Đồ án Nghiên cứu khả năng biến tính tro bay bằng chất hoạt động bề mặt ứng dụng hấp phụ ion Hg2+

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian làm việc và nghiên cứu đề tài "Nghiên cứu khả năng biến tính
tro bay bằng chất hoạt động bề mặt ứng dụng hấp phụ ion Hg 2+" đã được hoàn thành tại
Phòng Hoá lý vật liệu phi kim loại - Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện Hàn lâm Khoa học
và Công nghệ Việt Nam.
Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy giáo – GS.TS. Thái
Hoàng và thầy giáo – PGS.TS. Nguyễn Anh Dũng đã luôn giúp đỡ, tạo điều kiện, luôn
tận tình, chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt thời gian qua để em từng bước xây dựng và
hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.
Đồng thời em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thúy Chinh, học viên cao học
Nguyễn Thị Tuyết và các cán bộ Phòng Hoá lý vật liệu phi kim loại, Viện Kỹ thuật
nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ
tạo hết mọi điều kiện thuận lợi cho em trong thời gian em làm việc tại phòng.
Trong thời gian thực tập tại Phòng Hoá lý vật liệu phi kim loại, Viện Kỹ thuật
nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam em đã được làm việc và được
sự chỉ bảo, giúp đỡ của thầy, anh chị trong phòng giúp em hiểu biết sâu thêm về những
kiến thức đã được học ở trường và những kiến thức ở ngoài thực tế. Sau thời gian thực
tập em đã tích luỹ được nhiều kinh nghiệm quý báu giúp em rất nhiều có quá trình làm
việc trong tương lai sắp tới.
Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Lọc hóa dầu,
Trường Đại học Mỏ địa chất Hà Nội, nơi em đã được đào tạo và hoàn thành đồ án tốt
nghiệp này.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện giúp
đỡ và động viên em trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Hà Nội, tháng 6 năm 2017
Sinh viên
Kim Thanh Hà


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................1

MỤC LỤC..................................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT.................................................4
DANH MỤC CÁC BẲNG BIỂU.................................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ......................................................................5
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................................3
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM.................................................................................21
2.1. Nguyên liệu và hóa chất.....................................................................................21
2.2. Thiết bị nghiên cứu và dụng cụ..........................................................................21
2.3. Xử lý tro bay bằng dung dịch NaOH và các chất hoạt động bề mặt...................21
2.3.1. Xử lý tro bay bằng dung dịch NaOH...........................................................21
2.3.2. Biến tính tro bay bằng chất hoạt động bề mặt SDS......................................22
2.3.3. Biến tính tro bay bằng chất hoạt động bề mặt MPTMS...............................22
2.3.4. Biến tính tro bay bằng chất hoạt động bề mặt MBT.....................................22
2.4. Các phương pháp xác định đặc trưng của tro bay chưa xử lý và đã xử lý..........23
2.4.1. Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)................................23
2.4.2. Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện quét (SEM)..........................................24
2.4.3. Phương pháp nhiễn xạ tia X.........................................................................24
2.4.4. Phương pháp phổ tử ngoại khả kiến (UV – VIS).........................................25
2.4.5. Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng (BET)...................................26
2.5. Xác định khả năng hấp phụ ion Hg2+ của tro bay chưa xử lý và đã xử lý.........27
2.5.1. Xác định khả năng hấp phụ ion Hg2+ của tro bay chưa xử lý và đã xử lý...27
2.5.1.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Hg2+.................................27
2.5.1.2. Quy trình hấp phụ ion Hg2+ của tro bay chưa xử lý.................................28
2.5.1.3. Quy trình hấp phụ ion Hg2+ của tro bay xử lý bằng dung dịch NaOH 1M
28
2.5.1.4. Quy trình hấp phụ Hg2+ của tro bay đã xử lý với NaOH và tiếp tục với
chất hoạt động bề mặt............................................................................................29

2.5.2. Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion Hg2+ của tro bay.............................29
2.6. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của tro bay đến ion thủy
ngân Hg(II)................................................................................................................29
2.6.1. Khảo sát khối lượng tro bay đã biến tính với chất hoạt động bề mặt MBT
đến khả năng hấp phụ ion Hg (II)..........................................................................29
2.6.2. Khảo sát nồng độ ion Hg 2+ đến khả năng hấp phụ ion Hg (II) bởi tro bay
biến tính với MBT.................................................................................................30
2.6.3. Khảo sát ảnh hưởng của môi trường đến khả năng hấp phụ ion Hg (II) bởi
tro bay biến tính với MBT.....................................................................................30
2.6.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ ion Hg (II) bởi tro
bay biến tính với MBT...........................................................................................30
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................30
3.1. Một số đặc trưng của tro bay chưa xử lý và đã xử lý..........................................30
3.1.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) của tro bay chưa xử lý và đã xử lý
30
3.1.2. Hình thái cấu trúc của tro bay chưa xử lý và đã xử lý..................................32
3.1.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của tro bay chưa xử lý và đã xử lý...........................33
3.1.4. Diện tích bề mặt riêng (BET) của tro bay chưa xử lý và đã xử lý................35
3.2. Khảo sát sự hấp phụ ion Hg 2+ của tro bay........................................................36
3.2.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ ion Hg2+....................................36
3.2.2. Khảo sát sự hấp phụ của tro bay chưa xử lý và xử lý với dung dịch NaOH. 39
3.2.3. Khảo sát sự hấp phụ của tro bay sau xử lý được biến tính với chất chất hoạt
động bề mặt...........................................................................................................39
3.3. Ảnh hưởng của khối lượng tro bay đã biến tính với chất hoạt động bề mặt MBT
đến khả năng hấp phụ ion Hg2+................................................................................40
3.4. Ảnh hưởng của nồng độ ion Hg 2+ đến khả năng hấp phụ ion Hg2+ bởi tro bay
biến tính với MBT.....................................................................................................41
3.5. Ảnh hưởng của môi trường đến khả năng hấp phụ ion Hg2 bởi tro bay biến tính
với MBT....................................................................................................................42
3.6. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ ion Hg2+ bởi tro bay biến tính

với MBT....................................................................................................................43
KẾT LUẬN.................................................................................................................44


TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................45

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

BET

Brunauer Emmet Teller

Phương pháp xác định diện tích bề
mặt riêng.

