Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cácbon từ sợi hydrat xenlulo

Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cácbon từ sợi hydrat xenlulo

Mở đầu

Hiện nay ở nớc ta, trong qúa trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc, cácngành sản xuất kinh tế, công nông nghiệp phát triển khá mạnh mẽ Sự phát triển khámạnh mẽ của các ngành sản xuất kinh té đã có nhiều tác động đến môi trờng và dẫn

đến thực trạng môi trờng bị ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng Do vậy, vấn đề bảo vệmôi trờng cần phải đợc quan tâm nhiều hơn

Than hoạt tính do có nhiều u điểm: tốc độ hấp phụ cao, khả năng hấp phụ lớn

và có khả năng tái sinh đã đợc sử dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhaunh: dân sự, quân sự, công nông nghiệp, y tế, bảo hộ lao động Trong lĩnh vực môi tr-ờng than hoạt tính cũng đợc sử dụng khá nhiều để xử lý khí thải, nớc thải và chonhiều kết quả tốt

Hiện nay, ngoài hai dạng sử dụng rất phổ biến là than hoạt tính dạng hạt vàthan hoạt tính dạng bột, đã có dạng than hoạt tính thứ ba: than hoạt tính dạng sợihay thờng gọi là chất hấp phụ sợi cacbon hoạt tính

Đến cuối thế kỷ thứ 19, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu chếtạo, khảo sát cấu trúc, tính chất và nghiên cứu ứng dụng thực tế chất hấp phụ sơicacbon hoạt tính (màng sợi cacbon hoạt tính, vải cacbon hoạt tính)

Ngoài các u điểm nh than hoạt tính dạng hạt, dạng bột, than hoạt tính dạngsợi còn có một số u điểm vợt trội khác: nhẹ, mềm mại, mức độ cản trở dòng khí điqua lớp vật liệu nhỏ Do đó than hoạt tính dạng sợi từ khi xuất hiện đến nay đã đợc

sử dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau

ở Việt Nam đã có khá nhiều công trình nghiên cứu điều chế và sản xuất,nghiên cứu cấu trúc, tính chất của than hoạt tính dạng hạt và dạng bột từ các nguồnnguyên liệu khác nhau: than mỏ, gáo dừa, bã mía, gỗ, mùn ca

Tuy nhiên nội dung nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cacbon hoạt tínhcòn rất hạn chế và ít đợc quan tâm

Do vậy nội dung nghiên cứu là xác lập các điên kiện công nghệ và xây dựngquy trình điều chế chất hấp phụ sợi cacbon là vấn đề vừa có ý nghĩa khoa học và có

ý nghĩa thực tiễn ở Việt Nam

Trên cơ sở đó đề tài nghiên cứu của khoá luận đợc xác định là:

Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cácbon từ sợi Hydrat

“Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cácbon từ sợi Hydrat

xenlulo ”.

Mục đích của khoá luận: Xây dựng công nghệ chế tạo chất hấp phụ sợicacbondùng trong lĩnh vực lọc độc và xử lý môi trờng

Để đạt đợc mục đích nêu trên, cần giải quyết các vấn đề sau:

1 Nghiên cứu quy trình điều chế chất hấp phụ sợi cacbon

2 Nghiên cứu ảnh hởng của một số yếu tố hoạt hoá trong qúa trình điều chế

3 Đánh giá chất lợng chất hấp phụ sợi cácbon đã điều chế

Chơng 1

Than hoạt tính và chất hấp phụ

sợi các bon

1.1.Than hoạt tính, cấu trúc và tính chất.

1.1.1.Giới thiệu chung.

