Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM VĂN CỬ NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ HƠI THỦY NGÂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM VĂN CỬ NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ HƠI THỦY NGÂN Chuyên ngành: Hóa Môi Trường Mã số: 60 44 41 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG VĂN HÀ Hà Nội - 2012 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Hoàng Văn Hà giao đề tài nhiệt tình giúp đỡ, cho em kiến thức quí báu trình nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Trần Hồng Côn thầy, cô phòng thí nghiệm Hóa môi trường tận tình bảo hướng dẫn em suốt thời gian làm luận văn Cảm ơn phòng thí nghiệm Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện giúp đỡ trình làm thực nghiệm Xin chân thành cảm ơn bạn học viên, sinh viên làm việc phòng thí nghiệm Hóa môi trường giúp đỡ trình tìm tài liệu làm thực nghiệm Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên cao học Phạm Văn Cử MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .1 Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung thủy ngân 1.1.1 Một số tính chất ứng dụng thủy ngân 1.1.2 Nguồn phát thải độc tính thủy ngân 1.2 Than hoạt tính cấu trúc bề mặt .12 1.2.1 Cấu trúc tinh thể than hoạt tính .12 1.2.2 Cấu trúc xốp bề mặt than hoạt tính 13 1.2.3 Cấu trúc hóa học bề mặt than hoạt tính 15 1.2.4 Nhóm cacbon – oxi bề mặt than hoạt tính .16 1.2.5 Ảnh hưởng nhóm bề mặt cacbon – oxi lên đặc tính hấp phụ 19 1.2.6 Biến tính bề mặt than hoạt tính ứng dụng xử lý thủy ngân 23 1.3 Một số vật liệu xử lý thủy ngân khác 26 Chương 2: Thực nghiệm 29 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 29 2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 29 2.1.2 Nội dung nghiên cứu 29 2.2 Thiết bị hóa chất nghiên cứu 29 2.2.1 Sơ đồ thiết bị hấp phụ thủy ngân .29 2.2.2 Một số thiết bị dụng cụ khác 31 2.2.3 Hóa chất nguyên vật liệu .31 2.3 Quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu 31 2.3.1 Làm than hoạt tính 31 2.3.2 Biến tính bề mặt than hoạt tính dung dịch brom .31 2.4 Các phương pháp phân tích đánh giá sử dụng .32 2.4.1 Phương pháp Phổ hồng ngoại 32 2.4.2 Phương pháp tính tải trọng hấp phụ cực đại 33 2.4.3 Xác định nồng độ Hg2+ phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử .34 Chương 3: Kết thảo luận 37 3.1 Thiết kế chế tạo thiết bị 37 3.1.1 Khảo sát trình ổn định nhiệt độ 38 3.1.2 Khảo sát thủy ngân theo nhiệt độ .38 3.2 Biến tính than hoạt tính brom 40 3.2.1 Hàm lượng brom hấp phụ than hoạt tính 40 3.2.2 Tính chất vật lý vật liệu .43 3.3 Khảo sát đánh giá khả hấp phụ thủy ngân 46 3.3.1 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên khả hấp phụ thủy ngân 46 3.3.2 Khảo sát khả hấp phụ thủy ngân loại than nhiệt độ định .50 3.3.3 Khảo sát tải trọng hấp phụ cực đại than biến tính CB4 50oC [Hg] = 33.33 mg/m3 55 KẾT LUẬN .58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình tạo Hg 35 3.2 Kết chuẩn độ xác định nồng độ Br2 36 3.3 Kết đánh giá khả mang bromua than hoạt tính 38 3.4 Kết đánh giá khả hấp phụ Hg than hoạt tính nhiệt độ khác 42 3.5 