Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ hơi Hg trên cơ sở biến tính than hoạt tính Trà Bắc với lưu huỳnh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-----------------------

Đoàn Văn Hưởng

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ HƠI Hg TRÊN CƠ SỞ
BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH TRÀ BẮC VỚI LƯU HUỲNH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-----------------------

Đoàn Văn Hưởng

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU HẤP PHỤ HƠI Hg TRÊN CƠ SỞ
BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH TRÀ BẮC VỚI LƯU HUỲNH

Chuyên ngành: Hoá Môi trường
Mã số: 60.44.41

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS. TS ĐỖ QUANG TRUNG

TS. CHU XUÂN QUANG

Hà Nội - 2015


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin cảm ơn PGS. TS Đỗ Quang Trung, TS. Chu Xuân Quang đã
giao đề tài và tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian thực hiện luân luận văn.
Cảm ơn các thầy cô, các anh chị, các bạn và các em sinh viên Phòng Thí
nghiệm Nghiên cứu Triển khai Tiến bộ Khoa học Công nghệ - Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên; Phòng Thí nghiệm Hoá Môi trường – Khoa Hóa học Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của lãnh đạo, anh chị
em cán bộ công nhân viên làm việc tại Lò đốt rác thải của chi nhánh Công ty
TNHH đầu tư thương mại Hoàng Long đặt tại huyện Lương Sơn – Hòa Bình
trong suốt thời gian tôi thực hiện công việc tại đây.
Trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, 11/2015
Học viên

Đoàn Văn Hưởng


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

2

1.1. Tính chất và độc tính của thủy ngân

2

1.2. Các nguồn phát thải hơi thủy ngân

2

1.2.1. Khai thác và sử dụng than đá

3

1.2.2. Sản xuất và thải bỏ bóng đèn huỳnh quang

4

1.2.3. Đốt rác thải y tế, rác thải sinh hoạt

6

1.2.4. Một số hoạt động khác

7

1.3. Hiện trạng ô nhiễm hơi thủy ngân ở Việt Nam

8

1.4. Tổng quan về một số vật liệu hấp phụ hơi Hg

9

1.4.1. Vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân trên cơ sở biến tính than hoạt tính

9

1.4.2. Các vật liệu hấp phụ hơi thủy ngân khác
Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM

14
17

2.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn

17

2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu

17

2.1.2 Nội dung nghiên cứu

17

2.2. Hóa chất dụng cụ và nguyên vật liệu

17

2.1.1. Hóa chất dụng cụ

17

2.1.2. Nguyên vật liệu

17

2.3. Thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân

18

2.4. Thiết bị xử lý khí thải lò đốt rác quy mô 3-5m3/giờ

20

2.5. Các phƣơng pháp xác định hơi Hg

21

2.5.1. Phương pháp trắc quang với thuốc thử dithizon

22

2.5.2. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử bay hơi lạnh

22

2.6. Xác định đặc trƣng của vật liệu

23

2.6.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM – Scanning Electronic
Microscopy)

23

2.6.2. Đo phổ hồng ngoại (IR)

23

2.6.3. Xác định diện tích bề mặt riêng

23

2.7. Đánh giá khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của các vật liệu

23

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

25

3.1. Đánh giá, lựa chọn vật liệu biến tính phù hợp hấp phụ xử lý hơi thủy
ngân

25

3.1.1. Khảo sát khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của một số vật liệu chưa
biến tính

25

3.1.2. Khảo sát khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than biến tính bằng lưu
huỳnh và một số hợp chất có lưu huỳnh

25

3.2. Nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng lƣu huỳnh nguyên tố

26

3.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh đến khả năng hấp phụ
của vật liệu

26

3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến quá trình chế tạo vật liệu

27

3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung vật liệu

29

3.2.4. Đánh giá khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu AC-S5-2

31

3.3. Xác định một số đặc trƣng vật liệu

33

3.4. Bƣớc đầu sử dụng vật liệu AC-S5-2 vào mô hình thiết bị xử lý khí
thải lò đốt rác quy mô 3-5m3/giờ

37

KẾT LUẬN

40

Tài liệu tham khảo

41


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tải trọng hấp phụ cân bằng hơi thủy ngân của các vật liệu nền
BPL (µg/g)
Bảng 3.1. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của vật liệu chưa biến tính ở
30oC
Bảng 3.2. Khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than biến tính bằng lưu
huỳnh và một số hợp chất có lưu huỳnh
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh đến khả năng hấp phụ hơi
thủy ngân của vật liệu

Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến dung lượng hấp phụ của vật
liệu AC-S3
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến dung lượng hấp phụ của vật
liệu AC-S5
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của thời gian nung đến khả năng hấp phụ của vật liệu
AC-S5
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của
vật liệu AC-S5-2
Bảng 3.8. Kết quả xác định dụng lượng hấp phụ cân bằng của vật liệu
Bảng 3.9. Nồng độ Hg trong khí thải của lò đốt rác sau hệ thống xử lý thông
thường
Bảng 3.10. Kết quả thử nghiệm thực tế của thiết bị xử lý hơi thủy ngân tại lò
đốt rác

12
25
26
27
28
28
30
31
32
37
38


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Các nguồn phát thải thuỷ ngân vào môi trường không khí

3

Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi Hg

20

Hình 2.2. Thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân

20

Hình 2.3. Sơ đồ thiết bị hấp phụ hơi thủy ngân công suất 3-5m3/giờ

21

Hình 2.4. Pilot xử lý hơi thủ ngân đặt tại khu vực đốt rác huyện Lương Sơn
– Hòa Bình thuộc chi nhánh Công ty TNHH đầu tư thương mại Hoàng Long

21

Hình 3.1. So sánh khả năng hấp phụ hơi thủy ngân của than biến tính bằng
lưu huỳnh và một số hợp chất có lưu huỳnh

26

Hình 3.2. So sánh ảnh hưởng của hàm lượng lưu huỳnh đến khả năng hấp
phụ hơi thủy ngân

27

Hình 3.3. . So sánh ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến dung lượng hấp phụ

của vật liệu AC-S3

28

Hình 3.4 So sánh ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến dung lượng hấp phụ của
vật liệu AC-S5

29

Hình 3.5. So sánh ảnh hưởng của thời gian nung vật liệu đến khả năng hấp
phụ của vật liệu AC-S5

30

Hình 3.6. Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng hấp phụ hơi thủy
ngân của vật liệu AC-S5-2

31

Hình 3.7. Đường cong tích lũy của vật liệu

33

Hình 3.8. Đồ thị tọa độ BET của than hoạt tính

34

Hình 3.9. Đồ thị tọa độ BET của vật liệu AC-S5-2

34

Hình 3.10. Đồ thị tọa độ BET của vật liệu AC-S30-2

35

Hình.3.11. Phổ hồng ngoại của than trước khi biến tính

36

Hình 3.12. Phổ hồng ngoại của vật liệu AC-S5-2

36

Hình 3.13. Ảnh SEM của than chưa biến tính và của vật liệu AC-S5-2

37


MỞ ĐẦU
Ô nhiễm hơi thủy ngân trong môi trường không khí hiện đang là vấn đề quan
tâm của nhiều quốc gia trên thế giới, không chỉ bởi kim loại này có độc tính cao mà
hàng ngày con người đang đưa vào khí quyển một lượng thủy ngân khổng lồ thông
qua việc đốt các loại nhiên liệu hóa thạch, rác thải và các hoạt động công nghiệp khác.
Mặc dù đã có những khuyến cáo về việc hạn chế sử dụng thủy ngân trong một số lĩnh
vực sản xuất công nghiệp, tuy nhiên, những dấu hiệu tích cực chỉ thấy ở những nước
phát triển trong khi ở những nước đang phát triển lại có xu hướng tăng do có sự dịch
chuyển một số ngành sản xuất (sử dụng thủy ngân) từ các nước phát triển sang những
nước đang phát triển.
Có nhiều phương pháp để kiểm soát hơi thủy ngân phát thải vào không khí,
nhưng xử lý thủy ngân tại nguồn là một phương pháp hiệu quả như phương pháp lọc

ẩm có thể loại bỏ 80-90% Hg(II) nhưng hầu như không xử lý được Hg0, bởi vì nó hầu
như không tan và không có phản ứng trong môi trường nước. Do vậy, lượng thủy ngân
còn lại sau xử lý vẫn cần được xử lý bổ trợ bằng các phương pháp khác để xử lý triệt
để như các phương pháp dựa trên nguyên lý hấp phụ. Than hoạt tính được mang lên bề
mặt một số như nguyên tố lưu huỳnh hay halogen có thể tăng khả năng hấp phụ thủy
ngân và kiểm soát tốt sự phát tán của chúng vào môi trường.
Ở nước ta hiện nay, các cơ sở có phát thải thủy ngân vào không khí như các lò
đốt nhiên liệu hóa thạch, lò đốt rác thải, các cơ sở xử lý, tái chế các loại bóng đèn
huỳnh quang…hầu như không có hệ thống xử lý hơi thủy ngân kim loại. Do vậy, đề tài
“Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ hơi Hg trên cơ sở biến tính than hoạt tính
Trà Bắc với lưu huỳnh” góp phần nghiên cứu, chế tạo ra loại vật liệu phù hợp hấp
phụ hơi thủy ngân trên cơ sở các nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước.

