Nghiên cứu chế tạo ống hấp thụ hơi axit dùng cho ống trinh độc OTĐ-36 để trinh sát chất độc quân sự hd công nghiệp
Nghiên cứu khoa học công nghệ
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ỐNG HẤP THỤ HƠI AXIT
DÙNG CHO ỐNG TRINH ĐỘC OTĐ-36 ĐỂ TRINH SÁT
CHẤT ĐỘC QUÂN SỰ HD CÔNG NGHIỆP
HÀ NGỌC THIỆN (1), ĐỖ THỊ THÙY TRANG (1), VƯƠNG VĂN TRƯỜNG (1)
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Chất độc loét da Yperit (HD, MOB-4 hay còn được gọi là khí mù tạc) là một
chất độc tế bào được quân đội Đức sản xuất và sử dụng ở quy mô lớn lần đầu tiên
năm 1916. Chất độc Yperit tinh khiết là hợp chất hữu cơ nóng chảy ở 14oC và bị
phân hủy trước khi đun sôi ở 218oC, có công thức là S(CH2CH2Cl)2. MOB-4 có tính
sát thương lớn, gây ra những vết bỏng hóa học trên da, mắt và phổi. Nó có thể gây
chết người, khiến nạn nhân tàn tật, gây ung thư hoặc mù vĩnh viễn. Theo Trung tâm
Kiểm soát và phòng ngừa bệnh dịch Mỹ, khí mù tạt có thể tồn tại trong môi trường
nhiều ngày, thậm chí nhiều tuần [1-3]. Một trong những phương tiện sử dụng để
phát hiện và đánh giá mức độ nguy hiểm của chất độc HD là sử dụng ống trinh độc
OTĐ-36 (IT-36). OTĐ-36 là trang bị chiến đấu nhóm I, dùng để phát hiện và đánh
giá mức độ nguy hiểm của chất độc HD trong không khí với độ nhạy 2÷3.10-3 mg/l.
Thực tế cho thấy sử dụng ống trinh độc OTĐ-36 với chất độc HD công nghiệp
hay chất HD đã bảo quản lâu thì OTĐ-36 không phát hiện được chất độc (không
hiện màu được), nguyên nhân chính là do chất độc HD bị lẫn hơi axit [4, 5]. Ở nồng
độ chất độc yperit 2÷3.10-3 mg/lít thì nồng độ hơi axit tối thiểu gây nhiễu cho ống
trinh độc OTĐ-36 là 15,77 μg/l và với nồng độ hơi axit đạt 36,80 μg/l thì ống trinh
độc mất hoàn toàn khả năng chỉ thị [6]. Để đảm bảo hoạt động in cậy của ống trinh
độc cần phải kết nối với ống hấp thụ hơi axit [4]. Nhiều vật liệu khác nhau có thể sử
dụng để hấp thụ hơi axit theo cơ chế hấp thụ hóa học. Trong đó đáng chú ý là các
oxit, hydroxit hoặc muối cacbonat của kim loại kiềm và kiềm thổ như Ca(OH)2,
CaO, Al2O3, MgO, CaCO3, MgCO3… được nghiên cứu sử dụng phổ biến [7-14].
Chien C. Chao và cộng sự [14] đã thử nghiệm chất hấp thụ axit trên cơ sở hydroxit
kim loại của Mg và Ca. Các chất hấp thụ tạo ra có khả năng hấp thụ axit cao, sức
bền vật lý tốt khi ở dạng tổ hợp. Nội dung của bài báo này, sẽ giới thiệu một số kết
quả nghiên cứu chế tạo ống hấp thụ hơi axit sử dụng cho ống trinh độc OTĐ-36
trinh sát chất độc HD.
2. THỰC NGHIỆM
2.1. Nguyên liệu, hóa chất
Magie clorua (Trung Quốc), canxi clorua (Trung Quốc), natri hydroxit (Trung
Quốc), axit clohydric (Trung Quốc), canxi oxit (Trung Quốc), magie oxit (Trung
Quốc), canxi hydroxit (Trung Quốc), magie hydroxit (Trung Quốc), nhôm oxit
(Trung Quốc), than hoạt tính (Trung Quốc). Ống trinh độc OTĐ-36 (TCVN/QS
1373:2008, Việt Nam), Chất HD tinh khiết (hàm lượng trên 98%, Việt Nam), Chất
HD công nghiệp (Việt Nam).
