LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp làm gia tăng lượng các chất ô nhiễm phát thải vào môi trường trong đó có thủy ngân. Hơi thủy ngân được phát thải chủ yếu từ quá trình đốt các nhiên liệu hóa thạch như: dầu mỏ, than,. quá trình hoạt động của núi lửa và một số quá trình khác. Hơi thủy ngân dễ dàng đi vào cơ thể thông qua quá trình hô hấp.
Với khả năng tan trong mỡ, dễ kết hợp với các phân tử. Cho nên nó có thể làm mất chức năng của các cơ quan, hủy hoại nghiêm trọng tới hệ thần kinh trung ương. Nếu hít phải một lượng lớn thủy ngân có thể dẫn tới tử vong. Do vậy, việc nghiên cứu ra loại vật liệu có khả năng hấp phụ hơi thủy ngân cao là cần thiết.
Hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để xử lý hơi thủy ngân, trong đó phương pháp hấp phụ trên than hoạt tính được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả nhất. Quá trình lưu giữ thuỷ ngân trên than hoạt tính chủ yếu là hấp phụ vật lý, độ bền liên kết yếu. Thuỷ ngân và các hợp chất của nó có khả năng bay hơi và dễ phát tán trở lại môi trường ngay ở nhiệt độ thường. Do vậy, người ta đã nghiên cứu biến tính than hoạt tính nhằm thay đổi cấu trúc bề mặt làm tăng dung lượng hấp phụ đồng thời tạo liên kết bền hơn giữa thủy ngân với than hoạt tính.
Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân” với hi vọng vật liệu này được ứng dụng để kiểm soát, xử lý hơi thuỷ ngân phát thải trong các quá trình thực tiễn. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: Tổng quan 1. Giới thiệu chung về thủy ngân Thủy ngân là một nguyên tố hiếm trong vỏ trái đất, được tìm thấy hoặc như là kim loại tự nhiên (hiếm thấy) hay trong chu sa (HgS), corderoit (Hg3S2Cl2), livingstonit (HgSb4S8) và các khoáng chất khác với chu sa là quặng phổ biến nhất. Người Trung Quốc và Hindu cổ đại đã biết tới thủy ngân khi nó được tìm thấy trong các ngôi mộ cổ ở Ai Cập vào khoảng những năm 1500 TCN.
Người Ấn độ và Trung Quốc cổ đại cũng đã biết dùng thủy ngân để hòa tan vàng và bạc. Tại Tây Ban Nha người ta có thể tìm thấy thủy ngân tự nhiên ở trong đáy các hồ trên núi cao. Các nước có nhiều thủy ngân như Nga, Mỹ, Tây Ban Nha. Trong ngôn ngữ châu Âu, nguyên tố thủy ngân được đặt tên là Mercury, lấy theo tên của thần Mercury của người La Mã, được biết đến với tính linh động và tốc độ.
Hầu hết Hg đã bị người La Mã tiêu thụ và tạo chất màu đỏ của thần sa, nhưng Hg cũng được sử dụng để điều trị nhiều bệnh khác. Sau sự suy sụp của đế quốc La Mã , Hg chủ yếu được sử dụng để bào chế thuốc. Năm 1643, Toricelli đã phát minh ra dụng cụ đo nhiệt gọi là nhiệt kế sơ khởi nhưng chưa sử dụng Hg. Mãi đến năm 1720, Fahrenheit giới thiệu nhiệt kế Hg và bắt đầu đưa vào nghiên cứu khoa học.
Một số tính chất và ứng dụng của thủy ngân Thủy ngân là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Hg (từ tiếng Hy Lạp hydrargyrum, tức là thủy ngân (hay bạc lỏng) và số nguyên tử 80. Là một kim loại lưỡng tính nặng có ánh bạc, thủy ngân là một nguyên tố kim loại được biết có dạng lỏng ở nhiệt độ thường, có tính dẫn nhiệt kém nhưng dẫn điện tốt. Thủy ngân có khối lượng phân tử tương đối lớn là 200,59, nóng chảy ở - 38.87oC, nhiệt độ sôi tại 356,72 oC và khối lượng riêng là 13,534 g/cm3 ở 25oC. Thủy ngân nguyên tố là dạng dễ bay hơi nhất của thủy ngân, có áp suất hơi ở 25 oC là 0,3Pa, hóa hơi ngay ở nhiệt độ phòng.
