Nghiên cứu quy trình tẩy màu dịch chiết cỏ ngọt bằng than hoạt tính tại bộ môn Quá trình – Thiết bị Công nghệ Hóa học trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Trong lần thực tập tốt nghiệp này, được sự đồng ý và nhất trí của Ban giám hiệu nhà trường và Ban chủ nhiệm khoa CNSH-CNTP, tôi đã tiến hành đề tài: “ Nghiên cứu quy trình tẩy màu dịch

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN VĂN CHIẾN

Tên đề tài:

“NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH TẨY MÀU DỊCH CHIẾT CỎ NGỌT

BẰNG THAN HOẠT TÍNH”

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo : Chính quy Chuyên ngành : Công nghệ thực phẩm

Khoá học : 2010 – 2014 Giáo viên hướng dẫn : 1 ThS Phùng Thị Anh Minh

2.TS Trần Văn Chí

Thái Nguyên, 2014

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong khóa luận này là trung thực

Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận này đã được cảm ơn và các thông tin được trích dẫn trong khóa luận đã được ghi rõ nguồn gốc

Đối với sinh viên chuyên ngành Công Nghệ Thực Phẩm nói riêng và mỗi sinh viên nói chung, thực tập tốt nghiệp là một kỳ thực tập rất đặc biệt và có ý nghĩa rất lớn, bởi đây là lần tiếp xúc với thực tế cuối cùng trước khi bước vào thực tế Trong lần thực tập tốt nghiệp này, được sự đồng ý và nhất trí của Ban giám hiệu nhà

trường và Ban chủ nhiệm khoa CNSH-CNTP, tôi đã tiến hành đề tài: “ Nghiên cứu

quy trình tẩy màu dịch chiết cỏ ngọt bằng than hoạt tính tại bộ môn Quá trình – Thiết bị Công nghệ Hóa học trường đại học Bách Khoa Hà Nội ” Nhờ sự giúp đỡ

và tạo điều kiện tận tình của giáo viên hướng dẫn 1: Cô Phùng Thị Anh Minh trường ĐHBK Hà Nội và giáo viên hướng dẫn 2: Thầy Trần Văn Chí trường Đại Học Nông Lâm Thái Nguyên, cùng toàn thể các thầy cô của bộ môn Quá trình – Thiết bị Công nghệ Hóa học, chúng em đã có cơ hội nghiên cứu, vận dụng, ứng dụng, thực hành một phần những kiến thức đã học được một cách khoa học, đồng

bộ, hệ thống giúp chúng em rèn luyện, phát triển và hoàn thiện những kỹ năng, phẩm chất của người kỹ sư tương lai Chúng em chân thành gửi lời cảm ơn tới cô Phùng Thị Anh Minh, thầy Trần Văn Chí và ban chủ nhiệm khoa CNSH-CNTP trường đại học Nông Lâm Thái nguyên, cùng toàn thể thầy cô của bộ môn Quá trình – Thiết bị Công nghệ Hóa học trường đại học Bách Khoa Hà Nội trong việc tạo điều kiện giúp đỡ rất lớn chúng em trong đợt thực tập này

Thái Nguyên, ngày 12 tháng 5 năm 2014

Sinh viên

Nguyễn Văn Chiến

Phần 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Mục đích nghiên cứu 2

1.3.1 Ý nghĩa khoa học 2

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

Phần 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Giới thiệu về cây cỏ ngọt và Các chất tạo ngọt 3

2.1.1 Cây cỏ ngọt 3

2.1.2 Các chất tạo ngọt trong cây cỏ ngọt 8

2.1.3 Ứng dụng 11

2.2 Hấp Phụ và vật liệu hấp phụ than hoạt tính 12

2.2.1 Hấp phụ 12

2.2.2 Vật liệu hấp phụ than hoạt tính 13

Phần 3: ĐỐI TƯỢNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 22

3.1.1 Đối tượng 22

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu 22

3.1.3 Dụng cụ thiết bị hóa chất nghiên cứu 22

3.1.4 Địa điểm và thời gian tiến hành nghiên cứu 24

3.1.5 Nội dung nghiên cứu 25

3.1.6 Phương pháp nghiên cứu 25

3.1.7 Phương pháp phân tích 27

3.1.8 Phương pháp sử lý số liệu 28

Phần 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

để tẩy màu cỏ ngọt bằng than hoạt tính 29

4.1.1 Nguyên liệu 30

4.1.2 Trích ly với nước cất 30

4.1.3 Dịch thô và dịch tinh 30

4.1.4 Điều chỉnh pH=10,5 30

4.1.5 Điều chỉnh về pH trung tính 30

4.1.6 Tẩy màu 30

4.2 Kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và hàm lượng than hoạt tính đến quá trình tẩy màu dịch chiết cỏ ngọt 31

