Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ mùn cưa hoạt hóa bằng KOH và ứng dụng trong xử lý chất màu xanh metylen

INBOX ĐỂ LẤY THÊM FILE ĐÍNH KÈM Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ mùn cưa hoạt hóa bằng KOH và ứng dụng trong xử lý chất màu xanh metylen Năng lượng tái tạo là một vấn đề rất được quan tâm mọi lúc mọi nơi. Việc tìm kiếm và sử dụng nguyên liệu thay thế đang ngày càng được quan tâm. Một nguồn nguyên liệu vừa gần gũi vừa thân thiện với môi trường đó là sinh khối, là vật liệu sinh học từ sự sống, đã và đang trở thành nguồn năng lượng tái tạo lớn của thế giới. Việc sử dụng nguồn nguyên liệu này ngày càng được phát triển vì nó có thể thay thế và làm giảm lượng lớn nguyên liệu hóa thạch bị tiêu thụ. Mùn cưa là nguồn sinh khối phổ biến, là nguồn nguyên liệu để chế tạo than hoạt tính ứng dụng trong các lĩnh vực năng lượng và môi trường. Để ứng dụng được trong đời sống đòi hỏi than hoạt tính chế tạo được phải có diện tích bề mặt cao, phương pháp chế tạo đơn giản. Vì vậy, nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ mùn cưa bằng một bước hoạt hóa đơn giản bằng KOH được cho là thích hợp trong bối cảnh hiện nay. Hướng nghiên cứu này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ và thời gian hoạt hóa đến diện tích bề mặt của than hoạt tính được nghiên cứu trong đề tài này. Ngoài ra đề tài còn khảo sát khả năng ứng dụng than hoạt tính từ mùn cưa trong xử lý môi trường, đặc biệt là thuốc nhuộm hữu cơ. Các thông số của than hoạt tính từ mùn cưa (sAC) được xác định bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ FTIR và đo diện tích bề mặt BET. Kết quả cho thấy than hoạt tính chế tạo được có cấu trúc xốp, các lỗ mao quản là khá lớn. Khả năng loại bỏ Xanh metylen (MB) có hiệu quả cao, chỉ trong thời gian ngắn khoảng 1 phút đã có thể loại bỏ gần 100% lượng MB nồng độ 10mgL. Và pH dung dịch hầu như không ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ MB của than hoạt tính. Các nghiên cứu ảnh hưởng của Ph dung dịch đến hiệu suất loại bỏ MB cho thấy rằng than hoạt tính hấp phụ hơn 95% MB trong tất cả các pH khác nhau của dung dịch ở nhiệt độ phòng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ mùn cưa hoạt hóa

bằng KOH và ứng dụng trong xử lý chất màu xanh

metylen

PHAN THỊ VÂN ANH

Anh.ptv160204@sis.hust.edu.vn

Ngành Kỹ thuật Hóa học Chuyên ngành Công nghệ các hợp chất vô cơ

Hà Nội,7/2021

_ Chữ ký của GVHD

Giảng viên hướng dẫn: TS Huỳnh Thu Sương

-o0o -NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU TỐT NGHIỆP

1 Thông tin về sinh viên

Họ và tên sinh viên: Phan Thị Vân Anh

Điện thoại liên lạc: 0362866655 Email: anh.ptv160204@sis.hust.edu.vnLớp: KTHH03 – K61 Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệcác chất Vô cơ, Viện Kỹ thuật Hóa Học, Đại học Bách Khoa Hà Nội

2 Mục đích nội dung của ĐATN:

Chế tạo than hoạt tính từ mùn cưa hoạt hóa bằng KOH

Khảo sát khả năng xử lý chất màu xanh metylen của than hoạt tính từ mùncưa

3 Các nhiệm vụ cụ thể của ĐATN:

Khảo sát các ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian hoạt hóa đến việc chế tạothan hoạt tính từ mùn cưa

Khảo sát các ảnh hưởng của lượng than hoạt tính sử dung, thời gian hấpphụ, pH của dung dịch xanh metylen, nồng độ dung dịch xanh metylen đến hiệuquả hấp phụ của than hoạt tính

4 Lời cam đoan của sinh viên:

Tôi – Phan Thị Vân Anh - cam kết ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Huỳnh Thu Sương

Các kết quả nêu trong ĐATN là trung thực, không phải là sao chép toàn văncủa bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 23 tháng 7 năm 2021

Tác giả ĐATN

Phan Thị Vân Anh

5 Thời gian làm ĐATN: Từ tháng 3/2021 đến tháng 7/2021.

Hà Nội, ngày 23 tháng 7 năm 2021 Trưởng bộ môn Giáo viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn cô Huỳnh Thu Sương đã trực tiếp hướngdẫn, định hướng khoa học và thúc đẩy em trong quá trình thực hiện đồ án Trongthời gian làm việc với cô, em đã được tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích, kinhnghiệm nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những yếu tố rất cầnthiết cho em trong quá trình học tập và làm việc sau này

Tiếp theo em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy côgiáo trong bộ môn Công nghệ các chất vô cơ đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cáckiến thức, kinh nghiệm học tập cũng như thực tế cho em trong suốt thời gian qua

Đặc biệt em muốn gửi lời cảm ơn đến thầy Lã Đức Dương, thầy đangcông tác tại Viện Hóa Học – Vật Liệu Thầy đã luôn dành thời gian cũng nhưcông sức để hướng dẫn em trong suốt quá trình là đồ án tốt nghiệp

Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô, gia đình, bạn bè đã độngviên, giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Năng lượng tái tạo là một vấn đề rất được quan tâm mọi lúc mọi nơi Việctìm kiếm và sử dụng nguyên liệu thay thế đang ngày càng được quan tâm Mộtnguồn nguyên liệu vừa gần gũi vừa thân thiện với môi trường đó là sinh khối, làvật liệu sinh học từ sự sống, đã và đang trở thành nguồn năng lượng tái tạo lớncủa thế giới Việc sử dụng nguồn nguyên liệu này ngày càng được phát triển vì

nó có thể thay thế và làm giảm lượng lớn nguyên liệu hóa thạch bị tiêu thụ

Mùn cưa là nguồn sinh khối phổ biến, là nguồn nguyên liệu để chế tạothan hoạt tính ứng dụng trong các lĩnh vực năng lượng và môi trường Để ứngdụng được trong đời sống đòi hỏi than hoạt tính chế tạo được phải có diện tích bềmặt cao, phương pháp chế tạo đơn giản

Vì vậy, nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ mùn cưa bằng một bước hoạthóa đơn giản bằng KOH được cho là thích hợp trong bối cảnh hiện nay Hướngnghiên cứu này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Các yếu tố ảnh hưởng nhưnhiệt độ và thời gian hoạt hóa đến diện tích bề mặt của than hoạt tính đượcnghiên cứu trong đề tài này Ngoài ra đề tài còn khảo sát khả năng ứng dụng thanhoạt tính từ mùn cưa trong xử lý môi trường, đặc biệt là thuốc nhuộm hữu cơ

Các thông số của than hoạt tính từ mùn cưa (sAC) được xác định bằngkính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ FTIR và đodiện tích bề mặt BET Kết quả cho thấy than hoạt tính chế tạo được có cấu trúcxốp, các lỗ mao quản là khá lớn Khả năng loại bỏ Xanh metylen (MB) có hiệuquả cao, chỉ trong thời gian ngắn khoảng 1 phút đã có thể loại bỏ gần 100%lượng MB nồng độ 10mg/L Và pH dung dịch hầu như không ảnh hưởng đến khảnăng loại bỏ MB của than hoạt tính Các nghiên cứu ảnh hưởng của Ph dung dịchđến hiệu suất loại bỏ MB cho thấy rằng than hoạt tính hấp phụ hơn 95% MBtrong tất cả các pH khác nhau của dung dịch ở nhiệt độ phòng

