CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 10.2020
234
KHOA H
ỌC
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH TỪ BÃ MÍA ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC
RESEARCH AND MANUFACTURE ACTIVATED CARBON FROM BAGASSE IN WATER TREATMENT APPLICATION Trần Thị Phương1, Trần Thị Thu1, Đỗ Thị Ngà1, Trần Thị Hương Bưởi1, Nguyễn Thị Thu Phương2,* TÓM TẮT Than hoạt tính được chế tạo bằng cách than hóa bã mía bằng H2SO4 đ
ặc,
hoạt hóa bằng KOH và nung ở dòng khí N2 trong 6500C trong 3 giờ.
Sau đó, phân
tích chỉ tiêu chất lượng của vật liệu chế tạo được theo tiêu chu
ẩn than than hoạt
tính. Sản phẩm than hoạt tính thu được từ nghiên cứu này được định hư
ớng ứng
dụng trong xử lý pH, độ cứng, độ kiềm, hàm lượng Clo trong nước tự nhiên. Từ khóa: Than hoạt tính, H2SO4, KOH, xử lý nước. ABSTRACT
activated by KOH and calcined at N2 gas stream at 6500
C for 3 hours. Then,
analyze the quality criteria of the manufactured materials according to the
standard of activated carbon. Activated carbon products obtained from this
research are oriented to apply pH treatment, hardness, alkalinity, chlorine
content in natural water. Keywords: Activated carbon, H2SO4, KOH, water treatment. 1Lớp CHN1 - K13, Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 2Khoa Công nghệ Hóa, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: thuphuongdhcn@yahoo.com 1. MỞ ĐẦU Than hoạt tính ngày càng phổ biến và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Than hoạt tính có thể tạo ra từ phế phẩm nông nghiệp như vỏ trấu, bã mía, rơm rạ, lõi ngô… Sản lượng bã mía tại Việt Nam rất lớn, nếu tận dụng được nguồn phế phẩm này chế tạo than hoạt tính sẽ tạo ra hiệu quả kinh tế cao [1-4]. Công nghệ để nhận được than hoạt tính từ nguồn nguyên liệu khác nhau cơ bản trải qua hai giai đoạn than hóa và hoạt hóa. Quá trình than hoá được thực hiện trong môi trường khí trơ, trong lò yếm khí hoặc chân không ở nhiệt độ cao với thời gian thích hợp tùy thuộc vào nguyên liệu ban đầu. Quá trình hoạt hóa gồm hoạt hóa hóa học hoặc hóa lý. Hoạt hóa hóa học là dùng các hợp chất hoá học (ZnCl2, K2CO3, Na2CO3, K2SO4, H3PO4…) trộn với than. Quá trình hoạt hóa hóa lý thực hiện bằng cách cacbon hóa vật liệu ở nhiệt độ cao trong môi trường khí trơ (N2, argon) với tốc độ gia nhiệt từ từ. Tiếp theo sử dụng tác nhân hoạt hóa (hơi nước, CO2, không khí) khi đun nóng. Trong quá trình này, phản ứng hóa học giữa than và tác nhân hoạt hóa dẫn đến hình thành cấu trúc xốp của than hoạt tính [5,6,8,9]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi chế tạo than hoạt tính từ bã mĩa bằng cách than hóa bã mía bằng H2SO4 đặc, hoạt hóa bằng KOH và nung ở dòng khí N2 trong 6500C trong 3 giờ. 2. THỰC NGHIỆM 2.1. Quy trình chế tạo vật liệu Bã mía được rửa sạch, phơi khô, cắt nhỏ sau đó mang đi sấy ở nhiệt độ 110OC trong 2h thành từng mẻ. Lấy mẫu sau khi sấy, cân khoảng 100g vào cốc. Ngâm tẩm mẫu với axit H2SO4 theo tỉ lệ 1:1 trong 24h. Mẫu sau đó được đem sấy ở nhiệt độ 110OC trong 2h. Mẫu được rửa nhiều lần bằng nước cất và ngâm với dung dịch KOH 15% tỉ lệ 1:1. Mẫu sau đó được đem sấy ở nhiệt độ 110OC trong 2h và đem nung trong môi trường khi N2 ở nhiệt độ 650OC trong 3h. Mẫu than hoạt tính sau cùng được rửa bằng nước cất nhiều lần tới pH khoảng 7,0 và được đem đi sấy khô ở nhiệt độ 110OC trong 2h. 2.2. Các phương pháp phân tích - Phương pháp phân tích thể tích. - Phương pháp phân tích khối lượng. - Phương pháp phân tích trắc quang. 