Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân

Luận văn thạc sĩ phân tích hus nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực tiễn.

• Tác giả: Phạm Văn Cử
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Văn Hà
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hóa Môi Trường
• Đề tài: Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về thủy ngân
• 1.2. Một số tính chất và ứng dụng của thủy ngân
• 1.3. Nguồn phát thải và độc tính của thủy ngân
• 1.4. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt
• 1.4.1. Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính
• 1.4.2. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính
• 1.4.3. Cấu trúc hóa học của bề mặt than hoạt tính
• 1.4.4. Nhóm cacbon – oxi trên bề mặt than hoạt tính
• 1.4.5. Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon – oxi lên đặc tính hấp phụ
• 1.4.6. Biến tính bề mặt than hoạt tính và ứng dụng xử lý thủy ngân
• 1.4.7. Một số vật liệu xử lý thủy ngân khác
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
• 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.1.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Thiết bị và hóa chất nghiên cứu
• 2.2.1. Sơ đồ thiết bị hấp phụ hơi thủy ngân
• 2.2.2. Một số thiết bị và dụng cụ khác
• 2.2.3. Hóa chất và nguyên vật liệu
• 2.3. Quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu
• 2.3.1. Làm sạch than hoạt tính
• 2.3.2. Biến tính bề mặt than hoạt tính bằng dung dịch brom
• 2.4. Các phương pháp phân tích đánh giá được sử dụng
• 2.4.1. Phương pháp Phổ hồng ngoại
• 2.4.2. Phương pháp tính tải trọng hấp phụ cực đại
• 2.4.3. Xác định nồng độ Hg2+ bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Thiết kế và chế tạo thiết bị
• 3.2. Khảo sát quá trình ổn định nhiệt độ
• 3.3. Khảo sát hơi thủy ngân theo nhiệt độ
• 3.4. Biến tính than hoạt tính bằng brom
• 3.5. Hàm lượng brom hấp phụ trên than hoạt tính
• 3.6. Tính chất vật lý của vật liệu
• 3.6.1. Xác định bề mặt riêng của than (BET)
• 3.6.2. Phổ IR của một số vật liệu
• 3.6.3. Phổ hồng ngoại của than biến tính
• 3.7. Khảo sát và đánh giá khả năng hấp phụ hơi thủy ngân
• 3.7.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp phụ hơi thủy ngân
• 3.7.2. Khảo sát khả năng hấp phụ thủy ngân trên các loại than ở nhiệt độ nhất định
• 3.7.3. Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại của than biến tính CB4 ở 50oC và [Hg] = 33
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu biến tính than hoạt tính hấp phụ hơi thủy ngân

Nghiên cứu biến tính than hoạt tính để hấp phụ hơi thủy ngân là một lĩnh vực quan trọng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Hơi thủy ngân, một chất độc hại, được phát thải từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt là từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch. Việc tìm kiếm các vật liệu có khả năng hấp phụ cao là cần thiết để giảm thiểu tác động của thủy ngân đến sức khỏe con người và môi trường.

1.1. Giới thiệu về thủy ngân và tác động của nó

Thủy ngân là một nguyên tố hóa học độc hại, có khả năng gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Hơi thủy ngân có thể xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp, gây tổn thương cho hệ thần kinh và các cơ quan khác. Việc hiểu rõ về nguồn gốc và tác động của thủy ngân là rất quan trọng trong nghiên cứu này.

1.2. Vai trò của than hoạt tính trong hấp phụ hơi thủy ngân

Than hoạt tính được biết đến với khả năng hấp phụ cao, nhờ vào cấu trúc bề mặt lớn và tính chất hóa học đặc biệt. Việc biến tính than hoạt tính có thể làm tăng khả năng hấp phụ hơi thủy ngân, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm.

