Nghiên Cứu Vật Liệu Hấp Phụ Chọn Lọc Hơi Thủy Ngân Từ Than Hoạt Tính

LỜI MỞ ĐẦU

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Độc tính và các nguồn phát thải thủy ngân

1.1.1. Giới thiệu chung về thủy ngân

1.1.2. Độc tính của thủy ngân

1.1.3. Các nguồn phát thải thủy ngân

1.1.4. Các công nghệ kiểm soát hơi thủy ngân

1.1.4.1. Công nghệ tinh chế nguyên liệu đầu vào

1.1.4.2. Công nghệ dùng tháp hấp thụ

1.1.4.3. Công nghệ dùng tháp hấp phụ

1.1.5. Các loại vật liệu hấp phụ xử lý hơi thủy ngân

1.1.5.1. Các loại vật liệu từ than hoạt tính

1.1.5.2. Các vật liệu khác

1.2. Mục tiêu và nội dung thực nghiệm

1.3. Nguyên vật liệu, hóa chất

1.3.1. Nguyên vật liệu

1.3.2. Thiết bị hấp phụ hơi thủy ngân

1.3.2.1. Cấu tạo thiết bị

1.3.2.2. Nguyên tắc vận hành

1.4. Biến tính than hoạt tính bằng các hợp chất chứa clorua

1.4.1. Biến tính than bằng dung dịch HCl

1.4.2. Biến tính than bằng dung dịch ZnCl2

1.4.3. Biến tính than bằng dung dịch FeCl3

1.4.4. Biến tính than bằng dung dịch CuCl2

1.5. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng khí mang đến nồng độ thủy ngân đầu vào

1.6. Khảo sát các điều kiện biến tính than hoạt tính

1.6.1. Khảo sát hóa chất ngâm tẩm phù hợp

1.6.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính than hoạt tính với hóa chất đã lựa chọn

1.7. Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu

1.8. Phương pháp định lượng hơi thủy ngân trong dung dịch hấp thụ

1.9. Xác định đặc trưng của vật liệu

1.9.1. Đo phổ bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM – Scanning Electronic Microscopy)

1.9.2. Đo phổ hồng ngoại (IR – InfraRed Spectroscopy)

1.9.3. Đo phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS – Energy-dispersive X-ray Spectroscopy)

2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

2.1. Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí mang đến nồng độ thủy ngân đầu vào

2.2. Khảo sát khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của các vật liệu

2.2.1. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của cát và than hoạt tính

2.2.2. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đã biến tính bằng dung dịch HCl ở các nồng độ khác nhau

2.2.3. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đã biến tính bằng dung dịch ZnCl2 ở các nồng độ khác nhau

2.2.4. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đã biến tính bằng dung dịch CuCl2 ở các nồng độ khác nhau

2.2.5. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đã biến tính bằng dung dịch FeCl3 ở các nồng độ khác nhau

2.2.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính than hoạt tính bằng dung dịch CuCl2

2.2.6.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CuCl2 đến khả năng hấp phụ hơi Hg của than biến tính

2.2.6.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình biến tính than hoạt tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M

2.2.6.3. Ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm đến quá trình biến tính than hoạt tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M ở pH=3

2.2.7. Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu

2.2.8. Đặc trưng của vật liệu được xác định dựa trên dữ liệu phổ SEM, IR, BET và EDS

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vật Liệu Hấp Phụ Hơi Thủy Ngân

Thủy ngân là một kim loại độc hại, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Các nguồn phát thải thủy ngân bao gồm các nhà máy nhiệt điện than, lò đốt rác thải, và các cơ sở luyện kim. Việc kiểm soát phát thải thủy ngân, đặc biệt là hơi thủy ngân, là một vấn đề cấp thiết. Than hoạt tính là một vật liệu hấp phụ tiềm năng do khả năng bắt giữ hơi thủy ngân tốt và chi phí tương đối thấp. Tuy nhiên, thủy ngân đã hấp phụ có thể phát tán trở lại môi trường khi điều kiện thay đổi. Do đó, việc biến tính than hoạt tính để tăng cường khả năng liên kết và lưu giữ thủy ngân là rất quan trọng. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng than hoạt tính biến tính bằng các hợp chất clorua để hấp phụ chọn lọc hơi thủy ngân.