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
25
Nghiên cứu khoa học công nghệ
2.2. Quy trình tổng hợp chất hấp thụ axit
Cân 73,51 g (0,5 mol) CaCl2.2H2O và 203,31 g (1 mol) MgCl2.6H2O vào
trong cốc thủy tinh có chứa 1 lít nước cất. Sử dụng máy khuấy cơ tốc độ 500
vòng/phút khấy cho các chất rắn tan hoàn toàn. Thêm từ từ 480 g (3 mol) dung dịch
NaOH 50% vào cốc đồng thời tăng tốc độ khuấy lên 750 vòng/phút và duy trì trong
1 giờ thu được hỗn hợp hydroxit màu trắng sữa. Để lắng và lọc dung dịch để thu lấy
chất rắn. Rửa lại 4÷5 lần mỗi lần 500 ml nước cất thu được chất rắn màu trắng. Sấy
ở 100oC trong 24 giờ hoặc đến khối lượng không đổi thu được 66,7 g chất rắn. Hiệu
suất 70%. Chất rắn này sau đó được nghiền, rây để phân loại kích thước 0,4÷0,6
mm. Tiếp theo đem hoạt hóa ở 400oC trong 2 giờ thu được mẫu chất hấp thụ axit.
2.3. Quy trình chế tạo ống hấp thụ hơi axit
Ống hấp thụ hơi axit được sản xuất trên dây chuyền sản xuất ống trinh độc
OTĐ-36 của Nhà máy X-61/BCHH. Ống hấp thụ hơi axit là ống thuỷ tinh hàn kín
hai đầu có phần kéo dài hình chóp (chiều dài của ống từ 100÷105 mm, độ dày thành
ống 0,6÷0,8 mm, đường kính 5,6÷6,2 mm), trong ống đã được nạp chất hấp thụ hơi
axit và cố định bằng nút bông, các vấu. Cấu tạo ống hấp thụ hơi axit như hình 1.
1- Chốt thủy tinh;
2- Tầng hấp thụ;
3- Bông y tế
Hình 1. Hình ảnh ống hấp thụ hơi axit
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp xác định độ hấp thụ hơi axit của vật liệu
Độ hấp thụ hơi axit của các mẫu vật liệu được đo dựa trên hệ thống hình 2.
1- Dung dịch HCl bão hòa; 2- Máy khuấy từ; 3- H2SO4 đặc; 4- Ống teflon; 5- Ống thủy tinh;
6- Chất hấp thụ; 7- Bông; 8- Bẫy dung dịch; 9- Khóa 3 ngã; 10- Dụng cụ tạo áp; 11- Bơm nước.
Hình 2. Hệ thống thiết bị đo độ hấp thụ hơi axit của các vật liệu nghiên cứu
26
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Cơ chế làm việc của hệ thống này như sau: hệ kín, khi bơm nước (11) hoạt
động, dòng nước đi qua dụng cụ tạo áp (10) kéo theo sự giảm áp suất trong toàn bộ
hệ làm cho khí hidro clorua từ bình đựng dung dịch axit clohidric bão hòa (1) theo
ống dẫn sục qua bình đựng dung dịch H2SO4 đặc (nhằm loại nước khỏi dòng khí nếu
có), tiếp tục qua ống dẫn đi qua cột chất hấp thụ được bố trí cố định trong ống thủy
tinh (5). Tại đây, hơi axit sẽ bị hấp thụ vào cột chất (6). Thiết bị khuấy từ (2) làm
tăng sự bay hơi của dung dịch axit HCl bão hòa và ổn định dòng khí HCl.
2.4.2. Phương pháp xác định nồng độ chất độc tạo ra trong không khí
Hàm lượng chất độc tạo ra được xác định dựa trên phương pháp đo quang trên
máy đo UV-VIS.
2.4.3. Phương pháp đánh giá chất lượng ống OTĐ-36 kết nối với ống hấp
thụ hơi axit bằng chất độc có lẫn hơi axit: Phương pháp đánh giá dựa trên cơ sở
TCVN/QS 1373:2008 [6]. Sử dụng ống trinh độc OTĐ-36 phát hiện chất độc HD
trên thiết bị khí động lực GĐU-109K.406.000. So sánh màu nhận được trên chất nền
của OTĐ với màu chuẩn trên bao đựng ứng với nồng độ yperit 2÷3.10-3 mg/lít.
2.4.4. Các phương pháp hóa lý khác: Sử dụng các phương pháp hóa lý hiện
đại trong phân tích đánh giá chất lượng chất hấp thụ hơi axit như phương pháp phổ
nhiễu xạ tia X (XRD), phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX), phương
pháp xác định diện tích bề mặt và phân bố hệ thống lỗ xốp (BET).
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Khảo sát lựa chọn chất hấp thụ axit
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát và so sánh hiệu quả hấp thụ của các
vật liệu trên cơ sở các oxit, hydroxit kim loại kiềm thổ (Mg và Ca) dựa trên 2 tiêu
chí là tốc độ và dung lượng hấp thụ hơi axit.
Các mẫu chất hấp thụ được tạo hạt với kích thước 0,4÷0,6 mm (đây là kích
thước hạt phổ biến đang được sử dụng trên ống trinh độc OTĐ-36), được cân với
khối lượng xấp xỉ 1 g chất (độ chính xác đến 0,001 g), rồi tiến hành đo độ hấp thụ ở
cùng nhiệt độ (25oC) trên hệ thống thiết bị theo mục 2.4.1.
