zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Luận Văn - Báo Cáo

» Công nghệ - Môi trường

Đồ án than Hoạt Tính

Chia sẻ: Phan Tuan Ngoc | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:20

Báo xấu

645
lượt xem 128
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Than hoạt tính từ lâu đã được chế tạo và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày đến các ứng dụng trong công nghiệp. Than hoạt tính với những đặc tính tuyệt vời của mình có thể làm sạch nước, không khí thậm chí là tham gia vào các quá trình tinh chế các chất hóa học hữu ích khác. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại than hoạt tính khác nhau, sản xuất theo nhiều phương pháp và đi từ các nguồn nguyên liệu rất khác nhau như khí...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án than Hoạt Tính

Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng MỞ ĐẦU Than hoạt tính từ lâu đã được chế tạo và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày đến các ứng dụng trong công nghiệp. Than hoạt tính với những đặc tính tuyệt vời của mình có thể làm sạch nước, không khí thậm chí là tham gia vào các quá trình tinh chế các chất hóa học hữu ích khác. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại than hoạt tính khác nhau, sản xuất theo nhiều phương pháp và đi từ các nguồn nguyên liệu rất khác nhau như khí thiên nhiên, bã thải nông nghiệp hay than bùn,… Tuy đa dạng về mặt mẫu mã, chủng loại nhưng những tính chất cơ bản của chúng không khác xa nhau. Với mục đích hiểu rõ hơn về các loại than hoạt tính và những tính chất ưu việt của chúng, chúng em quyết định chọn đề tài nghiêm cứu “Tổng quan về than hoạt tính. Nguyên liệu và các phương pháp sản xuất. Ứng dụng than hoạt tính trong tinh chế cồn” làm đề tài đồ án chuyên ngành cử nhân của mình. Qua đồ án này, ta sẽ nắm được những khái niệm cơ bản về tính chất, phân loại, ứng dụng của than hoạt tính, cũng như các phương pháp sản xuất than hoạt tính từ nhiều nguồn khác nhau. Trong quá trình thực hiện, do thời gian có hạn nên đồ án còn nhiều thiếu sót, chúng em mong cô và các bạn góp ý, bổ sung để đồ án của chúng em hoàn thiện hơn. PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ THAN HOẠT TÍNH I – Giới thiệu chung về than hoạt tính 1. Định nghĩa Gần đây, cacbon được xem như là một nguyên tố tuyệt vời của cuộc cách mạng khoa học vật liệu. Từ cacbon chúng ta sẽ có được than hoạt tính, một chất hấp phụ xốp rất tốt, với các đặc tính tuyệt vời, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Than hoạt tính là một thuật ngữ thường được sử dụng cho một nhóm các chất hấp phụ dạng tinh thể, có cấu trúc dạng mao quản làm cho diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ tốt hơn. Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon, chiếm từ 85 đến 95% khối lượng. Phần còn lại là các nguyên tố khác như hydro, nitơ, lưu huỳnh, oxi,… có sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong quá trình hoạt hóa. Thành phần của than hoạt tính thông thường là: 88% C; 0.5% H; 0.5% N; 1% S và 6-7% O. Hàm lượng oxi có thể thay đổi từ 1 đến 20% tùy thuộc vào nguyên liệu và cách điều chế than hoạt tính. Than hoạt tính có diện tích bề mặt khoảng 800 – 1500 m2/g chủ yếu là do các lỗ nhỏ có bán kính dưới 2 nm tạo ra, thể tích mao quản từ 0.2 – 0.6 cm3/g. Mỗi năm khoảng 150 nghìn tấn than hoạt tính dạng bột được sản xuất, cùng với khoảng 150.000 tấn than dạng hạt và 50.000 tấn dạng viên hoặc thanh. Nhiều nguyên liệu khác nhau có thể được sử dụng như gỗ, nhựa, đá hay các vật liệu tổng hợp để sản xuất than hoạt tính mà không cần đưa chúng về dạng cacbon, đồng thời vẫn có được hiệu quả tương tự. Than hoạt tính sau khi sử dụng có thể được tái sinh (làm sạch hoặc giải hấp phụ) và có thể sử dụng hàng trăm, thậm chí hàng ngàn lần. Than hoạt tính được sản xuất từ các nguyên liệu tự nhiên bằng cách than hóa và xử lý tiếp. Trong quá trình này, một vài thành phần chuyển hóa thành khí và bay hơi khỏi nguyên liệu ban đầu tạo thành các lỗ trống xốp (mao quản). Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng Hiện nay trên thị trường, than hoạt tính được bán dưới ba dạng: - Than hoạt tính dạng bột - Than hoạt tính dạng hạt - Dạng than hoạt tính cải tiến (dưới áp suất cao), thường là viên 2. Lịch sử hình thành và phát triển Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã được hoạt hóa đã được sử dụng từ nhiều thế kỉ trước: - Người Ai Cập sử dụng than gỗ từ khoảng năm 1500 TCN để làm chất hấp phụ chữa bệnh. - Người Hin du cổ ở Ấn Độ đã biết làm sạch nước uống bằng cách lọc qua than gỗ. Sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng những năm 1900, được sử dụng để làm vật liệu tinh chế đường bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật bằng hơi nước hoặc CO2. Than hoạt tính còn được sử dụng trong các mặt nạ phòng độc trong thế chiến thứ nhất. - Năm 1793 Ken-xơ đã dùng than gỗ để hút mùi hôi ở những vết thương có tính hoại tử. - Năm 1773 Silo đã quan sát và mô tả hiện tượng hấp phụ trên than gỗ. - Năm 1777 Phôn-tan-na đã đưa than nóng đỏ vào ống chứa khí úp ngược trên thủy ngân và nhận thấy phần lớn khí trong ống bị than hút mất. - Trong lĩnh vực dung dịch, năm 1785 Tô-vơlo-vit đã thấy than gỗ có thể tẩy màu nhiều dung dịch. - Năm 1794 Lip-man cũng thấy than gỗ tẩy màu tốt các dung dịch đường mía và năm 1805 Gu-li- on đã dung than gỗ để tẩy màu trong công nghiệp đường. - Sang đầu thể kỷ 20, vào năm 1922 Bi-si mới thành công trong việc chế tạo than tẩy màu. -Than được chế tạo bằng cách trộn than máu với potdineeg rửa và sấy. - Năm 1872 Han-xơ nghiên cứu khả năng than sọ dừa hấp thụ N2, H2 ,NH3 và HCN ở khoảng nhiệt độ từ 0-70°C thấy HCN được hấp thụ tốt hơn NH3, N2 , H2. - Ở nước ta từ những năm đâu thập kỷ 60 đã nghiên cứu một số than hoạt tính dung cho mặt nạ phòng độc và phục vụ nhu cầu phát triển. 3. Phân loại 3.1. Phân loại theo Misec Có nhiều cách để phân loại than hoạt tính. Cách đơn giản nhất theo Misec là phân loại theo hình dáng bên ngoài của nó. Theo cách này than hoạt tính được phân thành hai nhóm: a. Than bột: Nhóm này gồm than tẩy màu và than y tế. Vì độ khuếch tán trong dung dịch nhỏ nên quá trình hấp phụ xảy ra trong dung dịch rất chậm. Để tăng cường độ thiết lập cân bằng hấp phụ than được nghiền thành bột mịn. b. Than hạt Than hạt chủ yếu được dùng trong hấp phụ khí và hơi, vì vậy còn có tên gọi là than khí. Đôi khi than hạt cũng được dùng trong môi trường lỏng, đặc biệt là để lọc nước. Than hạt có thể là dạng mảnh hoặc dạng trụ. Nguyên liệu được xay đến kích thước nhất định và được hoạt hóa. Than hạt dạng trụ hoàn chỉnh được chế tạo theo quy trình phức tạp hơn. Nguyên liệu được chuẩn bị ở dạng vữa, ép vữa thành sợi và cắt thành hạt rồi tiếp tục các bước sản xuất khác. 3.2. Phân loại Meclenbua Meclenbua phân loại than hoạt tính theo mục đích sử dụng và vì vậy than gồm nhiều loại: a. Than tẩy màu Đây là nhóm cơ bản, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp để tẩy màu dung dịch. Ở đây, than hấp phụ chất bẩn có màu. Kích thước phân tử chất màu thay đổi trong phạm vi rộng từ dạng phân tử thông thường tới dạng lớn và tới các tiểu phân có độ phân tán keo. Than tẩy màu dùng ở dạng bột mịn có kích thước hạt khoảng 80 – 100 µm. Than tẩy màu còn gồm than kiềm, than axit và than trung tính. Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng b. Than y tế Than có khả năng hấp phụ các chất tan phân tán dạng keo trong dịch dạ dày và ruột. Đây cũng là than tẩy màu, chỉ khác là có độ sạch cao. Trong quá trình sản xuất không nên dùng những chất tẩm chứa nhiều cation độc như thiếc, đồng, thủy ngân,… c. Than hấp phụ Tùy vào chất lượng và đích sử dụng, than hấp phụ còn được chia thành ba loại: - Than ngưng tụ: Than được dùng để gom hơi các chất hữu cơ trong không khí, chẳng hạn dùng để tách benzen khỏi các khí thiên nhiên nhằm quay vòng dung môi dễ bay hơi trở lại quy trình sản xuất. Than có hoạt tính cao, độ bền cơ học cao, trở lực lớp than đối với dòng khí nhỏ, khả năng lưu trữ chất bị hấp phụ thấp. Thường than được sản xuất dưới dạng viên định hình hay dạng mảnh đường kính từ 2 – 8 mm, chiều dài khoảng 1.5 lần đường kính. - Than xúc tác: cũng là một dạng than khí, có độ xốp lớn, có thể dùng làm chất xúc tác trong tổng hợp nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ. - Than khí: Than có khả năng hấp phụ chọn lọc khí và hơi. Có thể dùng than này để tách các hợp phần khí hay hơi ra khỏi hỗn hợp của chúng. Than có ứng dụng rộng rãi trong công nghệ dầu mỏ để làm sạch các chất thơm, không khí,…; để làm sạch nước,… Than được sản xuất dưới dạng mảnh hay hạt định hình với kích thước tùy thuộc vào mục đích sử dụng. 3.3. Phân loại theo Đu-bi-nin Đu-bi-nin đã dựa vào cấu trúc xốp để phân loại than hoạt tính. Chia than hoạt tính thành dạng thu hồi và dạng khí là không có ý nghĩa về đặc trưng cấu trúc. Theo ông chia than thành ba dạng dưới đây là hợp lý: a. Than hoạt tính hấp phụ khí Dùng cho hấp phụ khí, hơi và các chất dễ bay hơi. Dạng than này thuộc chất hấp phụ có cấu trúc xốp nhỏ loại I. Đặc trưng cấu trúc của dạng than này là khi tăng thể tích hấp phụ trong lỗ xốp nhỏ làm dễ dàng cho sự hấp phụ đẳng nhiệt b. Than hoạt tính thu hồi Dùng hấp phụ hơi các dung môi công nghiệp nhằm thu hồi và đưa chúng trở lại chu trình sản xuất. Dạng than này thuộc chất hấp phụ có cấu trúc hỗn tạp. Dung tích hấp phụ lớn nhưng khả năng lưu giữ chất bị hấp phụ thấp, nhất là trong điều kiện khử hấp phụ bằng hơi quá nhiệt. c. Than tẩy màu Than tẩy màu dùng để tẩy màu và lọc sạch dung dịch, chất lỏng. Than chủ yếu thuộc chất hấp phụ có cấu trúc loại II. Than chứa tỷ lệ lớn lỗ có kích thước đủ lớn để hấp phụ các phân tử màu và các tạp chất khác có mặt trong pha lỏng. Khi cần hấp phụ các chất có phân tử nhỏ khỏi dung dịch thì dùng tan có cấu trúc loại I. Sự phân loại than hoạt tính giúp chúng ta có định hướng dễ dàng trong sản xuất và trong việc tìm loại than thích hợp cho mục đích sử dụng của mình. Than hoạt tính được sản xuất từ các cơ sở khác nhau, tuy có nhãn hiệu và tên thành phẩm khác nhau, nhưng có thể có tính chất hấp phụ giống nhau. 4. Cấu trúc mao quản của than hoạt tính Các mao quản trong than hoạt tính được chia thành ba loại theo kích thước của chúng: - Mao quản micro (mao quản nhỏ): những mao quản có bán kính nhỏ hơn 1 nm. - Mao quản meso (mao quản trung): những mao quản có bán kính từ 1-25 nm. - Mao quản macro (mao lớn): những mao quản có bán kình trên 25 nm. Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng Hình 1. Cấu trúc mao quản của than hoạt tính Than hoạt tính có mao quản lớn thường được sử dụng để vận chuyển chất lỏng còn việc hấp phụ thường sử dụng than hoạt tính có các mao quản vừa và nhỏ. Các mao quản được hình thành trong quá trình sản xuất, khi mà nguyên liệu được hoạt hóa. Các mao quản này không được tạo ra bằng phản ứng hóa học. Than hoạt tính chế tạo từ than bùn có cả mao quản meso và micro. Trong quá trình sản xuất có thể điều khiển được quá trình hình thành mao quản meso – micro và tạo ra nhiều mao quản meso cho than hoạt tính có nhiều ứng dụng. Than hoạt tính dạng bột có chứa nhiều mao quản meso. Than hoạt tính loại này có các mao quản meso kích thước 1-4 nm, cùng với các mao quản meso lớn hơn, gần như là dạng bột. Than hoạt tính chế tạo từ than đá cũng có cả mao quản micro và meso và cũng đa chức năng. Một trong những loại than phổ biến nhất trên thị trường có cỡ hạt khoảng 0.4-1.4 mm. Một loại than mới được sử dụng và ngày càng được dùng nhiều có cỡ hạt nhỏ hơn, khoảng 0.4 – 0.85 mm. Than hoạt tính sản xuất từ vỏ dừa chỉ có cấu trúc mao quản micro, kích thước dưới 1 nm. Nếu dùng loại than hoạt tính này để tinh chế cồn (thường có rất nhiều tạp chất có kích thước khoảng 2-10 nm) thì sẽ có thể gây ra tắc nghẽn mao quản, kết quả là than hoạt tính không thể sử dụng được hết năng suất tối đa. Tuy nhiên vẫn có thể thành công vì khả năng hấp phụ của than hoạt tính làm từ dừa cao gấp 2-3 lần các loại than hoạt tính khác. Than hoạt tính chế tạo bằng hoạt hóa hóa học có độ xốp cao hơn nhiều so với việc hoạt hóa bằng hơi nước, tạo ra được nhiều mao quản micro và meso. 5. Tái sinh than hoạt tính Nếu loại bỏ hết các tạp chất trong than hoạt tính đã sử dụng thì chúng có thể được tái sinh và sử dụng lại. Sau khi tái sinh, than hoạt tính có thể phục hồi đến 80% hiệu quả sử dụng, mà trong thực tế là 100% vì ít khi sử dụng than hoạt tính đến giới hạn của nó. Theo lý thuyết, việc này có thể thực hiện nhiều lần theo ý muốn. Đối với các loại than hoạt tính mềm (than hoạt tính từ than bùn sẽ giảm chất lượng khi tái sinh) thì các hạt sẽ trở nên nhỏ hơn sau mỗi lần tái sinh. Còn với Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng các loại than hoạt tính cứng hơn, như vỏ dừa hay than đá, sẽ vẫn giữ được chất lượng tốt và có thể tái sinh khoảng vài trăm lần. Có 2 cách để tái sinh than hoạt tính: - Bằng nhiệt (tái sinh nhiệt); - Bằng hơi nước (tái sinh hơi nước); 5.1. Tái sinh bằng nhiệt Tái sinh bằng nhiệt trong công nghiệp được thực hiện theo các bước sau: - Than hoạt tính được sấy khô. - Sau đó gia nhiệt để cacbon hóa các tạp chất chứa trong các mao quản của than hoạt tính. - Than hoạt tính được hoạt hóa ở khoảng 700 - 1000°C. Ở nhiệt độ này các tạp chất sẽ chuyển thành hơi và thoát ra khỏi than hoạt tính. Quá trình này được thực hiện trong môi trường yếm khí để đảm bảo rằng than hoạt tính không bị đốt cháy. Bằng cách này, các mao quản sẽ được hình thành một lần nữa và than hoạt tính được tái sinh. Cách này ít khi được sử dụng cho