Tài liệu Nghiên cứu khả năng hấp thụ các ion hg2+ và cd2+ của tro bay

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA HOÁ HỌC ----------NGUYỄN NGỌC HƢƠNG NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CÁC ION Hg2+ VÀ Cd2+ CỦA TRO BAY KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Hoá Công nghệ - Môi trƣờng Ngƣời hƣớng dẫn khoa học GS.TS THÁI HOÀNG HÀ NỘI - 2015 LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, đề tài "Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion Hg2+ và Cd2+ của tro bay" đã đƣợc 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. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành nhất đến GS. TS. Thái Hoàng, ngƣời Thầy đã hƣớng dẫn tận tình và quý báu trong suốt quá trình xây dựng và hoàn thiện luận khóa luận tốt nghiệp. Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới ThS. Nguyễn Thúy Chinh cùng các cô, chú, anh chị ở Phòng Hoá lý vật liệu phi kim loại, Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Quản lý khoa học, Ban chủ nhiệm khoa Hóa học, Trƣờng ĐHSP Hà Nội 2, nơi em đã đƣợc đào tạo và hoàn thành khóa luân 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 khóa luận tốt nghiệp. Hà Nội, tháng 5 năm 2015 Tác giả khóa luận Nguyễn Ngọc Hƣơng MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 3 1.1. Tro bay ...................................................................................................................... 3 1.1.1. Giới thiệu về tro bay ........................................................................................... 3 1.1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ tro bay trên thế giới và Việt Nam ...................... 3 1.1.3. Thành phần, đặc điểm và cấu trúc của tro bay .................................................... 7 1.1.4. Tình hình nghiên cứu tái sử dụng tro bay ............................................................ 10 1.2. Thủy ngân ................................................................................................................ 12 1.2.1. Nguồn gốc và phân bố thủy ngân ..................................................................... 12 1.2.2. Ứng dụng của thủy ngân ................................................................................... 13 1.2.3. Ảnh hƣởng của thủy ngân tới sức khỏe con ngƣời ........................................... 14 1.3. Cadimi ..................................................................................................................... 15 1.3.1. Nguồn gốc và phân bố của cadimi .................................................................... 15 1.3.2. Ứng dụng của cadimi ........................................................................................ 16 1.3.3. Ảnh hƣởng của cadimi tới sức khỏe con ngƣời ................................................ 16 1.4. Nghiên cứu hấp phụ thủy ngân và cadimi ở Việt Nam và trên thế giới… ............ 17 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 18 2.1. Nguyên liệu và hóa chất .......................................................................................... 18 2.2. Thiết bị nghiên cứu và dụng cụ ............................................................................... 18 2.3. Xử lý tro bay bằng dung dịch NaOH và H2SO4 ...................................................... 18 2.3.1. Xử lý tro bay bằng dung dịch NaOH ................................................................ 18 2.3.2. Xử lý tro bay bằng dung dịch H2SO4 ................................................................ 18 2.4. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng của tro bay chƣa xử lý và đã xử lý .............. 19 2.4.1. Phƣơng pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) .................................. 19 2.4.2. Phƣơng pháp chụp ảnh hiển vi điện quét (SEM) ............................................ 