BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI  PHẠM THỊ MAI PHƯƠNG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU XÚC TÁC BENTONIT BIẾN TÍNH ðỂ XỬ LÝ HƠI KHÍ THẢI CHỨA BUTYLAXETAT VÀ ETYLAXETAT Ở QUY MÔ PILOT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI  PHẠM THỊ MAI PHƯƠNG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU XÚC TÁC BENTONIT BIẾN TÍNH ðỂ XỬ LÝ HƠI KHÍ THẢI CHỨA BUTYLAXETAT VÀ ETYLAXETAT Ở QUY MÔ PILOT LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Mà SỐ : 60.44.03.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS. PHAN TRUNG QUÝ HÀ NỘI – 2013 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Người thực hiện Phạm Thị Mai Phương Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… ii LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn chân thành sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn tới TS Phan Trung Quý, Bộ môn hóa học- Khoa Tài nguyên và Môi trường - Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội, người ñã tận tình hướng dẫn, giúp ñỡ em hoàn thành bản luận văn này. Em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới TS. Tô Văn Thiệp, ThS. Vũ Ngọc Toán ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian thực nghiệm và làm số liệu cho luận văn. Nhân ñây em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới tập thể cán bộ Phòng TN & CGCN và các cô chú, anh chị trong Viện Công nghệ mới, Viện Khoa học - Công nghệ Quân sự ñã tạo ñiều kiện cho em hoàn thành luận văn này. Trong suốt quá trình học tập và ñào tạo, cho em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô Khoa Tài nguyên và Môi trường - Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã tận tình dạy dỗ và truyền ñạt nhiều kiến thức chuyên môn cho em trong suốt thời gian học tập. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia ñình, bạn bè và người thân ñã ñộng viên, giúp ñỡ em trong suốt quá trình ñào tạo này. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2013 Học viên Phạm Thị Mai Phương Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… iii MỤC LỤC MỞ ðẦU 1 1. Tính cấp thiết của ñề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 3. Yêu cầu 2 PHẦN I 4 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 4 I. Khái quát về hiện trạng ô nhiễm môi trường và công nghệ xử lý khí thải tại các cơ sở sản xuất dụng cụ khí tài quang học 4 1.1. Hiện trạng ô nhiễm môi trường không khí tại các cơ sở sản xuất dụng cụ khí tài quang học: 4 1.2. Hiện trạng công nghệ xử lý khí thải tại các cơ sở sản xuất dụng cụ khí tài quang học: 6 II. Khái quát về tính chất, hiện trạng ô nhiễm hơi butylaxetat, etylaxetat tại các cơ sở sản xuất quốc phòng 9 2.1. Về Butylaxetat 9 2.2. Về etylaxetat 10 2.3. Hiện trạng ô nhiễm butylaxetat và etylaxetat tại một số cơ sở sản xuất quốc phòng 10 III. Khái quát chung về xúc tác bentonit 10 4.3. Quy trình chế tạo xúc tác dạng hạt sử dụng ñể xử lý hơi etylaxetat, butylaxetat 16 4.4. Quy trình hoạt hóa xúc tác bentonit biến tính xử lý hơi etylaxetat, butylaxetat 18 PHẦN II 20 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 I. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu 20 II. Nội dung nghiên cứu 20 III. Phương pháp nghiên cứu 20 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… iv 3.1. Phương pháp tổng quan tài liệu 20 3.2. Phương pháp thực nghiệm: 21 PHẦN III 32 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 32 I. Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu xúc tác xử lý khí thải chứa hơi dung môi hữu cơ ñộc hại 32 1.1. ðánh giá chất lượng bentonit sử dụng làm chất mang 32 1.2. Quy trình biến tính xúc tác bentonit Thuận Hải sử dụng ñể xử lý hơi etylaxetat, butylaxetat 35 II. Quy trình công nghệ xử lý khí thải có chứa hơi etylaxetat, butylaxetat bằng xúc tác dạng hạt 38 2.1. Quy trình xử lý hơi etylaxetat 38 2.2. Quy trình xử lý hơi butylaxetat 41 III. Xây dựng mô hình quy trình công nghệ xử lý hơi khí thải chứa butylaxetat, etylaxetat bằng xúc tác biến tính quy mô pilot 45 3.5. Thiết kế, chế tạo 01 hệ thống xử lý khí thải chứa hơi dung môi hữu cơ ñộc hại công xuất 1000m 3 /h 45 KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 49 I. Kết luận 49 II. Kiến nghị 49 3.3. Xác ñịnh tổn thất nhiệt và tính toán thiết bị trao ñổi nhiệt (sấy khí) 61 3.3.1. Tính tổn thất nhiệt trên ñường ống 62 3.3.2. Tính toán trao ñổi nhiệt 63 3.4. TÝnh to¸n n¨ng l−îng cung cÊp cho hÖ thèng 68 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BA Butylaxetat EA Etylaxetat ðKT ðồng kết tủa HC Hydrocacbon NG Nitroglyxerin VOC Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VLXT Vật liệu xúc tác RXD Nhiễu xạ tia X Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Một số chất ô nhiễm chính của công nghiệp, nhà máy và 6 tác ñộng bệnh lý ñối với sức khoẻ con người 6 Bảng 1.2. Một số chất ô nhiễm chính của cơ sở bảo quản, bảo dưỡng khí tài quang học 10 Bảng 3.1: Thành phần hóa học của bentonit nguyên khai 32 Bảng 3.2. So sánh một số kết quả ñã hoàn thiện của 2 lần thực nghiệm 35 Bảng 3.3. Kết quả ño và so sánh các thông số kỹ thuật của mẫu xúc tác bentonit biến tính của 2 lần thực nghiệm. 36 Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ và thời gian hoạt hóa tới hoạt tính của xúc tác Bent-4%CuO 37 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ tới hiệu suất xử lý hơi etylaxetat nhiễm trong không khí bằng xúc tác Bent-4%CuO dạng hạt 39 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của tốc ñộ dòng tới hiệu suất xử lý (%) hơi etylaxetat nhiễm trong không khí bằng xúc tác Bent-4%CuO 40 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác Bent - 4%CuO tới hiệu suất xử lý (%) không khí nhiễm hơi etylaxetat 40 Hình 3.8: Sắc ñồ của không khí nhiễm hơi etylaxetat trước và sau xử lý 60 phút bởi bent-4%CuO dạng hạt ở các nhiệt ñộ khác nhau 41 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ tới hiệu suất xử lý không khí nhiễm hơi butylaxetat của xúc tác Bent-4%CuO dạng hạt 42 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của tốc ñộ dòng tới hiệu suất xử lý không khí nhiễm hơi butylaxetat bằng xúc tác Bent- 4%CuO dạng hạt 42 Bảng 3.11. Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác Bent- 4%CuO dạng hạt tới hiệu quả xử lý (%) không khí nhiễm hơi butylaxetat 43 Hình 3.12: Sắc ñồ của không khí nhiễm hơi butylaxetat trước và sau xử lý 60 phút bởi bent-4%CuO dạng hạt ở các nhiệt ñộ khác nhau. 43 Bảng 3.13. ðặc tính các loại vật liệu làm thành buồng xúc tác 58 Bảng 3.14. Hiệu quả xử lý hơi chứa VOC của xúc tác Bent-4%CuO 48 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1. Sơ ñồ thiết bị phản ứng dùng cho nghiên cứu hoạt tính xúc tác và khả năng xử lý khí thải 22 Hình 2.2. Sơ ñồ nguyên lý mô hình thiết bị xử lý khí thải công suất 10m 3 /h 23 Hình 2.3. Sự phản xạ trên bề mặt tinh thể 24 Hình 2.4. Sơ ñồ nguyên lí của kính hiển vi ñiện tử truyền qua 25 Hình 3.1. Phổ nhiễu xạ tia X của bentonit nguyên khai 33 Hình 3.2. Phổ hấp thụ hồng ngoại của bentonit nguyên khai 34 Hình 3.3. Giản ñồ TG và DTA của bentonit nguyên khai 34 Hình 3.13. Sơ ñồ nguyên lý mô hình thiết bị xử lý khí thải công suất 100m 3 /h 