Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính than hoạt tính với hóa

hóa chất đã lựa chọn

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính vật liệu gồm: nồng độ của dung dịch ngâm tẩm, pH của dung dịch ngâm tẩm và thời gian ngâm tẩm.

a) Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến quá trình biến tính vật liệu

Khảo sát các nồng độ của dung dịch ngâm tẩm từ thấp đến cao trong khoảng nồng độ lựa chọn từ 0,1M đến 1,0M. Tiến hành cân 5 g than hoạt tính cho vào các bình nón 250 mL sạch, cho tiếp vào các bình nón 10 mL các dung dịch có nồng độ

43

khác nhau ở trên và đặt các bình này trên máy lắc. Quá trình ngâm tẩm này diễn ra ở nhiệt độ phòng và trong 5 giờ. Sau khi kết thúc quá trình ngâm tẩm, lọc và rửa sạch dung dịch còn lưu lại trên vật liệu. Sấy khô vật liệu ở nhiệt độ khoảng 100⁰C trong 12 giờ, sau đó để nguội tự nhiên và cho vào lọ chứa.

Vật liệu thu được đem trộn đều với cát theo tỷ lệ đã lựa chọn, nhồi vật liệu vào cột hấp phụ và lắp cột này vào hệ thống hấp phụ hơi thủy ngân (Hg0). Sau thời gian chạy mẫu 4 giờ, thu lấy dung dịch hấp thụ hơi thủy ngân dư đem xác định thủy ngân và tính toán dung lượng hấp phụ của vật liệu để lựa chọn nồng độ thích hợp của dung dịch ngâm tẩm.

b) Khảo sát ảnh hưởng của pH của dung dịch ngâm tẩm đến quá trình biến tính vật liệu

Với giá trị nồng độ của hóa chất đã lựa chọn ở trên, tiến hành pha dung dịch và xác định pH của dung dịch sau khi pha, từ giá trị pH thu được tiến hành pha các dung dịch có nồng độ tương tự nhưng với các giá trị pH khác nhau. Tiến hành cân 5 g than hoạt tính cho vào các bình nón 250 mL sạch, cho tiếp vào đó 10 mL các dung dịch vừa pha ở trên, và đặt các bình nón này lên máy lắc. Thực hiện ngâm tẩm trong 5 giờ ở nhiệt độ phòng, kết thúc quá trình ngâm tẩm ta tiến hành lọc và rửa sạch dung dịch còn lưu lại trên vật liệu. Sau đó đem sấy vật liệu ở nhiệt độ khoảng 100⁰C trong 12 giờ, để vật liệu nguội tự nhiên và cho vào lọ chứa.

Vật liệu thu được đem trộn đều với cát theo tỷ lệ đã lựa chọn, nhồi vật liệu vào cột hấp phụ và lắp cột này vào hệ thống hấp phụ hơi thủy ngân (Hg0). Sau thời gian chạy mẫu 4 giờ, thu lấy dung dịch hấp thụ hơi thủy ngân dư đem xác định thủy ngân và tính toán dung lượng hấp phụ của vật liệu để lựa chọn giá trị pH thích hợp cho quá trình ngâm tẩm này.

c) Khảo sát thời gian ngâm tẩm ảnh hưởng đến quá trình biến tính vật liệu

Với giá trị nồng độ và pH của hóa chất đã lựa chọn ở trên, tiến hành pha dung dịch ngâm tẩm để khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến quá trình ngâm tẩm vật liệu. Cân 5 g than hoạt tính cho vào các bình nón 250 mL sạch, cho tiếp vào đó 10 mL dung dịch ở trên, và đặt các bình nón này trên máy lắc. Thực hiện ngâm tẩm

44

tại nhiệt độ phòng trong các khoảng thời gian khác nhau (cụ thể là 1 giờ, 3 giờ, 5 giờ, 7 giờ, 9 giờ). Sau ngâm tẩm, lọc và rửa sạch dung dịch còn lưu lại trên vật liệu; tiếp theo là sấy khô vật liệu ở nhiệt độ khoảng 100⁰C trong 12 giờ, để vật liệu khô tự nhiên và cho vào lọ chứa.