1


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Trần Hồng Côn, Đỗ Quang Trung, Hoàng Văn Hà, Phương Thảo, Đồng Kim Loan,
Đoàn Văn Hưởng, Dương Quốc Văn (2014), “Thiết kế, chế tạo thiết bị nghiên cứu
hấp phụ xử lý hơi thủy ngân từ quá trình xử lý, tái chế bóng đèn huỳnh quang và
đốt rác thải”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập
30 (Số 5s), 14-21.
2. Nguyễn Thanh Hải, (2014), “Khảo sát tình hình ô nhiễm không khí tại một số cơ sở
đốt rác và tái chế chất thải”, Tuyển tập báo cao hội thảo Các công nghệ và
phương pháp xử lý ô nhiễm hơi thủy ngân
3. Nguyễn Đức Huệ (2010), Giáo trình Độc học môi trường, Nhà xuất bản Đại học
Quốc Gia Hà Nội.
4. Hoàng Nhâm (2005), Hóa vô cơ, Nhà xuất bản Giáo dục.
5. Huỳnh Việt Quang, Tạ Quốc Dũng (2012), “Nghiên cứu phương pháp xử lý thủy

ngân trong khai thác khí”, Tạp chí Dầu khí (Số 4) 55-57
Tiếng Anh
6. C. Battistoni, E. Bemporad, A. Galdikas, S. Kačiulis, G. Mattogno, S.Mickevičius,
V. Olevano (1996), “Interaction of mercury vapour with thin films of gold”, Appl.
Surf. Sci. 103, pp. 107–111
7. C. D. Livengood, and M. H. Mendelsohn (1997), “Improved mercury control in wet
scrubbing through modified speciation”, Presented at the EPRIDOE-EPA
Combined Utility Air Pollutant Control Symposium, Washington, D.C
8. Chuanmin Chen, Jianhua Zhang (2011), “The effect of anions on mercury reemission from wet flue gas desulfurization liquors”, The fourth international
conference on intelligent computation technology and automation.
9. D.Wang, Lei He, S.Wei, X.Feng (2006), “Estimation of mercury emission from
different sources to atmosphere in Chongqing, China”, Science of the Total
Environment 366, 722–728
10. E. Pitoniak, C.Y. Wu, D.W. Mazyck, K.W. Powers, W. Sigmund (2005),
“Adsorption enhancement mechanisms of silica–titania nanocomposites for
elemental mercury vapor removal”, Environ. Sci. Technol. 39, pp. 1269–1274
11. H. Hsi, M.J. Rood, M. Rostam-Abadi (2000), “Effects of sulfur impregnation
temperature on the properties and mercury adsorption capacities of activated
carbon fibers (ACFs)”, Environ. Sci. Technol. 25, 2785-2791.
41


12. H. Yang et al. (2007), “Adsorbents for capturing mercury in coal-fired boiler flue
gas”, Journal of Hazardous Materials 146, 1–11,
13. H. Zeng et al. (2004), “Removal of elemental mercury from coal combustion flue
gas by chloride-impregnated activated carbon”, Fuel, 83, 143–146
14. J. Dong, Z. Xu, S.M. Kuznicki (2009), “Mercury removal from flue gases by novel
regenerable magnetic nanocomposite sorbents”, Environ. Sci. Technol. 43, pp.
3266–3271.
15. J. Johnson (2001), Power plants to limit mercury, C&EN 79 (1).

