zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Luận Văn - Báo Cáo

» Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu điều chế và ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu cơ

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:77

Báo xấu

222
lượt xem 47
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình điều chế than hoạt tính từ tre như nhiệt độ, tác nhân và thời gian hoạt hóa đến chất lượng của than thành phẩm. Trên cơ sở đó xác định được các yếu tố tối ưu cho việc sản xuất than hoạt tính từ tre có chất lượng cao dùng trong mục đích xử lý môi trường; nghiên cứu động học và động lực học hấp phụ hơi benzen và một số yếu tố ảnh hưởng tới than được điều chế để tạo điều kiện áp dụng vào thực tế xử lý môi trường.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu điều chế và ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu cơ

“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trường đang là vấn đề nóng, được quan tâm bởi tất cả các quốc gia trên thế giới đặc biệt trong những năm gần đây. Việc sử dụng nhiên, nguyên vật liệu, sự phát thải các chất gây ô nhiễm ra môi trường trước hết ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ con người, tiếp đó là sự suy thoái môi trường, biến đổi khí hậu đã gây thiệt hại rất lớn về con người và tài sản cho nhiều quốc gia. Benzen là hợp chất gây độc đối với con người và các hệ sinh thái. Benzen được sử dụng rất rộng rãi trong đời sống con người. Sau quá trình sử dụng benzen phát tán ra ngoài môi trường trong cả ba thành phần môi trường khí, nước và đất. Do tồn tại chủ yếu ở dạng khí nên các phương pháp xử lý benzen được sử dụng chủ yếu là phương pháp hấp phụ lên bề mặt các vật thể rắn. Các hợp chất thông dụng như: than hoạt tính, rây phân tử, silicagel, nhôm hoạt tính. Than hoạt tính là một trong những vật liệu hấp phụ được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như khai thác, chế biến dầu mỏ, công nghiệp dệt, công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, xử lý môi trường. Ngoài ra nó còn là nguyên liệu chính để sản xuất hộp lọc phòng độc dùng trong quân sự và các ngành kinh tế khác nhau. Hiện nay, việc sử dụng than hoạt tính vào mục đích xử lý môi trường ngày càng phổ biến và nhu cầu ngày càng tăng. Tuy nhiên nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính chủ yếu từ nguồn nguyên liệu than đá hóa thạch và nguồn nguyên liệu là gỗ cứng đang ngày càng cạn kiệt và việc khai thác gây ảnh hưởng tới môi trường, đặc biệt là nguy cơ gây biến mất các cánh rừng trên khắp thế giới. Do đó việc tìm một nguồn nguyên liệu thay thế đang là vấn đề được quan tâm và sự tập trung này đang được tập trung vào than tre từ đầu những năm 1980 [26]. Nguồn nguyên liệu than tre được đặc biệt quan tâm với khả năng là nguồn nguyên liệu thay thế tiềm năng do những nguyên nhân sau: LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 1 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” + Các nghiên cứu ban đầu cho thấy tre có hàm lượng xenlulo (40% đến 50%), hemixenlulo (20% đến 30%) và lignin (15% đến 35%) lớn hơn gỗ mềm và tương đương với gỗ cứng (thành phần tạo nên gỗ). Than sản xuất từ tre có bề mặt riêng lớn tương đương với than gỗ và vận tốc hấp phụ cao. + Tre là loài thực vật có vùng phân bố tương đối lớn trên thế giới với ước tính khoảng 22 triệu hecta và có thời gian phát triển để có thể thu hoạch ngắn từ 4 8 năm [15] + Việc khai thác ít làm ảnh hưởng tới rừng và môi trường sinh thái. Cho đến nay, các tính chất vật lý và hóa học của gỗ từ tre đã được nghiên cứu rất nhiều để phục vụ cho công tác sản xuất than hoạt tính, tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ bước đầu bao gồm các nghiên cứu tổng quan về các loài tre và một số loài cụ thể [18, 23, 26]. Do vậy việc nghiên cứu tính chất cũng như các điều kiện tối ưu để sản xuất than