19 2.4.3. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ............................................................................ 20 2.4.4. Phƣơng pháp đo phổ hấp thụ UV-VIS: ........................................................... 20 2.4.5. Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng (BET) ..................................... 21 2.5. Xác định khả năng hấp phụ Hg2+ và Cd2+ của tro bay chƣa xử lý và đã xử lý ....... 22 2.5.1. Xác định khả năng hấp phụ Hg2+ của tro bay chƣa xử lý và đã xử lý .............. 22 2.5.1.1. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ Hg2+ ........................................ 22 2.5.1.2. Quy trình hấp phụ Hg2+ của tro bay chƣa xử lý. ....................................... 22 2.5.1.3. Quy trình hấp phụ Hg2+ của tro bay xử lý bằng H2SO4. ............................ 23 2.5.1.4. Quy trình hấp phụ Hg2+ của tro bay xử lý bằng NaOH............................. 23 2.5.2. Xác định khả năng hấp phụ Cd2+ của tro bay chƣa xử lý và đã xử lý .............. 23 2.5.2.1. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ Cd2+ ........................................ 23 2.5.2.2. Quy trình hấp phụ Cd2+ của tro bay chƣa xử lý ........................................ 23 2.5.2.3. Quy trình hấp phụ Cd2+ của tro bay xử lý bằng H2SO4. ............................ 24 2.5.2.4. Quy trình hấp phụ Cd2+ của tro bay xử lý bằng NaOH ............................. 24 2.5.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion Hg2+, Cd2+ của tro bay ......................... 24 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 25 3.1. Một số đặc trƣng của tro bay chƣa xử lý và đã xử lý.............................................. 25 3.1.1. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) của tro bay chƣa xử lý và đã xử lý .. 25 3.1.2. Hình thái cấu trúc của của tro bay chƣa xử lý và đã xử lý ............................... 26 3.1.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của của tro bay chƣa xử lý và đã xử lý ........................ 28 3.1.4. Diện tích bề mặt riêng (BET) của tro bay chƣa xử lý và đã xử lý.................... 29 3.2.Khảo sát sự hấp phụ ion Hg2+, Cd2+ của tro bay ...................................................... 32 3.2.1. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ Hg2+ ............................................... 32 3.2.2. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ Cd2+ ............................................... 33 3.2.3. Khảo sát sự hấp phụ ion Hg2+ và Cd2+ của tro bay chƣa xử lý ......................... 34 3.2.4. Khảo sát sự hấp phụ ion Hg2+ và Cd2+ của tro bay xử lý bằng H2SO4 ............. 34 3.2.5. Khảo sát sự hấp phụ ion Hg2+ và Cd2+ của tro bay xử lý bằng NaOH ............. 35 3.3. Ảnh hƣởng nồng độ ban đầu của ion đến hiệu suất hấp phụ Hg2+ và Cd2+ của tro bay đã xử lý bằng NaOH pH= 13 ............................................................................. 36 3.3.1. Ảnh hƣởng của nồng độ ban đầu của ion Hg2+ đến dung lƣợng và hiệu suất hấp phụ Hg2+ của tro bay đã xử lý bằng NaOH pH= 13............................................. 36 3.3.2. Ảnh hƣởng nồng độ ban đầu của ion Cd2+ đến dung lƣợng và hiệu suất hấp phụ Cd2+ của tro bay đã xử lý bằng NaOH pH=13 ..................................................... 37 3.4. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ Hg và Cd của tro bay đã xử lý bằng NaOH pH= 13 ......................................................................................... 38 3.4.1. Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ Hg2+ của tro bay đã xử lý bằng NaOH pH= 13 ...................................................................................... 38 3.4.2 . Ảnh hƣởng của thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ Cd2+ của tro bay đã xử lý bằng NaOH pH= 13 ...................................................................................... 