Nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nước để tối ưu hóa thiết kế lò hoạt hóa cacbon

Nội dung đề tài Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết: nghiên cứu lý thuyết về động học phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nước, từ đó, xây dựng mô hình động học của phản ứng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thiện chương trình và thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình của các quý Thầy, Cô của Viện Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt là các Thầy, Cô của Bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất

Với đề tài "Nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi

nước để tối ưu hóa thiết kế lò hoạt hóa cacbon", tác giả xin chân thành cảm ơn

Thầy giáo hướng dẫn TS Phạm Ngọc Anh đã giành thời gian và tâm huyết để

hướng dẫn tác giả thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp này

Đồng thời tác giả xin cảm ơn các Thầy, Cô của Viện Kỹ thuật Hóa học đặc biệt là các thầy cô đã dạy và hướng dẫn tác giả trong thời gian tác giả học tại trường, đã tạo điều kiện tốt nhất để tác giả học tập và hoàn thiện tốt khóa học

Tác giả xin cảm ơn gia đình và các bạn trong lớp 13B-KTHH đã tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và hoàn thành tốt luận văn

Nguyễn Công Quý

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác, trừ các phần tham khảo đã đƣợc nêu rõ trong luận văn

Tác giả:

Nguyễn Công Quý

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC HÌNH 6

DANH MỤC BẢNG 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU THAN HOẠT TÍNH 10

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 10

1.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA THAN HOẠT TÍNH 13

1.2.1 CÁC ĐẶNG TRƯNG CƠ HỌC 13

1.2.2 CÁC ĐẶC TRƯNG HÓA LÝ 14

1.2.3 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA THAN HOẠT TÍNH 14

1.2.4 CẤU TRÚC XỐP CỦA THAN HOẠT TÍNH 15

1.3 PHÂN LOẠI THAN HOẠT TÍNH 18

1.3.1 PHÂN LOẠI THEO MISEC 18

1.3.2 PHÂN LOẠI THEO MECLENBUA 19

1.4 ỨNG DỤNG CỦA THAN HOẠT TÍNH 21

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH 25

2.1 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH 25

2.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH 26

2.2.1 QUÁ TRÌNH CACBON HÓA 26

2.2.2 QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA 26

2.3 MỘT SỐ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH 37

CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA CACBON BẰNG HƠI NƯỚC 39

3.1 LÝ THUYẾT ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG 39

3.1.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC, BẬC PHẢN ỨNG CỦA NHỮNG PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ 39

3.1.2 ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC DỊ THỂ 45

3.1.3 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC 47

3.2 ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA CACBON BẰNG HƠI NƯỚC 48

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HOÁ ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ CACBON BẰNG HƠI NƯỚC 60

4.1 XỬ LÝ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC 60

4.2 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH BẬC PHẢN ỨNG α VÀ HẰNG SỐ k 0 63

4.3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 64

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ CACBON BẰNG HƠI NƯỚC 65

5.1 SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ 65

5.2 THUYẾT MINH LƯU TRÌNH CÔNG NGHỆ 66

5.3 TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT 67

5.3.1 TỔNG NHIỆT CẤP VÀO 68

5.3.2 TỔNG NHIỆT TIÊU HAO 73

5.4 TÍNH CÂN BẰNG CHẤT 79

5.4.1 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CHẤT 79

5.4.2 TỐC ĐỘ CHUYỂN HOÁ THAN GÁO DỪA 82

5.4.3 THỜI GIAN PHẢN ỨNG 84

5.4.4 TÍNH SƠ BỘ CHIỀU DÀI LÒ 84

5.4.5 SỐ VÒNG QUAY CỦA LÒ 85

KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

1.1 Cấu trúc graphit của cacbon 13

2.1 Sơ đồ khối các công đoạn sản xuất than hoạt tính 25

2.2 Thiết bị hoạt hóa lớp tĩnh 32

2.3 Thiết bị hoạt hóa tầng sôi 33

2.4 Thiết bị hoạt hóa lò quay 34

2.5 CNSX cacbon hoạt tính theo phương pháp hoạt hóa hóa học bằng ZnCl2 35

2.6 CNSX cacbon hoạt tính theo phương pháp hoạt hóa hóa học bằng hơi nước 36

2.7 CNSX cacbon hoạt tính từ nguyên liệu than antraxit 36

3.1 Mô hình lớp vỏ không phản ứng 48

4.1 Sơ đồ thuật toán xác định bậc phản ứng và hằng số k0 61

4.2 Vận tốc chuyển hóa cacbon trung bình trong thí nghiệm chuyển hóa bằng hơi nước tại nhiệt độ là 800oC, 850oC, 900oC 64

4.3 Vận tốc chuyển hóa cacbon trung bình trong thí nghiệm chuyển hóa bằng CO2 tại nhiệt độ là 820oC, 860oC, 915oC 64

4.4 Sơ đồ thuật toán xác định bậc phản ứng và hằng số k0 65

5.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất than hoạt tính từ gáo dừa 67

DANH MỤC BẢNG

Trang

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Than hoạt tính đang ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên tất cả các lĩnh vực Chính vì vậy, để nâng cao năng suất, ta cần phải nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa cacbon, đặc biệt là phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nước với những ưu điểm của nó Trên hết, từ việc tìm ra mô hình động học của phản ứng, ta có thể ứng dụng để thiết kế, chế tạo lò hoạt hóa cacbon

2 Mục đích nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về động học phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nước, xây dựng mô hình động học của phản ứng và ứng dụng để thiết kế

lò hoạt hoá cacbon

3 Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Cơ sở khoa học của đề tài: tiến hành các nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa carbon bằng hơi nước: C + H2O

Ý nghĩa thực tiễn: trên cơ sở các nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa carbon bằng hơi nước xây dựng mô hình động học của phản ứng và trên cơ sở

đó ứng dụng để thiết kế lò hoạt hóa carbon

4 Nội dung đề tài

Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết: nghiên cứu lý thuyết về động học phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nước, từ đó, xây dựng mô hình động học của phản ứng chuyển hóa carbon bằng hơi nước, ứng dụng thiết kế lò hoạt hoá cacbon, cuối cùng phân tích và thảo luận các kết quả đạt được

5 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 5 chương:

- Chương 1: Tổng quan về vật liệu than hoạt tính

- Chương 3: Động học phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nước

- Chương 4: Tính toán mô hình hóa động học phản ứng chuyển hóa cacbon

- Chương 5: Tính toán thiết bị chuyển hóa cacbon bằng hơi nước

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU THAN HOẠT

TÍNH

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Cacbon hoạt tính là một chất hấp phụ, không cực, chứa 8598% cacbon, tuỳ theo các điều kiện sản xuất, phần còn lại là tro vô cơ Than hoạt tính có khả năng hấp phụ và giữ lại trên bề mặt những lượng lớn chất khí, hơi hay chất tan Chúng đã được sử dụng từ lâu đời nay với mục đích là chất hấp phụ trong quá trình phân tách, các quá trình làm sạch hệ khí và hệ lỏng, đồng thời chúng cũng được dùng như là các chất xúc tác hoặc chất mang xúc tác trong các quá trình hoá học xúc tác dị thể