Vật liệu thu được đem trộn đều với cát theo tỷ lệ đã lựa chọn, nhồi vật liệu vào cột hấp phụ và lắp cột này vào hệ thống hấp phụ hơi thủy ngân (Hg0). Sau thời gian chạy mẫu 4 giờ, thu lấy dung dịch hấp thụ hơi thủy ngân dư đem xác định thủy ngân và tính toán dung lượng hấp phụ của vật liệu để lựa chọn thời gian ngâm tẩm phù hợp.

2.7. Xác định dung lượng hấp phụ cân bằng của vật liệu

Sau khi khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính vật liệu, tiến hành ngâm tẩm than hoạt tính với hóa chất đã lựa chọn trong các điều kiện biến tính thích hợp nhằm thu được vật liệu có dung lượng hấp phụ cao.

Lấy than hoạt tính vừa biến tính ở trên đem trộn đều với cát theo tỷ lệ lựa chọn, nhồi vật liệu vào cột hấp phụ và lắp cột này vào hệ thống hấp phụ hơi thủy ngân (Hg0), thực hiện hấp phụ hơi thủy ngân ở các thời gian chạy mẫu khác nhau từ 1 giờ đến 10 giờ. Sau các thời gian chạy phản ứng tính toán dung lượng hấp phụ của vật liệu trong khoảng thời gian khảo sát. Dựa trên đồ thị biểu diễn hấp phụ của vật liệu xác định thời gian và dung lượng hấp phụ hấp phụ cân bằng của vật liệu.

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

Hơi thủy ngân (Hg0) trước và sau khi chạy qua vật liệu hấp phụ được hấp thụ trong dung dịch KMnO4 – H2SO4. Nồng độ thủy ngân trong dung dịch được xác định bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử hơi lạnh (CV-AAS) trên bộ đo hơi thủy ngân (MVU) của máy AAS 6300 Shimadzu, ở Viện Công nghệ Môi trường – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam – 18 Hoàng Quốc Việt – Cầu Giấy – Hà Nội.

Đường chuẩn xác định thủy ngân được chuẩn bị như sau: pha ít nhất 5 dung dịch chuẩn có dải nồng độ thủy ngân nằm trong vùng tuyến tính của máy quang phổ từ dung dịch chuẩn có nồng độ 1 mg/L (từ dung dịch 1 mg/L pha dung dịch chuẩn

45

100 µg/L, từ dung dịch 100 µg/L pha tiếp 5 dung dịch chuẩn có nồng độ trong khoảng 0 – 10 µg/L). Sau đó, cho mẫu vào các bình hóa hơi lạnh, thêm 5 mL dung dịch HNO3 (1:1), đưa vào hệ đo và thêm tiếp 5 mL dung dịch SnCl2 100 g/L và tiến hành đo phổ hấp thụ nguyên tử bằng kỹ thuật hóa hơi lạnh ở λ = 253,7 nm (lôi cuốn thủy ngân nguyên tố bằng dòng không khí sạch ở nhiệt độ phòng).

Khử lượng dư của KMnO4 trong dung dịch mẫu bằng hydroxylamine hydrochloride ([NH3OH]+Cl¯) trên máy khuấy từ đến khi dung dịch vừa mất màu thì dừng lại và để cho mẫu ổn định. Tiếp theo, cho thể tích mẫu phù hợp vào các bình hóa hơi lạnh (có thể thêm nước cất nếu cần), thêm vào mẫu 5 mL dung dịch HNO3 (1:1), đưa mẫu vào hệ đo và thêm tiếp 5 mL dung dịch SnCl2 100 g/L, tiến hành đo phổ theo các điều kiện đã lựa chọn ở trên.

2.9. Xác định đặc trưng của vật liệu

Để xác định một số đặc trưng của vật liệu; chúng tôi chụp các phổ SEM, IR, BET của các mẫu: than hoạt tính, than hoạt tính biến tính ; và chụp phổ EDS của các mẫu: than hoạt tính, than hoạt tính biến tính và than hoạt tính biến tính đã hấp phụ hơi thủy ngân.