Các nguyên liệu chứa cácbon đợc chế biến một cách đặc biệt nhằm loại cácchất có nhựa và tạo ra các độ xốp trong chúng đợc gọi là than hoạt tính Than hoạttính có các thành phần chủ yếu là cacbon (85 – 95%), phần còn lại(5-15%) là cáctạp chất vô cơ không hoạt động về bề mặt hấp phụ.[1,2,7,10]

Than hoạt tính đợc điều chế từ các vật liệu khi đốt cháy cho ta cacbon Dovậy, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất than hoạt tính khá phong phú nh các nguyênliệucó nguồn gốc từ thực vật: các loại cây, hạt các loại quả, sọ dừa, mạt ca; có nguồngốc từ than mỏ: than antraxít, than bùn, than nâu, than cốc, than bán cốc; hoặc từcác hợp chất vô cơ: monome, lignin, dầu mỏ, [2,7,10]

Than hoạt tính đợc phát hiện vào cuối thế kỷ 18 Từ đó cho đến nay, trên thếgiới có nhiều công trình nghiên cứu điều chế, cấu trúc, tính chất và lĩnh vực ứngdụng của than hoạt tính.[1,7,10]

ở Việt Nam, việc điều chế sản xuất và ứng dụng than hoạt tính đợc quan tâmnghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ 20 Trong lĩnh vực này, cơ quan nghiên cứu

đầu tiên là Viện Hóa học quân sự với các sản phẩm than hoạt tính đ ợc điều chế từnhiều nguyên liệu khác nhau nh bã mía, mùn ca, than antraxít, gáo dừa,xenlulô[2,7] Tiếp đó là các cơ quan khác: Viện Hóa Học Công Nghiệp, Trung tâmnghiên cứu sản xuất than hoạt tính trờng đại học Bách khoa Hà Nội.[10]

Ban đầu việc nghiên cứu và sản xuất chỉ ở mức độ nhỏ chủ yếu là phục vụnhu cầu chuyên ngành riêng Song cho đến nay, khi nhu cầu về than hoạt tính ngàycàng nhiều thì việc nghiên cứu điều chế và sản xuất than hoạt tính không ngừng pháttriển với những qui mô lớn hơn nhằm đáp ứng đợc những nhu cầu thiết yếu của xãhội [1] Cho đến nay, than hoạt tính đã đợc sử dụng trong hầu khắp mọi lĩnh vực:khoa học, quân sự, sản xuất, đời sống, y tế, xử lý môi trờng,

Hiện nay than hoạt tính đợc sử dụng ở ba dạng: than hoạt tính dạng hạt, thanhoạt tính dạng bột và than hoạt tính dạng sợi Về chủng loại, có một số loại thanhoạt tính sau: thanlọc hơi, khí; than lọc nớc; than tẩy màu; than trao đổi ion[10];than làm nền để tẩm xúc tác, phụ gia [4,5,6]

1.1.2.Cấu trúc than hoạt tính.

a.Cấu trúc tinh thể.

Theo các nghiên cứu Rơnghen[8,10,16,17,19] thì than hoạt tính gồm các vitinh thể cacbon Các vi tinh thể này đợc cấu tạo từ các vùng cacbon sáu cạnh sắp xếp

tạo thành các lớp mạng Tuy nhiên, so với cấu trúc mạng lới tinh thể của graphidethì các vòng cacbon 6 cạnh trong than hoạt tính sắp xếp mất trật tự hơn.

b.Cấu trúc xốp.

Theo Dubinin và các cộng sự [2,7,10,15] , than hoạt tính là các chất hấp phụxốp và có diện tích bề mặt trong phát triển khá cao từ 600 – 900m2/g Do vậy, thanhoạt tính có khả năng hấp phụ tơng đối cao

Hệ lỗ xốp trong than hoạt tính có những kích thớc khác nhau, vì vậy có khảnăng và cơ chế hấp phụ xảy ra trong các lỗ xốp cũng khác nhau Dựa vào những sựkhác nhau đó, ngời ta phân loại hệ các lỗ xốp trong than hoạt tính nh sau[2,7,10]:

Lỗ nhỏ với bán kính r< 6-7A

Lỗ bán nhỏ 6-7 < r < 15-16A

Lỗ trung 15-16 < r < 1000-2000A

Lỗ lớn r > 1000-2000A

Lỗ nhỏ của than hoạt tính đóng vai trò chủ yếu trong hấp phụ vật lý, thể tích

lỗ nhỏ khoảng 0.2-0.3 cm3/g Sự hấp phụ trong lỗ nhỏ diễn ra theo cơ chế lấp đầy thểtích không gian chất hấp phụ

Lỗ bán nhỏ là dạng chuyển tiếp giữa lỗ nhỏ và lỗ trung Lỗ bán nhỏ có sựgiảm dần đặc trng của lỗ nhỏ đồng thời tăng dần các tính chất riêng của lỗ trung

Lỗ trung có thể tích lỗ từ 0.05-0.15cm3/g, diện tích bề mặt riêng từ 50m2/g Trên bề mặt lỗ chung xảy ra sự hấp phụ đơn là đa phân tử, kết thúc khi thểtích lỗ đợc lấp đầy theo cơ chế ngng tụ mao quản

Theo các nghiên cứu bề mặt than hoạt tính [2,10], khi hấp phụ hóa học ôxi ởnhiệt độ thờng, trên bề mặt than hoạt tính tạo thành các ôxít bề mặt mang tính chấtbazơ Do sự hydrat hóa sẽ tao thành các nhóm hyđrôxít bề mặt – OH Các ôxít bềmặt có tính axít đợc tạo thành do sự hấp phụ hóa học ôxi trên than hoạt tính ở nhiệt

độ cao hơn(300-450C) Khi hydrat hóa sẽ tạo thành các nhóm cacbonyl bề COOH

mặt-Các ôxít bề mặt mang tính axít tạo cho bề mặt than hoạt tính có tính a nớcbiểu hiện ở độ hấp phụ hơi nớc cao ngay ở P/Ps nhỏ

Các nghiên cứu với sự ôxi hóa than hoạt tính cho thấy: khi mức độ ôxi hóatăng, hàm lợng các nhóm – OH, - COOH đều tăng, tính axít của bề mặt than hoạttính tăng theo mức dộ ôxi hóa Mặt khác, trên bề mặt than hoạt tính còn chứa cácnhóm chức kiểu phenol Lăcton, quinon,

Các nghiên cứu về nhiệt hấp phụ [2,10] chỉ ra rằng: trên than hoạt tính, khi

độ hấp phụ nhỏ, nhiệt hấp phụ lớn, khi độ hấp phụ tăng, nhiệt hấp phụ giảm dần vàkhông đổi Điều đó chứng tỏ bề mặt than hoạt tính là không đồng nhất về mặt nănglợng.kết quả này có thể đợc giải thích là do than hoạt tính có chứa các lỗ xốp có kíchthớc khác nhau và trên than hoạt tính còn chứa các tâm hấp phụ –nhóm chc bề mặt

1.1.3.Các qui luật hấp phụ trên than hoạt tính.

Thuyết hấp phụ BET.

Brunauer - Emmer -Taylor (BET) đã đa ra học thuyết của họ dựa vào các giảthiết sau [7,11,16,19]:

Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về mặt năng lợng và sự hấp phụ xảy ra đơnlớp

Phân tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ chỉ tơng tác với nhau ở lớp thứ nhât,còn ở các lớp sau đợc hình thành nhờ lực phân tử của chất bị hấp phụ giữa các lớpvới nhau

Sự hấp phụ bao giờ cũng tiến tới trạng thái cân bằng hấp phụ

Phơng trình BET có dạng:

Trong đó:

a-Lợng chất bị hấp phụ ở áp suất tơng đối P/Ps

am- Lợng chất bị hấp phụ khi bề mặt than bị phủ một lớp đơn phân tử

p - áp suất cân bằng của hơi chất bị hấp phụ ở nhiệt độ T

Ps- áp suất hơi bão hoà của chất bị hấp phụ ở nhiệt độ T

Trong đó:

C - hằng số hấp phụ, phụ thuộc nhiệt vi phân hấp phụ q và nhiệt ngng tụ :

R- hằng số khíT- nhiệt độ tuyệt đốiPhơng trình BET có thể chuyển về phơng trình dạng đờng thẳng nh sau:

C a

h C C a h a

h

m m

) 1 ( 1 ) 1 (

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 trong thực tế,

bề mặt chất hấp phụ không đồng nhất về mặt năng lợng Đó là những hạn chế củathuyết BET[7,10,]

b.Thuyết ngng tụ mao quản Thomson Kelvil.