những người chưng cất rượu tại gia. Ở một số vùng, tái sinh nhiệt được thực hiện theo các bước sau: - Bắt đầu bằng việc đổ than hoạt tính vào sàng và rửa sạch với nước nóng từ vòi. Nếu than hoạt tính có cỡ hạt 0.4 – 0.85 mm thì chúng sẽ chui qua được các lỗ sàng thông thường khi rửa. Bạn có thể sàng với các loại lưới tốt hơn hoặc bỏ qua hoàn toàn bước này. - Sau đó đun sôi than hoạt tính trong nước 10 – 15 phút để hòa tan môt vài rượu bậc cao (đã tái sinh được 15 – 20%). Đun đến khi bay hơi. Đun lại nếu cần thiết. - Than hoạt tính sau đó được sấy khô. Sau khi than đã khô, nó được đặt vào một lò sấy điện. - Bật lò ở 140 °C hoặc 150°C và nung than hoạt tính trong khoảng 2 – 3 giờ. - Tắt lò và đợi cho than hoạt tính nguội. Bây giờ nó đã sẵn sàng để tái sử dụng lại. Các tạp chất khi bay hơi khỏi than hoạt tính trong quá trình đun nóng có mùi rất tệ. Đồng thời, việc tái sinh than hoạt tính trong lò điện rất nguy hiểm vì nó có thể cháy. Than hoạt tính làm từ gỗ và than bùn cháy ở khoảng 200°C còn than đá ở khoảng 400°C. Than đá vẫn có thể tái sinh trong lò điện ở khoảng 300 - 350°C nếu muốn. 5.2. Tái sinh bằng hơi nước Tái sinh bằng hơi nước là phương pháp thường được sử dụng trong công nghiệp tinh chế cồn. Nó được thực hiện theo các bước sau: - Lọc ngược dòng với nước nóng. Được thực hiện từ trên xuống. Trong các bộ lọc than hoạt tính luôn luôn thực hiện từ dưới lên. - Sau đó, hơi nước được cho đi qua than hoạt tính. Nó cũng được thực hiện từ trên xuống. Hơi nước ở 120 - 130°C và than hoạt tính cũng được làm nóng đến nhiệt độ tương tự. Tất cả các tạp chất và rượu tạp bay hơi khỏi các mao quản. - Cuối cùng than hoạt tính được rửa ngược và sẵn sàng sử dụng lại. 6. Ứng dụng Than hoạt tính là một chấp hấp phụ quý và linh hoạt, được sử dụng cho nhiều mục đích: - Loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn hoặc các tạp chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải (công nghiệp và sinh hoạt). - Làm sạch không khí, kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp. - Làm sạch hóa chất, dược phẩm. - Làm chất thu hồi vàng, bạc và các kim loại quý khác trong lĩnh vực luyện kim. - Chất mang xúc tác. - Loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số bệnh. II – Tính chất vật lý Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng Than hoạt tính được sản xuất và bán trên thị trường quốc tế rất đa dạng. Mỗi loại than đều có công dụng riêng biệt đáp ứng các nhu cầu công nghiệp cụ thể. Tuy nhiên, xét về mặt vật lý và đặc trưng kỹ thuật thì chúng có những đặc điểm chung quyết định đến khả năng hấp phụ là: - Kích thước hạt; - Diện tích bề mặt riêng; - Cấu trúc vật lý; - Khối lượng riêng; 1. Kích thước hạt Có nhiều nhiều phương pháp sản xuất than hoạt tính khác nhau nên các loại than hoạt tính có nhiều tính chất, hình dạng và kích thước hạt khác nhau. Trước khi đưa vào sử dụng cần xác định được các thông số như kích thước hạt và diện tích bề mặt riêng của hạt than,… vì những thông số này là một trong những nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của than hoạt tính. Người ta thường sử dụng hai phương pháp để xác định kích thước hạt than là: - Phương pháp hiển vi điện tử; - Phương pháp hấp phụ lên bề mặt; Vì kích thước và diện tích bề mặt các hạt than khác nhau nên trong tính toán thường lấy giá trị trung bình. Phương pháp xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử cho giá trị đường kính trung bình hạt than với các phương pháp sản xuất khác nhau. Ví dụ, than máng có đường kính hạt trung bình là 100 ÷ 300 Å; than sản xuất bằng lò lỏng có đường kính hạt trung bình là 180 ÷ 600 Å; than sản xuất bằng lò khí có đường kính hạt trung bình là 400 ÷ 800 Å. Phương pháp nhiệt phân cho than hoạt tính có đường kính hạt trung bình lớn nhất là 1400 ÷ 4000 Å. Người ta đã đưa ra công thức tính đường kính trung bình của hạt than hoạt tính như sau: Trong đó: n – số hạt; d – đường kính hạt. Kích thước hạt cũng được xác định bằng phương pháp gián tiếp nhờ phương pháp hấp phụ theo BET. 2. Diện tích bề mặt riêng Hai phương pháp thường dùng để xác định diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính là: - Phương pháp tính toán hình học; - Phương pháp tính toán theo lượng chất lỏng phân tử thấp hoàn toàn trơ hóa học với than hoạt tính nhưng được hấp phụ lên bề mặt của than hoạt tính; Theo phương pháp thứ nhất, các kích thước hình học của than hoạt tính được xác định bằng kính hiển vi điện tử. Nếu chấp nhận các hạt than hoạt tính có dạng khối cầu và bề mặc các hạt than phẳng nhẵn tuyệt đối thì diện tích bề mặt riêng Sh được tính theo công thức: Trong đó: – khối lượng riêng của than hoạt tính; DA – đường kính bề mặt trung bình hạt than; Trong đó: n – số hạt; d – đường kính hạt; Diện tích bề mặt riêng xác định theo phương pháp này gọi là diện tích bề mặt hình học riêng (Sh). Theo phương pháp thứ hai, diện tích bề mặt riêng được xác định theo lượng chất lỏng phân tử thấp hoàn toàn trơ hóa học với than hoạt tính nhưng hấp phụ lên bề mặt than hoạt tính. Trong số chất lỏng phân tử thấp, thường dùng là nitơ ở nhiệt độ sôi của nó hay các dung dịch iot, phenol,… Diện tích riêng bề mặt được tính toán bằng phương pháp này gọi là diện tích hấp phụ riêng Sp. Giá trị Sp cho mỗi chất lỏng hấp phụ khác nhau thì khác nhau vì chất lỏng phân tử lượng lớn hơn thì khả năng hấp phụ kém hơn. Để đánh giá mức độ phẳng nhẵn bề mặt các cấu trúc than có thể Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng sử dụng tỷ số giữa diện tích hấp phụ riêng và diện tích bề mặt hình học riêng. Tỷ số này càng lớn bề mặt tiếp xúc giữa hai pha càng cao. 3. Cấu trúc vật lý Cấu trúc của than hoạt tính được đánh giá bằng mức độ phát triển cấu trúc bậc nhất của nó. Mức độ phát triển cấu trúc này phụ thuộc vào phương pháp sản xuất và nguyên liệu đầu đưa vào để sản xuất than. Cấu trúc bậc nhất phát triển mạnh nhất trong than sản xuất bằng phương pháp lò. Liên kết hóa học C – C đảm bảo cho cấu trúc có độ bền cao. Số lượng các hạt than sơ khai có cấu trúc dao động từ vài hạt đối với than có cấu trúc thấp đến 600 hạt đối với than có cấu trúc cao. Trong thời gian bảo quản, các cấu trúc bậc nhất của than hoạt tính tiếp xúc với nhau, liên kết lại với nhau tạo thành liên kết bậc hau của than hoạt tính. Mức độ bền vững của cấu trúc bậc hai phụ thuộc vào độ bền liên kết giữa các cấu trúc bậc nhất và dao động trong khoảng độ bền của liên kết Van der Waals đến độ bền liên kết hydro có trong than. Cấu trúc bậc hai càng bền vững khi các hạt than có kích thước càng nhỏ, mức độ nhám bề mặt càng lớn và hàm lượng các nhóm chứa oxy trên bề mặt than càng cao. Cấu trúc của than hoạt tính có thể xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử và có thể đánh giá gián tiếp qua lượng dầu