Kết quả khảo sát được cho trong bảng 1. Độ hấp thụ hơi axit ở đây là độ tăng
khối lượng chất hấp thụ so với khối lượng chất hấp thụ ban đầu được sử dụng.
Bảng 1. Kết quả khảo sát khả năng hấp thụ hơi axit các mẫu trong 4h
Thời gian
TT
(phút)
15
30
60
90
120 180 240
Độ hấp thụ (%)
CaO
MgO
1
2
3
6,05 6,13 6,19 6,38 6,48 6,59 6,82
5,77 5,92 5,99 6,15 6,27 6,40 6,51
7,81 7,89 7,91 7,93 7,96 7,98 8,03
Ca(OH)2
Ca(OH)2 hoạt hóa ở
197oC trong 2 giờ
Mg(OH)2
4
5
8,12 8,16 8,33 8,37 8,41 8,46 8,50
7,40 7,49 7,60 7,77 7,89 8,02 8,21
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
27
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Thời gian
(phút)
Độ hấp thụ (%)
Mg(OH)2:Ca(OH)2=2:1
không hoạt hóa
TT
6
15
30
60
90
120 180 240
7,53 7,62 7,70 7,82 7,91 8,01 8,15
13,9 14,3 14,5
Mg(OH)2:Ca(OH)2=2:1
7
hoạt hóa ở 350oC trong 12,55 12,97 13,34 13,74
2 giờ
1
0
9
Al2O3 hoạt hóa ở 350oC
9,87 9,97 10,22 10,45
trong 2 giờ
10,6 10,9 11,3
8
1
9
1
Từ kết quả bảng 1 có thể thấy độ hấp thụ hơi axit của các mẫu vật liệu (mẫu 1-
8) tăng nhanh trong 15 phút đầu tiên, các khoảng thời gian tiếp theo tăng rất chậm.
Điều này được lý giải bởi sự tạo thành sản phẩm có muối clorua và nước, sẽ làm
giảm bớt sự tiếp xúc giữa dòng khí HCl và vật liệu hấp thụ ở lớp bên trong của hạt
vật liệu. Trong số các mẫu khảo sát, mẫu có thành phần là oxit kim loại kiềm thổ
(mẫu 1 và 2) có khả năng hấp thụ hơi axit là thấp nhất (mẫu 1 sau 15 phút đầu tiên là
6,05%, sau 4 giờ là 6,82% và mẫu 2 sau 15 phút đầu tiên là 5,77%, sau 4 giờ là
6,51%). Mẫu chất hấp thụ có thành phần là hỗn hợp của Mg(OH)2 và Ca(OH)2 tỷ lệ
2:1 được hoạt hóa ở 350oC (mẫu 7) có khả năng hấp thụ tốt nhất xét về cả 2 tiêu chí
là tốc độ và dung lượng hấp thụ hơi axit. Chúng tôi lựa chọn hệ chất hấp thụ này cho
các nghiên cứu tiếp theo.
3.2. Nghiên cứu lựa chọn tỷ lệ các thành phần để chế tạo được chất hấp
thụ hơi axit hiệu quả nhất
Sau khi lựa chọn được hệ chất hấp thụ là hỗn hợp của 2 hydroxit (canxi
hydroxit và magie hydroxit) chúng tôi tiến hành khảo sát tỷ lệ 2 thành phần này đến
khả năng hấp thụ hơi axit của hỗn hợp. Các khảo sát được tiến hành với kích thước
hạt 0,4÷0,6 mm, nhiệt độ hoạt hóa 350oC, thời gian hoạt hóa 2 giờ, nhiệt độ hấp thụ
ở 25oC, thời gian khảo sát là 4 giờ. Kết quả thu được như bảng 2.
Bảng 2. Ảnh hưởng của thành phần chất hấp thụ đến khả năng hấp thụ hơi axit
Thời gian
(phút) 15
30
60
90
120
180
240
*Tỷ lệ khảo sát
1:1 (mẫu 9)
9,95 10,30 10,65 10,88 11,06 11,38 11,89
12,55 12,97 13,34 13,74 13,91 14,30 14,59
9,42 9,63 9,83 10,01 10,36 10,56 10,90
9,45 9,52 9,65 9,79 9,95 10,17 10,40
9,23 9,51 9,70 9,99 10,20 10,47 10,82
9,60 9,65 9,71 9,77 9,90 10,00 10,09
9,07 9,24 9,40 9,84 10,07 10,31 10,63
Độ
hấp
thụ
(%)
2:1 (mẫu 7)
1:2 (mẫu 10)
1:3 (mẫu 11)
3:1 (mẫu 12)
15:85 (mẫu 13)
85:15 (mẫu 14)
* Tỷ lệ mol giữa Mg(OH)2 và Ca(OH)2.