4.2.1 Kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tẩy màu 32

4.2.2 Kết quả ảnh hưởng của thời gian đến quá trình tẩy màu 32

4.2.3 Ảnh hưởng của lượng than hoạt tính đến quá trình tẩy màu dịch chiết 33

Phần 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

Bảng 2.1 : 8 deterpenoid glycosides 5

Bảng 2.2 Thành phần trong cây cỏ ngọt 5

Bảng 2.3 : Thành phần chất khoáng trong cây cỏ ngọt 6

Bảng 2.4: Thành phần axit amin của cỏ ngọt 7

Bảng 2.5: Thành phần chất màu của cỏ ngọt 8

Bảng 2.6 Tóm tắt tính chất của một số lại than 17

Bảng 2.7 Thành phần nguyên tó của một số loại than hoạt tính 18

Bảng 2.8: Bảng thông số kỹ thuật của than hoạt tính 19

Bảng 3.1: Thí nghiệm các mẫu ở nhiệt độ 200C, 300C, 400C, trong thời gian 30 phút, 40 phút, 50 phút và với tỷ lệ than/ dịch (1/10) 26

Bảng 3.2: Thí nghiệm các mẫu ở nhiệt độ 200C, 300C, 400C, trong thời gian 30 phút, 40 phút, 50 phút với tỷ lệ than/ dịch (1/15) 27

Bảng 4.1: Kết quả sử lý số liệu trung bình của độ truyền quang sau ba lần lặp lại ở 200C, 300C, 400Ctrong thời gian 30 phút 40 phút 50 phút tỷ lệ 1/10 31

Bảng 4.2: Kết quả sử lý số liệu trung bình của độ truyền quang sau ba lần lặp lại ở 200C, 300C, 400C trong thời gian 30 phút 40 phút 50 phút tỷ lệ 1/15 32

Hình 2.1: Hình ảnh cây cỏ ngọt (Stevia Rebaudiana (Bertoni) Hemsley) 3

Hình 2.2: Cấu trúc hóa học Stevioside 8

Hình 2.3: Cấu trúc hóa học của Steviol 9

Hình 2.4: Cấu trúc hóa học của Rebaudioside A 10

Hình 2.5: Cấu trúc hóa học của Rebaudioside B 10

Hình 2.6: Cấu trúc hóa học của Rebaudioside C 11

Hình 2.7: Hình ảnh than hoạt tính 15

Hình 3.1: Hình ảnh acid citric, than hoạt tính, cỏ ngọt và vôi 23

Hình 3.2 : Máy đo quang phổ UV-6000 ; Shanghai –METASH và dụng cụ thiết bị 24

Hình 3.3 :Bộ lọc hút chân không và Bình ổn nhiệt HH-2 24

Hình 4.1 : Sơ đồ tẩy màu dịch chiết cỏ ngọt 29

Hình 4.2: Ảnh mẫu M11 và N11 sau khi tẩy màu 33

Hình 4.3: Ảnh mẫu M12 và N12 sau khi tẩy màu 34

Hình 4.4: Ảnh mẫu M21 và N21 sau khi tẩy màu 34

Hình 4.5: Ảnh mẫu M21 và N21 sau khi tẩy màu 35

Hình 4.6: Ảnh mẫu M31 và N31 sau khi tẩy màu 35

Hình 4.7: Ảnh mẫu M32 và N32 sau khi tẩy màu 36

Phần 1

MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Trong thiên nhiên có rất nhiều loại cây cho ta một dạng đường năng lượng, có

độ ngọt gấp hàng trăm thậm trí hàng nghìn lần so với đường sacroza như: Dioscorophilium cumminssi, Hemsleyapanicisseandens, Lippia duclcis, Synsepalum dulcificum, Thaumatococcus danielii…Tuy nhiên do khó khăn trong

kỹ thuật thu hái và chế biến hoặc do các độc tố trong loại cây này, việc sử dụng chúng như một chất thay thế đường còn bị hạn chế

