Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite Fe₂O₃/MgO/Bentonite, ứng dụng xử lí khí H₂S

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite Fe2O3/MgO/Bentonite, ứng dụng xử lí khí H2S Quản Thị Thu Trang Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS. Chuyên ngành: Khoa học môi trường; Mã số: 60 85 02 Người hướng dẫn: TS. Phan Thị Ngọc Bích Năm bảo vệ: 2014 Abstract: 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 Keywords: Môi trường; Bảo vệ môi trường; Vật liệu nanocomposite Fe2O3/MgO/Bentonite; Xử lí khí H2S Content: 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 Fe o , -FeOOH, -Fe2O3, -Fe2O3, Fe3O4,có hoạt tính hóa học, 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Phan Thị Ngọc Bích, Quản Thị Thu Trang (2013), “Tổng hợp và xác ðịnh các ðặc trýng của vật liệu xúc tác Fe/MgO. Phần 1. Tổng hợp vật liệu MgO hoạt tính”, Tạp chí Hoá học ISSN: 0866 7144, 50(5B), tr 246-249 2. Phan Thị Ngọc Bích, Quản Thị Thu Trang (2013), “Tổng hợp và xác ðịnh các ðặc trýng của vật liệu xúc tác Fe/MgO. Phần 2. Tổng hợp vật liệu xúc tác Fe/MgO”, Tạp chí Hoá học ISSN: 0866 7144, 51(3), tr 348-351 3. Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Trương Hoàng Thiên, Phạm Duy Phúc, Đặng Hữu Thanh, Juliand Arnaud (2007), “Hệ thống cung cấp khí biogas cho động cơ kéo máy phát điện 2HP”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 3(20), tr. 80-85 4. Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm (2008), “Tối ưu hóa quá trình cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu biogas-dầu mỏ”, Tạp chí Khoa học và công nghệ, 5(28), tr.22-30 5. Hồ Thị Lan Hương (2011), “Tổng quan về khí sinh học phát điện ở Việt Nam”, 6. Nguyễn Thị Hạnh (2010), “Tổng hợp vật liệu gốm diopzit CaO.MgO.2SiO2 và nghiên cứu ảnh hýởng của talc ðến cấu trúc, tính chất của vật liệu”, Luận vãn thạc sỹ khoa học Hóa học, Ðại học khoa học tự nhiên – ÐHQG, Hà Nội 7. Dương Nguyên Khang (2008), “Hiện trạng và xu hướng phát triển công nghệ Biogas ở Việt Nam”, Hội nghị khoa học khoa CNTY 12/2008, ĐH Nông Lâm -TPHCM 8. Phạm Vãn Lâm (2008), “Hoàn thiện công nghệ và chế tạo thiết bị xử lý nýớc nhiễm asen sử dụng vật liệu hiệu nãng cao NC-F20 cho vùng nông thôn Hà Nam”, Báo cáo tổng kết dự án phát triển Khoa học Công nghệ cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 9. Trịnh Xuân Sỹ (2011), “Nghiên cứu quá trình già hóa của vật liệu oxit sắt vô định hình - Ứng dụng lọc Asen”, Luận văn Thạc sĩ khoa học Hóa học, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia, Hà Nội. 10. Lê Văn Cát (2002), “Hấp phụ và trao đổi ion trong kĩ thuật xử lý nước và nước thải”, Nhà xuất bản Thống kê, Hà Nội. Tiếng Anh 11. Abdul Rahim Yacob, Mohd Khairul Asyraf Amat Mustajab, and Nur Syazeila Samadi (2009), “Calcination temperature of nano MgO effect on base transesterification of palm oil”, World Academy of Science- Engineering and Technology, 56, p. 408-412. 12. Andrea Mary Siefers (2010), “A novel and cost-effective hydro sunfuaremoval technology using tire derived rubber particles”, Thesis of master of science, Iowa State University. 13. Ahmed S. Al-Kady,M. Gaber, Mohamed M. Hussein, El-Zeiny M. Ebeida (2011), “Structural and fluorescence quenching characterization of hematit nanoparticles”, Spectrochimica Acta Part A, 83, p.398-405. 