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

Phương pháp đo SEM giúp chúng ta quan sát được hình thái học bề mặt của vật liệu và những thay đổi khi biến tính bề mặt vật liệu. Các mẫu vật liệu được gửi chụp ảnh SEM trên máy Hitachi S – 4800 ở Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 18 Hoàng Quốc Việt – Cầu Giấy – Hà Nội.

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

Để xác định sự có mặt của các nhóm chức trên bề mặt vật liệu, các mẫu vật liệu được gửi chụp phổ hồng ngoại. Phổ IR của vật liệu được chụp trên máy GX – PerkinElmer – US ở Khoa Hóa học, 19 Lê Thánh Tông – Hoàn Kiếm – Hà Nội.

2.9.3. Đo phổ BET (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Để biết diện tích bề mặt riêng của vật liệu cũng như thể tích các lỗ xốp, các mẫu vật liệu được chụp BET và Pore trên máy Gemini VII 2390 V1.02 (V1.02 t) ở

46

Viện AIST (Advanced Institute for Science and Technology), 40 Tạ Quang Bửu – Hai Bà Trưng – Hà Nội.

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

Phương pháp đo phổ tán sắc năng lượng tia X nhằm phân tích thành phần hóa học của vật liệu nhờ việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật liệu khi nó tương tác với các bức xạ. Các mẫu vật liệu được gửi chụp phổ EDS trên máy JSM – 6490LA ở Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu – Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, 18 Hoàng Quốc Việt – Cầu Giấy – Hà Nội.

47

Chương 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

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

Để nghiên cứu vật liệu hấp phụ, chúng ta cần phải biết chính xác lượng hơi Hg có trong dòng khí mang trước khi qua vật liệu hấp phụ. Lượng hơi sinh ra từ thủy ngân lỏng phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và tốc độ dòng khí mang. Các nghiên cứu trước cho thấy, khi nâng nhiệt độ lên trên nhiệt độ phòng thì lượng hơi Hg sinh ra lớn, thuận lợi cho quá trình nghiên cứu hấp phụ. Trong nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn nhiệt độ tạo hơi thủy ngân là 600C và thay đổi các tốc độ dòng khí mang (N2). Hơi thủy ngân sau khi qua cột (chưa nhồi vật liệu) được hấp thụ bởi dung dịch KMnO4 0,1N trong môi trường axit. Tiến hành phân tích xác định lượng ion thủy ngân (II) trong dung dịch, đó cũng là lượng hơi thủy ngân ban đầu trước khi đi qua cột hấp phụ. Các kết quả thực nghiệm được trình bày trong Bảng 3.1.

Bảng 3.1 Lượng hơi thủy ngân lôi cuốn được với các tốc độ thổi khí N2 khác nhau theo thời gian

Mẫu Thời gian (giờ)

Tốc độ thổi khí (lít/phút)

Tổng lượng hơi thủy ngân lôi cuốn được

(mg/L)

Lượng hơi thủy ngân lôi cuốn được trong 1

giờ (mg/giờ) 1 4 1,0 2,7454 0,6863 2 8 1,0 5,5039 0,6879 3 10 1,0 5,5261 0,5526 4 4 1,5 2,1519 0,5379 5 9 1,5 5,7286 0,6365 6 10 1,5 7,6202 0,7620

Từ Bảng 3.1, chúng tôi thấy với tốc độ thổi khí N2 là 1,0 lít/phút thì lượng hơi thủy ngân được lôi cuốn theo thời gian đạt giá trị ổn định, còn với tốc độ thổi khí N2 là 1,5 lít/phút thì lượng hơi thủy ngân được lôi cuốn không ổn định. Vì vậy, trong các thí nghiệm về sau chúng tôi chọn tốc độ dòng khí N2 là 1,0 lít/phút.

