Nghiên cứu chế tạo vật liêu than hoạt tính biến tính bằng iotđua để hấp phụ hơi thủy ngân sử dụng nguồn than hoạt tính có sẵn trong nước

§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
LỜI MỞ ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp làm gia tăng lượng các chất ô
nhiễm phát thải vào môi trường làm ô nhiễm môi trường nghiêm trọng trong đó
có thủy ngân. Hơi thủy ngân được phát thải chủ yếu từ quá trình đốt các nhiên
liệu hóa thạch như: dầu mỏ, than quá trình hoạt động của núi lửa và một số
quá trình khác. Mỗi năm, hoạt động khai thác mỏ thủ công thải ra môi trường
khoảng 1000 tấn thủy ngân, chiếm 30-40% lượng ô nhiễm thủy ngân do con
người tạo ra trên Trái đất. Hơi thủy ngân dễ dàng đi vào cơ thể thông qua quá
trình hô hấp. Với khả năng tan trong mỡ, dễ kết hợp với các phân tử. Cho nên nó
có thể làm mất chức năng của các cơ quan, hủy hoại nghiêm trọng tới hệ thần
kinh trung ương. Nếu hít phải một lượng lớn thủy ngân có thể dẫn tới tử vong.
Ngoài ra, hơi thủy ngân cũng là nguyên nhân của các bệnh ung thư, rối loạn hô
hấp, vô sinh. Do vậy, việc nghiên cứu vật liệu có khả năng hấp phụ hơi thủy
ngân cao là việc làm hết sức cần thiết và cấp bách.
Hiện nay, có nhiều phương pháp được sử dụng để xử lý hơi thủy ngân,
trong đó phương pháp hấp phụ trên 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. Có nhiều phương pháp xử lý bề mặt than, trong đó gắn kết với các hợp chất
halogenua được ứng dụng nhiều.
Trong khuôn khổ luận văn này, em đã chọn và thực hiện đề tài “Nghiên
cứu chế tạo vật liêu than hoạt tính biến tính bằng Iotđua để hấp phụ hơi thủy
ngân” sử dụng nguồn than hoạt tính có sẵn trong nước (Than hoạt tính Trà Bắc
– Trà Vinh) và tiến hành ngâm tẩm với Iot để thu được vật liệu có khả năng hấp
phụ tốt hơi thủy ngân với hi vọng vật liệu này được ứng dụng để kiểm soát thủy
ngân một cách tốt hơn giúp cuộc sống của chúng ta ngày một tươi đẹp hơn.
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047

1
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về thủy ngân (Hg)
1.1.1. Thủy ngân và các hợp chất
Thủy ngân là kim loại chuyển tiếp đứng thứ 80 trong bảng hệ thống tuần
hoàn các nguyên tố hóa học, kim loại duy nhất ở thể lỏng ở nhiệt độ thường,
màu trắng bạc, lóng lánh, đông đặc ở -40
0
C; sôi ở 357
0
C; tỷ trọng 13,6; trọng
lượng phân tử 200,61.
Hình 1.1.Thủy ngân kim loại Hình 1.2.Khoáng Cinnabarit trong
ở nhiệt độ phòng tự nhiên
Trong tự nhiên, thủy ngân có mặt ở dạng vết của nhiều loại khoáng,
đá.Các loại khoáng này trung bình chứa khoảng 80 phần tỷ thủy ngân.Quặng
chứa thủy ngân chủ yếu là Cinnabarit (HgS). Các loại nguyên liệu, than đá và
than nâu chứa vào khoảng 100 phần tỷ thủy ngân. Hàm lượng trung bình tự
nhiên trong đất trồng là 0,1 phần triệu.
Để trong không khí, bề mặt thủy ngân bị xạm đi do thủy ngân bị oxi hóa
tạo thành oxit thủy ngân Hg
2
O rất độc, ở dạng bột mịn, rất dễ xâm nhập vào cơ
thể. Nếu đun nóng tạo thành HgO. Thủy ngân có khả năng tạo hỗn hống với các
kim loại, nên hơi của nó có tác dụng ăn mòn kim loại mạnh. Thủy ngân rất dễ
bay hơi do nhiệt độ bay hơi của nó rất thấp. Ở 20
0
C nồng độ bão hòa hơi thủy
ngân là 20mg/m

3
, và nó có thể bay hơi cả trong môi trường lạnh.
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
2
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
Thủy ngân được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ba lĩnh vực được
sử dụng nhiều nhất là: Công nghiệp sản xuất Cl
2
và NaOH bằng phương pháp
điện phân sử dụng điện cực thủy ngân (điện cực calomen), nhà máy sản xuất các
thiết bị điện, như đèn hơi thủy ngân, pin thủy ngân, máy nắn và ngắt dòng, các
thiết bị kiểm tra công nghệ, nông nghiệp: sử dụng một lượng lớn thủy ngân
trong sản xuất chất chống nấm trong việc làm sạch hạt giống. Nhưng do các hóa
chất này gây nhiễm độc cho người dùng và tồn tại lâu dài trong môi trường tự
nhiên nên từ năm 1996 ở Việt Nam đã cấm sử dụng các chất này.
Thủy ngân còn được sử dụng trong các lĩnh vực như y tế; chế tạo các
dụng cụ nghiên cứu khoa học và dụng cụ trong phòng thí nghiệm (nhiệt kế, áp
kế…); chế tạo các hỗn hống được sử dụng trong các công việc sau: trong nha
khoa để hàn trám răng, trong ắc quy sắt–niken, các hỗn hống với vàng và bạc
trước kia dùng để mạ vàng, mạ bạc theo phương pháp hóa học ngày nay được
thay thế bằng phương pháp điện phân, tách vàng và bạc ra khỏi quặng của
chúng; chế tạo ra các hợp chất hóa học có chứa thủy ngân.
1.1.2. Độc tính và nguồn phát thải của thủy ngân
a. Độc tính của thủy ngân[1]
Thủy ngân(Hg) là một trong ba kim loại (Hg, Pb, Cd) được coi là nguy
hiểm nhất đối với con người. Thủy ngân được tìm ra và đưa vào sử dụng từ rất
lâu. Chính vì vậy,thủy ngân có mặt khắp nơi và mức độ gây hại đang ngày càng
một nghiêm trọng hơn. Thủy ngân là chất độc tích lũy sinh học dễ dàng hấp thụ
qua da, qua các cơ quan hô hấp và tiêu hóa.Tính độc của thủy ngân phụ thuộc
vào dạng hóa học và con đường tiếp xúc của nó.