46 Hình 3.14. Mô hình hệ thống thiết bị xử lý khí thải 47 Hình 3.4. Sơ ñồ truyền nhiệt qua thành buồng xúc tác 58 Hình 3.5 Buồng xúc tác 60 Hình 3.6. Mặt cắt ngang của buồng xúc tác 60 Hình 3.7. Sơ ñồ bố trí hệ thống sấy và xử lý nhiệt xúc tác 61 Hình 3.8. Sơ ñồ truyền nhiệt qua vách ñường ống 62 Hình 3.9. Cấu tạo thiết bị trao ñổi nhiệt 67 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ khoa học Nông nghiệp ……………………… 1 MỞ ðẦU 1. Tính cấp thiết của ñề tài Hiện nay, tại các cơ sở công nghiệp quốc phòng, nhất là tại các nhà máy sản xuất dụng cụ quang học, trong các loại khí thải phát thải có chứa các chất ñộc hại là butylaxetat và etylaxetat, việc xử lý ñược tiến hành không ñồng bộ, chủ yếu mang tính tình thế, nguyên nhân chủ yếu là thiếu công nghệ xử lý hiện ñại và nguồn kinh phí ñầu tư. ðặc biệt, tại các cơ sở sản xuất và bảo quản trang thiết bị khí tài quân sự, việc bắt buộc phải sử dụng một loạt các dung môi ñộc hại có khả năng gây cháy nổ cao trong các dây chuyền sản xuất thuốc phóng , thuốc nổ ñã và ñang tác ñộng không nhỏ ñến sức khỏe của bộ ñội và an toàn sản xuất. Hầu hết công nghệ sản xuất tại các cơ sở này là công nghệ cũ chưa có hệ thống xử lý ñi kèm. So với công nghệ xử lý nước thải thì công nghệ xử lý khí thải của các cơ sở công nghiệp quốc phòng, nhất là khí thải chứa dung môi hữu cơ có ñộc tính cao, dễ cháy nổ thường dùng trong công nghệ sản xuất thuốc phóng, thuốc nổ như benzen, toluen, etylaxetat, ete, nitroglyxerin, còn có nhiều hạn chế. Giải pháp phổ biến nhất ñược áp dụng là thông thoáng tự nhiên, cấp khí sạch vào các bộ phận sản xuất, hút ñẩy hoặc hấp thụ (rửa khí), song hiệu quả của các phương pháp này không cao. ðể xử lý hơi dung môi hữu cơ, có thể áp dụng phương pháp ngưng tụ bằng hệ thống làm lạnh. ðây là giải pháp hữu hiệu nhưng ñòi hỏi ñầu tư lớn, giá thành xử lý cao. Một trong những hướng giải pháp công nghệ ñang ñược chú ý phát triển ở trong và ngoài nước là sử dụng các vật liệu hấp phụ, xúc tác ñể phân hủy hơi các chất hữu cơ ñộc hại. Trong những năm gần ñây, chúng ta ñã chứng kiến sự ra ñời và phát triển mạnh mẽ của một lĩnh vực khoa học công nghệ ñó là nghiên cứu và ứng dụng của các loại vật liệu xúc tác dạng rây phân tử thế hệ mới – zeolit. Do có hoạt tính xúc tác và ñộ chọn lọc cao dễ tách khỏi sản phẩm, không gây ô nhiễm môi trường nên thế hệ xúc tác mới này ñã và ñang ñược sử dụng rộng rãi trong ngành [...]... v t li u xỳc tỏc bentonit bi n tớnh ủ x lý hi khớ th i ch a butylaxetat v etylaxetat quy mụ pilot 2 M c tiờu nghiờn c u Xỏc ủ nh cỏc ủ c trng húa lý v l a ch n ủ c v t li u xỳc tỏc bentonit bi n tớnh phự h p s d ng ủ x lý hi butylaxetat, etylaxetat nhi t ủ d i 0 350 C Quy trỡnh cụng ngh x lý hi khớ th i ch a butylaxetat v etylaxetat b ng v t li u xỳc tỏc bentonit bi n tớnh quy mụ pilot 3 Yờu c u Tr... húa lý v l a ch n ủ c v t li u xỳc tỏc bentonit bi n tớnh phự h p s d ng ủ x lý hi butylaxetat, etylaxetat nhi t ủ d i 3500C b ỏnh giỏ kh nng x lý c a cỏc bentonit bi n tớnh ny ủ i v i hi khớ th i ủ c h i ch a butylaxetat, etylaxetat v cỏc y u t nh h ng: nhi t ủ , t l xỳc tỏc, lu l ng dũng khớ c a ra quy trỡnh cụng ngh x lý hi khớ th i ch a butylaxetat, etylaxetat b ng xỳc tỏc bi n tớnh quy mụ pilot. .. nghi m (quy mụ pilot) II N i dung nghiờn c u a Xỏc ủ nh cỏc ủ c trng húa lý v l a ch n ủ c v t li u xỳc tỏc bentonit bi n tớnh phự h p s d ng ủ x lý hi butylaxetat, etylaxetat nhi t ủ d i 3500C b ỏnh giỏ kh nng x lý c a cỏc bentonit bi n tớnh ny ủ i v i hi khớ th i ủ c h i ch a butylaxetat, etylaxetat v cỏc y u t nh h ng: nhi t ủ , t l xỳc tỏc, lu l ng dũng khớ c a ra quy trỡnh cụng ngh x lý hi khớ... ho t húa h h t xỳc tỏc bentonit bi n tớnh b ng oxit kim lo i chuy n ti p CuO Tr ng i h c Nụng nghi p H N i Lu n vn th c s khoa h c Nụng nghi p 19 PH N II N I DUNG V PHNG PHP NGHIấN C U I i t ng v ph m vi nghiờn c u - Hi ch t x lý: butylaxetat, etylaxetat phỏt th i t s n xu t - Xỳc tỏc: Bentonit Thu n H i bi n tớnh b ng mu i kim lo i chuy n ti p - i u ki n x lý: quỏ trỡnh x lý di n ra vựng nhi t... h p th 7 B ch a dung d ch h p th khớ sau x lý 8 Thỏp h p th khớ th i 8 3 4 6 2 7 1 5 Hỡnh 2.2 S ủ nguyờn lý mụ hỡnh thi t b x lý khớ th i cụng su t 10m3/h Mụ hỡnh h th ng thi t b x lý khớ th i ch a hi h u c s d ng v t li u xỳc tỏc Bent-4%CuO ủ c thi t k v i quy trỡnh ho t ủ ng nh sau: M u khớ th i ủ c t o b i dũng khớ ch a ch t ụ nhi m (benzen, etylaxetat, butylaxetat) v khụng khớ qua bu ng t o m u... u bentonit Thu n H i Trong khuụn kh khúa lu n Nghiờn c u kh nng x ý hi khớ th i ch a benzen, etylaxetat, nitroglyxerin b ng v t li u xỳc tỏc bentonit bi n tớnh b c ủ u xỏc ủ nh ủ c phng phỏp bi n tớnh m u bentonit Thu n H i (l n th c nghi m 1) Hm l ng CuO trong m u bentonit sau bi n tớnh ủ t 3,90,6% S n ph m thu ủ c d ng b t, m u nõu nh t Tuy nhiờn phng phỏp ủú cú m t s nh c ủi m: + l p l i c a quy. .. t c + S n ph m thu ủ c d ng b t do ủú khú cú th ỏp d ng ủ i v i cỏc h th ng x lý hi dung mụi h u c cụng su t l n 4.2 Quy trỡnh bi n tớnh xỳc tỏc bentonit B c 1: Axit húa m u bentonit Thu n H i n n: Bentonit Thu n H i nguyờn khai, v n ủang tr ng thỏi t ủ c ti p t c bi n tớnh b ng phng phỏp ho t húa trong HCl 15% (v i t l bentonit/ dung d ch HCl = 1:4) trong th i gian 6h Quỏ trỡnh axit húa ủ c th c... Ti p t c cho s y ho t húa nhi t ủ 3000C trong th i gian 2- 3 h liờn t c b ng lũ v ng khay s y nh nờu ph n trờn S n ph m thu ủ c l xỳc tỏc bentonit bi n tớnh d ng h t v i cỏc tớnh ch t nh ủó nờu 4.4 Quy trỡnh ho t húa xỳc tỏc bentonit bi n tớnh x lý hi etylaxetat, butylaxetat a L a ch n phng phỏp ho t húa Trong l n th c nghi m 1, nhúm tỏc gi m i ch d ng l i xỳc tỏc vi c nhi t phõn nhi t ủ 110- 1200C... vo th c t ủ x lý cỏc h p ch t hi khớ ủ c d chỏy n Tuy nhiờn, cng cú m t s cụng trỡnh nghiờn c u, tuy cũn h n ch , ủó cho th y vi c nghiờn c u ch t o v s d ng v t li u xỳc tỏc x lý ủ i v i cỏc lo i ch t th i ny d i nhi t ủ v a ph i ( 3500C) l cú tớnh kh thi ó cú nh ng k t qu b c ủ u v hi u qu x lý cng nh cỏc y u t nh h ng t i hi u qu x lý c a xỳc tỏc Tuy nhiờn, vi c nghiờn c u ủ xỏc nh n quy lu t nh... c s n xu t quy mụ l n ủ lm dung mụi EA l dung mụi phõn c c nh , d bay hi, tng ủ i khụng ủ c h i n ng ủ th p v khụng hỳt m 2.3 Hi n tr ng ụ nhi m butylaxetat v etylaxetat t i m t s c s s n xu t qu c phũng B ng 1.2 M t s ch t ụ nhi m chớnh c a c s b o qu n, b o d ng khớ ti quang h c TT Ch t ụ nhi m n v tớnh M c ủ ụ nhi m QCVN 20: 2009 1 Benzen mg/Nm3 18,5 5 2 Butylaxetat mg/Nm3 2350 950 3 Etylaxetat . dụng ñể xử lý hơi butylaxetat, etylaxetat ở nhiệt ñộ dưới 350 0 C Quy trình công nghệ xử lý hơi khí thải chứa butylaxetat và etylaxetat bằng vật liệu xúc tác bentonit biến tính quy mô pilot. . biến tính ñể xử lý hơi khí thải chứa butylaxetat và etylaxetat ở quy mô pilot. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xác ñịnh các ñặc trưng hóa lý và lựa chọn ñược vật liệu xúc tác bentonit biến tính phù hợp. VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI  PHẠM THỊ MAI PHƯƠNG NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU XÚC TÁC BENTONIT BIẾN TÍNH ðỂ XỬ LÝ HƠI KHÍ THẢI CHỨA BUTYLAXETAT VÀ ETYLAXETAT Ở QUY MÔ