II. Vấn đề và thách thức trong việc xử lý hơi thủy ngân

Mặc dù có nhiều phương pháp xử lý hơi thủy ngân, nhưng việc sử dụng than hoạt tính vẫn gặp phải một số thách thức. Đặc biệt, khả năng hấp phụ của than hoạt tính có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và cấu trúc bề mặt. Những vấn đề này cần được nghiên cứu và giải quyết để tối ưu hóa hiệu quả hấp phụ.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của than hoạt tính

Nhiệt độ và độ ẩm là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Nghiên cứu cho thấy rằng, ở nhiệt độ cao, khả năng hấp phụ của than hoạt tính có thể tăng lên, nhưng cũng có thể dẫn đến sự bay hơi của thủy ngân.

2.2. Thách thức trong việc biến tính than hoạt tính

Việc biến tính than hoạt tính để tăng cường khả năng hấp phụ không phải là điều đơn giản. Cần phải lựa chọn phương pháp biến tính phù hợp để đảm bảo rằng cấu trúc bề mặt của than hoạt tính không bị phá hủy, đồng thời vẫn giữ được khả năng hấp phụ cao.

III. Phương pháp biến tính than hoạt tính hiệu quả

Có nhiều phương pháp biến tính than hoạt tính để nâng cao khả năng hấp phụ hơi thủy ngân. Một số phương pháp phổ biến bao gồm sử dụng dung dịch brom, axit, hoặc các hợp chất khác để thay đổi cấu trúc bề mặt của than hoạt tính.

3.1. Biến tính bằng dung dịch brom

Phương pháp biến tính bằng dung dịch brom đã được chứng minh là hiệu quả trong việc tăng cường khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Brom có khả năng tạo ra các nhóm chức năng trên bề mặt than, từ đó cải thiện khả năng tương tác với hơi thủy ngân.

3.2. Sử dụng axit để biến tính than hoạt tính

Sử dụng axit để biến tính than hoạt tính cũng là một phương pháp hiệu quả. Axit có thể làm tăng diện tích bề mặt và tạo ra các nhóm chức năng mới, giúp tăng cường khả năng hấp phụ hơi thủy ngân.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng than hoạt tính biến tính có khả năng hấp phụ hơi thủy ngân cao hơn so với than hoạt tính thông thường. Kết quả này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong việc xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là trong các nhà máy điện và các khu công nghiệp.

4.1. Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ của than biến tính

Kết quả khảo sát cho thấy than hoạt tính biến tính có khả năng hấp phụ hơi thủy ngân cao hơn từ 20-30% so với than hoạt tính không biến tính. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của vật liệu này trong việc xử lý ô nhiễm.

4.2. Ứng dụng trong thực tiễn

Than hoạt tính biến tính có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ xử lý khí thải trong các nhà máy đến việc làm sạch môi trường nước. Việc áp dụng công nghệ này sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai

Nghiên cứu biến tính than hoạt tính để hấp phụ hơi thủy ngân không chỉ mang lại những kết quả khả quan mà còn mở ra nhiều hướng đi mới trong việc xử lý ô nhiễm môi trường. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ hơn nữa trong việc phát triển các vật liệu hấp phụ hiệu quả.

5.1. Tương lai của nghiên cứu biến tính than hoạt tính

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp biến tính mới, nhằm tối ưu hóa khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm và bảo vệ môi trường.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần có thêm nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Đồng thời, việc phát triển các vật liệu mới có khả năng hấp phụ cao hơn cũng là một hướng đi quan trọng trong nghiên cứu này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thủy ngân là một trong những kim loại nặng độc hại bậc nhất đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái. Tổng lượng thủy ngân phát thải vào khí quyển hàng năm từ các hoạt động công nghiệp trên toàn cầu đạt khoảng 3.500 tấn/năm, cùng với khoảng 2.500 tấn/năm bắt nguồn từ các nguồn tự nhiên như hoạt động phun trào núi lửa. Ở điều kiện nhiệt độ phòng 25°C, thủy ngân nguyên tố có áp suất hơi 0,3 Pa, dễ dàng bay hơi vào không khí và xâm nhập trực tiếp vào cơ thể sinh vật qua đường hô hấp. Khi tích tụ trong các mô mỡ và hệ thần kinh trung ương, thủy ngân gây ra những tổn thương vĩnh viễn, điển hình như thảm họa vịnh Minamata năm 1961 hay vụ ngộ độc tại Iraq khiến 1.450 người thiệt mạng.

