(Luận văn thạc sĩ) 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 Chun ngành: Hóa mơi 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 MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH vii LỜI MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Độc tính nguồn phát thải thủy ngân 1.1.1 Giới thiệu chung thủy ngân 1.1.2 Độc tính thủy ngân 1.1.3 Các nguồn phát thải thủy ngân 10 1.2 Các cơng nghệ kiểm sốt 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 thủy ngân 17 1.3.1 Các loại vật liệu từ than hoạt tính 18 1.3.2 Các vật liệu khác 25 Chương THỰC NGHIỆM 36 2.1 Mục tiêu 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 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 hợp chất chứa clorua 40 2.4.1 Biến tính than dung dịch HCl 40 2.4.2 Biến tính than dung dịch ZnCl2 40 2.4.3 Biến tính than dung dịch FeCl3 40 ii 2.4.4 Biến tính than dung dịch CuCl2 2.5 41 Khảo sát ảnh hưởng tốc độ dịng khí mang đến nồng độ thủy ngân đầu vào 41 Khảo sát điều kiện biến tính than hoạt tính 42 2.6.1 Khảo sát hóa chất ngâm tẩm phù hợp 42 2.6 2.6.2 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến q trình biến tính than hoạt tính với hóa chất lựa chọn 42 2.7 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu 44 2.8 Phương pháp định lượng thủy ngân dung dịch hấp thụ 44 2.9 Xác định đặc trưng vật liệu 45 2.9.1 Đo phổ 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 lượng tia X (EDS – Energy-dispersive X-ray Spectroscopy) 46 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47 3.1 Ảnh hưởng tốc độ dịng khí mang đến nồng độ thủy ngân đầu vào 47 3.2 Khảo sát khả hấp phụ thủy ngân vật liệu 48 3.2.1 Khả hấp phụ thủy ngân cát than hoạt tính 48 3.2.2 Khả hấp phụ thủy ngân than hoạt tính biến tính dung dịch HCl nồng độ khác 50 3.2.3 Khả hấp phụ thủy ngân than hoạt tính biến tính dung dịch ZnCl2 nồng độ khác 51 3.2.4 Khả hấp phụ thủy ngân than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 nồng độ khác 52 3.2.5 Khả hấp phụ thủy ngân than hoạt tính biến tính dung dịch FeCl3 nồng độ khác iii 53 3.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến q trình biến tính than hoạt tính dung dịch CuCl2 54 3.3.1 Ảnh hưởng nồng độ dung dịch CuCl2 đến khả hấp phụ Hg than biến tính 54 3.3.2 Ảnh hưởng pH đến q trình biến tính than hoạt tính dung dịch CuCl2 1,0M 56 3.3.3 Ảnh hưởng thời gian ngâm tẩm đến trình biến tính than hoạt tính dung dịch CuCl2 1,0M pH=3 57 3.4 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại vật liệu 58 3.5 Đặc trưng vật liệu xác định dựa liệu phổ SEM, IR, BET EDS 60 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Hằng số bền phức chất [HgX4]n Bảng 1.2 Ảnh hưởng nồng độ NaClO2 đến loại bỏ thủy ngân 15 Bảng 1.3 Ảnh hưởng pH đến loại bỏ thủy ngân 15 Bảng 1.4 Tải trọng hấp phụ thủy ngân vật liệu 800C 22 Bảng 1.5 Tải trọng hấp phụ thủy ngân theo nhiệt độ 22 Bảng 1.6 Tải trọng hấp phụ thủy ngân vật liệu tẩm lưu huỳnh nhiệt