39 3.5. Nghiên cứu mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Hg2+ và Cd2+ của tro bay đã xử lý bằng NaOH pH=13 ................................................................................................................. 40 3.5.1. Đƣờng động học hấp phụ của Hg2+ theo các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich ............................................................................................. 40 3.5.2. Đƣờng động học hấp phụ của Cd2+ theo các mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và Freundlich ............................................................................................. 42 KẾT LUẬN .................................................................................................................... 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 46 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Bảng 1: Ứng dụng của tro bay phế thải (năm 2001) .................................................. 4 Hình 1: Sơ đồ nguyên lý tuyển nổi tro bay Phả Lại. ................................................... 6 Hình 2: (A) và (B) là dạng hình cầu và dạng bất thường của hạt tro bay.................. 7 Bảng 2: Hàm lượng (%) các hợp chất chủ yếu trong tro bay loại C và loại F .......... 8 Bảng 3: Hàm lượng và tính chất của tro bay loại C và loại F...................................8 Bảng 4: Thành phần hoá học và các tính chất vật lý của một số tro bay..................9 Hình 3: Thi công bê tông đầm lăn trên công trình thủy điện Sơn La. ...................... 10 Hình 4: Sử dụng tro bay trong thi công nhà Quốc hội. ............................................ 11 Hình 5: Quặng thủy ngân. ......................................................................................... 12 Hình 6: Nhiệt kế..................................... ................................................................... 13 Hình 7: Máy đo huyết áp thủy ngân.................. ............................................................ .......13 Hình 8: Cadimi. ......................................................................................................... 15 Hình 9: Máy ghi phổ hồng ngoại NEXUS 670 (Mỹ). ................................................ 19 Hình 10: Máy hiển vi trường điện tử phát xạ (FESEM) S-4800. .............................. 19 Hình 11: Thiết bị nhiễu xạ tia X. ............................................................................... 20 Hình 12: Máy đo phổ hấp thụ UV – VIS. .................................................................. 21 Hình 13: Phổ hồng ngoại của tro bay chưa xử lý và đã xử lý. ................................. 25 Bảng 5:Một số dao động của các nhóm nguyên tử đặc trưng trong tro bay ........... 25 Hình 14: Ảnh hiển vi điện tử quét ( SEM) của tro bay chưa xử lý(độ khuếch đại 10000 lần). ................................................................................................................ 27 Hình 15: Ảnh hiển vi điện tử quét ( SEM) của tro bay xử lý H2SO4(độ khuếch đại 10000 lần). ................................................................................................................ 27 Hình 17: Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của tro bay xử lý bằng NaOH ................. 28 Hình 18: Giản đồ XRD của tro bay chưa xử lý (a), tro bay đã xử lý bằng H2SO4 (b)29 Hình 19: Đồ thị đường hấp phụ đẳng nhiệt BET của tro bay chưa xử lý (A) .......... 30 Hình 20: Sự phân bố kích thước lỗ xốp của các mẫu tro bay. .................................. 31 Bảng 6: Kết quả đo diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của các mẫu tro bay . 31 Bảng 7: Độ hấp thụ quang của dung dịch chứa ion Hg2+ theo nồng độ................... 32 Hình 21: Đường chuẩn xác định nồng độ Hg2+. ....................................................... 