Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu chế tạo than từ tre sử dụng tác nhân hoạt hóa KOH và khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung chính của đề tài là khảo sát một số đặc điểm bề mặt của vật liệu hấp phụ bằng phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng (EDX), phổ hồng ngoại (IR) - Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo được. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hoá học: Nghiên cứu chế tạo than từ tre sử dụng tác nhân hoạt hóa KOH và khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ THANH HOÀI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN TỪ TRE SỬ DỤNG TÁC NHÂN HOẠT HÓA KOH VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYL DA CAM LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN THỊ THANH HOÀI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN TỪ TRE SỬ DỤNG TÁC NHÂN HOẠT HÓA KOH VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG HẤP PHỤ METYL DA CAM Ngành: Hóa vô cơ Mã số: 8 44 01 13 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. VŨ THỊ HẬU THÁI NGUYÊN - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo than từ tre, sử dụng tác nhân hoạt hóa KOH và khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam” là do bản thân tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa có ai công bố trong một công trình nào khác. Nếu sai sự thật tôi xin chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, tháng 06 năm 2020 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Thanh Hoài iv
LỜI CẢM ƠN Bản luận văn được hoàn thành tại Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên. Trong quá trình làm luận văn em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ để hoàn thành luận văn. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của TS. Vũ Thị Hậu trong suốt quá trình hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Ban giám hiệu, khoa Sau Đại học, khoa Hóa học trường ĐHSP Thái Nguyên đã giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập, nghiên cứu. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ phòng thí nghiệm khoa Hóa học trường ĐHSP Thái Nguyên và các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh, ủng hộ và động viên em trong những lúc gặp phải khó khăn để em có thể hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian có hạn, khả năng nghiên cứu của bản thân còn hạn chế, nên luận văn có thể còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo, các bạn đồng nghiệp và những người đang quan tâm đến vấn đề đã trình bày trong luận văn, để luận văn được hoàn thiện hơn. Em xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 06 năm 2020 v
MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN .................................................................................... iv LỜI CẢM ƠN ........................................................................................... v MỤC LỤC ................................................................................................ vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................... ix DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................ x DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................ xi MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1 Chương 1. TỔNG QUAN ....................................................................... 3 1.1. Than hoạt tính .................................................................................... 3 1.1.1. Định nghĩa ....................................................................................... 3 1.1.2. Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính.................................................. 4 1.1.3. Đặc trưng cơ bản của than hoạt tính ............................................... 5 1.1.4. Quy trình chế tạo than hoạt tính ...................................................... 6 1.2. Nước thải dệt nhuộm ........................................................................ 10 1.2.1. Đặc điểm về ngành dệt nhuộm...................................................... 10 1.2.2. Nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm .......................................... 11 1.2.3. Sơ lược về thuốc nhuộm ............................................................... 12 1.2.4. Các phương pháp xử lý màu trong nước thải dệt nhuộm ............. 16 1.3. Phương pháp hấp phụ ....................................................................... 16 1.3.1. Hiện tượng hấp phụ ....................................................................... 17 1.3.2. Hấp phụ trong môi trường nước.................................................... 18 1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ............................... 19 1.3.4. Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước .................. 19 1.4. Phương pháp phân tích xác định hàm lượng metyl da cam ............. 20 1.5. Một số hướng nghiên cứu về than tre và hấp phụ metyl da cam ..... 20 vi