FTIR

Fourier transform infrared
spectroscopy

Phương pháp phổ hồng ngoại biến
đổi Fourier

NTPC

National Thermal Power Corporation

MBT

Mercaptobenzothiazole

Tổ chức hợp tác năng lượng nhiệt tự
nhiên.
Mercaptobenzothiazole

MPTMS

(3-mercaptopropyl) trimethoxysilane

(3-mercaptopropyl) trimethoxysilane

ppm

Part per million

Nồng độ phần triệu (mg/l)

SEM

Scanning electron microscope

Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện
quét.

UV-VIS

Ultraviolet-Visible
Spectrophotometry

Phương pháp phổ tử ngoại – khả kiến


DANH MỤC CÁC BẲNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hàng năm, ngành công nghiệp năng lượng ở các nước trên thế giới thải ra
hơn 400 triệu tấn tro bay, phần lớn từ các nhà máy nhiệt điện sử dụng nguồn nhiên
liệu than. Cho đến nay, ngay ở các nước phát triển, lượng chất thải rắn này mới được
tái sử dụng rất ít, chủ yếu thải ra môi trường [22].
Ở nước ta, năm 2015 dự kiến các nhà máy nhiệt điện thải ra khối lượng tro xỉ
khoảng 12,8 triệu tấn, đến năm 2020 khoảng 25,4 triệu tấn và đến năm 2030 khoảng
38,3 triệu tấn. Phần lớn lượng tro bay thải ra hiện vẫn còn nằm ở bãi chứa làm mất
diện tích và gây ô nhiễm môi trường. Sử dụng tro bay mới chỉ bắt đầu trong lĩnh vực
sản xuất chất kết dính và bê tông xây dựng với khối lượng rất hạn chế.
Việc nghiên cứu phát triển các hướng ứng dụng khác nhau của tro bay đang
được các nhà khoa học hết sức quan tâm, đặc biệt là hướng ứng dụng làm vật liệu
hấp phụ kim loại nặng trong nước thải [19]. Kim loại nặng là những chất ô nhiễm
nước đặc biệt nguy hiểm đối với sức khỏe con người do khả năng tích tụ sinh học.
Trong số đó, ion thuỷ ngân Hg (II) có độc tính thuộc hàng cao nhất. Thuỷ ngân có

khả năng phản ứng với axit amin chứa lưu huỳnh, các hemoglobin, abumin; có khả
năng liên kết màng tế bào, làm thay đổi hàm lượng kali, thay đổi cân bằng axit bazơ
của các mô, làm thiếu hụt năng lượng cung cấp cho tế bào thần kinh.
Từ các yếu tố trên cho thấy việc nghiên cứu hấp phụ ion Hg 2+ là rất cần thiết. Vì
vậy, em lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng biến tính tro bay bằng chất hoạt động
bề mặt ứng dụng hấp phụ ion Hg2+”.
2. Mục đích nghiên cứu
Tro bay sau khi xử lý với dung dịch kiềm, tiếp tục biến tính với chất hoạt động bề
mặt để tạo ra chất có khả năng hấp phụ ion Hg2+.
-

3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Xử lý tro bay bằng dung dịch NaOH và các chất hoạt động bề mặt.
Nghiên cứu, so sánh các đặc trưng của tro bay trước và sau khi xử lý.
Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Hg2+ của tro bay đã được xử lý.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR).
Phương pháp phổ hấp thụ UV-VIS.


2

-

Phương pháp nhiễu xạ tia X.
Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện quét (SEM).
Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng (BET).


3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tro bay
1.1.1. Giới thiệu về tro bay
Tro bay (tên tiếng Anh là Fly ash) là một trong những sản phẩm từ quá trình
cháy của than, là khoáng chất mịn còn lại từ việc đốt than trong lò của nhà máy sản
xuất điện. Tro bay cấu tạo từ các chất vô cơ không cháy được có sẵn trong than, sau
quá trình đốt biến thành vật chất cấu trúc dạng thủy tinh và vô định hình.
Tro bay được thu hồi tại bộ phận khí thải bằng các phương pháp kết lắng, tuyển nổi,
lọc tĩnh điện và lọc thu tay áo ở các nhà máy nhiệt điện. Gọi là tro bay vì người ta dùng
các luồng khí để phân loại tro: Khi thổi một luồng khí nhất định thì hạt to sẽ rơi xuống
trước và hạt nhỏ sẽ bay xa hơn. Hạt tro tròn đều, kích thước nhỏ (cỡ μm) [29, 2, 7].
1.1.2. Tình hình sản xuất, tiệu thụ tro bay trên thế giới và Việt Nam
• Tình hình sản xuất và tiêu thụ tro bay trên thế giới
Ở nhiều nước trên thế giới, tro xỉ than từ các nhà máy nhiệt điện được sử dụng rất
hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong xây dựng: phụ gia rất hữu
dụng trong bê tông và xi măng. Việc sử dụng rác thải công nghiệp như tro xỉ than trong
xây dựng đường xá luôn luôn được khuyến khích và đôi khi là một điều kiện bắt buộc.
Tại Pháp, 99% tro xỉ than được tái sử dụng, tại Nhật Bản con số này là 80% và tại Hàn
Quốc là 85%. Trong công nghiệp xi măng, tro được dùng để thay thế đất sét, một trong
những nguyên liệu chính để chế tạo xi măng, vì tro có thành phần hóa học gần như
tương tự đất sét. Chính vì vậy mà ở các nước tiên tiến bên cạnh nhà máy nhiệt điện
luôn luôn có các nhà máy xi măng để sử dụng tro xỉ than tại chỗ. Tro còn được trộn với
các vật liệu kết dính như xi măng để làm vật liệu nền đường. Ngoài ra, nó còn được
dùng để làm phân bón cải tạo đất, nhiên liệu để nung vôi, gạch… [7].
Theo ước tính của Viện Nghiên cứu than thế giới ở Luân Đôn, Vương quốc Anh, năm
2001, lượng tro bay thải ra của toàn thế giới là 61,84 triệu tấn, tuy nhiên lượng tro bay
được tái sử dụng chiếm khoảng 19,98 triệu tấn (32,3 %), cụ thể được chỉ ra ở bảng 1.1
[24].