33 Bảng 8: Độ hấp thụ quang của dung dịch chứa ion Cd2+ theo nồng độ .................. 33 Bảng 9:Ảnh hưởng nồng đầu của Hg2+bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13)đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ Hg2+................ .................................... .................36 Hình 22: Đường chuẩn xác định nồng độ Cd2+. ...................................................... 34 Hình 23: Ảnh hưởng nồng đầu của Hg2+ bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13)đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ Hg2+. .................................................................... 36 Bảng 10: Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ Cd2+bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13) ............................................................ 37 Hình 24: Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ Cd2+bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13). ........................................................... 38 Bảng 11: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất hấp phụ Hg2+bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13) ...................................................................................... 38 Hình 25: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất hấp phụ Hg2+bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13). ..................................................................................... 39 Bảng 12: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất hấp phụ Cd2+bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13) ...................................................................................... 39 Hình 26: Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc đến hiệu suất hấp phụ Cd2+bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13). ..................................................................................... 40 Bảng 13: Ảnh hưởng của nồng độ đến dung lượng hấp phụ Hg2+bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13) ............................................................................................... 40 Hình 27: Đường động học hấp phụ Hg2+ bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13) theo mô hình langmuir. ............................................................................................. 41 Hình 28: Đường động học hấp phụ Hg2+ bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13) theo mô hình Freundlich......................... .............................................. ....................41 Bảng 14: Các thông số của mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich cho quá trình hấp phụ của Hg2+ ............................................................................................. 42 Bảng 15: Ảnh hưởng của nồng độ đến dung lượng hấp phụ Cd2+bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13) ............................................................................................... 42 Hình 29: Đường động học hấp phụ Cd2+bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13) theo mô hình Langmuir. ............................................................................................ 43 Hình 30: Đường động học hấp phụ Cd2+bởi tro bay xử lý bằng NaOH (pH= 13) theo mô hình Freundlich. .......................................................................................... 43 Bảng 16: Các thông số động học theo cá mô hình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich cho quá trình hấp phụ của Cd2+ ............................................................. 