Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí SO2 bằng vật liệu hấp phụ được chế tạo từ lõi ngô

Để khắc phục, giảm thiểu mức độ ô nhiễm không khí hiện nay, một số công trình khoa học đã tiến hành nghiên cứu chế tạo các vật liệu hấp phụ khác nhau nhằm cải thiện môi trường không khí

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA

- -

PHAN TUẤN SANG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KHÍ SO2 BẰNG VẬT LIỆU HẤP

PHỤ ĐƯỢC CHẾ TẠO TỪ LÕI NGÔ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CỬ NHÂN KHOA HỌC

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường không khí, đặc biệt tại các đô thị không

chỉ còn là vấn đề riêng lẻ của một quốc gia hay một khu vực mà nó đã trở thành vấn

đề của toàn cầu Thực trạng phát triển kinh tế - xã hội của các quốc gia trên thế giới trong thời gian qua đã có những tác động lớn đến môi trường, đã làm cho môi trường sống của con người bị thay đổi và ngày càng trở nên tồi tệ hơn

Ở Việt Nam ô nhiễm môi trường không khí đang là vấn đề bức xúc đối với

môi trường đô thị, công nghiệp và các làng nghề

Để khắc phục, giảm thiểu mức độ ô nhiễm không khí hiện nay, một số công

trình khoa học đã tiến hành nghiên cứu chế tạo các vật liệu hấp phụ khác nhau nhằm cải thiện môi trường không khí xung quanh

Than hoạt tính là vật liệu hấp phụ có khả năng xử lý ô nhiễm môi trường

không khí rất tốt và đang được các nhà nghiên cứu quan tâm hiện nay Tận dụng nguồn nguyên liệu phế thải dồi dào là lõi ngô để chế tạo than hoạt tính không những góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường không khí mà còn đem lại nhiều lợi ích về kinh tế, xã hội

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Chế tạo than hoạt tính từ lõi ngô

- Nghiên cứu khả năng hấp phụ khí SO2 của than hoạt tính thị trường và than

hoạt tính được chế tạo từ lõi ngô

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết

- Thu thập, tổng hợp các tài liệu, tư liệu, sách báo trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài

- Vật liệu hấp phụ khí SO2 được chế tạo từ lõi ngô

- Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

5 ngh ho học à th c ti n

Tận dụng nguồn nguyên liệu phế thải dồi dào, s n có để điều chế than hoạt

tính góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường, đồng thời tiết kiệm kinh phí trong quá trình điều chế Với định hướng ứng dụng khả năng hấp phụ các chất khí của than hoạt tính nhằm góp phần cải thiện tình trạng ô nhiễm không khí trong thực tế, nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người

6 Nội dung nghiên cứu

- Chương 1: Tổng quan ( 18 trang )

- Chương 2: Thực nghiệm ( 5 trang )

- Chương 3: Kết quả và bàn luận ( 12 trang )

- Kết luận và kiến nghị ( 2 trang )

Với 15 tài liệu tham khảo, gồm 13 tài liệu tiếng việt và 2 wesbsite

3

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Thành phần cấu trúc à hó học củ ôi trường hông hí

1.1.1 Thành phần cấu trúc

a Tầng đối lưu (troposphere)

Tầng đối lưu chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển, ở độ cao từ 0 đến 11

km, càng lên cao nhiệt độ càng giảm Độ cao của tầng đối lưu có thể thay đổi khoảng vài km, tùy thuộc vào các yếu tố, nhiệt độ, bề mặt đất (khoảng 8 km ở hai cực, 18 km ở vùng xích đạo) Tầng này quyết định khí hậu của Trái đất, thành phần chủ yếu là N2, O2, CO2 và hơi nước Mật độ không khí và nhiệt độ trong tầng đối lưu không đồng nhất Mật độ không khí giảm rất nhanh theo độ cao (hàm số mũ) Nếu không bị ô nhiễm, thì nhìn chung thành phần của khí quyển ở tầng đối lưu khá đồng nhất, do có dạng đối lưu liên tục của các khối không khí trong tầng Tầng đối lưu là một vùng xoáy, do có sự mất cân bằng trong tốc độ sưởi ấm và làm lạnh giữa vùng xích đạo và ở hai đầu cực

Phần trên cùng của tầng đối lưu có nhiệt độ thấp nhất (vào khoảng -56°C)

