碳材於水圈汞污染控制之新穎應用

Abstract

由於食物鏈及食物網的生物累積與生物放大，環境及工業中的汞分布對人體健康造成相當大的威脅，因此，汞的使用及排放為全球關注的重要議題。為了減緩汞排放對環境的衝擊，本論文合成官能化碳材並應用於工業汞控制（5.1、5.2及5.3節）與汞污染水體之環境整治（5.4節）。 於5.1節中，本論文藉由批次式吸附實驗獲取商用硫化活性碳（SAC）於石灰石濕式煙氣脫硫廢水中汞去除的最佳吸附參數。實驗結果顯示，在所有測試pH下，SAC1對液相汞（Hg(II)）的吸附量及去除率平均高於SAC2（CS2預處理之SAC1）0.32 mg/g與21%。此外，當pH由4上升至7，SAC1之Hg(II)吸附效果下降了22%（0.27 mg/g）。吸附動力擬合結果顯示擬二階與Elovich方程式可用以敘述SAC1對Hg(II)的吸附行為，由等溫吸附曲線擬合結果則可看出linear與Freundlich方程式較符合該化學吸附反應。吸附熱力學計算結果證實SAC1在該系統中對Hg(II)的吸附屬於自發性的放熱反應。於Hg0再逸散實驗結果可發現，當SO32-由0上升至0.01 mM，Hg0再逸散量下降了88%，SAC1的添加可完全抑制Hg0再逸散。整體而言，藉由添加SAC1可成功捕捉液相Hg(II)並抑制氣相Hg0再逸散發生。 5.2節則自行合成SAC，並於不同吸附參數下測試SAC在海水煙氣脫硫廢水中對Hg(II)之吸附行為。批次吸附結果顯示，當初始Hg(II)濃度高於4.7 µg/L，SAC之Hg(II)去除明顯優於AC。此外，SAC在pH 7及8下的吸附效果高於在pH 2至6之間。吸附動力擬合結果顯示擬二階方程式可用以敘述SAC對Hg(II)的吸附行為。由等溫吸附曲線擬合結果則可看出linear方程式較符合該化學吸附反應。吸附熱力學計算結果證實SAC在該系統中對Hg(II)的吸附屬於自發性的吸熱反應。另外，於Hg0再逸散實驗中發現NaClO的添加可有效降低Hg0再逸散，然而NaClO的添加促使Hg–Cl錯合物的形成，間接降低了SAC對Hg(II)的吸附。 合成銅硫共含浸活性碳（Cu-S-AC）並將其應用於海水煙氣脫硫廢水中的Hg(II)捕捉及Hg0再逸散抑制為5.3節的研究方向。批次吸附結果顯示，當初始Hg(II)濃度高於8 µg/L，Cu-S-AC之Hg(II)去除明顯優於硫含浸活性碳（S-AC）及AC。此外，Cu-S-AC在pH 7及8下的吸附效果高於在酸性條件。吸附動力擬合結果顯示擬二階方程式可用以敘述Cu-S-AC對Hg(II)的吸附行為，由等溫吸附曲線擬合結果則可看出線性與Freundlich方程式較符合該化學吸附反應。吸附熱力學計算結果證實Cu-S-AC在該系統中對Hg(II)的吸附屬於自發性的吸熱反應。Hg0再逸散實驗結果顯示，pH及溫度的上升會促進海水煙氣脫硫廢水中的Hg0再逸散，而Cu-S-AC的添加則可有效降低92%的Hg0再逸散。 將生物炭（biochar）的碳化、磁化及硫化合併為單一的熱處理程序以製備硫化磁性生物炭（SMBC）並將SMBC應用於水體Hg(II)去除為5.4節之研究主軸。批次吸附結果顯示，於600 °C下熱裂解合成的SMBC之Hg(II)最大吸附量（8.93 mg/g）高於400、500、700、800及900 °C下熱裂解合成的SMBC。此外，SMBC的Hg(II)吸附分別高於磁性生物炭（MBC）及一般生物炭（BC）53.0%及11.5%。酸性條件（pH 3.5–5）則有利於SMBC的Hg(II)吸附。吸附動力擬合結果顯示擬二階及外部質量傳輸方程式可用以敘述SMBC對Hg(II)的吸附行為。吸附熱力學計算結果證實SMBC在該系統中對Hg(II)的吸附屬於自發性的吸熱反應。SMBC在三種實際環境水體的吸附結果顯示，汞在淡水的分配係數（PC）為4.964 mg/g/µM，高於河口水（0.176 mg/g/µM）及海水（0.275 mg/g/µM），該數據也顯示鹽度對SMBC環境整治應用的影響。 總結而言，官能化AC（SAC及Cu-S-AC）可有效於濕式煙氣脫硫（石灰石或海水）廢水中捕捉液相Hg(II)並同時抑制氣相Hg0再逸散。除此之外，SMBC的合成快速且便捷，對Hg(II)吸附的效果良好，將來可實際應用於水體、底泥及土壤等環境介質之汞污染整治。本論文的研究成果不僅在污染控制技術或清潔生產有所貢獻，更針對工業排放及環境汞污染問題提出不同的新穎材料應用策略。綜上所述，本論文所產出之科學貢獻橫跨環境工程、材料科學及化學工程等三個重要領域。