44 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hàng năm, ngành công nghiệp năng lƣợng ở các nƣớc trên thế giới thải ra hơn 400 triệu tấn tro bay, phần lớn từ các nhà máy nhiệt điện than. Cho đến nay, ngay ở các nƣớc phát triển, lƣợng chất thải rắn này mới đƣợc tái sử dụng rất ít, chủ yếu thải ra môi trƣờng [22]. Ở nƣớc ta, năm 2015 dự kiến các nhà máy nhiệt điện thải ra khối lƣợng 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 lƣợng tro bay thải ra hiện vẫn còn nằm ở bãi chứa làm mất diện tích và gây ô nhiễm môi trƣờng. Sử dụng tro bay mới chỉ bắt đầu trong lĩnh vực sản xuất chất kết dính và bê tông xây dựng với khối lƣợng rất hạn chế. Việc nghiên cứu phát triển các hƣớng ứng dụng khác nhau của tro bay đang đƣợc các nhà khoa học hết sức quan tâm, đặc biệt là hƣớng ứng dụng làm vật liệu hấp phụ kim loại nặng trong nƣớc thải[19]. Kim loại nặng là những chất ô nhiễm nƣớc đặc biệt nguy hiểm đối với sức khỏe con ngƣời do khả năng tích tụ sinh học. Trong số đó, các ion Hg (II) và Cd (II) có độc tính thuộc hàng cao nhất. Thuỷ ngân có khả năng phản ứng với axit amin chứa lƣu huỳnh, các hemoglobin, abumin; có khả năng liên kết màng tế bào, làm thay đổi hàm lƣợng kali, thay đổi cân bằng axit bazơ của các mô, làm thiếu hụt năng lƣợng cung cấp cho tế bào thần kinh.Cađimi xâm nhập vào cơ thể đƣợc tích tụ ở thận và xƣơng; gây nhiễu hoạt động của một số enzim, gây tăng huyết áp, ung thƣ phổi, thủng vách ngăn mũi, làm rối loạn chức năng thận, phá huỷ tuỷ xƣơng, gây ảnh hƣởng đến nội tiết, máu, tim mạch. Từ các yếu tố trên cho thấy việc nghiên cứu hấp phụ xử lý ion kim loại nặng Hg2+ và Cd2+ trong nƣớc là rất cần thiết.Vì vậy, em lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion Hg2+ và Cd2+ của tro bay”. 1 2. Mục đích nghiên cứu Tro bay sau xử lý bằng dung dịch axit hoặc kiềm có khả năng hấp phụ đƣợc các ion kim loại Hg2+ và Cd2+. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Xử lý tro bay bằng dung dịch NaOH hoặc H2SO4. - Nghiên cứu các đặc trƣng của tro bay sau xử lý. - Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion Hg2+ và Cd2+ của tro bay đã xử lý. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR). - Phƣơng pháp đo phổ hấp thụ UV-VIS. - Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. - Phƣơng pháp chụp ảnh hiển vi điện quét (SEM). - Phƣơng pháp xác định diện tích bề mặt riêng (BET). 2 CHƢƠNG 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 nhà máy sản xuất điện. Tro bay cấu tạo từ các chất vô cơ không cháy đƣợc có sẵn trong than, sau quá trình đốt biến thành vật chất cấu trúc dạng thủy tinh và vô định hình. Nó đƣợc thu hồi tại bộ phận khí thải bằng các phƣơng pháp kết lắng, tuyển nổi, lọc tĩnh điện và lọc thu tay áo ở các nhà máy nhiệt điện. Gọi là tro bay vì ngƣời ta dùng các luồng khí để phân loại tro: Khi thổi một luồng khí nhất định thì hạt to sẽ rơi xuống trƣớc và hạt nhỏ sẽ bay xa hơn. Hạt tro tròn đều, kích thƣớc nhỏ (cỡ μm) [29, 2, 7]. 1.1.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ tro bay trên thế giới và Việt Nam  Tình hình sản xuất và tiêu thụ tro bay trên thế giới Ở nhiều nƣớc trên thế giới, tro xỉ than từ các nhà máy nhiệt điện đƣợc sử dụng rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong xây dựng, là phụ gia rất hữu dụng trong bê tông và xi măng. Việc sử dụng rác thải công nghiệp nhƣ tro xỉ than trong xây dựng đƣờng xá luôn luôn đƣợc khuyến khích và đôi khi là một điều kiện bắt buộc. Tại Pháp, 99% tro xỉ than đƣợc tái sử dụng, tại Nhật Bản con số này là 80% và tại Hàn Quốc là 85%. Trong công nghiệp xi măng, tro đƣợc 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 nhƣ tƣơng tự đất sét.Chính vì vậy mà ở các nƣớc 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 đƣợc trộn với các vật liệu kết dính nhƣ xi măng để làm vật liệu nền đƣờng. Ngoài ra, nó còn đƣợc dùng để làm phân bón cải tạo đất, nhiên liệu để nung vôi, gạch… [7]. Theo ƣớc tính của Viện Nghiên cứu than thế giới ở Luân Đôn, Vƣơng quốc Anh, năm 2001, lƣợng tro bay thải ra của toàn thế giới là 61,84 triệu tấn, tuy nhiên lƣợng tro bay đƣợc tái sử dụng chiếm khoảng 19,98 triệu tấn (32,3 %), cụ thể đƣợc chỉ ra ở bảng 1 [24]. 