được gọi là đỉnh tầng đối lưu hoặc lớp dừng (tropopause), đánh dấu sự kết thúc xu hướng giảm nhiệt theo độ cao trong tầng đối lưu, và bắt đầu có sự tăng nhiệt độ Ở đỉnh tầng đối lưu do nhiệt độ rất thấp, hơi nước bị ngưng tụ và đông đặc nên không thể thoát khỏi tầng khí quyển thấp Nếu không có đỉnh tầng đối lưu, đóng vai trò như tấm chắn rất hữu hiệu, hơi nước có thể bay lên các tầng khí quyển bên trên và

sẽ bị phân tích dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại có năng lượng lớn Hydro tạo thành do phản ứng phân tích sẽ thoát khỏi khí quyển (hầu hết hydro và heli vốn có trong khí quyển đã thoát khỏi khí quyển theo con đường này)

b Tầng bình lưu (stratosphere)

Tầng bình lưu ở độ cao từ 11 đến 50 km, nhiệt độ tăng theo độ cao, từ -56°C

đến khoảng -2°C Thành phần chủ yếu của tầng này là O3 , ngoài ra còn có N2, O2

và một số gốc hóa học khác Phía trên đỉnh tầng đối lưu và phần dưới của tầng bình lưu là tầng ozon, nhiệt độ trong tầng này gần như không đổi Ozon ở vùng này đóng

4

một vai trò cực kỳ quan trọng, nó có tác dụng như lá chắn bảo vệ cho cuộc sống trên bề mặt Trái đất, tránh được tác hại của tia tử ngoại từ ánh sáng Mặt trời

O3 + hν (λ: 220 - 330 nm) O2 + O + Q (làm tăng nhiệt độ)

Trong tầng bình lưu, không khí ít bị khuấy động, do đó thời gian lưu của các

phần tử hóa học ở vùng này khá lớn Nếu các chất gây ô nhiễm bằng cách nào đó xâm nhập vào tầng này, thì chúng sẽ tồn tại và gây ảnh hưởng tác động trong một thời gian dài hơn nhiều so với ảnh hưởng của chúng ở tầng đối lưu

c Tầng trung lưu (tầng trung gian, mesosphere)

Tầng trung lưu ở độ cao từ 50 km đến 85 km, nhiệt độ giảm theo độ cao, từ -

2°C đến -92°C, do không có nhiều các phần tử hóa học hấp thụ tia tử ngoại, đặc biệt

là ozon Thành phần hóa học chủ yếu trong tầng này là các gốc tự do O+, O2+,

NO+,…được tạo thành do oxy và nitơ oxit hấp thụ bức xạ tử ngoại xa

d Tầng nhiệt lưu (tầng nhiệt, tầng ion, thermosphere)

Tầng nhiệt lưu ở độ cao từ 85 đến trên 500 km Nhiệt độ trong tầng này tăng

từ -92°C đến 1200°C Trong tầng này, do tác dụng của bức xạ Mặt trời, nhiều phản ứng hóa học xảy ra với oxy, ozon, nitơ, nitơ oxit, hơi nước, CO2 , chúng bị phân tách thành nguyên tử và sau đó ion hóa thành các ion O2+, O+, O, NO+, e-, CO32-,

NO2-, NO3-, và nhiều hạt bị ion hóa phản xạ sóng điện từ sau khi hấp thụ bức xạ Mặt trời ở vùngtử ngoại xa (λ< 290 nm)

Ngoài các tầng trên, người ta còn có khái niệm tầng điện ly hay tầng ngoài

(exosphere) và tầng ion (ionosphere)

Tầng ngoài bao quanh Trái đất ở độ cao lớn hơn 800 km, có chứa các ion oxy

O+ (ở độ cao < 1500 km), heli He+ (< 1500 km) và hydro H+ (> 1500 km) Một phần hydro ở tầng này có thể tách ra và đi vào vũ trụ (khoảng vài nghìn tấn năm) Mặt khác, các dạng plasma do Mặt trời phát ra và bụi vũ trụ (khoảng 2 g/km2) cũng đi vào khí quyển Trái đất Nhiệt độ của tầng này tăng rất nhanh đến khoảng 1700°C Tầng ion là khái niệm dùng để chỉ phần khí quyển ở độ cao từ 50 km trở lên,

trong vùng này không khí có chứa nhiều ion Sự có mặt của các ion trong vùng này

5

đã được biết đến từ năm 1901, khi người ta phát hiện ra hiện tượng phản xạ của sóng radio của lớp khí quyển tầng cao

Giới hạn trên của khí quyển và đoạn chuyển tiếp vào vũ trụ rất khó xác định,

cho tới nay, người ta mới ước đoán khoảng 500 - 1000 km [3]

1.1.2 Thành phần hóa học của không khí sạch

Thành phần của không khí sạch, khô, coi như không ô nhiễm, được tính theo tỉ

lệ phần trăm thể tích chủ yếu là Nitơ 78,90% và Oxi 20,94% và một số đơn chất, hợp chất khác được trình bày trong bảng 1.1