Ở dạng nguyên chất, thủy ngân ở trạng thái lỏng, mức độc của Hg chỉ ở
dạng trung bình vì nó lưu chuyển nhanh khắp cơ thể làm cho các bộ phận ít có
khả năng hấp thu nó. Nếu nuốt phải thủy ngân kim loại thì sau đó lại được thải
ra ngoài gần như hoàn toàn (99%) qua đường tiêu hóa mà không gây hậu quả
nghiêm trọng. Để chứng minh cho điều này, một nhà nghiên cứu của trung tâm
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
3
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
phòng và điều trị nhiễm độc ở Vienne đã làm thí nghiệm với chính cơ thể của
mình bằng cách nuốt 100 g thuỷ ngân kim loại, kết quả là thuỷ ngân vào trong
dạ dày, ruột, sau đó được thải ra ngoài. Hàm lượng thuỷ ngân trong nước tiểu đã
lên tới 80mg/L sau hai tháng sau đó giảm dần đến hết. Nhưng thủy ngân dễ bay
hơi ở nhiệt độ thường, nên hít phải hơi thủy ngân trong thời gian dài sẽ rất độc.
Khi hít phải hơi thủy ngân sẽ gây phá hủy nghiêm trọng hệ thần kinh trung
ương. Ngoài ra, hơi thủy ngân cũng là nguyên nhân của các bệnh ung thư, rối
loạn hô hấp, vô sinh.
Khi thủy ngân ở dạng ion (Hg
2
2+
) xâm nhập vào dạ dày sẽ tác dụng với
ion Cl
-
tạo thành hợp chất không tan Hg
2
Cl
2
và được đào thải ra ngoài nên ion
Hg
2
2+

ít gây độc. Ion thủy ngân (II) thì lại rất độc, nó thường dễ dàng kết hợp với
các amino axit có chứa lưu huỳnh của protein. Ion Hg
2+
cũng tạo liên kết với
hemoglobin và albumin trong huyết thanh. Ion thủy ngân có thể xâm nhập vào
cơ thể qua đường nước bọt và da.Chúng có thể tập trung chủ yếu trong gan và
thận.
Nguy hiểm là thủy ngân nguyên chất làm nhiễm bẩn không khí, chuyển
thành dạng metyl thủy ngân (CH
3
)Hg
+
bền vững và có quá trình chuyển hóa một
thời gian dài trong cơ thể. Trong các hợp chất của thủy ngân, metyl thủy ngân là
dạng độc nhất, đến mức chỉ vài microlit rõi vào da có thể gây tử vong. Chất này
hòa tan mỡ và thành phần chất béo của màng não tủy. Thủy ngân có khả năng
phản ứng với các axit amin chứa lưu huỳnh, các hemoglobin, abumin.Thủy ngân
có khả năng liên kết màng tế bào, làm thay đổi hàm lượng kali, thay đổi cân
bằng axit bazo của các mô, làm thiếu hụt năng lượng cung cấp cho tế bào thần
kinh. Metyl thủy ngân có khả năng hòa tan trong chất béo, qua màng tế bào, tới
não, phá hủy hệ thần kinh trung ương. Metyl thủy ngân làm phân liệt nhiễm sắc
thể và ngăn cản quá trình phân chia tế bào.Metyl thủy ngân đặc biệt nguy hại tới
các phôi đang phát triển, tác động gấp 5–6 lần so với người lớn.
Như vậy, hai dạng tồn tại của thủy ngân gây độc mạnh: thủy ngân nguyên
tố dạng hơi và ion thủy ngân (II) (ở dạng ion metyl thủy ngân). Nồng độ tối đa
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
4
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
cho phép của ion thủy ngân (II) theo WHO trong nước uống là 1µg/l, với nước
nuôi thủy sản là 0,5µg/l…

b. Các nguồn phát thải của thủy ngân
Thủy ngân là một kim loại nặng được sử dụng khá nhiều trong công
nghiệp và đời sống.
Hàm lượng thủy ngân phát thải vào sinh quyển ngày càng tăng, vừa do
các quá trình tự nhiên (chủ yếu là do hoạt động núi lửa), vừa do các hoạt động
của con người. Trong 200 năm qua, thủy ngân lắng đọng trên bề mặt của trái đất
đã tăng gấp ba lần do hoạt động của con người. Theo ước tính, từ các hoạt động
của con người đã phát thải khoảng 1000–6000 tấn thủy ngân hàng năm, trong đó
có khoảng 30–55% thủy ngân phát thải vào khí quyển trên phạm vi toàn cầu,
40% lượng thủy ngân phát thải từ các nhà máy nhiệt điện, 21% do hoạt động đốt
than, mặc dù lượng thủy ngân trong than là tương đối thấp, khoảng 0,12–3,3
ppm, nhưng lượng than được đốt hàng năm lại rất lớn.
Thủy ngân phát thải vào khí quyển chủ yếu từ quá trình than nhiệt điện;
công nghệ luyện kim; sản xuất pin; sản xuất và xử lý bóng đèn huỳnh quang;
quá trình đốt chất thải rắn đô thị và bệnh viện (5%); khai thác mỏ vàng; sản xuất
thuốc bảo vệ thực vật,…Mỗi năm, hoạt động khai thác mỏ thủ công thải ra môi
trường khoảng 1000 tấn thủy ngân, chiếm 30–40% lượng ô nhiễm thủy ngân do
con người tạo ra trên Trái đất.
Mỹ là quốc gia đứng đầu thế giới gây ra nạn ô nhiễm thủy ngân, với 440
nhà máy chạy điện bằng than đá đã tạo ra khoảng 48 tấn Hg/năm, các lò thiêu và
ngành công nghiệp khai thác đã đưa vào bầu khí quyển khoảng 150 tấn Hg/năm.
Trong than có chứa trung bình khoảng 0,1–0,3mgHg/kg, trong chất thải
đô thị chiếm khoảng 0,5–5mgHg/kg. Các lò đốt than là nguồn phát thải thủy
ngân lớn nhất ở Hoa Kỳ. Trung bình một nhà máy điện đốt than xử lý được
khoảng 40% lượng thủy ngân phát thải và 60% còn lại thì phát thải ra ngoài môi
trường.
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
5
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
Hình 1.3 Các nguồn phát thải thủy ngân ở Mỹ

1.2. Các phương pháp xử lý thủy ngân
1.2.1. Phương pháp khử
Bản chất của phương pháp khử là chuyển các chất tan trong nước thành
các chất không tan, bằng cách thêm tác chất vào và tách chúng ra dưới dạng kết
tủa.Chất phản ứng dùng là hydroxit canxi và natri, cacbonat natri, sulfit natri.
Thủy ngân trong nước có thể tồn tại ở dạng kim loại,các hợp chất vô cơ:
oxit, clorua, nitrat, xianua (Hg(CN)
2
), thioxanat (Hg(NCS)
2
), xinat (Hg(OCN)
2
).
Thủy ngân kim loại được lọc và lắng. Phần không lắng được oxy hóa
bằng clo hoặc NaOCl. Sau đó, xử lý nước bằng chất khử (NaHSO
4
hoặc
Na
2
SO
3
) để loại bỏ thủy ngân và clo dư.
Thủy ngân có thể được tách ra khỏi nước bằng phương pháp khử với các
chất là sulfat sắt, bisulfit natri, bột sắt, khí H
2
S, hydrazine. Đầu tiên cho vào
nước thải các chất sulfat natri, bisulfit natri hoặc khí H
2
S. Sau đó xử lý nước
bằng clorua natri, kali, magie, canxi hoặc sulfit magie với lượng 0,1g/L. Khi đó,

Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
6
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
thủy ngân sẽ lắng ở dạng hạt. Để loại các hạt keo phân tán cao, dùng các chất
keo tụ như Al
2
(SO
4
)
3
.18H
2
O, FeSO
4
. 7H
2
O,…
1.2.2. Phương pháp trao đổi ion
Dựa trên nguyên tắc của phương pháp trao đổi ion dùng ionit là nhựa hữu
cơ tổng hợp, các chất cao phân tử có gốc chứa các nhóm chức trao đổi ion. Nhựa
trao đổi ion có thể tổng hợp từ hợp chất vô cơ hay hữu cơ có gắn các nhóm như
(-SO
3
H),
(-COO-), amin … Các cation và anion được thay thế các ion trao đổi (H
+
, Cl
-
) trên
bề mặt nhựa trao đổi ion theo phản ứng sau:

n RH + Me
n+
→ R
n
Me + nH
+
RCl + A
−
→ RA + Cl
−
Quá trình trao đổi ion có thể được tiến hành trong các cột anionit hoặc
cationit. Đây là phương pháp có hiệu suất cao, có thể thu hồi các sản phẩm có
giá trị kinh tế.
1.2.3. Phương pháp đông tụ và keo tụ
Cơ sở của phương pháp là dựa trên quá trình trung hòa điện tích giữa các
hạt keo và liên kết các hạt keo lại với nhau dẫn đến trạng thái keo của các hạt bị
phá vỡ tạo thành các khối bông lớn và sa lắng xuống. Trong quá trình sa lắng
chúng kéo theo các hạt lơ lửng và các tạp chất khác.
Các chất đông tụ thường dùng là các muối nhôm, sắt hoặc hỗn hợp hai
muối đó như: Al
2
(SO
4
)
3
.18H
2
O, KAl(SO
4
)

3
.12H
2
O, Fe
2
(SO
4
)
3
.2H
2
O, FeCl
3

Việc lựa chọn chất đông tụ phụ thuộc vào tính chất lý hóa, nồng độ của các tạp
chất trong nước, pH và giá thành của các chất đông tụ. Để tăng cường hiệu quả
của quá trình đông tụ người ta còn dùng chất trợ đông tụ có nguồn gốc thiên
nhiên như tinh bột, dertin, xenlulozo, các este hay poliacrylamit
1.2.4. Phương pháp hấp phụ
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
7
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
Hấp phụ là quá trình phân ly các chất ô nhiễm trong pha khí và lỏng dựa
trên ái lực của các chất rắn đối với các chất ô nhiễm. Trong quá trình xử lý, các
chất ô nhiễm bị giữ lại trên bề mặt của các chất hấp phụ ở dạng rắn. Quá trình
xử lý bằng phương pháp được chia thành 2 dạng: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa
học.
Vật liệu hấp phụ là những loại chất, hợp chất có độ xốp, bề mặt riêng lớn,
bền hóa học. Các chất hấp phụ thường được sử dụng là: than hoạt tính, zeolit…
Thông thường quá trình xử lý thường kết hợp quá trình hấp phụ lên bề mặt và

phản ứng chuyển hóa của chất bị hấp phụ với chất được mạng trên chất hấp phụ.
Vật liệu hấp phụ có thể được hoàn nguyên bởi nhiệt độ, giảm áp suất hay
dùng khí trơ hoặc các hóa chất.
Ưu điểm của phương pháp hấp phụ là có thể sử dụng khi hàm lượng chất
ô nhiễm thấp, quá trình vận hành có thể tự động hóa, có thể thu hồi chất gây ô
nhiễm. Tuy nhiên, với hàm lượng chất ô nhiễm cao thì hấp phụ lại không có
hiệu quả cao do nhanh chóng đạt sự cân bằng. Bên cạnh đó, quá trình lưu giữ
các chất độc hại trên vật liệu hấp phụ chủ yếu là hấp phụ vật lý, độ bền liên kết
yếu do đó chúng có khả năng phát tán trở lại môi trường. Do đó, hướng đi mới
trong vấn đề này là nghiên cứu biến tính các vật liệu hấp phụ với một số nhóm
chức hoặc axit hoặc bazơ nhằm thay đổi cấu trúc bề mặt làm tăng dung lượng
hấp phụ đồng thời tạo liên kết bền hơn giữa các chất độc hại với vật liệu hấp
phụ. Vì các nhóm chức này được liên kết và giữ ở cạnh/góc của lớp vòng thơm,
các cạnh/góc này chứa các tâm hấp phụ chính nên sự có mặt của các hợp chất bề
mặt hay các loại phân tử sẽ làm biến đổi đặc tính bề mặt và đặc điểm của vật
liệu hấp phụ.
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
8
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
1.3. Một số vật liệu xử lý hấp phụ hơi thủy ngân
Hơi thủy ngân là khí ô nhiễm nguy hiểm đối với con người, động vật và
các hệ sinh thái của Trái đất nói chung. Các dòng khí thải thoát ra từ các nhà
máy than nhiệt điện là một trong những nguồn chính phát thải thủy ngân.
Trong các phương pháp xử lý hơi thủy ngân, phương pháp phun vật liệu
vào dòng khí thải được ứng dụng nhiều để kiểm soát thủy ngân. Do đó, nghiên
cứu và ứng dụng các loại vật liệu trong xử lý hơi thủy ngân là một hướng phát
triển mạnh, đã có nhiều công trình nghiên cứu về việc xử lý hơi thủy ngân trước
và sau khi đưa vào môi trường. Trong các nghiên cứu đó, các tác giả đã tiến
hành chế tạo các loại vật liệu khác nhau, biến tính chúng trong các điều kiện hấp
phụ sao cho đạt hiệu suất tối ưu nhất, dễ thực hiện trong điều kiện xử lý môi