ở P/Ps tơng đối cao, sự hấp phụ xảy ra theo cơ chế ngng tụ mao quản trongcác lỗ trung, lỗ hấp phụ trên thành lỗ dày lên, chạm vào nhau và khép kín lại thànhmột mặt khum lõm của chất lỏng bị hấp phụ

Để mô tả sự ngng tụ mao quản va bay hơi mao quản từ lỗ trung chất hấp phụ,ngời ta thờng dùng là phơng trình Kelvil:

p = ]

.

cos 2 exp[

r T R

V

Trong đó:

p-áp suất cân bằng trên mặt khung lõm mao quản

Ps- áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ

s m

PP.1C1p

p1

PP.Ca

)

T R

q C

exp  



(1.1)

(1.2)

r- bán kính mao quản.

 - sức căng bề mặt

 - góc thấm ớt giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ

Dấu ( -) chứng tỏ áp suất hơi bão hòa của chất lỏng trên bề mặt lõm luôn nhỏhơn áp suất hơi bão hòa của chất lỏng trên bề mặt phẳng Nh vậy, r càng bé thì sựgiảm áp suất hơi càng lớn Do đó, trong những mao quản chật hẹp, sự ngng tụ sẽ xẩy

ra ở áp suất thấp hơn nhiều so với áp suất hơi bão hòa[7,10]

Do có sự ngng tụ ở vùng P/Ps cao, đờng hấp phụ đẳng nhiệt vẫn tăng Điểm

đặc trng của ngng tụ mao quản là có vòng bất đồng hoặc vòng trễ(histeresit) trên các

đờng đẳng nhiệt hấp phụ, hiện tợng trễ biểu hiện ở chỗ: đối với cùng một lợng chấthấp phụ, áp suất cân bằng của nhánh hấp phụ lớn hơn so với nhánh giải hấp phụ hiệntợng trễ có thể đợc giải thích theo cơ chế quá trình; Nhánh hấp phụ là do hấp phụ đaphân tử và ngng tụ mao quản, còn nhánh giải hấp phụ biểu thị bằng bay hơi maoquản[10]

1.2 Điều chế than hoạt tính.

1.2.1.Điều chế than hoạt tính dạng hạt, dạng bột.

Để chế tạo than hoạt tính dạng hạt, dạng bột , cần phải thực hiện theo quitrình sau[2]:

* Điều chế than hoạt tính dạng bột(ví dụ trờng hợp tẩy màu)

* Nguyên liệu đầu:

Nguyên liệu dùng điều chế than hoạt tính khá phong phú, đó là hầu hết cácloại thực vật, các hợp chất hữu cơ và các loại than mỏ Nói chung các nguyên liệukhi đốt cháy tạo ra cacbon có thể dùng làm nguyên liệu để điều chế than hoạt tính.Những hợp chất hữu cơ dùng để điều chế than hoạt tính thờng là các chất phế thảicủa công nghiệp pôlyme, giấy, dầu khí, gỗ, [4,5] những chất thờng làm ô nhiễmmôi trờng

Có thể phân loại các nguyên liệu dùng điều chế than hoạt tính nh sau[2,7,10]

- Nguyên liệu có nguồn gốc động vật: xơng, da, lông,

- Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật: các loại cây, hạt các loại quả, gáo dừa,mùn ca,

- Nguyên liệu có nguồn gốc mỏ: than non, than bùn, than antraxít, than nâu

- Nguyên liệu có nguồn gốc từ hợp chất hữu cơ: hợp chất pôlyme lignin, sảnphẩm dầu mỏ,