Hiện nay, trong các ngành công nghiệp hoá học, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp dược phẩm…chất hấp phụ được sử dụng với một lượng rất lớn với mục đích tẩy màu, tẩy mùi, làm khô các hỗn hợp chất, thu hồi các dung môi quý, làm chất xúc tác, làm chất mang chất xúc tác… Trong các chất hấp phụ rắn thì than hoạt tính có vị trí quan trọng và phạm vi sử dụng rộng rãi nhất, vì than hoạt tính có khả năng giữ các khí, các hơi cũng như các chất tan tốt Chính hiện tượng hấp phụ

trên bền mặt chất rắn được phát hiện lần đầu tiên ở than gỗ

Từ thời xa xưa, khi con người chưa biết đến hấp phụ thì than gỗ không chỉ được sử dụng làm chất đốt mà còn được sử dụng trong y học để điều trị một số bệnh

về dạ dày và đường ruột

Hiện tượng hấp phụ vẫn không được mọi người biết đến cho tới năm 1785, viện sĩ hàn lâm khoa học Nga nhận thấy than gỗ có thể tẩy màu được nhiều dung dịch và đề nghị được dùng trong sản xuất axit lactric tinh thể Khi đó, những tài liệu đầu tiên về hấp phụ đã xuất hiện Đến năm 1793, Kenso đã biết sử dụng than gỗ để khử mùi hôi ở vết thương

Nhờ việc phát hiện ra hiện tượng hấp phụ mà người ta đã biết dùng than gỗ

để tẩy màu trong công nghiệp sản xuất đường và đến năm 1811 người ta đã nghiên cứu và chỉ ra rằng than xương tẩy màu dịch đường tốt hơn than gỗ rất nhiều và than xương nhanh chóng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp mía đường và cả củ cải đường

Cho đến cuối thế kỷ XIX, các nhà khoa học đã có nhiều cố gắng trong nghiên cứu, sản xuất than hoạt tính để tẩy màu từ các nguyên liệu khác nhau và đã đạt được những thành tựu nhất định Năm 1856, Stonhaul đã sản xuất thành công than tẩy màu bằng cách nung hỗn hợp bột hắc-ín và manhecarbonat Đến năm 1863,

đã sản xuất được than hoạt tính bằng cách cho hơi nước quá nhiệt và không khí tác dụng với than bùn Năm 1868, Willson và Seidel đã nung bã thải của quá trình sản xuất giấy với phốt phát cũng tạo ra được than tẩy màu

Sang đầu thế kỷ XX, Billse đã chế tạo thành công than hoạt tính tẩy màu có khả năng hấp phụ cao, khả năng tẩy màu cao gấp 20 tới 50 lần than xương Than này được sản xuất bằng cách trộn máu với pôtat sau đó nung, rửa và sấy, nó giữ được vị trí đứng đầu trong các loại than tẩy màu cho tới khi sản xuất được than hoạt tính hiện đại

Đối với các khí than thì từ khi phát hiện ra hiện tượng hấp phụ năm 1773 và trải qua các thí nghiện trong hơn 40 năm mới có công trình nghiên cứu định lượng

về hấp phụ trên than gỗ Công trình này được công bố do Derseal, theo ông thì than

gỗ hút khí khá nhanh, nhanh hơn cả các vật xốp khác Độ hấp phụ các chất trên than không những phụ thuộc vào bản chất hoá học của nó mà còn phụ thuộc vào trạng thái vật lý của nó như: than hạt hấp phụ tốt hơn than bột, than đã hấp phụ bão hoà một khí còn có thể hấp phụ thêm một số khí khác

Người đầu tiên nghiên cứu than gáo dừa là Hanter vào năm 1872, ông đã nghiên cứu và tìm ra rằng than gáo dừa có khả năng hấp phụ được các khí như: N2,

H2, NH3, HCN ở khoảng nhiệt độ từ 00C tới 700C Đến năm 1904, Dival nghiên cứu khả năng hấp phụ của than gáo dừa đối với N2, H2, O2, Ar và He ở những nhiệt độ thấp và đưa ra kết luận rằng than gáo dừa kết hợp với phương pháp lạnh thâm độ có thể tách phân đoạn các khí khỏi hỗn hợp

Đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về khả năng hấp phụ của than gáo dừa như: Horlflei đã nghiên cứu khả năng hấp phụ ở khoảng nhiệt độ từ - 1900

Cho tới đầu thế kỷ XX, việc nghiên cứu sản xuất than hoạt tính đã đạt được những thành tựu nhất định, song vẫn chưa đủ để chế tạo được than hoạt tính thương phẩm Mãi đến năm 1900 – 1901, nhà khoa học người Đức là Otstei đã mở đường cho việc phát triển công nghiệp sản xuất than hoạt tính bằng công trình mô tả quá trình cơ bản sản xuất than hoạt tính theo phương pháp kẽm clorua Theo phương pháp này, than hoạt tính được sản xuất bằng cách trộn nguyên liệu thực vật với dung dịch kẽm clorua rồi nung ở nhiệt độ thích hợp

Hiện nay, có rất nhiều loại nguyên liệu có thể sản xuất được than hoạt tính,

do đó cũng có nhiều chủng loại than hoạt tính khác nhau về màu sắc, tính chất và

ứng dụng Ngày nay, việc ứng dụng than hoạt tính đã trở nên rất rộng rãi, vì vậy việc nghiên cứu chi tiết và toàn diện cũng gặp nhiều khó khăn

Ở nước ta, từ những năm đầu của thập kỷ 60 đã có một số cán bộ hoá lý tham gia nghiên cứu chế tạo than hoạt tính dùng trong mặt nạ phòng độc phục vụ cho kháng chiến chống chiến tranh hoá học của đế quốc Mỹ Bên cạnh đó cũng nghiên cứu chế tạo các dạng than hoạt tính phục vụ nhu cầu phát triển công nghiệp, những nghiên cứu đã từng bước được áp dụng vào thực tế sản xuất Cho đến nay, nước ta đã có nhà máy sản xuất than hoạt tính như nhà máy sản xuất than hoạt tính Trà Bắc với công suất đạt 4000 tấn/năm

1.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA THAN HOẠT TÍNH

Than hoạt tính là một loại vật liệu hấp phụ chứa carbon, được hình thành bởi quá trình than hóa và hoạt hóa những hợp chất hữu cơ từ thực thể sống Đặc tính quan trọng nhất của nó là khả năng hấp phụ rất mạnh, do nó có một cấu trúc với độ xốp cao

1.2.1 CÁC ĐẶNG TRƯNG CƠ HỌC

a) Độ cứng: Độ cứng của cacbon hoạt tính được tính bằng lượng cacbon hoạt tính mẫu còn lại trên sàng 0,5 mm so với lượng cacbon hoạt tính mẫu ban đầu

b) Độ bền chịu mài mòn: Độ bền chịu mài mòn của cacbon hoạt tính được tính bằng lượng cacbon hoạt tính mẫu còn lại ở trên sàng 0,315 mm so với lượng cacbon hoạt tính mẫu ban đầu