hoạt tính từ những loài tre cụ thể phục vụ cho những mục đích cụ thể khác nhau là còn thiếu và rất cần thiết. Ở nước ta tre được phân bố tương đối rộng ở cả 3 miền trong cả nước. Hiện nay việc nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất than hoạt tính có chất lượng cao từ các nguồn nguyên liệu trong nước còn hạn chế, nguyên liệu từ gáo dừa hiện nay đang được sử dụng nhiều nhất và có khả năng sẽ không đáp ứng được nhu cầu trong tương lai. Đặc biệt việc sản xuất than hoạt tính dùng cho mục đích hấp phụ các hợp chất hữu cơ từ khí thải còn ít được quan tâm. Vì vậy việc chọn đề tài: “Nghiên cứu điều chế và ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu cơ” sẽ góp phần giải quyết những vấn đề đã đặt ra. Mục tiêu của đề tài là: + Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình điều chế than hoạt tính từ tre như nhiệt độ, tác nhân và thời gian hoạt hoá đến chất lượng của than thành phẩm. Trên cơ sở đó xác định được các yếu tố tối ưu cho việc sản xuất than hoạt tính từ tre có chất lượng cao dùng trong mục đích xử lý môi trường. LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 2 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” + Nghiên cứu động học và động lực học hấp phụ hơi benzen và một số yếu tố ảnh hưởng tới than được điều chế để tạo điều kiện áp dụng vào thực tế xử lý môi trường. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Than hoạt tính cấu trúc và tính chất 1.1.1. Một vài nét về than hoạt tính Các nguyên liệu chứa các bon được điều chế một cách đặc biệt nhằm loại bỏ các chất có nhựa và tạo ra các lỗ xốp trong chúng được gọi là than hoạt tính. Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là các bon chiếm 85% đến 95%, thành phần còn lại là các hợp chất vô cơ [3, 4]. Than hoạt tính được điều chế từ các nguyên liệu khi đốt cháy cho ta các bon. Do vậy nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính khá phong phú. Ví dụ các nguyên liệu có nguồn gốc động vật như các loại xương, thịt, da; các loại có gốc thực vật như các loại cây, các loại quả, sọ dừa, gỗ, mạt cưa; các loại có nguồn gốc từ than mỏ như than antraxit, than bùn, than nâu, than bán cốc, hoặc từ các hợp chất hữu cơ như polime, lignin, dầu mỏ. Than hoạt tính đã được phát hiện và nghiên cứu vào thời gian cuối thế kỷ 18. Trong thế kỷ 19 than hoạt tính được ứng dụng để lọc sạch khí và tẩy màu. Trong Đại chiến Thế giới Lần thứ Nhất, lần đầu tiên than hoạt tính đã được sử dụng làm vật liệu lọc độc trong mặt nạ phòng độc [3, 4]. Ở nước ta than hoạt tính bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ 20. Nghiên cứu đầu tiên là ở Viện Hoá học Công nghiệp với than hoạt tính từ antraxit, gáo dừa, bã mía, tiếp đó là các nghiên cứu của Viện Hoá học Công nghiệp và Trung tâm Nghiên cứu Than hoạt tính, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các kết quả nghiên cứu đã được triển khai ở quy mô pilot [3, 12]. LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 3 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” Hiện nay than hoạt tính đã được sử dụng rộng rãi trong hầu khắp mọi lĩnh vực khoa học, quân sự và đời sống. Tùy theo mục đích sử dụng, hiện có một số loại than hoạt tính như sau: Than lọc khí hơi, than tẩy màu, than lọc nước, than trao đổi ion,… ở dạng hạt dập, hạt ép hoặc dạng bột. 1.1.2. Cấu trúc của than hoạt tính * Cấu trúc tinh thể Theo các kết quả nghiên cứu của Rơngen thì than hoạt tính được cấu trúc bởi các vi tinh thể các bon. Các vi tinh thể này liên kết với nhau tạo thành các lớp, trong các lớp nguyên tử các bon xếp thành hình 6 cạnh. Tuy nhiên trong than hoạt tính, các lớp vi tinh thể xắp xếp không có trật tự như cấu trúc mạng lưới tinh thể của graphít. * Phân bố lỗ xốp trong than hoạt tính [3, 5, 8, 12] Than hoạt tính được đặc trưng bởi cấu trúc xốp đa phân tán tạo nên các kẽ hở (lỗ xốp) có kích thước và sự phân bố theo thể tích lỗ theo kích thước. Theo Dubinin và các cộng sự thì than hoạt tính là chất hấp phụ xốp có bề mặt bên trong phát triển (600 m2/g đến 900 m2/g). Do vậy than hoạt tính có khả năng hấp phụ rất cao. Dựa vào kích thước và vai trò trong quá trình hấp phụ mà các lỗ trong than hoạt tính được phân loại như sau: Lỗ nhỏ với bán kính r