4

Bảng 1.1: Ứng dụng của tro bay phế thải (năm 2001).
Lĩnh vực

Triệu tấn

Phần trăm (%)

Xi măng/bê tông

12,16

60,9

Phụ gia chảy

0,73

3,7

Chất độn kết cấu

2,91

14,6

Nền đường, tầng ngầm

0,93

4,7

Cải tạo đất

0,67

3,4

Nạp quặng

0,10

0,5

Ứng dụng trong khai khoáng

0,74

3,7

Gia cố/ổn định rác thải (đất hoang)

1,31

6,3

Nông nghiệp

0,02

0,1

Các loại khác

0,41

2,1

Tổng

19,98

100

Ở Trung Quốc, năm 2002, các nhà máy nhiệt điện ở Hebei, Shaanxi… thải ra
lượng tro bay lớn nhất thế giới (160 triệu tấn), chiếm 12 % tổng sản lượng tro bay trên
thế giới. Trong đó, trên 50 % lượng tro bay được sử dụng, phần còn lại chất chứa trong
các ao hồ [25].


5

Người ta sử dụng tro bay để thay thế đất sét, cát, đá vôi và sỏi… Mỗi tấn tro bay
có thể sử dụng để thay thế cho một tấn xi măng. Như ở Anh, gần một triệu tấn tro mịn
được sử dụng làm bê tông mỗi năm. Nó thay thế 25- 30 % xi măng trong bê tông [15].
Ở Ấn Độ, năng lượng nhiệt được sử dụng là chủ yếu (73 %), lượng tro bay thải ra rất
lớn so với các nước phát triển. Năm 2000, ở Ấn Độ, 150 triệu tấn tro bay thải ra chủ
yếu bởi các nhà máy nhiệt điện quy mô lớn [14]. Tuy nhiên, việc tái sử dụng tro bay

còn rất hạn chế. Nó chỉ được sử dụng một phần để thay thế cho xi măng trong xây
dựng và bê tông. Tổ chức hợp tác năng lượng nhiệt tự nhiên (NTPC) đang xây dựng
hai nhà máy chế tạo tro bay ở Badarpur và Dadri gần Delhi. Ở Teri, các nhà nghiên cứu
đã tái tạo các bãi rác tro bay bằng việc đưa thêm các chất hữu cơ phù hợp, làm cho cây
cối có thể sinh sôi. Người ta đã tái tạo một phần tro bay ở nhà máy nhiệt Badarpur
bằng cách bón phân vi sinh hữu cơ. Nhiều loài cây như cúc vạn thọ, lay ơn, cẩm
chướng, hướng dương… đang sinh trưởng đã chứng minh cho điều này.
Tro bay được xử lí vừa phục vụ mục đích kĩ thuật và vừa đáp ứng mục đích lợi
nhuận. Tro bay là một loại phế thải nhưng khi được xử lí, nó trở thành một nguyên liệu
có ích. Chính vì thế, việc nghiên cứu, xử lí, biến tính và ứng dụng tro bay đang được
các nhà khoa học quan tâm và ngày càng thu được kết quả tốt.
• Tình hình sản xuất và tiệu thụ tro bay ở Việt Nam
Ở nước ta hiện nay, lượng tro bay được thải ra chủ yếu là từ Nhà máy nhiệt điện
Phả Lại, Nhà máy nhiệt điện Ninh Bình và một số nhà máy nhiệt điện khác.
Tro bay của nước ta có hàm lượng than chưa cháy cao, hoạt tính thủy lực thấp nên
trong thực tế nó chưa được sử dụng nhiều.
Các nhà máy nhiệt điện ước tính hằng năm thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay
[3]. Riêng nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 (Hải Dương) trung bình mỗi ngày thải ra
khoảng 3000 tấn tro xỉ, trong đó 30% là than chưa cháy hết, còn lại là tro bay rất mịn.
Do hàm lượng than dư này không cao nên khó tận thu làm nhiên liệu đốt mà thường
được thải thẳng ra hồ chứa. Cùng với lượng tro xỉ tương đương của nhà máy nhiệt điện
Phả Lại 1, mỗi ngày hai nhà máy này đang xả lượng chất thải khổng lồ vào môi trường,
lấp đầy hai hồ chứa sâu mấy chục mét. Theo dự báo, đến năm 2020 sẽ có thêm 28 nhà
máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt động, lúc đó lượng tro xỉ thải ra hàng năm sẽ vào


6

khoảng 12 triệu tấn, đó là chưa kể lượng tro bay khá lớn thải từ hàng loạt các lò cao ở
các khu công nghiệp gang thép sử dụng nhiên liệu than.