1.2.2 CÁC ĐẶC TRƢNG HÓA LÝ

a) Cấu trúc tinh thể của cacbon hoạt tính: Cacbon hoạt tính là một loại vật liệu có cấu trúc graphit, các nguyên tử cacbon trên đỉnh các lục giác đều, nằm cách nhau những khoảng nhất định

b) Chỉ số xanh Methylen: Chỉ số xanh metylen là số millilit dung dịch xanh metylen có nồng độ 1,5g/l (0,15%) bị mất màu bởi 0,1 gam cacbon hoạt tính (đã nghiền mịn)

c) Chỉ số Iod: Chỉ số Iod là lƣợng Iod (tính bằng mg trong một dung dịch loãng 0,2N) đƣợc hấp phụ trên 1g cacbon hoạt tính (đã nghiền mịn)

d) Bề mặt riêng BET: Bề mặt riêng của các mẫu cacbon hoạt tính đƣợc xác định bằng phép đo hấp phụ nitơ ở nhiệt độ thấp

1.2.3 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA THAN HOẠT TÍNH

Than hoạt tính là một loại vật liệu có cấu trúc graphit, nét điển hính của cấu trúc graphit là sự xắp xếp các nguyên tử carbon trên đỉnh các lục giác đều và nằm cách nhau những khoảng nhất định Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ Rơnghen, Hoffmann thấy rằng, cacbon hoạt tính đƣợc hợp thành từ những tinh thể nhỏ kiểu grafit 1030  (13nm)

Các nguyên tử carbon đƣợc phân bố trong những mặt phẳng song song, chúng cách nhau một khoảng 1,42  và khoảng cách giữa các mặt lục giác là 3,35

 [1]

1.2.4 CẤU TRÚC XỐP CỦA THAN HOẠT TÍNH

Cấu trúc xốp của cacbon hoạt tính được đánh giá bởi thể tích các lỗ xốp tính cho một đơn vị khối lượng (cm3/g) hay một đơn vị thể tích (cm3/cm3) Quá trình hoạt hoá ngoài việc làm sạch bề mặt than khỏi các tạp chất hữu cơ cũng như làm sạch các tạp chất vô cơ có trong nguyên liệu ban đầu, để giải phóng các lỗ xốp do quá trình hoạt hoá tạo ra, nó còn phá huỷ một phần các tinh thể carbon nhằm tạo ra không gian trống giữa các tinh thể Nghĩa là tạo ra thêm lỗ xốp cho than

Khi thực hiện quá trình hoạt hoá thích hợp sẽ tạo ra trong than một lượng mao quản, tổng diện tích tạo thành các mao quản lớn, bề mặt riêng lớn thường khoảng 400 tới 1000 m2/g và có thể lên tới 2000 m2/g

Cấu trúc xốp của than được đánh giá bởi thể tích các lỗ xốp tính cho một đơn

vị khối lượng hay một đơn vị thể tích

Vx = - ≈ 0,65 ÷ 1,4 (cm3/g) [1]

3,35Å Hình 1.1: Cấu trúc graphit của carbon

(Trong than hoạt tính kỹ thuật thì: δ = 0,55 ÷ 0,9 g/cm3, d = 2,25 g/cm2)

Trong than hoạt tính có rất nhiều loại lỗ xốp khác nhau, từ dạng lỗ xốp lớn đến loại lỗ xốp nhỏ (gọi là cấu trúc xốp hỗn tạp) Do trong quá trình hoạt hoá, ngoài

sự hình thành lỗ xốp mới luôn có sự mở rộng kích thước lỗ xốp đã có sẵn Trong quá trình hấp phụ, mỗi dạng lỗ xốp có chức năng riêng, lỗ xốp nhỏ có ý nghĩa quan trọng về hấp phụ

Dạng xốp lớn

Những lỗ xốp có kích thước lớn, có thể quan sát trực tiếp bằng kính hiển vi quang học thì được xếp vào dạng xốp lớn

Khi nghiên cứu cấu trúc xốp của than hoạt tính bằng phương pháp nén thuỷ ngân thì vừa xác định được kích thước lỗ lớn vừa thiết lập được phân bố thể tích lỗ xốp lớn theo kích thước của chúng Do thuỷ ngân là chất không thấm ướt thành mao quản nên để nạp được thuỷ ngân vào các lỗ xốp phải dùng áp suất Ứng với áp suất ép thuỷ ngân là P, lượng thuỷ ngân ép được vào lỗ xốp là V thì bán kính của lỗ xốp nhỏ nhất trong số những lỗ được nạp thuỷ ngân sẽ là:

Cũng như dạng xốp lớn, có thể dùng phương pháp ép thuỷ ngân để nghiên cứu dạng xốp trung Nhưng thường nghiên cứu dạng xốp trung bằng phương pháp hấp phụ và dựa vào những biến đổi trên đường đẳng nhiệt hấp phụ để đánh giá tính xốp của nó

Chẳng hạn xét quá trình hấp phụ hơi trên than hoạt tính trong khoảng

áp suất tương đối: ⁄ = 0 ÷ 1 Khi áp suất tương đối còn thấp bề mặt than được phủ lớp đơn phân tử chất bị hấp phụ Tăng áp suất sẽ có sự hình thành các lớp tiếp theo, hấp phụ bây giờ là đa lớp Nếu trong than có những lỗ xốp đường kính vượt quá kích thước phân tử bị hấp phụ một số lần, thì khi áp suất tỷ đối tiến tới khoảng

⁄ = 0,2 ÷ 0,3 lượng chất bị hấp phụ mà than hút giữ sẽ bị vượt quá lượng ứng với hấp phụ đa lớp

Ở đây song song với hấp phụ đa lớp, còn quá trình khác xảy ra theo

cơ chế ngưng tụ mao quản Do tăng áp suất trong pha khí, độ dày lớp hấp phụ đa phân tử tăng cho đến lúc màng chất hấp phụ kết hợp lại tại nơi tiết diện lỗ nhỏ nhất tạo ra mặt khum lỏng Khi chất hấp phụ thấm ướt thành mao quản mặt khum sẽ là mặt lõm, ở đây hơi ngưng tụ áp suất thấp hơn áp suất hơi bão hoà

Hiệu ứng nạp đầy lỗ xốp nhỏ xảy ra theo một cơ chế khác với ngưng

tụ mao quản nạp đầy lỗ trung Theo lý thuyết thế của hiện tượng hấp phụ trên thành đối diện của lỗ nhỏ rất gần nhau, trường hấp dẫn che phủ lẫn nhau Phân tử các chất

bị hấp phụ rơi vào trường sẽ chịu tác dụng rất mạnh trong lỗ nhỏ và ngay ở áp suất rất thấp đã chuyển thành trạng thái lỏng nạp đầy lỗ nhỏ Ở đây, sự nạp đầy và sự khử rỗng diễn ra thuận nghịch Một thay đổi vô cùng nhỏ áp suất trong pha hơi, ở giai đoạn bất kỳ nào của quá trình hấp phụ cũng dẫn đến sự chuyển dịch cân bằng theo chiều ngược lại, đưa hệ về điểm nó đã đi qua

Trong quá trình hấp phụ mỗi dạng lỗ xốp có chức năng riêng, nhưng xốp nhỏ có ý nghĩa lớn nhất về hấp phụ vì bề mặt riêng của nó lên tới cả ngàn m2/g