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” Thể tích lỗ nhỏ khoảng từ 0,2 đến 0,6 cm3/g. Lỗ nhỏ của than đóng vai trò chủ yếu trong hấp phụ vật lý. Sự hấp phụ trong lỗ nhỏ diễn ra theo cơ chế lấp đầy thể tích không gian hấp phụ. Lỗ trung có thể tích từ 0,02 đến 0,15 cm 3/g, bề mặt riêng từ 20 đến 70 m2/g. Trên bề mặt lỗ trung xảy ra sự hấp phụ đơn và đa phân tử, kết thúc bằng sự lấp đầy thể tích lỗ theo cơ chế ngưng tụ mao quản. Lỗ bán nhỏ là dạng chuyển tiếp giữa lỗ nhỏ và lỗ trung trong than hoạt tính. Lỗ lớn trong than hoạt tính có thể tích từ 0,2 đến 0,5 cm 3/g. Lỗ lớn không có sự ngưng tụ mao quản. Sự hấp phụ trên bề mặt lỗ lớn không có ý nghĩa thực tế vì diện tích bề mặt riêng nhỏ nhất trong các lỗ xốp. Trong lỗ lớn quá trình hấp phụ đóng vai trò là các kênh vận chuyển mà theo đó các chất bị hấp phụ thấm sâu vào trong các lỗ trung và lỗ bé. Hệ thống lỗ có cấu trúc phân nhánh, lỗ trung là nhánh của lỗ lớn, lỗ nhỏ là nhánh của lỗ trung. Khi hấp phụ khí – hơi cũng như các chất có kích thước phân tử nhỏ hơn lỗ xốp nhỏ thì lỗ xốp nhỏ đóng vai trò hấp phụ chủ yếu. Lỗ lớn và lỗ trung là các kênh vận chuyển. Trường hợp hấp phụ các chất có kích thước phân tử lớn hơn lỗ xốp nhỏ từ dung dịch thì lỗ trung đóng vai trò hấp phụ chủ yếu, lỗ bé hấp phụ kém hơn, lỗ lớn đóng vai trò là kênh vận chuyển. Ngoài ra lỗ lớn và lỗ trung còn làm nền để tẩm lên than hoạt tính các chất phụ gia để phục vụ cho từng mục đích riêng biệt. * Hợp chất bề mặt LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 5 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” Trên bề mặt than hoạt tính luôn có một lượng oxy liên kết hoá học với nguyên tử các bon, ngay cả khi gia công tinh khiết nhất thì than hoạt tính cũng chứa từ 1 đến 2% oxy. Phức chất của oxy với các bon trên than hoạt tính được gọi là các hợp chất bề mặt. Tuỳ theo điều kiện và phương pháp điều chế than hoạt tính mà lượng oxy tham gia hợp chất bề mặt có thể thay đổi. Theo Dubinin và Serpinsky, khi hàm lượng oxy từ 2 đến 3% thì phần được phủ bởi đơn lớp oxy chiếm 4% diện tích bề mặt than hoạt tính. Một số tác giả khác cho rằng hàm lượng oxy lớn (khoảng 12%) thì phần diện tích được phủ bởi đơn lớp oxy sẽ đạt từ 19 đến 20%. Khi hấp phụ oxy ở nhiệt độ thường trên bề mặt than hoạt tính tạo thành các oxyt bề mặt mang tính bazơ. Do sự hydrat hoá sẽ tạo thành các nhóm hydroxyl bề mặt (– OH). Các oxyt bề mặt có tính axit được tạo thành do sự hấp phụ hoá học ở trên than hoạt tính ở nhiệt độ cao hơn (350 – 450 0C). Khi hydrat hoá sẽ tạo thành các nhóm cacboxyl bề mặt (– COOH). Tính chất và nồng độ oxyt bề mặt có ảnh hưởng tới trạng thái hấp phụ của than hoạt tính. Các oxyt bề mặt mang tính axit tạo cho bề mặt than hoạt tính ưa nước biểu hiện ở độ hấp phụ hơi nước cao ở P/Ps nhỏ. Các nghiên cứu về sự oxy hoá than hoạt tính cho thấy khi mức độ oxy hoá tăng, hàm lượng các nhóm – OH, – COOH đều tăng và tính chất axit của bề mặt than hoạt tính cũng tăng theo mức độ oxy hoá. Ngoài các nhóm chức nêu trên, trên bề mặt than hoạt tính oxy hoá còn chứa các nhóm chức kiểu phenol, lacton, quinon. Các nghiên cứu về nhiệt hấp phụ chỉ ra rằng trên than hoạt tính khi độ hấp phụ nhỏ, nhiệt hấp phụ vi phân rất lớn. Khi độ hấp phụ tăng nhiệt hấp phụ giảm dần và không đổi. Điều đó chứng tỏ bề mặt của than hoạt tính không đồng nhất về mặt năng lượng. Kết quả này có thể thấy được giải thích do than hoạt LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 6 