Nội dung các phần nghiên cứu:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Hà Nội, ngày 23 tháng 07 năm 2021

Sinh viên thực hiệnPhan Thị Vân Anh

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tìm hiểu về than hoạt tính 1

1.1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.2 Cấu trúc than hoạt tính 3

1.1.3 Phân loại than hoạt tính 7

1.1.4 Nguyên liệu sản xuất than hoạt tính 8

1.1.5 Phương pháp sản xuất than hoạt tính 9

1.1.6 Ứng dụng của than hoạt tính 13

1.2 Giới thiệu chung về mùn cưa 15

1.2.1 Thành phần của mùn cưa 15

1.2.2 Ứng dụng của mùn cưa hiện nay 16

1.3 Tìm hiểu về xanh metylen 17

1.3.1 Giới thiệu chung về xanh metylen 17

1.3.2 Tính chất của xanh metylen 18

1.3.3 Ứng dụng của xanh metylen 19

1.3.4 Tình hình nghiên cứu và xử lý MB bằng than hoạt tính 19

1.4 Hấp phụ 19

1.4.1 Các khái niệm hấp phụ 19

1.4.2 Dung lượng hấp phụ cân bằng và hiệu suất hấp phụ 20

1.4.3 Hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học 21

1.4.4 Hấp phụ trong môi trường nước 21

1.4.5 Cân bằng hấp phụ 22

1.4.6 Cơ chế hấp phụ trên vật liệu cấu trúc lỗ xốp 25

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Nguyên liệu, hoá chất và thiết bị nghiên cứu 26

2.1.1 Nguyên liệu 26

2.1.2 Hoá chất và dụng cụ thí nghiệm 26

2.1.3 Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 26

2.2 Phương pháp nghiên cứu 26

2.2.1 Phương pháp chế tạo than hoạt tính 26

2.2.2 Phương pháp xác định chỉ số iod của than hoạt tính 27

2.2.3 Máy quang phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis) 28

2.3 Phương pháp phân tích vật liệu 29

2.3.1 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 29

2.3.2 Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng của vật liệu (BET) 30 2.3.3 Phương pháp phổ hồng ngoại (IR) 30

2.3.4 Phương pháp phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X (XRD) 30

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31

3.1 Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến đặc tính của than hoạt tính 31

3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa 31

3.1.2 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa 32

3.2 Kết quả đo XRD 33

3.3 Kết quả đo SEM 33

3.4 Kết quả đo FT-IR 34

3.5 Kết quả đo BET 34

3.6 Khảo sát khả năng xử lý MB của than hoạt tính chế tạo từ mùn cưa 35

3.6.1 Xây dựng đường chuẩn của MB 35

3.6.2 Ảnh hưởng của lượng than hoạt tính đến độ hấp phụ MB 36

3.6.3 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến độ hấp phụ MB 37

3.6.4 Ảnh hưởng của pH dung dịch đến khả năng hấp phụ MB 38

3.6.5 Ảnh hưởng của nồng độ đến độ hấp phụ MB 39

KẾT LUẬN 42

YÊU CẦU KIẾN NGHỊ 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Than hoạt tính 1

Hình 1.2 Mao quản trong vật liệu cấu trúc xốp 3

Hình 1.3 Cấu trúc lớp của graphite 4

Hình 1.4 Cấu trúc một số oxit trên bề mặt than hoạt tính: (a) carboxyllc acid (b) phenollc hydroxyl (c) qulnone-type carbonyl groups (d) nonnal lactone (e) fluoreaceln-type lactones (t) carboxyllc acid anhydride(g) cycllc peroxides 5

Hình 1.5 Sơ đồ sản xuất than hoạt tính đi từ nguyên liệu chưa than hóa 12

Hình 1.6 Sơ đồ sản xuất than hoạt tính từ nguyên liệu than hóa 12

Hình 1.7 Hình ảnh mùn cưa 15

Hình 1.8 Công thức cấu tạo xanh metylen 17

Hình 1.9 Xanh Methylen 18

Hình 1.10 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 23

Hình 1.11 Sự phụ thuộc của Cs/q và Cs 23

HÌnh 1.12 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 24

Hình 1.13 Đồ thị sự phụ thuộc Log(q) và log(C) 25

Hình 1.14 Cơ chế hấp phụ hệ rắn – khí (lỏng) 25

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình chế tạo than hoạt tính từ mùn cưa 27

Hình 3.1 Sự phụ thuộc của chỉ số iod của than hoạt tính vào nhiệt độ hoạt hóa 31

Hình 3.2 Sự phụ thuộc của chỉ số iod của than hoạt tính vào thời gian hoạt hóa.32 Hình 3.3 Mẫu XRD của than hoạt tính 33

Hình 3.4 Kết quả đo SEM của than hoạt tính 34

Hình 3.5 Phổ FTIR của than hoạt tính 34

Hình 3.6 Biểu đồ diện tích bề mặt BET của than hoạt tính mùn cưa 35

Hình 3.7 Đồ thị đường chuẩn của Xanh metylen 35

Hình 3.8 Dung dịch MB trước và sau khi hấp phụ bằng than hoạt tính chế tạo từ mùn cưa với các lượng than khác nhau 36

Hình 3.9 Đồ thị đo UV-Vis của dung dịch MB trước và sau xử lý 36

Hình 3.10 Ảnh hưởng của lượng than hoạt tính đến hiệu suất hấp phụ MB 37

Hình 3.11 Dung dịch MB trước và sau khi hấp phụ bằng than hoạt tính chế tạo từ mùn cưa với các thời gian khác nhau 37

Hình 3.12 Đồ thị đo UV-Vis của dung dịch MB trước và sau xử lý 38

Hình 3.13 Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến hiệu suất hấp phụ MB 38

Hình 3.14 Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu suất hấp phụ MB 39

Hình 3.15 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch đến hiệu suất hấp phụ MB của than hoạt tính 40

Hình 3.16 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir đối với MB 40

Hình 3.17 Đường đẳng nhiệt Freundlich đối với MB 41

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần than hoạt tính 3Bảng 1.2 Đường kính các phân tử chất bị hấp phụ phổ biến 4Bảng 1.3 Các thông số vật lý của than hoạt tính 5Bảng 3.1 Sự phụ thuộc của chỉ số iod của than hoạt tính vào nhiệt độ hoạt hóa 31Bảng 3.2 Sự phụ thuộc của chỉ số iod của than hoạt tính vào thời gian hoạt hóa 32Bảng 3.3 Sự phụ thuộc của hiệu suất hấp phụ MB vào pH của dung dịch 39Bảng 3.4 Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ và hiệu suất hấp phụ MB vàonồng độ dung dịch 40

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

STT Từ viết tắt Tên gọi đầy đủ

1 sAC Sawdust activated carbon (Than hoạt tính từ mùn cưa)

2 SEM Scanning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử

quét)

3 XRD X – ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)

4 FTIR Fourier Transform Infrared Spectroscopy (Phổ hồng

ngoại biến đổi Fourie)

MỞ ĐẦU

Trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như thực phẩm, dệt, da giày, giấy

và dược phẩm thì vai trò của các hợp chất tạo màu tổng hợp không thểphủ nhận được Tuy nhiên, vấn đề quan ngại nhất đó là những chất tạomàu này (thuốc nhuộm hữu cơ) có độc tính cao do đặc tính không phânhủy sinh học và có thể gây ung thư, đe dọa đến sức khỏe con người, môitrường

Xanh metylen (MB) là một loại chất màu, thuốc nhuộm hữu cơ kháphổ biến, được sử dụng rộng rãi trong các ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ,sản xuất mực in, ngoài ra MB còn được sử dụng hiệu quả trong việc chữabệnh máu nâu, hay là dùng để xử lý nấm trên nhiều loài cá Mặc dù manglại nhiều lợi ích nhưng do MB chứa nito, lưu huỳnh trong dị vòng nên khóphân hủy bởi các vi sinh vật, gây ảnh hưởng đến đời sống của các sinhvật Không được liệt kê vào nhóm có độc tính cao, nhưng xanh metylen cóthể gây tổn thương tạm thời da và mắt trên người và động vật