Lỗ xốp trung có vai trò trong hai lĩnh vực, về hấp phụ nó là nơi xảy ra ngưng tụ mao quản khi áp suất đủ lớn, tác dụng thứ hai là làm đường dẫn chất bị hấp phụ vào

lỗ xốp nhỏ Còn vai trò của lỗ xốp lớn chủ yếu là tạo điều kiện để phân tử bị hấp phụ nhanh đạt tới những lỗ xốp nhỏ hơn, nằm sâu hơn trong hạt than, bề mặt riêng của lỗ xốp lớn nhỏ, bán kính lỗ xốp lại lớn nên chúng không có vai trò gì trong hấp phụ nhưng có vai trò rất lớn trong vận tải chất vào bên trong phân tử

1.3 PHÂN LOẠI THAN HOẠT TÍNH

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại than hoạt tính và được phân loại theo nhiều cách khác nhau như: phân loại theo hình dáng hạt, phân loại theo phạm

vi ứng dụng…

1.3.1 PHÂN LOẠI THEO MISEC

Than bột

Loại than này được dùng tẩy màu và dùng trong y tế Vì khả năng khuyếch tán trong dung dịch nhỏ nên quá trình hấp phụ xảy ra trong dung dịch chậm Để tăng cường thiết lập cân bằng hấp phụ, than được nghiền thành dạng bột mịn

Nguyên liệu sản xuất chủ yếu là mùn cưa

Than hạt

Loại than này được dùng chủ yếu để hấp phụ khí và hơi, vì vậy còn có tên là than khí Ngoài ra than này còn được dùng trong hấp phụ dung dịch, đặc biệt là trong quá trình xử lý nước

Than hạt là loại được dùng phổ biến trong công nghiệp hoá học với nhiệm vụ chủ yếu là tác một số chất trong hỗn hợp nhờ quá trình hấp phụ

Than hạt có thể ở dạng mảnh hoặc dạng trụ Nguyên liệu được nghiền đến kích thước nhất định trước khi hoạt hoá Ngoài ra, nguyên liệu cũng có thể được chuẩn bị ở dạng vữa được ép thành sợi, sau đó sợi được cắt thành hạt để tiếp tục các nhiệm vụ sản xuất khác

1.3.2 PHÂN LOẠI THEO MECLENBUA

Than tẩy màu

Đây là loại than hoạt tính cơ bản, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp để tẩy màu dung dịch Ở đây, than hấp phụ các chất bẩn có màu, kích thước phân tử có màu thay đổi trong phạm vi rộng từ dạng phân tử thông thường tới dạng phân tử lớn và tới dạng tiểu phân tử có độ phân tán keo

Than tẩy màu được dùng ở dạng bột mịn, có kích thước trong khoảng 80μm -

100 μm

Trong than tẩy màu còn được chia thành than kiềm, than axit và than trung tính

Than y tế

Than có khả năng hấp phụ các chất dạng tán keo trong dạ dày và ruột Đây cũng là loại than tẩy màu nhưng có độ sạch cao hơn và trong sản xuất không dùng những chất tẩm có chứa cation độc như: Mg2+, Cu2+, Zn2+…

Than hấp phụ

Tuỳ theo mục đích và chế độ sử dụng mà ta chia làm ba loại:

+ Than ngưng tụ: Than được dùng để gom hơi của các chất hữu cơ có trong không khí như tách Benzen khỏi các khí thiên nhiên nhằm thu hồi dung môi dễ bay hơi đưa trở lại quá trình sản xuất

Than có độ hoạt tính cao, độ bền cơ cao và trở lực lớp than đối với dòng khí nhỏ, khả năng giữ các chất bị hấp phụ thấp

Than thường được sản xuất dưới dạng biến tính định hình hay dạng mảnh có đường kính khoảng 2 – 8 mm

+ Than khí: Than này có khả năng hấp phụ chọn lọc các khí

và hơi, có thể dùng than này hấp phụ các khí và hơi ra khỏi hỗn hợp của chúng

Than được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp dầu mỏ để làm sạch các khí thơm, làm sạch không khí, làm sạch nước…

Than được sản xuất dưới dạng mảnh hay định hình

+ Than xúc tác: Cũng thuộc loại than khí nhưng có độ xốp lớn hơn Có thể dùng làm chất xúc tác tổng hợp nhiều chất vô cơ cũng như các chất hữu cơ khác

Ngoài ra, than hoạt tính còn được phân loại theo Dubinin gồm 3 loại: than hoạt tính hấp phụ khí, than hoạt tính thu hồi dung môi, than hoạt tính tẩy màu

1.4 ỨNG DỤNG CỦA THAN HOẠT TÍNH

Than hóa các vật liệu chứa cacbon có nguồn gốc thực vật thu được hàng loạt các sản phẩm có giá trị, tập trung trong hơi nhiệt phân Từ hơi nhiệt phân ngưng tụ, người ta có thể tách ra các sản phẩm hoá học có giá trị cao như: metanol, phenol, axit axetic, các loại dầu nhựa

Trong quá trình hoạt hoá, sản phẩm chính là cacbon hoạt tính Cacbon hoạt tính có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp hoá chất như: thu hồi dung môi trong công nghệ hóa học; khử mùi và các chất độc trong không khí cấp và khí thải; xử lý khí SO2 khỏi các nguồn khói khí thải (khói); xử lý H2S; xử lý các đồng vị phóng xạ; mặt nạ phòng độc; phân tách hỗn hợp khí; tẩy màu và làm sạch các sản phẩm lỏng, dung dịch; tẩy màu, làm sạch các hóa chất cơ bản và dược phẩm; hoặc ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, y tế…

Khả năng ứng dụng của than hoạt tính phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của than hoạt tính như: cấu trúc xốp, tính hấp phụ, tính chất cơ học…

Than hoạt tính đã được sử dụng từ lâu làm chất hấp phụ trong nhiều lĩnh vực khác nhau Hiện nay, than hoạt tính được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt trong công nghiệp xử lý nước và môi trường

Ngày nay, việc ứng dụng rộng rãi than hoạt tính vào đời sống sinh hoạt của con người là rất cần thiết khi môi trường sống của chúng ta ngày càng biến đổi theo chiều hướng bất lợi cho sức khoẻ, nguồn nước sinh hoạt ngày càng khan hiếm và bị nhiễm bẩn các chất thải công nghiệp, không khí thì ngày một ô nhiễm do khí thải động cơ và các nhà máy công nghiệp gây ra

Việc sử dụng than hoạt tính trong vấn đề này đã được một nhóm nghiên cứu của công ty cổ phần xây dựng môi trường phong thủy Hà Nội thử nghiệm tại một số gia đình tại Hà Nội và Hòa Bình và kết quả cho thấy tại các gia đình đó môi trường sống được cải thiện rõ rệt, mùi hôi và ẩm mốc trong nhà giảm, không khí được lọc sạch và sức khỏe của người sống trong nhà cũng được nâng lên Và người ta nhận thấy rằng xung quanh không gian than hoạt tính luôn có một trường điện từ có tính hấp thụ cực mạnh do nó sản sinh ra Trường điện từ này cũng là một trường sạch vì quá trình hình thành cũng là quá trình tiêu thụ các phân tử khí có hại, ion dương tồn tại trong không khí và bức xạ hồng ngoại