Cây cỏ ngọt (còn gọi là cỏ mật, cỏ đường, cúc ngọt, cây thay thế đường) là một trong những cây trong nhóm này được chú ý phát triển Cây cỏ ngọt đã được biết đến từ những năm 1908, Resenack (1908) và Dieterich (1909) đã chiết xuất được glucozit từ lá cỏ ngọt Đến năm 1931 Bridel và Lavieille mới xác định được glucozit mới chính là stevioside, chất ngọt cơ bản tạo nên độ ngọt cây này Chất steviozit sau khi thủy phân sẽ cho 3 phân tử Steviol isosteviol Chất Steviol ngọt hơn đường saccaroza 300 lần Steviozit công thức có độ ngọt gấp 300 lần so với saccaroza, ít năng lượng ngon không lên men, không bị phân hủy, bởi vậy rất có triển vọng để thay thế đường trong chế độ ăn kiêng Một số nghiên cứu gần đây cho thấy tác dụng của cỏ ngọt duy trì hàm lượng đường trong máu, cỏ ngọt còn tỏ ra có hiệu quả trong việc cải thiện chế độ tiêu hóa, điều hòa hoạt động của hệ động mạch

và sự chuyển hóa, tạo ra một sự minh mẫn về trí óc, làm cho giấc ngủ sâu hơn, êm đềm hơn [3]

Xã hội ngày càng phát triển, kéo theo đó là những căn bệnh mang tính chất xã hội như béo phì, tiểu đường, cao huyết áp, tim mạch Nhận thức được vấn đề đó, các nhà khoa học trên thế giới cũng như ở Việt Nam đang nỗ lực tìm ra những loại thực phẩm an toàn với cơ thể con người, cung cấp ít calo và không làm tăng lượng đường huyết Sau những nỗ lực tổng hợp từ các chất hóa học, chất tìm ra lại có nguy cơ gây ung thư cho người sử dụng, chính vì thế, hướng đi được lựa chọn là chiết xuất các hợp chất có sẵn trong thiên nhiên, nhằm hạn chế các hóa chất độc hại

có tác động không tốt lên cơ thể con người, cây cỏ ngọt chính là một trong số những loại cây đang được nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực đó [2]

Từ những lý do trên, tôi tiến hành “ Nghiên cứu quy trình tẩy màu dịch chiết

cỏ ngọt bằng than hoạt tính ” nhằm nâng cao hiệu quả tinh chế, giảm giá thành sản

phẩm, đơn giản hóa quá trình sản xuất, đồng thời an toàn với người sản xuất cũng như người tiêu dùng

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu khảo sát quy trình và nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, thời

gian, hàm lượng than hoạt tính đến quá trình tẩy màu dịch chiết cỏ ngọt

1.3 Mục đích nghiên cứu

Loại bỏ các tạp chất màu ảnh hưởng đến cảm quan có trong dịch cỏ ngọt

Đưa ra quy trình tẩy màu dịch chiết từ cỏ ngọt

Phần 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Giới thiệu về cây cỏ ngọt và Các chất tạo ngọt

2.1.1 Cây cỏ ngọt

- Tên khoa học: Stevia rebaudiana (Bertoni) Hemsley

- Tên đồng nghĩa: Eupatorium rebaudianum Bert

- Tên thường gọi: Cúc ngọt, cỏ ngọt, cỏ mật [3]

2.1.1.2 Phân loại theeo loài

Cỏ ngọt có khoảng 240 loài có nguồn gốc từ Nam Mỹ, Trung Mỹ, Mexico, và một vài tiểu bang hoa kỳ

+ Một số loài cỏ ngọt tiêu biểu sau:

- Stevia ovata

- Stevia plummerae

- Stevia rebaudiana

- Stevia salicifolia

- Stevia serrata

+ Đặc điểm của cây cỏ ngọt

Cây cỏ ngọt là một chi của khoảng 240 loài thảo mộc trong họ Asteraceae có

nguồn gốc cận nhiệt đới và nhiệt đới khu vực từ phía tây Bắc Mỹ đến Nam Mỹ Là một loại cây cỏ nhỏ sống lâu năm

Thân, cành: Chiều cao thu hoạch: 0,5-0,6 m, tốt đạt 0,8-1,2 m Thân cứng mọc thẳng, có rãnh dọc, thân non màu xanh già có màu tím, có hệ mầm phát triển mạnh, đường kính thân chính đạt 2,5-8 mm Cỏ ngọt phân nhiều cành khi ra hoa mới phân cành cấp 2,3 Cành cấp 1 thường xuất hiện từ các đốt lá cách mặt đất 10 cm, thông thường cành từ 25-30 tổng số cành trên cây có thể đạt 140 cành

Lá: Có màu xanh lục trên thân có 70-90 lá mọc đối, hình mũi mác hoặc hình bầu dục, đầu tù hoặc hơi nhọn, dài 50-70 mm, rộng 10-15mm, có 3 gân chính xuất phát từ cuống lá, mép lá có 12-16 răng cưa ở phân nửa phần trên, hai mặt có lông trắng mịn, cuống lá rất ngắn Lá có vị ngọt rất đậm