1.1. Giới thiệu về ô nhiễm thủy ngân và nguồn phát thải

Ô nhiễm thủy ngân là một vấn đề toàn cầu, đe dọa sức khỏe con người và môi trường. Theo báo cáo của Chương trình Đánh giá và Giám sát Bắc Cực (AMAP), lượng thủy ngân cao được tìm thấy trong cơ thể động vật ở Bắc Cực. Các nguồn phát thải thủy ngân chính bao gồm các nhà máy nhiệt điện than, lò đốt rác thải nguy hại, và các cơ sở luyện kim. Việc kiểm soát phát thải thủy ngân tại nguồn là rất quan trọng để giảm thiểu ô nhiễm. Các nhà máy nhiệt điện than phát thải khoảng 150 tấn thủy ngân mỗi năm, trong đó các nhà máy ở Mỹ và Trung Quốc chiếm phần lớn. Các hoạt động khác như đốt rác thải và luyện kim cũng đóng góp đáng kể vào lượng thủy ngân phát thải.

1.2. Tổng quan về vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân

Nhiều loại vật liệu đã được nghiên cứu và ứng dụng để hấp phụ hơi thủy ngân, bao gồm than hoạt tính, zeolite, và các vật liệu nano. Than hoạt tính là một lựa chọn phổ biến do chi phí thấp và khả năng hấp phụ tốt. Tuy nhiên, để tăng cường hiệu quả hấp phụ và ngăn ngừa thủy ngân phát tán trở lại môi trường, than hoạt tính thường được biến tính bằng các phương pháp khác nhau. Các phương pháp biến tính bao gồm tẩm hóa chất, xử lý nhiệt, và biến đổi bề mặt. Việc lựa chọn vật liệu hấp phụ phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chi phí, hiệu quả hấp phụ, và khả năng tái sinh.

II. Thách Thức Độc Tính Thủy Ngân và Kiểm Soát Ô Nhiễm

Thủy ngân là một kim loại nặng độc hại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường. Độc tính của thủy ngân phụ thuộc vào dạng tồn tại của nó. Hơi thủy ngân đặc biệt nguy hiểm vì nó dễ dàng xâm nhập vào hệ thần kinh trung ương. Ion thủy ngân (II) cũng rất độc, có thể kết hợp với các amino axit chứa lưu huỳnh trong protein, gây rối loạn chức năng tế bào. Việc kiểm soát ô nhiễm thủy ngân đòi hỏi các giải pháp hiệu quả để loại bỏ thủy ngân khỏi khí thải và nước thải. Các công nghệ hiện tại vẫn còn nhiều hạn chế về chi phí, hiệu quả, và khả năng tái sinh vật liệu.

2.1. Các dạng tồn tại và độc tính của thủy ngân

Thủy ngân tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, bao gồm thủy ngân kim loại, hơi thủy ngân, ion thủy ngân (I), ion thủy ngân (II), và các hợp chất hữu cơ thủy ngân. Độc tính của thủy ngân phụ thuộc vào dạng tồn tại của nó. Hơi thủy ngân rất độc vì nó dễ dàng xâm nhập vào hệ thần kinh trung ương và gây tổn thương não. Ion thủy ngân (II) có thể kết hợp với các protein trong cơ thể, gây rối loạn chức năng tế bào. Các hợp chất hữu cơ thủy ngân, như metyl thủy ngân, đặc biệt nguy hiểm vì chúng có thể tích lũy trong chuỗi thức ăn và gây hại cho sức khỏe con người.