trường và áp dụng trong các ngành công nghiệp có liên quan đến phát thải hơi
thủy ngân theo khuynh hướng xử lý tốt tại nguồn phát thải.
1.3.1. Các loại vật liệu từ than hoạt tính
Nhiều nghiên cứu cho thấy than hoạt tính có khả năng hấp phụ hơi thủy
ngân khá tốt. Để nâng cao khả năng hấp phụ, người ta đã tiến hành biến tính
chúng bằng cách ngâm tẩm trong các dung dịch muối halogen (Cl, Br, I), ngâm
tẩm với các chất có chứa lưu huỳnh (S, H
2
S, dithizon, dithiocacbamat,…) hoặc
gắn các nhóm chức khác vào chúng (nhóm amino).
a. Than hoạt tính
Than hoạt tính (AC - activated carbon) là một loại chất hấp phụ đã được
nghiên cứu loại bỏ hơi thuỷ ngân trong các dòng thải ở quy mô phòng thí
nghiệm cũng như quy mô thương mại do có nhiều ưu điểm như diện tích bề mặt
lớn, kích thước mao quản đa dạng, dễ kiếm và thuận lợi cho việc xử lý khí thải.
Tuy nhiên chi phí cho việc sử dụng trực tiếp than hoạt tính cho việc hấp phụ rất
cao do than hoạt tính đã hấp phụ thủy ngân không thể tái sinh hoặc tái chế một
cách kinh tế. Chi phí của việc sử dụng than hoạt tính để loại bỏ 82% thủy ngân
có thể nằm trong giới hạn giữa 110.000$ và 150.000$ đối với 1kg thủy ngân.
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
9
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
Một số cách để giảm thiểu chi phí này là tăng cường mối liên kết của thủy ngân,
tăng khả năng của chất hấp phụ và tăng khả năng phân tán của chất hấp phụ. Các
phương pháp để tăng mối liên kết của thủy ngân với than hoạt tính là ngâm tẩm
than với các phần tử phản ứng khác chẳng hạn như brom, clo, iot, lưu huỳnh,
các hợp chất hữu cơ, nano bạc. Việc tạo ra một chất hấp phụ than hoạt tính có
khả năng tái sinh sẽ làm giảm chi phí liên quan đến quá trình loại bỏ thủy ngân
và xử lý chất thải hấp phụ này[2].
b. Than hoạt tính biến tính bằng brom

Liu và cộng sự đã nghiên cứu bổ sung khí brom vào hệ chứa khí thải với
tro bay để chuyển đổi thủy ngân từ dạng nguyên tố (Hg
0
) thành dạng đã oxy hóa
(Hg
2+
) nhằm dễ dàng loại bỏ thủy ngân ra khỏi khí thải thông qua các hệ thống
xử lý hiện có. Sự có mặt của 0,4 ppm Br
2
cùng với tro bay có thể oxy hóa
khoảng 60% lượng Hg
0
trong toàn bộ khí thải của nhà máy than nhiệt điện.
Ngoài ra, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu quá trình hoạt hóa như trên với chất
hấp phụ thông qua việc tạo ra than hoạt tính brom hóa (Br-AC - bromide
activated carbon), tức là gắn kết brom lên trên bề mặt than hoạt tính[3,4].
Br-AC đã được sản xuất với quy mô thương mại để sử dụng như một chất
hấp phụ thủy ngân trong các nhà máy than nhiệt điện. Một vài nghiên cứu chỉ ra
rằng 90% thủy ngân được loại bỏ tại tốc độ phun khoảng 5lb Br-AC đối với một
triệu feet khối của khối khí. Tốc độ phun của Br-AC nhỏ hơn nhiều so với than
hoạt tính, (AC được phun với tốc độ khoảng 10-20 lb đối với một triệu feet khối
của khối khí). Tốc độ phun vật liệu giảm nhằm đạt hiệu quả loại bỏ thủy ngân
tốt hơn. Tuy nhiên, một vấn đề cần quan tâm là phương pháp xử lý thích hợp với
Br-AC đã qua sử dụng vì việc chôn lấp chúng sẽ gây nguy hại đối với môi
trường. Giải pháp tốt nhất là có một chất hấp phụ biến tính để loại bỏ thủy ngân
từ khí thải và có thể tái chế một cách hiệu quả[2,4,5].
c. Than hoạt tính biến tính bằng hợp chất clorua
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
10
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT

Ghorishi và các cộng sự đã tiến hành xử lý than bằng cách ngâm tẩm với
dung dịch clorua. Vật liệu thu được có khả năng loại bỏ Hg
0
đến 80-90% (với
dòng thải có chứa lượng thủy ngân 86 ppb trong khoảng thời gian tiếp xúc 3-4
giây với tỉ lệ C/Hg là 1000-5000) [6,7].
Zeng và các cộng sự đã nghiên cứu tẩm ZnCl
2
lên than hoạt tính và ứng
dụng xử lý hơi thủy ngân trong khí thải của nhà máy đốt than. Khi nồng độ dung
dịch ZnCl
2
là 5%, diện tích bề mặt riêng của vật liệu thu được giảm xuống do
hiện tượng tạo thành các nhóm lỗ rỗng kích thước micro. Kết quả khảo sát theo
nhiệt độ cho thấy quá trình hấp phụ của vật liệu xảy ra theo cả cơ chế hấp phụ
vật lý và hóa học[6,8].
H. Zeng và các cộng sự đã tiến hành xử lý than hoạt tính ở dạng hạt (kích
thước 0,28 mm) bằng cách ngâm tẩm với dung dịch ZnCl
2
1% hoặc 5% (w/v)
trong khoảng 12 giờ (tỉ lệ dung dịch/than hoạt tính là 0,55 mL/g), sau đó làm
khô tại 90˚C thu được vật liệu hấp phụ. Vật liệu này được dùng để hấp phụ hơi
thủy ngân trong khoảng 8 giờ ở khoảng nhiệt độ 50 - 200˚C. Tải trọng hấp phụ
của vật liệu được ngâm tẩm trong dung dịch ZnCl
2
1% và 5% lần lượt là 0,50
mg/g và 0,90 mg/g. Tác giả đề nghị các phương trình phản ứng xảy ra trong quá
trình hấp phụ này là:
ZnCl
2

+ C
x
H
y
O
z
 Zn + [Cl
2
C
x
H
y
O
z
]
Hg
0
+ [Cl
-
]  [HgCl]
+
+ 2e
Hg
0
+ 2[Cl
-
]  [HgCl
2
]
+

+ 2e
HgCl
2
+ 2Cl
-
 [HgCl
4
]
2-
Trong nghiên cứu này tác giả cho rằng quá trình hấp phụ của vật liệu chế
tạo bao gồm cả hấp phụ vật lý và hóa học. Với quá trình hấp phụ hóa học thủy
ngân ở dạng hơi đã chuyển sang dạng phức như: [HgCl]
+
, [HgCl
2
], [HgCl
4
]
2-
[9]
d. Than hoạt tính biến tính bằng hợp chất iodua
Yong-Chil Seo và các cộng sự đã sử dụng than hoạt tính với kích thước khoảng
1,1 mm để biến tính bằng Cl và I với quy trình như sau: rửa sạch than với nước
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
11
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
cất 2 lần; làm khô ở 110˚C trong 24h; ngâm tẩm 10 g than với 20mL HCl với
các khoảng nồng độ 0,5N; 1,0N; 5,0N; 10,0N và KI có nồng độ là 1%, 5%,
10%, 20% để ngâm tẩm than hoạt tính trong khoảng 2 giờ tại nhiệt độ 70˚C và
khuấy liên tục; sau đó làm khô tại 110˚C trong 24 giờ.