* Xử lý nguyên liệu:

Có thể thấy nguyên liệu dùng để điều chế than hoạt tính rất đadạng, mỗi loại có một cách xử lý khác nhau nhng để điều chế than hoạt tính ép viên,việc xử lý nguyên liệu tuân theo bớc sau [ 2]:

- Làm sạch: nhằm loại bỏ các chất vô cơ Các tạp chất này làm cho độ tro củasản phẩm tăng lên và làm giảm khả năng hấp phụ

* Nghiền, sàng, trộn, ép tạo hạt

- Nghiền, sàng nguyên liệu: nhằm thu đợc bột nguyên liệu có độ mịn nhất

định phù hợp cho việc thực hiện bớc ép tạo hạt

- Trộn: bột nguyên liệu đợc trộn với chất kết dính theo tỷ lệ nhất định bằngmáy trộn nhằm tạo ra một hỗn hợp đồng nhất

- ép, tạo hạt: hỗn hợp đồng nhất sau bớc trộn ép tạo hạt hình trụ có đờng kínhtheo yêu cầu bằng máy ép thủy lực

* Than hóa

Than hóa là quá trình loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhẹ có thể bay hơi, có mặttrong nguyên liệu nhằm mục đích thu nhận cacbon Đây là quá trình đốt cháy khônghoàn toàn nguyên liệu Các hợpc chất hữu cơ phân hủy dới tác dụng của nhiệt và tạo

ra cacbon

Quá trình than hóa có thể chia thành 2 bớc: tách nớc khỏi nguyên liệu và đốtcháy nguyên liệu, vì vậy quá trình này sinh ra nhiều khói ( hơi H2O và một số hợpchất hữu cơ) [ 12,14]

Quá trình than hóa đợc thực hiện trong lò quay với chế độ than hóa( nhiệt độ

và thời gian) phụ thuộc vào nguyên liệu đó

* Hoạt hóa

Hoạt hóa là quá trình quan trọng nhất trong quá trình điều chế than hoạt tính.

Nó trực tiếp ảnh hởng và quyết định chất lợng sản phẩm Bản chất của quá trình hoạt hóa

là quá trình phản ứng hoá học giữa cacbon với tác nhân hoạt hóa [14,17] Các phân tửcủa tác nhân hoạt hóa phản ứng với phân tử cacbon trên bề mặt và trong mạng lới tinhthể Kết quả của quá trình phản ứng này là tạo ra hệ thống lỗ xốp bên trong thể tíchthan và các trung tâm hoạt động trên bề mặt than [2,7,13,14,17 ]

Phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình hoạt hóa xảy ra ở nhiệt độ cao vàmang tính không hoàn toàn vì vậy quá trình này phải thực hiện trong lò quay có khảnăng chịu nhiệt tốt Tuỳ thuộc vào nguyên liệu đầu và tác nhân hoạt hóa mà có chế

độ hoạt hóa phù hợp

Do quá trình hoạt hóa có bản chât là phản ứng hóa học không hoàn toàn xảy

ra giữa các tác nhân hoạt hóa với cacbon nên vai trò của tác nhân hoạt hoá là rấtquan trọng chính vì vậy mà tuỳ thuộc vào tác nhân hoạt hóa, ngời ta chia thành 2 ph-

ơng pháp hoạt hóa chính: phơng pháp hóa học và phơng pháp vật lý(sẽ đợc trình bày