2.2. Các công nghệ kiểm soát ô nhiễm thủy ngân hiện tại

Các công nghệ kiểm soát ô nhiễm thủy ngân bao gồm hấp phụ, hấp thụ, kết tủa, và màng lọc. Công nghệ hấp phụ sử dụng các vật liệu như than hoạt tính để loại bỏ thủy ngân khỏi khí thải và nước thải. Công nghệ hấp thụ sử dụng các dung dịch hóa học để hòa tan thủy ngân. Kết tủa sử dụng các hóa chất để tạo thành các hợp chất không tan của thủy ngân, sau đó được loại bỏ bằng cách lọc. Màng lọc sử dụng các màng bán thấm để tách thủy ngân khỏi nước thải. Mỗi công nghệ có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn công nghệ phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chi phí, hiệu quả, và loại hình ô nhiễm.

III. Phương Pháp Biến Tính Than Hoạt Tính Hấp Phụ Thủy Ngân

Để cải thiện khả năng hấp phụ và tính chọn lọc của than hoạt tính đối với hơi thủy ngân, phương pháp biến tính than hoạt tính bằng các hợp chất clorua được sử dụng. Quá trình này bao gồm ngâm tẩm than hoạt tính trong dung dịch chứa clorua, sau đó sấy khô và nung. Các hợp chất clorua có thể tạo ra các trung tâm hoạt động trên bề mặt than hoạt tính, tăng cường khả năng liên kết với thủy ngân. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính bao gồm nồng độ dung dịch clorua, thời gian ngâm tẩm, nhiệt độ, và pH.

3.1. Quy trình biến tính than hoạt tính bằng clorua

Quy trình biến tính than hoạt tính bằng clorua bao gồm các bước sau: chuẩn bị dung dịch clorua với nồng độ mong muốn, ngâm tẩm than hoạt tính trong dung dịch trong một khoảng thời gian nhất định, lọc và rửa than hoạt tính để loại bỏ dung dịch dư thừa, sấy khô than hoạt tính ở nhiệt độ thấp, và nung than hoạt tính ở nhiệt độ cao để tạo ra các trung tâm hoạt động trên bề mặt. Các hợp chất clorua thường được sử dụng bao gồm HCl, ZnCl2, FeCl3, và CuCl2. Việc lựa chọn hợp chất clorua phù hợp phụ thuộc vào tính chất của than hoạt tính và yêu cầu của quá trình hấp phụ.

3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình biến tính

Nồng độ dung dịch clorua ảnh hưởng đến lượng clorua được hấp phụ trên bề mặt than hoạt tính. Thời gian ngâm tẩm ảnh hưởng đến sự phân bố của clorua trên bề mặt than hoạt tính. Nhiệt độ sấy khô và nung ảnh hưởng đến sự hình thành các trung tâm hoạt động. pH của dung dịch ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của clorua và sự tương tác giữa clorua và bề mặt than hoạt tính. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được hiệu quả biến tính cao nhất.

IV. Nghiên Cứu Đánh Giá Khả Năng Hấp Phụ Hơi Thủy Ngân

Nghiên cứu này đánh giá khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đã được biến tính bằng các dung dịch clorua khác nhau. Các thí nghiệm được thực hiện để xác định dung lượng hấp phụ, tính chọn lọc, và độ bền của vật liệu. Các phương pháp phân tích như SEM, IR, và EDS được sử dụng để xác định đặc trưng của vật liệu và cơ chế hấp phụ. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng than hoạt tính biến tính có khả năng hấp phụ hơi thủy ngân cao hơn so với than hoạt tính chưa biến tính.

4.1. Phương pháp đánh giá hiệu quả hấp phụ

Hiệu quả hấp phụ được đánh giá bằng cách đo lượng hơi thủy ngân được hấp phụ bởi vật liệu trong một khoảng thời gian nhất định. Các thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện kiểm soát, với nồng độ hơi thủy ngân, nhiệt độ, và áp suất được duy trì ổn định. Lượng hơi thủy ngân được hấp phụ được xác định bằng các phương pháp phân tích như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) hoặc sắc ký khí (GC). Tính chọn lọc được đánh giá bằng cách đo khả năng hấp phụ hơi thủy ngân trong sự hiện diện của các chất ô nhiễm khác.