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý tuyển nổi tro bay Phả Lại.
Hiện nay, một số nhà máy đang tìm các biện pháp để xử lí nguồn tro bay này.
Công ty cổ phần công nghiệp và dịch vụ Cao Cường (Phả Lại) và Viện Khoa học vật
liệu thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã và đang thực hiện dự án xây
dựng nhà máy chế biến tro bay nhiệt điện với công suất thiết kế là 80.000 tấn sản phẩm
tro bay/năm. Trong dự án này, công nghệ chế biến tro bay được thực hiện với 2 công
đoạn chính: tuyển nổi (hình 1.1) và sấy thu sản phẩm. Nguyên liệu là tro bay của Nhà
máy nhiệt điện Phả Lại.
Hệ thống sấy và thu sản phẩm: Tro bay có độ ẩm < 20 % được đưa vào Bunke
cấp liệu bằng máy xúc lật. Nguyên liệu được chuyển tiếp lên lò sấy và được quay đốt
trực tiếp bằng than. Qua hệ thống lọc bụi sơ bộ, lọc bụi cấp 2, hệ thống lọc bụi túi vải,
sản phẩm tro bay thu được có các chỉ tiêu kĩ thuật đáp ứng yêu cầu đề ra, cụ thể là:
SiO2 + Fe2O3 + Al2O3 ≥ 86 %, SO3 0,3 %, MKN < 5 %, hàm lượng trên sàng 0,045 mm
16 %, độ đồng nhất 2 %, độ ẩm 0,3 %.


7

Ngoài một số công trình thủy điện đã ứng dụng tro bay, tro bay còn được ứng
dụng làm vật liệu kết dính trong xây dựng [5] và vật liệu xử lý môi trường (hấp thụ các
kim loại nặng và xử lý chất thải rắn) rất có triển vọng [4,15].
1.1.3. Thành phần, đặc điểm và cấu trúc của tro bay
Thành phần hoá học của tro bay chủ yếu là hỗn hợp của các oxit vô cơ như
SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO, K2O. Hàm lượng cacbon trong tro bay nhỏ hơn 4
%. Ngoài ra, trong tro bay còn có vết của một số kim loại nặng như Cd, Ba, Pb, Cu, Zn,
một lượng nhỏ nhóm OH ở bề mặt và amonia... [28, 18]. Tro bay có dạng hình cầu
(hình 1.2) và có các màu ghi, ghi sáng hoặc trắng mờ. Kích thước hạt trong khoảng 10350 µm Trong đó, ba phần tư tro bay có kích thước hạt nhỏ hơn 45 µm [23].

A

B
Hình 1.2: (A) và (B) là dạng hình cầu và dạng bất thường của hạt tro bay.
Có 2 loại tro bay là tro bay loại C (hàm lượng CaO và MgO cao, tới hơn 20 %) và tro
bay loại F (hàm lượng CaO và MgO nhỏ hơn nhiều so với tro bay loại C) bảng 1.2 [11,
19].
Bảng 1.2: Hàm lượng (%) các hợp chất chủ yếu trong tro bay loại C và loại F
Hợp chất

Tro bay loại F

Tro bay loại C

SiO2

55

40

Al203

26

17

Fe2O3

7

6

8

CaO (Lime)

9

24

MgO

2

5

SO3

1
Bảng 1.3: Hàm lượng của tro bay loại C và loại F

3

Thành phần hóa học

Loại F

Loại C

SiO2 + Al2O3 + Fe2O3

min%

70

50

SO3

max%

5

5

Độ ẩm

max%

3

3

Sự hao hụt khi cháy (LOI)

max%

5

5

Loại F

Loại C

1,5

1,5

Loại F

Loại C

Độ bền hóa học
Khả năng chịu kiềm

max%

Tính chất vật lý
Độ mịn (+ 325 Mắt sàng)

max%

34

34

Độ hoạt động của xi măng puzolan (7 ngày)

min%

75

75

Độ hoạt động của xi măng puzolan (28 ngày) min%

75

75

Nhu cầu nước

max%

105

105

Độ dãn do hơi

max%

0,8

0,8

Yêu cầu tính đồng nhất: tỉ trọng

max%

5

5

Yêu cầu tính đồng nhất: độ mịn

max%

5

5

Yêu cầu tính chất vật lý

Loại F

Loại C

LOI x độ mịn

255

--

Gia tăng sự co ngót khô

max%

0,03

0,03

Yêu cầu tính đồng nhất: chất tạo bọt

max%

20

20

Xi măng/phản ứng kiềm: Giãn nở vữa xây max%
0,020
-dựng
Thành phần hoá học và các tính chất vật lý của tro bay sản xuất ở một số nước được


9

trình bày trong bảng 1.4 [16, 8].
Bảng 1.4: Thành phần hóa học và tính chất vật lý của một số loại tro bay.
Tro bay sản xuất tại
Đặc trưng

Thành
phần
hoá học
(%)

Ấn Độ

Trung Quốc

Cadacstan

SiO2

55 - 65

>55

54 – 65

Al2O3
Fe2O3
TiO2
MgO
CaO
K2O
Na2O

25 - 35
1-5
0,5 - 1,5
-

>31
<3
>1
>1
>2

>1
-

21 – 39
1,6 - 3,8
0,7 - 2,3
0,3 - 1,3

Kích thước hạt (µm)

10 - 350

20 - 200

50 – 500

1 (max)
<0,5
0,6 - 0,8
0,45 - 0,75
1500
6-8
Ghi sáng,
Ghi sáng,
Ghi sáng,
Màu sắc
trắng mờ
trắng mờ
ghi sẫm
Các ưu điểm nổi bật của tro bay là nhẹ, tính chất cơ học cao, đặc biệt là độ