28
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Kết quả khảo sát cho thấy, tất cả các mẫu vật liệu là hỗn hợp của hai hydroxit
ở nhiệt độ hoạt hóa 350oC đều có độ hấp thụ hơi axit cao hơn so với các mẫu vật liệu
là oxit hoặc hydroxit. Khả năng hấp thụ hơi axit tốt là do các vật liệu này có diện
tích bề mặt lớn. Mặt khác, bề mặt của chất hấp phụ này có thể tự đổi mới, các phân
tử axit dễ dàng khuếch tán để phản ứng với các lớp bên trong. Cấu trúc tinh thể muối
mới sẽ nằm trong không gian trống của cấu trúc lỗ xốp của chất hấp thụ. Đối với các
chất hấp thụ là oxit hoặc hydroxit như Ca(OH)2 khi phản ứng của hơi axit, muối
hình thành tách ra khỏi bề mặt đồng thời tạo ra một tinh thể mới và tạo ra lớp phản
ứng mới làm giảm khả năng hấp thụ của các lớp bên trong.
Cơ chế hình thành các cấu trúc lỗ xốp của hỗn hợp hai hydroxit Ca và Mg như
sau: Hỗn hợp hai hydroxit Ca và Mg được nung ở nhiệt độ dưới 580oC, tốt hơn cả là
ở nhiệt độ từ 300÷450oC (cụ thể trong khảo sát này là 350oC), sự hình thành chất
hấp thụ tổ hợp là kết quả của phản ứng ngưng tụ của hai hydroxit bằng một quá trình
gọi là oxolation. Oxolation là một quá trình ngưng tụ trong đó một cầu oxy được
hình thành giữa hai trung tâm kim loại theo sau là mất nước để hoàn thành việc liên
kết chéo (hình 3) [14]. Hỗn hợp hai hydroxit nung ở khoảng nhiệt độ 350oC trong
khoảng 1h thì một phần của magie hydroxit bị dehydrat tạo thành liên kết chéo. Liên
kết chéo này làm tăng thể tích mao quản của chất hấp thụ cũng như hình thành
khung, tạo ra độ bền cơ lý cho chất hấp thụ. Khi đó, một chất khác sẽ được chọn để
làm chất phản ứng với hơi HCl. Chất này được chọn từ nhóm các oxit, hydroxit của
kim loại kiềm thổ. Trong số các kim loại kiềm thổ, Ca có bán kính nguyên tử gần
với Mg nhất, mặt khác, Ca(OH)2 cũng có cấu trúc lục phương tương tự Mg(OH)2. Vì
vậy, trong quá trình oxolation, Ca(OH)2 dễ tạo liên kết chéo với Mg(OH)2 nhất.
Hình 3. Cơ chế hình thành các cấu trúc lỗ xốp của chất hấp phụ
Kết quả bảng 2 cho thấy mẫu 7 có khả năng hấp thụ hơi axit tốt nhất. Tiêu chí
“tốt nhất” ở đây được lựa chọn bao gồm độ hấp thụ cao nhất trong 15 phút đầu và
các khoảng thời gian tiếp theo độ hấp thụ tăng nhiều hơn so với các mẫu khác. Tỷ lệ
2:1 bảo đảm được khi nung lên ở 350oC, lượng Mg(OH)2 sau khi loại nước tạo được
một bộ khung đủ chắc chắn, phù hợp về kích thước và thể tích mao quản để các
phân tử hơi HCl dễ dàng tiếp xúc và phản ứng với Ca(OH)2. Mặt khác, sau khi phản
ứng xảy ra và có muối tạo thành thì hơi axit vẫn khuếch tán dễ dàng và phản ứng
tiếp, tất nhiên tốc độ sẽ không nhanh như ban đầu.
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
29
Nghiên cứu khoa học công nghệ
3.3. Nghiên cứu chế độ và điều kiện để hoạt hóa chất hấp thụ axit
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa đến chất lượng của mẫu hấp
thụ hơi axit: Nghiên cứu được tiến hành trên mẫu vật liệu có thành phần là hỗn hợp
Mg(OH)2 và Ca(OH)2 tỷ lệ 2:1. Mẫu vật liệu sau khi được tổng hợp theo. quy trình
mục 2.2, sau khi rây phân loại chọn lấy kích thước hạt 0,4÷0,6 mm, chia thành 6
mẫu (mẫu 7, 15-19), các mẫu được hoạt hóa ở các nhiệt độ 300oC (mẫu 15) 350oC
(mẫu 7), 400oC (mẫu 16), 450oC (mẫu 17), 500oC (mẫu 18) và 550oC (mẫu 19). Tiến
hành khảo sát khả năng hấp thụ hơi axit của các mẫu vật liệu này trên hệ thống thiết
bị đã thiết kế theo mục 2.4.1. Kết quả thu được trình bày trong bảng 3 và biểu diễn
trên đồ thị hình 4.