được than hoạt tính hấp phụ (trị số dầu của than). Trị số dầu của than họa tính là lượng dầu hay lượng chất lỏng không bốc hơi (ml), trơ hóa học với than hoạt tính được hấp phụ lên bề mặt của than họa tính tạo thành bột nhão. Theo lý thuyết, lượng dầu hấp phụ này chính là khoảng không gian giữa các hạt than khi các hạt than này nằm sát với hạt kia. Nếu cấu trúc của than càng lớn, mức độ kết bó chặt chẽ của than giảm, lượng dầu cần thiết để trộn miết với than càng nhiều hơn. Như vậy, trị số dầu là đại lượng tổng hợp để đánh giá giá trị diện tích bề mặt riêng và mức độ cấu trúc của than hoạt tính. 4. Khối lượng riêng Khối lượng riêng của than hoạt tính là đại lượng phụ thuộc vào phương pháp xác định nó. Chẳng hạn, nếu như dùng rượu, axeton để xác định khối lượng riêng của than hoạt tính thì rượu và axeton lại là các phân tử quá lớn, không len lỏi và các khe, kẽ giữa các hạt than và trên bề mặt than. Như vậy, thể tích do các hạt than chiếm sẽ lớn và khối lượng riêng sẽ nhỏ hơn khối lượng riêng thực của than. Khối lượng riêng của than hoạt tính xác định bằng phương pháp này dao động trong khoảng từ 1800 ÷ 1900 km/m3. Khi xác định khối lượng riêng của than hoạt tính trong heli lỏng, thu được giá trị từ 1900 ÷ 2000 kg/m3. Khối lượng riêng của than hoạt tính được tính toán theo hằng số mạng tinh thể là 2160 ÷ 2180 kg/m3. Than hoạt tính dạng bột là các hạt nằm sát bên nhau và ở các góc cạnh, các cung là không khí, vì thế khối lượng riêng của nó nhỏ hơn nhiều và dao động từ 80 ÷ 300 kg/m3, phụ thuộc vào mức độ phát triển cấu trúc của than. Than có cấu trúc càng lớn, khoảng trống giữa các cấu trúc càng nhiều và giá trị khối lượng riêng càng nhỏ. Qua ứng dụng của than hoạt tính, người ta thấy rằng giá trị khối lượng riêng 1860 kg/m 3 thường được sử dụng khá phổ biến. III – Tính chất hóa học Phân tích cấu tạo và cấu trúc của than hoạt tính bằng tia Rơnghen cho thấy các hạt than hoạt tính có cấu trúc mạng phẳng, cấu tạo từ các vòng cacbon, vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong vòng giống vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong benzen. Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết hóa học như sau: Khoảng 3 ÷ 7 mạng cacbon phẳng sắp xếp thành từng lớp, mạng này lên mạng khác, nhưng không trồng khít và chính xác như nhau mà các nguyên tử cacbon ở các mạng khác nhau nằm lệch nhau tạo thành các tinh thể sơ khai của than hoạt tính. Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một mạng là 1.42 Å, khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon tương ứng ở hai mạng kề nhau là 3.6 ÷ 3.7 Å. Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng Trong mỗi tinh thể sơ khai của than hoạt tính chứa khoảng 100 ÷ 200 nguyên tử cacbon. Các tinh thể sơ khai sắp xếp tự do và liên kết với nhau để tạo thành các hạt than đầu tiên. Số lượng các tinh thể sơ khai trong hạt than quyết định kích thước của hạt than, chẳng hạn than hoạt tính được sản xuất bằng phương pháp khuếch tán MacDG – 100 chứa khoảng 5000 ÷ 10000 tinh thể. Trong quá trình sản xuất, do có sự va chạm, khuấy trộn, các hạt than sơ khai thường có dạng khối cầu hoặc gần cầu. Các khối cầu nằm bên trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nhau nhằm tăng kích thước của hạt để giảm năng lượng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi. Hình dạng và kích thước của chuỗi phụ thuộc vào tính chất của từng loại than. Các chuỗi hạt như vậy được gọi là cấu trúc hạt bậc nhất của than hoạt tính. Trong tinh thể khối của hạt than hoạt tính, các nguyên tử cacbon nằm ở mặt ngoài (cạnh hoặc mép) có mức độ hoạt động hóa học lớn, và vì vậy, nó là trung tâm của các quá trình oxy hóa tạo cho bền mặt than hoạt tính hàng loạt các nhóm hoạt động hóa học khác nhau. Ngoài cacbon, trong thành phần hóa học của than hoạt tính còn có hydro, lưu huỳnh, oxy và các chất khác. Các nguyên tử này được đưa vào than hoạt tính cùng với nguyên liệu đầu và trong quá trình oxy hóa. Sự có mặt của các hợp chất chứa oxy trên bề mặt than hoạt tính được chứng minh bằng phản ứng axit huyền phù trong nước của than hoạt tính. Bảng 1. Thành phần nguyên tố một số loại than hoạt tính Hàm lượng, % Loại Cacbon Oxy Hydro Chất dễ bay hơi Tăng cường máng 95.2 3.6 0.6 5 Bán tăng cường lò 99.2 0.4 0.3 1.2 Tăng cường lò lỏng 98.2 0.8 0.3 1.4 Nhìn chung, tùy vào từng loại than với các phương pháp sản xuất khác nhau, thành phần của chúng cũng khác nhau, nhưng nằm trong giới hạn cho phép: - Cacbon: 80 ÷ 99.5%; - Hydro: 0.3 ÷ 1.3 %; - Oxy: 0.5 ÷ 1.5 %; - Nitơ: 0.1 ÷ 0.7 %; - Lưu huỳnh: 0.1 ÷ 0.7 %; IV – Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính Nguồn nguyên liệu cho sản xuất than hoạt tính là những nguyên liệu có hàm lượng cacbon cao nhưng lại chứa ít các thành phần vô cơ khác như gỗ, than non, than bùn, than đá,… Bên cạnh đó, rất nhiều loại chất thải nông nghiệp như vỏ trấu, vỏ dừa,… cũng có thể chuyển thành than hoạt tính bởi nguồn nguyên liệu này có sẵn, rẻ tiền, hàm lượng cacbon cao và các thành phần vô cơ thấp. Có thể phân chia nguyên liệu thành ba nhóm như sau: - Từ than đá, than bùn - Từ thực vật: gỗ, bã mía, rơm rạ, vỏ quả, hạt quả - Từ động vât: xương , xúc tu các loài động vât. III – Phương pháp sản xuất Than hoạt tính chủ yếu được sản xuất bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô có chứa cacbon ở nhiệt độ dưới 1000°C. Quá trình sản xuất gồm hai bước: - Than hóa ở nhiệt độ dưới 800°C trong môi trường yếm khí hoặc khí trơ. - Hoạt hóa sản phẩm của quá trình than hóa ở nhiệt độ khoảng 950 - 1000°C. Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng 1. Quá trình than hóa Quá trình than hóa là quá trình phân hủy nhiệt nguyên liệu để đưa nguyên liệu ban đầu và dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ và tạo mao quản ban đầu. Quá trình than hóa có thể thực hiện được trong cả ba pha rắn, lỏng, khí. Than hóa trong pha rắn: Nguyên liệu đầu là các phân tử lớn do sự tổng hợp hoặc quá trình tự nhiên. Phân hủy nguyên liệu đầu bằng cách tăng nhiệt xử lý, giải phóng các chất khí và chất lỏng có khối lượng phân tử thấp. Than hóa trong pha lỏng: Sử dụng các nguyên liệu như vòng thơm, hắc ín cho phép tạo thành cacbon dạng graphit không có mao quản, cần một phản ứng tác động lên các lớp graphit để tạo ra mao quản. Than hóa trong pha khí: Nguyên liệu ban đầu là các khí như metan, propan hoặc benzen trộn với heli. Quá trình than hóa thực hiện ở áp suất tương đối thấp. Nguyên tắc của quá trình sản xuất than nguyên liệu thực vật là dùng nhiệt phân hủy nguyên liệu trong điều kiện không có không khí. Dưới rác dụng của nhiệt từ nhiệt độ thường tới 170°C, vật liệu bị khô đều; từ 170 ÷ 280°C, vật liệu bị phân hủy theo những quá trình thu nhiệt, ở đây các hợp phần của nguyên liệu bị biến