
12. Lọ mẫu tự động (tùy chọn)
Thận trọng: Axit, đặc biệt là HF, rất ăn mòn da, mắt và niêm mạc. HF sẽ ăn mòn kính. Đồ dùng bằng nhựa được khuyến khích. Mang găng tay, áo choàng phòng thí nghiệm, và kính an toàn trong khi xử lý axit. Tất cả các công việc phải
được thực hiện với thông gió đầy đủ cho nhân viên và thiết bị. Cần thiết phải thêm axit vào nước để tránh phản ứng tỏa nhiệt (11,12).
Mẫu:
1. Hiệu chỉnh từng máy lấy mẫu cá nhân để một mẫu lấy mẫu đại diện
2. Bẻ các đầu của ống trước khi lấy mẫu. Gắn vào máy lấy mẫu cá nhân với ống linh hoạt
3. Lấy mẫu với tốc độ dòng khí chính xác từ 0,2 đến 0,5 L / phút cho tổng kích cỡ mẫu từ 3 đến 100 L.
Lưu ý: Không quá 0,3 L / phút khi lấy mẫu cho HF CHUẨN BỊ MẪU:
4. Đánh số ở phía trước của ống thu khí trong quá trình lấy mẫu sơ cấp
5. Bẻ ống thủy tinh ở đường kẻ. Chuyển bộ lọc sợi thủy tinh và phần hấp thụ phía trước vào ống ly tâm có mật độ 15ml.
CHÚ Ý: muối hạt của các axit dễ bay hơi (HCl, HB, HF và HNO3), nếu hiện diện trong mẫu không khí, sẽ thu thập trên bộ lọc cắm sợi thủy tinh. Để ước tính nồng độ các muối, phân tích các nút tách biệt khỏi phần chất hấp thụ trước.
6. Đặt phần hấp phụ dự trữ vào ống ly tâm riêng biệt. Bỏ đầu nút urethane 7. Tiêm 6 đến 8 mL dung môi rửa giải hấp cho mỗi ống ly tâm. Đun sôi trong nước sôi trong 10 phút
CHÚ THÍCH: Chất rửa giải được sử dụng để làm khô phải được lấy từ cùng một lọ như chất rửa giải đã sử dụng trong sắc kí để tránh cacbonat / bicarbonate yếu gần như F- và Cl-.
8. Để nguội, pha loãng thành thể tích 10,0 mL với chất rửa giải hấp 9. Lắp ống ly tâm và lắc mạnh.
10. Đổ mẫu vào 10 ml ống xilanh nhựa trang bị bộ lọc trong dòng KIỂM TRA VÀ KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG:
11. Hiệu chỉnh hàng ngày với ít nhất sáu tiêu chuẩn làm việc trong phạm vi từ 0,001 đến 0,3 mg mỗi anion cho mỗi mẫu.
a. Thêm các lượng đã biết của dung dịch hiệu chuẩn để rửa giải trong 50 mL bình định mức và pha loãng đến vạch.
b. Lưu trữ các tiêu chuẩn làm việc trong các chai polyethylene có nắp đậy kín.
Chuẩn bị các tiêu chuẩn làm việc mới hàng tuần.
c. Phân tích các tiêu chuẩn làm việc cùng với các mẫu và mẫu trắng (các bước từ 12 đến 14).
d. Chuẩn bị một biểu đồ hiệu chuẩn cho mỗi anion [chiều cao đỉnh(mm hoặc μS) so với nồng độ (μg trên một mẫu).
12. Đặt sắc ký ion vào các điều kiện được cung cấp ở (1) theo hướng dẫn của nhà sản xuất.
13. Lấy mẫu 50 μl. Đối với thao tác bằng tay, tiêm 2-3 ml mẫu từ bộ lọc / xilanh để đảm bảo rửa toàn bộ vòng lặp mẫu.
CHÚ Ý: Tất cả các mẫu, chất rửa giải và nước chảy qua IC phải được lọc để tránh tắc các van hoặc cột của hệ thống.
14. Đo chiều cao đỉnh
Chú ý: Nếu chiều cao đỉnh mẫu vượt quá phạm vi hiệu chuẩn tuyến tính, pha loãng với chất rửa giải, phân tích lại và áp dụng các yếu tố pha loãng thích hợp trong tính toán.
15. Xác định khối lượng, μg, của anion tìm thấy ở các phần đầu của mẫu phía trước (Wf) và phía sau(Wb), và trung bình các phần chứa chất hấp thụ mặt trước (Bf) và mặt sau (Bb).
16. Tính nồng độ, C, của axit trong mẫu không khí lấy mẫu, V (L):
C = , mg/l Trong đó:
F (Yếu tố chuyển đổi từ anion sang axit) = 1.053 for HF; 1.028 for HCl;
1.032 for H3PO4 ; 1.012 for HBr;
1.016 for HNO3 ; and 1.021 for H2SO4
2.3.5. Phương pháp xử lý số liệu
Các số liệu phân tích môi trường sẽ được xử lý bằng phương pháp xác suất thống kê bằng các phần mềm như excel, original 6.0.
- Số liệu phân tích từng ngày được ghi chép vào sổ tay cá nhân, sau đó được nhập lại vào bảng dữ liệu excel để tính toán hàm lượng khí HF, từ đó dễ theo dõi sự biến động của số liệu, qua đó có thể đánh giá và điều chỉnh các điều kiện, chế độ vận hành của hệ hấp phụ để đạt được kết quả mong đợi.
- Dùng phần mềm original 6.0 để vẽ đồ thị thể hiện ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ khí HF