3 Bảng 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 đƣờng, 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 lƣợng tro bay lớn nhất thế giới (160 triệu tấn), chiếm 12 % tổng sản lƣợng tro bay trên thế giới. Trong đó, trên 50 % lƣợng tro bay đƣợc sử dụng, phần còn lại chất chứa trong các ao hồ [25]. 4 Ngƣời 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. Nhƣ ở Anh, gần một triệu tấn tro mịn đƣợc sử dụng làm bê tông mỗi năm. Nó thay thế 25- 30 % xi măng trong bê tông [10]. Ở Ấn Độ, năng lƣợng nhiệt đƣợc sử dụng là chủ yếu (73 %), lƣợng tro bay thải ra rất lớn so với các nƣớc 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 [9]. Tuy nhiên, việc tái sử dụng tro bay còn rất hạn chế. Nó chỉ đƣợc sử dụng một phần để thay thế cho xi măng trong xây dựng và bê tông. Tổ chức hợp tác năng lƣợng 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 đƣa thêm các chất hữu cơ phù hợp, làm cho cây cối có thể sinh sôi. Ngƣời ta đã tái tạo một phần tro bay ở nhà máy nhiệt Badarpur bằng cách bón phân vi sinh hữu cơ. Nhiều loài cây nhƣ cúc vạn thọ, lay ơn, cẩm chƣớng, hƣớng dƣơng… đang sinh trƣởng đã chứng minh cho điều này. Tro bay đƣợc xử lí vừa phục vụ mục đích kĩ thuật và vừa đáp ứng mục đích lợi nhuận. Tro bay là một loại phế thải nhƣng khi đƣợc xử lí , nó trở thành một nguyên liệu có ích. Chính vì thế , việc nghiên cứu , xử lí, biế n tính và ứng dụng tro bay đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm và ngày càng thu đƣợc kết quả tốt.  Tình hình sản xuất và tiêu thụ tro bay ở Việt Nam Ở nƣớc ta hiê ̣n nay, lƣợng tro bay đƣợc 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 nƣớc ta có hàm lƣợng than chƣa cháy cao, hoạt tính thủy lực thấp nên trong thực tế nó chƣa đƣợc sử dụng nhiều. Các nhà máy nhiệt điện ƣớc tính hằng năm thải ra khoảng 1,3 triệu tấn tro bay [3].Riêng nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 (Hải Dƣơng) trung bình mỗi ngày thải ra khoảng 3000 tấn tro xỉ, trong đó 30% là than chƣa cháy hết, còn lại là tro bay rất mịn. Do hàm lƣợng than dƣ này không cao nên khó tận thu làm nhiên liệu đốt mà thƣờng đƣợc thải thẳng ra hồ chứa. Cùng với lƣợng tro xỉ tƣơng đƣơng của nhà máy nhiệt điện 5 Phả Lại 1, mỗi ngày hai nhà máy này đang xả lƣợng chất thải khổng lồ vào môi trƣờng, lấp đầy hai hồ chứa sâu mấy chục mét. Theo dự báo, đến năm 2020 sẽ có them 28 nhà máy nhiệt điện đốt than đi vào hoạt động, lúc đó lƣợng tro xỉ thải ra hàng năm sẽ vào khoảng 12 triệu tấn, đó là chƣa kể lƣợng tro bay khá lớn thải từ hàng loạt các lò cao ở các khu công nghiệp gang thép sử dụng nhiên liệu than. 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 Cƣờng (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 đƣợc thực hiện với 2 công đoạn chính: tuyển nổi và sấy thu sản phẩm. Nguyên liệu là tro bay của Nhà máy nhiệt điện Phả Lại. Hình 1mô tả các công đoạn nói trên: Hình 1: Sơ đồ nguyên lý tuyển nổi tro bay Phả Lại. Hệ thống sấy và thu sản phẩm: Tro bay có độ ẩm < 20 % đƣợc đƣa vào Bunke cấp liệu bằng máy xúc lật. Nguyên liệu đƣợc chuyển tiếp lên lò sấy và đƣợc quay đốt 6 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 đƣợc 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 lƣợng trên sàng 0,045 mm 16 %, độ đồng nhất 2 %, độ ẩm 0,3 %. Ngoài một số công trình thủy điện đã ứng dụng tro bay, tro bay còn đƣợc ứng dụng làm vật liệu kết dính trong xây dựng [5] và vật liệu xử lý môi trƣờng (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 nhƣ SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, CaO, K2O. Hàm lƣợng cacbon trong tro bay nhỏ hơn 4 %. Ngoài ra, trong tro bay còn có vết của một số kim loại nặng nhƣ Cd, Ba, Pb, Cu, Zn, một lƣợng nhỏ nhóm OH ở bề mặt và amonia... [28, 18]. Tro bay có dạng hình cầu (hình 2) và có các màu ghi, ghi sáng hoặc trắng mờ. Kích thƣớc hạt trong khoảng 10-350 m Trong đó, ba phần tƣ tro bay có kích thƣớc hạt nhỏ hơn 45 m [23]. A B Hình 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 lƣợng CaO và MgO cao, tới hơn 20 %) và tro bay loại F (hàm lƣợng CaO và MgO nhỏ hơn nhiều so với tro bay loại C) bảng 2 và bảng 3 [11, 19]. 