nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng vật liệu hấp thụ chọn lọc hơi hg từ than hoạt tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Thị Cẩm Nhung NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHỌN LỌC HƠI Hg TỪ THAN HOẠT TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Thị Cẩm Nhung NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHỌN LỌC HƠI Hg TỪ THAN HOẠT TÍNH Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60.44.41 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. ĐỖ QUANG TRUNG Hà Nội – Năm 2012 ii MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH vii LỜI MỞ ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN 3 1.1. Độc tính và các nguồn phát thải thủy ngân 3 1.1.1. Giới thiệu chung về thủy ngân 3 1.1.2. Độc tính của thủy ngân 7 1.1.3. Các nguồn phát thải thủy ngân 10 1.2. Các công nghệ kiểm soát hơi thủy ngân 13 1.2.1. Công nghệ tinh chế nguyên liệu đầu vào 13 1.2.2. Công nghệ dùng tháp hấp thụ 14 1.2.3. Công nghệ dùng tháp hấp phụ 16 1.3. Các loại vật liệu hấp phụ xử lý hơi thủy ngân 17 1.3.1. Các loại vật liệu từ than hoạt tính 18 1.3.2. Các vật liệu khác 25 Chương 2. THỰC NGHIỆM 36 2.1. Mục tiêu và nội dung thực nghiệm 36 2.2. Nguyên vật liệu, hóa chất 36 2.2.1. Nguyên vật liệu 36 2.2.2. Hóa chất 37 2.3. Thiết bị hấp phụ hơi thủy ngân 38 2.3.1. Cấu tạo thiết bị 38 2.3.2. Nguyên tắc vận hành 38 2.4. Biến tính than hoạt tính bằng các hợp chất chứa clorua 40 2.4.1. Biến tính than bằng dung dịch HCl 40 2.4.2. Biến tính than bằng dung dịch ZnCl 2 40 2.4.3. Biến tính than bằng dung dịch FeCl 3 40 iii 2.4.4. Biến tính than bằng dung dịch CuCl 2 41 2.5. Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ dòng khí mang đến nồng độ thủy ngân đầu vào 41 2.6. Khảo sát các điều kiện biến tính than hoạt tính 42 2.6.1. Khảo sát hóa chất ngâm tẩm phù hợp 42 2.6.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính than hoạt tính với hóa chất đã lựa chọn 42 2.7. Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu 44 2.8. Phương pháp định lượng hơi thủy ngân trong dung dịch hấp thụ 44 2.9. Xác định đặc trưng của vật liệu 45 2.9.1. Đo phổ bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM – Scanning Electronic Microscopy) 45 2.9.2. Đo phổ hồng ngoại (IR – InfraRed Spectroscopy) 45 2.9.3. Đo phổ BET 46 2.9.4. Đo phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS – Energy-dispersive X-ray Spectroscopy) 46 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47 3.1. Ảnh hưởng của tốc độ dòng khí mang đến nồng độ thủy ngân đầu vào 47 3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của các vật liệu 48 3.2.1. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của cát và than hoạt tính 48 3.2.2. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đã biến tính bằng dung dịch HCl ở các nồng độ khác nhau 50 3.2.3. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đã biến tính bằng dung dịch ZnCl 2 ở các nồng độ khác nhau 51 3.2.4. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đã biến tính bằng dung dịch CuCl 2 ở các nồng độ khác nhau 52 3.2.5. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đã biến tính bằng dung dịch FeCl 3 ở các nồng độ khác nhau 53 iv 3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính than hoạt tính bằng dung dịch CuCl 2 54 3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CuCl 2 đến khả năng hấp phụ hơi Hg của than biến tính 54 3.3.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình biến tính than hoạt tính bằng dung dịch CuCl 2 1,0M 56 3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm đến quá trình biến tính than hoạt tính bằng dung dịch CuCl 2 1,0M ở pH=3 57 3.4. Xác định dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu 58 3.5. Đặc trưng của vật liệu được xác định dựa trên dữ liệu phổ SEM, IR, BET và EDS 60 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Hằng số bền của phức chất [HgX 4 ] n 6 Bảng 1.2 Ảnh hưởng của nồng độ NaClO 2 đến sự loại bỏ hơi thủy ngân 15 Bảng 1.3 Ảnh hưởng của pH đến sự loại bỏ hơi thủy ngân 15 Bảng 1.4 Tải trọng hấp phụ hơi thủy ngân của các vật liệu trong 4 giờ ở 80 0 C 22 Bảng 1.5 Tải trọng hấp phụ hơi thủy ngân theo nhiệt độ trong 4 giờ 22 Bảng 1.6 Tải trọng hấp phụ hơi thủy ngân trên vật liệu tẩm lưu huỳnh