Kết đánh giá khả hấp phụ Hg than biến tính CB1 nhiệt độ khác 43 3.6 Kết đánh giá khả hấp phụ Hg than biến tính CB2 nhiệt độ khác 44 3.7 Kết đánh giá khả hấp phụ Hg than biến tính CB3 nhiệt độ khác 44 3.8 Kết đánh giá khả hấp phụ Hg than biến tính CB4 nhiệt độ khác 45 3.9 Kết hấp phụ Hg loại than 40oC 47 3.10 Kết hấp phụ Hg loại than 50oC 48 3.11 Kết hấp phụ Hg loại than 60oC 50 3.12 Mối liên hệ lượng Hg hấp phụ cột theo thời gian 52 DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Ảnh X-Quang chụp bệnh nhân uống thủy ngân nguyên tố 1.2 So sánh mạng tinh thể chiều than chì (a) cấu trúc turbostratic (b) 2.1 Sơ đồ thiết bị hấp phụ Hg 26 2.2 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 30 2.3 Đường phụ thuộc Ct/q vào Ct 30 2.4 Đường chuẩn xác định nồng độ Hg2+ 32 3.1 Sơ đồ khối thiết bị hóa hấp phụ Hg 33 3.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ vào trình tạo Hg 35 3.3 Đồ thị thể mối liên hệ lượng Br2 đem ngâm tẩm với lượng Br2 mang than 38 3.4 Đồ thị biễu diễn tọa độ BET than hoạt tính 39 3.5 Đồ thị biễu diễn tọa độ BET than biến tính CB4 40 3.6 Phổ hồng ngoại than hoạt tính 41 3.7 Phổ hồng ngoại than biến tính 41 3.8 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nhiệt độ tới khả hấp phụ Hg than hoạt tính 43 3.9 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nhiệt độ tới khả hấp phụ Hg loại than biến tính 46 3.10 Đồ thị biễu diễn khả hấp phụ Hg loại than 40oC 48 3.11 Đồ thị biễu diễn khả hấp phụ Hg loại than 50oC 49 3.12 Đồ thị biễu diễn khả hấp phụ Hg loại than 60oC 50 3.13 Đồ thị biểu diện lượng Hg hấp phụ cột vật liệu CB4 theo thời gian 53 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt EPA Environmental Protection Cơ quan Bảo vệ Môi trường Agency Hoa Kỳ Fourier Transform Infrared Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi FTIR Fourier IR Infrared Phổ hồng ngoại IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry Liên hiệp Hóa học Thuần túy Ứng dụng Quốc tế NMR Nuclear magnetic resonance Phổ cộng hưởng từ hạt nhân XPS X-ray Photoemission Spectroscopy Phổ quang điện tử tia X LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ công nghiệp làm gia tăng lượng chất ô nhiễm phát thải vào môi trường có thủy ngân Hơi thủy ngân phát thải chủ yếu từ trình đốt nhiên liệu hóa thạch như: dầu mỏ, than, trình hoạt động núi lửa số trình khác Hơi thủy ngân dễ dàng vào thể thông qua trình hô hấp Với khả tan mỡ, dễ kết hợp với phân tử Cho nên làm chức quan, hủy hoại nghiêm trọng tới hệ thần kinh trung ương Nếu hít phải lượng lớn thủy ngân dẫn tới tử vong Do vậy, việc nghiên cứu loại vật liệu có khả hấp phụ thủy ngân cao cần thiết Hiện nay, có nhiều phương pháp sử dụng để xử lý thủy ngân, phương pháp hấp phụ than hoạt tính sử dụng rộng rãi có hiệu Quá trình lưu giữ thuỷ ngân than hoạt tính chủ yếu hấp phụ vật lý, độ bền liên kết yếu Thuỷ ngân hợp chất có khả bay dễ phát tán trở lại môi trường nhiệt độ thường Do vậy, người ta 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 thủy ngân với than hoạt tính Trong khuôn khổ luận văn này, chọn thực đề tài “Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ thủy ngân” với hi vọng vật liệu ứng dụng để kiểm soát, xử lý thuỷ ngân phát thải trình thực tiễn Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung thủy ngân Thủy ngân nguyên tố vỏ trái đất, tìm thấy kim loại tự nhiên (hiếm thấy) hay chu sa (HgS), corderoit (Hg3S2Cl2), livingstonit (HgSb4S8) khoáng chất khác với chu sa quặng phổ biến Người Trung Quốc Hindu cổ đại biết tới thủy ngân tìm thấy mộ cổ Ai Cập vào khoảng năm 1500 TCN Người Ấn độ Trung Quốc cổ đại biết dùng thủy ngân để hòa tan vàng bạc Tại Tây Ban Nha người ta tìm thấy thủy ngân tự nhiên đáy hồ núi cao Các nước có nhiều thủy ngân Nga, Mỹ, Tây Ban Nha Trong ngôn ngữ châu Âu, nguyên tố thủy ngân đặt tên Mercury, lấy theo tên thần Mercury người La Mã, biết đến với tính linh động tốc độ Hầu hết Hg bị người La Mã tiêu thụ tạo chất màu đỏ thần sa, Hg sử dụng để điều trị nhiều bệnh khác Sau suy sụp đế quốc La Mã , Hg chủ yếu sử dụng để bào chế thuốc Năm 1643, Toricelli phát minh dụng cụ đo nhiệt gọi nhiệt kế sơ khởi chưa sử dụng Hg Mãi đến năm 1720, Fahrenheit giới thiệu nhiệt kế Hg bắt đầu đưa vào nghiên cứu khoa học 1.1.1 Một số tính chất ứng dụng thủy ngân Thủy ngân nguyên tố hóa học bảng tuần hoàn có ký hiệu Hg (từ tiếng Hy Lạp hydrargyrum, tức thủy ngân (hay bạc lỏng) số nguyên tử 80 Là kim loại lưỡng tính nặng có ánh bạc, thủy ngân nguyên tố kim loại biết có dạng lỏng nhiệt độ thường, có tính dẫn nhiệt dẫn điện tốt Thủy ngân có khối lượng phân tử tương đối lớn 200,59, nóng chảy 38.87oC, nhiệt độ sôi 356,72oC khối lượng riêng 13,534 g/cm3 25oC Thủy ngân nguyên tố dạng dễ bay thủy ngân, có áp suất 25oC 0,3Pa, hóa nhiệt độ phòng Thủy ngân không tan nước (56 mg/lít 25oC), không tan axit clohyđric Thủy ngân nguyên tố tan chất béo axit nitric, tan pentan (C5H12) (2,7 mg/lít), tan axit sulfuric sôi Thủy ngân tạo hợp kim với phần lớn kim loại, bao gồm vàng, nhôm bạc, đồng không tạo với sắt Do đó, người ta chứa thủy ngân bình sắt Telua tạo hợp kim, phản ứng chậm để tạo telurua thủy ngân Hợp kim thủy ngân gọi hỗn hống Kim loại có hệ số nở nhiệt số trạng thái lỏng, hoạt động hóa học kẽm cadmium Trạng thái ôxi hóa phổ biến thủy ngân +1 +2 Rất hợp chất thủy ngân có hóa trị +3 tồn Thủy ngân độc, gây chết người bị nhiễm độc qua đường hô hấp Trong tự nhiên, thủy ngân có mặt dạng vết nhiều loại khoáng, đá Các loại khoáng trung bình chứa khoảng 80 phần tỷ thủy ngân Quặng chứa thủy ngân chủ yếu Cinnabarit (HgS) Các loại nguyên liệu, than đá than nâu chứa vào khoảng 100 phần tỷ thủy ngân Hàm lượng trung bình tự nhiên đất trồng 0,1 phần triệu Thủy ngân nguyên tố tương đối trơ mặt hoá học so với nguyên tố nhóm IIB, có khả tạo hỗn hống với kim loại Sự tạo thành hỗn hống đơn giản trình hoà tan kim loại vào thủy ngân lỏng tương tác mãnh liệt kim loại thủy ngân Tuỳ thuộc vào tỷ lệ kim loại tan thủy ngân mà hỗn hống dạng lỏng rắn Một công dụng lớn thủy ngân người sử dụng từ xa xưa tạo hỗn hống với vàng, bạc để tách nguyên tố khỏi đất, đá, quặng Ở nhiệt độ thường, thủy ngân không phản ứng với oxi, phản ứng mãnh liệt 3000C tạo thành HgO 4000C oxit lại phân