16. Despina Karatza, Amedeo Lancia, Dino Musmarra, Clelia Zucchini (2000), “Study
of mercury absorption and desorption on sulfur impregnated carbon”,
Experimental Thermal and Fluid Science 21, 150-155.
17. L. DazA, S. MENDIOROZ, J. A. PAJARES (1991) “MERCURY ADSORPTION
BY SULFURIZED FIBROUS SILICATES” Clays and Clay Minerals, Vol. 39,
No. 1, 14-21.
18. Min Jang, Seung Mo Hong, Jae K. Park (2005), “Characterization and recovery of
mercury from spent fluorescent lamps”, Waste Management 25, 5–14
19. N.D. Hutson, B.C. Attwood, K.G. Scheckel (2007), “XAS and XPS
characterization of mercury binding on brominated activated carbon”, Environ.
Sci. Technol. 41, pp. 1747–1752.
20. REN Jian-li, CHEN Jun-jie, LUO Yu-ya (2009), “Research on vapor mercury
adsorption by Ca-based sorbents”, International conference on energy and
environment technology.
21. Rob Rieck, Ken Zarker (2007), “HWTR program manager Fluorescent Lamp
Recycling in Washington State”, Washington State, Department of Ecology.
22. Sandra Vitoloa, Roberto Pini (1999) “Deposition of sulfur from H2S on porous
adsorbents and effect on their mercury adsorption capacity”, Geothermics, 28, pp.
341- 354.
23. Sang-Sup Lee, Joo-Youp Lee, Tim C. Keener (2009), “The effect of methods of
preparation on the performance of cupric chloride-impregnated sorbents for the
removal of mercury from flue gases”, Fuel Processing Technology, 88, pp. 2053–
2056
24. Sang Tae Chung, Kwang Il Kim, Yu Ran Yun (2009), “Adsorption of elemental
mercury vapor by impregnated activated carbon from a commercial respirator
cartridge”, Powder Technology, 192, pp. 47–53.

42

25. S.B. Ghorishi, R.M. Keeney, S.D. Serre (2002), “Development of a Climpregnated activated carbon for entrained-flow capture of elemental mercury”,
Environ. Sci. Technol. 36, pp. 4454–4459.
26. Shengji Wu, Md. Azhar Uddin *, Eiji Sasaoka (2006), “Characteristics of the
removal of mercury vapor in coal derived fuel gas over iron oxide sorbents”, Fuel
85, 213–218
27. S.H. Liu, N.Q. Yan, Z.R. Liu, Z. Qu, H.P.Wang, S.G. Chang, C. Miller (2007),
“Using bromine gas to enhance mercury removal from flue gas of coal-fired power
plants”, Environ. Sci. Technol. 41, pp. 1405–1412.
28. Sung Jun Lee, Yong-Chil Seo, Jongsoo Jurng, Tai Gyu Lee (2004), “Removal of
gas-phase elemental mercurybyiodine- and chlorine-impregnated activated
carbons” , Atmospheric Environment 38, 4887–4893.
29.Thomai Panagiotou, Joseph R. Morency, Constane L. Senior (2000),
“LABORATORY DUCT INJECTION OF A ZEOLITE-BASED MERCURY
SORBENT”, Presented at the Annual Meeting of the Air & Waste Management
Association, Salt Lake City, UT.
30. UNEP Global Mercury Assessment (2013), Sources, Emissions, Releases and
Environmental Transport.
31. Wenguo Feng; Seokjoon Kwon; Xue Feng; Eric Borguet; and Radisav D. Vidic
(2006), “Sulfur Impregnation on Activated Carbon Fibers through H2S Oxidation
for Vapor Phase Mercury Removal”, Carbon, 44, pp. 2998–3004
32. Witoon Apisitpuvakul, Pornpote Piumsomboon, Daniel J. Watts, Woranut
Koetsinchai (2008), “LCA of spent fluorescent lamps in Thailand at various rates
of recycling”, Journal of Cleaner Production 16.
33. Y. Liu (2009), “Zeolite-supported silver nanoparticles for coal-fired power plant
mercury emission control”, Ph.D. Thesis, University of Alberta, Edmonton,
Alberta, Canada.
34. Y.Liu, Z.Zhan, F.Du, S.Kong, (2009), “Indoor air concentrations of mercury
species in incineration plants for municipal solid waste (MSW) and hospital waste
(HW)”, Chemosphere 75, 266–271
35. Yoshimi Matsumuray (1974), “Adsorption of mercury vapor on the surface of

activated carbon modified by oxidation or iodization”, Atmospheric environment,
vol.8, 1321 – 1327.
36. Ying Li, Patrick Murphy, Chang-Yu Wu (2008), “Removal of elemental mercury
from simulated coal-combustion flue gas using a SiO –TiO nanocomposite”, Fuel
Processing Technology 89, 567 – 573
43