Hiện nay, dễ dàng tìm thấy MB có chứa trong nước thải một số nhàmáy, cơ sở sản xuất; điều này gây ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống vàmôi trường Do đó, việc xử lý MB ra khỏi nước thải trước khi thải ra môitrường là điều cần thiết Có khá nhiều phương pháp được sử dụng để loại

bỏ MB ra khỏi nước thải như: trao đổi ion, tách chiết, keo tụ, kết tủa hóahọc, hấp phụ Gần đây, có rất nhiều hướng nghiên cứu và phát triển vậtliệu hấp phụ có diện tích bề mặt cao, có thể kể đến đó là than hoạt tính.Trong những năm gần đây, xu hướng sử dụng các loại phế thải nôngnghiêp để chế tạo vật liệu hấp phụ rất phát triển Nguồn nguyên liệu này

có sẵn, dễ tìm kiếm, lại thân thiện với môi trường Vật liệu hấp phụ đượcchế tạo từ những nguồn nguyên liệu này có khả năng tái sử dụng cao, quytrình xử lí đơn giản

Xuất phát từ những lí do trên, em lựa chọn đề tài ”Nghiên cứu chếtạo than hoạt tính từ mùn cưa hoạt hóa bằng KOH và ứng dụng trong xử

lý chất màu xanh metylen”, dưới sự hướng dẫn của TS Lã Đức Dương,Viện Hóa Học – Vật Liệu và TS Huỳnh Thu Sương, Viện Kỹ Thuật HóaHọc

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tìm hiểu về than hoạt tính

1.1.1 Giới thiệu chung

a, Khái nhiệm than hoạt tính

Than hoạt tính là một họ vật liệu carbon đặc biệt: được tạo thành từcarbon (C), có cấu trúc mạng vô định hình và vi tinh thể chứa bên trongmột hệ thống mao quản khá phát triển, có diện tích bề mặt riêng khá lớn(hàng trăm đến hàng nghìn m2/g), có nhiều nhóm chức hóa học trên bềmặt và trên thành mao quản Do đó, than hoạt tính là vật liệu có khả nănghấp phụ tốt đối với các chất bị hấp phụ trong pha khí, hơi và chất lỏng,đặc biệt đối với các hợp chất hữu cơ [1,2]

Hình 1.1 Than hoạt tính

Các dạng sản phẩm thương mại chính của than hoạt tính là dạng hạt,dạng bột, ép đùn và sợi Than hoạt tính được sản xuất với tổng sản lượnglớn nhất và quy mô công nghiệp lớn nhất ở nước Mỹ Sau đó than hoạttính được biết đến các nước phương tây, châu á và các châu lục khác.Ngày nay trong cuộc sống của chúng ta có rất nhiều sản phẩm ứng dụngthan hoạt tính mà trong mỗi gia đình đều có sử dụng Như máy lọc nước,máy hút khói khử mùi bếp, lọc khử mùi máy lạnh, ngay trong một số sảnphẩm làm đẹp cũng có than hoạt tính

b, Lịch sử hình thành và phát triển của than hoạt tính

Than gỗ (carbonized wood) đã được sử dụng với mục đích hấp phụtrong tinh lọc thức ăn, thức uống bởi người Ai Cập vào những năm 1.500trước Công nguyên Cũng có nhiều bằng chứng cho thấy người Hinđu cổđại đã biết sử dụng than để lọc nước uống Đến thế kỷ 17, than hoạt tínhđược phát hiện khi công nhân nhà máy dệt nhuộm đã đổ nhầm tro đen vào

bể nước thải nhuộm Sáng hôm sau, nước trong bể mất màu hoàn toàn.Hiện tượng này được các kỹ thuật viên nhà máy nhuộm quan tâm và sau

đó được thông tin trên báo chí Nhiều nhà khoa học để ý tới hiện tượngnày và họ bắt đầu quan tâm nghiên cứu [1,2].

Năm 1773, Scheele phát hiện ra trong tro đen còn có một lượng thanchưa cháy hết Chính các hạt than nhỏ này đã làm mất màu của dung dịchthuốc nhuộm, ông gọi đó là hiện tượng tẩy màu Sau đó, Scheele trộn bột

chất như vôi, xút, clorua kẽm, carbonat magie, axít phosphoric , đem

dụng để sản xuất than hoạt tính sau này [2]

Ngày 22/04/1915, trong đại chiến thế giới lần thứ nhất, quân Đức

cho quân đội [18]

Năm 1935, chiếc mặt nạ phòng hơi độc tính cao (sarin, soman,yperit) ra đời sử dụng than hoạt tính dạng ép viên và tẩm xúc tác là cácoxít kim loại hoạt động (Cu, Cr, Ag) Thời gian này (1920-1939), hàngloạt các mặt nạ phòng độc ra đời ở châu Âu và Mỹ với nguyên liệu chủyếu là than hoạt tính

Cùng với việc nghiên cứu chế tạo than hoạt tính, các phương phápthí nghiệm đo đạc xác định tính chất của than hoạt tính cũng ra đời như:phương pháp hấp phụ động lực, phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt chânkhông - cân Markbell, Nova, Asap, Autopore vv, nhằm xác định cácthông số cấu trúc tạo điều kiện cho việc nghiên cứu điều chỉnh công nghệchế tạo than hoạt tính chất lượng cao [18].

Ngày nay, đã được sử dụng rộng rãi hầu khắp mọi lĩnh vực khoa

nước, xử lý khí thải và khắc phục hậu quả chất thải nguy hại

1.1.2 Cấu trúc than hoạt tính

1.1.2.1 Cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính

Than hoạt tính là một loại vật liệu cấu trúc lỗ xốp (có nhiều maoquản) có

diện tích bề mặt lớn mà thành phần chủ yếu là cacbon Thành phần của than hoạt tính có thể chỉ ra dưới bảng sau:[1]

Bảng 1.1 Thành phần than hoạt tính

STT Tên nguyên tố Thành phần % khối lượng

Dựa vào đường kính mao quản trung bình người ta chia làm 3 loại: + Mao quản nhỏ : 0,4 – 2 nm

+ Mao quản trung bình : 2 – 50 nm

+ Mao quản lớn : >50 nm

Trong đó các mao quản nhỏ chiếm phần lớn diện tích bề mặt thanhoạt tính Ta có thể thấy rằng dọc theo chiều dài của mao quản khi đi từ bềmặt vật liệu vào trong thì đường kính mao quản nhỏ dần Chính điều nàyảnh hường đến tính chất hấp phụ của vật liệu xốp Các phân tử có kíchthước bằng với kích thước mao quản trung bình chỉ có thể đi vào mộtđoạn của mao quản đó, còn đối với các phân tử có kích thước bé hơn sẽ đivào sâu hơn Vậy trong quá trình hấp phụ liệu phân tử có thể khuếch tánvào sâu bên trong chất hấp phụ đượn hay không là phụ thuộc vào kíchthước của chúng, Đường kính phân tử của một số hợp chất hữu cơ, vô cơthường được hấp phụ trong công nghiệp được cho ra ở Bảng 1.2 [16]

Bảng 1.2 Đường kính các phân tử chất bị hấp phụ phổ biến

Tên phân tử Đường kính (nm)

Hình 1.2 Mao quản trong vật liệu cấu trúc

xốp

1.1.2.2 Cấu trúc hóa học và tính chất của than hoạt tính

Theo tài liệu [20] người ta cho rằng cấu trúc của than hoạt tính giốngvới graphite như hình 1.3