Môi trường không khí bao quanh con người là không khí ẩm bao gồm không

khí khô, hơi nước và còn chứa nhiều bụi, kể cả các hạt lơ lửng

Bảng1.1.Thành phần không khí khô không bị ô nhiễm

phân tử

Tỉ lệ theo thể tích (%)

Tổng trọng lượng trong khí quyển (triệu tấn)

Ngoài các thành phần chính đã được liệt kê ở bảng 1.1, trong không khí còn

chứa rất nhiều thành phần khác được sinh ra trong các quá trình tự nhiên và nhân

tạo Những thành phần này có thể gây độc hại, ảnh hưởng đến đời sống của con

người và sinh vật Hàm lượngtối đa cho phép của các thành phần độc hại theo tiêu

chuẩn quốc tế và quốc gia được nêu trong các tài liệu về chất lượng môi trường

không khí và một số chất độc hại trong môi trường không khí [3],[12],[13]

1.2 S ô nhi ôi trường hông hí

1.2.1 Khái niệm về sự ô nhiễm môi trường không khí

Ô nhiễm không khí là hiện tượng làm cho không khí sạch thay đổi thành phần

và tính chất do bất cứ nguyên nhân nào, có nguy cơ gây tác hại tới thực vật và động vật, đến các môi trường xung quanh, đến sức khỏe con người

Quá trình gây ô nhiễm không khí xảy ra theo các bước sau :

- Chất gây ô nhiễm hay tác nhân ô nhiễm được phát sinh từ nguồn gây ô nhiễm

- Quá trình phát tán, lan truyền trong khí quyển của các chất gây ô nhiễm,

- Quá trình tương tác với bộ phận tiếp nhận là động thực vật, con người, các

công trình xây dựng, đồ vật chịu sự tác động có hại của các tác nhân gây ô nhiễm

Căn cứ vào nguồn gốc phát sinh chất gây ô nhiễm, người ta chia làm hai loại:

Nguồn gốc thiên nhiên:

- Khí núi lửa: Núi lửa phun ra những nham thạch nóng với nhiều khói bụi giàu sunfua, ngoài ra còn metan và một số khí khác Bụi được phun cao và lan tỏa rất xa

- Cháy rừng: Các đám cháy này thường lan truyền nhanh, rộng có nhiều bụi và các khí

- Bão bụi gây nên gió mạnh: Bão, mưa bào mòn đất sa mạc, đất trồng và gió

thổi tung lên thành bụi Sóng biển cũng tung hơi nước mang theo bụi muối kim loại lan truyền vào không khí

- Các quá trình thối rữa các xác động thực vật cũng phát thải ra nhiều khí độc

như NH3, H2S, CH4

Ngoài ra cũng phải kể đến các phản ứng hóa học giữa những khí tự nhiên hình thành các khí sunfua, các khí oxit nitơ, các loại muối

7

Tổng lượng tác nhân ô nhiễm có nguồn gốc tự nhiên rất lớn nhưng phân bổ

đồng đều trên toàn thế giới, nồng độ của chúng lại không tập trung ở một vùng, nên con người và động thực vật cũng đã làm quen với tác nhân này

Nguồn gốc nhân tạo:

Nguồn ô nhiễm nhân tạo rất đa dạng, chủ yếu do hoạt động công nghiệp, giao

thông vận tải, đốt nhiên liệu hóa thạch, hoạt động nông nghiệp và các hoạt động khác của con người gây nên Đó là bụi và các khí như CO, CO2, SOx, NOx,

hidrocacbon, các bụi kim loại nặng Bảng 1.2 cho biết tổng lượng chất thải có nguồn gốc nhân tạo của thế giới ( số liệu của năm 1992 )

Bảng 1.2 Số lượng tác nhân gây ô nhiễm không khí

trên toàn thế giới năm 1992

Nguồn gây ô

nhiễm

Tác nhân gây ô nhiễm

( đơn vị triệu tấn )

- Giao thông

vân tải (ô tô,

máy bay, tàu

đầu, ở hàm lượng lớn có thể dẫn đến tử vong

Tác nhân ô nhiễm thứ cấp: Là những chất mới được tạo ra trong khí quyển do

sự tương tác hóa học giữa các chất gây ô nhiễm sơ cấp với các chất vốn có trong khí quyển, rồi mới tác động đến bộ phận tiếp nhận Ví dụ: mưa axit là tác nhân gây ô nhiễm thứ cấp được tạo thành bởi khí SO2 và nước, gây ảnh hưởng tới mùa màng

và công trình xây dựng [3],[11]