Bảng 3. Kết quả khảo sát khả năng hấp thụ hơi axit
theo nhiệt độ hoạt hóa mẫu vật liệu
Thời gian
(phút) 15
30
60
90
120
180
240
Nhiệt độ (oC)
Độ
hấp
thụ
300 (mẫu 15)
10.03 11.20 11,59 11,62 11,97 12.05 12.82
12,55 12,97 13,34 13,74 13,91 14,30 14,59
18,94 19,33 19,84 20,32 20,99 21,70 22,56
17,98 18,21 18,44 18,79 19,05 19,41 19,96
12,07 12,30 12,58 12,91 13,11 13,50 13,82
10,95 11,39 11,74 12,00 12,29 12,71 13,19
350 (Mẫu 7)
400 (Mẫu 16)
450 (Mẫu17)
500 (Mẫu18)
550 (Mẫu 19)
(%)
Hình 4. Đồ thị biểu diễn độ hấp thụ của các mẫu vật liệu theo nhiệt độ
30
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Có thể nhận thấy, nhiệt độ hoạt hóa ảnh hưởng khá mạnh đến khả năng hấp
thụ hơi axit của vật liệu. Mẫu 15 (hoạt hóa ở 300oC) thấp nhất với độ hấp thụ sau 15
phút đầu là 10,03% và sau 4 giờ là 12,82%, trong khi đó mẫu 16 (hoạt hóa ở 400oC)
cao nhất với độ hấp thụ sau 15 phút đầu là 18,67% và sau 4 giờ là 22,06%. Ở 400oC,
các lỗ xốp được hình thành có độ lớn là phù hợp nhất, đảm bảo cho sự tiếp xúc giữa
hơi axit với hydroxit là lớn nhất. Khi tăng dần nhiệt độ, độ hấp thụ giảm xuống, rõ
rệt nhất là từ 500oC. Điều này là do nhiệt độ quá cao đã phá hủy cấu trúc xốp của vật
liệu. Kết quả này phù hợp với công trình đã công bố [14].
Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến chất lượng của mẫu hấp
thụ axit: Để nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến chất lượng của chất
hấp thụ, chúng tôi sử dụng mẫu 16 hoạt hóa ở 400oC trong các khoảng thời gian
tương ứng từ 1÷5 giờ. Kết quả đo khả năng hấp thụ của các mẫu vật liệu cho trong
bảng 4.
Bảng 4. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến khả năng hấp thụ hơi axit
Thời gian
(phút)
15
30
60
90
120
180
240
Chế độ hoạt hóa
400oC trong 1 giờ
(mẫu 16.1)
400oC trong 2 giờ
12,55 12,97 13,34 13,74 13,91 14,30 14,59
18,94 19,33 19,84 20,32 20,99 21,70 22,56
17,98 18,21 18,44 18,79 19,05 19,41 19,96
12,07 12,30 12,58 12,91 13,11 13,50 13,82
10,95 11,39 11,74 12,00 12,29 12,71 13,19
Độ
hấp
thụ
(mẫu 16)
(%)
400oC trong 3 giờ
(mẫu 16.3)
400oC trong 4 giờ
(mẫu 16.4)
400oC trong 5 giờ
(mẫu 16.5)
Từ kết quả trong bảng 4 nhận thấy rằng, mẫu vật liệu được hoạt hóa trong thời
gian 2 giờ (mẫu 16) có khả năng hấp thụ tốt nhất. Điều này có thể được giải thích do
nếu thời gian hoạt hóa quá ngắn thì chưa đủ thời gian hình thành hệ thống lỗ xốp
trên toàn bộ khối vật liệu. Tuy nhiên tiếp tục tăng thời gian hoạt hóa quá dài sẽ làm
phá hủy cấu trúc này. Do đó chúng tôi lựa chọn thời gian hoạt hóa là 2 giờ.
Để chứng minh sự thay đổi cấu trúc của mẫu vật liệu trước và sau hoạt hóa,
chúng tôi đã tiến hành 1 số phép phân tích như X-RAY, EDX, BET của 2 mẫu trước
khi hoạt hóa (mẫu 6) và sau khi hoạt hóa (mẫu 16).
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
31
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Hình 5. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu vật liệu chưa hoạt hóa (mẫu 6)
Quan sát phổ nhiễu xạ tia X của mẫu 6 khi chưa hoạt hóa (hình 5), ta thấy chỉ
xuất hiện các peak của Mg(OH)2 tại 2θ = 18,5o; 38,9o; 50,8o; 58,5o; 61,9o; 68,1o
(JCPDS 7-239) và Ca(OH)2 tại 2θ = 18,1o; 28,8o; 34,2o; 50,8o; 54,3o; 62,6o (JCPDS
44-4181), các peak phụ khác cường độ không đáng kể. Sau khi hoạt hóa ở 400oC,
Mg(OH)2 mất nước một phần tạo liên kết chéo trong vật liệu. Cơ chế của quá trình
oxolation này như đã đề cập ở mục 3.2 (hình 3). Hình ảnh phổ nhiễu xạ tia X của
mẫu 16 khi đã hoạt hóa (hình 6) ngoài các peak của Ca(OH)2 xuất hiện các peak của
MgO tại 2θ = 37o; 42,9o; 62,2o (JCPDS 1-1235) và peak của CaCO3 tại 2θ = 29,5o;
43,2o; 47,2o; 48,6o (JCPDS 47-1743). CaCO3 xuất hiện là do CO2 có trong không khí
phản ứng với lượng Ca(OH)2 trong quá trình hoạt hóa. Các peak phụ khác cường độ
không đáng kể.