Hoa: Dài 10-12mm, có mùi thơm nhẹ Cụm hoa hình đầu, có 4-7 hoa đơn lưỡng tính, mỗi hoa đơn hình ống có cấu trúc gồm 1 đế hoa với 5 đài màu xanh, 5 cánh tràng màu trắng khoảng 5mm hình ống, có 4-5 nhị dính trên tràng màu vàng sáng, mùa hoa từ tháng 5 đến tháng 9

Quả và hạt: Qủa và hạt cây nhỏ thuộc loại quả bễ, khi chín màu nâu thẫm 5 cạnh dài từ 2-2,5mm, hạt có 2 vỏ hạt có phôi nhưng nội nhũ trần vì vậy tỷ lệ nảy

2.1.1.4.Hàm lượng chất khoáng trong cây cỏ ngọt:

Cỏ ngọt chứa một lượng đáng kể các chất dinh dưỡng quan trọng Điều này cho thấy cỏ ngọt là một thành phần cần thiết để bảo vệ cơ thể, điều chỉnh và duy trì quá trình trao đổi chất khác nhau Kali, canxi, magiê, natri và chất dinh dưỡng quan trọng, đã được tìm thấy với lượng hợp lý trong lá cỏ ngọt Kẽm và mangan được coi

là vi chất dinh dưỡng chống oxy hóa và do đó, sự hiện diện của chúng có thể thúc đẩy hệ thống miễn dịch và phòng chống các bệnh Sắt là một yếu tố cần thiết cho tổng hợp hemoglobin Lượng sắt cao trong lá Stevia rất hữu ích trong việc duy trì mức huyết cầu tố bình thường trong cơ thể Hơn nữa, lá Stevia cũng có thể được sử dụng để chống thiếu sắt, thiếu máu và rối loạn dinh dưỡng

Bảng 2.3 : Thành phần chất khoáng trong cây cỏ ngọt [3]

Khoáng vĩ

mô

Hàm lượng (mg/100g)

Khoáng vi lượng

Hàm lượng (mg/100g)

2.1.1.5 Hàm lượng axit amin trong cây cỏ ngọt

Lá Stevia khô chứa các axit amin thiết yếu (arginin, lysine, histidine, phenylalanine, leucine, methionine, valine, therionine và isolucine) với lượng cao hơn so với những khuyến cáo của FAO và WHO cho người lớn hàng ngày cũng như các axit amin không thiết yếu (aspartate, serine, glutamic, proline, glycine, alanine, cystine và tyrosine)

Bảng 2.4: Thành phần axit amin của cỏ ngọt [6]

Amino axit thiết yếu Amino axit không thiết yếu

Hàm lượng (g/100g)

Lá stevioside FAO/WHO Lá stevioside

Arginin 0,45 0,35 Aspartate 0,37 Lysine 0,70 0,58 Serine 0,46 Histidine 1,13 0,18 Glutamic 0,43 Phenyl alanine 0,77 0,63 Proline 0,17 Leucine 0,98 0,66 Glycine 0,25 Methionine 1,45 0,25 Alanine 0,56 Valine 0,64 0,35 Cystine 0,40 Therionine 1,13 0,34 Tyrosine 1,08 Isolucine 0,42 0,28

2.1.1.6 Chất diệp lục (A và B), Carotenoids trong cỏ ngọt

Carotenoid không phải là tên riêng của một chất nào mà là tên của một nhóm các hợp chất có công thức cấu tạo tương tự nhau và tác dụng bảo vệ cơ thể cũng tương tự nhau Carotenoid khá quen thuộc với chúng ta là beta-caroten hay còn gọi

là tiền chất của vitamin A

2.1.2 Các chất tạo ngọt trong cây cỏ ngọt

2.1.2.1.2 Stevioside - Chất ngọt chính trong cây Cỏ ngọt

- Tên gọi: Stevioside

- Công thức cấu tạo:

Hình 2.2: Cấu trúc hóa học Stevioside [6]

* Tính chất lý hóa:

- Tinh thể hút ẩm mạnh

- Nhiệt nóng chảy : mp 198°

- Độ ngọt gấp 300 lần so với độ ngọt của đường

- Tan nhiều trong nước: 1 gram tan trong 800ml nước Tan trong Dioxane Tan

ít trong Alcohol

- Stevioside đạt ổn định ở nhiệt độ thấp hơn 1200C trong 1 giờ Khi nhiệt độ lên tới 140°C thì bắt đầu phân hủy Tới 2000C thì sự phân hủy xảy ra gần như hoàn toàn [6]