2.3. Phương pháp nghiên cứu đặc tính của vật liệu - Phương pháp quang phổ hồng ngoại IR. - Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM. 2.4. Phân tích chỉ tiêu chất lượng của than hoạt tính a) Độ ẩm Cân khoảng 0,2g mẫu than hoạt tính, chính xác đến 0,0002g, cho vào chén cân thủy tinh hoặc nhôm có nắp đậy đã được sấy ở nhiệt độ (100 ± 5)0C đến khối lượng không đổi. Chuyển chén chứa mẫu vào tủ sấy và sấy ở nhiệt độ (100 ± 5)0C trong 3h. Lấy chén ra và để nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng và cân. Tiếp tục sấy 30 phút nữa, để nguội rồi cân. b) Độ tro Cân khoảng 0,2g mẫu than hoạt tính, chính xác đến 0,0001g, cho vào chén sứ [chén đã được nung ở (815 ± 25)°C đến khối lượng không đổi]. Cho chén chứa mẫu vào lò nung và nâng nhiệt độ đến khoảng (815 ± 25)°C và nung ở nhiệt độ này trong 2h. Lấy chén chứa tro ra và để nguội
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 10.2020 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
235
trong bình hút ẩm đến nhiệt độ phòng, cân. Tiến hành nung, cân đến khối lượng không đổi. c) Xác định độ mịn Cân 0,5g mẫu than hoạt tính, chính xác đến 0,0001g và sàng đến khi nào các hạt nhỏ trên sàng không rơi xuống nữa. Cân phần còn lại trên sàng với độ chính xác đến 0,0001g. d) Xác định độ pH của dung dịch than hoạt tính Cân 0,05g than hoạt tính, cho vào bình tam giác dung tích 250ml, thêm 100ml nước, lắp ống sinh hàn hồi lưu và đun sôi trong 3 phút, lấy ra để nguội, lọc và đo pH dung dịch bằng máy đo pH. e) Xác định độ hấp thụ xanh metylen Bước 1: Xây dựng đường chuẩn Dùng pipet lấy lần lượt chính xác 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0ml dung xanh metylen 1000ml/l, cho vào các bình định mức dung tích 50 ml, pha loãng bằng nước đến vạch mức và lắc đều. Dung dịch nhận được có nồng độ tương ứng là 10; 20; 40; 60; 80; 100mg/l. Đo độ hấp thụ quang của các dung dịch trên ở bước sóng 400nm, dùng nước cất làm dung dịch so sánh. Xây dựng đường chuẩn giữa sự phụ thuộc độ hấp thụ quang và nồng độ xanh metylen. Bước 2: Xác định độ hấp phụ xanh metylen của than hoạt tính. Cân 0,1g mẫu than hoạt tính, chính xác đến 0,0002g than hoạt tính, cho vào bình tam giác dung tích 50ml, thêm 25ml dung dịch xanh metylen, đậy nút và lắc mạnh trong 20 phút. Chuyển mẫu vào ống ly tâm và cho ly tâm trong 10 phút. Dùng pipet lấy 5ml dung dịch lọc và đo độ hấp thụ quang của xanh metylen. Sử dụng đường chuẩn để xác định nồng độ của xanh metylen sau khi bị hấp phụ. f) Xác định chỉ số iot Cho dung dịch iot vào bình tam giác 100ml. Chuẩn độ với natri thiosulfat cho đến khi dung dịch iot chuyển sang màu vàng nhạt. Thêm vài giọt hồ tinh bột và tiếp tục chuẩn độ cho đến khi dung dịch không màu. 2.5. Thử nghiệm khả năng xử lý mẫu nước bằng than hoạt tính a) Xử lý pH Tiến hành phân tích mẫu nước ban đầu: Hút 10 mẫu nước. Nhúng điện cực pH vào mẫu nước, thiết bị tự động nhận dạng tính ổn định của phép đo hoàn toàn độc lập, hiện thị giá trị khi đã ổn định. Xử lý mẫu bằng than hoạt tính và phân tích pH sau xử lý: Cân 0,05g than hoạt tính vào cốc. Thêm 10ml mẫu