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
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
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 thủy ngân của AC-HCl
(µg/g) 0,5N 10,27 0,0297 1094,5 1,0N 9,45 0,0181 1215,4 2,0N 9,43 0,0334 1210,4 5,0N 9,63 0,0194 1187,7 10N 9,82 0,0199 1160,1
3.2.3. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đã biến tính bằng dung dịch ZnCl2 ở các nồng độ khác nhau dung dịch ZnCl2 ở các nồng độ khác nhau
Để đánh giá ảnh hưởng của ZnCl2 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 ZnCl2 có nồng độ từ 0,1M đến 0,5M. 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 ZnCl2 ở các nồng độ khác nhau; kết quả được đưa ra ở Bảng 3.4.
Từ kết quả thực nghiệm, chúng ta thấy rằng dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch ZnCl2 cao hơn nhiều so với dung lượng hấp phụ của than hoạt tính (957,4 µg/g). Dựa trên các giá trị dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than biến tính bằng ZnCl2, ảnh hưởng của nồng độ dung dịch ZnCl2 đến quá trình biến tính than chưa rõ ràng, và đây cũng là một lựa chọn tiềm năng về biến tính than nhưng cần khảo sát thêm.
52
Bảng 3.4 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng các dung dịch ZnCl2 ở các nồng độ khác nhau sau 4 giờ chạy phản ứng
Nồng độ dung dịch ZnCl2
Khối lượng vật liệu nhồi cột (g)
Lượng thủy ngân còn lại sau khi qua
cột (mg/L)
Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của AC-ZnCl2
(µg/g) 0,1M 9,26 0,0164 1245,9 0,2M 9,48 0,0176 1211,1 0,3M 10,24 0,0214 1102,5 0,4M 10,23 0,0166 1106,1 0,5M 9,77 0,0169 1168,7
3.2.4. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đã biến tính bằng dung dịch CuCl2 ở các nồng độ khác nhau dung dịch CuCl2 ở các nồng độ khác nhau
Để đánh giá ảnh hưởng của CuCl2 đến quá trình biến tính than hoạt tính, chúng tôi thực hiện như mục 3.2.3, và kết quả được đưa ra ở Bảng 3.5.
Bảng 3.5 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng các dung dịch CuCl2 ở các nồng độ khác nhau sau 4 giờ chạy phản ứng
Nồng độ dung dịch CuCl2
Khối lượng vật liệu nhồi cột (g)
Lượng thủy ngân còn lại sau khi qua cột (mg/L)
Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của AC-CuCl2
(µg/g) 0,1M 10,18 0,0231 1109,5 0,2M 9,83 0,0147 1161,4 0,3M 9,12 0,0162 1268,7 0,4M 9,77 0,0155 1169,5 0,5M 9,39 0,0142 1226,7
Kết quả thực nghiệm cho thấy, khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng CuCl2 cao hơn so với than hoạt tính (957,4 µg/g); đồng thời dung dịch CuCl2 đã thể hiện rõ ảnh hưởng của nồng độ đến quá trình biến tính than.
53
3.2.5. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính đã biến tính bằng dung dịch FeCl3 ở các nồng độ khác nhau dung dịch FeCl3 ở các nồng độ khác nhau
Để đánh giá ảnh hưởng của FeCl3 đến quá trình biến tính than hoạt tính, chúng tôi thực hiện như mục 3.2.3, và kết quả được đưa ra ở Bảng 3.6.
Bảng 3.6 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng các dung dịch FeCl3 ở các nồng độ khác nhau sau 4 giờ chạy phản ứng
Nồng độ dung dịch FeCl3
Khối lượng vật liệu nhồi cột (g)
Lượng thủy ngân còn lại sau khi qua
cột (mg/L)
Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của AC-FeCl3
(µg/g) 0,1M 9,95 0,0146 1144,6 0,2M 9,61 0,0144 1193,3 0,3M 10,11 0,0140 1123,2 0,4M 9,89 0,0226 1148,9 0,5M 9,78 0,0168 1167,4
Kết quả cho thấy than hoạt tính biến tính bằng FeCl3 thể hiện là vật liệu có khả năng hấp phụ hơi thủy ngân cao hơn so với than hoạt tính (957,4 µg/g). Tuy nhiên, dựa trên dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than biến tính bằng FeCl3 chúng ta thấy các nồng độ khác nhau của dung dịch FeCl3 không gây ra ảnh hưởng đáng kể đến quá trình biến tính than. Như vậy, cần nghiên cứu thêm về than hoạt tính biến tính bằng dung dịch FeCl3 để có thể thu được vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân như mong muốn.