huỷ thành nguyên tố Ngoài ra, thủy ngân tác dụng với halogen, lưu huỳnh nguyên tố không kim loại khác phốt pho, selen v.v Đặc biệt tương tác thủy ngân với lưu huỳnh iot xảy dễ dàng nhiệt độ thường lực liên kết với lưu huỳnh iot cao Thủy ngân kim loại tạo nên nhiều hợp chất bền dễ phân hủy nổ HgC2, Hg3N2, Hg(N3)2 Hg(OCN)2 Ví dụ HgC2 tạo nên C2H2 tác dụng với dung dịch HgCl2 Nó có kiến trúc tinh thể giống CaC2 tác dụng với axit không tạo nên C2H2 mà CH3CHO: HgC2 + 2HCl + H2O = HgCl2 + CH3CHO Sơ đồ oxi hóa – khử: Hg2+ 0,920 Hg22+ 0,854 0,789 Hgo cho thấy muối Hg(II) có khả oxi hóa, tác dụng với chất khử muối Hg(II) đầu biến thành muối Hg(I) sau biến thành Hg(0) Ngay 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 tác dụng với axit nitric hay axit sunfuric đặc, có dư thủy ngân sản phẩm thu muối Hg(II) mà muối Hg22+.[3] Thủy ngân ứng dụng rộng rãi công nghiệp Ba lĩnh vực sử dụng nhiều là: Công nghiệp sản xuất Cl2 NaOH phương pháp điện phân sử dụng điện cựu thủy ngân (điện cực calomen), Nhà máy sản xuất thiết bị điện, đèn thủy ngân, pin thủy ngân, máy nắn ngắt dòng, thiết bị kiểm tra công nghệ, Nông nghiệp: sử dụng lượng lớn thủy ngân sản xuất chất chống nấm việc làm hạt giống Nhưng hóa chất gây nhiễm độc cho người dùng tồn lâu dài môi trường tự nhiên nên từ năm 1996 Việt Nam cấm sử dụng chất Thủy ngân sử dụng lĩnh vực y tế; chế tạo dụng cụ nghiên cứu khoa học dụng cụ phòng thí nghiệm (nhiệt kế, áp kế…); chế tạo hỗn hống sử dụng công việc sau: nha khoa để hàn trám răng, ắc quy sắt – niken, hỗn hống với vàng bạc trước dùng để mạ vàng, mạ bạc theo phương pháp hóa học ngày thay phương pháp điện phân, tách vàng bạc khỏi quặng chúng; chế tạo hợp chất hóa học có chứa thủy ngân 1.1.2 Nguồn phát thải độc tính thủy ngân 1.1.2.1 Nguồn phát thải Thủy ngân chất độc có môi trường từ nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt đốt than khai thác mỏ nguồn tự nhiên, chẳng hạn núi lửa, đất, nước biển bay Tuy nhiên, thủy ngân tồn khí phổ biến Một nghiên cứu gần tiến hành EPA 198 địa điểm ô nhiễm không khí nguy hiểm Thủy ngân công nhận chất gây ô nhiễm độc hại nhất, cho thấy, phát thải vào bầu khí mối đe dọa nghiêm trọng đến sức khỏe người môi trường Tổng lượng thủy ngân phát thải từ hoạt động công nghiệp liên tục tăng, đạt giá trị khoảng 3,500 tấn/năm, lượng thủy ngân phát thải vào môi trường từ hoạt động tự nhiên (chủ yếu hoạt động núi lửa) vào khoảng 2,500 tấn/năm Các vị nhân nguồn phát thải thủy ngân vào khí đốt than, trình đốt chất thải rắn đô thị, trình xử lý sản xuất bóng đèn huỳnh quang, trình công nghệ khác có sử dụng hợp chất chứa thủy ngân.[14] Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), nhà máy điện đóng góp lên đến 50% ô nhiễm thủy ngân Hoa Kỳ Luật không khí Hoa Kỳ gần quy định, nhà máy than đá phải giảm tới 90% phát thải thủy ngân Nồi đốt than nguồn phát thải thủy ngân lớn Hoa Kỳ Theo thông tin từ thống kê EPA (ICR) trình đốt than đá có 75 thủy ngân 900 triệu than sử dụng nhà máy điện Hoa Kỳ năm 1999 Trung bình, khoảng 40% lượng thủy ngân xử lý nhà máy điện đốt than 60% phát thải môi trường.