Thủy ngân hầu như không tan trong nước (56 mg/lít tại 25 oC), không tan trong axit clohyđric. Thủy ngân nguyên tố tan trong chất béo và axit nitric, tan trong pentan (C5H12) (2,7 mg/lít), tan trong axit sulfuric khi sôi. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thủy ngân tạo ra hợp kim với phần lớn các kim loại, bao gồm vàng, nhôm và bạc, đồng nhưng không tạo với sắt. Do đó, người ta có thể chứa thủy ngân trong bình bằng sắt.
Telua cũng tạo ra hợp kim, nhưng nó phản ứng rất chậm để tạo ra telurua thủy ngân. Hợp kim của thủy ngân được gọi là hỗn hống. Kim loại này có hệ số nở nhiệt là hằng số khi ở trạng thái lỏng, hoạt động hóa học kém kẽm và cadmium. Trạng thái ôxi hóa phổ biến của thủy ngân là +1 và +2.
Rất ít hợp chất trong đó thủy ngân có hóa trị +3 tồn tại. Thủy ngân rất độc, có thể gây chết người khi bị nhiễm độc qua đường hô hấp. Trong tự nhiên, thủy ngân có mặt ở dạng vết của nhiều loại khoáng, đá. Các loại khoáng này trung bình chứa khoảng 80 phần tỷ thủy ngân.
Quặng chứa thủy ngân chủ yếu là Cinnabarit (HgS). Các loại nguyên liệu, than đá và than nâu chứa vào khoảng 100 phần tỷ thủy ngân. Hàm lượng trung bình tự nhiên trong đất trồng là 0,1 phần triệu. Thủy ngân là nguyên tố tương đối trơ về mặt hoá học so với các nguyên tố trong nhóm IIB, có khả năng tạo hỗn hống với các kim loại.
Sự tạo thành hỗn hống có thể đơn giản là quá trình hoà tan kim loại vào trong thủy ngân lỏng hoặc là sự tương tác mãnh liệt giữa kim loại và thủy ngân. Tuỳ thuộc vào tỷ lệ của kim loại tan trong thủy ngân mà hỗn hống ở dạng lỏng hoặc rắn. Một công dụng rất lớn của thủy ngân được con người sử dụng từ xa xưa đó là tạo hỗn hống với vàng, bạc để tách nguyên tố này khỏi đất, đá, quặng. Ở nhiệt độ thường, thủy ngân không phản ứng với oxi, nhưng phản ứng mãnh liệt ở 3000C tạo thành HgO và ở 4000C oxit này lại phân huỷ thành nguyên tố.
Ngoài ra, thủy ngân còn tác dụng với halogen, lưu huỳnh và các nguyên tố không kim loại khác như phốt pho, selen v. Đặc biệt tương tác của thủy ngân với lưu huỳnh và iot xảy ra dễ dàng ở nhiệt độ thường do ái lực liên kết của nó với lưu huỳnh và iot rất cao. Thủy ngân là một kim loại tạo nên nhiều hợp chất rất kém bền và dễ phân hủy nổ như HgC2, Hg3N2, Hg(N3)2 và Hg(OCN)2. Ví dụ HgC2 được tạo nên khi 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com C2H2 tác dụng với dung dịch HgCl2.