Tính
chất vật
lí

Độ ẩm (%)
Khối lượng riêng
Nhiệt độ nóng chảy (oC)
pH trong nước

cứng, mô đun và độ bền nén lớn. Tro bay kích thước nhỏ (20µm) có độ cứng 250-270
kg.mm, tro bay kích thước 150-250µm có mô đun 126GPa. Nó rất bền nhiệt, chống
được co ngót kích thước, bền với các loại hoá chất, giá thành rẻ... [27].
1.1.4. Tình hình nghiên cứu tái sử dụng tro bay
• Ứng dụng trong ngành sản xuất xi măng
Với thành phần gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 . . . và được cấu tạo bởi những tinh cầu
tròn, siêu mịn, độ lọt sàn từ 0,05 – 50nm, tỉ diện 300 – 600 m 2/kg, tro bay Phả Lại được
xem là một loại “puzzolan” nhân tạo chất lượng cao.


10

Với tính chất Pozzolanic có khả năng khử CaO tự do trong xi măng ở môi trường nước,
giá thành sản xuất tương đối rẻ, bảo vệ môi trường trong quá trình sử dụng tro bay Phả
Lại rất ưu việt trong ngành công nghiệp sản xuất xi măng.
+ Làm nguyên liệu thay thế thạch cao tự nhiên trong quá trình sản xuất xi măng với tỷ
lệ từ 15% tới 30% theo khối lượng xi măng.
+ Làm nguyên liệu để sản xuất xi măng bền sulfat sử dụng trong mô trường chua, mặn.
+ Sử dụng kết hợp với các phụ gia để sản xuất xi măng sợi không amiăng.
Hiện tại, Tro bay Phả Lại đã được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất tại Nhà máy xi

măng Hoàng Thạch với tỷ lệ trộn 14%, tại nhà máy xi măng Sông Gianh với tỷ lệ trộn
18%.
• Ứng dụng trong xây dựng dân dụng, xây dựng công nghiệp
+ Làm phụ gia khoáng để sản xuất bê tông bê tông thường và bê tông đầm lăn (các
hình 1.3, 1.4).

Hình 1.3: Sử dụng tro bay trong thi công nhà Quốc hội.


11

Hình 1.4: Thi công bê tông đầm lăn trên công trình thủy điện Sơn La.
+ Làm vật liệu trong xây dựng dân dụng và công nghiệp như: công trình giao thông,
công trình cầu cảng; công trình thủy lợi, các hội trường . . .
+ Làm phụ gia khác: Xây trát, chống thấm . . .
• Nguyên liệu trong sản xuất vật liệu xây dựng
Với thành phần gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3. . . chiếm tỷ trọng tới trên 84%, Tro bay
Phả Lại rất ưu việt để sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất vật liệu xây dựng, đặc biệt
là những sản phẩm vật liệu xây dựng mới như: gạch bê tông bọt, gạch bê tông khí
chưng áp [6].
• Ứng dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ xử lý ô nhiễm nước
Tro bay ngoài các ứng dụng kể trên còn được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực xử
lý các chất ô nhiễm môi trường. Có rất nhiều tài liệu về nghiên cứu xử lý các chất ô
nhiễm nước bằng phương pháp hấp phụ sử dụng tro bay. Các chất ô nhiễm có thể là
hữu cơ, như dẫn xuất của phenol [18], các chất màu [20] hay hợp chất vô cơ như các
ion kim loại nặng.
1.2. Chất hoạt động bề mặt
1.2.1. Định nghĩa – Phân loại
Định nghĩa: Chất hoạt động bề mặt là các chất có tác dụng làm giảm sức căng
bề mặt của các chất lỏng. Phân tử chất hoạt động bề mặt gồm hai phần: Đầu kỵ nước

và đầu ưa nước, tính chất hoạt động bề mặt phụ thuộc vào hài phần này.


12

Đầu kỵ nước phải đủ dài, mạch cacbon từ 8-21, ankyl thuộc mạch ankan, anken mạch
thẳng hay có gắn vòng cyclo hoặc vòng benzen…
Đầu ưa nước phải là một nhóm chức phân cực mạnh như cacboxyl (COO-), Hydroxyl
(-OH), amin (-NH2), sulfat (-OSO3) …
Phân loại: Các chất hoạt động bề mặt được phân loại theo tính chất ion, khi đó sẽ có 4
loại:
1.2.2.
•

Chất hoạt động bề mặt mang điện tích âm (anionic surfactants).
Chất hoạt động bề mặt mang điện tích dương (cationic surfactants).
Chất hoạt động bề mặt không mang điện tích (non-ionic surfactants).
Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính (amphoteric/zwitterionic surphactants).
Các tính chất cơ bản
Tính thâm ướt: Tính chất này tạo điều kiện để vật cần giặt rửa, các vết bẩn tiếp

xúc với nước một các dễ dàng nên đóng vai trò rất quan trọng. Đặc biệt đối với
vải sợi có khả năng dễ thấm ướt nhưng nước khó thấm sâu vào bên trong cấu
trúc vì sức căng bề mặt rất lớn, nhất là khi vải sợi dấy bẩn dầu mỡ. Vì thế, dung
xà phòng để giảm sức căng bề mặt của nước và vải sợi-nước.
• Khả năng tạo bọt: Bọt được hình thành do sự phân tán khí trong môi trường
lỏng. Hiện tượng này làm cho bề mặt dung dịch chất tẩy rửa tang lên. Khả năng
tạo bọt và độ bền bọt phụ thuộc vào cấu tạo của chính chất đó, nồng độ, nhiệt độ
của dung dịch, độ pH và hàm lượng ion Ca2+, Mg2+ trong dung dịch chất tẩy rửa.
• Khả năng hòa tan: Tính hòa tan phụ thuộc vào các yếu tố