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” tính có chứa các lỗ xốp có kích thước khác nhau, do vậy có trường lực hấp phụ khác nhau và có chứa các tâm hấp phụ là các nhóm chức bề mặt [3, 8, 22]. Dubinin và Frunkin tiếp tục nghiên cứu chi tiết bề mặt than hoạt tính và bản chất quá trình tác động của oxy. Các tác giả này cho rằng oxy được hấp phụ lên than theo hai cơ chế hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học. Rất nhiều các kết quả nghiên cứu cho thấy sự có mặt của các oxyt trên than không ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ vật lý các chất khí – hơi không phân cực. Trái lại khả năng hấp phụ các chất phân cực của than hoạt tính tăng lên rõ rệt nhờ đặc tính axit của hợp chất bề mặt. Bruns và Maximov xác định: hợp chất có tính bazơ được than hấp phụ mạnh hơn đáng kể so với các hợp chất cơ tính axit và trung tính trên than có đặc tính axit. Các tác giả cũng cho biết đặc tính axit không ảnh hưởng tới sự hấp phụ hợp chất hữu cơ mạch hydrocacbon. Tuy vậy trong dung dịch nước, tính ưa nước của than hoạt tính lại làm ảnh hưởng tới sự hấp phụ các phân tử hữu cơ trung hoà và axit. Các oxyt bề mặt ảnh hưởng không đáng kể tới khả năng hấp phụ hơi benzen nhưng làm dịch chuyển đường đẳng nhiệt hấp phụ về phía áp suất thấp. 1.1.3. Những quy luật hấp phụ trên than hoạt tính Đặc trưng cho sự hấp phụ vật lý của than hoạt tính là cơ chế lấp đầy lỗ bé. Cơ chế này được mô tả bằng thuyết Polany – Dubinin. Ngoài ra sự hấp phụ còn xảy ra theo cơ chế ngưng tụ mao quản và hấp phụ bề mặt. 1.1.3.1 . Thuyết Polany – Dubinin [1, 4, 12] Thuyết này cho rằng trên bề mặt chất hấp phụ bao giờ cũng chứa một trường lực gọi là trường hấp phụ. Độ lớn của trường được biểu thị bằng thế LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 7 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” hấp phụ . Thế hấp phụ này tỷ lệ nghịch với lập phương khoảng cách từ bề mặt. Trên bề mặt chất hấp phụ chứa nhiều mặt đẳng thế. Đại lượng hấp phụ không thay đổi khi đi xa bề mặt của thành lỗ bé, lượng hấp phụ tăng lên cho đến khi lỗ bé bị lấp đầy, khi đó thể tích không gian hấp phụ được tính: W = a v, (1.1) trong đó: a – đại lượng hấp phụ (mmol/g); v – thể tích mmol của chất bị hấp phụ (cm3/mmol). Polany đã đưa ra khái niệm thế hấp phụ, là công mang một mol hơi chất bị hấp phụ ở tướng thể tích ở áp suất P đến bề mặt chất hấp phụ tạo ra một màng nén. Thế hấp phụ được tính: = 2,303 R T lg(Ps/P), (1.2) trong đó: Ps – áp suất hơi bão hoà của thiết bị hấp phụ (mmHg); P – áp suất cân bằng hấp phụ (mmHg); R – hằng số khí; T – nhiệt độ tuyệt đối (K). Đối với than hoạt tính phương trình (1.1) có dạng: 2 k W W0 , (1.3) trong đó: W0 – không gian hấp phụ tới hạn đơn lớp (cm3/g); k – hằng số đặc trưng. LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 8 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” Nếu hai loại hơi khác nhau cùng hấp phụ lên một loại than hay một chất hấp phụ xốp nào đó thì ta có quan hệ như sau: 2 2 k1 1 = k2 2 Hay 1 k2 const (1.4) 2 k1 được gọi là hệ số tương đồng. Như vậy thế hấp phụ là một đại lượng không đổi với một loại chất hấp phụ. Thuyết này áp dụng tốt cho những chất hấp phụ có nhiệt độ sôi cao. Theo Dubinin, trạng thái hơi hấp phụ trong lỗ bé giống trạng thái lỏng, vì trong không gian của lỗ bé có hiện tượng chồng trường, hơi chất hấp phụ bị nén. Thuyết lấp đầy lỗ bé của Dubinin có một số hạn chế nhất định. Từ thực nghiệm thấy rằng đường đẳng nhiệt Dubinin không tuyến tính ở vùng áp suất cao và lệch về phía giá trị cao của trục tung. Nguyên nhân là do khi ở áp suất cao sự hấp phụ còn xảy ra theo cơ chế ngưng tụ mao quản và sự hấp phụ trên mặt phẳng. Ngoài ra thuyết Dubinin không đề cập đến sự hấp phụ trong lỗ chuyển tiếp và trên bề mặt mà hiện tượng này xảy ra trong thực tế của quá trình hấp phụ. 1.1.3.2. Thuyết hấp phụ BET [1, 3, 12] Brunamuer – Emmett – Teller đưa ra học thuyết của họ dựa vào các giả thuyết sau: Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về mặt năng lượng và sự hấp phụ xảy ra đơn lớp LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 9 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” Phân tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ chỉ tương tác với nhau ở lớp thứ nhất, còn ở các lớp sau được hình thành nhờ lực phân tử của chất bị hấp phụ giữa các lớp với nhau Sự hấp phụ bao giờ cũng tiến tới trạng thái cân bằng hấp phụ. Phương trình BET có dạng: P am C Ps a , (1.11) P P 1 1 (C 1) Ps Ps trong đó: a – độ hấp phụ ở áp suất tương đối P/Ps (mmol/g); am – độ hấp phụ đơn lớp (mmol/g); C – hằng số phụ thuộc nhiệt vi phân hấp phụ q và nhiệt ngưng tụ . q C = exp , (1.12) RT Phương trình (1.11) được chuyển về dạng đường thẳng: P Ps 1 C 1 P (1.13) P am C am C Ps a 1 Ps Phương trình 1.13 chỉ đúng trong khoảng giá trị P/Ps = 0,05 – 0,35. Đây là áp suất diễn ra quá trình hấp phụ vật lý xảy ra trên bề mặt các lỗ xốp nhỏ do vậy phương trình này được sử dụng để tính bề mặt riêng của chất hấp phụ. Tuy nhiên theo thuyết này thì nhờ các trung tâm hấp phụ và lực liên kết giữa các phân tử chất bị hấp phụ với nhau mà số lớp hấp phụ có thể là vô hạn. Song thực tế sự hấp phụ chỉ bao gồm một số lớp nhất định. Ngoài ra trong thực LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 10 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” tế bề mặt các chất hấp phụ thường không đồng nhất về mặt năng lượng. Đó là những hạn chế của thuyết BET. 1.1.3.3. Hấp phụ ở áp suất cao – Phương trình Kelvin [1, 4, 12] Khi áp suất tương đối lớn, sự hấp phụ xảy ra theo cơ chế ngưng tụ mao quản trong các lỗ trung, lớp hấp phụ trên thành lỗ dầy lên, chạm vào nhau và khép kín lại thành mặt khum lõm của chất lỏng bị hấp phụ. Kelvin đã đưa ra phương trình mô tả cơ chế này như sau: 2 v P Ps exp cos , (1.14) RT r trong đó: P – áp suất cân bằng trên mặt khum lõm trong mao quản (mmHg); Ps – áp suất hơi bão hoà (mmHg); – góc thấm ướt giữa chất lỏng và chất hấp phụ (độ) ; – sức căng bề mặt của chất lỏng (N/m); r – bán kính mao quản (m); R – hằng số khí; T – nhiệt độ tuyệt đối (K); v – thể tích mol chất bị hấp phụ (cm3/g); Dấu (–) thể hiện áp suất hơi bão hoà của chất lỏng trên bề mặt lõm luôn luôn nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà của chất lỏng trên bề mặt phẳng. Như vậy, theo phương trình thì khi r càng nhỏ thì sự giảm áp suất càng lớn. Do đó trong những mao quản hẹp thì sự ngưng tụ sẽ xảy ra ở áp suất thấp hơn so với áp suất bão hoà. Chính nguyên nhân này đã dẫn tới đường đẳng nhiệt LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 11 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” hấp phụ và giải hấp không đồng nhất và có vòng trễ, nhánh giải hấp phụ cao hơn nhánh hấp phụ ở tại các giá trị P/Ps tương ứng. Người ta ứng dụng phương trình Kelvin để nghiên cứu sự phân bố lỗ của chất hấp phụ xốp nói chung và của than hoạt tính nói riêng. 1.1.3.4. Thuyết Langmuir [1, 3, 12] Theo Langmuir thì trên bề mặt chất hấp phụ có những trung tâm hấp phụ gọi là những điểm cơ bản. Các điểm cơ bản này có khả năng hấp phụ chỉ duy nhất một phần tử chất bị hấp phụ và hình thành một lớp đơn phân tử chất bị hấp phụ. Số điểm cơ bản càng nhiều thì hoạt độ của chất hấp phụ càng cao. Langmuir đã đưa ra phương trình đẳng nhiệt hấp phụ như sau: a0 k h a = , (1.15) 1 k h trong đó: h – áp suất tương đối P/Ps; a – đại lượng hấp phụ (mmol/g); am – Đại lượng hấp phụ tới hạn đơn lớp (mmol/g); K – hệ số, là hàm của nhiệt độ. Ở vùng áp suất thấp phương trình 1.15 có thể viết: a = am k P (1.16) Còn ở vùng áp suất cao thì: a = am (1.17) LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 12 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” Phương trình 1.16 cho ta thấy ở vùng áp suất thấp