14. Ali Mohamadalizadeh, Jafar Towfighi, Alimorad Rashidi, Mehrdad Manteghian, Ali Mohajeri and Rohollah Arasteh (2011), “Nanoclays as nano adsorbent for oxidation of H2S into elemental sulfur”, Korean J. Chem. Eng., 28(5), p.1221-1226 15. Arthur Wellinger, Anna Lindberg (2003), “Energy from biological conversion of organic waste”, Biogas upgrading and utilisation, IEA Bioenergy Task 24 16. ASTM D6646 - 03(2008) - “Standard Test Method for Determination of the Accelerated Hydrogen Sulfide Breakthrough Capacity of Granular and Pelletized Activated Carbon”. 17. Bandosz, T. J.(2002), “On the adsorption/oxidation of hydrogen sulfide on activated carbons at ambient temperatures”, Journal of Colloid and Interface Science, 246, p.1-20. 18. Bagreev, A., Katikaneni, S., Parab, S., & Bandosz, T.J.(2005), “Desulfurization of digester gas: prediction of activated carbon bed performance at low concentrations of hydrogen sulfide”, Catalysis Today, 99, p.329-337. 19. Benjamin Valdez Salas (2012), “H2S Pollution and Its Effect on Corrosion of Electronic Components”, Air Quality- New Perspective, Chapter 13, p 264-286. 20. Cameron Cline, Alie Hoksberg, Ray Abry, and Albert Janssen (2003), “Biological Process for H2S Removal from Gas Streams: The Shell-Paques/THIOPAQŽ Gas Desulfurization Process”, the LRGCC Proceedings (Oklahoma), USA 21. CDM (2010), “Biogas Energy Management”, Final Report of Biogas Energy Management Study (City of Klamath Falls-USA) 22. CDC (2010), “Hydrogen Sulfide: Health Effects”, Agency for Toxic Substance & Disease Registry, chapter 3, p.21-108 23. D. L. Heguy, G. J. Nagl, Joo, Yong-Gun Shul (2005), ”Support effects in catalytic wet oxidation of H2S to sulfur on supported iron oxide catalysts”, Applied Catalysis A: General, (284), p.1–4 24. D. Park, D.S. Lee and J.M. Park (2005), “Continuous biological ferrous iron oxidation in a submerged membrane bioreactor”, Water Science & Technology, 51(6–7 p), p. 59–68 25. De Ming Wang (2008), “Breakthrough Behavior of H2S Removal with an Iron Oxide Based CG-4 Adsorbent in a Fixed-Bed Reactor”, Thesis of master of science, University of Saskatchewan, Cananda. 26. EPA (1991), “Hydro sunfuaCorrosion: Its Consequences, Detection and Control”, Office of Water (WH-595), United States 27. Eun-Ku Lee, Kwang-Deog Jung, Oh-Shim Joo, and Yong-Gun Shul (2005), “Selective Oxidation of Hydro sunfuato Elemental Sulfur with Fe/MgO Catalysts in a Slurry Reactor”, ull. Korean Chem. Soc, 26(2), p.281-284 28. Eun-Ku Lee, Kwang-Deog Jung, Oh-Shim Joo, Yong-Gun Shul (2005), “Support effects in catalytic wet oxidation of H2S to sulfur on supported iron oxide catalysts”, Applied Catalysis A: General 284, p.1–4 (2005) 29. Hasmukh A Patel, Razesh S Somani, Hari C Bajaj and Raksh V Jasra (2006), “Nanoclays for polymer nanocomposits, paints, inks, greases and cosmetics formulations, drug delivery vehicle and waste water treatment”, Bull. Mater. Sci., 29(2), p.133–14 30. H. Zeng, A. B. Yu, G. Q. (Max) Lu, and D. R. Paul (2005), “Clay-Based Polymer Nanocomposits: Research and Commercial Development”, Journal of Nanoscience and Nanotechnology , 5, p.1574–1592 31. Huming Bao, and Paul L. Koch (2007), “Oxygen isotope fractionation in ferric oxide-water systems: Low temperature synthesis”, Geochimica et Cosmochimica Acta, 63(5), p. 599–613. 