độ ngâm tẩm khác 23 Bảng 1.7 Tải trọng hấp phụ thủy ngân vật liệu BPL (µg/g) 24 Bảng 1.8 Tải trọng hấp phụ thủy ngân dạng than hoạt tính khác 25 Bảng 1.9 Dung lượng hấp phụ thủy ngân vật liệu CaO 34 Bảng 1.10 Dung lượng hấp phụ thủy ngân vật liệu Ca(OH)2 34 Bảng 1.11 Dung lượng hấp phụ thủy ngân hỗn hợp vật liệu Ca(OH)2 tro bay 35 Bảng 3.1 Lượng thủy ngân lôi với tốc độ thổi khí N2 khác theo thời gian 47 Bảng 3.2 Lượng thủy ngân lại sau cho lượng thủy ngân ban đầu qua cột nhồi loại vật liệu sau chạy phản ứng 48 Bảng 3.3 Dung lượng hấp phụ thủy ngân than hoạt tính biến tính dung dịch HCl nồng độ khác sau chạy phản ứng 51 Bảng 3.4 Dung lượng hấp phụ thủy ngân than hoạt tính biến tính dung dịch ZnCl2 nồng độ khác sau chạy phản ứng 52 Bảng 3.5 Dung lượng hấp phụ thủy ngân than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 nồng độ khác sau chạy phản ứng 52 Bảng 3.6 Dung lượng hấp phụ thủy ngân than hoạt tính biến tính dung dịch FeCl3 nồng độ khác sau chạy phản ứng 53 Bảng 3.7 Dung lượng hấp phụ thủy ngân than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 nồng độ khác sau thời gian chạy phản ứng v 55 Bảng 3.8 Dung lượng hấp phụ thủy ngân than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 1,0M pH khác sau chạy phản ứng 56 Bảng 3.9 Dung lượng hấp phụ thủy ngân than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 1,0M, pH=3 thời gian ngâm tẩm khác sau chạy phản ứng 57 Bảng 3.10 Dung lượng hấp phụ thủy ngân than hoạt tính biến tính theo thời gian chạy phản ứng khác 59 Bảng 3.11 Diện tích bề mặt riêng vật liệu 63 Bảng 3.12 Dung lượng hấp phụ thủy ngân than hoạt tính than hoạt tính biến tính sau chạy phản ứng 63 Bảng 3.13 Kết phân tích nguyên tố mẫu vật liệu sau chụp phổ EDS vi 65 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Thủy ngân kim loại nhiệt độ phòng Hình 1.2 Khống Cinnabar chứa thủy ngân Hình 1.3 Các nguồn phát thải thủy ngân Mỹ 11 Hình 1.4 Các dạng bóng đèn compact thị trường 13 Hình 1.5 Quá trình tạo hạt nano bạc zeolit từ tính loại bỏ thủy ngân khí thải 28 Hình 1.6 Ảnh TEM chất hấp phụ zeolit từ tính gắn nano bạc 29 Hình 1.7 Sơ đồ quy trình sử dụng chất hấp phụ từ tính nhà máy than nhiệt điện 31 Hình 2.1a Bình khí N2 39 Hình 2.1b Thiết bị hấp phụ thủy ngân thực nghiệm 39 Hình 3.1 Biểu đồ dung lượng hấp phụ thủy ngân vật liệu 54 Hình 3.2 Biểu đồ dung lượng hấp phụ than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 nồng độ khác 55 Hình 3.3 Biểu đồ dung lượng hấp phụ than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 1,0M pH khác 56 Hình 3.4 Biểu đồ dung lượng hấp phụ than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 1,0M, pH=3, thời gian ngâm tẩm khác 58 Hình 3.5 Đường hấp phụ than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 1,0M, pH=3, 59 Hình 3.6 Ảnh SEM than hoạt tính 60 Hình 3.7 Ảnh SEM than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 1,0M, pH=3, 61 Hình 3.8 Phổ hồng ngoại than hoạt