Bảng 1.1 Tải trọng hấp phụ hơi thủy ngân của các vật liệu trong 4 giờ ở
80˚C
Than hoạt tính
Ngâm tẩm với dung dịch
HCl ở các nồng độ (N)
Ngâm tẩm với dung dịch
KI ở các nồng độ (%)
0,5 1 5 10 1 5 10 20
Tải trọng hấp phụ
của hơi thủy ngân
(mg/g)
0,59 0,57 0,65 0,55 0,60 0,68 0,67 0,69
Bảng 1.2 Tải trọng hấp phụ thủy ngân theo nhiệt độ trong 4 giờ
Nhiệt độ
(˚C)
Tải trọng hấp phụ của
than ngâm tẩm bằng dung
dịch HCl 5N (mg/g)
Nhiệt
độ (˚C)
Tải trọng hấp phụ của than
ngâm tẩm bằng dung dịch
KI 5% (mg/g)
80 0,65 80 0,68
120 0,58 120 0,70
160 0,54 140 0,85
Nhóm tác giả đã đưa ra các phương trình phản ứng của quá trình hấp phụ
hơi thủy ngân như sau:
Với vật liệu tẩm I:
Hg + I

2

+ 2KI  K
2
HgI
4
Hg + I
2
+ 2KI  K
2
HgI
2
Hg + 1/2I
2
 HgI
2KI + HgI + 1/2I
2
 K
2
HgI
4
KI + HgI + 1/2I
2
 KHgI
3
Với vật liệu tẩm Cl:
Hg + Cl  HgCl
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
12
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT

HgCl + Cl  HgCl
2
Hg + Cl
2
 HgCl
2
e. Than hoạt tính biến tính với lưu huỳnh và hợp chất sunfua
Karatza và các cộng sự đã ngâm tẩm than hoạt tính bằng sunfua và thực
hiện hấp phụ hơi thủy ngân, kết quả cho thấy thủy ngân tập trung tại các vị trí có
nồng độ sunfua cao [10].
Cũng trên cơ sở đó, His và các cộng sự đã tiến hành ngâm tẩm sunfua lên
các sợi than hoạt tính; kết quả phân tích vật liệu cho thấy lưu huỳnh tồn tại ở cả
hai dạng nguyên tố và hợp chất. Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của nhiệt độ
đến quá trình ngâm tẩm được khảo sát và nhóm tác giả khẳng định khi nhiệt độ
tăng thì hàm lượng lưu huỳnh nguyên tố giảm nhưng lượng của nó nằm trong
hợp chất lại tăng lên.
Yan và các cộng sự đã nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng lưu huỳnh, các
tác giả cho biết than hoạt tính có ngâm tẩm lưu huỳnh thể hiện khả năng hấp phụ
tốt hơn so với than hoạt tính không được ngâm tẩm và quá trình hấp phụ hơi
thủy ngân của vật liệu xảy ra theo 2 cơ chế hấp phụ vật lý và hóa học. Bên cạnh
đó khi tăng nhiệt độ thì quá trình hấp phụ vật lý giảm còn quá trình hấp phụ hóa
học tăng lên [6, 11].
Liu và các cộng sự khi tổng hợp vật liệu than hoạt tính tẩm lưu huỳnh
cũng cho biết, tỉ lệ lưu huỳnh trên than có thể thay đổi từ 4:1 đến 1:2 và quá
trình hấp phụ này chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng từ 140˚C đến
400˚C, có sự hình thành các phân tử HgS gây chắn các tâm hấp phụ nên quá
trình hấp phụ giảm. Còn việc tăng thời gian tiếp xúc cho thấy khả năng hấp phụ
tăng theo [6, 12].
Bảng 1.3 Tải trọng hấp phụ hơi thủy ngân trên vật liệu tẩm lưu huỳnh ở các
nhiệt độ ngâm tẩm khác nhau

Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
13
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
Nhiệt độ (˚C) 250 400 650
Tổng hàm lượng lưu huỳnh trên sợi than hoạt tính
(%)
64 44 13
Tải trọng hấp phụ hơi thủy ngân (µg/g) 755 11343 1907
Kết quả này cho thấy khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu không
phụ thuộc vào tổng lượng lưu huỳnh trên bề mặt sợi than hoạt tính cũng như
tổng diện tích bề mặt của vật liệu.
Yan và các cộng sự đã nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng lưu
huỳnh, các tác giả cho biết than hoạt tính có ngâm tẩm lưu huỳnh thể hiện khả
năng hấp phụ tốt hơn so với than hoạt tính không được ngâm tẩm và quá trình
hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu xảy ra theo 2 cơ chế hấp phụ vật lý và hóa
học. Bên cạnh đó khi tăng nhiệt độ thì quá trình hấp phụ vật lý giảm còn quá
trình hấp phụ hóa học tăng lên.
Liu và các cộng sự khi tổng hợp vật liệu than hoạt tính tẩm lưu huỳnh
cũng cho biết, tỉ lệ lưu huỳnh trên than có thể thay đổi từ 4:1 đến 1:2 và quá
trình hấp phụ này chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng từ 140˚C đến
400˚C, có sự hình thành các phân tử HgS gây chắn các tâm hấp phụ nên quá
trình hấp phụ giảm.
f. Than hoạt tính dạng sợi gắn nano bạc
Các nhà khoa học đã nghiên cứu, tổng hợp các sợi than hoạt tính với nano
bạc. Ứng dụng hấp phụ hơi thủy ngân và giải hấp để thu hồi vật liệu. Các nghiên
cứu của Yang Guo-hua và các cộng sự về khả năng hấp phụ hơi thủy ngân trong
dòng khí nitơ bằng than hoạt tính ở dạng sợi (ACF - activated carbon fiber) và
than hoạt tính ở dạng sợi có gắn nano bạc (silver-loaded ACF - silver-loaded
activated carbon fiber, trong đó hàm lượng bạc là 14,07%) đã được thực hiện.
Kết quả thu được ở Bảng 1.8 cho thấy, tại 70˚C và sau 12 giờ thực nghiệm, tải

Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
14
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
trọng hấp phụ của hơi thủy ngân trên silver-loaded ACF và ACF đạt kết quả tốt
(so sánh với than hoạt tính dạng bột và than hoạt tính dạng bột có gắn nano bạc).
Bảng 1.4 Tải trọng hấp phụ hơi thủy ngân trên các dạng than hoạt tính
Vật liệu
Than hoạt tính dạng bột Than hoạt tính dạng sợi
Không gắn
bạc
Gắn nano
bạc
Không gắn
bạc
Gắn nano
bạc
Tải trọng hấp phụ (mg/g) 7,0 48,0 29,4 192,3
Như vậy, khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của sợi than hoạt tính có gắn
hạt nano bạc rất tốt, gấp 6,54 lần so trước trước khi được gắn các hạt nano bạc.
Đồng thời hiệu suất đạt được của quá trình giải hấp để thu hồi vật liệu cũng rất
cao, đạt được 94,73% trong 70 phút khi nhiệt độ tăng từ 50˚C đến 650˚C.
1.3.2. Một số vật liệu xử lý thủy ngân khác
a. Vật liệu hấp phụ nền zeolit
Panagiotou và cộng sự đã nghiên cứu đánh giá khả năng loại bỏ thủy ngân
trong khí thải của hai loại zeolit đã xử lý với tác nhân riêng và một loại thứ ba là
zeolit chưa xử lý.Các loại vật liệu này được phun vào dòng khí thải (ở nhiệt độ
130˚C và 230˚C) phát thải trong các quá trình đốt cháy nhiên liệu, không khí,
than đá và các khí khác, với nồng độ thủy ngân trong giới hạn 10 - 70 µg/m3.
Một trong các loại zeolit đã xử lý có thể loại bỏ thủy ngân với hiệu suất 92%
(khả năng hấp phụ là 40 µg/g) khi tỉ lệ khối lượng chất hấp phụ/thủy ngân là