1.6. Một số phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu ........................ 24 1.6.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................... 24 1.6.2. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET) ............................. 25 1.6.3. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng (EDX) ............................... 26 1.6.4. Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) ................................................ 26 Chương 2. THỰC NGHIỆM ................................................................ 28 2.1. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất ........................................................... 28 2.1.1. Thiết bị và dụng cụ........................................................................ 28 2.1.2. Hóa chất......................................................................................... 28 2.1.3. Cách chuẩn bị dung dịch cần dùng trong các thí nghiệm ............. 29 2.2. Phương pháp nghiên cứu.................................................................. 29 2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu .................................................................... 29 2.2.2. Chế tạo than tre ............................................................................. 30 2.2.3. Kết quả chế tạo than tre................................................................. 31 2.3. Định lượng metyl da cam ................................................................. 31 2.4. Khảo sát đặc điểm bề mặt của TT chế tạo được .............................. 33 2.5. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình chế tạo than.. 33 2.5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung ....................................................... 33 2.5.2. Ảnh hưởng của thời gian nung ...................................................... 34 2.6. Xác định chỉ số hấp phụ iot của TT ................................................. 34 2.7. Xác định một số thông số vật lý của TT .......................................... 35 2.7.1. Xác định độ ẩm ............................................................................. 35 2.7.2. Xác định hàm lượng tro ................................................................ 35 2.8. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng khả năng hấp phụ MO của TT theo phương pháp hấp phụ tĩnh ....................................................................... 35 2.8.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH .......................................................... 35 2.8.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ................................................. 36 2.8.3. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................. 36 2.8.4. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng TT ....................................... 36 2.8.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu dung dịch MO................... 37 vii
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................... 38 3.1. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình chế tạo than. 38 3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung ....................................................... 38 3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian nung ...................................................... 39 3.2. Kết quả khảo sát một số đặc trưng hóa lý của NL, TT .................... 40 3.2.1. Kết quả ảnh SEM ......................................................................... 40 3.2.2. Kết quả diện tích bề mặt riêng (phương pháp BET) ..................... 42 3.2.3. Kết quả xác định thành phần nguyên tố (phương pháp EDX) ...... 43 3.2.4. Đặc trưng IR .................................................................................. 44 3.3. Kết quả xác định chỉ số iot của mẫu than TT .................................. 45 3.4. Kết quả xác định một số thông số vật lý của mẫu TT ..................... 46 3.5. Kết quả khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ MO của TT theo phương pháp hấp phụ tĩnh .................................................. 47 3.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của pH .......................................................... 