MỞ ĐẦU Thủy ngân được coi là một trong những kim loại có độc tính cao nhất tồn tại trong môi trường, hơi thủy ngân cũng được coi là chất ô nhiễm không khí nguy hại. Do đó, giảm thiểu sự phát thải cũng như biện pháp xử lý hơi thủy ngân đang là vấn đề được nhiều quốc gia quan tâm đặc biệt là các nước đang phát triển công nghiệp như Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam…. Ở Việt Nam, việc các nhà máy khu công nghiệp, các cơ sở Y tế… hàng năm đã phát thải ra môi trường với một hàm lượng hơi thủy ngân cao hơn nhiều lần mức cho phép so với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về lò đốt chất thải công nghiệp (QCVN 30:2012/BTNMT)là 0,2mg/m3, vì thế nhu cầu xử lý thủy ngân trước khi đưa khí thải ra môi trường theo QCVN là rất cấp bách.[1] Tại Việt Nam, hầu như chưa có hệ thống xử lý hơi thủy ngân đối với các hoạt động sản xuất, xử lý có phát thải thủy ngân như đốt rác, tái chế rác thải.Trong số các công nghệ xử lý hơi thủy ngân được công bố trên thế giới, phương pháp hấp phụ là phương pháp có nhiều ưu điểm hơn cả về hiệu quả xử lý, giá thành và tính khả thi khi áp dụng thực tế. Cho đến nay cũng đã có nhiều loại vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân được nghiên cứu chế tạo và ứng dụng, phần lớn các vật liệu này đều sử dụng than hoạt tính như là vật liệu nền do những tính chất ưu việt của vật liệu hấp phụnhư là diện tích bề mặt lớn, kích thước mao quản đa dạng, là loại vật liệu phổ thông, dễ kiếm giá thành chấp nhận được và an toàn trong sử dụng[1].
Với mục đích nghiên cứu xử lý hiệu quả hơi thủy ngân tại các lò đốt rác, các cơ sở xử lý tái chế các loại bóng đèn huỳnh quang, đèn cao áp có chứa thủy ngân từ nhu cầu thực tiễn chúng tôi tiến hành “Thiết kế chế tạo thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân và mô phỏng hệ thống ở quy mô sản xuất’’với hi vọng thiết bị này sẽ được ứng dụng để kiểm soát, xử lý hơi thủy ngân phát thải trong 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, trong tự nhiên thủy ngân có mặt ở dạng vết của nhiều loại khoáng, đá như trong chu sa (HgS), corderoit (Hg3S2Cl2), livingstonit (HgSb4S8) và các khoáng chất khác, chu sa là quặng phổ biến nhất. Các loại khoáng này trung bình chứa khoảng 80 phần tỷ thủy ngân.
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. Người Trung Quốc và Hindu cổ đại đã biết tới thủy ngân và tìm thấy nó trong các ngôi mộ cổ Ai Cập có niên đại khoảng 1500 TCN. Thủy ngân có kí hiệu hóa học là Hg nó được viết tắt của Hydrargyrum, từ Latinh hóa của từ Hy Lạp Hydrargyros là tổ hợp của hai từ 'nước' và 'bạc' vì nó lỏng như nước và có ánh kim như bạc.
Trong ngôn ngữ Châu Âu nguyên tố này được đặt tên là Mercury lấy theo tên thần La Mã, được biết đến với tính linh động. Tính chất của thủy ngân Thủy ngân là kim loại màu trắng bạc trong không khí ẩm nó dần dần bị bao phủ bởi màng oxit nên mất ánh kim. Thuỷ ngân có 7 đồng vị bền, trong đó 200Hg chiếm 23,3% và 202Hg chiếm 29,6%. Thuỷ ngân đông đặc ở -400C; sôi ở 3570C; tỷ trọng 13,6trọng lượng phân tử 200,61.
Là kim loại duy nhất tồn tại ở dạng lỏng trong điều kiện thường nên thủy ngân được dùng trong nhiệt kế, áp kế, phù kế và bơm chân không… 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 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. Các hợp chất của thuỷ ngân có mức oxi hoá là +2 hoặc +1, xác suất tạo thành hai trạng thái oxi hoá đó gần tương đương với nhau về mặt nhiệt động học, trong đó trạng thái oxi hoá +2 thường gặp hơn và cũng bền hơn +1.
Thủy ngân kim loại ở nhiệt độ phòng Hình thái của thủy ngân trong môi trường được đặc trưng bởi một phức hóa học, nó có thể diễn ra cả ở thể khí và thể nước. Trong phản ứng hóa học, những sai số lớn vẫn thường xuất hiện, trong các phản ứng oxy hóa và khử, sai số làm thay đổi liên tục hệ số giữa thủy ngân nguyên tố và thủy ngân bị oxy hóa [10]. Thủy ngân nguyên tố làm gia tăng mức độ ô nhiễm không khí. Mặt khác, thủy ngân bị oxy hóa lại tan tốt trong nước, mức độ nguy hiểm nhiều hơn rất nhiều, phụ thuộc vào môi trường gần với nguồn phát sinh chất thải, và dễ dàng đi vào các chu kỳ sinh quyển [10].