25.000. Tuy khả năng hấp phụ thuỷ ngân của zeolit và than hoạt tính gần như
nhau nhưng zeolit lại có khả năng tái sinh tốt nhờ làm sạch theo nhiệt độ, vì vậy
các chất hấp phụ trên nền zeolit cần được nghiên cứu thêm[13,14].
Nhờ độ ổn định tốt ở nhiệt độ trên 400˚C trong môi trường khí thải có tính
axit, zeolit trở thành lựa chọn tối ưu cho việc hấp phụ thủy ngân của dòng chất
thải. Các nghiên cứu xử lý nước rác bằng vật liệu zeolit đã chỉ ra rằng zeolit có
thể được sử dụng nhằm xử lý an toàn tại bãi chôn lấp[15].
Trong lò phản ứng tầng cố định, khoáng Montmorillonit chứa CuCl2
(CuCl2/Mon) được nghiên cứu đánh giá về khả năng hấp thụ thủy ngân ở 140˚C
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
15
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
trong dòng khí thải tổng hợp chứa 9 ppbv HgO, 500 ppmv SO2, 200 ppmv NO,
12% CO2, 3% O2, 7% H2O và một lượng cân bằng N2. CuCl2/Mon được đánh
giá là chất oxy hóa thủy ngân tốt, oxy hóa 74% thủy ngân và bắt giữ 11% thủy
ngân trong 1 giờ thử nghiệm.
Hàm lượng vết của thủy ngân thường tồn tại trong khí tự nhiên (26-40
ppb khi bẻ gãy dầu mỏ) gây ra nguy hại đối với sự trao đổi trong nhiệt nhôm.Sử
dụng zeolit gắn Ag 4A (Ag/4A) để loại bỏ thủy ngân. Chất hấp phụ có thể đạt
hiệu suất loại bỏ thủy ngân trung bình là 98% trong khí tự nhiên với nồng độ
thủy ngân thấp khoảng 0,25 ppb. Một tính năng độc đáo của chất hấp phụ này là
sau khi bắt giữ thủy ngân, Ag/4A có thể tái sinh ở 340˚C. Ag/4A đã được nghiên
cứu trong một thí nghiệm tiếp theo với hơn 100 chu kỳ hấp phụ/tái sinh, mỗi lần
bao gồm 20 giờ hấp phụ, 3 giờ tái sinh và sau đó là 1 giờ làm lạnh. Trong một
kiểm nghiệm riêng biệt với 151 giờ xử lý nhiệt độ tại 340˚C, tiếp theo là qua 5
giờ xử lý nhiệt tại 500˚C, Ag/4A đã chứng minh khả năng ổn định nhiệt tốt.
Nhìn chung, Ag/4A được đánh giá là chất hấp phụ thủy ngân có hiệu quả với
đặc tính tái sinh tốt[2].
So với than hoạt tính, zeolit có khả năng hấp phụ hơi thủy ngân thấp hơn
nhưng lại có khả năng chịu nhiệt tốt trong môi trường axit, thuận lợi trong tái

sinh và giảm thiểu chi phí khi sử dụng. Vì zeolit có một cấu trúc không tinh vi
và linh hoạt, nên nó thỏa mãn là một pha nội tốt trong việc bắt giữ với các phần
tử hoạt động khác nhau. Vì vậy, zeolit có thể là một chất hỗ trợ tốt với sự hấp
phụ thủy ngân. Thông qua sự trao đổi ion, kim loại được đưa lên zeolit ở dạng
ion (chẳng hạn như các proton, tốt nhất là cation đồng và bạc) để trung hòa điện
tích trong cấu trúc. Zeolit đã xử lý thể hiện tiềm năng lớn trong việc kiểm soát
phát thải thủy ngân với khả năng tái sinh tốt và khả năng hấp phụ cao.
b. Vật liệu hấp phụ gắn nano TiO2
Trong những năm gần đây các ứng dụng khác nhau của TiO2 trong các
vật liệu xúc tác, tế bào năng lượng mặt trời, các thiết bị điện… đã được chứng
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
16
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
minh.Trên cơ sở đó Tai Gyu Lee và các cộng sự đã nghiên cứu và tổng hợp vật
liệu sợi nanotitanosilicate để hấp phụ hơi thủy ngân. Khảo sát các tỉ lệ khác nhau
của titanium tetraisopropoxide (TTIP) và tetraethyl orthosilicate (TEOS); lần
lượt là 2:1, 4:1, 10:1, 12:1 theo khối lượng), hỗn hợp sau khi trộn được khuấy
đều tại nhiệt độ phòng trong 20 phút. Sau đó chúng được đưa lên tấm kính có
kích thước 75x25 mm2, tấm kính được quay đều với tốc độ 22-23 vòng/phút,
dưới ngọn lửa 1450-1550˚C (nhiệt độ đo được tại tâm ngọn lửa), sao cho tránh
sự bay hơi và phân hủy. Để thu được 40 mg, cần khoảng thời gian 90 giờ. Quá
trình hoàn tất người ta thu được các sợi nanotitanosilicate với đường kính của
sợi khoảng 50-100 nm, những sợi dài có thể đến vài chục µm. Dựa trên dữ liệu
phổ Raman thu được, người ta thấy tại tỉ lệ 12:1 cấu trúc tinh thể hình thành và
thể hiện tính chất điện của xúc tác quang này. Trong dòng khí mang là không
khí, vật liệu này cho hiệu suất loại bỏ hơi thủy ngân cao dưới các loại nguồn
sáng khác nhau,cụ thể như với ánh sáng mặt trời đạt hiệu suất 51%, còn với ánh
sáng huỳnh quang thì vừa cho hiệu suất cao (88%) lại vừa giảm chi phí của quá
trình. Phản ứng bắt giữ thủy ngân được đề nghị theo phương trình:
Ti-OH