47 3.5.2. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ................................................. 48 3.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng ............................................. 50 3.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................. 51 3.5.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ................................................. 52 KẾT LUẬN ............................................................................................ 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 55 PHỤ LỤC ................................................................................................. 1 viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Từ nguyên gốc 1 Abs Absorbance 2 AC Than hoạt tính (Activated carbon) Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng 3 BET (Brunaur - Emmetle - Teller) 4 COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand) 5 C0 Nồng độ đầu 6 Ccb Nồng độ cân bằng (Phổ tán xạ năng lượng tia X ) 7 EDX Energy-dispersive X-ray spectroscopy Phương pháp phổ hồng ngoại 8 IR (Infrared (IR) spectroscopy) 9 MO Metyl da cam ( Metyl orange) 10 NL Nguyên liệu 11 ppm Part per million Phương pháp kính hiển vi điện tử quét 12 SEM (Scanning electron microscope) 13 TT Than tre 14 TTKHH Than tre không hoạt hóa 15 VLHP Vật liệu hấp phụ ix
DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Kim ngạch xuất khẩu hàng dệt may Việt Nam năm 2019. 10 Bảng 2.1. Các mẫu than chế tạo được ................................................ 31 Bảng 2.2. Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ MO ...... 32 Bảng 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến hiệu suất hấp phụ MO của TT....................................................................................... 38 Bảng 3.3. Ảnh SEM của NL, các mẫu TT và hiệu suất hấp phụ MO tương ứng ........................................................................... 40 Bảng 3.4. Diện tích bề mặt riêng của NL và một số mẫu TT ............ 42 Bảng 3.5. Thành phần phần trăm khối lượng và phần trăm nguyên tử cacbon và oxi trong các mẫu vật liệu ................................ 44 Bảng 3.6. Kết quả xác định chỉ số iot của TT .................................... 45 Bảng 3.7. Số liệu xác định độ ẩm của TT .......................................... 46 Bảng 3.8. Số liệu xác định tỉ lệ tro của TT ........................................ 47 Bảng 3.9. Kết quả xác định các thông số vật lý của TT .................... 47 Bảng 3.10. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào pH....................................................................................... 47 Bảng 3.11. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào thời gian ..................................................................................... 49 Bảng 3.12. Sự phụ thuộc của hiệu suất và dung lượng hấp phụ MO vào khối lượng TT .................................................................... 50 Bảng 3.13. Sự phụ thuộc của hiệu suất và dung lượng hấp phụ MO vào nhiệt độ .............................................................................. 51 Bảng 3.14. Sự phụ thuộc của dung lượng và hiệu suất hấp phụ vào nồng độ ....................................................................................... 52 x
DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Hình dạng than hoạt tính ...................................................... 4 Hình 1.2: Các nhóm chức thường gặp trên bề mặt than hoạt tính ....... 6 Hình 1.3: Quy trình sản xuất than hoạt tính với 2 giai đoạn là than hóa và hoạt hóa............................................................................ 9 Hình 1.4: Sơ đồ nguồn phát sinh nước thải trong quy trình nhuộm .. 12 Hình 1.5.a: Công thức cấu tạo của MO................................................. 14 Hình 1.5.b: Mô hình phân tử của MO ................................................... 14 Hình 2.1. Quy trình chế tạo TT .......................................................... 30 Hình 2.2: Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ MO........................ 32 Hình 3.1: So sánh hiệu suất hấp phụ MO của các mẫu TT được chế tạo có nhiệt độ nung khác nhau ................................................ 38 Hình 3.2: So sánh hiệu suất hấp phụ MO của các mẫu TT được chế tạo có thời gian nung khác nhau .............................................. 39 Hình 3.3.a: Phổ EDX của mẫu NL ........................................................ 43 Hình 3.3.b: Phổ EDX của mẫu TTKHH ............................................... 43 Hình 3.3.c: Phổ EDX của mẫu AC500/120 ............................................... 