lượng chất bị hấp phụ phụ thuộc tuyến tính vào áp suất. Còn ở vùng áp suất cao thì đại lượng hấp phụ đạt giá trị không đổi và không phụ thuộc áp suất. 1.1.3.5. Sự hấp phụ hơi nước trên than hoạt tính [3, 12] Do có cấu trúc bề mặt không phân cực nên than hoạt tính là một chất kỵ nước, nhưng thực tế cho thấy nó lại hấp phụ hơi nước rất mạnh. Các nghiên cứu cho thấy trên bề mặt than hoạt tính có chứa các nhóm chức mà thành phần có oxy. Trong quá trình hấp phụ hơi nước, các nhóm chức này là các tâm hoạt động. Chính các nhóm chức này đã tạo khả năng hấp phụ hơi nước của than. Hơi nước hấp phụ lên than hoạt tính tạo thành nhiều lớp nhờ có cấu trúc liên kết hydro tạo ra giữa các phân tử nước với nhau. Các lớp phân tử nước hình thành dầy lên che phủ các tâm hoạt động vì vậy ngăn cản sự hấp phụ các chất khác. Ngoài ra còn xảy ra sự ngưng tụ hơi nước trong các lỗ trung làm giảm khả năng hấp phụ khí hơi trong lỗ bé của than. Đường đẳng nhiệt hấp phụ hơi nước của than hoạt tính có dạng chữ “S” và có vòng trễ. Vòng trễ rộng và dựng đứng. Quá trình hấp phụ có tính chất trung gian giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học do có sự hình thành liên kết với các tâm hoạt động. Đường đẳng nhiệt hấp phụ hơi nước tăng chậm và thoải hơn so với đẳng nhiệt hấp phụ các hơi hữu cơ. a (mmol/g) a (mmol/g) 1 1 2 2 1. HÊp phô 1. HÊp phô 2. Gi¶i hÊp 2. Gi¶i hÊp ( a) P/Ps ( b) P/Ps LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 13 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” Hình 1.1. Dạng đường cong đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp hơi benzen (a) và hơi nước (b) trên than hoạt tính. Sự hấp phụ hơi nước ở vùng P/Ps nhỏ có thể mô tả bằng phương trình sau: a0 c h a , (1.18) 1 c h trong đó: a – độ hấp phụ ở áp suất tương đối h = P/Ps (mmol/g); a0 – số tâm hấp phụ hơi nước sơ cấp trên bề mặt than (mmol/g); c – hằng số. Giá trị a0 được xác định theo phương trình sau: h 1 1 h (1.19) a c ao a Sự hút ẩm mạnh làm giảm khả năng hấp phụ của than hoạt tính và gây khó khăn trong quá trình bảo quản. Vấn đề loại bỏ các nhóm chức trên bề mặt than đã được quan tâm và thực hiện. Dubinin thấy rằng, sau khi tẩy sạch các nhóm chức trên than, đường đẳng nhiệt hấp phụ trở lại bình thường. 1.1.4. Động lực học của quá trình hấp phụ trong cột [3, 12] Trong thực tế xử lý khí, hơi thải, quá trình hấp phụ diễn ra trong điều kiện động. Đó là sự hấp phụ xảy ra dưới điều kiện dòng chảy (điều kiện động lực). Khí, hơi chảy qua cột than với một tốc độ nhất định. Quá trình hấp phụ kết thúc khi sau cột xuất hiện nồng độ bằng nồng độ ban đầu. Để đánh giá độ hoạt động động lực của than hoạt tính người ta đưa ra khái niệm “khả năng làm việc”. Khoảng thời gian tính từ khi cho hỗn hợp chất bị hấp phụ có nồng độ C0 chảy qua lớp than hoạt tính có tiết diện S, chiều dài L, LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 14 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” với vận tốc v cho đến khi sau cột xuất hiện nồng độ chất ứng với ngưỡng cho phép gọi là thời gian làm việc của than. Silop đã đưa ra phương trình thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa thời gian làm việc và độ dài tầng hấp phụ như trên Hình 1.2. C T (phút) to B A 0 Lc L (cm) ho Lo Hình 1.2. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thời gian làm việc của than hoạt tính vào chiều dài lớp Đồ thị 1.2 là sự mô tả quá trình hấp phụ động lực (đường cong OABC) quá trình gồm các giai đoạn: + Giai đoạn 1: ứng với sự lọt qua tức thời của chất trên đoạn Lc – gọi là lớp chết. Nồng độ đầu C0 phân bố đều trong lớp với tốc độ bằng tốc độ thẳng của dòng chảy. + Giai đoạn 2: tiếp đó cho đến khi bão hoà lớp chính diện gọi là chu kỳ hình thành chính diện hấp phụ (đoạn L0). Nồng độ trong lớp giảm từ C0 đến Cn. + Giai đoạn 3: tiếp theo là dòng hỗn hợp chảy qua cột với tốc độ không