Ngày nay mọi nguồn nước sinh hoạt của người dân hầu hết bị ô nhiễm nặng Theo báo cáo mới đây của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) cho thấy, 80% các bệnh tật của con người có liên quan đến nước và vệ sinh môi trường mà ta biết rằng không

có một công nghệ xử lý nước nào có thể đảm bảo làm sạch hết các độc chất có trong nước gây hại cho sức khỏe cho con người Vì vậy chúng ta phải tìm con đường khác, biện pháp khác đơn giản hơn tiết kiệm hơn để làm sạch nguồn nước sinh hoạt

mà không làm thay đổi tính chất của nước và đảm bảo được sức khỏe người sử dụng, đó là sử dụng những chất hấp phụ Những chất có khả năng hấp phụ thì rất nhiều, việc lựa chọn và sử dụng hợp lý chất hấp phụ nào cũng rất cần thiết Muốn

sử dụng chính xác một chất hấp phụ nào đó ta cần biết được tính chất hóa học cũng

như tính chất vật lý của nó cũng như giá thành của nó trên thị trường có phù hợp không

Than hoạt tính là chất hấp phụ lí tưởng bởi vì diện tích bề mặt hấp phụ của

nó vô cùng lớn, kích thước các khe mao quản nhỏ và trong quá trình hấp phụ nó không sinh ra bất kì một chất nào khác cũng như bản thân nó là chất hấp phụ không độc Than hoạt tính có khả năng hấp phụ tất cả các chất không phân cực, phân cực hay là các kim loại nặng là nguyên nhân chính gây nên các bệnh tật nguy hại cho sức khỏe con người

Ngoài việc sử dụng than hoạt tính trong lọc nước sinh hoạt người ta còn sử dụng than hoạt tính trong việc lọc sạch không khí, khử mùi hôi trong tủ lạnh, trong điều hòa không khí, trong đầu lọc thuốc lá Hay sử dụng để làm sạch không khí trong bệnh viện khử mùi tạp uế và tạo ra môi trường vô trùng

Trong y tế, than hoạt tính còn được biết đến như một loại dược phẩm quan trọng (carbon medicinalis) dùng để tẩy trùng và hấp phụ các độc tố sau khi bị ngộ độc thức ăn Hay gần đây nhất người ta nghiên cứu sử dụng than hoạt tính chữa bệnh Gút một căn bệnh khá phổ biến hiện nay

Trong công nghiệp Hóa chất và Thực phẩm, than hoạt tính được sử rộng rất rộng rãi Ngay từ thế kỷ trước người ta đã sử dụng một lượng lớn than xương một dạng khác của than hoạt tính để tẩy màu dung dịch đường trong ngành công nghiệp mía đường Trong công nghiệp hóa chất, than hoạt tính được sử dụng làm chất xúc tác cho các phản ứng hóa học như phản ứng tổng hợp benzen từ axetilen hay được dùng làm các chất mang xúc tác cho các phản ứng hóa học Trong các ngành công nghiệp hóa học sử dụng một số dung môi là cần thiết nhưng hầu hết các dung môi

đó đều gây độc hại hoặc có giá thành tương đối cao, việc thải trực tiếp ra môi trường là rất nguy hiểm và gây ô nhiễm môi trường, hủy hoại sinh thái hay một số

dung môi có giá trị kinh tế cao cần phải thu hồi lại Than hoạt tính ngoài khả năng hấp phụ thu hồi một số dung môi hay là các kim loại nặng mà còn có khả năng phân tách riêng các hỗn hợp với nhau dựa vào khả năng hấp phụ khác nhau của các chất Trong công nghiệp người ta thường sử dụng tính chất này của than hoạt tính để phân tách riêng các dung môi với nhau

Trong lĩnh vực quân sự, từ thế kỉ trước người ta đã dùng than hoạt tính để khử mùi hôi của các vết thương cho các binh sĩ Nhưng ứng dụng thật sự của nó là làm mặt nạ phòng độc để chống lại các cuộc chiến tranh bằng vũ khí hóa học Nó được bắt nguồn từ sự việc tháng 4 – 1945 trên chiến địa giữa quân Pháp và Đức trong cuộc đại chiến thế giới thứ II, quân Đức đã phóng ra một loại chất độc hóa học có màu vàng xanh theo hướng gió thổi về phía quân Pháp làm cho binh sĩ bị ngạt thở và bị lở loét tại những chỗ bị nhiễm chất độc Để đối phó với hình thức chiến tranh mới này các nhà khoa học đã bắt tay vào nghiên cứu một loạt các biện pháp nhằm hạn chế thấp nhất thiệt hại của nó gây ra Các nhà khoa học quân sự phát hiện ra rằng đa số các chất độc đều ở thể lỏng và lực liên kết giữa các phân tử của chúng tương đối lớn so với khí oxy Dựa vào sự khác biệt đó, các nhà khoa học phát hiện ra một loại vật chất có thể chống lại khí độc đó, đó là than hoạt tính Ngay lập tức than hoạt tính được sử dụng làm mặt nạ phòng độc

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH

2.1 NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH

Hiện nay ở nước ta có rất nhiều loại nguyên liệu có thể dùng để sản xuất than hoạt tính mà trước đây chỉ được sử dụng để làm nhiên liệu đốt lấy nhiệt hoặc dùng làm phân hữu cơ Ngày nay, khoa học phát triển và nhu cầu về than hoạt tính ngày càng tăng nên người ta tận dụng nguồn nguyên liệu này để sản xuất than hoạt tính,

do đó những loại nguyên liệu này ngày càng trở nên quan trọng trong công nghiệp sản xuất than hoạt tính

Các loại nguyên liệu dùng để sản xuất than hoạt tính bao gồm các loại phế liệu thực phẩm như các phế liệu từ gỗ do các xí nghiệp chế biến nông – lâm sản thải

ra Ví dụ như: xí nghiệp tinh dầu Lạng Sơn mỗi năm thải ra hàng ngàn tấn bã hồi, hàng năm các nhà máy đường từ Bắc vào Nam thải ra một lượng bã mía khổng lồ,

xí nghiệp dầu Tùng Mậu – Lâm Đồng thì thải ra than thông, các tỉnh phía Nam thì

có một lượng gáo dừa rất lớn như Bến Tre, Trà Vinh…

Những nguyên liệu dùng để sản xuất than hoạt tính gồm những nguyên liệu sau:

+) Nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật như:

2.2 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH

Do đặc trưng của các nguồn nguyên liệu là khác nhau nên đã có nhiều loại cacbon hoạt tính khác nhau: về kích thước, về độ bền cơ, về tính chất hấp phụ, và cũng đã có nhiều phương pháp công nghệ sản xuất khác nhau Công nghệ của quá trình sản xuất cacbon hoạt tính đi từ nguồn gốc thực vật gồm các giai đoạn sau:

2.2.1 QUÁ TRÌNH CACBON HÓA

Nguyên tắc của quá trình sản xuất than gỗ là dùng nhiệt để phân huỷ gỗ trong điều kiện không có không khí Dưới tác dụng của nhiệt từ nhiệt độ thường đến nhiệt