tính, giải phóng oxit cacbon, khí cacbonic, axit axetic,… Tiếp theo, từ 280 ÷ 380°C xảy ra sự phân hủy phát nhiệt giải phóng metanol, hắc ín,… Quá trình cacbon hóa xem như kết thúc ở khoảng 400 ÷ 600°C. 2. Quá trình hoạt hóa Quá trinh hoạt hóa trong sản xuất than hoạt tính có ý nghĩa rất lớn, vì vậy người ta đã tập trung nhiều cố gắng nghiên cứu khâu này. Việc nghiên cứu than hoạt tính ban đầu tập trung vào việc thiết lập mối quan hệ giữa cấu trúc nguyên liệu và sản phẩm. Việc chọn nguyên liệu một mặt dựa vào quy mô sản xuất, mặt khác dựa vào nguyên liệu thích hợp tự nhiên cho một sản phẩm nhất định. Ví dụ xương động vật cho than tẩy màu, sọ dừa cho than rắn chắc thích hợp để sản xuất than hấp phụ khí và hơi... Thời gian về sau công tác nghiên cứu đi sâu vào cấu trúc xốp của than, người ta đã nhận thấy phương pháp than hóa tuy không ảnh hưởng tới thành phần nguyên tố của than nhưng ảnh hưởng rõ rệt lên cấu trúc xốp của than, ảnh hưởng mạnh lên việc hình thành các sản phẩm do than hóa tạo thành như hắc ín, than vô định hình, ... từ đó ảnh hưởng lên quá trình hoạt hóa và ảnh hưởng lên tính chất than thành phẩm. Theo Ac-lếch-xep-ski, việc chọn nguyên liệu cho than hoạt tính dựa vào thành phần các hợp chất hữu cơ của nguyên liệu. Nguyên liệu tốt là loại chứa các hợp chất hữu cơ bị phân hủy ở nhiệt độ không cao và khi bị nhiệt phân không tạo ra cacbua no phân tử lơn, mà loại phân tử này lại chỉ bị phân hủy ơ nhiệt độ cao tạo ra cacbon graphit hóa. Quá trình nhiệt phân phải được thực hiện nhanh làm giảm thời gian tiếp xúc giữa cacbon mới được hình thành và sản phẩm của quá trình nhiệt phân. Tiếp theo quá trình than hóa là quá trình hoạt hóa. Mục đích của quá trình hoạt hóa là giải phóng độ xốp sơ cấp đã có sẵn trong than, đồng thời tạo thêm độ xốp thứ cấp làm than có hoạt tính cao. Riêng về hoạt hóa có thể phân chia một cách có điều kiện thành hai phương pháp: - Phương pháp hoạt hóa hóa học. - Phương pháp hoạt hóa hóa lý. Phương pháp hoạt hóa hóa lý dùng các chất oxy hóa như hơi nước, dioxit cacbon ... làm tác nhân tác dụng với than nguyên liệu, khi mức độ hoạt hóa chưa cao (độ xốp còn kém) tác nhân hoạt hóa tác dụng với cacbon vô định hình và cacbua mạch cao nằm trên bề mặt than giải phóng độ xốp sơ cấp đã có sẵn trong than. Tiếp theo là chúng tác dụng với khung than làm chảy một phần cacbon tinh thể tạo thêm độ xốp cho than. Hoạt hóa hóa học chủ yếu dùng cho than gỗ. Nguyên liệu thường được sử dụng là gỗ trộn với chất hoạt hóa và chất hút nước (thường dùng là H3PO4 hoặc ZnCl2), thường ở nhiệt độ 500°C, có Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng khi lên tới 800°C. H3PO4 làm gỗ phình ra trong suốt quá trình, bảo đảm than không bị xẹp trở lại, làm cho than xốp và chứa đầy H3PO4. Sau đó phải tiến hành rửa để thực hiện các bước tiếp theo. Trong các muối vô cơ thì chất có tác dụng hoạt hóa mạnh là ZnCl2 vì là chất khử hydrat hóa mạnh, đồng thời là chất bảo vệ cho than không bị cháy. Dạng muối phổ biến của kẽm clorua khi làm bay hơi dung dịch là ZnCl2.4H2O tan mạnh trong nước, độ tan của kẽm clorua trong nước là 31,8 mol/lít ở 25°C. Kẽm clorua bay hơi dung dịch thu được ZnCl2 khan có nhiệt độ nóng chảy là 262°C và nhiệt độ sôi 756°C. Trong nước ZnCl2 thủy phân tạo môi trường axit: Zn2+ + H2O = Zn(OH)2 + H+ Do hút ẩm mạnh và tạo muối trong axit dung dịch ZnCl2 đậm đặc có khả năng phân hủy các vật liệu xenlulozơ, một số kết quả về việc nghiên cứu sử dụng ZnCl2 làm tác nhân hoạt thóa để chế tạo than hoạt tính. Du-bi-nin và Sê-mêno-va đã nghiên cứu tác dụng hoạt hóa của các muối ZnCl2; CaCl2 và hỗn hợp hai muối này đối với nguyên liệu gỗ thông mộc. Những sản phẩm chế tạo được đều có hoạt tính cao đối với hấp phụ hơi benzen và tẩy màu metyl xanh. Khả năng hoạt hóa của CaCl2 trong chế tạo than khí cũng như than tẩy màu đều thấp hơn của ZnCl2 . Đáng chú ý là tác dụng hoạt hóa của hỗn hợp hai muối ZnCl2 và CaCl2, việc thay thế một phần ZnCl2 bằng CaCl2 làm giảm hoạt tính hấp phụ hơi benzen nhưng lại làm tăng hoạt tính hấp phụ màu. Vậy có thể dùng CaCl2 theo tỷ lệ thích hợp thay ZnCl2 trong chế tạo than hoạt tính tẩy màu. Vai trò các tác nhân có thể đã là làm thoát biến các phân tử xenluloza, bẳng phản ứng khử nước, phản ứng oxy hóa ... các tác nhân hóa học đã phá vỡ các liên kết ngang, làm cho các phân tử xenluloza khử đồng phân hóa, thậm chí làm thay đổi bản chất hóa học của xenluloza. Tác nhân quan trọng nhất của các tác nhân hóa học là khử hydrat tạo điều kiện cho các hợp chất hữu cơ dễ dàng bị phân hủy dưới tác dụng của nhiệt, đồng thời ngăn cách quá trình nhiệt phân tạo ra sản phẩm không bị cacbon hóa như hắc ín. Công nghệ chế tạo than hoạt tính theo phương pháp hoạt hóa hóa học gồm tẩm tác nhân hoạt hóa vào nguyên liệu sau đó nung nguyên liệt đã tẩm bằng lò nung trong điều kiện không có không khí. Độ đậm đặc của dung dịch tẩm, tỷ lệ giữa lượng chất dùng làm tác nhân hoạt hóa đối với nguyên liệu, nhiệt độ nung và thời gian nung cần được xác định cho thích hợp với từng trường hợp một. Sau khi đã tham gia quá trình hoạt hóa tác nhân hoạt hóa lại được tách khỏi sản phẩm và quay vòng tham gia quá trình sản xuất tiếp theo. Thông thường hoạt hóa hóa học được thực hiện ở những nhiệt độ 400 ÷ 1000°C, đối với ZnCl2 thì nhiệt độ tối ưu là 500 ÷ 700°C. Tỷ số giữa khối lượng chất hoạt hóa hóa học đối với lượng khô vật liệu được tẩm có ảnh hưởng lớn lên độ xốp của than thành phẩm. Có thể hình dung cụ thể rằng thể tích muối vô cơ nằm trong vật liệu bị than hóa chính là thể tích lỗ xốp do muối để lại sau khi nó bị hòa tan để tách đi. Độ tẩm được coi như thước đo mức độ hoạt hóa hóa học giống độ sém trong hoạt hóa hóa lý. IV - Ứng dụng than hoạt tính trong tinh chế cồn 1. Giới thiệu Than hoạt tính sử dụng trong việc tinh chế cồn rất hiệu quả. Đồng thời, than hoạt tính rất rẻ và có thể tuần hoàn sử dụng lại. Đây là phương pháp lọc nước và cồn tầm trung tốt nhất trên thế giới. Các tính chất hữu hiệu của than hoạt tính cho phép giữ lại các chất độc hại, kim loại nặng, thuốc trừ sâu, mùi hôi, các chất hóa học, dầu tạp và các chất không cần thiết trong cả pha lỏng và pha hơi. Than hoạt tính được sử dụng khi các phương pháp lọc vật lý thông thường (sử dụng sàng, giấy lọc hay miếng lọc và cát) không thể tách riêng các chất. Than hoạt tính hoạt động dựa trên khả năng hấp phụ các tạp chất vào trong các mao quản. Sự hấp phụ xảy ra thông qua sự kết hợp của các yếu tố, bao gồm: diện tích bề mặt hấp phụ rất lớn cùng với sự phân chia kích thước các mao Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng quản (micro, meso và macro) và cấu trúc của bề mặt mao quản (gọi là lực lượng gắn kết). Sau quá trình hấp phụ, các mao quản của than hoạt tính sẽ tiến tới bão hòa tạp chất và không thể