48

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

Cột hấp phụ được nhồi các loại vật liệu khảo sát (cát, than hoạt tính, than hoạt tính biến tính), cho dòng hỗn hợp khí đi qua vật liệu và hấp thụ vào dung dịch KMnO4 0,1N trong môi trường axit. Tiến hành phân tích xác định lượng ion thủy ngân (II) trong dung dịch, đây chính là lượng hơi thủy ngân còn lại sau khi qua vật liệu. Hiệu giữa lượng hơi thủy ngân trước và sau khi qua cột hấp phụ chính là lượng hơi thủy ngân được vật liệu hấp phụ, từ đó tính toán được dung lượng hấp phụ của vật liệu.

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

Trong các thực nghiệm về hấp phụ xử lý khí, người ta thường trộn than hoạt tính với vật liệu độn (cát, thủy tinh…) để nhồi cột hấp phụ. Để xác định ảnh hưởng của cát đến khả năng hấp phụ thủy ngân trên vật liệu than hoạt tính chúng tôi tiến hành như sau: chọn tỷ lệ than/cát là 1:4; thời gian chạy phản ứng 4 giờ; cột được nhồi cát và nhồi hỗn hợp than hoạt tính trộn cát. Lượng hơi thủy ngân còn lại sau khi cho lượng hơi thủy ngân ban đầu chạy qua cột nhồi vật liệu được đưa ra trong Bảng 3.2.

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

Vật liệu Khối lượng vật liệu nhồi cột hấp phụ (g)

Lượng hơi thủy ngân còn lại sau khi vật liệu đã hấp phụ (mg/L)

Cát 11,65 2,0823

Than hoạt tính trộn cát 9,51 0,4916

Công thức tính dung lượng hấp phụ của vật liệu thể hiện theo phương trình (3.1).

𝑄 =𝑚ℎơ𝑖ℎấ𝑝𝑝ℎụđượ𝑐 𝑔 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

𝑚𝑣ậ𝑡𝑙𝑖ệ𝑢ℎấ𝑝𝑝ℎụ 𝑔 (3.1)

Trong đó:

Q là dung lượng hấp phụ của vật liệu (g/g) hoặc (mg/g) hoặc (µg/g).

49

𝑚ℎơ𝑖ℎấ𝑝𝑝ℎụđượ𝑐 là lượng hơi mà vật liệu đang khảo sát hấp phụ được (g) hoặc (mg) hoặc (µg).

𝑚𝑣ậ𝑡𝑙𝑖ệ𝑢ℎấ𝑝𝑝ℎụ là lượng vật liệu dùng trong quá trình hấp phụ này (g).

Từ kết quả của Bảng 3.2, so sánh với lượng thủy ngân đầu vào tra theo Bảng 3.1 chúng tôi thấy cát có ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu. Do vậy, dung lượng hấp phụ của vật liệu được tính theo phương trình (3.2).

𝑄 =𝑚ℎơ𝑖𝑡ℎủ𝑦𝑛𝑔â𝑛𝑏𝑎𝑛 đầ𝑢 − 𝑚ℎơ𝑖𝑡ℎủ𝑦𝑛𝑔â𝑛𝑐ò𝑛𝑙ạ𝑖 − 𝑚ℎơ𝑖𝑡ℎủ𝑦𝑛𝑔â𝑛𝑐á𝑡ℎấ𝑝𝑝ℎụ

𝑚𝑣ậ𝑡𝑙𝑖ệ𝑢ℎấ𝑝𝑝ℎụđ𝑎𝑛𝑔 𝑘ℎả𝑜𝑠á𝑡

(3.2) Với:

Q là dung lượng hấp phụ của vật liệu đang khảo sát (g/g) hoặc (mg/g) hoặc (µg/g).

𝑚ℎơ𝑖𝑡ℎủ𝑦𝑛𝑔â𝑛𝑏𝑎𝑛 đầ𝑢 là lượng hơi thủy ngân xác định được khi cột hấp phụ không có vật liệu (g) hoặc (mg) hoặc (µg).