- Bản chất và vị tró của nhóm ưu nước. Nhóm ưu nước ở đầu mạch dễ hòa tan
hơn nhóm ở giữa mạch.
- Chiều dài của mạch hydrocacbon. Nhóm kỵ nước mạch thẳng dễ hòa tan hơn
mạch nhánh.
- Nhiệt độ.
- Bản chất của ion kim loại: Với ion Na+, K+ dễ hòa tan hơn các ion Ca2+, Mg2+…
• Khả năng hòa tan bề mặt: Nước có sức căng bề mặt lớn. Khi hòa tan xà phòng
vào nước, sức căng bề mặt của nước giảm. Một lớp hấp thụ định hướng hình
thành trên bề mặt nhóm ưu nước hướng vào nước, nhóm kỵ nước hướng ra
ngoài (hình 1.5). Nhờ có lớp hấp phụ đó mà sức căng bề mặt của nước giảm vì
bề mặt nước – không khí được thẳng kỵ nước - không khí giữa các pha.


13

Hình 1.5: Mô tả hoạt động của chất hoạt động bề mặt.
• Khả năng nhũ hóa: Nhũ tương là hệ phân tán không bền vững nên muốn thu
được hệ bền vững thì phải cho thêm chất nhũ hóa. Xà phòng thường được dùng
làm chất ổn định nhũ tương. Tác dụng của chất nhũ hóa là làm giảm sức căng bề
mặt của hai hướng dầu và nước. Sau đó, làm cho hệ nhũ tương dễ dàng ổn định.
• Điểm Kraft – Điểm đục
Khả năng hòa tan của các chất hoạt động bề mặt anion tăng lên theo nhiệt độ.
Khả năng hòa tan này tăng trưởng đột ngột khi tác nhân bề mặt hòa tan đủ để
tạo thành micell. Điểm Kraft là điểm mà tại đó nhiệt độ các micell có thể hòa
tan được.
Độ tan của các chất hoạt động bè mặt NI phụ thuộc vào liên kết hydro trong
nước với chuỗi polyxyetylen. Năng lượng của các liên kết hydro là rất lớn khi
tăng nhiệt độ vì khi đó sự mất nước làm giảm độ hòa tan. Điểm đục là điểm tại
đó nhiệt độ các chất hoạt động bề mặt NI không hòa tan được.
• HLB (Tính ưu nước – ưu dầu – cân bằng)

HLB là một đơn vị đố lường tính đổi cực của phân cực
Giá trị của HLB
Giá trị HLB
1–4

Đặc điểm
Không tan trong nước


14

3–6
8 – 10
13

Ít phân tán
Phân tán đục nhưng ổn định
Dung dịch trong

1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của chất hoạt động bề mặt
• Nhiệt độ
Nhiệt độ càng cao, độ hòa tan của các chất hoạt động bề mặt càng tốt, độ nhớt của
các chất bẩn dạng lỏng càng giảm, độ hòa tan của các chất bẩn càng lớn, phản ứng
trung hòa chất bẩn có tính axit và phản ứng xà phòng hóa chất béo xảy ra càng dễ
dàng, làm tăng hiệu suất giặt tẩy.
Tuy nhiên nhiệt độ càng cao cũng làm giảm hoạt tính của một số chất hoạt động bề mặt
mặt dễ hòa tan, giảm độ bền của hệ nhữ. Một só loại không thể chịu được nhiệt độ
dung dịch cao.
• Loại phân tử
Đối với các chất hoạt động bề mặt anion, khi them gốc –CH 2 vào trong dãy chất

béo, sức căng bề mặt giảm đi (giảm nồng độ). Có thể làm giảm độ hình thành micell
bằng cách làm mất tính đối xứng trong phân tử bằng các phân nhánh hoặc thay thế hai
nhánh ngắn hơn thành một nhánh dài duy nhất. Độ hấp phụ cũng tăng lên theo độ dài
của dẫy kỵ nước.
Đối với chất hoạt động NI, khi tăng dãy béo C 12 – C14 sức căng bề mặt giảm vì khi đó
khả năng phân cực của đầu phân cực giảm. Sự hấp phụ giảm khi tăng số oxyetylen ưu
nước.
• Chất điện ly
Thêm chất điện ly vào sẽ làm giảm độ hòa tan của các tác nhân bề mặt dẫn đến làm
tăng sự hấp phụ ở các giao diện.
1.2.4. Ứng dụng của các chất hoạt động bề mặt
Chất hoạt hóa bề mặt ứng dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày. Ứng dụng
phổ biến nhất là bột giặt, sơn, nhuộm...
Ngoài ra những ứng dụng trong các lĩnh vực khác như:
-

Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mềm cho vải sợi, chất trợ nhuộm.
Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa cho bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp.
Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ hóa, chất tạo bọt.


15

-

Trong ngành in: Chất trợ ngấm và phân tán mực in.
Trong nông nghiệp: Chất để gia công thuốc bảo vệ thực vật.
Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa đường, tăng cường độ đóng rắn của bê
tông.
- Trong dầu khí: Chất nhũ hóa dung dịch khoan.