43 Hình 3.3.d: Phổ EDX của mẫu AC600/120 ............................................... 43 Hình 3.3.e: Phổ EDX của mẫu AC700/120 ............................................... 44 Hình 3.3.f. Phổ EDX của mẫu AC800/120 ............................................... 44 Hình 3.4: Phổ IR của các mẫu TTKHH (H8-Kh), AC500/120 (H5), AC800/120 (H8) ...................................................................... 45 Hình 3.5: Đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ iot của than tre .............. 46 Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến hiệu suất hấp phụ MO của TT ......................................................................... 48 xi
Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất hấp phụ MO của TT .................................................................. 49 Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ MO vào khối lượng TT..................................................................... 50 Hình 3.9: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ vào hiệu suất hấp phụ MO............................................................................... 51 Hình 3.10: Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của TT đối với MO 53 Hình 3.11. Sự phụ thuộc của Ccb /q vào Ccb đối với MO ..................... 53 xii
MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây phát triển kinh tế gắn với bảo vệ môi trường là chủ đề tập trung sự quan tâm của nhiều nước trên thế giới. Một trong những vấn đề đặt ra hàng đầu không chỉ riêng Việt Nam mà cả một số quốc gia trên thế giới là cải thiện môi trường ô nhiễm từ các chất độc hại do nền công nghiệp tạo ra. Điển hình như các ngành công nghiệp cao su, hóa chất, công nghiệp thực phẩm, thuốc bảo vệ thực vật, y dược, luyện kim, xi mạ, giấy, đặc biệt là ngành dệt nhuộm đang phát triển mạnh mẽ và chiếm kim ngạch xuất khẩu cao của Việt Nam. Ngành dệt nhuộm đã phát triển từ rất lâu trên thế giới nhưng nó chỉ mới hình thành và phát triển hơn 100 năm nay ở nước ta. Trong những năm gần đây, nhờ chính sách đổi mới mở cửa ở Việt Nam đã có 72 doanh nghiệp nhà nước, 40 doanh nghiệp tư nhân, 40 dự án liên doanh và 100% vốn đầu tư nước ngoài cùng các tổ hợp đang hoạt động trong lĩnh vực dệt nhuộm. Ngành dệt may thu hút nhiều lao động góp phần giải quyết việc làm và phù hợp với những nước không có nền công nghiệp nặng phát triển mạnh như nước ta. Tuy nhiên, hầu hết các nhà máy xí nghiệp dệt nhuộm ở ta đều chưa có hệ thống xử lý nước thải mà đang có xu hướng thải trực tiếp ra sông, suối, ao, hồ… loại nước thải này có độ kiềm cao, độ màu lớn, nhiều hóa chất độc hại đối với loài thủy sinh. Ngân hàng Thế giới ước tính, ngành công nghiệp dệt nhuộm sử dụng 1/4 hóa chất toàn thế giới mỗi năm và 1/5 lượng nước ô nhiễm toàn cầu do ngành công nghiệp này thải ra. Và nếu không được xử lý,sau khi đi vào môi trường, chúng sẽ xâm nhập vào cơ thể, tích tụ lâu ngày gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và động vật, đồng thời còn phá hủy cảnh quan môi trường tự nhiên, làm mất cân bằng hệ sinh thái. Trước thực trạng đó, chúng ta cần đưa ra một số biện pháp thiết thực để loại bỏ chất màu ra khỏi nước thải dệt nhuộm. Cho đến nay, nhiều phương pháp xử lý đã được nghiên cứu nhưng chưa có phương pháp nào thực sự hữu hiệu 1
đối với thuốc nhuộm. Gần đây, một trong các phương pháp đang được nhiều người quan tâm là việc sử dụng than hoạt tính được chế tạo từ các phụ phẩm công nông nghiệp có nguồn gốc tự nhiên như xơ dừa, vỏ lạc, mạt cưa, chitosan, đài sen ... để làm vật liệu hấp phụ chất màu ra khỏi nước thải công nghiệp dệt đã chứng minh là có hiệu quả mà không gây ra bất kỳ hiệu quả xấu nào khác đối với môi trường. Việt Nam là một trong 10 quốc gia có diện tích trồng tre lớn nhất thế giới. Do vậy, nguồn nguyên liệu từ tre vô cùng dồi dào. Với những ưu điểm vượt trội như là chất khử mùi, kháng khuẩn tự nhiên, dễ phát triển mà không cần chăm bón... nên việc chọn tre để chế tạo than là giải pháp tối ưu trong việc xử lý nước thải dệt nhuộm. Với mong muốn tạo ra những sản phẩm có khả năng hấp phụ tốt, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo than từ tre, sử dụng tác nhân hoạt hóa KOH và khảo sát khả năng hấp phụ metyl da cam”. Thực hiện đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về: - Chế tạo vật liệu hấp phụ từ thân tre. - Khảo sát một số đặc điểm bề mặt của vật liệu hấp phụ bằng phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán sắc năng lượng (EDX), phổ hồng ngoại (IR) - Khảo sát khả năng hấp phụ và một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ metyl da cam của vật liệu hấp phụ chế tạo được. 2