hấp phụ thêm được nữa. Sự hấp phụ xảy ra khi các tạp chất hữu cơ bị ràng buộc vào bên trong các mao quản của than hoạt tính. Điều này diễn ra khi các mao quản có kích thước lớn hơn tạp chất mà chúng hấp phụ. Có hai loại hấp phụ, hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học: - Hấp phụ vật lý xảy ra khi các tạp chất bị giữ trong các mao quản và trên bề mặt than hoạt tính bởi lực tĩnh điện Van der Waals, than hoạt tính lúc này như một nam châm. Các tạp chất phía bên ngoài than hoạt tính liên kết lỏng lẻo, như là những phân tử lớn bị mắc kẹt ngoài các mao quản nhỏ. - Hấp phụ hóa học là sự đồng nhất của tạp chất với các chất khác trên bề mặt mao quản than hoạt tính. Hấp phụ hóa học diễn ra mạnh mẽ. Các chất hóa học hấp phụ trên bề mặt mao quản phụ thuộc vào nguyên liệu thô sử dụng, phương pháp hoạt hóa và các bước xử lý tiếp theo. 2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc Chỉ một phần nhỏ bề mặt hấp phụ của than hoạt tính có thể khiến các tạp chất mắc kẹt trong chúng. Diện tích bề mặt lớn nhất được tạo ra bởi mao quản micro, thường là 90 ÷ 98%, 1 đến 10% bởi mao quản meso (trung bình) và khoảng 1% bởi mao quản macro (lớn). Rất nhiều tạp chất chúng ta muốn loại bỏ khỏi cồn có kích thước từ 2-10 nm và chúng quá lớn để chui vào các mao quản micro. Chúng ta cần các mao quản meso để hấp phụ chúng. Điều kiện lý tưởng nhất là các mao quản trong than hoạt tính hơi lớn hơn tạp chất để có thể hấp phụ chúng. Các mao quản nhỏ hơn không thể hấp phụ và số lượng các mao quản lớn trong than hoạt tính là ít hơn so với hai loại mao quản còn lại. Khả năng lọc phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm: - Loại than hoạt tính sử dụng; - Diện tích bề mặt riêng; - Cấu trúc mao quản (sự phân chia các mao quản micro, meso và macro); Các chất bị hấp phụ phụ thuộc vào: - Kích thước của phân tử tạp chất (phải nhỏ hơn kích thước của mao quản); - Mật độ tạp chất; - Lượng tạp chất trong cồn; - Điểm sôi của tạp chất; Các loại tạp chất trong cồn nên đủ nhỏ để vừa với kích thước của các mao quản. Một tạp chất có điểm sôi cao sẽ dễ dàng bị hấp phụ hơn so với những tạp chất có điểm sôi thấp. Nếu than hoạt tính trở nên bão hòa, các tạp chất có điểm sôi cao có thể đuổi các tạp chất nhẹ hơn ra ngoài và chiếm chỗ của chúng. Điều này xảy ra dễ dàng nhất trên bề mặt than hoạt tính, nơi mà các tạp chất liên kết lỏng lẻo, thậm chí có thể xảy ra ở bên trong các mao quản. Đó là lý do tại sao chúng ta không nên lọc cồn nhiều lần qua các cột, kết quả thu được sẽ không như mong muốn. Nhiệt độ: Quá trình lọc có thể tiến hành tốt ở nhiệt độ phòng, nếu lọc ở nhiệt độ thấp sẽ không đạt được hiệu quả lọc. 3. Phương pháp lọc - Sử dụng bột than hoạt tính, tạo huyền phù trong cồn. - Lọc cồn bằng than hoạt tính dạng hạt. 3.1. Than hoạt tính dạng bột Than hoạt tính dạng bột không đạt được hiệu quả 100% trong việc lọc cồn. Nếu bạn muốn có cồn tinh khiết, bạn nên sử dung ống lọc với than hoạt tính dạng hạt. Nhưng chúng rất hữu dụng trong quá trình tiền xử lý cồn trước khi lọc thông thường. 1. Trộn 4g than hoạt tính dạng bột trên 1 lít cồn. Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng 2. Đổ thẳng vào trong cồn. 3. Để quá trình xảy ra trong ít nhất 24 giờ. Chú ý trong suốt thời gian này nên khuấy đều ít nhất 4 lần. 4. Cồn sẽ được làm sạch trong 24 giờ hoặc hơn nữa. Trong đó, các cặn bẩn sẽ chìm xuống dưới và cồn sẽ được làm sạch. 5. Hút cồn ra ngoài và lọc bỏ cặn. 6. Thông thường, tiến hành quá trình lọc cồn qua cột chứa đầy than hoạt tính dạng hạt. Quá trình diễn ra rất dễ dàng. 3.2. Than hoạt tính dạng hạt Than hoạt tính dạng hạt được sử dụng bằng cách xếp thành các lớp dày, thông thường khoảng 1.5 – 2.5 m, quá trình lọc sẽ diễn ra qua các lớp cacbon. Phía trong cacbon, cồn sẽ chảy qua các mao quản lớn. Các lớp than hoạt tính được tạo ra bằng cách xếp đầy than vào trong một cột. Để dễ dàng lọc chất lỏng, như nước, nên để mỗi lớp khoảng 5 – 10 cm là vừa đủ. Trong trường hợp lọc cồn thông thường cần cột hấp phụ khoảng 1.5m. Chiều cao của cột hấp phụ không phải là vấn đề, nhưng nếu cột quá nhỏ, quá trình lọc sẽ không xảy ra được. Các cột nên có đường kính tối thiểu là 38mm nếu không sẽ tạo ra hiệu ứng thành thiết bị, cồn sẽ chảy về phía thành thiết bị mà không thông qua các lớp than hoạt tính, do đó, quá trình lọc sẽ không xảy ra. Để quá trình lọc thực sự xảy ra trong than hoạt tính, các cột nên chứa không khí. Có nghĩa là quá trình này cần diễn ra trong một dòng liên tục. Không nên để cột hấp phụ làm việc khô. Than hoạt tính cũng sẽ bão hòa và cồn sẽ chảy qua nó. Trong cột hấp phụ không được để tạo thành các kênh than hoạt tính, dễ bị tạo ra nếu đổ than hoạt tính khô vào trong cột. Kênh than như một dạng của than hoạt tính, qua đó cồn sẽ thoát ra ngoài mà không được lọc, như một lớp mỏng không khí giữa các lớp hạt than hoạt tính. Các lớp than phải được sắp xếp một cách chính xác. Khi nước hoặc cồn được lọc qua than hoạt tính, quá trình đầu tiên xảy ra là các chất hòa tan trong các mao quản bởi quá trình chế tạo được giải hấp phụ. Đó là các chất không thể chuyển sang dạng khí hay hơi và không thể rửa sạch sau quá trình sản xuất. Để loại bỏ hoàn toàn các chất này khỏi than hoạt tính sẽ rất tốn kém. Tất cả các quá trình lọc công nghiệp đều bắt đầu với điều đó. Than hoạt tính được rửa trước khi sử dụng. Các chất này có dạng như xà phòng. Khi các chất này bị giải hấp, pH của môi trường sẽ tăng từ 7 lên gần 10 và than hoạt tính sẽ không đạt được hiệu quả sử dụng trong môi trường này cho tới khi trở lại pH cân bằng, khoảng 7. Trước khi sử dụng than hoạt tính để lọc, các chất này được rửa hoặc loại bỏ bằng cách: 1. Trước khi đổ than hoạt tính vào trong cột, trộn than hoạt tính (khuấy mạnh) 2-3 lần với nước nóng hoặc nước sôi trong bình phản ứng thép không gỉ. 2. Loại bỏ lượng dư nước, lặp lại quá trình này 4-5 lần, phải đảm bảo rằng tất cả các chất hoàn tan được giải hấp phụ khỏi than hoạt tính. 3. Để yên trong 24 giờ để than hoạt tính có thời gian hấp thụ nhiều nước hơn. 4. Lặp lại một lần nữa, đổ nước nóng hoặc nước sôi vào, khuấy rồi loại bỏ lượng nước thừa. Cho thêm 2-3 tờ giấy lọc vào trong cột hấp phụ và lọc với nước ấm. 5. Đổ than hoạt tính đã bão hòa vào trong cột hấp phụ. Theo cách này, than hoạt tính luôn luôn ở trong nước và không khí bị đuổi hết ra ngoài. 6. Vỗ nhẹ vào cột để than hoạt tính có thể ổn định trong đó. 7. Lọc tối thiểu 2-5 lít nước qua cột và đổ đầy cồn vào trước khi nước chảy qua miệng phễu, đảm bảo rằng cột hấp phụ không làm việc ở trạng thái khô. Nếu bạn để cột bị khô, cần phải lọc lại bằng 4-5 lít nước ấm để không khí bị đuổi ra ngoài, tiếp tục cho cồn vào trước khi lượng nước cuối cùng chảy khỏi phễu. Bằng cách này than hoạt tính sẽ bắt đầu hoạt động và không còn không khí trong cột. Các màng mỏng không khí ở giữa và bên trong các hạt than bị biến mất. 8. Cuối cùng, đổ 1 lít nước qua cột để đuổi hết cồn ra ngoài. Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng 3.3. Bể lọc than hoạt tính dạng hạt Than hoạt tính sử dụng yêu cầu có cả mao quản micro và meso. Cột có thể được điền đầy bởi nhiều loại than hoạt tính, được trộn lẫn với nhau hoặc để thành các lớp riêng biệt. Thông thường chỉ sử dụng một loại than hoạt tính duy nhất trong quá trình hấp phụ. Than hoạt tính dạng hạt thường được sử dụng nhiều nhất. Trong bể lọc sử dụng than hoạt tính có hai yếu tố ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình hấp phụ là: - Với các hạt than hoạt tính có kích thước nhỏ thì tốc độ dòng sẽ tốt hơn (tốc độ dòng đi qua/lan rộng qua than hoạt tính), khả năng tiếp xúc tốt với cả bên trong và bên ngoài lớp than. Với các hạt hoặc viên có kích thước từ 1-3 mm hoặc lớn hơn thì hầu như không tiếp xúc, các tạp chất không thể chui vào mao quản meso hoặc micro, than hoạt tính không làm việc. Điều chúng ta muốn là các hạt nhỏ là có thể tạo ra. Nhưng nếu các hạt than quá nhỏ sẽ có thể dẫn đến việc tắc các mạch than hoạt tính trong bể và không thể lọc được nữa. Than hoạt tính mềm từ than bùn hoặc gỗ thường có cỡ hạt khoảng 0.25 – 1 mm. Các dạng than hoạt tính cứng hơn từ than đá hay vỏ dừa thường có kích thước xung quanh khoảng 0.4 – 0.85 mm. Đây là những kích thước rất tốt, phù hợp với việc lọc, tạo cho cồn có bề mặt tiếp xúc lớn với than hoạt tính. Chất lượng của than hoạt tính hiện nay rất đa dạng với các kích thước hạt lớn hơn thường được sử dụng, thường là 0.4 – 1.4 mm, để đảm bảo cho quá trình lọc diễn ra nhanh hơn. Như vậy quá trình lọc vẫn diễn ra, tuy không đạt hiệu quả hoàn toàn nhưng vẫn tốt. - Vấn đề thứ hai ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ là tốc độ của quá trình lọc. Đơn vị là thể tích trên giờ (HSV) ví dụ như lượng cồn đã được làm sạch trên một giờ trên một đơn vị thể tích ống. Thể tích là đạt lượng dễ xác định nhất bằng quá trình lọc qua ống với nước. Thể tích bể trên giờ (HSV) thường là 0.25 (rất, rất chậm) khi làm sạch cồn, còn đối với nước là khoảng 2-3 HSV. Một cột có thể tích 1.7 lít thì thể tích lọc lớn nhất có thể được là 4 l/h nếu cột rộng khoảng 40 mm và kích thước hạt than là 0.4 – 1.4 mm. Nếu tốc độ lọc cao hơn, thỉnh thoảng không thể điều khiển chính xác quá trình này. Có ba cách để làm tăng tốc độ của quá trình lọc: 1. Cột rộng hơn 2. Cột dài hơn 3. Hạt than hoạt tính nhỏ hơn Không khả thi khi muốn thu hẹp đường kính cột hấp phụ xuống dưới 38 mm vì như thế sẽ tạo ra hiện tượng “thành thiết bị” trong bể lọc, đó là các tạp chất sẽ thoát ra khỏi bể lọc dọc theo thành bể. Nếu chúng ta tăng chiều rộng của bể lọc, thể tích cồn được lọc trên một đơn vị thời gian sẽ tăng mà không có sự tăng tốc độ dòng chảy. Trong công nghiệp cồn, các bể lọc thường có kích thước lớn hơn 1m chiều rộng và cồn được tháo ra khỏi bể ở phía dưới với tốc độ 0.25 HSV. 3.4. Các vùng trong thiết bị lọc Phương pháp dễ dàng nhất là phương pháp ướt. Để làm sạch 5 lít cồn 40 – 50% thông thường cần 1 ống 40 mm x 1.5 m. Với phương pháp ướt, tương tự có thể lọc bằng một ống dài 1m, đôi khi có thể ngắn hơn. Trong chu trình lọc, thông thường có 3 vùng trong bể (ống) lọc. Ở phía trên, gần nhất là vùng không lọc, cồn được đổ vào đó. Nó được biết đến như là vùng tiêu thụ. Tiếp đến là vùng mà than hoạt tính làm việc và quá trình hấp phụ tạp chất diễn ra ổn định. Đó là vùng lọc (MTZ). Sau vùng MTZ, xa nhất xuống phía dưới đáy là vùng than hoạt tính, ở đây không hấp phụ được bất kỳ tạp chất nào. Được gọi là vùng than hoạt tính chưa hấp phụ. Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng Trong suốt quá trình lọc, vùng tiêu thụ và vùng lọc sẽ dần dần di chuyển xuống phía dưới ống cho đến khi vùng than hoạt tính chưa hấp phụ biến mất. Điều này có nghĩa là tất cả tạp chất được giữ lại trong bể và cồn đã được lọc xong. Quá trình hấp phụ diễn ra ở vùng MTZ. Vùng MTZ có thể rất ngắn. Khi sử dụng các hạt than hoạt tính có kích thước lớn (bề mặt tiếp xúc nhỏ) và tốc độ lọc nhanh thì vùng MTZ sẽ dài hơn. Nếu cỡ hạt của than hoạt tính khoảng 2 – 3 mm thì vùng MTZ sẽ dài hơn cả chiều dài của ống và quá trình lọc không thể diễn ra được. Hình 2. Các vùng trong thiết bị lọc Vùng MTZ có thể rút ngắn nếu: - Sử dụng hạt than hoạt tính nhỏ hơn, tạo ra bề mặt tiếp xúc tốt, ví dụ khoảng 0.4 – 0.85 mm. - Tốc độ lọc chậm hơn (HSV) để cho thời gian tiếp xúc dài. Tốc độ lọc có thể khống chế bằng cách: - Chọn kích thước của hạt than hoạt tính. - Nén chặt (chèn) than hoạt tính trong ống. - Cản trở dòng chảy. Nếu bạn sử dụng than hoạt tính với cỡ hạt lớn, khoảng 0.4 – 1.4 mm, cần đổi sang cỡ hạt nhỏ hơn. Vỗ nhẹ vào thành ống để các hạt than được sắp xếp ổn định. Cần cẩn thận để không nén than hoạt tính làm từ than bùn (0.25 – 1mm) quá chặt, có thể sẽ làm tắc ống lọc. Cản trở dòng chảy bằng phương pháp cơ học cũng có thể làm chậm tốc độ dòng chảy. Việc này được thực hiện ở phía cuối của ống, không bao giờ được làm ở đầu ống, hoặc bạn có thể để cho không khí chui vào trong ống. Một vùng MTZ ngắn có nghĩa là bạn có thể lọc được thể tích cồn lớn hơn. Nếu bạn không thể có một vùng MTZ ngắn phù hợp thì bạn nên kéo dài ống lọc. 4. Hiệu quả của quá trình lọc Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng Than hoạt tính sẽ có hiệu quả sử dụng cao hơn nếu thực hiện với các lớp hạt dày. Đổ vào ống các hạt than hoạt tính, thông thường sẽ dùng một ống dài 1.5m có đường kính 40mm. Quá trình lọc nên diễn ra chậm (dòng chảy không bị chặn hoặc dừng lại). Cồn cần được chảy qua các hạt than hoạt tính để được lọc. Phải chắc chắn rằng không có phân tử cồn nào không đi qua than hoạt tính và trong ống chắc chắn không có không khí. Hiệu quả sử dụng có thể tăng đáng kể. PHẦN 2: ĐIỀU CHẾ THAN HOẠT TÍNH TỪ CÁC NGUỒN NGUYÊN LIỆU KHÁC NHAU. I - Mục đích - Điều chế than hoạt tính từ vỏ trấu và vỏ dừa. - Xác định chỉ số iot của các mẫu than hoạt tính điều chế được với mẫu than mua ở ngoài thị trường, qua đó so sánh độ hấp phụ của các mẫu than hoạt tính với nhau. II – Thực ngiệm Chế tạo than hoạt tính từ nguyên liệu đầu là vỏ dừa và vỏ trấu sử dụng tác nhân hoạt hóa ZnCl2 ở các điều kiện khác nhau. 1. Điều chế than hoạt tính: • Nghiền nhỏ nguyên liệu đầu, sàng qua rây 0.16mm, sau đó sấy khô ở 80°C trong 3 giờ. • Điều chế 2 mẫu than hoạt tính với mỗi loại nguyên liệu sử dụng tác nhân hoạt hóa (ZnCl2). Cân 2 g nguyên liệu sau đó tẩm dung dịch ZnCl2 3M theo tỷ lệ 3 ml dd ZnCl2/1 g nguyê liệu, ngâm trong vòng 1 tiếng. Mẫu 1 ngâm tẩm trong máy điều nhiệt ở nhiệt độ 80oC. Mẫu 2 ngâm tẩm ở nhiệt độ phòng. • Nguyên liệu sau tẩm đem sấy ở 80oC trong vòng 3 tiếng. • Sau đó lấy