1.2.2 Các chất gây ô nhiễm môi trường không khí

a Các hợp chất chứa lưu huỳnh (S)

Các hợp chất có chứa lưu huỳnh chủ yếu có trong khí quyển là: SO2, SO3,

H2S, H2SO4 và các muối sunfat Các nguồn tạo ra chúng chủ yếu là các quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch, sự phân hủy và đốt cháy chất hữu cơ chứa lưu huỳnh, các hoạt động của núi lửa Các hợp chất lưu huỳnh tồn tại trong không khí một thời gian rồi sau đó lại sa lắng xuống đất hay các đại dương

Khí đioxit lưu huỳnh SO2, trioxit lưu huỳnh SO3:

Trong khí quyển, khí sunfua dioxit ( đioxit lưu huỳnh ) bị oxi hóa thành SO3

theo quá trình hóa học hay quá trình quang hóa

Trong điều kiện độ ẩm cao, SO2 dễ bị các giọt nước có lẫn nhiều bụi hấp thụ

thì quá trình oxi hóa hóa học diễn ra rất thuận lợi với điều kiện có mặt các chất xúc tác (thường là muối của Fe3+, Mn2+, chính chúng là thành phần của bụi ) NH3 có trong không khí cũng làm cho phản ứng tăng nhanh và làm tăng độ tan SO2 trong giọt nước, có thể tạo ra amôni sunfat

Còn quá trình oxi hóa quang hóa liên quan với điều kiện độ ẩm và ánh sáng

SO2 được hoạt hóa, chuyển sang trạng thái kích hoạt, có năng lượng lớn nên tác dụng với O2 với tốc độ nhanh thành SO3 Quá trình này càng nhanh khi trong khí quyển có oxit nitơ và hidrocacbon

9

Sunfua trioxit ( trioxit lưu huỳnh ) được tạo ra từ SO2, phản ứng ngay với H2O tạo nên H2SO4 kết hợp dễ dàng với các giọt nước, sinh ra dung dịch H2SO4 Nếu trong khí quyển có NH3 hay các hạt NaCl thì các hợp chất Na2SO4.HCl hay

(NH4)2SO4 sẽ hình thành Như vậy, thời gian lưu của SO3 trong khí quyển cũng chỉ được tính bằng vài ngày

SO2 là khí tương đối nặng nên thường ở gần mặt đất, ngang tầm sinh hoạt của

con người, vì vậy là khí ô nhiễm điển hình và tác động trực tiếp đến cuộc sống SO2

dễ tan trong nước nên dễ phản ứng với cơ quan hô hấp của người và động vật khi xâm nhập vào cơ thể Ở hàm lượng thấp, SO2 làm sưng niêm mạc, ở hàm lượng cao ( > 0,5mg/m3 ) gây tức thở, ho, viêm loét đường hô hấp Khi có mặt cả SO2 và SO3

sẽ gây tác động mạnh hơn, thậm chí có thể gây co thắt phế quản và dẫn đến tử vong

SO2 tạo nên H2SO4, là thành phần chính của mưa axit, làm thiệt hại mùa

màng, nhiễm độc cây trồng, giảm tuổi thọ của các sản phẩm vải, nilông, tơ nhân tạo,

đồ dùng bằng da, giấy, ảnh hưởng đến chất lượng của các công trình xây dựng…

Khí sunfua hidro H2S:

Khí sunfua hidro H2S là khí có bản chất độc, không màu, có mùi khó chịu

(mùi trứng thối ) được đưa vào khí quyển với những lượng rất lớn từ nguồn tự nhiên

và nhân tạo Khí H2S xuất hiện trong khí thải của các quá trình sản xuất có sử dụng nhiên liệu hữu cơ chứa lưu huỳnh; các quá trình tinh chế dầu mỏ, tái sinh sợi hoặc chế biến thực phẩm, xử lý rác thải Một phần H2S phát sinh trong tự nhiên bởi quá trình thối rữa của các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi khuẩn từ rác thải, cống rãnh,

bờ biển, ao tù, hồ nước cạn, kể cả từ các hầm lò khai thác than, các vệt núi lửa Trong không khí, 80% H2S bị oxi hóa thành SO2 do oxi hoặc ozon:

H2S + O3 → H2O + SO2

Theo các nghiên cứu, với nồng độ của H2S trong môi trường không khí là một phần tỉ, khi tiếp xúc với O3 ở nồng độ khoảng 0,05ppm và trong không khí có

khoảng 15.000 hạt bụi/cm3 thì phản ứng diễn ra vào khoảng 2 giờ Vì H2S, O2, O3

đều hòa tan được trong nước nên tốc độ oxi hóa H2S trong sương mù, các giọt lỏng

10

trong mây diễn ra rất nhanh Như vậy sự tồn tại của H2S trong khí quyển được tính hàng giờ