đổi (L > L0), sự hấp phụ là ổn định. Kéo dài đoạn tuyến tính cắt trục hoành tại điểm A ta có giá trị h0 – là tầng hấp phụ không sử dụng của cột. LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 15 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” Silop đã chỉ ra rằng thời gian làm việc của tầng hấp phụ tỷ lệ thuận với chiều dài tầng hấp phụ L. t = k L – t0, (1.20) trong đó: t0 – sự tổn thất thời gian làm việc (phút); k – hệ số thời gian làm việc. Hệ số k được tính a 0 c0 k = , (1.21) v c0 trong đó: a0 – đại lượng hấp phụ riêng, tìm được từ đường cong đẳng nhiệt hấp phụ (mmol/g); v – tốc độ dòng trung bình của dòng hỗn hợp (lít/phút) Đại lượng l/k đặc trung cho tốc độ chuyển dịch chính diện hay hấp phụ dọc theo tầng hấp phụ. k có thể tính gần đúng: a0 k = (1.22) v c0 1.1.4.3. Ảnh hưởng của độ ẩm tới khả năng làm việc của than hoạt tính Như phần trên đã đề cập, than hoạt tính có khả năng hấp phụ hơi nước rất mạnh, dù có bảo quản tốt đến đâu thì trong than thường chứa 2 – 3% ẩm. Khi cho than hút nước đến bão hòa, có loại than hút được hơn 100% ẩm. Sự hấp phụ hơi nước của than hoạt tính gây ra sự hấp phụ cạnh tranh trên bề mặt than hoạt tính đối với các hơi, khí độc khác. Vì lẽ đó mà làm giảm khả năng làm việc của cột than hoạt tính. LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 16 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” Để tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm tới khả năng làm việc của lớp than hoạt tính người ta tiến hành thí nghiệm hấp phụ động lực với sự thay đổi của độ ẩm của hỗn hợp khí, hơi. Dubinin thấy rằng khi khí, hơi có độ ẩm cao, khả năng làm việc của cột than giảm rất nhiều. Hỗn hợp khí, hơi chứa 75% độ ẩm tương đối thì khả năng làm việc đối với cloruaetyl giảm đi 4 lần so với lúc độ ẩm bằng không. Thí nghiệm hấp phụ benzen lên cột than hoạt tính có độ ẩm thay đổi cho kết quả như trong Bảng 1.1 [13]. Bảng 1.1. Ảnh hưởng của độ ẩm hỗn hợp khí, hơi đến khả năng làm việc của than hoạt tính đối với benzen (nồng độ benzen là 18 mg/l) Độ ẩm (%) 0 50 75 85 Thời gian làm việc (phút) 100 58 55 45 Một vấn đề khoa học còn tồn tại là tìm một quan hệ toán học có tính tổng quát để biểu thị ảnh hưởng của độ ẩm đến khả năng làm việc của than hoạt tính. 1.1.5. Điều chế than hoạt tính Như đã biết, nguồn nguyên liệu để điều chế than họat tính rất đa dạng và phong phú. Công nghệ để nhận được than hoạt tính từ các nguồn nguyên liệu khác nhau cơ bản phải trải qua các công đoạn sau: 1.1.5.1. Than hoá Mục đích của than hoá là dùng nhiệt để phân huỷ nguyên liệu đưa nó về dạng các bon đồng thời làm bay hơi một số hợp chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban đầu cho than. Chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hoá than. Đây là quá trình cháy để tạo các bon. Vì vậy trong lò cần có một lượng không khí nhất định. Để tránh hiện tượng tro hoá người ta than hoá trong môi trường khí trơ, trong lò yếm khí hoặc chân không. Nhiệt độ than hoá 350 – 500 0C trong khoảng thời gian 30 – 45 phút tuỳ thuộc vào nguyên liệu ban đầu. Nhiệt độ LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 17 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” than hoá quá cao làm cho than bị trơ khó hoạt hoá. Thời gian kéo dài lượng mất mát sẽ lớn, hiệu quả than hoá thấp [3, 13]. 