Nó có kiến trúc tinh thể giống CaC2 nhưng khi tác dụng với axit không tạo nên C2H2 mà CH3CHO: HgC2 + 2HCl + H 2O = HgCl2 + CH3CHO Sơ đồ thế oxi hóa – khử: 0,920 0,789 Hg2+ Hg22+ Hgo 0,854 cho thấy muối Hg(II) có khả năng oxi hóa, khi tác dụng với những chất khử muối Hg(II) mới đầu biến thành muối Hg(I) rồi sau đó biến thành Hg(0). Ngay khi tác dụng với thủy ngân kim loại, muối Hg(II) tạo thành muối Hg(I). Ví dụ: Hg(NO3)2 + Hg = Hg2(NO3)2 Bởi vậy khi tác dụng với axit nitric hay axit sunfuric đặc, nếu có dư thủy ngân thì sản phẩm thu được không phải là muối Hg(II) mà là muối của Hg22+.[3] Thủy ngân được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ba lĩnh vực được sử dụng nhiều nhất là: Công nghiệp sản xuất Cl2 và NaOH bằng phương pháp điện phân sử dụng điện cựu thủy ngân (điện cực calomen), Nhà máy sản xuất các thiết bị điện, như đèn hơi thủy ngân, pin thủy ngân, máy nắn và ngắt dòng, các thiết bị kiểm tra công nghệ, Nông nghiệp: sử dụng một lượng lớn thủy ngân trong sản xuất chất chống nấm trong việc làm sạch hạt giống.
Nhưng do các hóa chất này gây nhiễm độc cho người dùng và tồn tại lâu dài trong môi trường tự nhiên nên từ năm 1996 ở Việt Nam đã cấm sử dụng các chất này. Thủy ngân còn được sử dụng trong các lĩnh vực như trong y tế; trong chế tạo các dụng cụ nghiên cứu khoa học và dụng cụ trong phòng thí nghiệm (nhiệt kế, áp kế…); chế tạo các hỗn hống được sử dụng trong các công việc sau: trong nha khoa để hàn trám răng, trong ắc quy sắt – niken, các hỗn hống với vàng và bạc trước kia dùng để mạ vàng, mạ bạc theo phương pháp hóa học ngày nay được thay thế bằng phương pháp điện phân, tách vàng và bạc ra khỏi quặng của chúng; chế tạo ra các hợp chất hóa học có chứa thủy ngân. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nguồn phát thải và độc tính của thủy ngân 1.
Nguồn phát thải Thủy ngân là chất độc có trong môi trường từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt là do đốt than và khai thác mỏ và các nguồn tự nhiên, chẳng hạn như núi lửa, đất, nước biển bay hơi. Tuy nhiên, thủy ngân tồn tại trong khí quyển là phổ biến nhất. Một nghiên cứu gần đây được tiến hành bởi EPA trên 198 địa điểm ô nhiễm không khí nguy hiểm. Thủy ngân được công nhận là một trong những chất gây ô nhiễm độc hại nhất, và cho thấy, phát thải vào bầu khí quyển là một mối đe dọa nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường.
Tổng lượng thủy ngân phát thải từ các hoạt động công nghiệp liên tục tăng, đạt giá trị khoảng 3,500 tấn/năm, lượng thủy ngân phát thải vào môi trường từ các hoạt động của tự nhiên (chủ yếu là hoạt động của núi lửa) vào khoảng 2,500 tấn/năm. Các vị nhân chính nguồn phát thải thủy ngân vào khí quyển là do đốt than, quá trình đốt chất thải rắn đô thị, quá trình xử lý và sản xuất bóng đèn huỳnh quang, và các quá trình công nghệ khác có sử dụng các hợp chất chứa thủy ngân.[14] Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), các nhà máy điện đóng góp lên đến 50% của ô nhiễm thủy ngân ở Hoa Kỳ. Luật không khí sạch của Hoa Kỳ gần đây quy định, các nhà máy than đá phải giảm tới 90% phát thải thủy ngân. Nồi hơi đốt than là một nguồn phát thải thủy ngân lớn nhất ở Hoa Kỳ hiện nay.
Theo thông tin từ những thống kê của EPA (ICR) về quá trình đốt than đá chỉ ra rằng có 75 tấn thủy ngân trong 900 triệu tấn than được sử dụng trong các nhà máy điện của Hoa Kỳ trong năm 1999. Trung bình, khoảng 40% lượng thủy ngân được xử lý bởi các nhà máy điện đốt than còn 60% phát thải ra môi trường.