7 Bảng 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 CaO (Lime) 9 24 MgO 2 5 SO3 1 3 Bảng 3: Hàm lượng và tính chất của tro bay loại C và loại F (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 8 Nhu cầu nƣớc 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 Loại F Loại C 255 -- Yêu cầu tính chất vật lý LOI x độ mịn 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 dựng max% 0,020 -- Thành phần hoá học và các tính chất vật lý của tro bay sản xuất ở một số nƣớc đƣợc trình bày trong bảng 4 [16, 8]. Bảng 4: Thành phần hoá học và các tính chất vật lý của một số tro bay Tro bay sản xuất tại Đặc trƣng Ấn Độ Trung Quốc Cadacstan SiO2 55 - 65 >55 54 – 65 Al2O3 25 - 35 >31 21 – 39 Fe2O3 1-5 <3 1,6 - 3,8 TiO2 0,5 - 1,5 >1 - phần hoá MgO - >1 0,7 - 2,3 học (%) CaO - >2 - K2 O - >1 - Thành 9 Na2O Kích thƣớc hạt (m) - 0,3 - 1,3 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, trắng mờ trắng mờ ghi sẫm Độ ẩm (%) Tính Khối lƣợng riêng chất vật Nhiệt độ nóng chảy (oC) lí pH trong nƣớc Màu sắc Các ƣu điểm nổi bật của tro bay là nhẹ, tính chất cơ học cao, đặc biệt là độ cứng, mô đun và độ bền nén lớn. Tro bay kích thƣớc nhỏ (20 m) có độ cứng 250-270 kg.mm, tro bay kích thƣớc 150-250 m có mô đun 126 GPa. Nó rất bền nhiệt, chống đƣợc co ngót kích thƣớc, bền với các loại hoá chất, giá thành rẻ... [27]. 1.1.4. Tình hình nghiên cứu tái sử dụng tro bay  Ứng dụng tro bay làm phụ gia trong sản xuất bê tông đầm lăn (RCC) Hình 3: Thi công bê tông đầm lăn trên công trình thủy điện Sơn La. 10  Ứng dụng trong ngành sản xuất xi măng Với thành phần gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 . . . và đƣợc cấu tạo bởi những tinh cầu tròn, siêu mịn, độ lọt sàn từ 0,05 – 50 nanomet, tỉ diện 300 – 600m2/kg, tro bay Phả Lại đƣợc xem là một loại “puzzolan” nhân tạo chất lƣợng cao. Với tính chất Pozzolanic có khả năng khử CaO tự do trong xi măng ở môi trƣờng nƣớc, giá thành sản xuất tƣơng đối rẻ, bảo vệ môi trƣờng trong quá trình sử dụng, Tro bay Phả Lại rất ƣu việt trong nghành 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 lƣợng xi măng. + Làm nguyên liệu để sản xuất xi măng bền sulfat sử dụng trong mô trƣờng 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 đƣợc 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 đầm lăn ( hình 3). + Làm vật liệu trong xây dựng dân dụng và công nghiệp nhƣ: công trình giao thông,công trình cầu cảng; công trình thủy lợi, các hội trƣờng. . . + Làm phụ gia khác: Xây trát, chống thấm . . . Hình 4: Sử dụng tro bay trong thi công nhà Quốc hội. 11  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 ƣu 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 nhƣ: gạch bê tông bọt, gạch bê tông khí chƣng áp [6].  Ứng dụng tro bay làm vật liệu hấp phụ xử lý ô nhiễm nƣớc Tro bay ngoài các ứng dụng kể trên còn đƣợc nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực xử lý các chất ô nhiễm môi trƣờng. Có rất nhiều tài liệu về nghiên cứu xử lý các chất ô nhiễm nƣớc bằng phƣơng pháp hấp phụsử dụng tro bay. Các chất ô nhiễm có thể là hữu cơ, nhƣ dẫn xuất của phenol [13], các chất màu [20] hay hợp chất vô cơ nhƣ các ion kim loại nặng. 1.2. Thủy ngân 1.2.1. Nguồn gốc và phân bố thủy ngân Là một nguyên tố hiếm trong vỏ Trái Đất, thủy ngân đƣợc tìm thấy hoặc nhƣ 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. Kim loại thu đƣợc bằng cách đốt nóng chu sa trong luồng không khí và làm lạnh hơi thoát ra [21]. Hình 5: Quặng thủy ngân. Có tới 99,98% thủy ngân tồn tại ở dạng phân tán, chỉ có 0,02% thủy ngân tồn tại dƣới dạng khoáng vật.Tổng trữ lƣợng thủy ngân ở trong vỏ trái đất là 161012 tấn.Thủy 12