độ 170°C gỗ bị khô dần, từ 170280°C gỗ bị phân huỷ theo những quá trình thu nhiệt Tiếp theo từ nhiệt độ 280380°C xảy ra sự phân huỷ tỏa nhiệt, giải phóng metanol, hắc-in Quá trình cacbon hoá xem như kết thúc ở 600°C

2.2.2 QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA

Tiếp theo quá trình cacbon hoá là quá trình hoạt hoá Mục đích của quá trình này là giải phóng độ xốp sơ cấp đã có sẵn trong cacbon, đồng thời tạo thêm lỗ xốp thứ cấp cho cacbon, làm cho cacbon có độ hoạt tính cao

Phương pháp hoạt hoá hoá học: với phương pháp hoạt hóa hóa học, người ta

đưa tác nhân hoạt hoá bao gồm một hay nhiều chất vô cơ như: ZnCl2, H3PO4…vào nguyên liệu ban đầu, sau đó cacbon hoá nguyên liệu cacbon đã được tẩm hoá chất ở những nhiệt độ khác nhau và trong những khoảng thời gian thích hợp

Phương pháp hoạt hoá hoá lý: thật ra ở đây người ta cũng sử dụng các chất

oxy hoá như: hơi nước, khí carbonic…làm tác nhân hoạt hóa tác dụng với cacbon nguyên liệu Khi mức độ hoạt hoá chưa cao, tác nhân hoạt hoá tác dụng với cacbon

vô định hình và cacbon mạch cao nằm trên bề mặt, giải phóng lỗ xốp sơ cấp đã có sẵn trong các phân tử cacbon Tiếp theo là chúng tác dụng với phần ngoài cùng của cacbon, làm chuyển hóa một phần cacbon tinh thể, tạo ra hệ thống các lỗ xốp cho cacbon

Do tính chất khác nhau của nguyên liệu nên có nhiều loại than hoạt tính khác nhau về khả năng hấp thụ Do đó cũng có nhiều phương pháp, công nghệ sản xuất khác nhau, tính chất của nguyên liệu ảnh hưởng rất lớn tới quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm như: lượng tro có trong nguyên liệu, cấu trúc xốp của nguyên liệu…

Trong giai đoạn đầu của quá trình sản xuất, nguyên liệu chủ yếu từ gỗ và phế liệu từ gỗ Cho đến năm 1911 mới phát triển ra các loại nguyên liệu khác như gáo dừa

Công nghệ sản xuất than hoạt tính được mô tả theo sơ đồ sau:

5-Hoạt hoá 6-Phân loại 7-Sản phẩm

Hình 2.1: Sơ đồ khối các công đoạn sản xuất than hoạt tính

GIAI ĐOẠN GIA CÔNG CƠ

Giai đoạn gia công cơ là giai đoạn dùng các phương pháp cơ học làm giảm kích thước hạt và tạo cho nguyên liệu có độ đồng đều về kích thước

Trong giai đoạn gia công cơ, các máy được sử dụng để làm giảm kích thước hạt là các máy đập, nghiền Hiện nay, có rất nhiều loại máy đập, nghiền khác nhau đều có tác dụng giảm kích thước nguyên liệu như: máy đập búa, máy đập má, máy nghiền bi, máy nghiền con lăn, máy nghiền trục… Ở đây, ta sử dụng loại máy nghiền trục vì nguyên liệu được lấy từ tự nhiên nên kích thước ban đầu không đồng đều, nên việc điều chỉnh máy nghiền trục để cho ra kích thước hạt đồng đều là tương đối dễ dàng so với các máy nghiền khác

Như việc sử dụng máy nghiền bi, nếu muốn kích thước hạt đồng đều ta phải điều chỉnh cỡ bi và khối lượng bi trong máy Nếu dùng máy đập búa, để điều chỉnh kích thước hạt ta phải điều chỉnh khe hở giữa các thanh ghi Trong khi sử dụng máy nghiền trục ta chỉ phải điều chỉnh khoảng cách giữa các trục nghiền, thao tác sẽ đơn giản hơn rất nhiều

GIAI ĐOẠN SẤY

Giai đoạn sấy là quá trình dùng nhiệt để làm bốc hơi lượng ẩm trong nguyên liệu, giúp nguyên liệu trở nên khô hơn, thuận lợi hơn cho các công đoạn sau

Các máy và thiết bị sử dụng cho quá trình sấy là các loại máy sấy Có rất nhiều các phương pháp sấy khác nhau, tương ứng với nó là sự phong phú về chủng loại máy sấy như: sấy xuôi chiều, sấy thùng quay… Trong dây chuyền công nghệ này ta sử dụng loại máy sấy thùng quay với kiểu sấy xuôi chiều nhằm mục đích gia nhiệt cho nguyên liệu và làm thoát ẩm Chọn loại máy sấy thùng quay vì yêu cầu về

GIAI ĐOẠN THAN HOÁ (NHIỆT PHÂN)

Từ xa xưa, người ta đã biết sản xuất than gỗ để phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt, làm nguyên liệu cho công nghiệp luyện kim Sau này, than gỗ còn được dùng

để sản xuất S2C, đặc biệt để sản xuất than hoạt tính

Nguyên tắc của quá trình sản xuất than gỗ là dùng nhiệt để phân huỷ gỗ trong điều kiện không có không khí Dưới tác dụng của nhiệt độ, gỗ bị khô dần trong khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ thường tới 170°C, từ 170°C tới 280°C gỗ bị phân huỷ theo những quá trình thu nhiệt (ở đây các hợp phần của gỗ bị biến tính, giải phóng oxit carbon, khí carbonic, axit acetic…), tiếp theo trong khoảng nhiệt độ 280°C đến 380°C xảy ra sự phân huỷ phát nhiệt giải phóng metanol và hắc-in… Quá trình carbon hoá coi như kết thúc ở 600°C Sản phẩm rắn thu được là than gỗ

có độ chắc giảm đi rất nhiều so với nguyên liệu ban đầu, nhưng hình dạng bên ngoài và cấu trúc dạng sợi vẫn giữ nguyên chỉ thay đổi về cấu trúc bên trong như độ xốp tăng, diện tích bề mặt riêng lớn…

Thành phần nguyên tố của sản phẩm ít phụ thuộc vào thành phần của vật liệu

mà chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ cuối của quá trình chưng gỗ Khi nhiệt độ than hoá càng tăng thì hàm lượng hydro và oxy trong gỗ càng giảm, than thu được càng giàu carbon, tức là sản phẩm thu được có chất lượng càng cao

Hiệu suất thu hồi than gỗ phụ thuộc vào nguyên liệu và tốc độ than hoá, tốc

độ than hoá càng thấp thì hiệu suất thu hồi than càng cao và ngược lại Khi tốc độ than hoá lớn thì các phân tử than không được chuyển hoá hoàn toàn, khi đó các phân tử than nhanh chóng thoát khỏi vùng phản ứng, không kịp phân huỷ tiếp để chuyển hoá carbon và chuyển thẳng vào nhựa gỗ