2.1.2.2 Steviol

- Công thức hóa học: C20H30O3

- Công thức cấu tạo:

Hình 2.3: Cấu trúc hóa học của Steviol [3]

Steviol là thành phần không đường của Glycosides, nó là cơ sở để xây dựng nên các phần tử đường khác như: Stevioside và Rebaudioside [3]

2.1.2.3 Steviolbioside

- Công thức cấu tạo: R1 là H, R2 là G-G

Là chất có hàm lượng rất nhỏ Bên cạnh Stevioside là Rebaudioside, số lượng

ít hơn nhưng ngọt hơn Stevioside 1 - 1,2 lần [3]

2.1.2.4 Rebaudioside A

- Công thức hóa học: C44H70O23.3H2O

- Công thức cấu tạo: R1 là G, R2 là G (2G)

Hình 2.4: Cấu trúc hóa học của Rebaudioside A [3]

Rebaudioside là chất kết tinh không màu điểm nóng chảy là 242ºC-244ºC, có

độ ngọt rất cao bằng 130- 320 lần đường Sucrose

Hàm lượng 2-4 % trọng lượng chất khô [3]

2.1.2.5 Rebaudioside B

- Công thức hóa học: C38H60O18.2H2O

- Công thức cấu tạo: R1 là H, R2 là G (2G)

Rebaudioside là chất kết tinh không màu, điểm nóng chảy 193-195ºC Hàm lượng rất nhỏ 0,03-0,07%

Hình 2.5: Cấu trúc hóa học của Rebaudioside B [3]

2.1.2.6 Rebaudioside C (Dulcoside-B)

- Công thức hóa học: C44H70O22.3H2O

- Công thức cấu tạo: R1 là G, R2 là G(G)RH

Rebaudioside điểm nóng chảy 235-238ºC Ngọt gấp 40-60 lần Sucrose Hàm lượng 1-2% trọng lượng chất khô

Hình 2.6: Cấu trúc hóa học của Rebaudioside C [3]

2.1.2.7 Rebaudioside D

- Công thức cấu tạo: R1 là-G-G, R2 là(2G)

- Điểm nóng chảy 283-286ºC Hàm lượng rất nhỏ [3]

2.1.2.8 Dulcoside A

- Công thức cấu tạo: R1 là G, R2 là G-Rh

- Dulcoside A có độ ngọt gấp 30 lần Sucrose Hàm lượng 0,5-1% trọng lượng chất khô [3]

2.1.3 Ứng dụng

Stevioside được biết đến như là một chất ngọt tự nhiên không chứa nhiều năng lượng, không lên men, không bị phân hủy được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, thức uống, thuốc men và hóa chất hàng ngày Trong tất cả các sản phẩm đường, các stevioside có thể được sử dụng để thay thế các loại đường Hiện nay, Stevioside chủ yếu được sử dụng trong đồ uống và thuốc, đặc biệt là trong nước giải khát, cũng được sử dụng trong thực phẩm đông lạnh, đồ hộp, các loại kẹo trái cây, gia vị, rượu vang, kẹo cao su và kem đánh răng [4]

Vì Stevioside không cung cấp nhiều năng lượng như các loại đường, nên Stevioside thích hợp cho những người bệnh béo phì và những người bị bệnh tiểu đường Tuy nhiên, Stevioside không phải là một loại thuốc mà chỉ là một loại thực phẩm chức năng giành cho những người ăn kiêng Giá trị năng lượng của Stevioside thay đổi tùy theo các điều kiện cụ thể như quá trình điều chế và sự bảo quản cũng

như các hiệu ứng của nó với các vitamin, các chất có trong cơ thể như: Vitamin C, axit thiamin, riboflavin, pyridoxin, nicotinic, các axit hữu cơ như axit axetic, axit citric, axit tartaric, và photphoric [4]

Ở nhiều nước như Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc… Stevioside được sử dụng nhiều làm chất ngọt thay thế như một phụ gia trong thực phẩm, nhưng ở các nước phương Tây và Bắc Mỹ thì giá trị của Stevioside chưa được công nhận và chỉ được dùng như một loại thực phẩm chức năng giành cho những người bị bệnh béo phì Do còn có nhiều tranh cãi về tác dụng của Stevioside nên mặc dù đã được biết đến từ lâu nhưng ngày nay Stevioside vẫn tiếp tục được nghiên cứu và mở ra nhiều hướng ứng dụng mới như một loại thuốc chữa bệnh tiểu đường [6]