Nhận xét chung:
Từ các kết quả nghiên cứu trên, chúng tôi dựng biểu đồ (Hình 3.1) chung về dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của các vật liệu. Theo Hình 3.1, than hoạt tính được biến tính bằng dung dịch CuCl2 ở các nồng độ khác nhau là vật liệu thể hiện khả năng hấp phụ hơi thủy ngân tốt hơn. Vì vậy,trong nghiên cứu này, chúng tôi lựa chọn CuCl2 là hóa chất để biến tính than hoạt tính và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính nhằm thu được vật liệu có khả năng hấp phụ hơi thủy ngân cao hơn.
54
Hình 3.1 Biểu đồ về dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của các vật liệu
3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến tính than hoạt tính bằng dung dịch CuCl2
3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CuCl2 đến khả năng hấp phụ hơi Hg
Để nghiên cứu kỹ hơn ảnh hưởng của nồng độ dung dịch CuCl2 đến quá trình biến tính than, chúng tôi đã ngâm tẩm than hoạt tính với dung dịch CuCl2 có nồng độ từ 0,1M đến 1,0M. Vật liệu thu được đem trộn với cát và nhồi cột hấp phụ, vận hành thiết bị 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), khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của cát, tiến hành tính toán dung lượng hấp phụ của vật liệu; các kết quả thực nghiệm được đưa ra ở Bảng 3.7.
Từ Hình 3.2, chúng tôi nhận thấy than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M cho khả năng hấp phụ hơi thủy ngân tốt hơn. Do vậy trong các bước khảo sát tiếp theo, chúng tôi giữ cố định giá trị nồng độ dung dịch CuCl2 là 1,0M và thay đổi các yếu tố khác.
1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1 2 3 4 5 D ung lượng hấ p phụ của v ật li ệu (µ g/ g)
Than hoạt tính được biến tính bằng các dung dịch khác nhau ở các nồng độ khác nhau
AC-HCl AC-ZnCl2 AC-CuCl2 AC-FeCl3
55
Bảng 3.7 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl2 ở các nồng độ khác nhau sau thời gian chạy phản ứng 4 giờ Nồng độ dung
dịch CuCl2
Khối lượng vật liệu nhồi cột (g)
Lượng thủy ngân còn lại sau khi qua
cột (mg/L)
Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu
(µg/g) 0,1M 9,90 0,044 1136,4 0,2M 9,90 0,022 1147,8 0,4M 9,90 0,017 1150,4 0,6M 9,90 0,009 1154,4 0,8M 9,90 0,071 1123,1 1,0M 9,90 0,003
Hình 3.2 Biểu đồ về dung lượng hấp phụ của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl2 ở các nồng độ khác nhau 1100 1110 1120 1130 1140 1150 1160 1 2 3 4 5 6 0.1M 0.2M 0.4M 0.6M 0.8M 1.0M D ung lượng hấ p phụ của v ật li ệu (µ g/ g)
Than hoạt tính biến tính với CuCl2 ở các nồng độ khác nhau
AC-CuCl2 1157,4
56
3.3.2. Ảnh hưởng của pH đến quá trình biến tính than hoạt tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M
Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến việc chế tạo vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân, chúng tôi tiến hành ngâm tẩm than hoạt tính trong các dung dịch CuCl2 1,0M ở các pH khác nhau. Vật liệu thu được tiến hành hấp phụ hơi thủy ngân tương tự như mục 3.3.1, các kết quả được trình bày trong Bảng 3.8 và minh họa trong Hình 3.3.
Bảng 3.8 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng dung