Trong quá trình than hoá, các nguyên tử carbon được giải phóng, tập hợp thành tinh thể cơ bản dạng graphit và tập hợp thành than gỗ Tuy nhiên, sự xắp xếp các tinh thể trong mạng lưới không hoàn toàn đều nhau như trong graphit mà nó có những khe, rãnh và những khoảng trống trong than Tổng không gian rỗng trong quá trình than hoá tạo ra chính là quá trình sắp xếp sơ cấp của than

Tóm lại, quá trình than hoá chỉ là quá trình tạo độ xốp sơ cấp của than, cho nên khả năng hấp phụ yếu và dung tích hấp phụ nhỏ Để tăng khă năng hấp phụ và dung tích hấp phụ của than ta phải tiến hành bước thứ hai, tức là phải qua giai đoạn hoạt hoá để phát triển lỗ xốp sơ cấp và tăng độ xốp cho than

Lò than hoá là thiết bị dùng với mục đích thoát chất bốc trong nguyên liệu để làm tăng hiệu suất cho quá trình hoạt hoá Với yêu cầu của quá trình nên thiết bị lò than hoá phải đảm bảo kín, do quá trình than hoá diễn ra trong môi trường không có không khí, nếu có mặt không khí, than hoạt tính tạo thành ở nhiệt độ cao sẽ bốc cháy cùng không khí, như vậy sản phẩm sẽ không còn là than hoạt tính

GIAI ĐOẠN HOẠT HOÁ

Quá trình hoạt hoá than trong sản xuất than hoạt tính có ý nghĩa rất lớn, vì vậy người ta tập trung cố gắng vào nghiên cứu quá trình này Khi đi sâu vào nghiên cứu cấu trúc xốp của than, người ta đã nhận thấy phương pháp hoạt hoá có ảnh hưởng rất lớn lên cấu trúc xốp của sản phẩm do quá trình than hoá tạo ra như hắc-

ín, than vô định hình… Từ đó ảnh hưởng đến quá trình hoạt hoá và tính chất của sản phẩm

Việc lựa chọn nguyên liệu cho sản xuất than hoạt tính phải dựa vào thành phần các hợp chất hữu cơ của nguyên liệu Nguyên liệu tốt là loại chứa các hợp chất

no phân tử lớn mà tạo ra carbon có cấu trúc graphit hoá Quá trình nhiệt phân phải được thực hiện nhanh, làm giảm thời gian tiếp xúc của carbon mới hình thành với sản phẩm của quá trình nhiệt phân

Tiếp theo quá trình than hoá là quá trình hoạt hoá Mục đích của quá trình hoạt hoá là giải phóng độ xốp sơ cấp đã có sẵn trong than, đồng thời tạo thêm lỗ xốp thứ cấp cho than, làm cho than có hoạt tính cao

Đối với quá trình hoạt hoá, có thể chia thành hai loại là hoạt hoá hoá học và hoạt hoá vật lý:

Phương pháp hoạt hoá hoá học dùng với các tác nhân oxy hoá như: hơi nước, carbonic… làm tác nhân tác dụng với than nguyên liệu Khi mức độ hoạt hoá chưa cao, tác nhân hoạt hoá tác dụng với carbon vô định hình và carbon mạch cao nằm trên bề mặt than, giải phóng lỗ xốp đã có sẵn trong than Tiếp theo, chúng tác dụng với phần ngoài cùng của than, làm cháy một phần carbon tinh thể tạo độ xốp cho than Người ta cũng sản xuất than hoạt tính bằng cách đưa tác nhân hoạt hoá gồm một hay nhiều chất vô cơ như: K2S, ZnCl2… vào nguyên liệu, sau đó than hoá nguyên liệu đã được tẩm ở những nhiệt độ khác nhau và trong những khoảng thời gian thích hợp Các tác nhân hoạt hoá hoá học một mặt làm nguyên liệu dễ bị than hoá hơn, mặt khác hạn chế việc tạo ra hắc-ín

Quá trình hoạt hoá hoá học

Tác nhân hoạt hoá có thể làm biến tính các phân tử cellulose bằng tác dụng điện ly, bằng phản ứng phân huỷ, bằng phản ứng oxy hoá… Các tác nhân hoá học đã phá vỡ các liên kết ngang, làm cho các phân tử cellulose khử đồng phân hoá, thậm chí còn làm thay đổi bản chất hoá học của cellulose Tác dụng quan trọng nhất của tác nhân hoạt hoá hoá học là khử hydrat, tạo điều kiện cho hợp chất hữu cơ dễ

bị phân huỷ dưới tác dung của nhiệt, đồng thời ngăn cản quá trình nhiệt phân tạo ra sản phẩm không bị carbon hoá như hắc-ín Đối với các tác nhân hoạt hoá như K, Na… thì không loại trừ khả năng các nguyên tử xâm nhập vào mạng lưới carbon làm ảnh hưởng tới cấu trúc tinh thể của sản phẩm

Công nghệ sản xuất than hoạt tính bằng phương pháp hoạt hoá hoá học bao gồm: tẩm tác nhân hoạt hoá vào nguyên liệu sau đó nung nguyên liệu đã tẩm trong lò quay với điều kiện không có không khí ở nhiệt độ nung và thời gian thích hợp

Sau khi tham gia vào quá trình hoạt hoá, tác nhân hoạt hoá lại được tách ra khỏi sản phẩm Thông thường quá trình hoạt hoá hoá học được thực hiện ở khoảng nhiệt độ 400°C đến 1000°C Khi tẩm tác nhân hoạt hoá phải chú ý, vì tỷ lệ khối lượng chất hoá học và lượng vật liệu được tẩm có ảnh hưởng tới độ xốp của than sản phẩm

Quá trình hoạt hoá hoá lý

Các thành phần khí và hơi nước trong không gian carbon hoá và không gian hoạt hoá có ảnh hưởng nhiều tới tính chất của sản phẩm Rutz đã nghiên cứu tác dụng hoạt hoá của nhiều khí và hơi, các khí tác dụng hoạt hoá tốt nhất là

CO2, H2O, SO2… và ông cho rằng hơi nước hoạt hoá tốt nhất ở khoảng 800°C tới 900°C, nếu hoạt hoá ở 500°C thì phản ứng chỉ tạo ra CO2 và H2, H2 bị hấp phụ trên than nên kết quả là sản phẩm có hoạt tính thấp Phản ứng khử CO2 và phản ứng carbon phân huỷ nước không những quan trọng đối với quá trình hoạt hoá than mà còn là những quá trình kỹ thuật rất phổ biến

Thiết bị hoạt hoá

Hiện nay, có rất nhiều dây chuyền công nghệ sản xuất than hoạt tính với nhiều loại thiết bị khác nhau như: sản xuất than hoạt tính bằng thiết bị lớp tĩnh, sản xuất than hoạt tính bằng thiết bị tầng sôi, sản xuất than hoạt tính bằng thiết

bị lò quay… Các dây chuyền sản xuất than hoạt tính khác nhau chủ yếu là khác nhau ở thiết bị hoạt hoá, các thiết bị còn lại gần như là giống nhau

Trong công nghệ sản xuất than hoạt tính thì khâu hoạt hoá than là quan trọng nhất, vì đó là nguồn tạo ra than hoạt tính có độ xốp cao Than sau khi được than hoá đi vào giai đoạn hoạt hoá dưới tác dụng của tác nhân hoạt hoá là hơi nước