[14] Hiện nay, loại bóng đèn huỳnh quang (đèn ống hay thường gọi đèn tuýp, đèn cao áp, đèn compact) thải bỏ nguồn phát thải thuỷ ngân đáng lo ngại Hiện nay, loại đèn ngày sử dụng rộng rãi hoạt động người cung cấp nguồn ánh sáng hiệu đặc biệt tiết kiệm điện Tại Mỹ, 90% lượng đèn huỳnh quang sử dụng hoạt động thương mại, công nghiệp Hàng trăm triệu đèn huỳnh quang sản xuất số lượng ngày tăng lên sách tiết kiệm lượng toàn cầu Riêng Việt Nam, năm có hàng chục triệu bóng đèn thải bỏ cần có biện pháp quản lý hiệu 1.1.2.2 Độc tính thủy ngân Thủy ngân tồn dạng độc hại, độc tính phổ biến ảnh hưởng tới hệ thần kinh, tiêu hóa hệ thống quan thận Nguyên nhân gây ngộ độc thủy ngân hít phải thủy ngân, ăn phải thủy ngân hấp thụ thủy ngân qua da Thủy ngân có khả phản ứng với axit amin chứa lưu huỳnh, hemoglobin, abumin Thủy ngân có khả liên kết màng tế bào, làm thay đổi hàm lượng kali, thay đổi cân axit bazơ mô, làm thiếu hụt lượng cung cấp cho tế bào thần kinh.[9] Hình 1.1: Ảnh X-Quang chụp bệnh nhân uống ounces thủy ngân nguyên tố Thủy ngân có dạng tồn tại: thủy ngân nguyên tố, muối vô hợp chất hữu Trong đó, chất có độc tính cao metyl thủy ngân Metyl thủy ngân có khả hòa tan chất béo, qua màng tế bào, tới não, phá hủy hệ thần kinh trung ương Metyl thủy ngân làm phân liệt nhiễm sắc thể ngăn cản trình phân chia tế bào.[2] Các hợp chất thủy ngân hữu cơ, đặc biệt metyl thủy ngân, tập trung chuỗi thức ăn Cá từ vùng nước bị ô nhiễm nguồn gây độc phổ biến Ô nhiễm thủy ngân công nghiệp thường dạng vô cơ, sinh vật nước thảm thực vật sông, hồ, biển chuyển đổi thành metyl thủy ngân có độc tính chết người Cá ăn thực vật bị ô nhiễm, protein cá liên kết với 90% metyl thủy ngân hấp thụ cách chặt chẽ mà phương pháp nấu ăn như: chiên, luộc, nướng, loại bỏ Nhiễm độc cấp tính: tiếp xúc với Hg nhiệt độ cao, không gian kín dẫn đến ho, khó thở, tim đập nhanh, liều lượng Hg tăng dần làm cho nhiệt độ thể tăng, choáng váng, nôn mửa, hôn mê, tức ngực, số người da tím tái, rét Quá trình khó thở kéo dài đến vài tuần Ngộ độc cấp tính ăn uống phải lượng lớn Hg Ngộ độc cấp tính bị ngất, hôn mê (VD: năm 1952, làng Irăc có 1450 người chết ăn phải lúa mì giống Liên hợp quốc viện trợ, lúa mì giống phun tẩm CH3Hg+ để chống nấm Nhiễm độc mãn tính: tiếp xúc với Hg thời gian dài Nhiễm độc hệ thần kinh, thận, chủ yếu Hg hữu số Hg vô Triệu trứng sớm nhiễm độc Hg lơ đãng, da xanh tái, ăn khó tiêu, hay đau đầu, kèm theo viêm lợi, chảy nước bọt, sau rụng, mòn, thủng, có vết đen răng, gây tổ thương da Triệu trứng điển hình nhiễm độc mãn tính Hg biểu thần kinh: liệt, run, liệt mí mắt, môi, lưỡi, cánh tay, bàn chân Người nhiễm độc khó có khả điều khiển vận động, cách diễn đạt thay đổi, nói khó, bắt đầu câu nói khó khăn, nói lắp Đối với trẻ em bị nhiễm độc Hg thần kinh phân lập, thiểu trí tuệ Metyl thủy ngân (CH3)Hg+: ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương, gây rối loạn tiêu hoá ảnh hưởng tới thận Trong môi trường nước, metyl thủy ngân dạng độc nhất, làm phân liệt nhiễm sắc thể ngăn cản trình phân chia tế bào Năm 1961, nhà nghiên cứu Nhật Bản liên hệ hàm lượng cao thủy ngân nước tiểu với đặc điểm bệnh bí ẩn Minamata tìm thấy trước Trước nguyên nhân bệnh Minamata phát hiện, làm cho cư dân quanh vịnh Minamata Nhật Bản có triệu chứng: cảm giác, run rẩy, điều hòa thắt thị giác.