- Trong công nghiệp khoáng sản: Làm thuốc tuyển nổi, chất nhũ hóa, chất tạo
bọt để làm giàu khoáng sản.
1.3. Thủy ngân
1.3.1. Nguồn gốc và phân bố thủy ngân
Là một nguyên tố hiếm trong vỏ Trái Đất, thủy ngân được tìm thấy hoặc như là
kim loại tự nhiên (hiếm thấy) hay trong chu sa, corderoit, livingstonit và các khoáng
chất khác với chu sa (HgS) là quặng phổ biến nhất (hình 1.6). Kim loại thu được bằng
cách đốt nóng chu sa trong luồng không khí và làm lạnh hơi thoát ra [21].
Có tới 99,98% thủy ngân tồn tại ở dạng phân tán, chỉ có 0,02% thủy ngân tồn tại
dưới dạng khoáng vật. Tổng trữ lượng thủy ngân ở trong vỏ trái đất là 161012 tấn.
Thủy ngân phân bố khá đều trong các đá magma như siêu bazơ (1,10–6%), bazơ (9,10–
6%), trung tính (6,10–6%) và acid (8,10–6%). Vì sét hấp thụ nhiều thủy ngân nên hàm
lượng thủy ngân trong đá trầm tích sét khá cao (9,10–5%) nhưng trầm tích bùn biển lại
nghèo thủy ngân. Hàm lượng thủy ngân trong nước bề mặt khoảng 1,10–7%. Thủy
ngân dễ bay hơi nên luôn có mặt trong không khí. Các đồng vị nhẹ của thủy ngân
thường tập trung nhiều hơn trong khí quyển vùng núi lửa và suối nước nóng với nồng
độ đến 0,02 mg/m3.


16

Hình 1.6: Quặng thủy ngân.
1.3.2. Ứng dụng của thủy ngân
Trong nông nghiệp: Các hợp chất thủy ngân được sử dụng làm thuốc trừ nấm (thí dụ
dùng để trừ nấm cho các loại hạt giống). Thủy ngân còn dùng trong sản xuất phân bón,
thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu…
Trong đời sống: Chế tạo các dụng cụ nghiên cứu khoa học và dụng cụ trong phòng thí
nghiệm (nhiệt kế, áp kế...) (hình 1.7).

Hình 1.7: Nhiệt kế và máy độ huyết áp thủy ngân.

17

Trong kỹ nghệ điện thủy ngân là hóa chất rất quan trọng để chế tạo các đèn hơi thủy
ngân, các máy nắn và ngắt dòng, các thiết bị kiểm tra công nghệ.
Chế tạo các hỗn hống sử dụng trong các công việc như sau:
+Trong nha khoa để làm trám răng. Hợp chất trám răng chứa thủy ngân.
+ Trong chế tạo ắc quy Fe –Ni.
+ Làm các biển báo phát sáng.
Chế tạo các hợp chất hóa học có chứa thủy ngân. Các loại hợp chất thủy ngân hữu cơ
dưới dạng dược phẩm được dùng trong y tế như:
+ Neptal: thuốc lợi niệu.
+ Mercurochrome: thuốc sát trùng, dùng ngoài da, nếu dùng bên trong vết thương có
thể bị nhiễm độc.
1.3.3. Ảnh hưởng của thủy ngân đến sức khỏe con người
Thủy ngân nguyên tố lỏng ít độc, nhưng hơi, các hợp chất và muối của nó rất
độc và là nguyên nhân gây ra các tổn thương não và gan khi con người tiếp xúc, hít thở
hay ăn phải. Nguy hiểm chính liên quan đến thủy ngân nguyên tố là ở STP, thủy ngân
có xu hướng bị ôxi hóa tạo ra oxit thủy ngân - khi bị rơi xuống hay bị làm nhiễu loạn,
thủy ngân sẽ tạo thành các hạt rất nhỏ, làm tăng diện tích tiếp xúc bề mặt một cách
khủng khiếp.
Thủy ngân là chất độc tích lũy sinh học rất dễ dàng hấp thụ qua da, các cơ quan
hô hấp và tiêu hóa. Các hợp chất vô cơ ít độc hơn so với hợp chất hữu cơ của thủy
ngân nhưng nó vẫn gây ra sự ô nhiễm đáng kể đối với môi trường vì tạo ra các hợp
chất hữu cơ trong các cơ thể sinh vật. Một trong những hợp chất độc nhất của thủy
ngân là đimêtyl thủy ngân, độc đến đến mức chỉ vài micrôlit rơi vào da có thể gây tử
vong. Một trong những mục tiêu chính của các chất độc này là enzym pyruvat
dehiđrogenat (PDH). Enzym bị ức chế hoàn toàn bởi một vài hợp chất của thủy ngân,
thành phần gốc axít lipoic của phức hợp đa enzym liên kết với các hợp chất đó rất bền

và vì thế PDH bị ức chế.
Chứng bệnh Minamata là một dạng ngộ độc thủy ngân. Thủy ngân tấn công hệ
thần kinh trung ương và hệ nội tiết và ảnh hưởng tới miệng, các cơ quai hàm và răng.
Sự phơi nhiễm kéo dài gây ra các tổn thương não và gây tử vong. Nó có thể gây ra các
rủi ro hay khuyết tật đối với các thai nhi. Không khí ở nhiệt độ phòng có thể bão hòa


18

hơi thủy ngân cao hơn nhiều lần so với mức cho phép, cho dù nhiệt độ sôi của thủy
ngân là không thấp.
Các nguồn nước tích lũy thủy ngân thông qua quá trình xói mòn của các khoáng
chất hay trầm tích từ khí quyển. Thực vật hấp thụ thủy ngân khi ẩm ướt nhưng có thể
thải ra trong không khí khô [26]. Thực vật và các trầm tích trong than có các nồng độ
thủy ngân dao động mạnh.
1.4.