Những thiết bị dùng cho quá trình hoạt hoá được chia làm ba nhóm chính sau:

Thiết bị hoạt hoá lớp tĩnh

Là loại lò được cố định, bên trong được lắp với một hệ thống ống trụ nhỏ, chiều cao lò khoảng 10m ÷ 20m, ống trụ bên trong được tạo bằng các viên gạch chịu lửa hình mái đặc biệt

Nguyên liệu để hoạt hoá được đổ đầy vào khoảng không bên trong và

nó di chuyển bằng trọng lực đi xuống dưới ống trụ tại một vị trí nhất định bằng những khoang mà tại đó ống nhỏ trung tâm xoắn tại đáy của lò được mở ra Thời gian qua ống trung tâm khoảng 70 giờ

Hình 2.2: Thiết bị hoạt hoá lớp tĩnh

Lò đƣợc chia làm ba phần:

+) Phần đầu là phần than hoá

+) Phần giữa là phần hoạt hoá

+) Phần cuối là phần làm lạnh

Ƣu điểm của lò này là có khả năng tăng đƣợc độ bền của vỏ lò Nhƣng nhƣợc điểm là nó đƣợc cấp nhiệt bên ngoài, do đó thiết bị cồng kềnh, chi phí ban đầu cao, thiết bị làm việc gián đoạn nên năng suất thấp, đặc biệt tạo ra sản phẩm không đồng đều do sự chuyển động của nguyên liệu trong ống trung tâm

Thiết bị hoạt hoá tầng sôi

Lò hoạt hoá tầng sôi là loại lò hiện đại, nguyên liệu đã than hoá được đưa vào hoạt hoá trong một lớp sôi Lớp sôi được tạo ra bằng hỗn hợp hơi nước và khí nóng, quá trình hoạt hoá diễn ra trong những lớp sôi

Thiết bị này cho sản phẩm than hoạt tính có chất lượng cao Nhưng việc tạo ra lớp sôi đều là rất khó khăn, nó phụ thuộc vào kích thước than đem hoạt hoá và sự phân phối hỗn hợp khí – hơi

Thiết bị này tạo ra sản phẩm dạng bột hoặc nhóm sản phẩm mịn Do

đó, những thiết bị này không được sử dụng rộng rãi trong sản xuất than hoạt tính hấp phụ khí và tẩy màu

Hình 2.3: Thiết bị hoạt hoá tầng sôi

cửa tháo sản phẩm

cửa đốt dầu

cửa nạp khí

cửa đốt dầu cửa nạp liệu

Thiết bị lò quay

Trong thiết bị này được cung cấp nhiệt trực tiếp bằng cách đốt khí hoặc dầu, còn hơi nước được đưa vào cùng chiều với nguyên liệu

Hình 2.4: Thiết bị hoạt hoá lò quay

Thiết bị này có ưu điểm nổi bật là năng suất cao, làm việc liên tục và chi phí ban đầu thấp Nhưng nhược điểm của thiết bị là lò chuyển động, đây là nguyên nhân chính gây ra sự mài mòn than và vật liệu làm lò

Căn cứ vào phân tích ưu nhược điểm của các loại thiết bị trên, dựa vào năng suất và điều kiện hoạt hoá, dựa vào đặc điểm nguyên liệu và đặc điểm của từng loại thiết bị, ta sử dụng thiết bị lò quay trong dây chuyền sản xuất than hoạt tính mà ta xét

GIAI ĐOẠN PHÂN LOẠI

Giai đoạn phân loại là giai đoạn phân chia than hoạt tính theo kích thước hạt

cửa tháo sản phẩm

cửa

nạp

liệu

Thân thùng

Vành đai

BR vòng

tự liên kết với nhau tạo thành hạt có kích thước lớn trong quá trình sản xuất đều được phân riêng

Thiết bị sử dụng cho giai đoạn này là các loại sàng có kích thước lỗ sàng khác nhau để có thể phân loại nhiều kích thước hạt khác nhau

2.3 MỘT SỐ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH

2.3.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất cacbon hoạt tính theo phương pháp hoạt hóa hóa học bằng ZnCl 2

2.3.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất cacbon hoạt tính hoạt hóa bằng hơi nước

6 Thiết bị than hóa

7 Thiết bị hoạt hóa

8 Nghiền mịn

Hình 2.7 Công nghệ sản xuất carbon hoạt tính từ nguyên liệu than antraxit

CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA

CACBON BẰNG HƠI NƯỚC

3.1 LÝ THUYẾT ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG

Nhiệt động hóa học cho ta biết trong một điều kiện nhất định nào đó, một chất phản ứng có thể chuyển hóa tối đa bao nhiêu phần trăm hay hiệu suất tối đa của quá trình có thể đạt được là bao nhiêu, mà không cho ta một thông tin cụ thể nào về vận tốc của phản ứng cũng như sự phụ thuộc của nó vào các yếu tố công nghệ như nhiệt độ, áp suất, nồng độ các cấu tử…

Động học phản ứng hóa học giải quyết được những vấn đề vận tốc đã nêu ở trên, cho ta quy luật thời gian của tiến trình phản ứng hóa học, mà không kể đến ảnh hưởng của các quá trình vật lý như vận tải vật chất, năng lượng xảy ra kèm theo trong các quá trình Trên thực tế, không phải phản ứng hóa học nào cũng tìm được biểu thức động học chính xác, cho nên trong tính toán và thiết kế thiết bị phản ứng, người ta dùng những mô tả gần đúng, xem xét tính có thể của các đơn giản hóa đã được sử dụng, khả năng áp dụng các mô tả đó cho các miền nồng độ, nhiệt độ khác nhau trong mô tả hệ

3.1.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC, BẬC PHẢN ỨNG CỦA NHỮNG PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ

Vận tốc phản ứng hóa học được tính bằng thay đổi số mol của một trong các chất tham gia phản ứng hay sản phẩm tạo thành trong một đơn vị thời gian và trong một đơn vị thể tích vùng phản ứng Tính tương ứng với hệ số của cấu tử đó trong phương trình tỷ lượng hóa học

Tổng quát, ta có phản ứng sau: A + B = C + D

Thông thường, vận tốc phản ứng hóa học tính với một đại lượng đặc trưng nào đó của hệ Với các hệ đồng thể, vận tốc phản ứng hóa học thường tính cho một đơn vị thể tích, còn với hệ dị thể thường tính đối với một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các pha hay tính trên một đơn vị khối lượng pha phân tán

Trường hợp chỉ có một phản ứng hóa học xảy ra trong hệ, ta có:

Hệ đồng thể: r = [mol/(thể tích.thời gian)]

Hệ dị thể:

Phản ứng giữa một pha khí với một pha rắn:

r = [mol/(bề mặt.thời gian)]

Hoặc: = [mol/(khối lượng chất rắn.thời gian)]

Phản ứng xúc tác dị thể:

[mol/(khối lượng xúc tác.thời gian)]

Vận tốc phản ứng hóa học trong một hệ phụ thuộc vào nhiệt độ, vào nồng độ