tính 61 Hình 3.9 Phổ hồng ngoại than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 1,0M, pH=3, 62 Hình 3.10 Phổ EDS than hoạt tính 64 vii Hình 3.11 Phổ EDS than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 1,0M, pH=3, 64 Hình 3.12 Phổ EDS than hoạt tính biến tính dung dịch CuCl2 1,0M, pH=3, hấp phụ thủy ngân viii 65 Phụ lục Quy trình vận hành cụ thể hệ thống hấp phụ thủy ngân Hoạt động hệ thống cột hấp phụ khơng có vật liệu Bước 1: Cho thể tích gồm: 15 mL dung dịch KMnO4 0,1N mL dung dịch H2SO4 2N vào hai ống nghiệm hệ thống Tiếp đó, cho khoảng 1/2 thể tích bình an toàn dung dịch KMnO4 0,1N 100 mL dung dịch H2SO4 2N Sau đó, lắp nút cao su có ống sục khí vào ống nghiệm bình chứa dung dịch hấp thụ chuẩn bị Bước 2: Kiểm tra toàn hệ thống, bao gồm khu vực: nơi chứa thủy ngân, chỗ nối vùng sục khí Trong q trình này, bơi vaseline vào chỗ nút nhám, bôi keo silicon vào đầu nối Bước 3: Mở van khí điều chỉnh tốc độ dịng vào khí mang (N2) theo mong muốn Khí mang lôi thủy ngân chạy qua cột hấp phụ (lúc cột trống) chạy thẳng vào hai ống nghiệm chứa dung dịch KMnO môi trường axit, lượng cịn sót lại kiểm sốt bình an tồn chứa KMnO4 mơi trường axit ►►► Quá trình giúp xác định lượng thủy ngân đầu vào trước qua vật liệu hấp phụ (vật liệu hấp phụ chứa cột) Hoạt động hệ thống cột hấp phụ nhồi vật liệu Bước 1: Cho vật liệu vào cột hấp phụ, bịt kín đầu cột lớp bơng gịn khơ lắp vào hệ thống Bước 2: Cho thể tích gồm: 15 mL dung dịch KMnO4 0,1N mL dung dịch H2SO4 2N vào hai ống nghiệm Tiếp đó, cho khoảng 1/2 thể tích bình an tồn dung dịch KMnO4 100 mL dung dịch H2SO4 2N Sau đó, lắp nút cao su có ống sục khí vào ống nghiệm bình chứa dung dịch hấp thụ chuẩn bị Bước 3: Kiểm tra toàn hệ thống, bao gồm khu vực: nơi chứa thủy ngân, chỗ nối vùng sục khí Trong q trình này, bôi vaseline vào chỗ nút nhám, bôi keo silicon vào đầu nối Bước 4: Mở van khí điều chỉnh tốc độ dịng vào khí mang (N2) theo mong muốn Khí mang lơi thủy ngân chạy qua cột hấp phụ chứa vật liệu, thủy ngân lại sau qua vật liệu hấp thụ hai ống nghiệm chứa dung dịch KMnO4 mơi trường axit, lượng cịn sót lại kiểm sốt qua bình an tồn chứa KMnO4 mơi trường axit ►►► Q trình giúp xác định lượng thủy ngân lại sau cho thủy ngân ban đầu qua cột nhồi vật liệu hấp phụ Phụ lục Phụ lục Phụ lục Phụ lục Phụ lục Phụ lục Phụ lục ... ? ?Nghiên cứu tổng hợp đặc trưng vật liệu hấp phụ chọn lọc Hg từ than hoạt tính? ??, chúng tơi sử dụng nguồn than hoạt tính có sẵn nước (Than hoạt tính Trà Bắc – Trà Vinh) tiến hành ngâm tẩm với hợp chất... - Lê Thị Cẩm Nhung NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ CHỌN LỌC HƠI Hg TỪ THAN HOẠT TÍNH Chun ngành: Hóa môi trường Mã số: 60.44.41 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG... mặt sợi than hoạt tính tổng diện tích bề mặt vật liệu, [23 – 25] Yan cộng nghiên cứu biến tính than hoạt tính lưu huỳnh, tác giả cho biết than hoạt tính có ngâm tẩm lưu huỳnh thể khả hấp phụ