Tại Việt Nam, sự phát triển nhanh của các ngành công nghiệp đốt than và hàng chục triệu bóng đèn huỳnh quang thải bỏ mỗi năm đang tạo ra áp lực phát thải thủy ngân rất lớn. Các phương pháp xử lý khí thải truyền thống sử dụng than hoạt tính thương mại chủ yếu dựa trên cơ chế hấp phụ vật lý với lực liên kết Van der Waals yếu, khiến hơi thủy ngân dễ dàng bị giải hấp và tái phát tán khi nhiệt độ môi trường biến động.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là biến tính bề mặt than hoạt tính gáo dừa bằng dung dịch brom nhằm tạo ra các nhóm chức hóa học chuyên biệt, nâng cao dung lượng lưu giữ và chuyển đổi cơ chế sang hấp phụ hóa học bền vững. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm chuyên ngành Hóa Môi trường thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, tập trung khảo sát quá trình hấp phụ hơi thủy ngân ở dải nhiệt độ từ 30°C đến 70°C với lưu lượng dòng khí 1 L/phút. Kết quả đề tài mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc làm chủ công nghệ chế tạo vật liệu hấp phụ nội địa hiệu năng cao, góp phần cắt giảm phát thải khí độc hại và bảo vệ môi trường không khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng thuyết hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và mô hình cấu trúc mao quản xốp Dubinin - IUPAC. Thuyết Langmuir giả định quá trình hấp phụ xảy ra trên các tâm hoạt động đồng nhất với năng lượng tương đương nhau, không có tương tác tương hỗ giữa các phân tử bị hấp phụ và đạt trạng thái bão hòa đơn lớp. Phương trình Langmuir dạng tuyến tính hóa cho phép xác định chính xác dung lượng hấp phụ cực đại cũng như hằng số cân bằng nhiệt động lực học của vật liệu.

Bên cạnh đó, mô hình Dubinin phân loại hệ thống mao quản của than hoạt tính thành ba cấp độ kích thước: lỗ vi xốp (micropore có bán kính dưới 2 nm, chiếm 95% diện tích bề mặt), lỗ trung bình (mesopore từ 2 đến 50 nm) và lỗ lớn (macropore trên 50 nm). Khung lý thuyết này giải thích sự phân bố của chất biến tính halogen trong mạng lưới tinh thể cacbon vô định hình. Ba khái niệm khoa học cốt lõi chi phối toàn bộ quá trình thực nghiệm bao gồm: hấp phụ hóa học thông qua phản ứng tạo liên kết cộng hóa trị, diện tích bề mặt riêng Brunauer-Emmett-Teller (BET), và quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (CVAAS).

Phương pháp nghiên cứu

Mẫu nghiên cứu gồm 5 mẫu than biến tính (ký hiệu từ CB1 đến CB5) được điều chế từ than hoạt tính gáo dừa Trà Bắc có cỡ hạt từ 0,5 mm đến 1,0 mm. Phương pháp chọn mẫu đồng nhất được áp dụng bằng cách cố định 10 g than đã rửa sạch bằng HNO3 loãng, sau đó ngâm tẩm với lượng dung dịch brom 1% biến thiên từ 0,3 g đến 1,2 g. Lý do lựa chọn than gáo dừa là nhờ nguồn nguyên liệu dồi dào tại Việt Nam và cấu trúc mao quản vi xốp phát triển mạnh.

Quá trình phân tích thực nghiệm kết hợp nhiều phương pháp định lượng và xác định cấu trúc:

• Phương pháp chuẩn độ oxy hóa khử iot - thiosunfat với dung dịch Na2S2O3 0,05M được sử dụng để xác định chính xác lượng brom hấp phụ trên khung cacbon.
• Phương pháp đo đẳng nhiệt hấp phụ N2 ở 77,35 K trong dải áp suất tương đối p/p0 từ 0 đến 0,3 được lựa chọn để đánh giá sự biến đổi diện tích bề mặt riêng BET.
• Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) trong vùng số sóng từ 400 cm⁻¹ đến 4000 cm⁻¹ bằng kỹ thuật ép viên KBr tinh khiết giúp phát hiện các liên kết chức hóa học mới.
• Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử AAS (Shimadzu AA-6800) tại bước sóng 253,7 nm được lựa chọn nhờ độ nhạy vượt trội trong việc xác định nồng độ vết ion thủy ngân sau khi hấp thụ bằng dung dịch KMnO4 0,025M và khử bằng SnCl2.

