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 dịch CuCl2 1,0M ở các pH khác nhau sau 4 giờ chạy phản ứng
pH của dung dịch CuCl2 1,0M
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)
pH=1 9,90 0,0024 1157,7
pH=2 9,90 0,0016 1158,1
pH=3 9,90 0,0015
Hình 3.3 Biểu đồ về dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M ở các pH khác nhau
1157.4 1157.6 1157.8 1158 1158.2 1 2 3 pH=1 pH=2 pH=3 Dung lượng hấp phụ của vật liệu (µg/g)
Than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl2 ở các pH khác nhau
AC-CuCl2 1,0M
1158,2 .2
57
Các kết quả thực nghiệm cho thấy than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M ở pH=3 có khả năng hấp phụ hơi thủy ngân tốt hơn. Do vậy, ở bước khảo sát tiếp theo chúng tôi cố định giá trị pH của dung dịch CuCl2 1,0M là 3 và thay đổi yếu tố khác.
3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm đến quá trình biến tính than hoạt tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M ở pH=3
Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian ngâm tẩm đến quá trình biến tính than, các thí nghiệm được thực hiện như sau: ngâm tẩm than hoạt tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M ở pH=3 trong các thời gian khác nhau từ 1 giờ đến 10 giờ. Vật liệu thu được tiến hành hấp phụ hơi thủy ngân tương tự như mục 3.3.1, các kết quả được trình bày ở Bảng 3.9 và biểu diễn ở Hình 3.4.
Bảng 3.9 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M, pH=3 ở các thời gian ngâm tẩm khác nhau sau 4 giờ chạy phản
ứng Thời gian ngâm
tẩm (giờ)
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) 1 9,30 0,00137 1247,68 3 9,30 0,00127 1247,74 5 9,30 0,00111 1247,82 7 9,30 0,00085 9 9,30 0,00128 1247,73
Dung lượng hấp phụ của than hoạt tính biến tính ở 9 giờ thì thấp hơn so với dung lượng hấp phụ của than hoạt tính biến tính ở 7 giờ, và cần có những khảo sát thêm nữa về than hoạt tính biến tính ở 9 giờ để có những kết luận phù hợp về sự biến động này. Do đó, chúng tôi chọn 7 giờ là thời gian ngâm tẩm thích hợp để thu được vật liệu hấp phụ tốt hơi thủy ngân.
58
Hình 3.4 Biểu đồ về dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M, pH=3, ở các thời gian ngâm tẩm khác nhau
Nhận xét chung:
Kết hợp các kết quả thực nghiệm ở trên, chúng tôi nhận thấy để thu được vật liệu có khả năng hấp phụ tốt hơi thủy ngân, than hoạt tính được ngâm tẩm với dung dịch CuCl2 ở các điều kiện:
- Nồng độ của dung dịch CuCl2 là 1,0M.
- pH của dung dịch CuCl2 đạt giá trị bằng 3.
- Thời gian ngâm tẩm than hoạt tính trong dung dịch CuCl2 diễn ra trong 7 giờ.
3.4. Xác định dung lượng hấp phụ cân bằng của vật liệu
Để xét xem quá trình hấp phụ hơi thủy ngân trên vật liệu đạt cân bằng như thế nào, chúng tôi tiến hành nghiên cứu xây dựng đường hấp phụ của vật liệu. Các vật liệu đã chế tạo ở các điều kiện thích hợp được 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 khí mang là 1,0 lít/phút, khảo sát theo các thời gian chạy phản ứng khác nhau từ 1 giờ đến 10 giờ. Dựa theo phương trình (3.2), khả năng hấp phụ thủy ngân của cát, tiến hành tính toán khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu, các kết quả được trình bày ở Bảng 3.10. 1247.5 1247.55 1247.6 1247.65 1247.7 1247.75 1247.8 1247.85 1247.9 1247.95 1 2 3 4 1 giờ 3 giờ 5 giờ 7 giờ Dung lượng hấp phụ của vật liệu (µg/g)
Thời gian ngâm tẩm than hoạt tính bằng dung dịch CuCl2 AC-CuCl2 1,0M, pH=3
59
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
Mẫu vật liệu Thời gian chạy phản ứng (phút) Khối lượng vật liệu nhồi cột (g)
Lượng thủy ngân còn lại sau khi qua
cột (mg/L) Dung lượng hấp phụ của vật liệu (µg/g) Vật liệu 1 60 9,30 0,00686 308,42 Vật liệu 2 80 9,30 0,00123 415,48 Vật liệu 3 180 9,30 0,00128 935,63 Vật liệu 4 240 9,30 0,00178 1247,46 Vật liệu 5 360 9,30 0,00091 1877,42 Vật liệu 6 420 9,30 0,00876 2186,19 Vật liệu 7 480 9,30 0,00220 2502,70 Vật liệu 8 540 9,30 0,00148 2515,03 Vật liệu 9 600 9,30 0,00169 2514,91
Hình 3.5 Đường hấp phụ của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M, pH=3, 7 giờ 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 100 200 300 400 500 600 700 Dun g lượng h ấp p h ụ c ủ a vật li ệu (µg/ g) Thời gian (phút)
60
Từ kết quả của Bảng 3.10, chúng tôi dựng đường hấp phụ của vật liệu. Theo Hình 3.5, chúng tôi nhận thấy sau 480 phút quá trình hấp phụ hơi thủy ngân đối với vật liệu đạt cân bằng và dung lượng hấp phụ cân bằng của vật liệu là 2500 µg/g.
3.5. Đặc trưng của vật liệu được xác định dựa trên dữ liệu phổ SEM, IR, BET và EDS
Mẫu than hoạt tính và than hoạt tính biến tính (bằng dung dịch CuCl2 1,0M, pH=3, thời gian ngâm tẩm 7 giờ) được chụp phổ SEM, IR, BET. Đối với các mẫu: than hoạt tính, than hoạt tính biến tính và than hoạt tính biến tính đã hấp phụ hơi thủy ngân được chụp phổ EDS.
* Những thay đổi bề mặt của than hoạt tính trước và sau khi biến tính đã thể hiện rõ trên phổ SEM. Từ Hình 3.6 và Hình 3.7, chúng tôi nhận thấy hình thái học bề mặt của than hoạt tính sau quá trình ngâm tẩm đã thay đổi. Do vậy, chúng tôi dự đoán đã có sự gắn kết các phân tử CuCl2 lên bề mặt than, tạo ra các trung tâm phản ứng thuận lợi cho quá trình hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu.
61
Hình 3.7 Ảnh SEM của than hoạt tính biến tính bằng dung dịch CuCl2 1,0M, pH=3, 7 giờ
* Các nhóm chức trên bề mặt than hoạt tính và than hoạt tính biến tính được thể hiện rõ trên phổ IR. Theo Hình 3.8 và Hình 3.9, chúng tôi nhận thấy các pic cơ