Khí sunfua hidro có thể gây độc hại như sau: ở nồng độ thấp gây nhức đầu,

khó chịu; ở nồng độ cao (> 150ppm) gây tổn thương màng nhày của cơ quan hô hấp, viêm phổi; ở nồng độ khoảng 700ppm đến 900ppm có thể xuyên màng phổi, xâm nhập mạch máu, dẫn đến tử vong

Đối với thực vật, H2S làm tổn thương lá cây, rụng lá, giảm khả năng sinh

trưởng

b Oxyt Cacbon

Cacbon monoxit CO:

Cacbon monoxit CO là chất khí không màu, không mùi, bản chất là khí độc

Nguồn CO nhân tạo chủ yếu được phát ra từ các quá trình cháy không hoàn toàn các nhiên liệu hóa thạch Ngày nay, qua nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng nguồn phát sinh ra CO tự nhiên lớn gấp khoảng 10 đến 15 lần nguồn CO nhân tạo Các nguồn phát sinh CO trong tự nhiên có thể là do sự oxi hóa metan, khởi đầu bằng phản ứng giữa metan với gốc hydroxyl HOCH4 + HO → CH3· + H2O

Theo các nghiên cứu, 50% lượng CO trong khí quyển sinh ra do chuỗi phản

ứng của metan

Ngoài ra, người ta đánh giá được rằng vào khoảng 10% CO lượng được tạo ra

từ các đại dương và từ các quá trình đốt cháy

Bản chất của CO là khí độc, nếu xâm nhập vào cơ thể, CO tác dụng với hồng

cầu HbO2 trong máu tạo hợp chất bền vững, làm giảm khả năng vận chuyển O2 của hồng cầu đi nuôi các tế bào của cơ thể:

HbO2 + CO → HbCO + O2

Ngộ độc nhẹ CO có thể để lại di chứng thiếu máu, hay quên Ngộ độc nặng

gây ngất, lên cơn co giật, liệt tay chân và có thể dẫn đến tử vong trong vòng vài ba phút khi nồng độ vượt quá 2% Thực vật khi tiếp xúc với CO ở nồng độ cao sẽ bị rụng lá, xoắn lá, cây non có thể chết yểu

11

Cacbon dioxit CO2:

CO2 vốn có trong thành phần của không khí sạch, và sinh ra trong quá trình hô hấp của động thực vật Xét về nguồn nhân tạo, CO2 được phát sinh từ sự đốt cháy hoàn toàn nguyên nhiên liệu chứa cacbon, theo các số liệu thống kê, hàng năm, chỉ riêng trong quá trình chế biến và sử dụng than đá, con người đã thải vào khí quyển 2.109 tấn CO2 Trong tự nhiên, khoảng một nửa lượng CO2 được hơi nước và thực vật hấp thụ, phần còn lại tồn lưu trong môi trường không khí

Khí CO2 ở nồng độ thấp không gây nguy hiểm cho người và động vật, đối với

thực vật, khí CO2 có ảnh hưởng tốt, tăng cường khả năng quang hợp nhất là trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng, ẩm Tuy nhiên ở nồng độ cao sẽ gây nguy hại, hơn nữa khí CO2 là một trong các khí nhà kính nên việc tăng hàm lượng CO2 trong khí quyển sẽ gây nên sự gia tăng hiệu ứng nhà kính, gây ô nhiễm môi trường không khí

c Các hợp chất chứa nitơ

Các hợp chất chứa nitơ quan trọng trong khí quyển là N2O, NO, NO2, NH3 và

các muối nitrat, nitrit, và amoni

Các oxyt nitơ:

Các oxyt nitơ thường viết tắt là NOx phát sinh qua các đốt cháy các nhiên liệu

ở nhiệt độ cao, qua quá trình sản xuất hóa học có sử dụng nitơ Trong tự nhiên, NOx

phát sinh từ sự oxyhóa nitơ của không khí do sấm sét, từ khí núi lửa và các quá trình phân hủy vi sinh vật Trong các NOx thì NO và NO2 được coi là những chất điển hình gây ô nhiễm không khí Các oxit nitơ khác tồn tại trong không khí với nồng độ rất nhỏ và không gây lo ngại về ô nhiễm

NO là khí không màu, không mùi, không tan trong nước Khi xâm nhập vào

cơ thể nó có thể tác dụng với hồng cầu trong máu, làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu, dẫn đến bệnh thiếu máu