Toàn bộ chuỗi thực nghiệm chế tạo, đặc trưng hóa vật liệu và thử nghiệm hấp phụ trên cột động học được tiến hành hoàn chỉnh trong thời gian nghiên cứu của tác giả vào năm 2012.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình ngâm tẩm than hoạt tính với dung dịch brom ghi nhận khả năng cố định brom diễn ra rất hiệu quả. Đối với các mẫu CB1 (0,3 g Br2), CB2 (0,5 g Br2), CB3 (0,7 g Br2) và CB4 (0,9 g Br2), 100% lượng brom ban đầu đều được hấp phụ hoàn toàn vào than. Ở mẫu CB5 với 1,2 g Br2, lượng brom mang tối đa đạt 1,15 g trên 10 g than hoạt tính, phản ánh mối tương quan tuyến tính chặt chẽ giữa nồng độ chất ngâm tẩm và lượng nhóm chức cố định trên bề mặt.

Phép đo diện tích bề mặt riêng BET cho thấy than hoạt tính ban đầu có diện tích bề mặt đạt 853,48 ± 37,93 m²/g. Sau khi biến tính brom ở mẫu CB4, diện tích bề mặt giảm xuống còn 614,37 ± 27,34 m²/g, tương ứng mức giảm khoảng 28%. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại FTIR xác nhận sự xuất hiện của một đỉnh hấp thụ đặc trưng tại số sóng 500,67 cm⁻¹, minh chứng cho sự hình thành liên kết cộng hóa trị C-Br trên bề mặt vật liệu.

Khi khảo sát sự hóa hơi của thủy ngân theo nhiệt độ, lượng hơi thủy ngân sinh ra trong 30 phút tăng mạnh từ 0,39 mg (tương đương nồng độ 13,00 mg/m³) ở 30°C lên tới 1,525 mg (nồng độ 50,83 mg/m³) ở 70°C. Thử nghiệm hấp phụ trên cột 0,5 g than hoạt tính chưa biến tính cho thấy hiệu suất xử lý giảm từ 89,61% ở 30°C xuống 79,51% ở 70°C. Ngược lại, các mẫu than biến tính brom thể hiện dung lượng lưu giữ hơi thủy ngân vượt trội và duy trì hiệu suất ổn định ở nhiệt độ cao.

Thảo luận kết quả

Sự sụt giảm diện tích bề mặt riêng BET khoảng 28% ở than biến tính brom không làm giảm hiệu quả xử lý mà ngược lại còn gia tăng khả năng bắt giữ hơi thủy ngân. Hiện tượng này được giải thích là do các nguyên tử brom đã bám sâu vào thành mao quản và phản ứng oxy hóa làm mở rộng một phần các lỗ xốp nhỏ. Mặc dù diện tích hấp phụ vật lý giảm đi, sự hiện diện của các nhóm chức C-Br tại số sóng 500,67 cm⁻¹ đã tạo nên các tâm hấp phụ hóa học có ái lực cực mạnh với thủy ngân nguyên tố, hình thành nên các liên kết thủy ngân bromua bền nhiệt.

So sánh với các vật liệu biến tính bằng lưu huỳnh đòi hỏi nhiệt độ phản ứng trên 150°C hoặc nhựa trao đổi ion PSME-EDA có dung lượng 1,1 mmol/g ở 25°C, than biến tính brom cho thấy ưu thế vượt trội về khả năng phản ứng tức thì ở nhiệt độ thường và dải nhiệt độ công nghiệp từ 40°C đến 60°C. Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được trực quan hóa rất rõ ràng thông qua đồ thị đường đẳng nhiệt Langmuir biểu diễn mối liên hệ tuyến tính giữa Ct/q và Ct, biểu đồ so sánh phổ FTIR trước và sau biến tính, cùng bảng tổng hợp hiệu suất xử lý theo nhiệt độ giúp làm rõ cơ chế tương tác bề mặt.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn trong kiểm soát ô nhiễm công nghiệp, các giải pháp kỹ thuật và chính sách sau cần được triển khai:

• Mở rộng quy mô chế tạo vật liệu than biến tính brom (mẫu CB4): Các doanh nghiệp sản xuất chất hấp phụ phối hợp với viện nghiên cứu chuẩn hóa quy trình ngâm tẩm brom 1% ở quy mô pilot 50 kg đến 100 kg/mẻ trong vòng 6 tháng tới, nhằm tối ưu hóa chi phí sản xuất thấp hơn 30% so với vật liệu nhập khẩu.
• Lắp đặt hệ thống lọc khí hấp phụ tại các nhà máy nhiệt điện đốt than: Ban quản lý các nhà máy nhiệt điện và cơ sở luyện kim cần tiến hành lắp đặt các module cột hấp phụ nhồi than biến tính brom trước quý 4 năm tới, hướng đến mục tiêu giảm thiểu tối thiểu 90% lượng hơi thủy ngân phát thải vào khí quyển theo đúng tiêu chuẩn môi trường.
• Tích hợp module xử lý hơi thủy ngân trong dây chuyền tái chế bóng đèn huỳnh quang: Các công ty xử lý chất thải nguy hại cần trang bị hệ thống thu gom và đập nghiền kín có gắn buồng lọc than CB4 với công suất xử lý 10 m³ đến 20 m³/phút trong vòng 12 tháng, bảo đảm nồng độ hơi thủy ngân tại khu vực làm việc luôn ở mức an toàn dưới 0,025 mg/m³.
• Xây dựng quy chuẩn kỹ thuật và giám sát phát thải liên tục: Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường cần ban hành hướng dẫn kỹ thuật áp dụng công nghệ hấp phụ hóa học bằng than biến tính halogen trong vòng 18 tháng, đồng thời thiết lập trạm quan trắc tự động CVAAS tại 100% các nguồn phát thải lớn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc cho các nhóm đối tượng:

• Kỹ sư công nghệ môi trường và vận hành xử lý khí thải: Nắm bắt chi tiết các thông số vận hành cột hấp phụ động học (lưu lượng khí 1 L/phút, khối lượng vật liệu 0,5 g) để tính toán thiết kế hệ thống module lọc khí chứa kim loại nặng trong công nghiệp.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Hóa học/Khoa học Môi trường: Sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp phân tích hóa lý hiện đại, bao gồm kỹ thuật đo diện tích bề mặt riêng BET, phân tích phổ hồng ngoại FTIR và phương pháp CVAAS đo hàm lượng vết.
• Cán bộ quản lý an toàn và môi trường tại các nhà máy công nghiệp: Hiểu rõ nguy cơ từ 3.500 tấn phát thải thủy ngân hàng năm và đặc tính hóa hơi của kim loại này ở các mức nhiệt độ từ 30°C đến 70°C, từ đó đưa ra quyết định đầu tư công nghệ kiểm soát khí thải đạt chuẩn.
• Doanh nghiệp sản xuất than hoạt tính và vật liệu lọc: Tiếp cận quy trình công nghệ biến tính bề mặt than gáo dừa nội địa với tỷ lệ ngâm tẩm tối ưu 0,9 g Br2/10 g than, giúp nâng cao giá trị thương mại và đa dạng hóa sản phẩm xử lý môi trường.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phải biến tính than hoạt tính bằng dung dịch brom thay vì sử dụng than hoạt tính thông thường?

Than hoạt tính thông thường chủ yếu lưu giữ thủy ngân thông qua lực hấp phụ vật lý yếu, dễ bị giải hấp và bay hơi trở lại môi trường khi nhiệt độ thay đổi. Biến tính bằng dung dịch brom giúp hình thành liên kết C-Br đặc trưng trên bề mặt, chuyển hóa cơ chế sang hấp phụ hóa học và tạo hợp chất bền vững với thủy ngân, duy trì hiệu suất xử lý cao ngay cả ở 70°C.