+ Trộn bột than với chất hoạt hóa rồi ép hạt sau đó gia nhiệt

+ Ngâm bột than vào dung dịch bão hoà của các chất tren sau đó lọc bỏ dungdịch, làm khô và nhiệt phân Dùng nớc rửa sạch các chất, sấy lại Quá trình nhiệtphân của phơng pháp hóa học thờng đợc tiến hành ở nhiệt độ 600-800C, nó tạo điềukiện cho các tác nhân hoạt hóa bào mòn mạng lới tinh thể cacbon Sau khi nhiệtphân thờng phải thu hồi các chất vô cơ còn thừa trong quá trình hoạt hóa Vì vậy,nhợc điểm của phơng pháp hóa học là gây ăn mòn thiết bị, tính kinh tế thấp, ngàynay ít đợc sử dụng[2]

b-Phơng pháp vật lý(phơng pháp khí – hơi )

Phơng pháp vật lý đợc phát hiện muộn hơn phơng pháp hóa học Song donăng suất cao, kinh tế, thiết bị ít bị ăn mòn nên nó là phơng pháp đợc sử dụng rộngrãi nhất hiện nay.

Trong phơng pháp vật lý, tác nhân hoạt hoá thờng đợc sử dụng là các khí, hơi

H2O, ôxi không khí, CO2, Phản ứng hoạt hóa là phản ứng thu nhiệt vì vậy phảicung cấp nhiệt liên tục cho thiết bị hoạt hóa[1,7]

Một số tác nhân hoạt hóa vật lý phổ biến:

+ Hoạt hóa bằng hơi nớc:

ở nhiệt độ tC  750C, hơi nớc có tính ôxi hóa và bắt đầu tác dụng vớicacbon Phản ứng hoạt hóa xảy ra:

Cn + H2O  Cn – 1+ CO + H2 – Q (Q = 31000cal/mol)Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao nên khó khảo sát, muốn khảo sát phảnứng phải phân tích hỗn hợp khí sinh ra:

C + H2O  CO + H2

CO + C(O)  CO2 + C

2 sản phẩm khí sinh ra là CO và H2 ức chế phản ứng hoạt hóa 2 chất này hấpphụ lên bề mặt than che lấp các trung tâm hoạt động Ngợc lại, CO2 là chất xúc táccho phản ứng[2]

Ngoài ra, còn một phản ứng phụ xảy ra đồng thời mà bề mặt than làm xúctác:

C + H2O  CO2 + H2 + 10Kcal/mol+ Hoạt hóa bằng khí CO2:

ở nhiệt độ cao CO2 có tính ôxi hóa, nó ôxi hóa C ở nhiệt độ t(C) > 750C

Cn + CO2  Cn-1 + COPhản ứng trên bị ức chế bởi ôxít cacbon theo cơ chế

A: CO2 + C  CO + C(O)

CO  C(O)

CO + C  C(CO)B: C + CO2  CO + C(O)

C(O)  CO

CO2 hấp phụ lên các trung tâm hoạt động Vì vậy, làm giảm tốc độ phản ứng.Hoạt hóa bằng hơi nớc và CO2 đòi hỏi phải cung cấp nhiệt liên tục vì nó làcác phản ứng thu nhiệt

+ Hoạt hóa bằng ôxi không khí:

Phản ứng hoạt hóa là phản ứng phát nhiệt nhng cần phải cung cấp nhiệt ban

đầu Bề mặt than thờng tạo thành một số nhóm chức điều này tạo điều kiện thuận lợicho điều chế than ôxi hóa Sản phẩm than hoạt tính có nhiều lỗ lớn và lỗ chung nêndùng tẩy màu và trao đổi iôn[1,7]

Quá trình hoạt hóa có thể biểu diễn bằng phơng trình:

Cn + O2  CO + Cn-1 + Q (phản ứng thiếu ôxi)

Cn + O2  CO2 + Cn-1 + Q (phản ứng d ôxi)Ngoài ra nhiệt độ hoạt hóa cũng ảnh hởng đến cơ chế phản ứng:

Cn + O2  2CO + Cn-1 (t = 800-900C)

Cn + O2  CO2 + Cn-2 ( t < 600 C)

1.2.3 Điều chế than hoạt tính dạng sợi (chất hấp phụ sợi cacbon)