NO2 là khí có màu nâu nhạt, mùi hắc, có tính kích thích, dễ tan trong nước

Khi xâm nhập vào cơ thể nó có thể tạo thành axit qua đường hô hấp hoặc tan vào

nước bọt, vào đường tiêu hóa sau đó vào máu, gây nguy hiểm cho cơ thể

12

NOx tác dụng với hơi nước trong khí quyển, tạo thành axit HNO3, như vậy

cùng với axit H2SO4, là thành phần chính của mưa axit, làm thiệt hại mùa màng, nhiễm độc cây trồng, giảm tuổi thọ của các sản phẩm vải, nilông, tơ nhân tạo, đồ dùng bằng da, giấy, ảnh hưởng đến chất lượng của các công trình xây dựng…

Amoniac NH3:

Amoniac chủ yếu được tạo ra từ nguồn tự nhiên qua các quá trình phân hủy

chất hữu cơ của xác động thực vật Nguồn nhân tạo chủ yếu là từ khí thải của các nhà máy sản xuất hóa chất, phân đạm, từ các hệ thống thiết bị làm lạnh có sử dụng

NH3 Trong môi trường không khí NH3 có thể tham gia vào các quá trình như: hấp phụ lên các bề mặt ướt hoặc phản ứng với các chất có tính axit trong pha khí hay pha ngưng tụ tạo ra ion amoni NH4+, rồi có thể bị oxihóa đến tận nitrat NO3-

NH3 có mùi khó chịu và gây viêm đường hô hấp cho người và động vật Khi

tan vào nước, NH3 gây nhiễm độc cá và hệ vi sinh vật nước Thực vật bị nhiễm NH3

ở nồng độ cao sẽ bị bệnh đốm lá; giảm tỉ lệ nảy mầm ở hạt giống

Các muối nitrat và amoni thường không thải lên khí quyển với bất kì lượng

đáng kể nào, mà chỉ sinh ra do sự chuyển hóa của NO, NO2 và NH3 trong khí

quyển Như vậy các oxit nitơ cuối cùng được chuyển hóa thành nitrat và tiếp đó được loại khỏi khí quyển do mưa hoặc được sa lắng khô

d Các hợp chất hữu cơ

Các hợp chất hữu cơ nói chung chiếm tỉ lệ khá lớn trong các chất gây ô nhiễm

và lại gây nhiễm độc lâu dài, chúng đi vào khí quyển từ nhiều nguồn tự nhiên và nhân tạo khác nhau, nên không thể tiến hành những đo đạc cho tất cả các loại riêng

rẽ, hoặc xác định tốc độ phát tán riêng rẽ của chúng được Vì vậy khi xem xét các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm không khí thường chỉ xét tới lượng của một số loại nhất định Những hidrocacbon có trong khí quyển ở dạng khí (có từ 1 đến 5 cacbon) được chú ý nhiều hơn về mức độ ô nhiễm Ngoài ra còn có các chất ở dạng hạt gồm các hidrocacbon không bay hơi

Các hợp chất hữu cơ phát sinh chủ yếu từ quá trình đốt cháy nhiên liệu như

than đá, dầu mỏ, gỗ; từ khí thải của các quá trình sản xuất của các nhà máy lọc dầu,

chúng, điển hình là sự tồn tại của các gốc tự do trong môi trường không khí hay hỗn hợp khói quang hóa

e Các loại bụi và sol khí

Bụi là một tập hợp nhiều hạt vật chất rắn hoặc lỏng, có kích thước nhỏ, nhờ sự vận động của không khí mà nó tồn tại phát tán trong diện rộng Những hạt dạng keo lơ lửng có kích thước nhỏ hơn 1μm còn được gọi là sol khí Bụi và sol khí được đặc trưng bởi thành phần hóa học và kích thước hạt Kích thước càng nhỏ thì thời gian lưu giữ của chúng trong khí quyển càng lâu và càng có khả năng bay xa, lan rộng và xâm nhập vào mọi vị trí trong cơ thể con người và động vật Thành phần hóa học của chúng cũng phụ thuộc nhiều vào kích thước trung bình của hạt, chủ yếu

là các oxyt như SiO2, Al2O3, CaO… và các hợp chất hữu cơ

Bụi có kích thước từ 0,001mm - 10mm, còn gọi là bụi bay, bao gồm tro,

muội, khói và các hạt chất rắn đã bị nghiền nhỏ, lơ lửng trong không khí Loại bụi này thường gây tổn thương cơ quan hô hấp, nhất là bụi thạch anh Bụi có kích thước lơn hơn 10m m, gọi là bụi lắng, thường rơi xuống đất với tốc độ tăng dần

Căn cứ vào tác hại của bụi, người ta chia ra làm 5 loại bụi:

- Bụi gây nhiễm độc chung : chì, thủy ngân, benzen

- Bụi gây dị ứng, viêm mũi, hen, nổi ban : bụi bông gai, phấn hoa, bụi từ phân

hóa học

- Bụi gây ung thư : Bụi quặng, bụi phóng xạ, hợp chất crôm

- Bụi gây nhiễm trùng : lông, tóc

- Bụi gây xơ phổi : bụi amiăng, bụi thạch anh

Bụi và sol khí nói chung là chất gây ô nhiễm, ngoài ra tác hại của chúng chủ

yếu còn do khả năng hấp thụ hoặc tạo hợp chất với các oxyt kim loại hoặc hợp chất

Lưu huỳnh đioxit là một khí vô cơ không màu, nặng hơn không khí, có công

thức hoá học là SO2 Chất khí này là sản phẩm chính của sự đốt cháy hợp chất lưu huỳnh và nó là một mối lo ngại đáng kể đối với môi trường SO2 thường được mô tả

là "mùi hôi của lưu huỳnh bị đốt cháy" Nó có khả năng làm vẩn đục nước vôi trong, làm mất màu dung dịch brôm và làm mất màu cánh hoa hồng [14]

1.3.2 Phương pháp phân tích

Phương pháp 1

Nguyên tắc chung: SO2 trong dung dịch H2O2 bị oxi hóa thành axit sulfuric

Độ axit được xác định bằng dung dịch kiềm tiêu chuẩn

Độ nhạy của phương pháp: Nếu hàm lượng SO2 trong không khí là 0,03

mg/m3 (0,01 ppm) lượng mẫu khí phải lấy là 0,85 m3

Thu mẫu và phân tích: Mẫu khí được hút qua ống hấp thụ chứa dung dịch hấp thụ (nước cất chứa 0,3% H2O2) Axit tạo ra được chuẩn độ bằng dung dịch kiềm chuẩn

Phương pháp 2

Nguyên tắc chung: SO2 trong dung dịch hấp thụ NaOH dư, xảy ra phản ứng

tạo ra sản phẩm là Na2SO3 và lượng dư NaOH Độ bazơ được xác định bằng dung dịch axit tiêu chuẩn

Thu mẫu và phân tích: Mẫu khí được hút qua ống hấp thụ chứa dung dịch hấp thụ (NaOH 0.1N) Lượng NaOH còn dư được chuẩn độ lại bằng dung dịch axit chuẩn [7]

phụ và chất bị hấp phụ Tuỳ theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học

Tùy theo bản chất lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

- 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 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 Ở hấp phụ vật lí, nhiệt hấp phụ không lớn

- Hấp phụ hóa học: Hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử chất hấp phụ tạo

hợp chất hóa học với các phân tử chất bị hấp phụ Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…) Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol Trong thực tế sự phân biệt hấp phụ vật lí và hấp phụ hóa học chỉ là tương đối, vì ranh giới giữa

chúng không rõ rệt Trong một số quá trình hấp phụ xảy ra đồng thời cả hấp phụ vật

lí và hấp phụ hóa học [9], [10]

1.4.2 Cân bằng hấp phụ - Các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch Các phần 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 tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc

độ di chuyển ngược trở lại pha mang càng lớn Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng

Một hệ hấp phụ khi đạt đến 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)

16

Ở nhiệt độ không đổi (T = const), đường biểu diễn sự phụ thuộc của q vào P

hoặc C (q = fT(P hoặc C)) được gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ

Đường đẳng nhiệt hấp phụ có thể được xây dựng trên cở sở lý thuyết, kinh

nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, bản chất và kinh nghiệm xử lí số liệu thực nghiệm

Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng được nêu ở bảng 1.3

Bảng 1.3 Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ thông dụng

Teller (BET) Vật lí, nhiều lớp

Trong các phương trình trên, v là thể tích chất bị hấp phụ, đặc trưng cho đại

lượng hấp phụ, vm là đại lượng hấp phụ cực đại ứng với sự hấp phụ một lớp đơn phân tử trên toàn bộ bề mặt, p là áp suất chất bị hấp phụ ở pha khí, p0 là áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết ở cùng nhiệt độ Các kí hiệu khác là các hằng số [9], [10]