Hình 1.3 Cấu trúc lớp của graphite

Hình 1.3 cho thấy cấu trúc graphite bao gồm nhiều lớp – các hình lụcgiác với các đỉnh là cacbon – được giữ cách nhau 0,364 nm bởi lựcVander Waals sao cho nguyên tử cacbon ở lớp bên trên nằm trên tâm củavòng cacbon sáu cạnh lớp bên dưới Mạng tinh thể của graphite thuộc loạiABAB Mặt khác trong các vòng cacbon sáu cạnh, có một số nguyên tửcacbon bị phân tách để chừa ra chỗ trống làm cho vòng bị hở Cứ như thếcác lớp chồng xếp lên nhau có các vòng cacbon sáu cạnh bị hở sẽ tạo nên

những mao quản Do không hoàn hảo về mặt cấu trúc nên có nhiều phảnứng hóa học xảy ra với các nguyên tố cacbon ở phần rìa vòng sáu cạnh bị

hở, và kết quả là các nhóm chức chứa oxy có mặt trên bề mặt than hoạttính được mô tả ở Hình 1.4

Các nhóm chức này sẽ làm ảnh hưởng đến đặc tính bề mặt than hoạttính cụ thể như tính hút ẩm, tính phân cực, tính axit, tính chất hóa lý

1.1.2.3 Tính chất vật lý

Bảng 1.3 Các thông số vật lý của than hoạt tính

Than hoạt tính màu đen không mùi không vị Than hoạt tính chủ yếuđược sử dụng trong quá trình hấp phụ nên ta quan tâm đến những thông sốvật lý của vật liệu hấp phụ đối với cacbon [16]

Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính được đo bằng m²/g và làmột thông số hết sức quan trọng đối với than, cho biết khả năng hấp phụcủa than hoạt tính 95% diện tích bề mặt riêng của than là diện tích của

Hình 1.4 Cấu trúc một số oxit trên bề mặt than hoạt tính: (a) carboxyllc acid (b) phenollc hydroxyl (c) qulnone-type carbonyl groups (d) nonnal lactone (e) fluoreaceln-type lactones (t) carboxyllc acid anhydride(g) cycllc peroxides.

những lỗ xốp micro Những lỗ xốp meso có diện tích bề mặt chiếm khôngquá 5% tổng diện tích bề mặt của than Những lỗ xốp kích thước lớnkhông có nhiều ý nghĩa trong hoạt tính của than vì diện tích bề mặt riêngcủa chúng không đáng kể Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính rất lớnvào khoảng 1000 – 1500 m2/g nhưng cũng có tài liệu cho rằng việc đodiện tích bề mặt riêng than họa tính đi từ các nguồn nguyên liệu và cácphương pháp khác nhau có thể đạt tới 2500 m2/g [19].

Ngoài những thông số cơ bản trên ta cần quan tâm đến những thông số hấp phụkhác như:

+ Phân bố kích thước hạt: Kích thước hạt ảnh hưởng lớn đến khảnăng tiếp cận của chất được hấp phụ tới bền mặt của than Kích thướccàng nhỏ thì khả năng tiếp cập càng dễ và quá trình hấp phụ diễn ra càngnhanh Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi hấp phụ trong hệ khí có áp suấtthấp Tính toán kỹ được phân bố kích thước hạt giúp chúng ta có thể chọnlựa được những thông số áp suất tối ưu để giảm thiểu tối đa mức tiêu thụnăng lượng

+ Chỉ số Iot: Đây là một chỉ số cơ bản của than hoạt tính đặc trưngcho diện tích bề mặt của lỗ xốp cũng như khả năng hấp phụ của than Chỉ

số iot được tính bằng khối lượng iot có thể được hấp phụ bởi một đơn vịkhối lượng của than (mg/g) Nguyên lý của phương pháp đo dựa trên sựhấp phụ lớp đơn phân tử iot trên bề mặt của than Chỉ số iot càng lớn thìmức độ hoạt hóa càng cao Giá trị của chỉ số iot rơi vào khoảng 500–

1200 mg/g Từ giá trị của chỉ số iot có thể tính ra được diện tích bề mặtriêng của than

+ Độ cứng: Là khả năng chống chịu mài mòn của than hoạt tính.Đây là một thông số quan trọng bởi vì trong quá trình sử dụng, than hoạttính còn phải chịu những tác động vật lý như: bị đặt dưới dòng chảy lỏnghoặc khí, dưới tác động của áp suất, do đó than cần phải đảm bảo đượcnhững yếu tố về độ cứng nhằm giữ được nguyên vẹn cấu trúc trong quátrình sử dụng và phục hồi Độ cứng của than phụ thuộc rất nhiều vàonguyên liệu đầu vào cũng như mức độ quá trình hoạt hóa

1.1.2.4 Tính chất hóa học

Than hoạt tính không chỉ chứa cacbon, mà còn những lượng nhỏoxy, nito, lưu huỳnh và hydro, được liên kết hóa học trong dạng các nhómchức đa dạng, như cacbonyl, cacboxyl, phenol, este vòng, và các nhómchức khác Các oxit bề mặt này đôi khi bắt nguồn từ nguyên liệu thô hoặcchúng có thể được hình thành trong hoặc sau quá trình hoạt hóa bởi tácđộng của không khí hoặc hơi nước Chúng thường có đặc tính axit (ít khi

có tính kiềm), và chúng mang lại cho than hoạt tính đặc tính của một chấtrắn mang tính axit hay kiềm Dưới các điều kiện thích hợp, các hợp chất

sunfua và cacbon clorua có thể được hình thành Các tính chất hóa học bềmặt này đóng một vai trò quan trọng trong hấp phụ và xúc tác.

Tất cả các nguyên liệu thô sử dụng để sản xuất than hoạt tính chứacác thành phần khoáng mà tập trung trong quá trình hoạt hóa Ngoài ra,các chất vô cơ sử dụng trong hoạt hóa hóa học thường không loại bỏ triệt

để Hàm lượng tro trong nhiều sản phẩm được làm giảm bằng việc rửanước hoặc rửa axit Do đó, các sản phẩm thương mại chứa vài phần trăm(ppm) đến 20% tro Thành phần chính của tro là các muối của các kim loạikiềm và kiềm thổ, hầu hết là các muối cacbonat và photphat, cùng với cácoxit silic, oxit sắt và oxit nhôm

1.1.3 Phân loại than hoạt tính

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại than hoạt tính khác nhau vàchủ yếu được phân chia dựa vào: hình dáng bên ngoài, mục đích sử dụng,cấu trúc xốp [1]

a, Phân loại theo hình dáng bên ngoài của than hoạt tính

Có nhiều cách để phân loại than hoạt tính Cách đơn giản nhất theoMisec là phân loại theo hình dáng bên ngoài của nó Theo cách này thanhoạt tính được phân thành hai nhóm:

+ Than bột

Nhóm này gồm than tẩy màu và than y tế Vì độ khuếch tán trongdung dịch nhỏ nên quá trình hấp phụ xảy ra trong dung dịch rất chậm Đểtăng cường độ thiết lập cân bằng hấp phụ than được nghiền thành bột mịn + Than hạt

Than hạt chủ yếu được dùng trong hấp phụ khí và hơi, vì vậy còn cótên gọi là than khí Đôi khi than hạt cũng được dùng trong môi trườnglỏng, 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 Thanhạt dạng trụ hoàn chỉnh được chế tạo theo quy trình phức tạp hơn Nguyênliệu được chuẩn bị ở dạng vữa, ép vữa thành sợi và cắt thành hạt rồi tiếptục các bước sản xuất khác

b, Phân loại theo mục đích sử dụng của than hoạt tính

+ Than tẩy màu

Đây là nhóm cơ bản, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành côngnghiệp để tẩy màu dung dịch Ở đây, than hấp phụ chất bẩn có màu Kíchthước phân tử chất màu thay đổi trong phạm vi rộng từ dạng phân tửthông thường tới dạng lớn và tới các tiểu phân có độ phân tán keo Thantẩy màu còn gồm than kiềm, than axit và than trung tính,thường đượcdùng ở dạng bột mịn có kích thước hạt khoảng 80 - 100 pm