2.2 Hấp Phụ và vật liệu hấp phụ than hoạt tính

Lực hấp phụ là lực Van der Waals và lực liên kết Hydro

Nhiệt tỏa ra không đáng kể

Có thể hấp phụ đơn lớp hay đa lớp

Quá trình thuận nghịch hoàn toàn, cân bằng đạt được tức thời nhả dễ dàng [9]

* Hấp phụ hóa học

Lực liên kết hóa học bao gồm lực ion và lực cộng hóa trị

Nhiệt tỏa ra tương ứng với phản ứng hóa học thường hấp phụ đơn lớp

Quá trình hấp phụ thường bất thuận nghịch, tiến hành chậm rất khó nhả

Trong thực tế, cả hai loại hấp phụ trên đây đều xảy ra đồng thời, nhưng tùy điều kiện mà loại này hay loại kia chiếm ưu thế hơn [9]

2.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ:

Nồng độ chất bị hấp phụ: Thường nồng độ chất bị hấp phụ càng cao thì sẽ cần nhiều chất hấp phụ hơn Trong trường hợp lượng chất hấp phụ cố định thì tới một giới hạn nồng độ nào đó, quá trình hấp phụ sẽ đạt cân bằng, nếu nồng độ chất bị hấp phụ tiếp tục tăng thì quá trình hấp phụ không còn đạt được hiệu quả mong muốn nữa

Tỷ lệ rắn/ lỏng: Trong một số trường hợp, chất tan cần hấp phụ có nồng độ cố định, chính vì thế, cần khảo sát lượng hạt cần thiết cho quá trình hấp phụ, nếu lượng hạt quá nhiều sẽ gây lãng phí, còn nếu quá ít sẽ không đạt được hiệu quả hấp phụ mong muốn

Nhiệt độ: Trong trường hợp hấp phụ vật lý, thường nhiệt độ tăng thì hiệu quả hấp phụ giảm, còn trường hợp hấp phụ hóa học, cần có nhiệt độ cao để đảm bảo năng lượng hoạt hóa

Bề mặt riêng: Thường trong quá trình hấp phụ, bề mặt riêng càng lớn thì hấp phụ càng tốt, điều đó chứng tỏ với hạt nhỏ hoặc hạt có mao quản xốp sẽ hấp phụ tốt hơn Thời gian lưu: Thời gian lưu có ảnh hưởng lớn tới hiệu quả của quá trình hấp phụ, thời gian lưu càng dài thì hấp phụ càng tốt, nhưng dài quá thì ảnh hưởng tới năng suất của quá trình

pH của chất bị hấp phụ: Mỗi chất hấp phụ sẽ hoạt động tối ưu ở một khoảng

pH nhất định, pH quá cao hoặc quá thấp sẽ khiến chất hấp phụ bị biến đổi, gây mất hoạt tính [8]

2.2.2 Vật liệu hấp phụ than hoạt tính

2.2.2.1 Định nghĩa

Than hoạt tính là chất có khả năng hấp phụ cao, thu được từ quá trình than hoá thích hợp các chất có nguồn gốc từ thực vật Từ cacbon chúng ta sẽ có được than hoạt tính, một chất hấp phụ xốp rất tốt, với các đặc tính tuyệt vời, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Than hoạt tính là một thuật ngữ thường được sử dụng cho một nhóm các chất hấp phụ dạng tinh thể, có cấu trúc dạng mao quản làm cho diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ tốt hơn.Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon, chiếm từ 85 đến 95% khối lượng Phần còn lại là các nguyên tố khác

như hydro, nitơ, lưu huỳnh, oxi… Có sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong quá trình hoạt hóa Thành phần của than hoạt tính thông thường là: 88% C; 0.5% H; 0.5% N; 1% S và 6-7% O Hàm lượng oxi có thể thay đổi từ 1 đến 20% tùy thuộc vào nguyên liệu và cách điều chế than hoạt tính Than hoạt tính có diện tích bề mặt khoảng 800 – 1500 m2/g chủ yếu là do các lỗ nhỏ có bán kính dưới 2 nm tạo ra, thể tích mao quản từ 0.2 – 0.6 cm3/g Mỗi năm khoảng