1.5 Giới thiệu ề nguyên liệu dùng để điều chế th n ho t tính

Tận dụng nguồn nguyên liệu tự nhiên s n có góp phần vào việc bảo vệ môi

trường, lõi ngô là một trong những nguồn phế thải nông nghiệp dồi dào, là nguyên

17

liệu rẻ tiền, dễ kiếm, quy trình chế tạo đơn giản và không đưa thêm vào môi trường

những tác nhân độc hại

1.5.1 Giới thiệu về ngô

Hình 1.1 Cây ngô lương thực

Cây Ngô (ZeamaysL) là loại lương thực có tầm quan trọng trong nền kinh tế

quốc dân và kinh tế toàn cầu

Trên thế giới, ngô là một trong những cây ngũ cốc quan trọng, diện tích đứng

thứ 3 sau lúa mì và lúa nước, sản lượng thứ hai và năng suất cao nhất trong các cây

ngũ cốc

Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực quan trọng thứ hai sau cây lúa và là cây

màu quan trọng nhất được trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau, đa dạng về mùa

vụ gieo trồng và hệ thống canh tác

Cây ngô là cây trồng có vai trò rất quan trọng trong cơ cấu cây trồng ở nước

ta, năm 2010 là 1126,9 nghìn ha (trong đó trên 90% diện tích trồng ngô lai), năng

suất trung bình cả nước đạt 40,9 tạ/ha, sản lượng đạt trên 4,6 triệu tấn

Những năm gần đây, cây ngô là cây thực phẩm được ưa chuộng, các loại ngô

nếp, ngô đường để dùng luộc, nướng, đóng hộp

Các số liệu về diện tích, năng suất và sản lượng ngô được cập nhật trong

những năm gần nhất, từ năm 2001 đến nay được thể hiện ở bảng 1.4

Bảng1.4 Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam từ năm 2001 – 2006

(Nguồn: Niên giám thống kê năm 2006)

18

(1000 ha)

Năng suất (tấn/h )

Sản lư ng (1000 tấn)

2006 974,0 3,62 3.820,0

Như vậy, từ năm 2001 đến năm 2006 ở nước ta cây ngô đã phát triển mạnh mẽ

cả về diện tích, năng suất và sản lượng [8]

1.5.2 Thành phần chính của lõi ngô

Theo số liệu của Tổng cục Thống kê, hiện cả nước có khoảng 800,000ha ngô

Quá trình chế biến nông sản đã thải ra môi trường khoảng 1 triệu tấn lõi ngô mỗi

năm

Hàm lượng phần trăm các thành phần hoá học chính của lõi ngô được thể hiện

trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Thành phần hóa học của lõi ngô

Cellulose: Cellulose là polisaccarit do các mắt xích α-glucozơ [C6H7O2(OH)3]n

nối với nhau bằng liên kết 1,4-glycozit Phân tử khối của cellulose rất lớn, khoảng

từ 10.000 – 150.000đvC

Hemicellulose: Về cơ bản, hemicellulose là polisaccarit giống như cellulose,

nhưng có số lượng mắt xích nhỏ hơn Hemicellulose thường bao gồm nhiều loại mắt

xích và có chứa các nhóm thế axetyl và metyl

Lignin: Lignin là loại polyme được tạo bởi các mắt xích phenylpropan Lignin

giữ vai trò là chất kết nối giữa cellulose và hemicellulose [8]

19

1.6 Giới thiệu ề th n ho t tính

Than hoạt tính là một chất gồm chủ yếu các nguyên tố carbon ở dạng vô định

hình (bột), một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit (ngoài carbon thì phần còn lại

thường là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loại kiềm và vụn cát)

Carbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với thành phần khoảng 85-

95% Ngoài ra, còn chứa các nguyên tố khác như: hidro, nitơ, lưu huỳnh và oxi

Thành phần các nguyên tố trong than hoạt tính thường là 88% C, 0.5% H, 0.5% N,

1% S, 6-7% O (có thể thay đổi từ 1-20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu,

chứa carbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 10000C

Tất cả các nguyên liệu chứa carbon đều có thể chuyển thành than hoạt tính, tất nhiên sản phẩm thu được sẽ có sự khác nhau phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu được sử dụng, bản chất của tác nhân hoạt hóa và điều kiện hoạt hóa Trong quá trình hoạt hóa, hầu hết các nguyên tố khác trong nguyên liệu tạo thành sản phẩm khí

và bay hơi bởi nhiệt phân hủy nguyên liệu ban đầu Các nguyên tử carbon sẽ nhóm lại với nhau thành các lớp thơm liên kết với nhau một cách ngẫu nhiên Sự sắp xếp của các lớp thơm này không tuân theo qui luật, do đó để lại các chỗ trống giữa các lớp, các chỗ trống này tăng lên thành lỗ xốp làm than hoạt tính thành chất hấp phụ tuyệt vời

Do than hoạt tính có khả năng hấp phụ tốt mà người ta có thể ứng dụng vào

một số công việc sau:

- Làm sạch môi trường không khí, kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ

- Loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơ trong

nước thải công nghiệp và sinh hoạt