*
+ Hg  Ti-HgOH + OH
*
 Ti-HgO + H
2
O
Một nhóm tác giả của Trường Đại học Florida dựa trên ứng dụng của hạt
nano TiO2 (xúc tác quang hóa được phát triển gần đây để loại bỏ thủy ngân hiệu
quả) để phát triển vật liệu SiO2-TiO2. Dưới bức xạ UV, các gốc OH được tạo ra
trên bề mặt TiO2 và oxy hóa Hg0 thành HgO dưới áp suất thấp, cơ chế phản ứng
được miêu tả như sau:

Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
17
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
Trên cơ sở đó, người ta sử dụng hạt nano SiO2-TiO2 làm xúc tác quang
hóa cho sự loại bỏ hơi thủy ngân, vật liệu này có diện tích bề mặt cao, cấu trúc
mở, cho phép bắt tia UV hiệu quả và chịu được sự truyền khối ở mức độ nhỏ
nhất đối với Hg0. Hiệu suất loại bỏ thủy ngân của vật liệu này đạt đến 99% ở độ
ẩm tương đối thấp ở nhiệt độ phòng. Thực tế cho thấy, trong dòng khí thải của
nhà máy than nhiệt điện, hàm lượng nước chiếm từ 6 đến 12% thể tích khí, cao
hơn so với độ ẩm bình thường ở nhiệt độ phòng. Thực nghiệm phản ứng hấp phụ
tại 1350C với tốc độ dòng 2,0 lít/phút, nồng độ đầu vào của thủy ngân 75-80
µg/m3, có mặt của H2O khoảng 4 - 16% về thể tích và một số khí khác, hiệu
suất loại bỏ hơi thủy ngân đạt hơn 90%.
c. Một số vật liệu hấp phụ nền khác
* Vật liệu hấp phụ nền boxit
Do độ bền nhiệt của thủy ngân cũng như các chất hấp phụ thủy ngân trên
nền than thấp, người ta đã tiến hành các thực nghiệm khảo sát khả năng hấp phụ
hơi thủy ngân của boxit. Quặng boxit có diện tích bề mặt cao hơn nhiều so với

các vật liệu khác, góp phần làm tăng khả năng hấp phụ thủy ngân. Người ta cũng
tin rằng sự truyền khối từ pha khí đến bề mặt tiếp xúc khí – rắn nhiều hơn sự
khuếch tán nội hoặc hấp phụ tại bề mặt của chất hấp phụ, đây là bước kiểm soát
đối với sự bắt giữ thủy ngân. Các nhân tố khác thì ảnh hưởng vừa hoặc rất ít đối
với chất hấp phụ thủy ngân gồm có sự ngâm tẩm lưu huỳnh, lưu lượng không
khí cũng như kích thước hạt của chất hấp phụ.
* Vật liệu hấp phụ nền đất sét
Độ xốp, diện tích bề mặt hình học, tỉ lệ lưu huỳnh/khối lượng, và sự thêm
vào của lưu huỳnh có thể tác động đến khả năng bắt giữ thủy ngân của chất hấp
phụ.Mendioroz và cộng sự đã kiểm tra bản chất của sợi trên nền sét magiê
silicat.Đất sét ngâm tẩm với lưu huỳnh là một vật liệu tiềm năng rẻ tiền thay thế
cho than hoạt tính trong sự kiểm soát phát thải thủy ngân.Khả năng hấp phụ thủy
ngân của vật liệu tẩm lưu huỳnh được tìm thấy là 603 mg/g tại 47˚C trong môi
trường mà nồng độ thủy ngân là 90 mg/m3[4]
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
18
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
* Vật liệu nền canxi[14]
Các chất hấp phụ nền canxi như Ca(OH)2 đạt hiệu suất bắt giữ HgCl2 đến
85%, CaO hấp phụ tốt HgCl2 ở 1000C; nhưng lại hấp phụ ít Hg0; do vậy người
ta nghiên cứu để tạo liên kết mạnh hơn giữa Hg0 và vật liệu nền canxi. Do vậy,
người ta đã nghiên cứu 3 loại: CaO, Ca(OH)2, hỗn hợp gồm Ca(OH)2 và tro
bay.
Thực nghiệm với CaO ở nhiệt độ 125
0
C trong 32 phút, khí thải có tốc độ
dòng 1 lít/phút, lượng thủy ngân đầu vào 18,4 µg/m
3
, tỷ lệ chất hấp phụ và thủy
ngân 6,3 x 10

4
:1, dung lượng hấp phụ của vật liệu khi có và không có sự hiện
diện của SO
2
theo Bảng 1.5.
Bảng 1.5 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu CaO
Chất hấp phụ CaO Dung lượng hấp phụ (µg/g)
Không có SO
2
trong dòng thải 0,73
Có SO
2
trong dòng thải 1,20
Thực nghiệm với Ca(OH)
2
ở nhiệt độ 125
0
C trong 32 phút, khí thải có tốc
độ dòng 1 lít/phút, lượng thủy ngân đầu vào 19,9 µg/m
3
, tỷ lệ chất hấp phụ và
thủy ngân 6,3 x 10
4
:1, dung lượng hấp phụ của vật liệu khi có và không có sự
hiện diện của SO
2
theo Bảng 1.6.
Bảng 1.6 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu Ca(OH)
2
Chất hấp phụ Ca(OH)

2
Dung lượng hấp phụ (µg/g)
Không có SO
2
trong dòng thải 0,54
Có SO
2
trong dòng thải 1,15
Với hỗn hợp Ca(OH)
2
và tro bay, khí thải có tốc độ dòng 1 lít/phút, lượng
thủy ngân đầu vào 21,47 µg/m
3
, tỷ lệ chất hấp phụ và thủy ngân 6,3 x 10
4
:1,
thực hiện ở nhiệt độ 125
0
C trong 42 phút, dung lượng hấp phụ của vật liệu khi
có và không có sự hiện diện của SO
2
theo Bảng 1.7.
Bảng 1.7 Dung lượng hấp phụ hơi thủy ngân của hỗn hợp vật liệu Ca(OH)
2
và tro bay
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
19
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
Chất hấp phụ Ca(OH)
2

và tro
bay
Dung lượng hấp phụ (µg/g)
Không có SO
2
trong dòng thải 3,37
Có SO
2
trong dòng thải 4,83
Kết quả này chỉ ra rằng, SO
2
đã phản ứng với chất hấp phụ nền canxi tạo
ra các vị trí hoạt động trên bề mặt chất hấp phụ, tại đó xảy ra sự oxy hóa Hg
0
thành Hg
2+
và giúp tăng cường khả năng hấp phụ hơi thủy ngân, liên quan đến
cơ chế hấp phụ hóa học. Đề nghị các phản ứng xảy ra trên bề mặt như sau:
* Vật liệu nền sắt oxit
Các tác giả đã sử dụng sắt oxit (Fe
2
O
3
.H
2
O) và sắt oxit được lưu huỳnh
hóa (hàm lượng lưu huỳnh 28,05% nằm ở dạng lưu huỳnh nguyên tố hoặc FeS
x
)
để loại bỏ hơi thủy ngân từ dòng khí thải thoát ra theo mô hình mô phỏng của