3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thủy ngân tồn tại ở dạng khí hơi trong lò đốt MSW và lò đốt than, ví dụ như thủy ngân nguyên tố (Hg0), hoặc ở dạng oxy hóa như oxit thủy ngân (HgO), thủy ngân clorua (HgCl2) và mercurous chloride(Hg2Cl2).[10] Sơ đồ thế oxi hóa khử của thủy ngân: 0,920 V 0,789 V Hg2+ Hg22+ Hg0 Sơ đồ trên cho thấy muối Hg2+0,854 có khả V năng oxi hóa. Khi tác dụng với những chất khử, muối Hg2+ biến đổi thành muối Hg22+, sau đó biến thành Hg0. Còn khi tác dụng với thủy ngân kim loại, muối Hg2+ lại tạo thành muối Hg22+. 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 Hg2+ mà là muối của Hg22+.
Ion Hg2+ có khả năng tạo nên nhiều phức chất, trong đó thủy ngân có những số phối trí đặc trưng là 2 và 4. Các muối thuỷ ngân (II) halogenua (HgX2) là chất dạng tinh thể không màu, trừ HgI2 có màu đỏ, HgF2 là hợp chất có liên kết ion, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao nhất trong các halogenua HgX2, nó bị thuỷ phân gần như hoàn toàn ngay trong nước lạnh. Ba halogenua còn lại thể hiện rõ đặc tính cộng hoá trị. Chúng tan trong một số dung môi hữu cơ nhiều hơn trong nước.
Trong nước, ba halogenua này phân ly rất kém (~ 1%) nên bị thuỷ phân không đáng kể. Ở trạng thái hơi và trong dung dịch, chúng đều tồn tại ở dạng phân tử. Thủy ngân sunfua (HgS) là chất dạng tinh thể có màu đỏ hoặc màu đen, tan rất ít trong nước với tích số tan 10-53. HgS tan rất chậm trong dung dịch axit đặc kể cả HNO3 và chỉ tan dễ khi đun nóng với nước cường thuỷ: 3HgS + 8HNO3 + 6HCl 3HgCl2 + 3H2SO4 + 8NO + 4H2O Phức chất của thuỷ ngân thường là rất bền, liên kết Hg – phối tử trong tất cả các phức chất là liên kết cộng hoá trị.
Trong đó, phức chất được tạo nên với phối tử 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chứa halogen, cacbon, nitơ, phốt pho, lưu huỳnh là các phức chất bền nhất.1 là các giá trị hằng số bền đối của phức chất Hg2+ Bảng 1. Hằng số bền của phức chất [MX4]n [3] Phức Hằng số bền, Kb chất Cl- Br- I- CN- SCN- NH3 [HgX4]n 1,66.102 - Những phức chất của Hg(II) được dùng trong hóa học phân tích là K2[HgI4] và (NH4)2[Hg(SCN)4]. Hợp chất cơ thủy ngân: Hg2+ tạo nên một số lớn chất cơ kim, trong đó nhiều chất có hoạt tính sinh học. Cơ thủy ngân có công thức tổng quát là RHgX và R2Hg (R là gốc hidrocacbon và X là anion axit).
Đa số cơ thủy ngân là những chất lỏng dễ bay hơi, độc và có khả năng phản ứng cao. Người ta thường dùng chúng để điều chế những cơ kim khác: R2Hg + Zn R2Zn + Hg Khác với những nguyên tố cùng nhóm trong bảng hệ thống tuần hoàn là Zn và Cd, thủy ngân còn tạo nên những hợp chất trong đó có ion Hg22+ với liên kết Hg – Hg. Sự tồn tại của ion này được xác minh bằng phương pháp như phương pháp hóa học, phương pháp nghiên cứu cấu trúc bằng tia Rơnghen, phương pháp đo độ dẫn điện. Ứng dụng, độc tính và nguồn phát thải thủy ngân Ứng dụng của thủy ngân: Thủy ngân được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và nhiều ngành sản xuất khác nhau.
Trong công nghiệp, thuỷ ngân được sử dụng nhiều nhất để sản xuất Cl2 và NaOH bằng phương pháp điện phân, sản xuất thiết bị điện như bóng đèn huỳnh quang, đèn hơi thủy ngân, pin thủy ngân, máy nắn dòng và ngắt dòng, các thiết bị kiểm tra công nghệ…Oxit thủy ngân đỏ (HgO) làm chất xúc tác trong công nghiệp pha sơn chống hà bám ngoài tàu, thuyền đi biển. Thủy ngân fulmiat Hg(CNO)2 được dùng trong công nghệ chế tạo thuốc nổ, 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com dùng làm hạt nổ, kíp nổ. Hơi khói từ ngòi nổ fulmiat thủy ngân có thể gây nhiễm độc.[5] Ngoài ra thủy ngân được sử dụng chủ yếu trong sản xuất các loại hóa chất, trong kỹ thuật điện và điện tử. Nó cũng được sử dụng trong một số nhiệt kế và một số ứng dụng khác là: - Máy đo huyết áp chứa thủy ngân (đã bị cấm ở một số nơi).
Máy đo huyết áp thủy ngân - Thimerosal (C9H9HgNaO2S) một hợp chất hữu cơ được sử dụng như là chất khử trùng trong vaccin và mực xăm. Thimerosal(C9H9HgNaO2S) - Phong vũ kế thủy ngân, bơm khuyếch tán, tích điện kế thủy ngân và nhiều thiết bị phòng thí nghiệm khác. Là một chất lỏng với tỷ trọng rất cao, Hg được sử 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.