[11] 1.2 Than hoạt tính cấu trúc bề mặt Cacbon hoạt tính chất gồm chủ yếu nguyên tố carbon dạng vô định hình (bột), phần có dạng tinh thể vụn grafit (ngoài carbon phần lại thường tàn tro, mà chủ yếu kim loại kiềm vụn cát) Cacbon hoạt tính có diện tích bề mặt lớn từ 500 đến 2500 m2/g Do mà chất lý tưởng dùng để lọc hút nhiều loại hóa chất Bề mặt riêng lớn cacbon hoạt tính hệ cấu trúc xơ rỗng mà chủ yếu thừa hưởng từ nguyên liệu xuất xứ từ hữu cơ, qua trình chưng khô (sấy) nhiệt độ cao, điều kiện thiếu khí Phần lớn vết rỗng - nứt vi mạch, có tính hấp thụ mạnh chúng đóng vai trò rãnh chuyển tải (kẽ nối) Cacbon hoạt tính thường tự nâng cấp (ví dụ, tự rửa tro hóa chất tráng mặt), để lưu giữ lại thuộc tính lọc hút, để thấm hút thành phần đặc biệt kim loại nặng Thuộc tính làm tăng ý nghĩa cacbon hoạt tính phương diện chất không độc (kể ăn phải nó), giá thành sản xuất rẻ (được tạo từ gỗ thành cacbon hoạt tính từ nhiều phế chất hữu khác, ví dụ: từ vỏ, xơ dừa, trấu), đồng thời xử lý chất thải dễ sau dùng (bằng cách đốt) Nếu chất lọc kim loại nặng việc thu hồi lại từ tro đốt dễ 1.2.1 Cấu trúc tinh thể than hoạt tính Cacbon hoạt tính có cấu trúc vi tinh thể, hình thành trình cacbon hóa Tuy nhiên, cấu trúc vi tinh thể cacbon hoạt tính khác với cấu trúc than chì có khoảng cách xen Đối với than chì 0.335 nm, cacbon hoạt tính nằm khoảng 0.34 0.35 nm Định hướng lớp vi tinh thể khác nhau, đặt than hoạt tính Biscoe Warren đề xuất cấu trúc turbostratic, cấu trúc mà mặt phẳng sở trượt khỏi vị trí Sự hỗn loạn lớp vi tinh thể gây diện nguyên tử khác chẳng hạn oxy hydro, lỗ trống than hoạt tính [10] Cấu trúc chiều than chì cấu trúc turbostratic so sánh Hình 1.2 [13] Hình 1.2 So sánh mạng tinh thể chiều than chì (a) cấu trúc turbostratic (b) 1.2.2 Cấu trúc xốp bề mặt than hoạt tính [7] Than hoạt tính với xếp ngẫu nhiên vi tinh thể với liên kết ngang bền chúng, làm cho than hoạt tính có cấu trúc lỗ xốp phát triển Chúng có tỷ trọng tương đối thấp (nhỏ 2g/cm3) mức độ graphit hóa thấp Cấu trúc bề mặt tạo trình than hóa phát triển trình hoạt hóa, làm nhựa đường chất chứa cacbon khác khoảng trống tinh thể Quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích làm rộng đường kính lỗ Cấu trúc lỗ phân bố cấu trúc lỗ chúng định chủ yếu từ chất nguyên liệu ban đầu phương pháp than hóa Sự hoạt hóa loại bỏ cacbon cấu trúc, làm lộ tinh thể hoạt động tác nhân hoạt hóa cho phép phát triển cấu trúc vi lỗ xốp Trong pha sau phản ứng, mở rộng lỗ tồn tạo thành lỗ lớn đốt cháy vách ngăn lỗ cạnh diễn Điều làm cho lỗ trống có chức vận chuyển lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể tích vi lỗ Theo Dubinin Zaveria, than hoạt tính vi lỗ xốp tạo mức độ đốt cháy (burn-off) nhỏ 50% than hoạt tính lỗ macro mức độ đốt cháy lớn 75% Khi mức độ đốt cháy khoảng 50 – 75% sản phẩm có hỗn hợp cấu trúc lỗ xốp chứa tất loại lỗ Nói chung than hoạt tính có bề mặt riêng phát