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Than hoạt tính 1.1.1. Định nghĩa Than hoạt tính có tên tiếng anh (tên khoa học) là Activated Carbon - đây là một dạng Cacbon được hoạt hóa ở nhiệt độ cao bằng hơi nước từ 950 - 1200°C trong môi trường yếm khí. Đây là một loại vật liệu có thành phần chính là cacbon ở dạng vô định hình chiếm từ 85 - 95% khối lượng, một phần nhỏ ở dạng tinh thể vụn graphit. Ngoài cacbon thì phần còn lại thường là tàn tro (mà chủ yếu là các kim loại kiềm và vụn cát) và các nguyên tố khác như hidro, 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 1-20% tùy thuộc vào nguyên liệu và cách điều chế than hoạt tính. Than hoạt tính có diện tích bề mặt rất lớn (từ 500 đến 2500 m2/g), là hệ quả của cấu trúc xơ rỗng, nhờ đó nó có khả năng hấp phụ tốt nhiều loại hóa chất. Bề mặt riêng của than hoạt tính phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và đặc biệt là phương thức chế tạo. 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. 3
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). 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 Hình 1.1: Hình dạng than hoạt tính Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của than hoạt tính còn ở phương diện nó là chất không độc (kể cả một khi đã ăn phải nó). 1.1.2. 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: 4
- Từ than đá, than bùn - Từ thực vật: gỗ, bã mía, rơm rạ, vỏ quả, xơ dừa, bã cà phê… - Từ động vât: xương, xúc tu các loài động vât. 1.1.3. Đặc trưng cơ bản của than hoạt tính 1.1.3.1. Cấu trúc xốp Khả năng hấp phụ của than hoạt tính phụ thuộc nhiều vào tính chất xốp của than. Các thông số chủ yếu mô tả tính chất xốp bao gồm: - Bề mặt riêng: là tổng diện tích bề mặt tính cho 1 đơn vị khối lượng, bao gồm tổng diện tích bề mặt bên trong mao quản và bên ngoài các hạt (m2/g) [15]. Bề mặt riêng của than được xác định bằng phương pháp BET (hấp phụ và khử hấp phụ Nitơ). - Thể tích mao quản (lỗ xốp) riêng: là không gian rỗng tính cho một đơn vị khối lượng (cm3/g) [15]. - Kích thước của mao quản: được tính bằng khoảng cách giữa hai cạnh của rãnh hoặc đường kính của mao quản. Theo tiêu chuẩn của IUPAC có thể chia mao quản ra thành 3 loại: mao quản nhỏ (micropore) có kích thước trung bình nhỏ hơn 2nm, mao quản trung bình (mesopore) có kích thước trung bình từ 2nm đến 50nm và mao quản lớn (macropore) có kích thước trung bình trên 50nm. Quá trình chế tạo than hoạt tính hình thành nên nhiều mao quan mới đồng thời mở rộng kích thước các mao quản ban đầu. Mỗi nhóm mao quản nhỏ, trung bình và lớn thể hiện một vai trò nhất định trong quá trình hấp phụ. Mao quản nhỏ có diện tích bề mặt riêng chiếm tới 95% tổng diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính, đóng góp chủ yếu vào khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Mao quản trung bình chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính. Mao quản lớn có diện tích bề mặt riêng rất nhỏ không vượt quá 0,5m2/g, đóng góp không đáng kể, chúng hoạt động như một kênh cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh tới các mao quản nhỏ hơn. 1.1.3.2. Đặc tính hóa học bề mặt 5
Ngoài thành phần chính là cacbon, than hoạt tính còn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố khác như hidro, oxi, lưu huỳnh, nitơ,…chúng được đưa vào than hoạt tính cùng với nguyên liệu đầu và trong quá trình chế tạo. Trên bề mặt than hoạt tính luôn có một lượng oxi liên kết hoá học với nguyên tử cacbon, phức chất của oxi với cacbon trên than hoạt tính được gọi là các hợp chất bề mặt hay các nhóm chức bề mặt. Tuỳ theo điều kiện và phương pháp điều chế than hoạt tính mà lượng oxi tham gia hợp chất bề mặt có thể thay đổi. Do đặc điểm hoạt động của các nguyên tử cacbon, các oxit bề mặt thường có ở rìa các vi tinh thể và ở các liên kết ngang trên bề mặt than. Các oxit bề mặt ảnh hưởng đến tính chất phân cực của bề mặt than tạo nên tính ưa nước. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính với các chất phân cực khác nhau cũng phụ thuộc vào các nhóm chức bề mặt này [15]. Các nhóm chức bề mặt của than hoạt tính biểu hiện một trong hai đặc tính: axit hoặc bazơ. Đặc trưng cho các nhóm chức bề mặt axit là các nhóm cacboxyl, lacton, hydroxyl...và đặc trưng cho các nhóm chức bề mặt bazơ thường là các nhóm amin, pyron, chromen.... [24]. Các nhóm chức có đặc tính axit, đặc biệt là nhóm cacboxyl làm cho bề mặt của than phân cực hơn và do đó làm tăng ái lực của chúng với nước do tạo thành liên kết hiđro. Hình 1.2: Các nhóm chức thường gặp trên bề mặt than hoạt tính 1.1.4. Quy trình chế tạo than hoạt tính 6