Về một nguyên tắc quá trình điều chế than hoạt tính dạng sợi cũng tơng tựquá trình điều chế than hoạt tính dạng bột hay dạng hạt Nguồn nguyên liệu để sảnxuất chất hấp phụ sợi cac bon cũng rất phong phú Các vật liệu có nguồn gốc hữu cơhoặc vô cơ, nhân tạo và tự nhiên để ở dạng sợi hoặc có thể kéo đợc thành sợi đều cóthể dùng làm nguyên liệu chế tạo sợi cac bon (nhựa than đá, nhựa phenol, vật liệutrên cơ sở xenlulô, sợi polyacynônitril, polyvinylcolrua, polyvinylalcol )

Hiện nay để chế tạo than hoạt tính dạng sợi ngời ta thờng thực hịên theo haiquy trình sau:

*Phơng pháp điều chế không tẩm hoá chất.

Ca, Fe, Al, và một số hợp chất chứa ni tơ, phốt pho[17,18,19] Việc tẩm hoá chấtlên sợi có tác dụng làm giảm nhiệt độ than hoá, tăng tốc độ quá trình than hoá vàhoạt hoá cũng nh tạo sản phẩm có chất lợng tốt hơn khi so với sợi ban đầu khôngtẩm Quá trình than hoá thờng đợc thực hiện ở nhiệt độ 2300C - 3500C trong môi tr-ờng khí trơ, CO2 hoặc không khí Hoạt hoá thờng thực hiện ở t0 = 700 - 9000C vớitác nhân hoạt hoá là H2O, khí CO2 hoặc hỗn hợp của chúng

Nh phần trên đã nói, vấn đề nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cac bon ởViệt Nam còn ít đợc quan tâm Vì vậy việc nghiên cứu xác lập các điều kiện côngnghệ của quy trình điều chế chất hấp phụ sợi cac bon là cần thiết

Trên cơ sở đó phạm vi nghiên cứu của khoá luận này sẽ là: nghiên cứu ảnh ởng của một số yếu tố hoạt hoá trong quá trình điều chế và xác lập quy trình điềuchế chất hấp phụ sợi các bon

Trong lĩnh vực quân sự, than hoạt tính dùng làm vật liệu lọc độc trong cácmặt nạ phòng độc[2,10]

Trong ngành công nghiệp mía đờng thì than hoạt tính lại đợc sử dụng làm vậtliệu tẩy màu[2] Còn trong lĩnh vực xử lý môi trờng, than hoạt tính dùng để hấp phụhơi, khí độc (trong xử lý khí) và hấp phụ các chất hữu cơ trong việc làm sạch nguồnnớc[1,7]

Ngoài ra, than hoạt tính còn đợc ứng dụng trong nhiều nghành khác: côngnghệ thực phẩm, công nghệ dầu khí, y tế,

chơng 2.

Đối tợng và phơng pháp nghiên cứu.

2.1 Đối tợng nghiên cứu.

Với mục đích tạo ra và đa vào ứng dụng một dạng sử dụng mới của than hoạttính( than hoạt tính dạng sợi), đồng thời muốn tận dụng nguyên liệu có nguồn gốc từthực vật nh: gỗ, than đá, than bùn và vỏ quả, ở Việt Nam và phát huy u thế hấpphụ của sợi cacbon hoạt tính, đối tợng nghiên cứu của khóa luận là: “Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cácbon từ sợi Hydrat Nghiên cứu

điều chế chất hấp phụ sợi cacbon từ sợi hydrat xenlulo”

2.2.Phơng pháp nghiên cứu.