+ 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 dạng tẩy màu, chỉ khác là có độ sạch cao.Trongquá trình sản xuất không nên sử dụng những chất tẩm độc cation như thiếc, đồng, thủy ngân,…

+ Than hấp phụ

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 ứngdụng rộng rãi trong công nghệ dầu mỏ để làm sạch các chất thơm, khôngkhí, để làm sạch nước Than được sản xuất dưới dạng mảnh hay hạt địnhhình với kích thước tùy thuộc vào mục đích sử dụng

c, Phân loại theo cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính

+ Than hoạt tính hấp phụ khí

Dùng cho hấp phụ khí, hơi và các chất dễ bay hơi Dạng than nàythuộc chất hấp phụ có cấu trúc xốp nhỏ loại I Đặc trưng cấu trúc của dạngthan này là khi tăng thể tích hấp phụ trong lỗ xốp nhỏ làm dễ dàng cho sựhấp phụ đẳng nhiệt

+ Than hoạt tính thu hồi

Dùng hấp phụ hơi các dung môi công nghiệp nhằm thu hồi và đưachúng trở lại chu trình sản xuất Dạng than này thuộc chất hấp phụ có cấutrúc hỗn tạp Dung tích hấp phụ lớn nhưng khả năng lưu giữ chất bị hấpphụ thấp, nhất là trong điều kiện khử hấp phụ bằng hơi quá nhiệt

+ 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 cómặt trong pha lỏng Khi cần hấp phụ các chất có phân tử nhỏ khỏi dungdịch thì dùng than có cấu trúc loại I Sự phân loại than hoạt tính giúpchúng ta có định hướng dễ dàng trong sản xuất và trong việc tìm loại thanthích 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

1.1.4 Nguyên liệu sản xuất than hoạt tính

Nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính là những nguyên liệu có hàmlượng cacbon cao nhưng lại chưa ít các thành phần vô cơ khác như gỗ,than non, than bùn than đá… Bên cạnh đó, rất nhiều loại chất thải nôngnghiệp như vỏ trấu, vỏ dừa cũng có thể chuyển thành than hoạt tính bởinguồn nguyên liệu này có sẵn, hàm lượng các bon cao và các thành phần

vô cơ thấp [1,2]

Có thể chia nguyên liệu thành ba nhóm sau:

+ Nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật: như các loại gỗ cây, cácloại quả, sọ dừa, gỗ, mạt cưa, tre, luồng: Đây là những nguyên liệu từ thựcvật có chứa một lượng lớn carbon và là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuấtthan hoạt tính Không chỉ vậy, đối với các thành phần như trấu (Như hạtcủa hạt), vỏ đậu phộng, vỏ dừa (Như vỏ dừa) đều là những vật liệu bị loại

bỏ, khi được tái sử dụng để sản xuất than hoạt tính sẽ tạo thêm thu nhậpcho nông dân, giảm ô nhiễm môi trường

+ Than: Than đá là một trong những nguyên liệu hóa thạch vớithành phần chính là carbon Than được hình thành bởi các nhà máy bịchôn vùi trong đầm lầy, và trong khoảng 300 triệu năm, các loài cây dầnthay đổi và tạo thành than Bởi vì carbon là thành phần chính, đây lànguồn nguyên liệu thô để sản xuất than hoạt tính

+ Sản phẩm dầu mỏ: Than hoạt tính có thể được sản xuất từ các sảnphẩm dầu mỏ như nhựa đường, ankan, carbon thơm Đây là tất cả các vậtliệu giảu carbon có thể được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào trong sảnxuất than hoạt tính

1.1.5 Phương pháp sản xuất than hoạt tính

a) Than hoá:

Than hoá là quá trình dùng nhiệt để đốt cháy không hoàn toànnguyên liệu ban đầu, nhằm phân hủy các chất hữu cơ dễ bay hơi trongnguyên liệu, đưa nguyên liệu về dạng carbon Các mao quản của than hoạttính được hình thành chủ yếu trong giai đoạn này do sự bay hơi, phân hủycủa các chất dễ bay hơi để lại các lỗ hổng Kích thước mao quản phụthuộc rất nhiều vào bản chất nguyên liệu ban đầu

Để tránh hiện tượng tro hoá, quá trình than hoá phải được thực hiệntrong môi trường khí trơ, trong lò yếm khí hoặc chân không Các điều kiệncông nghệ của quá trình than hóa là nhiệt độ và thời gian phụ thuộc vàonguyên liệu ban đầu và cấu trúc của lò Nhiệt độ than hoá quá cao làm chothan bị trơ khó hoạt hoá; Thời gian than hóa kéo dài lượng mất mát sẽ lớn,hiệu quả than hoá thấp [9,10]

Để tạo môi trường trơ trong giai đoạn than hóa thông thường có cácphương pháp sau:

- Sử dụng khí nitơ: Thiết bị dùng để than hóa được thổi liên tụcdòng khí nitơ Sự có mặt của nitơ sẽ đuổi oxi ra khỏi thế tích phản ứng.Phương pháp này có ưu điểm là hạn chế được sự có mặt của oxi hiệu quảcao và thuận lợi cho quá trình hoạt hóa tiếp theo sau bằng CO2, hơi nước.Nhược điểm của phương pháp này là tiêu tốn nitơ và đắt tiền

- Sử dụng cát (SiO2) hoặc là những hạt sỏi Đây là phương pháp đơngiản, rẽ tiền và dễ tiến hành Cát được phủ lên trên nguyên liệu và chiếmcác không gian trống trong cốc nung nhằm đuối hết oxi và hạn chế sự lưu

thông của oxi trong thế tích phản ứng Tuy nhiên, hạn chế của phươngpháp này là gây trở ngại cho việc hoạt hóa tiếp theo bằng CO2, hơi nước.

- Sử dụng khí CO2 hoặc hơi nước Dùng khí CO2, hơi nước tương tựnhư dùng khí nito, tuy nhiên CO2, hơi nước ngoài vai trò đuổi oxi nó còn

là tác nhân hoạt hóa cho quá trình tạo lỗ xốp và phát triển bề mặt riêng củathan Trong công nghiệp thì phương pháp dùng hơi nước là phổ biến nhấtbởi vì hơi nước là nguồn có sẵn, rẻ tiền không gây ô nhiễm môi trường

b) Hoạt hoá:

Hoạt hoá là quá trình hoàn thiện mạng lưới tinh thể carbon dưới tácdụng nhiệt và tác nhân hoạt hoá, tạo cấu trúc rỗng cho than bằng một hệthống mao quản có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo ra các tâm hoạtđộng trên bề mặt than hoạt tính

Quá trình hoạt hoá bao gồm các phản ứng hoá học không hoàn toàncủa carbon với tác nhân hoạt hoá Có hai phương pháp hoạt hoá chính nhưsau:

- Phương pháp hoạt hoá vật lý:

Hoạt hóa vật lý luôn đi kèm với giai đoạn than hóa, ở nhiệt độ caovật liệu bị đề hyđrat hóa, đồng thời xảy ra quá trình tái cấu trúc bề mặtthan, kết quả làm tăng cấu trúc xốp của bề mặt làm tăng diện tích bề mặtriêng của than Tác nhân hoạt hóa phổ biến là hơi nước và CO2,

Tuy nhiên, tác nhân hoạt hóa CO2, hơi nước ngoài vai trò đuổi oxi,

nó còn là tác nhân hoạt hóa cho quá trình tạo lỗ xốp và phát triển bề mặtriêng của than Trong công nghiệp, phương pháp dùng hơi nước là phổbiến nhất bởi vì hơi nước là nguồn sẵn có, rẻ tiền không gây ô nhiễm môitrường Các phản ứng hoạt hóa chính ứng với tác nhân hoạt hóa khôngkhí, hơi nước và CO2 lần lượt là:

+ Hoạt hoá bằng oxy không khí:

Đây là phản ứng tỏa nhiệt, nhưng cần phải cung cấp nhiệt ban đầu đểkhơi mào phản ứng Trên bề mặt than thường có một số nhóm chức, điềunày thuận lợi cho việc điều chế than oxy hoá Tùy mức độ hoạt hóa, có thểthu được sản phẩm có tính chất bề mặt và phân bố mao quản khác nhau đểdùng trong xử lý khí, tẩy màu hoặc trao đổi ion,

Quá trình hoạt hoá có thể được biểu diễn bằng phương trình:

Cn + O2 = CO + Cn-1 + Q (thiếu oxy)

Cn + O2 = CO2 + Cn-1 + Q (thừa oxy) + Hoạt hoá bằng hơi nước:

Khi nhiệt độ đạt trên 170oC hơi nước có tính oxy hoá, phản ứng hoạthoá than bằng hơi nước xảy ra theo phương trình sau:

Cn + H2O = CO + Cn-1 + H2 - Q (Q = 31000cal/mol)

C + H2O = CO2 + H2

Phản ứng phụ có thể sinh ra CO2 Hydro sinh ra sẽ ức chế quá trìnhphản ứng, vì vậy phương pháp này tạo ra than hoạt tính có mao quản nhỏphát triển

+ Hoạt hoá bằng CO2:Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao và xảy ra theo hai cơ chế:

Hoạt hoá bằng hơi nước và CO2 đòi hỏi phải cấp nhiệt liên tục vì đó

là phản ứng thu nhiệt Sản phẩm khí của phản ứng là CO2 và H2, hỗn hợpkhí này có thể tận dụng lấy nhiệt cấp lại cho lò Vì thế, có thể thiết kế xâydựng lò (lò yên ngựa) không dùng nhiên liệu bên ngoài

- Pương pháp hoạt hóa hoá học

Đây là phương pháp là dùng các hợp chất hoá học dễ phân hủy, như:KOH, ZnCl2, K2CO3, Na2CO3, K2SO4, H3PO4 vv, tẩm hoặc trộn với than,

và gia nhiệt đến nhiệt độ phân hủy Các chất khí bay hơi thoát ra để lại cácchỗ khuyết tật trên bề mặt và trong tinh thể carbon, hoặc bào mòn các maoquản nhỏ thành các mao quản lớn có kích thước mao quản lớn hơn, hoặccác hóa chất xen vào giữa các lớp tinh thể tạo ra các mao quản nhỏ [13].Theo phương pháp này thường sau khi hoạt hóa than hoạt tính sẽ còn dưlại các hợp chất hóa học trên bề mặt, nên than hoạt tính có thể mang tínhaxit hoặc bazơ tùy thuộc vào loại hóa chất dùng trong quá trình hoạt hóa.Việc kích hoạt tiền chất carbon có thể được thực hiện thông quaphương pháp vật lý (hơi nước, không khí hoặc CO2) hoặc kích hoạt hóahọc (chất kích hoạt như ZnCl2, KOH, H3PO4 v.v.) hoặc kết hợp cả hai.Kích hoạt hóa học thường được ưu tiên hơn kích hoạt vật lý vì đây là quátrình xảy ra nhanh hơn với nhiệt độ kích hoạt thấp hơn Hơn nữa, thanhoạt tính được sản xuất thông qua hoạt hóa học thường có diện tích bề mặtriêng cao (như được xác định bằng phương pháp Brunauer-Emmett-Teller,BET), hệ thống mao quản phát triển tốt và năng suất hoạt hoá cao

Trong những năm gần đây, các muối kali, natri như KOH, NaOH và

K2CO3, Na2CO3, đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất than hoạt tínhvới chi phí thấp [13] Nhiều lợi thế của kích hoạt bằng các tác nhân có tính

kiềm đã được đưa ra trong tài liệu Tuy nhiên, cũng có những hạn chế bấtlợi của việc sử dụng tác nhân hoạt hoá là kiềm Trong một số trường hợp,quá trình cacbon hóa bổ sung hoặc bước tiền cacbon hóa được thực hiện

để tạo than trước khi ngâm tẩm hóa chất và kích hoạt

- Theo tài liệu [19] chỉ ra sơ đồ công nghệ sản xuất theo hai dạng nguyênliệu để chế tạo than họat tính như sau:

Dựa vào hình 1.5 cho thấy có 2 con đường đi của nguyên liệu Ởnhánh thứ nhất, khi cho nguyên liệu phối trộn với các chất hoạt hóa coinhư quá trình sản xuất than hoạt tính chỉ gồm 1 giai đoạn duy nhất Saukhi trộn với hóa chất nguyên liệu sẽ được đi ép tạo khuôn phục vụ chohình dạnh thương mại sau cùng Tiến hành hoạt hóa hóa học tại nhiệt độthích hợp Sản phẩm sau phản ứng là than hoạt tính cùng với các chấthóa hóa còn dư Để loại bỏ chất hoạt hóa chúng ta cần rửa nhiều lần vậynên sẽ tiêu tốn một lượng nước rất lớn Sau rửa ta tiến hành sất khô để thusản phẩm Ở nhánh còn lại nguyên liệu sẽ được đem đi than hóa trước ởnhiệt độ thấp rồi mới họa hóa Phương pháp hoạt hóa sử dụng ở đây làhoạt hóa khí từ 500 -900 oC

Hoạt hóa bởi khí

ở 500 – 900oC

Than hóa ở600oCNhiệt độ thấp

Chất hoạt hóaH3PO4,ZnCl2, …

Cacbon hoạt tínhSấy khôRửa nhiều lần

Hoạt hóa hóa học

ở 400 – 700oCTrộn, tạo khuôn

Nguyên liệu chưa thanhóa (mạt gỗ, vỏ hạt, than

bùn, gỗ)

Hình 1.5 Sơ đồ sản xuất than hoạt tính đi từ nguyên liệu chưa than hóa

c, Tái sinh và tái hoạt hóa than hoạt tính

Than hoạt tính sau một thời gian sử dụng sẽ giảm khả năng hấp phụ,

do đó chúng ta phải đi tái sinh Theo tài liệu [1] chỉ ra có 2 cách để tái sinhthan hoạt tính: bằng nhiệt (tái sinh nhiệt) và bằng hơi nước (tái sinh hơinước)

- Tái sinh bằng nhiệt

Tái sinh bằng nhiệt trong công nghiệp được thực hiện theo các bướcsau:

+ Than hoạt tính được sấy khô

+ Sau đó gia nhiệt để carbon hóa các tạp chất chứa trong các maoquản của than hoạt tính

+ Than hoạt tính được hoạt hóa ở khoảng 700 - 1000°C Ở nhiệt độnày các tạp chất sẽ chuyển thành hơi và thoát ra khỏi than hoạt tính Quátrình này được thực hiện trong môi trường yếm khí để đảm bảo rằng thanhoạt tính không bị đốt cháy Bằng cách này, các mao quản sẽ được hìnhthành một lần nữa và than hoạt tính được tái sinh

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 nguyhiểm vì nó có thể cháy Than hoạt tính làm từ gỗ và than bùn cháy ởkhoảng 200°C còn than đá ở khoảng 400°C Than đá vẫn có thể tái sinhtrong lò điện ở khoảng 300 - 350°C nếu muốn

Antraxit

Nguyên liệu than hóa

Hình 1.6 Sơ đồ sản xuất than hoạt tính từ nguyên liệu than hóa

- Tái sinh bằng hơi nước

Tái sinh bằng hơi nước là phương pháp thường được sử dụng trongcông 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 đượcthực hiện từ trên xuống Hơi nước ở 120 - 130°C và than hoạt tính cũngđược làm nóng đến nhiệt độ tương tự Tất cả các tạp chất và rượu tạp bayhơi khỏi các mao quản