Tương tự trên phổ nhiễu xạ tia X (EDX) biến đổi vật liệu là dễ dàng nhận thấy
khi % số nguyên tử O đã giảm đi, đó chính là lượng nguyên tử O nằm trong các
phân tử nước bị tách ra trong quá trình oxolation.
Kết quả kích thước lỗ xốp và diện tích bề mặt của mẫu vật liệu trước và sau
hoạt hóa cho thấy. Diện tích bề mặt riêng theo BET: mẫu 16 đạt 69,47 m2/g và mẫu
6 đạt 38,18 m2/g, Thể tích lỗ mao quản của mẫu 16 là 0,35 cm3/g với kích thước
mao quản từ 1,7 nm đến 300 nm, của mẫu 6 là 0,27 cm3/g. Kích thước lỗ mao quản
trung bình tính theo BHJ của mẫu 16 đạt 19,23nm và mẫu 6 đạt 26,40nm.
Có thể thấy rằng việc hoạt hóa ở nhiệt độ 400oC đã hình thành hệ thống lỗ xốp
trong vật liệu, làm tăng đáng kể diện tích và thể tích mao quản của vật liệu.
32
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Như vậy, đã điều chế được vật liệu hấp thụ hơi axit có thành phần là hỗn hợp
hai hydroxit của Mg và Ca với tỷ lệ 2 : 1, sau khi hoạt hóa ở 400oC, đã cho sự biến
đổi về thành phần và cấu trúc của vật liệu theo hướng hấp thụ hơi axit tốt hơn.
Hình 6. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu vật liệu đã hoạt hóa
3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt đến tốc độ hấp thụ axit
Theo lý thuyết, tốc độ hấp thụ phụ thuộc vào diện tích bề mặt hấp thụ. Với hạt
kích thước nhỏ, diện tích bề mặt của tầng hấp thụ lớn dẫn đến tốc độ hấp thụ tăng.
Tuy nhiên, khi kích thước hạt nhỏ sẽ dẫn đến trở lực dòng khí tăng, việc này gây
khó khăn trong quá trình hoạt động của ống trinh độc trên thực địa. Do đó, ở đây
trước hết chúng tôi xem xét ảnh hưởng của kích thước hạt đến trở lực dòng khí.
Căn cứ vào các kết quả đo, nhận thấy rằng kích thước mẫu càng nhỏ thì trở lực
càng lớn, đối với cả trường hợp chưa liên kết và đã liên kết với ống trinh độc. Dễ
dàng giải thích bởi kích thước hạt nhỏ thì thể tích khoảng không càng bé dẫn đến sự
di chuyển khó khăn của dòng khí qua cột vật liệu, tức là trở lực lớn. Điều này ảnh
hưởng trực tiếp đến kết quả trinh sát chất độc trong không khí. Trở lực lớn khiến
dòng khí không thể đi qua ống hấp thụ, kế đến là ống trinh độc OTĐ - 36. Hơn nữa
điều này còn gây khó khăn cho việc thao tác trinh sát chất độc của phân đội trinh sát
trong điều kiện chiến đấu thực tế (chất độc thật, sử dụng khí tài đề phòng). Nhóm
nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt và độ dày tầng hấp thụ trong
ống hấp thụ hơi axit đến trở lực dòng khí của ống hấp thụ. Kết quả được cho trong
bảng 5.
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
33
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Bảng 5. Kết quả đo trở lực của ống hấp thụ axit
Trở lực (kgf/cm2)
Lần đo 2 Lần đo 3
Độ dày tầng
chất hấp thụ
(cm)
Lần đo 1
Trung bình
Kích thước hạt 0,4 ÷ 0,6 mm
1,0
1,5
2,0
0,15
0,19
0,19
0,17
0,16
0,18
0,23
0,16
0,18
0,21
0,17
0,21
Kích thước hạt 0,3 ÷ 0,4 mm
1,0
1,5
2,0
0,3
0,27
0,32
0,42
0,27
0,27
0,43
0,28
0,32
0,41
0,36
0,37
Theo tài liệu [4] đối với ống trinh độc OTĐ-36 trở lực dòng khí với lưu lượng
(3,00,1) L/phút không lớn hơn 0,29 kgf/cm2. Để thuận tiện trong thao tác thực địa,
và không ảnh hưởng nhiều đến trở lực dòng khí khi kết nối ống hấp thụ hơi axit với
ống trinh độc, khi thiết kế chế tạo ống hấp thụ hơi axit chúng tôi lựa chọn trở lực
dòng khí ở mức không lớn hơn 0,20 kgf/cm2 (với lưu lượng (3,00,1) L/phút). Vì
vậy, chúng tôi lựa chọn vật liệu hấp thụ hơi axit ở khoảng kích thước từ 0,4-0,6 mm,
có giá trị trở lực trung bình (đối với độ dày chất hấp thụ <1,5 cm) là thỏa mãn yêu
cầu kĩ thuật đặt ra (không quá 0,20 kgf/cm2).