triển thường đặc trưng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ lỗ với kích thước hình dạng khác Người ta khó đưa thông tin xác hình dạng lỗ xốp Có vài phương pháp sử dụng để xác định hình dạng lỗ, phương pháp xác định than thường có dạng mao dẫn mở hai đầu có đầu kín, thông thường có dạng rãnh, dạng chữ V nhiều dạng khác Than hoạt tính có lỗ xốp từ nm đến vài nghìn nm Dubinin đề xuất cách phân loại lỗ xốp IUPAC chấp nhận Sự phân loại dựa chiều rộng chúng, thể khoảng cách thành lỗ xốp hình rãnh bán kính lỗ dạng ống Các lỗ chia thành nhóm, lỗ nhỏ, lỗ trung lỗ lớn Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ 2nm Sự hấp phụ lỗ xảy theo chế lấp đầy thể tích lỗ, không xảy ngưng tụ mao quản Năng lượng hấp phụ lỗ lớn nhiều so với lỗ trung hay bề mặt không xốp nhân đôi lực hấp phụ từ vách đối diện vi lỗ Nói chung chúng tích lỗ từ 0.15 – 0.7cm3/g Diện tích bề mặt riêng lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích bề mặt than hoạt tính Dubinin đề xuất thêm cấu trúc vi lỗ chia nhỏ thành cấu trúc vi lỗ bao gồm vi lỗ đặc trưng với bán kính hiệu dụng nhỏ 0.6 – 0.7nm siêu vi lỗ với bán kính hiệu dụng từ 0.7 đến 1.6nm Cấu trúc vi lỗ than hoạt tính xác định rõ hấp phụ khí và công nghệ tia X Lỗ trung (Mesopore) hay gọi lỗ vận chuyển có bán kính hiệu dụng từ đến 50 nm, thể tích chúng thường từ 0.1 đến 0.2cm3/g Diện tích bề mặt lỗ chiếm không 5% tổng diện tích bề mặt than Tuy nhiên, phương pháp đặc biệt người ta tạo than hoạt tính có lỗ trung lớn hơn, thể tích lỗ trung đạt từ 0.2 – 0.65cm3/g diện tích bề mặt chúng đạt 200m2/g Các lỗ đặc trưng ngưng tụ mao quản chất hấp phụ với tạo thành mặt khum chất lỏng bị hấp phụ Lỗ lớn (Macropore) nhiều ý nghĩa trình hấp phụ than hoạt tính chúng có diện tích bề mặt nhỏ không vượt 0.5m2/g Chúng có bán kính hiệu dụng lớn 50nm thường khoảng 500- 2000nm với thể tích lỗ từ 0.2 – 0.4cm3/g Chúng hoạt động kênh cho chất bị hấp phụ vào lỗ nhỏ lỗ trung Các lỗ lớn không lấp đầy ngưng tụ mao quản Do đó, cấu trúc lỗ xốp than hoạt tính có loại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung lỗ lớn Mỗi nhóm thể vai trò định trình hấp phụ Lỗ nhỏ chiếm diện tích bề mặt thể tích lớn đóng góp lớn vào khả hấp phụ than hoạt tính, miễn kích thước phân tử chất bị hấp phụ không lớn để vào lỗ nhỏ Lỗ nhỏ lấp đầy áp suất tương đối thấp trước bắt đầu ngưng tụ mao quản Mặt khác, lỗ trung lấp đầy áp suất tương đối cao với xảy ngưng tụ mao quản Lỗ lớn cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh tới lỗ nhỏ 1.2.3 Cấu trúc hóa học bề mặt than hoạt tính[7] Cấu trúc tinh thể than có tác động đáng kể đến hoạt tính hóa học Tuy nhiên, hoạt tính hóa học tâm mặt tinh thể sở nhiều so với tâm cạnh hay vị trí khuyết Do đó, cacbon graphit hóa cao với bề mặt đồng chứa chủ yếu mặt sở hoạt động cacbon vô định hình Grisdale Hennig thấy tốc độ oxy hóa nguyên tử cacbon tâm nằm cạnh lớn 17 đến 20 lần bề mặt sở Bên cạnh cấu trúc tinh thể cấu trúc lỗ xốp, than hoạt tính có cấu trúc hóa học Khả hấp phụ than hoạt tính định cấu trúc vật lý lỗ xốp chúng bị ảnh hưởng mạnh cấu trúc hóa học Thành phần định lực hấp phụ lên bề mặt than thành phần không tập trung lực Van der Walls Trong graphit, trình hấp phụ định chủ yếu thành phần phân tán lực London Trong trường hợp than hoạt tính, phức tạp cấu trúc vi tinh thể, có mặt lớp graphit cháy không hoàn toàn cấu trúc, gây biến đổi xếp electron khung cacbon kết tạo electron độc thân hóa trị không bão hòa điều ảnh hưởng đến [...]