Luận văn Nghiên cứu khả năng xử lý hơi thủy ngân trên cơ sở biến tính than hoạt tính bằng Iodua

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu khả năng xử lý hơi thủy ngân trên cơ sở biến tính than hoạt tính bằng Iodua

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------- Đinh Thị Tuyết Mai NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ HƠI THỦY NGÂN TRÊN CƠ SỞ BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH BẰNG IODUA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------- Đinh Thị Tuyết Mai NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ HƠI THỦY NGÂN TRÊN CƠ SỞ BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH BẰNG IODUA Chuyên ngành: Hóa Môi Trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Phương Thảo Hà Nội – 2014
3. LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo TS. Phương Thảo đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ, cho em những kiến thức quí báu trong quá trình nghiên cứu. Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS. TS Trần Hồng Côn cùng các thầy, cô trong phòng thí nghiệm Hóa môi trường đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt thời gian làm luận văn. Cảm ơn các phòng thí nghiệm trong Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm. Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên làm việc trong phòng thí nghiệm Hóa môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và làm thực nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên cao học Đinh Thị Tuyết Mai
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 Chương 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 2 1.1. Giới thiệu chung về thủy ngân (Hg) .................................................................. 2 1.1.1. Các tính chất hóa lý chủ yếu của thủy ngân ........................................ 2 1.1.2. Ứng dụng, độc tính và nguồn phát thải của thủy ngân ........................ 5 1.2. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt ..................................................................... 9 1.2.1. Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính .................................................. 10 1.2.2. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính ............................................ 11 1.2.3. Cấu trúc hóa học của bề mặt than hoạt tính ...................................... 13 1.2.4. Nhóm cacbon – oxi trên bề mặt than hoạt tính ................................. 14 1.2.5. Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon – oxi lên đặc tính hấp phụ ..... 17 1.2.6. Biến tính bề mặt than hoạt tính và ứng dụng xử lý thủy ngân .. . .21 1.3. Một số vật liệu xử lý thủy ngân khác .............................................................. 24 Chương 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................. 27 2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................................... 27 2.2. Thiết bị và hóa chất nghiên cứu ...................................................................... 27 2.2.1. Mô tả thiết bị hấp phụ hơi thủy ngân ..................................................... 27 2.2.2. Một số thiết bị và dụng cụ khác ............................................................. 33 2.2.3. Hóa chất và nguyên vật liệu .................................................................. 33 2.3. Thực nghiệm chế tạo vật liệu .......................................................................... 34 2.3.1. Làm sạch than hoạt tính ........................................................................ 34 2.3.2. Biến tính bề mặt than hoạt tính bằng dung dịch KI ................................ 34 2.4. Các phương pháp phân tích đánh giá được sử dụng ........................................ 34 2.4.1. Phương pháp phổ hồng ngoại ............................................................... 34 2.4.2. Xác định nồng độ Hg2+ bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) . 35
5. 2.4.3. Phương pháp tính tải trọng hấp phụ cực đại .......................................... 38 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 40 3.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân ......................................................................... 40 3.1.1. Khảo sát tốc độ gia nhiệt ....................................................................... 41 3.1.2. Khảo sát nồng độ hơi Hg theo nhiệt độ buồng điều nhiệt ....................... 41 3.1.3. Khảo sát độ cản của chiều dày lớp hấp phụ ........................................... 41 3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của chiều cao lớp dung dịch hấp phụ hơi Hg ......... 42 3.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của dung dịch hấp thụ hơi Hg ................................ 42 3.2. Tính chất vật lý của vật liệu ............................................................................ 43 3.2.1. Xác định bề mặt riêng của than (BET)................................................... 43 3.2.2. Kết quả chụp SEM vật liệu .................................................................... 45 3.2.3. Phổ IR của một số vật liệu ..................................................................... 46 3.3. Khảo sát và đánh giá khả năng hấp phụ hơi thủy ngân .................................... 47 3.3.1. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng hấp phụ hơi thủy ngân . ................................................................................ 47 3.3.2. Khảo sát tải trọng hấp phụ cân bằng của than hoạt tính thường và than biến tính CB4 ở 40oC. ..................................................................................... 52 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 58
6. DANH MỤC BẢNG n Bảng 1.1. Hằng số bền của phức chất [MX4] ............................................. 4 Bảng 2.1. Nồng độ thuỷ ngân và độ hấp thụ quang tương ứng để xây dựng 2+ đường chuẩn xác định hàm lượng Hg 37 Bảng 3.1. Tốc độ gia nhiệt của buồng điều nhiệt 41 Bảng 3.2. Nồng độ hơi Hg theo nhiệt độ buồng điều nhiệt 41 Bảng 3.3. Ảnh hưởng của độ dày lớp vật liệu hấp phụ đến lưu lượng dòng khí 41 Bảng 3.4. Ảnh hưởng chiều cao lớp dung dịch hấp thụ đến lưu lượng dòng khí 42 Bảng 3.5. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than hoạt tính ở các nhiệt độ khác nhau 47 Bảng 3.6. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than biến tính CB1 ở các nhiệt độ khác nhau 49 Bảng 3.7. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than biến tính CB2 ở các nhiệt độ khác nhau 49 Bảng 3.8. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than biến tính CB3 ở các nhiệt độ khác nhau 50 Bảng 3.9. Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than biến tính CB4 ở các nhiệt độ khác nhau 50 Bảng 3.10. Mối liên hệ giữa lượng thuỷ ngân hấp phụ trên cột theo thời gian 52 ................................................................................................................ Bảng 3.11. Mối liên hệ giữa lượng thuỷ ngân hấp phụ trên cột theo thời gian 54 ................................................................................................................
7. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Thủy ngân 2 Hình 1.2. Ảnh X-Quang chụp một bệnh nhân đã uống 8 ounces thủy ngân nguyên tố . 7 Hình 1.3. So sánh mạng tinh thể 3 chiều của than chì (a) và cấu trúc turbostratic (b) . 11 Hình 1.4. Bề mặt than hoạt tính đã được oxi hóa 17 Hình 2.1. Ảnh mặt trước của hệ hộp hệ thống thiết bị 32 Hình 2.2. Ảnh buồng gia nhiệt, bảo ôn 32 Hình 2.3. Các thiết bị bên trong hệ thống thiết bị . 33 Hình 2.4. Đường chuẩn xác định nồng độ Hg2+ . .. 37 Hình 2.5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir . 38 Hình 2.6. Đường phụ thuộc của Ct/q vào Ct . 39 Hình 3.1. Sơ đồ thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân 40 Hình 3.2. Hiệu quả hấp thụ hơi Hg của các loại dung dịch hấp thụ . 42 Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn theo tọa độ BET của than hoạt tính ... 43 Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn theo tọa độ BET của than biến tính CB4 .. 44 Hình 3.5. Ảnh SEM của than hoạt tính ......................................................... 45 Hình 3.6. Ảnh SEM của than hoạt tính biến tính iodua ................................ 45 Hình 3.7. Phổ hồng ngoại của than hoạt tính 46 Hình 3.8. Phổ hồng ngoại của than biến tính 46 Hình 3.9. Đồ thị biễu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự hấp phụ hơi Hg của than hoạt tính . 48
8. Hình 3.10. Đồ thị biễu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ tới sự hấp phụ hơi Hg của các loại than biến tính .. 51 Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn lượng hơi thủy ngân hấp phụ trên cột than hoạt tính thường theo thời gian . 53 Hình 3.12 . Đồ thị biểu diễn lượng hơi thủy ngân hấp phụ trên cột than biến tính CB4 theo thời gian 56
9. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Số thứ tự Viết tắt Tên đầy đủ 1 AAS Atomic Absorption Spectrophotometric 2 BET Brunauer – Emmett – Teller 3 CB1 Than hoạt tính ngâm dung dịch KI 0,1M 4 CB2 Than hoạt tính ngâm dung dịch KI 0,2M 5 CB3 Than hoạt tính ngâm dung dịch KI 0,3M 6 CB4 Than hoạt tính ngâm dung dịch KI 0,5M 7 IR Infrared spectroscopy 8 SEM Scanning Electron Microscopy 9 XRD X-ray Diffraction 10 XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy
10. MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, ô nhiễm thủy ngân đang trở thành một vấn đề cấp thiết, không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn thế giới. Thuỷ ngân phát thải ra môi trường từ nhiều nguồn khác nhau như: các quá trình sản xuất nhiệt kế, thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm, điện phân sản xuất xút – clo ; các nhà máy sản xuất xi măng, nhiệt điện sử dụng nguyên liệu hóa thạch; các quá trình đốt rác cùng với hoạt động của núi lửa . Để giải quyết vấn đề này đã có rất nhiều nghiên cứu và đưa vào sử dụng các sản phẩm sử dụng nguồn năng lượng sạch như: pin năng lượng mặt trời, bình nước nóng năng lượng mặt trời,... Bóng đèn huỳnh quang cũng được nghiên cứu và ra đời trong xu thế đó. Bình quân, dùng đèn huỳnh quang sẽ tiết kiệm năng lượng hơn đèn sợi đốt 8 đến 10 lần. Nhưng ngoài mặt tích cực đó thì việc sử dụng bóng đèn huỳnh quang cũng đặt chúng ta trước một thách thức lớn. Một lượng hơi thủy ngân đáng kể sẽ phát thải ra môi trường khi bóng đèn huỳnh quang bị thải bỏ. Hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để xử lý hơi thủy ngân, trong đó than hoạt tính được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả nhất. Quá trình lưu giữ thuỷ ngân trên than hoạt tính chủ yếu là hấp phụ vật lý, độ bền liên kết yếu. Thuỷ ngân và các hợp chất của nó có khả năng bay hơi và dễ phát tán trở lại môi trường ngay ở nhiệt độ thường. Do vậy, người ta đã 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 hơn giữa thủy ngân với than hoạt tính. Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý hơi thủy ngân trên cơ sở biến tính than hoạt tính bằng iodua” với hi vọng vật liệu này được ứng dụng để kiểm soát, xử lý hơi thuỷ ngân phát thải trong các quá trình thực tiễn. 1