Tiếp đó chúng tôi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày tầng hấp thụ
đến khả năng hấp thụ của ống hấp thụ hơi axit ở 2 mức độ dày tầng hấp thụ là 1,0
cm và 1,5 cm. Từ các kết quả nghiên cứu trên chúng tôi đã lựa chọn được các thông
số cho quy trình chế tạo chất hấp thụ hơi axit như sau: Thành phần hỗn hợp là
Mg(OH)2 và Ca(OH)2 tỷ lệ 2:1 (Mg0,66Ca0,33(OH)2); nhiệt độ hoạt hóa ở 400oC; thời
gian hoạt hóa là 2 giờ; kích thước hạt tầng hấp thụ từ 0,4÷0,6mm; dung lượng hấp
thụ ở 25oC đạt 42,12% với dòng HCl dưới áp suất 200 mbar trong 34 giờ; độ dày
tầng hấp thụ là 1,0 cm.
3.5. Thử nghiệm thực tế ống hấp thụ axit
Thử nghiệm hoạt động của ống hấp thụ hơi axit khi kết nối với ống trinh độc
OTĐ-36 ở nồng độ yperit 2÷3.10-3 mg/lít trên các mẫu chất độc HD công nghiệp
(MOB-4.1, MOB 4.2, MOB 4.3) và mẫu HD do Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga chế
tạo từ năm 2013 (MOB 4.4) đều đã có lẫn hơi axit được thực hiện theo mục 2.4.3.
Các thử nghiệm được tiến hành với các mẫu chất độc HD khác nhau có và không sử
dụng chất hấp thụ hơi axit. Kết quả được cho trong bảng 6.
34
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Bảng 6. Kết quả thử nghiệm khả năng làm việc của ống hấp thụ axit
trên các mẫu HD thực tế
Mẫu
MOB-4.1
MOB-4.2
MOB-4.3
MOB-4.4
Hàm lượng, % [6]
Nồng độ hơi axit
HCl, µg/l [6]
79,05
53,98
40,88
96,54
150
624
770
32
Không sử dụng ống
hấp thụ axit
Không phát
hiện
Không phát
hiện
Không phát
hiện
Có phát hiện
nhưng màu nhạt
Có phát hiện
Có phát hiện
Có phát hiện
Có phát hiện
Có sử dụng ống hấp
thụ axit
(màu đặc trưng) (màu đặc trưng) (màu đặc trưng) (màu đặc trưng)
Hình ảnh so sánh
(ống bên trái không
sử dụng ống hấp thụ
axit, ống bên phải có
sử dụng ống hấp thụ
axit)
Nồng độ hơi axit gây nhiễu cho ống trinh độc OTĐ-36 với nồng độ chất độc
yperit 2÷3.10-3 mg/lít cho thấy nồng độ hơi axit tối thiểu gây nhiễu cho ống trinh
độc OTĐ-36 là 15,77 μg/l và với nồng độ hơi axit đạt 36,80 μg/l thì ống trinh độc
mất hoàn toàn khả năng chỉ thị [6]. Từ kết quả trên có thể thấy rằng khi sử dụng ống
hấp thụ hơi axit kết nối với ống trinh độc đã loại bỏ được hoàn toàn hơi axit, không
gây nhiễu cho hoạt động tin cậy của ống trinh độc (màu của tầng hấp thụ là màu sim
chín rất đặc trưng). Còn khi không sử dụng ống hấp thụ hơi axit thì ống trinh độc
hoàn toàn mất khả năng hiện thị do hơi axit gây ra (mẫu MOB-4.1, MOB 4.2 và
MOB 4.3). Đối với mẫu MOB-4.4 do Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga chế tạo từ
năm 2013, sau thời gian bảo quản cũng đã bị phân hủy tạo hơi axit ở mức 32 μg/l bắt
đầu gây nhiễu cho ống trinh độc (làm cho ống trinh độc hiện màu không chính xác).
4. KẾT LUẬN
Đã tiến hành khảo sát khả năng hấp thụ hơi axit của các mẫu vật liệu khác
nhau trên cơ sở các oxit, hydroxit của kim loại kiềm và kiềm thổ, khảo sát chế độ và
điều kiện hoạt hóa để chọn ra mẫu vật liệu có khả năng hấp thụ hơi axit tốt nhất;
nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước hạt đến trở lực dòng khí khi chế tạo ống hấp
thụ hơi axit. Từ các kết quả nghiên cứu đã lựa chọn được các thông số cho quy trình
chế tạo chất hấp thụ hơi axit như sau: Thành phần hỗn hợp là Mg(OH)2 và Ca(OH)2
tỷ lệ 2:1 (Mg0,66Ca0,33(OH)2); nhiệt độ hoạt hóa ở 400oC; thời gian hoạt hóa là 2 giờ;
kích thước hạt tầng hấp thụ từ 0,4÷0,6 mm; dung lượng hấp thụ ở 25oC đạt 42,12%
với dòng HCl dưới áp suất 200 mbar trong 34 giờ; độ dày tầng hấp thụ là 1,0 cm.