Diện tích bề mặt riêng BET của than hoạt tính thay đổi như thế nào sau khi biến tính?

Sau khi ngâm tẩm với tỷ lệ 0,9 g Br2/10 g than ở mẫu CB4, diện tích bề mặt riêng BET giảm từ 853,48 ± 37,93 m²/g xuống còn 614,37 ± 27,34 m²/g (giảm khoảng 28%). Sự sụt giảm diện tích bề mặt xảy ra do các nguyên tử brom bám chặt vào thành mao quản và làm mở rộng các lỗ xốp, nhưng lại làm tăng mạnh các tâm hấp phụ hóa học đối với hơi thủy ngân.

Mẫu than biến tính nào đạt hiệu quả ngâm tẩm và tối ưu hóa chi phí tốt nhất?

Mẫu CB4 với tỷ lệ 0,9 g Br2 trên 10 g than hoạt tính được đánh giá là tối ưu nhất. Ở tỷ lệ này, toàn bộ 100% lượng brom đem ngâm tẩm đều được hấp phụ hoàn toàn lên than mà không bị dư thừa trong dung dịch, đồng thời tạo ra mật độ nhóm chức C-Br đồng đều, mang lại dung lượng hấp phụ thủy ngân cao và tiết kiệm hóa chất.

Nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến nồng độ hơi thủy ngân và hiệu suất hấp phụ?

Khi nhiệt độ tăng từ 30°C lên 70°C, khối lượng thủy ngân hóa hơi trong 30 phút tăng vọt từ 0,39 mg lên 1,525 mg (nồng độ tăng từ 13,00 mg/m³ lên 50,83 mg/m³). Đối với than hoạt tính chưa biến tính, hiệu suất hấp phụ bị suy giảm mạnh từ 89,61% xuống còn 79,51%, trong khi than biến tính brom vẫn giữ vững liên kết hóa học ổn định.

Phương pháp phân tích nào được áp dụng để xác định chính xác nồng độ thủy ngân vết?

Nghiên cứu áp dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa (CVAAS) trên thiết bị Shimadzu AA-6800 tại bước sóng 253,7 nm. Toàn bộ hơi thủy ngân sau cột hấp phụ được giữ lại trong dung dịch KMnO4 0,025M, sau đó xử lý bằng H2O2 và hoàn nguyên về thủy ngân nguyên tử bằng dung dịch SnCl2 trước khi đo quang với độ nhạy cao ở dải microgam/lít.

Kết luận

• Chế tạo thành công hệ vật liệu than biến tính brom (CB1 đến CB5) với khả năng mang tối đa đạt 1,15 g Br2 trên 10 g than hoạt tính gáo dừa.
• Xác định đầy đủ đặc trưng hóa lý của vật liệu với diện tích bề mặt riêng BET đạt 614,37 m²/g và liên kết C-Br đặc trưng tại số sóng 500,67 cm⁻¹.
• Khẳng định ưu thế vượt trội của cơ chế hấp phụ hóa học, hạn chế tối đa quá trình giải hấp hơi thủy ngân trong dải nhiệt độ từ 30°C đến 70°C.
• Hoàn thiện hệ thiết bị thực nghiệm hóa hơi và hấp phụ thủy ngân quy mô phòng thí nghiệm với độ ổn định và độ chính xác phân tích cao.
• Mở ra giải pháp công nghệ xử lý khí thải chứa thủy ngân thân thiện với môi trường, tận dụng hiệu quả nguồn than hoạt tính gáo dừa sẵn có trong nước.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là cung cấp cơ sở khoa học vững chắc và quy trình thực nghiệm rõ ràng để chế tạo vật liệu hấp phụ hóa học chuyên dụng xử lý hơi thủy ngân. Lộ trình tiếp theo cần tập trung vào việc thử nghiệm hệ thống pilot công suất lớn trong vòng 6 đến 12 tháng tới tại các nguồn phát thải thực tế. Các doanh nghiệp và nhà máy công nghiệp hãy chủ động ứng dụng công nghệ than hoạt tính biến tính brom để nâng cao hiệu quả xử lý khí thải độc hại, góp phần kiến tạo môi trường sống an toàn và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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.