ở các nhiệt độ ngâm tẩm khác nhau 23 Bảng 1.7 Tải trọng hấp phụ hơi thủy ngân của các vật liệu nền BPL (µg/g) 24 Bảng 1.8 Tải trọng hấp phụ hơi thủy ngân trên các dạng than hoạt tính khác nhau 25 Bảng 1.9 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu CaO 34 Bảng 1.10 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu Ca(OH) 2 34 Bảng 1.11 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của hỗn hợp vật liệu Ca(OH) 2 và tro bay 35 Bảng 3.1 Lượng hơi thủy ngân lôi cuốn được với các tốc độ thổi khí N 2 khác nhau theo thời gian 47 Bảng 3.2 Lượng hơi thủy ngân còn lại sau khi cho lượng hơi thủy ngân ban đầu đi qua cột nhồi các loại vật liệu sau 4 giờ chạy phản ứng 48 Bảng 3.3 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng các dung dịch HCl ở các nồng độ khác nhau sau 4 giờ chạy phản ứng 51 Bảng 3.4 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng các dung dịch ZnCl 2 ở các nồng độ khác nhau sau 4 giờ chạy phản ứng 52 Bảng 3.5 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng các dung dịch CuCl 2 ở các nồng độ khác nhau sau 4 giờ chạy phản ứng 52 Bảng 3.6 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng các dung dịch FeCl 3 ở các nồng độ khác nhau sau 4 giờ chạy phản ứng 53 Bảng 3.7 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl 2 ở các nồng độ khác nhau sau thời gian chạy phản ứng 4 giờ 55 vi Bảng 3.8 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl 2 1,0M ở các pH khác nhau sau 4 giờ chạy phản ứng 56 Bảng 3.9 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl 2 1,0M, pH=3 ở các thời gian ngâm tẩm khác nhau sau 4 giờ chạy phản ứng 57 Bảng 3.10 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính theo các thời gian chạy phản ứng khác nhau 59 Bảng 3.11 Diện tích bề mặt riêng của vật liệu 63 Bảng 3.12 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính và than hoạt tính biến tính sau 4 giờ chạy phản ứng 63 Bảng 3.13 Kết quả phân tích các nguyên tố trong các mẫu vật liệu sau khi chụp phổ EDS 65 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Thủy ngân kim loại ở nhiệt độ phòng 3 Hình 1.2 Khoáng Cinnabar chứa thủy ngân 3 Hình 1.3 Các nguồn phát thải thủy ngân ở Mỹ 11 Hình 1.4 Các dạng của bóng đèn compact trên thị trường 13 Hình 1.5 Quá trình tạo ra các hạt nano bạc trên zeolit từ tính đối với sự loại bỏ thủy ngân trong khí thải 28 Hình 1.6 Ảnh TEM của chất hấp phụ zeolit từ tính gắn nano bạc 29 Hình 1.7 Sơ đồ của quy trình sử dụng chất hấp phụ từ tính trong nhà máy than nhiệt điện 31 Hình 2.1a Bình khí N 2 39 Hình 2.1b Thiết bị hấp phụ hơi thủy ngân thực nghiệm 39 Hình 3.1 Biểu đồ về dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của các vật liệu 54 Hình 3.2 Biểu đồ về dung lượng hấp phụ của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl 2 ở các nồng độ khác nhau 55 Hình 3.3 Biểu đồ về dung lượng hấp phụ của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl 2 1,0M ở các pH khác nhau 56 Hình 3.4 Biểu đồ về dung lượng hấp phụ của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl 2 1,0M, pH=3, ở các thời gian ngâm tẩm khác nhau 58 Hình 3.5 Đường hấp phụ của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl 2 1,0M, pH=3, 7 giờ 59 Hình 3.6 Ảnh SEM của than hoạt tính 60 Hình 3.7 Ảnh SEM của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl 2 1,0M, pH=3, 7 giờ 61 Hình 3.8 Phổ hồng ngoại của than hoạt tính 61 Hình 3.9 Phổ hồng ngoại của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl 2 1,0M, pH=3, 7 giờ 62 Hình 3.10 Phổ EDS của than hoạt tính 64 viii Hình 3.11 Phổ EDS của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl 2 1,0M, pH=3, 7 giờ 64 Hình 3.12 Phổ EDS của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl 2 1,0M, pH=3, 7 giờ đã hấp phụ thủy ngân 65 [...]