2.2.1.Phơng pháp xác định khối lợng riêng biểu kiến

Khối lợng riêng biểu kiến  của than xác định bằng phơng pháp nạp Hg[6]

g cm d



Trong đó:  là tỉ trọng biểu kiến.

d là tỉ trọng thựcTổng thể tích lỗ đặc trng cho độ xốp của than hoạt tính

2.2.4 Phơng pháp xác định các thông số cấu trúc xốp và khả năng hấp phụ vật lý với hơi nớc, với hơi C 6 H 6 trên thiết bị đo hấp phụ bề mặt và cân hấp phụ Mc-Bell

Khả năng hấp phụ của than hoạt tính đợc xác định theo phơng phápRubinstein trên cân hấp phụ Mc-Bell với lò xo thạch anh ( hình 1) [2,7,10,17]

Độ hấp phụ- giải hấp phụ của than hoạt tính ở các giá trị áp suất hơi tơng dốitơng ứng đợc xác định thông qua độ co dãn của lò xo thạch anh có treo giỏ mẫu Độ

co dãn của lò xo đợc xác định bằng thiết bị quang học có độ chính xác  0.01mm

1-Bộ làm khô, sạch dòng khí 6-Buồng hỗn hợp

2-Lu lợng kế V2 7-Buồng hấp phụ

3-Lu lợng kế V1 8-Lò xo thạch anh

4-Bình bay hơi chứa C6H6 9-Giỏ đựng mẫu

5-Hằng nhiệt 10-Máy đo độ co-dãn lò xo

* Xác định các thông số cấu trúc xốp:

nitơ

6

8 9 7

ớc

kk

- Dựng đờng hấp phụ – giải hấp đẳng nhiệt a = f(P/Ps) (Hình2)

- Thể tích các loại lỗ trong than hoạt tính đợc tính nh sau:

+ Thể tích lỗ nhỏ: Vn = ao.V (cm3/g) (1.6)

+ Thê tích lỗ trung: Vt = (as – ao)V (cm3/g) (1.7)

+ Thể tích lỗ lớn: Vl = V – (Vn – Vt) (cm3/g)\ (1.8)

Trong đó: ao- độ hấp phụ ứng với điểm bắt đầu vòng trễ

as- độ hấp phụ ứng với điểm cuối vòng trễv- thể tích 1mmol chất bị hấp phụ

a m



 1

(1.9)+ Diện tích bề mặt riêng: S = am N Wo (m2/g) (2.0)Trong đó:

N-số Avôgađrô (= 6.023.1023 phân tử/mol)

Wo- diện tích của một phân tử chất bị hấp phụ (với C6H6

trên than hoạt tính thì Wo = 40.10-20 m2/ phân tử

Chơng 3 Kết quả và thảo luận 3.1 Khảo sát quá trình than hoá

Khảo sát quá trình than hoá có các bớc sau:

- Nguyên liệu đầu vào

- Loại tạp chất

- Xử lý nguyên liệu

- Than hoá

* Nguyên liệu đầu vào:

Nguyên liệu dùng để chế tạo sợi cacbon nh: than đá, dầu mỏ, nhựa phenol,lignhin, vật liệu trên cơ sở xellulo, sợi poly acrynotril, polyvinyl clorua,…

Thông số kỹ thuật sợi hydrat xellulo:

- Bán kính sợi 120D/30F

- Độ bền dai khi khô tối thiểu 1,42Cn/dTEX

- Độ bền dai khi ẩm tối thiểu 0,62Cn/dTEX

- Độ dãn khi khô %: 15,5% - 26%

- Độ xoắn vặn: tối đa 19%

- Mầu đồng nhất: mầu sáng

- Hàm lợng dầu: 0,8 - 15%

- Số sợi chênh lệch tối đa: 3%

- Lu huỳnh còn lại:  14g/100g sợi

- Tấm vải đợc cắt thành nhiều mảnh để thí nghiệm

- Các mẫu vải đợc sấy khô trong tủ sấy ở 1100C trong 3 giờ Và cân khối lợngmẫu

- Vải mẫu đợc tẩm trong hỗn hợp chứa nitơ, phốtpho (CO(NH2)2,(NH4)2HPO4) Với thời gian 20 phút ở nhiệt độ t0C = 650

% khối lợngmẫu tăng sautẩm, sấy

Khối lợngmẫu sauthan hoá

% hao hụtkhối lợng sauthan hoá