nước sinh hoạt vào cốc, lắc đều trong khoảng 30 phút. Tiếp theo, nhúng điện cực pH vào cốc trên, thiết bị tự động nhận dạng tính ổn định của phép đo hoàn toàn độc lập, hiện thị giá trị khi đã ổn định. b) Xử lý độ cứng Tiến hành phân tích mẫu nước ban đầu: Hút 20ml nước cho vào bình tam giác, thêm 2ml dung dịch đệm amoni, 1 ít chỉ thị ETOO, lắc tan và chuẩn độ bằng dung dịch EDTA 0,02N. Dung dịch chuyển từ màu đỏ nho sang xanh. Xử lý mẫu bằng than hoạt tính và phân tích độ cứng sau xử lý: Cân 0,05g than hoạt tính, thêm 20ml mẫu nước sinh hoạt, lắc đều, để qua đêm. Lọc lấy dung dịch, thêm 2ml dung dịch đệm amoni, ETOO và chuẩn độ bằng dung dịch EDTA 0,02N. Dung dịch chuyển từ đỏ nho sang xanh bền 30s. c) Xử lý Clo Tiến hành phân tích mẫu nước ban đầu: Hút 10ml nước, thêm chất chỉ thị K2CrO4 5%, chuẩn độ bằng dung dịch AgNO3 0,02N. dung dịch chuyển từ vàng sang đỏ nho. Xử lý mẫu bằng than hoạt tính và phân tích Clo sau xử lý: Cân 0,05g than hoạt tính, thêm 10ml mẫu nước sinh hoạt, lắc đều trong khoảng 30 phút. Sau đó thêm chất chỉ thị K2CrO4 5%, chuẩn độ bằng dung dịch AgNO3 0,02N. dung dịch chuyển từ vàng sang đỏ nho. 3. KẾT QUẢ 3.1. Kết quả chế tạo vật liệu Vật liệu trước và sau khi chế tạo như trong hình 1. a) Bã mía b) Than hóa c) Than hoạt tính Hình 1. Kết quả chế tạo vật liệu
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 10.2020
236
KHOA H
ỌC
3.2. Kết quả nghiên cứu cấu trúc và hình ảnh bề mặt của vật liệu a) Kết quả chụp phổ IR Hình 2. Kết quả chụp phổ IR Từ hình 2 cho thấy, cấu trúc của 3 mẫu đã có sự thay đổi. Từ vật liệu ban đầu là bã mía đã hình thành thêm các liên kết mới nhưng vẫn giữ nguyên một vài liên kết. b) Kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử quét SEM a) Ảnh chụp SEM của bã mía b) Ảnh chụp SEM của than hóa c) Ảnh chụp SEM của than hoạt tính Hình 3. Hình ảnh chụp SEM của vật liệu Nhận xét: Bã mía ban đầu có bề mặt không đồng nhất gồm những sợi dài xếp chồng lên nhau với kích thước cỡ vài trăm µm. Sau khi than hóa bằng H2SO4 thì kích thước vật liệu nhỏ hơn ban đầu với kích thước khoảng 5 - 10µm, kích thước không đồng nhất. Sau khi nung ở 6500C trong dòng khí nitơ thu được than hoạt tính thì sản phẩm than hoạt tính kích thước rất nhỏ vài µm tương đối đồng đều thuận lợi cho quá trình hấp phụ. 3.3. Kết quả phân tích chỉ tiêu chất lượng của than hoạt tính Bảng 1. Kết quả phân tích chỉ tiêu chất lượng của than hoạt tính Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả pH - 8,94 Độ ẩm % 4,5 Hàm lượng tro % 15 Độ mịn % 94,73 Chỉ số iot mg I
2
/g than 220,98 Độ hấp phụ xanh metylen mg/g 8,5 Nhận xét: Độ ẩm của than hoạt tính làm từ bã mía là 4,5%. Như vậy, hàm lượng nước tồn tại trong nguyên liệu ban đầu ảnh hưởng đến cấu trúc và chất lượng than. Từ đó ta thấy bã mía có độ bền cơ học cao. Hàm lượng tro của than hoạt tính làm từ bã mía là 15%. Hàm lượng tro nhiều sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ than hoạt tính, vì tro làm nghẽn cấu trúc lỗ xốp của than. Chỉ số iot của than hoạt tính là 220,98mg I2/1g than. Chỉ số iot càng lớn cho thấy mức độ hoạt hóa càng cao. Nó đặc trưng cho diện tích bề mặt của lỗ xốp cũng như khả năng hấp phụ của than. Độ hấp phụ của xanh metylen là 8,5mg/g. Khi nồng độ xanh metylen tăng thì khả năng hấp phụ xanh metylen của than hoạt tính tăng. 3.4. Kết quả thử nghiệm sử dụng than hoạt tính ứng dụng trong xử lý nước Nhận xét: pH và độ kiềm tăng sau khi sử dụng than hoạt tính vì đây là loại than hoạt tính có tính kiềm nên thích hợp