150 nghìn tấn than hoạt tính dạng bột được sản xuất, cùng với khoảng 150.000 tấn than dạng hạt và 50.000 tấn dạng viên hoặc thanh Nhiều nguyên liệu khác nhau có thể được sử dụng như gỗ, nhựa, đá hay các vật liệu tổng hợp để sản xuất than hoạt tính mà không cần đưa chúng về dạng cacbon, đồng thời vẫn có được hiệu quả tương tự Than hoạt tính sau khi sử dụng có thể được tái sinh (làm sạch hoặc giải hấp phụ) và có thể sử dụng hàng trăm, thậm chí hàng ngàn lần Than hoạt tính được sản xuất từ các nguyên liệu tự nhiên bằng cách than hóa và xử lý tiếp Trong quá trình này, một vài thành phần chuyển hóa thành khí và bay hơi khỏi nguyên liệu ban đầu tạo thành các lỗ trống xốp (mao quản).[8]

2.2.2.2 Cấu tạo của than hoạt tính

Diện tích bề mặt của than hoạt tính nếu tính ra đơn vị khối thì là từ 500 đến 2500m2/g Bề mặt riêng rất lớn là hệ quả của cấu trúc xơ rỗng mà chủ yếu là do thùa hưởng từ nguyên liệu hữu cơ xuất xứ, qua quá trình chưng khô (sấy) ở nhiệt độ cao trong điều kiện yếm khí Phần lớn các vết rỗng, nứt vi mạch đều có tính hấp phụ rất mạnh và chúng đống vai trò các rãnh chuyển tải (kẽ nối) Than hoạt tính thường được tự nâng cấp (ví dụ, tự rửa tro hoặc các hóa chất tráng mặt), để lưu giữ lại được những thuộc tính lọc hút, để có thể thấm hút được các thành phần đặc biệt như kim loại nặng Thuộc tính làm tăng ý nghĩa của than hoạt tính còn ở phương diện nó là chất không độc, gía thành sản xuất rẻ (được taọ từ gỗ và nhiều phế thải chất hữu cơ khác như từ vỏ, xơ dừa, tre) Chất thải của quá trình chế tạo than hoạt tính dễ dàng

bị tiêu hủy băng phương pháp đốt Nếu như các chất đã được lọc là những kim loại nặng thì việc thu hồi lại từ tro đốt, cũng rất rễ [8]

Hình 2.7: Hình ảnh than hoạt tính

2.2.2.3 Tính chất của than hoạt tính

* Tính chất vật lý

Kích thước hạt và bề mặt riêng của than hoạt tính

Trong quá trình sản xuất sự va chạm, khuấy trộn Các hạt than sơ khai thường

có cấu trúc khối cầu hoặc gần như khối cầu Các khối cầu nằm bên nhau trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nhau làm tăng kích thước cuả hạt để làm giảm năng lượng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi Những chuỗi thay đổi này không những trong quá trình sản xuất than mà cả trong quá trình gia công giữa than hoạt tính và cao su Có các phương pháp sản xuất than hoạt tính khác nhau nên có các loại than hoạt tính có tính chất khác nhau, hình dạng kích thước hạt khác nhau Nên trước khi đưa vào sử dụng cần xách định được các thông số (kích thước hạt, diện tích riêng bề mặt hạt than) Vì những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của cao su tăng cường lực bằng than họat tính

Cấu trúc vật lý của than hoạt tính:

Liên kết hóa học C-C đảm bảo cho cấu trúc có độ bền cao Số lượng các hạt than sơ khai có cấu trúc dao động từ vài hạt đối với than có cấu trúc thấp đến 600 hạt đối với than có cấu trúc cao Trong thời gian bảo quản của than hoạt tính các cấu trúc bậc nhất của than tiếp xúc với nhau, liên kết lại với nhau tạo thành liên kết bậc

2 của than Mức độ bền vững của cấu trúc bậc hai phụ thuộc vào độ bền liên kết giữa các cấu trúc bậc nhất và dao động trong khoảng độ bền của liên kết Vandecvan đến độ bền liên kết hydro trong than Cấu trúc bậc hai càng bền vững khi các hạt

than có kích thước càng nhỏ, mức đọ nhám của bề mặt càng lớn và hàm lượng các nhóm chứa oxy trên bề mặt than càng cao Cấu trúc bậc hai của than hoạt tính bị phá hủy hết khi hỗn luyện với cao su các cấu trúc này, tuy nhiên có thể tái hình thành khi bảo quản các thành phẩm lưu hóa và ngay cả khi sản phẩm đã lưu hóa Cấu trúc của than hoạt tính có thể xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử

Khối lượng riêng của than hoạt tính:

Khối lượng riêng than hoạt tính là đại lượng phụ thuộc vào phương pháp xác định nó Chẳng hạn nếu dùng rượu, axeton để xác định khối lượng riêng cho than hoạt tính thì rượu và axeton lại là phân tử quá lớn không luồn lỏi vào các khe, kẽ giữa của các hạt than, trên bề mặt của hạt than Như vậy thể tích do các hạt than chiếm sẽ lớn và khối lượng riêng sẽ nhỏ hơn khối lượng riêng thực của than Khối lượng riêng của than hoạt tính xác đinh bằng phương pháp này dao động trong khoảng từ 1800-1900 kg/m3 Khi xác định khối lượng riêng của than hoạt tính trong Heli lỏng nhận được từ giá trị 1900-2000 kg/m3 Khối lượng riêng của than hoạt tính được tính toán theo hằng số mạng tinh thể nhận giá tị từ 2160-2180 kg/m3 Than hoạt tính dạng bột là các hạt nằm sát bên nhau và ở các góc cạnh, các cung là không khí, vì thế khối lượng riêng của nó nhỏ hơn nhiều và dao động từ 80

÷ 300 kg/m3, phụ thuộc vào mức độ phát triển cấu trúc của than Than có cấu trúc càng lớn, khoảng trống giữa các cấu trúc càng nhiều và giá trị khối lượng riêng càng nhỏ Qua ứng dụng của than hoạt tính, người ta thấy rằng giá trị khối lượng riêng

1860 kg/m3 thường được sử dụng khá phổ biến [9]

* Tính chất hóa học của than hoạt tính

Than hoạt tính có cấu trúc mạng phẳng, cấu tạo từ các vòng cacbon, vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong vòng giống vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong benzen Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết hóa học như sau: Khoảng 3 - 7 mạng cacbon phẳng sắp xếp thành từng lớp, mạng này lên mạng khác, nhưng không trồng khít và chính xác như nhau mà các nguyên tử cacbon ở các mạng khác nhau nằm lệch nhau tạo thành các tinh thể sơ khai của than hoạt tính Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một mạng là 1,42 Aº, khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon tương ứng ở hai mạng kề nhau là 3,6-3,7 Aº

Trong mỗi tinh thể sơ khai của than hoạt tính chứa khoảng 100 ÷ 200 nguyên

tử cacbon Các tinh thể sơ khai sắp xếp tự do và liên kết với nhau để tạo thành các hạt than đầu tiên Số lượng các tinh thể sơ khai trong hạt than quyết định kích thước của hạt than, chẳng hạn than hoạt tính được sản xuất bằng phương pháp khuếch tán MacDG – 100 chứa khoảng 5000 ÷ 10000 tinh thể Trong quá trình sản xuất, do có

sự va chạm, khuấy trộn, các hạt than sơ khai thường có dạng khối cầu hoặc gần cầu Các khối cầu nằm bên trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nhau nhằm tăng kích thước của hạt để giảm năng lượng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi Hình dạng

và kích thước của chuỗi phụ thuộc vào tính chất của từng loại than Các chuỗi hạt như vậy được gọi là cấu trúc hạt bậc nhất của than hoạt tính Trong tinh thể khối của hạt than hoạt tính, các nguyên tử cacbon nằm ở mặt ngoài (cạnh hoặc mép) có mức độ hoạt động hóa học lớn, vì vậy nó là trung tâm của các quá trình oxy hóa tạo cho bền mặt than hoạt tính hàng loạt các nhóm hoạt động hóa học khác nhau Ngoài cacbon, trong thành phần hóa học của than hoạt tính còn có hydro, lưu huỳnh, oxy

và các chất khác Các nguyên tử này được đưa vào than hoạt tính cùng với nguyên liệu đầu và trong quá trình oxy hóa Sự có mặt của các hợp chất chứa oxy trên bề mặt than hoạt tính được chứng minh bằng phản ứng axit huyền phù trong nước của than hoạt tính

Bảng 2.6 Tóm tắt tính chất của một số lại than [10]

Bảng 2.7 Thành phần nguyên tó của một số loại than hoạt tính [10]

Loại than và công

dụng

Ký hiệu

Nguyên liệu đầu

Đường

kính trung bình hạt

A°

Diện tích

bề mặt hấp phụ

N 2 m 3 /g

Hàm lượng chất dễ bay hơi

nhiên 250-280 110-120 5,0 5

Than lò khí

Phân tán khô FF

Dầu hoặc Khí thiên nhiên

400-450 40-50 1,0 8-9

Môđun cao HMF

Dầu hoặc Khí thiên Nhiên

600 10-30 1,0 8-9

Bán tăng

cường SRF

Dầu hoặc Khí thiên nhiên

tán trung bình MT

Khí thiên nhiên 4700 7 0,5 8