+ Cuối cùng than hoạt tính được rửa ngược và sẵn sàng sử dụng lại

1.1.6 Ứng dụng của than hoạt tính

a, Ứng dụng trong xử lý môi trường

Than hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước ăn uống doviệc ô nhiễm nguồn nước ngầm hiện nay đang lan rộng và rất khó kiểmsoát Vì vậy, hầu như tất cả thiết bị xử lý nước, từ các thiết bị nhỏ lẻ đếncác nhà máy nước đều phải sử dụng than hoạt tính Than hoạt tính cònđược dùng để làm sạch dầu tràn, làm sạch không khí và giữ tạp chất hữu

cơ không bay hơi từ màu vẽ, lọc khô, bay hơi xăng và những quá trìnhkhác [3]

Than hoạt tính còn được dùng để hấp phụ chất phóng xạ trong môitrường khí, môi trường nước, được biết qua một số công trình nghiên cứu,đạt hiệu suất lên đến 90% Trong sản xuất chế biến thuốc bảo vệ thực vật,

do tính ưu việt của than hoạt tính là hấp phụ mạnh các chất hữu cơ loạinày, nên than hoạt tính cũng được sử dụng trong các hệ thống xử lý loạinước thải cho mục đích này [4]

Sử dụng than hoạt tính có thể làm làm chất mang, chất phân tán cáchoá chất bảo vệ thực vật, bằng cách hấp phụ lên than rồi đem sử dụng sẽlàm tăng hiệu quả đáng kể do tính phân tán tốt, phân huỷ chậm của thuốcbảo vệ thực vật trên than

Công trình xử lý nước lũ lụt thành nước sinh hoạt cũng sử dụng than hoạt tính kếthợp với các chất sa lắng làm sạch nước Công trình này của Viện Hóa học Quân

sự đã được giải thưởng VIFOTEC năm 2000

b, Ứng dụng trong quân sự

Hiện nay các trang thiết bị bảo vệ sự sống và duy trì sức chiến đấucho con người trong chiến tranh có sử dụng vũ khí của quân đội tất cả cácnước trên thế giới đều được trang bị mặt nạ phòng hơi độc Nguyên liệuchính để sản xuất các hộp lọc hơi khí độc không thể thiếu than hoạt tính.Người ta có thể sử dụng than hoạt tính hoặc than hoạt tính tẩm xúc tác đểlọc hơi khí độc có độc tính cao như: chất độc thần kinh; chất độc tâm thần;chất độc kích thích; chất độc loét da; và hơi khí độc công nghiệp Ngoài

mặt nạ phòng độc cho cá nhân, người ta còn sản xuất các hộp lọc tập thểtrang bị cho cho xe tăng, tàu thủy, tàu hỏa, hầm ngầm (sở chỉ huy)…Một số công trình nghiên cứu gần đây đã sử dụng than hoạt tính siêumịn có kích thước hạt ~ 4 - 5 µm kết hợp với các phụ gia và keo tạo thànhvật liệu composite dạng tấm phủ có độ dày mỏng khác nhau Trong vậtliệu hấp phụ rada, người ta chia nhỏ thành nhiều lớp, có lớp than hoạt tínhsiêu mịn xốp, để làm sao sóng rada qua các lớp hấp phụ yếu dần rồi dẫnđến triệt tiêu [4].

Trong nước, than hoạt tính siêu mịn được sử dụng để sản xuất baotiêu độc TCN-10 dùng tiêu độc cho da trong dự án TBH-08 của Binhchủng Hóa học Trong lĩnh vực phòng hóa, than hoạt tính siêu mịn có thểđược tẩm phủ lên vải để chế tạo quần áo phòng da dạng hấp phụ Thanhoạt tính được sử dụng như là vật liệu hấp phụ chuyên dụng, có hiệu quả

xử lý các nguồn nước thải ở các cơ sở sản xuất gia công vật liệu nổ quốcphòng Nguồn nước thải này chủ yếu nhiễm các hợp chất nổ như TNT,DNT, RDX, NG, được hấp phụ bằng than hoạt tính Sau đó sử dụngphương pháp thiêu đốt để phân hủy thuốc nổ và tái sinh than hoạt tính.Giải pháp hấp phụ sử dụng than hoạt tính kết hợp giải pháp hóa học, sinhhọc đã được triển khai xử lý nước thải ở các nhà máy Z121, Z113,Z131, thuộc TCCNQP [18]

c, Ứng dụng trong y học

Ngày nay, các công ty sản xuất than hoạt tính sử dụng tiền chấtcarbon như than bùn, than bitum, than non, than gỗ, vỏ dừa sau khi hoạthóa vật lý với hơi nước và hoạt hóa hóa học, được nghiền nhỏ đến kíchthước siêu mịn Những sản phẩm này được ứng dụng cho lĩnh vực y tế đểgiải độc cho hệ tiêu hóa, lọc máu cho người nghiện ma túy (sản phẩmActidoser của Bệnh viện Bạch Mai, biệt dược Carbonic của Thụy Điển,than lọc máu của Pháp) [1]

Than hoạt tính được điều chế từ than xương còn được nghiên cứuchế tạo màng chạy lọc chạy thận Việc chế tạo màng lọc này rất phức tạp

do quá trình tạo ra màng phải làm sạch bằng hết các chất vô cơ rồi tạo ratrên bề mặt than các gốc

đóng vai trò trao đổi, hấp phụ

Trong chế biến dược phẩm, than hoạt tính dạng bột mịn còn đượcdùng để tẩy màu, hấp phụ làm sạch thuốc trước lúc cô cạn kết tinh Đây làphương pháp làm sạch duy nhất vì quá trình này không để lại trong dungdịch chất thứ hai

d, Ứng dụng trong công nghiệp hoá mỹ phẩm

Dựa vào tính hấp phụ chọn lọc của than hoạt tính nên chúng thườngdùng để tinh chế các loại tinh dầu và nước hoa cao cấp Trên thị trường có

kem rửa mặt, có tác dụng hấp thụ bã nhờn, làm sạch tận sâu trong lỗ chânlông, làm trôi lớp sừng già, giúp làn da sáng bóng Nước rửa mặt chè xanh

có chứa than hoạt tính giúp loại bỏ các chất nhờn, mụn trứng cá già vàcung cấp các dưỡng chất làm se khít lỗ chân lông ở vùng mặt, mũi Bộtthan hoạt tính làm mặt nạ sẽ lấy đi hết mọi chất bẩn sâu trong lỗ chânlông, làm mờ vết nám, hoặc thâm đen do mụn, làm sáng da, giúp bảo vệ

da chống lại tác hại của môi trường ô nhiễm

Các loại kem, phấn trang điểm trong hóa mỹ phẩm trước đây hayđược sử dụng trên nền các muối vô cơ như CaCO3, BaSO4, đất sét sạch Các hợp chất này khó khăn trong việc làm sạch sau sử dụng lại có thể gâykích thích da dị ứng Việc thay thế bằng than hoạt tính siêu mịn sẽ bảo vệ

da, có độ an toàn cao, đã và đang được các công ty hàng đầu về hóa mỹphẩm nghiên cứu áp dụng

1.2 Giới thiệu chung về mùn cưa

1.2.1 Thành phần của mùn cưa

Mùn cưa là một loại nhiên liệu sinh khối, một loại sản phẩm phụ củaquá trình cắt, mài, khoan gỗ, hoặc sản phẩm xay ra từ thân, cành cây trongquá trình khia thác gỗ, nó bao gồm các hạt mịn của gỗ Thành phần chínhcủa mùn cưa là cacbon, chiếm khoảng 50% tùy theo loại gỗ Mùn cưa cókích cỡ từ 0,5 - 4 mm

Mùn cưa chứa chất hữu cơ chủ yếu xenluloza, lignin vàhemixenluloza chiếm đến 90%, ngoài ra có thêm thành phần khác như hợpchất nitơ và vô cơ 10% Hemixenluloza 15-25% Lignin chiếm khoảng 15-30% và xenlulozơ chiếm khoảng 40-50% [21]

Trong mùn cưa, các nguyên tố cấu thành bao gồm các thành phầnsau:

+ Cacbon: là thành phần cháy chủ yếu trong nhiên liệu rắn, nhiệtlượng phát ra khi cháy của 1 kg Cacbon gọi là nhiệt trị của Cacbon,khoảng 34,150 kj/kg Hyđrô: là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệurắn, khi cháy toả ra nhiệt lượng 144,500 kj/kg

Hình 1.7 Hình ảnh mùn cưa

+ Oxy và Nitơ: là những chất trơ trong nhiên liệu rắn và lỏng Sự cómặt của Oxy và Nitơ làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu làm chonhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống.