... hấp phụ chọn lọc hơi Hg từ than hoạt tính , chúng tôi sử dụng nguồn than hoạt tính có sẵn trong nước (Than hoạt tính Trà Bắc – Trà Vinh) và tiến hành ngâm tẩm với các hợp chất clorua để thu được vật liệu có khả năng hấp phụ tốt hơi thủy ngân Từ thực tế đó, đánh giá vật liệu để xem xét chi phí khi sử dụng vật liệu cho các quá trình xử lý hơi thủy ngân trong nước 2 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Độc tính và các... than hoạt tính biến tính bằng hợp chất chứa lưu huỳnh cho hiệu quả hấp phụ cao ở nhiệt độ phòng, là vật liệu tiềm năng cho quá trình xử lý hơi thủy ngân Còn vật liệu BPL-A và BPL-P cho hiệu quả hấp phụ kém than hoạt tính biến tính bằng hợp chất clorua, tuy nhiên chi phí khi sử dụng các vật liệu này lại thấp nên các vật liệu đó vẫn là một lựa chọn tốt cho quá trình xử lý hơi thủy ngân g) Than hoạt tính. .. huỳnh trên sợi than hoạt tính (%) 64 44 13 Tải trọng hấp phụ hơi thủy ngân (µg/g) 755 11343 1907 Kết quả này cho thấy khả năng hấp phụ hơi thủy ngân trên vật liệu không phụ thuộc vào tổng lượng lưu huỳnh trên bề mặt sợi than hoạt tính cũng như tổng diện tích bề mặt của vật liệu, [23 – 25] Yan và các cộng sự khi nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng lưu huỳnh, các tác giả cho biết than hoạt tính có ngâm... hoạt tính dạng sợi gắn nano bạc Người ta đã nghiên cứu và tổng hợp các sợi than hoạt tính có sự neo đậu của nano bạc, tiến hành hấp phụ hơi thủy ngân và giải hấp để thu hồi vật liệu Các nghiên cứu củaYang Guo-hua và các cộng sự về khả năng hấp phụ hơi thủy ngân trong dòng khí nitơ bằng than hoạt tính ở dạng sợi (ACF – activated carbon fiber) 24 và than hoạt tính ở dạng sợi có gắn nano bạc (silver-loaded... Kết quả thu được ở Bảng 1.8 cho thấy, tại 70˚C và sau 12 giờ thực nghiệm, tải trọng hấp phụ của hơi thủy ngân trên silver-loaded ACF và ACF đạt kết quả tốt (so sánh với than hoạt tính dạng bột và than hoạt tính dạng bột có gắn nano bạc) Bảng 1.8 Tải trọng hấp phụ hơi thủy ngân trên các dạng than hoạt tính khác nhau Than hoạt tính dạng bột Vật liệu Than hoạt tính dạng sợi Không gắn Gắn nano Không gắn Gắn... năng hấp phụ tốt hơn so với than hoạt tính không được ngâm tẩm Và trong quá trình loại bỏ hơi thủy ngân bằng vật liệu này, người ta thấy diễn ra cả quá trình hấp phụ vật lý lẫn hóa học và khi tăng nhiệt độ thì quá trình hấp phụ vật lý giảm còn quá trình hấp phụ hóa học tăng lên, [78, 79] Liu và các cộng sự khi tổng hợp vật liệu than hoạt tính tẩm lưu huỳnh cũng cho biết, tỉ lệ lưu huỳnh trên than có... của than hoạt tính là thủy ngân đã được hấp phụ có thể phát tán lại môi trường khi các điều kiện xử lý thay đổi Do vậy, người ta thường biến tính bề mặt than hoạt tính nhằm tăng cường 1 khả năng liên kết, lưu giữ thủy ngân trên than hoạt tính Có nhiều phương pháp xử lý bề mặt than, trong đó gắn kết với các hợp chất halogenua được ứng dụng nhiều Trong đề tài Nghiên cứu tổng hợp và đặc trưng vật liệu hấp. .. gồm cả hấp phụ vật lý và cả hấp phụ hóa học, với quá trình hấp phụ hóa học thủy ngân ở dạng hơi đã chuyển sang dạng phức như: [HgCl]+, [HgCl2], [HgCl4]2-, [82] d )Than hoạt tính biến tính bằng hợp chất iodua Để xem xét than hoạt tính biến tính bằng iot cho kết quả như thế nào, các tác giả đã thực hiện song song hai thực nghiệm bao gồm sự ngâm tẩm than với clo và iot để so sánh Yong-Chil Seo và các cộng... kiểm soát hơi thủy ngân đã được nghiên cứu và ứng dụng trong phạm vi phòng thí nghiệm cũng như trên thực tế Trong quá trình này, nhiều loại vật liệu đã được nghiên cứu và ứng dụng về khả năng hấp phụ hơi thủy ngân để loại bỏ nó khỏi dòng khí thải của các nhà máy Than hoạt tính là một trong những loại vật liệu đã được nghiên cứu nhiều do có khả năng bắt giữ tốt hơi thủy ngân với chi phí phù hợp Nhược... thủy ngân ở 1350C, khoảng 2 – 4% hơi nước và 80 – 100% chất oxy hóa có mặt trong dòng thải ở nhiệt độ này cũng làm tăng khả năng bắt giữ hơi thủy ngân của vật liệu Và khi xét ảnh hưởng của bản chất của chất hấp phụ thì người ta thấy tùy thuộc vào nguồn gốc của vật liệu và điều kiện biến tính mà khả năng loại bỏ hơi thủy ngân thay đổi đáng kể Than hoạt tính với chi phí thấp và dễ thay đổi cấu trúc bề mặt . ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Thị Cẩm Nhung NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHỌN LỌC HƠI Hg TỪ THAN HOẠT TÍNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội. ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Thị Cẩm Nhung NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHỌN LỌC HƠI Hg TỪ THAN HOẠT TÍNH Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60.44.41. chọn lọc hơi Hg từ than hoạt tính , chúng tôi sử dụng nguồn than hoạt tính có sẵn trong nước (Than hoạt tính Trà Bắc – Trà Vinh) và tiến hành ngâm tẩm với các hợp chất clorua để thu được vật liệu