32. Jerry Hughes Martin II (2008), “A New Method to Evaluate Hydro sunfuaRemoval from Biogas”, Master thesis, North Carolina State University. 33. Jana Drbohlavova, Radim Hrdy, Oldrich Schneeweiss and Jaromir Hubalek (2009), “Preparation and properties of various magnetic nanoparticles”, 9, p. 2352-2362 DOI: 10.3390/s90402352. 34. Kwang-Deog Jung, Oh-Shim Joo, Seong-Hoon Choo, Sung-hwan Han (2003), “Catalytic wet oxidation of H2S to sulfur on Fe/MgO catalyst”, Applied Catalysis A: General 240, p.235- 241. 35. Lana Skrtic (2006), “Hydrogen Sulfide, Oil and Gas, and People’s Health”, Master’s of Science, University of California. 36. L.M. Frare, M.G.A. Vieira, M.G.C. Silva, N.C. Pereira and M.L. Gimenes (2010) , “Hydrogen Sulfide Removal from Biogas Using Fe/EDTA Solution: Gas/Liquid Contacting and Sulfur Formation”, Environmental Progress & Sustainable Energy , 29 (No.1) DOI 10.1002/ep, p.34-41 37. M. Syed, G. Soreanu, P. Falletta and M. Béland (2006), “Removal of hydro sunfuafrom gas streams using biological processes”, Canadian biosystems engineering, 48, 2.1-2.14 38. Nagl, G.J(1991), “Proceedings of the Ninth Gas Research Institute Sulfur Recovery Conference”, The State of Liquid Redox, Gas Research Institute Chicago 39. Nirattisai Rakmak, Wisitsree Wiyaratn, Charun Bunyakan, Juntima Chungsiriporn (2003), “Synthesis of Fe/MgO Nano-Crystal Catalysts by Sol-Gel Method for Hydro sunfuaRemoval”, Chemical Engineering Journal, 162(1), p. 84-90 40. Nicolas Abatzoglou (2009), “A review of biogas purification processes”, Biofuels Bioprod. Bioref., 3, p.42-71; DOI 10.1002/bbb.117. 41. Phạm Văn Lâm (2011), “Arsenic removal fom drinking water using ourselves manufactured nanocomposit NC-MF and NC –F20”, Vietnam – Japan Seminar on “Biological filtration simultaneous removal of arsenic from water”, HaNoi, VietNam. 42. Ramesh Chandra Sahu, Rajkishore Oatel and Bakin Chandra Ray (2011), “Removal of hydro sunfuausing Red Mud at abrient conditions”, Fuel Processing Technology, 92, p. 1587- 1592 43. S.K. Sahoo at al.(2010), “Characterization of γ- and α-Fe2O3 nano powders synthesized by emulsion precipitation-calcination route and rheological behaviour of α-Fe2O3”, International Journal of Engineering, Science and Technology, 2(8), p. 118-126. 44. Steven McKinsey Zicari (2003),”Removal of hydro sunfuafrom biogas using cow manure compost”, Master thesis, Cornell University (USA) 45. Suprakas Sinha Ray, Masami Okamoto (2003), “Polymer/layered silicate nanocomposits: a review from preparation to processing”, Prog. Polym. Sci., 28, p.1539–1641 46. Tae Yoon Lee (2007), “Beneficial Reuse of Coal Fly-Ash as Porous Reactive Aggregates for Removal of Hydrogen Sulfide”, Materials Science Forum , 544-545, p.525-528 47. Worksafebc (2009), “Hydrogen Sulide in Industry”, e.pdf 48. Weixin Yuan, Teresa J. Bandosz (2007), “Removal of hydro sunfuafrom biogas on sludge- derived adsorbents”, Fuel, 86(17-18), p. 2736-2746 49. Z.M. Shareefdeen (2009), “Development of a biofilter media for removal of hydrogen sulfide”, Global NEST Journal, 11(2), p. 218-222