nhà máy than nhiệt điện. Họ thấy rằng sắt oxit được lưu huỳnh hóa có khả năng
loại bỏ hơi thủy ngân cao hơn sắt oxit vì có khả năng tạo ra 1 dạng rất bền là
HgS. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân là 3,9 mg/g và hiệu suất loại bỏ thủy ngân
là 95% tại nhiệt độ 120
0
C và với dòng hơi thủy ngân có tốc độ thổi khí 400
mL/phút - 60,9 µg/m
3
. Vì vậy, sắt oxit được lưu huỳnh hóa là một trong những
chất hấp phụ loại bỏ hiệu quả hơi thủy ngân.
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
20
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
1.4. Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ
Khái niệm
Khái niệm: Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách các pha
(khí–rắn, lỏng–rắn, khí–lỏng, lỏng–lỏng). Chất có bề mặt, trên đó xảy ra sự hấp
phụ được gọi là chất hấp phụ, còn chất được tích lũy trên bề mặt chất hấp phụ
gọi là chất bị hấp phụ.
Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất hấp
phụ và chất bị hấp phụ. Thông thường quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt.
Tùy theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là
hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
1.4.1. Hấp phụ vật lý
Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân
tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu. Đó là
tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực
định hướng. Lực liên kết này yếu nên dễ bị phá vỡ.
Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ
không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà

chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề
mặt chất hấp phụ. Trong hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn (10–40
kJ/mol).
1.4.2. .Hấp phụ hóa học (hấp phụ hoạt hóa)
Hấp phụ hóa học là kết quả của sự tương tác hóa học giữa chất rắn và chất
bị hấp phụ. Nhiệt phát trong hấp phụ hóa học thường lớn cỡ nhiệt phản ứng (lớn
hơn 40 kJ/mol).
Trong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ và chất bị hấp phụ phức tạp
hơn rất nhiều vì trong hệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác: nước, chất hấp
phụ và chất bị hấp phụ. Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
21
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
trình hấp phụ cạnh tranh giữa chất bị hấp phụ và dung môi trên bề mặt chất hấp
phụ. Cặp nào có tương tác mạnh thì hấp phụ xảy ra cho cặp đó. Tính chọn lọc
của cặp tương tác phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan của chất bị hấp phụ trong
nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mức độ kị nước của các chất
bị hấp phụ trong môi trường nước.
So với hấp phụ trong pha khí, sự hấp phụ trong môi trường nước thường
có tốc độ chậm hơn nhiều. Đó là do tương tác giữa chất bị hấp phụ với dung môi
nước và với bề mặt chất hấp phụ làm cho quá trình khuếch tán của các phân tử
chất tan chậm.Sự hấp phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiều bởi pH
của môi trường. Sự thay đổi pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi về bản chất bị
hấp phụ (các chất có tính axit yếu, bazo yếu hay trung tính phân ly khác nhau ở
các giá trị pH khác nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặt
hấp phụ.
1.4.3. Cân bằng hấp phụ và tải trọng hấp phụ
a. Cân bằng hấp phụ
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phân tử chất bị hấp
phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha

mang. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì
tốc độ di chuyển ngược lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc
độ hấp phụ bằng tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt
cân bằng.
Một hệ hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một
hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ:
q= f (T<P hoặc C)
b. Tải trọng hấp phụ
Tải trọng hấp phụ cân bằng là đại lượng biểu thị khối lượng của chất bị hấp
phụ trên một đơn vị khối lượng của chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng, ở một
nồng độ và nhiệt độ xác định.
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
22
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
m
VCC
q
fi
).(
−
=
Trong đó:
V: Thể tích dung dịch
m: khối lượng chất hấp phụ
C
i
: Nồng độ dung dịch đầu
C
f
: Nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ

Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt có ý nghĩa và vai trò quan trọng trong việc
đánh giá hiệu quả của một mô hình hấp phụ. Đường hấp phụ đẳng nhiệt mô tả sự
phụ thuộc giữa tải trọng hấp phụ vào nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong
dung dịch tại một điều kiện xác định. Các hằng số trong các phương trình hấp phụ
đẳng nhiệt là các chỉ số đánh giá các tính chất và ái lực bề mặt của các chất hấp
phụ.
Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt thường được sử dụng là các mô hình hấp
phụ đẳng nhiệt Langmuir, Freundlich.
 Phương trình Langmuir
Khi thiết lập phương trình hấp phụ Langmuir, người ta xuất phát từ các giả
thiết sau:
- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định gọi
là trung tâm hoạt động.
- Mỗi trung tâm hoạt động chỉ hấp phụ một tiểu phân.
- Bề mặt vật liệu hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trên
các trung tâm hoạt động là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các
tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh.
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
23
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir được biểu diễn bởi phương trình:
q = q
max
.
Trong đó:
- q, q
max
: tải trọng và tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu (mg/g)
- C : nồng độ dung dịch tại thời điểm cân bằng
- b : hệ số của phương trình (được xác định từ thực nghiệm)

+ Khi nồng độ C nhỏ, bC <<1 → q q
max
. bC Đường biểu diễn mối quan hệ
giữa C và q là đường thẳng tuyến tính, đi qua gốc tọa độ.
+ Khi nồng độ C lớn, bC >> 1 → q = q
max
Đường biểu diễn mối quan hệ giữa
C và q là đường thẳng ngang, song song với trục hoành, thể hiện tải trọng hấp phụ
cực đại của vật liệu.
Hình 1.4: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
Để xác định các hằng số trong phương trình Langmuir, ta có thể viết
phương trình này dưới dạng:
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
24
§å ¸n tèt nghiÖp Khoa CNSH&MT
= + . C
Đường biểu diễn mối quan hệ giữa C/q và C là đường thẳng có độ dốc là
1/ q
max
và cắt trục tung tại 1/ b.q
max
:
Hình 1.5: Đồ thị xác định các hằng số trong phương trình Langmuir
Từ đồ thị, ta xác định được tải trọng hấp phụ cực đại của vật liệu:
q
max
=
 Phương trình Freundlich
Kết quả này có thể giải thích:
- Do tương tác đẩy giữa các phần tử, phần tử hấp phụ sau bị đẩy bởi các

phần tử hấp thụ trước, do đó nhiệt hấp phụ giảm khi tăng độ che phủ bề mặt.
- Do bề mặt không đồng nhất, các phần tử hấp phụ trước chiếm các trung
tâm hấp phụ mạnh có nhiệt hấp phụ lớn hơn, về sau chỉ còn lại các trung tâm hấp
phụ có nhiệt hấp phụ thấp hơn.
Đồng thời Freundlich đưa ra phương trình mô tả hiện tượng hấp phụ:
q = k. C
1/n
k: Hằng số phụ thuộc vào diện tích bề mặt, nhiệt độ và một số yếu tố khác.
n: Hằng số chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn lớn hơn 1.
Ph¹m ThÞ Hång Thñy MSSV: 510303047
25