4.2. Phân tích đặc trưng vật liệu bằng SEM IR và EDS

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để quan sát hình thái bề mặt của vật liệu. Phổ hồng ngoại (IR) được sử dụng để xác định các nhóm chức trên bề mặt vật liệu. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố của vật liệu. Các phương pháp phân tích này cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc và tính chất của vật liệu, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hấp phụ.

V. Kết Quả Ảnh Hưởng Của CuCl2 Đến Hấp Phụ Thủy Ngân

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc biến tính than hoạt tính bằng dung dịch CuCl2 có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp phụ hơi thủy ngân. Nồng độ dung dịch CuCl2, pH, và thời gian ngâm tẩm đều ảnh hưởng đến hiệu quả biến tính. Than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M ở pH=3 trong 7 giờ cho thấy khả năng hấp phụ hơi thủy ngân cao nhất. Phân tích SEM, IR, và EDS cho thấy rằng CuCl2 đã tạo ra các trung tâm hoạt động trên bề mặt than hoạt tính, tăng cường khả năng liên kết với thủy ngân.

5.1. Tối ưu hóa điều kiện biến tính bằng CuCl2

Nồng độ dung dịch CuCl2 tối ưu là 1,0M. pH tối ưu là 3. Thời gian ngâm tẩm tối ưu là 7 giờ. Các điều kiện này tạo ra sự phân bố đồng đều của CuCl2 trên bề mặt than hoạt tính và tạo ra số lượng lớn các trung tâm hoạt động. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là rất quan trọng để đạt được hiệu quả hấp phụ cao nhất.

5.2. Cơ chế hấp phụ hơi thủy ngân trên than biến tính

Cơ chế hấp phụ hơi thủy ngân trên than hoạt tính biến tính bằng CuCl2 có thể bao gồm sự hình thành các phức chất giữa thủy ngân và các ion clorua trên bề mặt than hoạt tính. Các ion Cu2+ cũng có thể đóng vai trò là trung tâm hoạt động, tăng cường khả năng liên kết với thủy ngân. Ngoài ra, sự tăng diện tích bề mặt và độ xốp của than hoạt tính sau khi biến tính cũng góp phần vào việc tăng khả năng hấp phụ.

VI. Ứng Dụng và Tương Lai Vật Liệu Hấp Phụ Hơi Thủy Ngân

Vật liệu than hoạt tính biến tính có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý khí thải và nước thải chứa thủy ngân. Việc sử dụng vật liệu này có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm thủy ngân và bảo vệ môi trường. Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc cải thiện độ bền và khả năng tái sinh của vật liệu, cũng như giảm chi phí sản xuất. Việc phát triển các vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân hiệu quả và thân thiện với môi trường là rất quan trọng để giải quyết vấn đề ô nhiễm thủy ngân toàn cầu.

6.1. Ứng dụng trong xử lý khí thải và nước thải

Than hoạt tính biến tính có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý khí thải của các nhà máy nhiệt điện than, lò đốt rác thải, và các cơ sở luyện kim. Vật liệu này cũng có thể được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước thải để loại bỏ thủy ngân khỏi nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt. Việc sử dụng vật liệu này có thể giúp đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

6.2. Hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc cải thiện độ bền và khả năng tái sinh của vật liệu. Các phương pháp tái sinh vật liệu bao gồm xử lý nhiệt, rửa bằng hóa chất, và sử dụng vi sóng. Việc giảm chi phí sản xuất cũng là một yếu tố quan trọng để tăng tính cạnh tranh của vật liệu. Ngoài ra, việc phát triển các vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân từ các nguồn phế thải nông nghiệp và công nghiệp cũng là một hướng nghiên cứu tiềm năng.

Nghiên Cứu Tổng Hợp Và Đặc Trưng Vật Liệu Hấp Phụ Chọn Lọc Hơi Thủy Ngân Từ Than Hoạt Tính