+ Tro, xỉ (A): Là thành phần còn lại sau khi nhiên liệu được cháykiệt Đối với mùn cưa thì tro, xỉ rất ít

+ Độ ẩm (M): Là thành phần nước có trong nhiên liệu thường đượcbốc hơi vào giai đoạn đầu của quá trình cháy

Như vậy về thành phần hóa học của nhiên liệu thì ta có các thành phần

có thể được thể hiện bằng thành phần phần trăm C + H + O + N + A + M

+ Công dụng của mùn cưa trong ngành công nghiệp phân bón, trồng

trọt, chăn nuôi.

Mùn cưa có rất nhiều những ứng dụng là như rải mùn cưa, trấu trên

bề mặt chăm sóc vật nuôi là một mô hình chăn nuôi phổ biến hiện nay.Bên cạnh nhiều tác dụng đáng kể trong hai ngành công nghiệp năng lượng

và chăn nuôi, mùn cưa còn là một trong những "thần dược" của ngànhcông nghiệp phân bón, trồng trọt

Mùn cưa có thể được sử dụng làm phân bón cây trồng giúp câynhanh lớn và khỏe mạnh hơn Mùn cưa cũng được sử dụng trong nhiều

mô hình trồng nấm như nấm linh chi, nấm rơm, nấm hương, nấm mèo Nấm trồng trên mùn cưa cho chất lượng cao và đảm bảo an toàn vệ sinhthực phẩm

+ Sử dụng làm vật liệu xây dựng

Gạch siêu nhẹ chống cháy làm bằng nguyên liệu là đất sét và phụ giamùn cưa, mạt gỗ, các chuyên gia của Đại học Xây dựng Hà Nội đã chế tạothành công gạch có thể cách nhiệt, chống cháy và chỉ nặng bằng 1/3 gạchthường, thích hợp xây nhà cao tầng

Do rất nhẹ (chỉ nặng 700-1.000 kg/m2) nên gạch này thích hợp chocác công trình cao tầng (từ tầng 13 trở lên), giúp giảm đáng kể tải trọngcông trình và chi phí xây dựng Cấu trúc xốp, nhỏ, Kín nên có khả năngcách nhiệt tốt

+ Xử lý nước

Mùn của được chế tạo thành than hoạt tính để xử lý nước Xử lýnước (30% tổng lượng tiêu thụ trên thế giới) có thể chia thành nước uống,nước thải công nghiệp và đô thị, và nước ngầm Với xử lý nước uống,than hoạt tính được sử dụng để loại các mùi và vị không mong muốn vàgiảm nồng độ các hợp chất có hại cho sức khỏe (thuốc trừ sâu, ).

Khi sử dụng than hoạt tính dạng hạt để tinh chế nước uống, sau khilọc trọng lượng nhanh bằng cát (tách các chất rắn lơ lửng) quá trình lọchầu như được sử dụng riêng và thêm với quá trình tinh chế bằng hấp phụ,quá trình phân hủy bằng xúc tác của các tác nhân oxy hóa clo, cloruadioxit, và ozon đóng một vai trò quan trọng [21]

1.3 Tìm hiểu về xanh metylen

1.3.1 Giới thiệu chung về xanh metylen

Xanh metylen là một hợp chất thơm dị vòng, được tổng hợp cáchđây hơn 120 năm, công thức hóa học là C16H18ClN3S Một số tên gọi khácnhư là tetramethylthionine chlorhydrate, methylene blue, glutylene,methylthioninium chloride [1]

Xanh metylen là thuốc và là thuốc nhuộm Là một loại thuốc, nóđược sử dụng chủ yếu để điều trị bệnh máu nâu Cụ thể, nó được sử dụng

để điều trị methemoglobin mức độ lớn hơn 30% hoặc trong đó có triệuchứng mặc dù điều trị oxy Nó trước đây được sử dụng để điều trị ngộ độccyanide và nhiễm trùng đường tiểu, nhưng việc sử dụng này không cònđược khuyến cáo nữa Nó thường được tiêm vào tĩnh mạch [1,22]

MB là một chất màu thuộc họ thiozin, có khả năng phân li dướidạng cation MB+ là C16H18N3S+

Hình 1.8 Công thức cấu tạo xanh metylen

1.3.2 Tính chất của xanh metylen

1.3.2.1 Tính chất vật lý

Xanh metylene là hợp chất có màu xanh đậm nước biển và ổn định

ở nhiệt độ phòng Dạng dung dịch 1% có pH từ 3-4,5 Xanh methylenenguyên chất 100% dạng bột hoặc tinh thể

Xanh metylen là thuốc nhuộm nên dung dịch của nó có chỉ số COD vàBOD rất cao tùy thuộc vào nồng độ Để loại bỏ được nó trong nước có 2 phươngpháp phổ biến đó là hóa học và vật lý Phương pháp vật lý chủ yếu sử dụng ở đây

là hấp phụ Phương pháp hóa học chủ yếu là xúc tác quang hóa [1]

1.3.2.2 Tính chất hóa học

Xanh methylene đối kháng với các loại hóa chất mang tính oxy hóa

và khử, kiềm, dichromate, các hợp chất của iod Khi phân hủy sẽ sinh racác khí độc như: Cl2, NO, CO, SO2, CO2, H2S Xanh methylene nguyênchất 100% dạng bột hoặc tinh thể Xanh methylene có thể bị oxy hóa hoặc

bị khử và mỗi phân tử của xanh methylene bị oxy hóa và bị khử khoảng

100 lần/giây Quá trình này làm tăng tiêu thụ oxy của tế bào

1.3.2.3 Độc tính

Tác động tới môi trường: MB chứa nitơ và lưu huỳnh trong dị vòngnên có khả năng kháng khuẩn tốt do đó nó khó bị phân hủy bởi các vi sinhvật Chất này thường lắng đọng trong bùn đáy ao và không có khả năngbay hơi nên gây ảnh hưởng lớn tới đời sống của các sinh vật MB hấp thụrất mạnh bởi các loại đất khác nhau Trong môi trường nước, MB bị hấpthụ vào vật chất lơ lửng và bùn đáy ao và không có khả năng bay hơi rangoài môi trường nước ở bề mặt nước Khi ước lượng chỉ số tích lũy sinhhọc, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) cho rằng MB không có

sự tích lũy sinh học trong thủy sinh vật (giá trị BCF=1,5)

Nếu thải MB vào trong không khí, MB sẽ tồn tại cả dạng hơi và bụi

lơ lửng Dạng hơi sẽ bị phân hủy do sự phản ứng quang phân với các gốcoxy hóa (OH), thời gian bán hủy khoảng 2 giờ Sự quang phân trực tiếpcũng diễn ra Đối với dạng hạt lơ lửng có thể loại bỏ vật lý bởi quá trìnhphân hủy MBcó thể gây độc đối với cá không vảy cao hơn đối với cá có

Hình 1.9 Xanh Methylen