1.1.5.2. Hoạt hoá Hoạt hoá là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể các bon dưới tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hoá, tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt. Quá trình hoạt hoá là phản ứng hoá học không hoàn toàn của các bon với tác nhân hoạt hoá. Có hai phương pháp hoạt hoá chính như sau: * Phương pháp hoá học Đây là phương pháp được sử dụng đầu tiêu để hoạt hoá than cho đến nay vẫn còn được sử dụng. Bản chất của phương pháp là dùng các hợp chất hoá học (ZnCl2, K2CO3, Na2CO3, K2SO4, H3PO4) trộn với than. Khi hoạt hoá, các chất này phân huỷ tạo các hợp chất dễ bay hơi thoát ra để lại các chỗ khuyết trên bề mặt và trong tinh thể các bon, hoặc chúng chen vào giữa các tinh thể gây nứt nẻ các mao quản bé và các hợp chất bề mặt mang tính axit hay bazơ. * Phương pháp vật lý hay còn gọi là phương pháp khí – hơi Phương pháp này cho năng suất cao, giá thành hạ, ít ăn mòn thiết bị. Tác nhân hoạt hoá thường dùng là khí cacbonic, hơi nước và oxi không khí. + Hoạt hoá bằng oxi không khí Đây là phản ứng phát nhiệt nhưng cần phải cung cấp nhiệt ban đầu. Bề mặt than thường tạo thành một số nhóm chức, điều này thuận lợi cho việc điều chế than oxy hóa. Sản phẩm than hoạt tính có nhiều lỗ to và lỗ trung, sử dụng tẩy màu và trao đổi ion tốt. Quá trình hoạt hoá có thể biểu diễn bằng phương trình: Cn + O2  CO + Cn1 + Q (thiếu oxy) LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 18 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” Cn + O2  CO2 + Cn1 + Q (thừa oxy) Ngoài ra nhiệt độ hoạt hoá cũng ảnh hưởng đến cơ chế phản ứng: Cn + O2  2CO + Cn1 ở 800 9000C Cn + O2  CO2 + Cn1 ở dưới 6000C Nói chung phương pháp hoạt hoá bằng oxy cho than có chất lượng không cao + Hoạt hoá bằng hơi nước Khi nhiệt độ trên 7500C hơi nước có tính oxy hoá, phản ứng hoạt hoá xảy ra như sau: Cn + H2O  CO + Cn1 + H2 – Q Phản ứng khó khảo sát vì xẩy ra ở nhiệt độ cao và tạo nhiều sản phẩm phụ khác, ví dụ: C + H2O  CO + H2 CO + C(O)  CO2 + C Hydro sinh ra ức chế quá trình phản ứng, than thu được có lỗ bé phát triển. + Hoạt hoá bằng CO2 Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao (trên 8500C). Phản ứng xảy ra theo hai cơ chế. A: C + CO2  CO + C(O) C(O)  CO CO + C  C(CO) B: C + CO2  CO + C(O) LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 19 NguyÔn V¨n S¬n
“Nghiªn cøu ®iÒu chÕ vµ øng dông than ho¹t tÝnh tõ tre ®Ó hÊp phô dung m«i h÷u c¬” C(O)  CO Hoạt hoá bằng hơi nước và CO2 đòi hỏi phản ứng cấp nhiệt liên tục vì đó là phản ứng thu nhiệt [3, 8]. 1.2. Ô nhiễm benzen và các phương pháp xử lý 1.2.1. Nguồn gốc, ô nhiễm môi trường và độc tính của benzen Benzen được điều chế chủ yếu từ quá trình trưng cất than đá và dầu mỏ. Benzen được ứng dụng rộng rãi trong đời sống do đó nguồn gốc phát thải benzen vào môi trường cũng rất đa dạng, Nguồn gây ô nhiễm môi trường có thể từ nguồn tự nhiên hoặc các hoạt động sinh hoạt và công nghiệp của con người. Tuy nhiên benzen phát tán ra môi trường chủ yếu từ các hoạt động của con người. Benzen được phát tán ra ngoài môi trường từ các quá trình đốt cháy xăng dầu, từ chất thải chứa benzen, bốc hơi từ các trạm xăng dầu, bốc hơi từ các quá trình sản xuất công nghiệp có sử dụng benzen như công nghiệp sơn, thuốc bảo vệ thực vật, dược liệu. Khói thuốc lá là một nguồn phát thải benzen tương đối lớn. Theo số liệu điều tra thì ở Mỹ 50% có tiếp xúc với benzen có nguồn gốc từ khói thuốc lá [15]. Benzen phát tán trong cả 3 thành phần môi trường đất, nước và không khí. Benzen được phát tán vào trong không khí bởi các nguyên nhân đã nêu trên. Khi vào môi trường không khí chúng có xâm nhập vào đất hoặc nước thông qua quá trình mưa hoặc cuốn theo bụi. Trong môi trường đất, benzen có thể xâm nhập do các chất thải chứa benzen, do rò rỉ nhiên liệu từ các kho chứa. Benzen xâm nhập vào cơ thể nguời chủ yếu qua đường hô hấp. Một phần nhỏ có thể xâm nhập qua đường tiêu hóa do ăn, uống vào thực phẩm có chứa benzen. Ngoài ra benzen có thể xâm nhập vào cơ thể thông qua tiếp xúc qua da. Khi tiếp xúc qua da benzen sẽ đi vào máu và phát tán khắp nơi trong cơ thể. Chúng sẽ tích tụ tạm thời ở tủy và mô mỡ. LuËn v¨n Th¹c sÜ Khoa häc M«i trêng 20 NguyÔn V¨n S¬n

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

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

172 tài liệu

842 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.