Vật liệu hấp phụ từ tro bay

Tác giả Nguyễn Văn Nội và cộng sự đã nghiên cứu khả năng sử dụng vật liệu
hấp phụ chế tạo từ tro bay để xử lý các nguồn nuớc bị ô nhiễm các kim loại nặng kẽm
và niken [8]. Nhóm tác giả Đỗ Quang Huy và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo vật liệu
hấp phụ từ tro than bay sử dụng trong phân tích môi trường [9]. Tác giả Nguyễn Đức
Chuy và cộng sự đã nghiên cứu xử lý tro bay Phả Lại thành sản phẩm chứa zeolit và
các tính chất đặc trưng của chúng [10]. Tác giả Tạ Ngọc Đôn và cộng sự đã nghiên cứu
xử lý tro bay thành zeolit P1 và được sử dụng làm chất xử lý ô nhiễm môi trường [36].
Tác giả Lê Thanh Sơn và Trần Kông Tấu đã chuyển hóa tro bay thành zeolit có thể
dùng để cải tạo đất [11]. Wang và Wu đã nghiên cứu và cho thấy rằng thành phần
cacbon chưa cháy trong tro bay đóng một vai trò quan trọng trong khả năng hấp phụ
[37]. Gần đây, đã có các công bố và báo cáo nghiên cứu sử dụng tro bay làm vật liệu

hấp phụ để loại bỏ các ion kim loại độc hại [38], chất gây ô nhiễm trong không khí, các
hợp chất hữu cơ và vô cơ [39, 40. Visa và cộng sự đã sử dụng hệ tro bay và Fenton
quang để hấp phụ Cd, metyl cam và xử lý nước đa ion [42, 43].
Trong luận văn thạc sĩ của tác giả Trần Thị Minh Huyền, tro bay nhà máy nhiệt
điện Phả Lại được biến tính với polydiaminonaphtalen (PDAN) bằng phản ứng trùng
hợp in-situ và ứng dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ Cr(VI) trong môi trường nước
[12]. Ở đây các tác giả mới chỉ xử lý tro bay bằng các dung dịch HCl 2M và NaOH 2M
ở nhiệt độ 50oC và biến tính tro bay xử lý kiềm với PDAN. Đối với tro bay xử lý kiềm
thu được có cấu trúc tinh thể giống với zeolite NaP với bề mặt nhám và xốp hơn, diện
tích bề mặt riêng và lượng vi lỗ xốp lớn gấp khoảng 40 lần so với tro bay ban đầu
(bảng 1.5). Trong khi đó, tro bay xử lý kiềm biến tính PDAN có diện tích bề mặt lớn
hơn nhưng lượng vi lỗ xốp giảm do polyme bao phủ che lấp bớt các lỗ xốp. Các hạt tro
bay xử lý kiềm có bề mặt nhám và sần sùi, sau khi biến tính với PDAN, polyme đã
phát triển trên hầu hết bề mặt tro bay (hình 1.6). Dung lượng hấp phụ Cr (IV) của tro


19

bay xử lý kiềm biến tính PDAN đạt cực đại là 4,42 mg/g tại pH = 2, thời gian hấp phụ
đạt cân bằng là sau 7 giờ [14].
Bảng 1.5: Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của tro bay (TB), tro bay xử lý axit
(TBA), tro bay xử lý kiềm (TBK) và tro bay xử lý kiềm biến tính PDAN (TBK/PDAN)

Hình 1.3: Ảnh FESEM của mẫu tro bay xử lý kiềm và tro bay xử lý kiềm biến tính
PDAN
Trong nghiên cứu vừa công bố gần đây, Swarnima Agarwal và cộng sự đã biến tính bề
mặt tro bay đã xử lý NaOH với chất hoạt động bề mặt cetyltrimetyl ammonium


20

bromide (CTAB) (TB/NaOH/CTAB) để hấp phụ resorcinol trong nước thải của các nhà
máy sản xuất nhựa, nhuộm và mỹ phẩm [44]. Các hạt TB/NaOH/CTAB có kích thước
nhỏ hơn nhiều so với các hạt tro bay ban đầu và tro bay xử lý kiềm (hình 1.7). Diện
tích bề mặt BET, thể tích lỗ và đường kính lỗ của TB/NaOH/CTAB đạt lần lượt 51,12
m2/g; 0,176996 cm3/g và 138,4928 Å. Hiệu suất hấp phụ đơn lớp cho resorcinol của
TB/NaOH/CTAB là 500mg/g trong vùng pH từ 5 -7. Các tác giả cũng chỉ ra cơ chế hấp
phụ resorcinol của TB/NaOH/CTAB ở pH < 7 bao gồm lực hút tĩnh điện, liên kết hydro
và sự phân vùng hữu cơ.

Hình 1.4: Ảnh FESEM của (a) Tro bay, (b) Tro bay xử lý kiềm, (c) Tro bay xử lý kiềm
biến tính CTAB.
Từ các tài liệu tổng quan ở trên có thể thấy, các nghiên cứu về vật liệu hấp phụ
từ tro bay mới chỉ dừng lại ở bước xử lý tro bay bằng axit hay kiềm, xử lý tro bay với
một số chất hoạt động như EDTA, CTAB hay PDAN chủ yếu để hấp phụ các chất hữu
cơ và ion Cr (IV), trong khi xử lý tro bay kết hợp với một số chất hoạt động họ
mecapto hay sunfat để hỗ trợ và tăng cường khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Hg
(II) trong nước chưa được tập trung nghiên cứu. Do đó, tiến hành nghiên cứu biến tính
bề mặt tro bay đã xử lý kiềm bằng các chất hoạt động bề mặt họ mecapto hay sunfat để
ứng dụng làm vật liệu hấp phụ ion kim loại nặng như Hg (II) là hướng nghiên cứu mới,
có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.