Chế tạo được ống hấp thụ hơi axit trên dây chuyền sản xuất ống trinh độc
OTĐ-36 sử dụng chất hấp thụ axit đã tổng hợp. Kết quả thử nghiệm cho thấy khi sử
dụng ống hấp thụ hơi axit kết nối với ống trinh độc đã loại bỏ được hoàn toàn hơi
axit, không gây nhiễu cho hoạt động tin cậy của ống trinh độc (màu của tầng hấp thụ
là màu sim chín rất đặc trưng).
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
35
Nghiên cứu khoa học công nghệ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.
2.
Stanley H. Lillie., Potential military chemical/biological agent and
compounds, 2005.
Nancy B. Munro, sylvia S. Talmage, Guy D. Giffin, The sourses, Fate, and
Toxicity of chemical Warfare Agent Degradation Products, 1999,
107(12):933-973.
3.
4.
5.
6.
Jeffrey P. Koplan, M. D, M. P. H, Draft toxicogical profile for mustard gas,
2001, p. 1-58.
Tài liệu chuyển giao công nghệ: TУ У 6-00205104.406-2002, Tехнические
условия ИT-36.
Ống trinh độc OTĐ-36 Tiêu chuẩn kỹ thuật, Nhà máy X61-Bộ Tư lệnh hóa
học, 2009.
Hà Ngọc Thiện, Đỗ Thị Thùy Trang, Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ hơi
axit đến hoạt động tin cậy của ống trinh độc OTĐ-36, Tạp chí Khoa học và
công nghệ nhiệt đới, số 20, 2020.
7.
8.
John S. Lee, Michael J. Pearson, HCl adsorbent anf method for making and
using same, US patent 5316998, 1994.
Nunokawa, M., Kobayashi, M. and Shirai H, Halide compound removal from
hot coalderived gas with reusable sodium-based sorbent, Powder Technology,
2008, p 216-221.
9.
Weiguo Pan, Jianxing Ren, Single and Combined Removal of HCl and Alkali
Metal Vapor from High-temperature Gas by Solid Sorbents, Energy
Fuels, 2007, 21(2):1019-1023.
10. Jae-Young Kim, Young Cheol Park, The Absorption Breakthrough
Characteristics of Hydrogen Chloride Gas Mixture on Potassium-Based Solid
Sorbent at High Temperature and High Pressure, Energy Fuels, 2016,
30(3):2268-2275.
11. Vikrant Vilasrao Dalal, Pijus Kanti Roy, Hydrocarbon hydrotreating device
and method for removing chloride from a hydrocarbon stream, US patent
2015/0053589 A1, 2015.
12. Miloslav Hartman, Karel Svoboda, Reaction of Hydrogen Chloride Gas with
Sodium Carbonate and Its Deep Removal in a Fixed-Bed Reactor. Ind. Eng.
Chem. Res., 2014, 53(49):19145-19158.
13. Chien-Song Chyang, Yun-Long Hanand Zi-Chao Zhong, Study of HCl
Absorption by CaO at High Temperature, Energy Fuels, 2009, 23(8):3948-
3953.
14. Chien C. Chao, Process for removing HCl from hydrocarbon streams, US
patent 5688479, 1997.
36
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
Nghiên cứu khoa học công nghệ
SUMMARY
STUDY ON MANUFACTURE OF ACID ABSORPTION TUBE USED TO
CONNECT WITH OTĐ-36 TEST STRIP FOR DETECTION
OF INDUSTRIAL HD TOXIC
Sulfur mustard, also known as Mustard gas, Yperite or HD agent is strong
cytotoxic and vesicant chemical warfare agent, causing chemical burns on the skin,
eyes and lungs. Common method to detect presence of this substance to use OTĐ-36
(IT-36) chemical indicator tubes. However, when acid vapor presents in impure HD
agent, OTĐ-36 can’t detect HD agent. In this paper, we present the results of
research on manufacturing acid absorption tube to connect with OTĐ-36 test strip
using in detection of industrial HD toxic.
Keywords: Yperit, sulfur mustard, acid absorptions.
Nhận bài ngày 01 tháng 8 năm 2020
Phản biện xong ngày 12 tháng 10 năm 2020
Hoàn thiện ngày 19 tháng 10 năm 2020
(1) Viện Độ bền Nhiệt đới, Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga
Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020
37
13 trang
18/04/2022
1380
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu chế tạo ống hấp thụ hơi axit dùng cho ống trinh độc OTĐ-36 để trinh sát chất độc quân sự hd công nghiệp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_che_tao_ong_hap_thu_hoi_axit_dung_cho_ong_trinh_d.pdf