... 1.1.2.2 Độc tính của thủy ngân Thủy ngân tồn tại dưới bất kỳ dạng nào cũng đều độc hại, độc tính phổ biến nhất vẫn là ảnh hưởng tới hệ thần kinh, tiêu hóa và hệ thống các cơ quan của thận Nguyên nhân gây ngộ độc thủy ngân có thể do hít phải hơi thủy ngân, ăn phải thủy ngân và hấp thụ thủy ngân qua da Thủy ngân có khả năng phản ứng với các axit amin chứa lưu huỳnh, các hemoglobin, abumin Thủy ngân có khả... đưa vào nghiên cứu khoa học 1.1.1 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... hydro, và các lỗ trống của than hoạt tính [10] Cấu trúc 3 chiều của than chì và cấu trúc turbostratic được so sánh trong Hình 1.2 [13] Hình 1.2 So sánh mạng tinh thể 3 chiều của than chì (a) và cấu trúc turbostratic (b) 1.2.2 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính [7] Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngang bền giữa chúng, làm cho than hoạt tính có một cấu trúc... tạo ra các hợp chất hóa học có chứa thủy ngân 1.1.2 Nguồn phát thải và độc tính của thủy ngân 1.1.2.1 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... 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,... Metyl thủy ngân làm phân liệt nhiễm sắc thể và ngăn cản quá trình phân chia tế bào.[2] Các hợp chất thủy ngân hữu cơ, đặc biệt là metyl thủy ngân, tập trung trong chuỗi thức ăn Cá từ những vùng nước bị ô nhiễm là nguồn gây độc phổ biến nhất Ô nhiễm thủy ngân trong công nghiệp thường ở dạng vô cơ, nhưng những sinh vật dưới nước và thảm thực vật trong sông, hồ, biển sẽ chuyển đổi thành metyl thủy ngân. .. thể của than hoạt tính Cacbon hoạt tính có cấu trúc vi tinh thể, được hình thành trong quá trình cacbon hóa Tuy nhiên, cấu trúc vi tinh thể của cacbon hoạt tính khác với cấu trúc của than chì có các khoảng cách xen giữa Đối với than chì là 0.335 nm, còn đối với cacbon hoạt tính nằm trong khoảng 0.34 và 0.35 nm Định hướng của các lớp vi tinh thể cũng khác nhau, ít được sắp đặt hơn trong than hoạt tính. .. 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... đó, cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính có 3 loại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò nhất định trong quá trình hấp phụ Lỗ nhỏ chiếm 1 diện tích bề mặt và thể tích lớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp phụ của than hoạt tính, miễn là kích thước phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để đi vào lỗ nhỏ Lỗ nhỏ được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối thấp trước khi bắt đầu... 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 25oC là 0,3Pa, hóa hơi ngay ở nhiệt độ phòng Thủy ngân hầu như không tan trong nước (56 mg/lít tại 25oC), 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 Thủy ngân tạo ra hợp kim với phần