Ba m i a
587.53
848.93
880.19
1059.19
1189.90
1400.16
1539.38
1621.78
1701.34
2337.81
2369.06
3423.20
Ba m ia BT C . hoat ti nh
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
% R efl ectance
1000 2000 3000 4000
Wavenumbers (cm-1)
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 10.2020 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
237
xử lý nước có tính axit. Hiệu suất xử lý độ cứng, clo trong nước của than hoạt tính khá tốt: độ cứng giảm 42,86%. Các kết quả cho thấy than hoạt tính chế tạo từ bã mía có thể định hướng ứng dụng để xử lý một số chỉ tiêu trong nước. Bảng 2. Kết quả thử nghiệm sử dụng than hoạt tính ứng dụng trong xử lý nước Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị ban đầu Giá trị sau xử lý Hiệu suất xử lý (%) pH - 7,25 8,94 - Độ kiềm mmolH+/l 0,5 0.7 - Độ cứng

/lít
35 20 42,86 Hàm lượng Clo M 6.
10
3
,
5
.
10
41,67 4. KẾT LUẬN Đã chế tạo than hoạt tính từ bã mía bằng phương pháp than hóa bằng H2SO4 và hoạt hóa bằng NaOH. Than hoạt tính chế tạo được có tính kiềm pH = 8,94; độ ẩm 4,5%, độ mịn 94,73%, hàm lượng tro 15%, độ hấp thụ xanh metylen xanh của vật liệu 8,5mg/g và chỉ số iot 220,98mg I2/g than. Đã ứng dụng than hoạt tính trong xử lý mẫu nước tự nhiên cho thấy than hoạt tính có thể xử lý một số chỉ tiêu trong nước và vật liệu sau khi xử lý bằng than hoạt tính chế tạo được đã thay đổi pH từ 7,25 lên 8,98, độ kiềm từ 0,5mmol H+/l lên 0,75mmol H+/l, hàm lượng Clo giảm 41,67%, độ cứng giảm 42,86%. Kết quả cho thấy có thể sử dụng than hoạt tính chế tạo được để định hướng xử lý nước. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. T. A. Khoa, 2017. Khảo sát khả năng xử lý nước của than hoạt tính sản xuất từ trấu. Tạp chí môi trường. [2]. T. T. T. Liên, 2014. Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ mùn dừa bằng phương pháp đốt yếm để xử lý nước. Luận văn Cao học. [3]. N. T. H. Anh, 2013. Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ lõi ngô bằng phương pháp oxy hóa để biến tính làm chất hấp thụ. Khóa luận Tốt nghiệp đại học. [4]. N. V. Thu, 2015. Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ cà phê để hấp thụ hiệu quả một số chất hữu cơ trong nước. Luận văn Thạc sĩ Khoa học Hóa học. [5]. Panagiota Paraskeva, Dimitrios Kalderis, Evan Diamadopoulos, 2008. Production of activated carbon from agricultural by-products. Chem Technol Biotechnol 83:581–592. [6]. T. T. P. Anh, 2018. Đồ án công nghệ kỹ thuật hóa học quá trình sản xuất than hoạt tính. Trường Công nghệ thực phẩm thành phố Hồ Chí Minh. [7]. TCVN. 5335:2009, Than hoạt tính dạng bột - Phương pháp thử, Bộ Khoa học và Công nghệ. [8]. Bansode RR, Losso JN, Marshall WE, Rao EM, Portier RJ, 2003. Adsorption of volatile orfanic compounds by pecanshell and almond shell- based granular activated carbon. Biores Technol 90:175-184. [9]. M. W. T. C. a. J. M. Wartelle LH, 2000. Comparison of nutshell granular activated carbons to commercial adsorbents for the purge-and-trap gas chromatographic analysis of volatile organic compounds. J Chromatogr A 879:169–175.