Quy trình chế tạo than hoạt tính thường được tiến hành theo hai giai đoạn: than hóa và hoạt hóa. 1.1.4.1. Quá trình than hóa Than hóa là quá trình dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu ban đầu về dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số hợp chất hữu cơ nhẹ, tạo mao quản ban đầu cho than. Để tránh hiện tượng tro hóa, quá trình than hóa được thực hiện trong môi trường khí trơ, trong lò yếm khí hoặc chân không. Nhiệt độ than hoá thường trong khoảng 350 - 5000C, nhiệt độ quá cao làm cho than bị trơ khó hoạt hoá. Quá trình than hóa có thể thực hiện trong cả ba pha rắn, lỏng và khí tùy thuộc vào nguyên liệu ban đầu. - Than hóa trong pha rắn: Nguyên liệu ban đầu có bản chất thực vật như gỗ, tre, sọ dừa, vỏ lạc, vỏ trấu,.. chúng được cấu tạo từ những hệ phân tử lớn. Sử dụng nhiệt độ để phân hủy và phá vỡ những liên kết nhằm tạo ra những phân tử nhỏ hơn. Trong quá trình này, một số chất dễ phân hủy thường được giải phóng dưới dạng khí hoặc chất lỏng để lại các mao quản như đã nêu trên. Than thu được, do đó luôn có tỷ trọng nhỏ hơn nguyên liệu ban đầu. - Than hóa trong pha lỏng: Nguyên liệu ban đầu là vòng thơm, hắc ín, quá trình than hóa có cơ chế hoàn toàn khác với pha rắn. Than tạo ra có dạng graphit không có mao quản, để tạo ra mao quản cần có sự tác động lên các lớp graphit. - Than hóa trong pha khí: Nguyên liệu ban đầu là những ankan như metan, propan hoặc benzen trộn với khí heli. Quá trình than hóa được thực hiện ở áp suất tương đối thấp. Đối với các loại nguyên liệu ban đầu khác nhau thì cách thức hình thành mao quản ban đầu cũng như cơ chế hình thành than có đặc điểm riêng và hoàn toàn khác nhau. Do đó, nguồn nguyên liệu khác nhau sẽ tạo ra những cấu trúc than hoạt tính khác nhau. Sau quá trình than hóa, than thu được có diện tích 7
bề mặt thấp, độ xốp không cao, hệ thống mao quản chưa phát triển... Để tăng khả năng hấp phụ của than, ta phải tiến hành bước tiếp theo là hoạt hóa than. 1.1.4.2. Quá trình hoạt hóa Hoạt hóa là quá trình nâng cao hoạt tính cho than sau quá trình than hóa. Bản chất của hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưới tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa, nhằm tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống mao quản có kích thước khác nhau, ngoài ra còn có thể tạo ra các tâm hoạt động bề mặt. Có hai phương thức hoạt hóa là hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học. a. Hoạt hóa vật lý (Hoạt hóa nhiệt) Hoạt hóa vật lý thường được tiến hành ở nhiệt độ từ 800 - 1100oC với tác nhân hoạt hóa là hơi nước, CO2 và oxi không khí. Khi hoạt hóa bằng oxi không khí, cacbon sẽ bị oxi hóa thành CO2, vì thế cần kiểm soát không khí trong quá trình hoạt hóa. Các phản ứng hóa học xảy ra: + Hoạt hoá bằng oxi không khí: Cn + O2 → CO + Cn-1 + Q (thiếu oxy) Cn + O2 → CO2 + Cn-1 + Q (thừa oxy) + Hoạt hoá bằng hơi nước: Cn + H2O → CO + Cn-1 + H2 - Q C + H2O → CO + H2 CO + C(O) → CO2 + C + Hoạt hoá bằng CO2: C + CO2 → CO + C(O) C(O) → CO CO + C → C(CO) Các khí thoát ra ngoài và để lại lỗ trống trên bề mặt than. Đây chính là những mao quản được hình thành trong quá trình hoạt hóa. Ban đầu các mao quản tạo ra có kích thước nhỏ. Nếu thời gian tiếp xúc càng kéo dài thì 8
kích thước các mao quản sẽ ngày càng tăng lên. Tùy thuộc vào đặc tính của than hoạt tính cần sử dụng mà chúng ta sẽ chọn điều kiện hoạt hóa hợp lý [15]. Hoạt hóa vật lý thường được áp dụng cho than có cấu trúc rắn chắc như than có nguồn gốc từ than đá, than bùn, xơ dừa, vỏ lạc, gỗ... b. Hoạt hóa hóa học Tác nhân hoạt hóa thường dùng là các hợp chất hóa học như ZnCl2, Na2CO3, K2CO3, H3PO4,… Than sau khi than hóa được trộn với các chất hoạt hóa. Quá trình hoạt hóa thường được tiến hành ở nhiệt độ 450 - 9000C. Các chất hoạt hóa có tác dụng như chất ổn định, đảm bảo rằng than không bị xẹp trở lại. Chúng sẽ lấp đầy các mao quản ban đầu và mở rộng kích thước của chúng. Kết quả là than sau khi hoạt hóa sẽ có cấu trúc rất xốp và thường chứa đầy các chất hoạt hóa. Sau đó than được rửa sạch và tiếp tục các bước sản xuất tiếp theo. Hoạt hóa hóa học thường được sử dụng nhiều hơn do ưu điểm về nhiệt độ cũng như thời gian hoạt hóa so với hoạt hóa vật lý [15]. Hoạt hóa hóa học thường được áp dụng cho than có nguồn gốc thực vật . Hình 1.3: Quy trình sản xuất than hoạt tính với 2 giai đoạn là than hóa và hoạt hóa Tuy nhiên, sản xuất ra than hoạt tính thành phẩm dựa vào 2 bước như trên là cách làm theo công nghệ cũ. Việc này sẽ không đảm bảo được đầu ra cho sản phẩm chất lượng nhất vì trong quá trình vận chuyển thường sẽ bị nhiễm tạp chất và làm vụn than. Hiện nay với công nghệ mới nhất, quy trình sản xuất than hoạt tính chỉ còn duy nhất 1 công đoạn là đưa nguyên liệu vào lò. Lò này sẽ xử lý cả 2 quy 9