𝑚ℎơ𝑖𝑡ℎủ𝑦𝑛𝑔â𝑛𝑐ò𝑛𝑙ạ𝑖 là lượng hơi thủy ngân xác định được khi cột hấp phụ đã nhồi hỗn hợp vật liệu (g) hoặc (mg) hoặc (µg).

𝑚ℎơ𝑖𝑡ℎủ𝑦𝑛𝑔â𝑛𝑐á𝑡ℎấ𝑝𝑝ℎụ là lượng hơi thủy ngân do cát (có trong cột nhồi hỗn hợp vật liệu) hấp phụ (g) hoặc (mg) hoặc (µg).

𝑚𝑣ậ𝑡𝑙𝑖ệ𝑢ℎấ𝑝𝑝ℎụđ𝑎𝑛𝑔 𝑘ℎả𝑜𝑠á𝑡 là lượng vật liệu đang khảo sát (có trong cột nhồi hỗn hợp vật liệu) hấp phụ (g).

Từ kết quả của Bảng 3.2, chúng tôi tiến hành tính toán khả năng hấp phụ của cát. Vậy trong thời gian chạy phản ứng 4 giờ, 1 gam cát có khả năng hấp phụ lượng hơi thủy ngân là:

𝑚ℎơ𝑖𝑡ℎủ𝑦𝑛𝑔â𝑛 1 𝑔𝑎𝑚 𝑐á𝑡ℎấ𝑝𝑝ℎụ =𝑚ℎơ𝑖𝑡ℎủ𝑦𝑛𝑔â𝑛𝑏𝑎𝑛 đầ𝑢 − 𝑚ℎơ𝑖𝑡ℎủ𝑦𝑛𝑔â𝑛𝑐ò𝑛𝑙ạ𝑖

𝑚𝑐á𝑡𝑛ℎồ𝑖𝑐ộ𝑡ℎấ𝑝𝑝ℎụ

=2.7454−2.0823

50

Dựa trên khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của cát, chúng tôi tính được dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính trong 4 giờ theo phương trình (3.2) là:

𝑄 =2.7454−0.4916−0.0569 × 7.608

1.902 = 0.9574(𝑚𝑔 𝑔) = 957.4(𝜇𝑔 𝑔)

Vậy dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đang khảo sát trong 4 giờ chạy phản ứng là 957,4 (µg/g).

Theo đó, chúng tôi sử dụng phương trình (3.2) và khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của cát làm cơ sở để tính toán dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của các vật liệu trong các thực nghiệm tiếp theo.

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 dung dịch HCl ở các nồng độ khác nhau

Để đánh giá ảnh hưởng của HCl đến quá trình biến tính than, chúng tôi khảo sát khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch HCl có nồng độ từ 0,5N đến 10N. Các vật liệu này được trộn đều với cát theo tỷ lệ lựa chọn ở trên và nhồi vào cột hấp phụ; vận hành hệ thống hấp phụ hơi thủy ngân: nhiệt độ tạo hơi thủy ngân là 600C, tốc độ dòng khí mang là 1,0 lít/phút, thời gian chạy phản ứng là 4 giờ. Dựa theo phương trình (3.2) và khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của cát, tiến hành tính toán khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính được biến tính bằng các dung dịch HCl ở các nồng độ khác nhau; kết quả được đưa ra ở Bảng 3.3.

Các kết quả thực nghiệm cho thấy, so với dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính (957,4 µg/g) thì than hoạt tính biến tính bằng HCl có khả năng hấp phụ hơi thủy ngân cao hơn. Tuy nhiên, chúng ta cũng thấy rằng dung dịch HCl ở các nồng độ khác nhau không gây ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than biến tính (than biến tính bằng dung dịch HCl 10N có khả năng hấp phụ hơi thủy ngân cao hơn không nhiều so với than biến tính bằng dung dịch HCl 0,5N).

51

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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Nồng độ dung dịch HCl

Khối lượng vật liệu nhồi cột (g)

Lượng thủy ngân còn lại sau khi qua

cột (mg/L)

Dung lượng hấp phụ hơi