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 giao đề tài tận tình hướng dẫn suốt thời gian thực luân luận văn Cảm ơn thầy cô, anh chị, bạn em sinh viên Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Triển khai Tiến 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 tạo điều kiện giúp đỡ hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu lãnh đạo, anh chị em cán công nhân viên làm việc Lò đốt rác thải chi nhánh Công ty TNHH đầu tư thương mại Hoàng Long đặt huyện Lương Sơn – Hòa Bình suốt thời gian thực công việc Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, 11/2015 Học viên Đoàn Văn Hưởng MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tính chất độc tính thủy ngân 1.2 Các nguồn phát thải thủy ngân 1.2.1 Khai thác sử dụng than đá 1.2.2 Sản xuất thải bỏ bóng đèn huỳnh quang 1.2.3 Đốt rác thải y tế, rác thải sinh hoạt 1.2.4 Một số hoạt động khác 1.3 Hiện trạng ô nhiễm thủy ngân Việt Nam 1.4 Tổng quan số vật liệu hấp phụ Hg 1.4.1 Vật liệu hấp phụ thủy ngân sở biến tính than hoạt tính 1.4.2 Các vật liệu hấp phụ thủy ngân khác Chƣơng THỰC NGHIỆM 14 17 2.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 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 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 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 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 lạnh 22 2.6 Xác định đặc trƣng 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 hấp phụ thủy ngân vật liệu 23 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Đánh giá, lựa chọn vật liệu biến tính phù hợp hấp phụ xử lý thủy ngân 25 3.1.1 Khảo sát khả hấp phụ thủy ngân số vật liệu chưa biến tính 25 3.1.2 Khảo sát khả hấp phụ thủy ngân than biến tính lưu huỳnh số hợp chất có lưu huỳnh 25 3.2 Nghiên cứu biến tính than hoạt tính lƣu huỳnh nguyên tố 26 3.2.1 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng lưu huỳnh đến khả hấp phụ vật liệu 26 3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung đến trình chế tạo vật liệu 27 3.2.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian nung vật liệu 29 3.2.4 Đánh giá khả hấp phụ thủy ngân vật liệu AC-S5-2 31 3.3 Xác định 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 thủy ngân vật liệu BPL (µg/g) Bảng 3.1 Khả hấp phụ thủy ngân vật liệu chưa biến tính 30oC Bảng 3.2 Khả hấp phụ thủy ngân than biến tính lưu huỳnh số hợp chất có lưu huỳnh Bảng 3.3 Ảnh hưởng hàm lượng lưu huỳnh đến khả hấp phụ thủy ngân vật liệu Bảng 3.4 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến dung lượng hấp phụ vật liệu AC-S3 Bảng 3.5 Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến dung lượng hấp phụ vật liệu AC-S5 Bảng 3.6 Ảnh hưởng thời gian nung đến khả hấp phụ vật liệu AC-S5 Bảng 3.7 Ảnh hưởng nhiệt độ đến khả hấp phụ thủy ngân vật liệu AC-S5-2 Bảng 3.8 Kết xác định dụng lượng hấp phụ cân vật liệu Bảng 3.9 Nồng độ Hg khí thải lò đốt rác sau hệ thống xử lý thông thường Bảng 3.10 Kết thử nghiệm thực tế thiết bị xử lý thủy ngân 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 Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị nghiên cứu hấp phụ Hg 20 Hình 2.2 Thiết bị nghiên cứu hấp phụ thủy ngân 20 Hình 2.3 Sơ đồ thiết bị hấp phụ thủy ngân công suất 3-5m3/giờ 21 Hình 2.4 Pilot xử lý thủ ngân đặt 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 hấp phụ thủy ngân than biến tính lưu huỳnh số hợp chất có lưu huỳnh 26 Hình 3.2 So sánh ảnh hưởng hàm lượng lưu huỳnh đến khả hấp phụ thủy ngân 27 Hình 3.3 So sánh ảnh hưởng nhiệt độ nung đến dung lượng hấp phụ vật liệu AC-S3 28 Hình 3.4 So sánh ảnh hưởng nhiệt độ nung đến dung lượng hấp phụ vật liệu AC-S5 29 Hình 3.5 So sánh ảnh hưởng thời gian nung vật liệu đến khả hấp phụ vật liệu AC-S5 30 Hình 3.6 Đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ đến khả hấp phụ thủy ngân vật liệu AC-S5-2 31 Hình 3.7 Đường cong tích lũy vật liệu 33 Hình 3.8 Đồ thị tọa độ BET than hoạt tính 34 Hình 3.9 Đồ thị tọa độ BET vật liệu AC-S5-2 34 Hình 3.10 Đồ thị tọa độ BET vật liệu AC-S30-2 35 Hình.3.11 Phổ hồng ngoại than trước biến tính 36 Hình 3.12 Phổ hồng ngoại vật liệu AC-S5-2 36 Hình 3.13 Ảnh SEM than chưa biến tính vật liệu AC-S5-2 37 MỞ ĐẦU Ô nhiễm thủy ngân môi trường không khí vấn đề quan tâm nhiều quốc gia giới, không kim loại có độc tính cao mà hàng ngày người đưa vào khí lượng thủy ngân khổng lồ thông qua việc đốt loại nhiên liệu hóa thạch, rác thải hoạt động công nghiệp khác Mặc dù có khuyến cáo việc hạn chế sử dụng thủy ngân số lĩnh vực sản xuất công nghiệp, nhiên, dấu hiệu tích cực thấy nước phát triển nước phát triển lại có xu hướng tăng có dịch chuyển số ngành sản xuất (sử dụng thủy ngân) từ nước phát triển sang nước phát triển Có nhiều phương pháp để kiểm soát thủy ngân phát thải vào không khí, xử lý thủy ngân nguồn phương pháp hiệu phương pháp lọc ẩm loại bỏ 80-90% Hg(II) không xử lý Hg0, không tan phản ứng môi trường nước Do vậy, lượng thủy ngân lại sau xử lý cần xử lý bổ trợ phương pháp khác để xử lý triệt để phương pháp dựa nguyên lý hấp phụ Than hoạt tính mang lên bề mặt số nguyên tố lưu huỳnh hay halogen tăng khả hấp phụ thủy ngân kiểm soát tốt phát tán chúng vào môi trường Ở nước ta nay, sở có phát thải thủy ngân vào không khí lò đốt nhiên liệu hóa thạch, lò đốt rác thải, sở xử lý, tái chế loại bóng đèn huỳnh quang…hầu hệ thống xử lý thủy ngân kim loại Do vậy, đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu hấp phụ Hg sở biến tính than hoạt tính Trà Bắc với lưu huỳnh” góp phần nghiên cứu, chế tạo loại vật liệu phù hợp hấp phụ thủy ngân sở nguồn nguyên liệu sẵn có nước TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 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 thủy ngân từ trình xử lý, tái chế bóng đèn huỳnh quang đốt rác thải”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 30 (Số 5s), 14-21 Nguyễn Thanh Hải, (2014), “Khảo sát tình hình ô nhiễm không khí số sở đốt rác tái chế chất thải”, Tuyển tập báo cao hội thảo Các công nghệ phương pháp xử lý ô nhiễm thủy ngân Nguyễn Đức Huệ (2010), Giáo trình Độc học môi trường, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội Hoàng Nhâm (2005), Hóa vô cơ, Nhà xuất Giáo dục Huỳnh Việt Quang, Tạ Quốc Dũng (2012), “Nghiên cứu phương pháp xử lý thủy ngân khai thác khí”, Tạp chí Dầu khí (Số 4) 55-57 Tiếng Anh 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 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 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 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