mẫu ra chuyển hết vào chén nung, phủ cát lên phía trên nguyên liệu (nung trong điều kiện yếm khí). Nung ở 600oC trong vòng 1h. • Mẫu sau nung đem cân khối lượng và được rửa bằng dung dịch HCl 1.2M đến hết Zn 2+ theo phương pháp lắng gạn 4 bậc, mỗi bậc 40 ml dung dịch HCl. Sau đó rửa bằng nước cất đến pH bằng 7. • Đem sấy khô ở 80°C. Mẫu sau đó được đem đo chỉ số Iot. 2. Đo chỉ số Iot. Chỉ số iot là lượng iot cực đại bị hấp phụ trên 1 gam than hoạt tính. Chỉ số iot được tính theo công thức: Q(mg I2/g than) = [C1.V1 – C2.V2].MI2/ mthan(g) Trong đó : Q: chỉ số iot là hàm lượng iot đã hấp phụ trên một đơn vị trọng lượng khô của than hoạt tính (mg/g) C1: nồng độ iot ban đầu của dung dịch (mol/l). V1: thể tích ban đầu của dung dịch (ml). C2: nồng độ iot sau khi hấp phụ của dung dịch (mol/l). V2: thể tích dung dịch sau hấp phụ (ml). MI2: khối lượng phân tử của iot (g/mol) [MI2=254(g/mol)]. m: khối lượng than dùng để hấp phụ I2 (g). Các bước tiến hành: Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng • Chuẩn độ lại nồng độ iot: Dùng pipet lấy 20ml dung dịch I2 cho vào bình nón 100ml, chuẩn độ bằng Na2S2O3. Dung dịch từ màu đỏ sang không màu. • Cân lấy 0.1 g than hoạt tính cho vào bình nón 200 ml. Sau đó thêm vào bình nón 20 ml I2 đã xác định nồng độ ở trên (đối với than từ vỏ trấu), 40ml I2 (đối với than từ vỏ dừa), 60ml I2 (đối với than thị trường). Lắc đều trong vòng 15 phút, sau đó chuẩn độ bằng Na2S2O3. Từ thể tích Na2S2O3 ta sẽ tính được chỉ số iot. Phương trình chuẩn độ: I2 + 2Na2S2O3  2NaI + Na2S4O6 III - Kết quả thí nghiệm 1. Chuẩn độ lại nồng độ I2 Nồng độ Na2S2O3 là: [Na2S2O3] = 0,05 M Thể tích I2 cho vào bình nón: VI2 = 20 (ml) Thể tích Na2S2O3 dùng để chuẩn độ: V’ = 3,5 (ml) Từ phương trình chuẩn độ ta có công thức: C2 = (*) Trong đó: • C1: nồng độ của Na2S2O3 (mol/l). • V1: thể tích của Na2S2O3 (ml). • C2: nồng độ của I2 (mol/l). • V2: thể tích của I2 (mol/l). Nồng độ ban đầu của I2: CI2 = = 0.004375 M 2. Tính chỉ số iot 2.1. Than hoạt tính từ vỏ trấu: Thể tích dung dịch I2 thêm vào bình nón: V2 = 20 (ml). a. Mẫu 1: hoạt hóa ở nhiệt độ 80oC Khối lượng than hoạt tính dùng để hấp phụ: m = 0,1059 (g). Thể tích Na2S2O3 chuẩn độ: V1 = 1,5 (ml). Nồng độ của I2 sau hấp phụ của dung dịch là: CI2 = = 0.001875 M Chỉ số iot là: Q = 124,422 (mg/g) b. Mẫu 2: hoạt hóa ở nhiệt độ thường Khối lượng than hoạt tính dùng để hấp phụ: m = 0,1062 (g). Thể tích Na2S2O3 chuẩn độ: V1 = 1,5 (ml). Nồng độ của I2 sau hấp phụ của dung dịch: CI2 = = 0.001875 M Chỉ số iot là: Q = 124,070 (mg/g). 2.2. Than hoạt tính từ vỏ dừa: Thể tích I2 thêm vào bình nón: V2 = 40 (ml). a. Mẫu 1: hoạt hóa ở nhiệt độ 80oC Khối lượng than hoạt tính dùng để hấp phụ: m = 0,1060 (g). Thể tích Na2S2O3 chuẩn độ: V1 = 2,2 (ml). Nồng độ của I2 sau hấp phụ của dung dịch là: Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng CI2 = = 0.001375 M Chỉ số iot là: Q = 290,842 (mg/g) b. Mẫu 2: hoạt hóa ở nhiệt độ thường Khối lượng than hoạt tính dùng để hấp phụ là: m = 0,1069 (g). Thể tích Na2S2O3 chuẩn độ là: V1 = 2,4 (ml) Nồng độ của I2 sau hấp phụ của dung dịch là: CI2 = = 0.0015 M Chỉ số iot là: Q = 276,810 (mg/g) 2.3. Than hoạt tính thị trường: Thể tích I2 thêm vào bình nón là : V2 = 60 (ml). Khối lượng than hoạt tính dùng để hấp phụ là: m = 0,1066 (g). Thể tích Na2S2O3 chuẩn độ là: V1 = 5.5 (ml) Nồng độ của I2 sau hấp phụ của dung dịch là: CI2 = 0.00229 M Chỉ số iot là: Q = 303,537 (mg/g) 3. Nhận xét Qua phép đo chỉ số iot, ta có thể nhận thấy, các loại than hoạt tính khác nhau sẽ có khả năng hấp phụ khác nhau. Tính chất hấp phụ của than hoạt tính phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: loại nguyên liệu đầu vào, chất hoạt hóa, thời gian hoạt hóa,… Trong ba loại than hoạt tính đem đo chỉ số iot, than hoạt tính đang bán ngoài thị trường có chỉ số iot lớn hơn hẳn so với hai các mẫu than hoạt tính điều chế trong phòng thí nghiệm. Điều này có thể dễ dàng lý giải bởi các nguyên nhân sau đây: - Quá trình nung đòi hỏi phải nung trong điều kiện yếm khí, việc phủ cát để tạo môi trường yếm khí cho nguyên liệu đầu chưa thực sự đạt hiệu quả. - Nguyên liệu đầu vào còn lẫn nhiều tạp chất, chưa loại bỏ được trước khi đưa vào chế tạo than hoạt tính. - Quá trình tiến hành đo chỉ số iot chưa chính xác do chủ quan người làm thí nghiệm. Mẫu than hoạt tính được hoạt hóa ở nhiệt độ cao có chỉ số iot cao hơn so với mẫu than hoạt hóa ở nhiệt độ thường. Từ đó có thể thấy khả năng hấp phụ của than hoạt tính phụ thuộc vào nhiệt độ quá trình hoạt hóa. Tiến hành hoạt hóa ở nhiệt độ cao sẽ cho khả năng hấp phụ tốt hơn. Mẫu than hoạt tính đi từ nguyên liệu đầu là vỏ dừa cho khả năng hấp phụ tốt hơn so với mẫu than hoạt tính chế tạo từ vỏ trấu. Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu về than hoạt tính thấy được than hoạt tính có rất nhiều đặc tính ưu việt, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống hàng ngày. Tuy nhiên, hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại than, để có thể sử dụng hiệu quả than hoạt tính cũng như phù hợp với mục đích sử dụng, cần phải nghiên cứu và lựa chọn thật kỹ loại than hoạt tính phù hợp, cho hiệu quả quá trình cao nhất và giá thành phù hợp nhất. Có rất nhiều phương pháp để sản xuất than hoạt tính đi từ các nguồn nguyên liệu khác nhau nhưng chưa có một đột phá về tính chất nào được tạo ra. Việc tiếp tục nghiên cứu, tìm tòi để phát triển, nâng cao các tính chất của than hoạt tính hơn nữa là một yêu cầu được đặt ra hiện nay và trong tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tạp chí hóa học, Số đặc biệt chào mừng hội nghị hóa vô cơ – phân bón toàn quốc lần thứ ba, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. [2] Tharapong Vitidasant (1999), Production of Activated Carbon from Palm-oil Shell by Pyrolysis and Steam Activation in a Fixed Bed Reactor, Chulalongkorn University, Bangkok. [3] Hassler JW (1974), Purification with activated carbon, New York: Mercel Dekker. [4] Gert Strand, Activated carbon for purification of alcohol and some useful distillation tips. [5] Nurul’ain Binti Jabit, The production and characterization of activated carbon using local agricultural waste through chemical activation process, 2007. [6] Jankowska H, Swiatkowski A and Choma J (1991), Active carbon. Warsaw, Ellis Horwood. [7] http://www.activated-carbon.com/ [8] http://en.wikipedia.org/wiki/Activated_carbon Nhóm 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: ThS. Quách Thị Phượng [9] http://www.lenntech.com/library/adsorption/adsorption.htm Nhóm 3

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.11: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Tài Chính Ngân Hàng

172 tài liệu

841 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.