Activated carbon

Mục đích nghiên cứu của đề tài Qua đồ án này, ta sẽ nắm được những khái niệm cơ bản về tính chất, phân loại, ứng dụng của than hoạt tính, cũng như các phương pháp sản xuất than hoạt tín

i

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TPHCM

- -NGUYỄN NGỌC NHƯ QUỲNH

VẬT LIỆU LỌC THAN HOẠT TÍNH TRONG XỬ LÝ NƯỚC CẤP

BÀI THU HOẠCH

TPHCM – THÁNG 02/2016

ii

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TPHCM

- -NGUYỄN NGỌC NHƯ QUỲNH

VẬT LIỆU LỌC THAN HOẠT TÍNH TRONG XỬ LÝ NƯỚC CẤP

BÀI THU HOẠCH

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Môn học: Vật liệu trong môi trường

Lớp: 02 ĐH QTTB MSSV: 0250020074

TPHCM – THÁNG 02/2016

iii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày lòng cảm ơn sâu sắc của mình đến TS LÊ VĂN LỮ đã tận tình hướng dẫn giúp

đỡ cho quá trình hoàn thành bài thu hoạch này

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong bài

thu hoạch là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện bài thu hoạch này đã được cảm ơn

và các thông tin trích dẫn trong bài thu hoạch đã được chỉ rõ nguồn gốc

v

DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1 Cấu trúc mao quản của than hoạt tính 6 Hình 2 Mô hình hấp phụ đơn lớp Langmuir và đa lớp BET 20

vi

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 1

3 Kết cấu của đề tài 1

NỘI DUNG 1

Chương 1 Tổng quan 1

1 Định nghĩa 1

2 Lịch sử hình thành và phát triển 2

Chương 2 Phân loại 3

1 Phân loại theo Misec 3

2 Phân loại Meclenbua 4

3 Phân loại theo Đu-bi-nin 5

Chương 3 Cấu trúc mao quản 5

Chương 4 Tính chất vật lý 6

1 Kích thước hạt 7

2 Diện tích bề mặt riêng 8

3 Cấu trúc vật lý 9

4 Khối lượng riêng 9

Chương 5 Tính chất hóa học 10

Chương 6 Nguyên liệu 11

Chương 7 Phương pháp sản xuất 11

1 Quá trình than hóa 12

2 Quá trình hoạt hóa 12

Chương 8 Tái sinh than hoạt tính 15

Chương 9 Chỉ tiêu chất lượng 17

Chương 10 Cơ sở lý thuyết quá trình hấp phụ 17

vii

Chương 11 Động học hấp phụ trên than hoạt tính 20

Chương 12 Ưu điểm và nhược điểm than hoạt tính 21

Chương 13 Ứng dụng và một số lưu ý khi sử dụng than hoạt tính 22

Chương 14 Tiêu chuẩn Việt Nam đối với vật liệu than hoạt tính 23

1 Quy định chung 24

2 Các tính chất của than hoạt tính 24

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Than hoạt tính từ lâu đã được chế tạo và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày đến các ứng dụng trong công nghiệp Than hoạt tính với những đặc tính tuyệt vời của mình có thể làm sạch nước, không khí thậm chí là tham gia vào các quá trình tinh chế các chất hóa học hữu ích khác

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại than hoạt tính khác nhau, sản xuất theo nhiều phương pháp và đi từ các nguồn nguyên liệu rất khác nhau như khí thiên nhiên, bã thải nông nghiệp hay than bùn Tuy đa dạng về mặt mẫu mã, chủng loại nhưng những tính chất cơ bản của chúng không khác xa nhau

Với mục đích hiểu rõ hơn về các loại than hoạt tính và những tính chất ưu việt của chúng, tôi quyết định chọn đề tài “Vật liệu lọc than hoạt tính gáo dừa” làm đề tài bài thu hoạch của mình

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Qua đồ án này, ta sẽ nắm được những khái niệm cơ bản về tính chất, phân loại, ứng dụng của than hoạt tính, cũng như các phương pháp sản xuất than hoạt tính từ nguyên liệu gáo dừa Trong quá trình thực hiện, do thời gian có hạn nên đồ án còn nhiều thiếu sót, mong thầy và các bạn góp ý, bổ sung để bài thu hoạch được hoàn thiện hơn

3 Kết cấu của đề tài

Đồ án có kết cấu gồm 3 phần là : mở đầu, nội dung và kết luận Phần nội dung đặc biệt

đi sâu vào định nghĩa, phân loại, các tính chất vật lý hóa học, ứng dụng cũng như một

số tiêu chuẩn kỹ thuật và các sử dụng than hoạt tính trong lĩnh vực xử lý nước cấp Qua

đó tôi hy vọng sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quát về vật liệu than hoạt tính trong ứng dụng lọc nước cấp hiện nay

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)

Hiện nay trên thị trường, than hoạt tính được bán dưới ba dạng:

- Than hoạt tính dạng bột

- Than hoạt tính dạng hạt

- Dạng than hoạt tính cải tiến (dưới áp suất cao), thường là viên

2 Lịch sử hình thành và phát triển

Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã được hoạt hóa đã được sử dụng từ nhiều thế kỉ trước:

- Người Ai Cập sử dụng than gỗ từ khoảng năm 1500 TCN để làm chất hấp phụ chữa bệnh

- Người Hin du cổ ở Ấn Độ đã biết làm sạch nước uống bằng cách lọc qua than gỗ

Sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng những năm 1900, được sử dụng để làm vật liệu tinh chế đường bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật bằng hơi nước hoặc CO2

Than hoạt tính còn được sử dụng trong các mặt nạ phòng độc trong thế chiến thứ nhất

- Năm 1793 Ken-xơ đã dùng than gỗ để hút mùi hôi ở những vết thương có tính hoại tử

- Năm 1773 Silo đã quan sát và mô tả hiện tượng hấp phụ trên than gỗ

- Năm 1777 Phôn-tan-na đã đưa than nóng đỏ vào ống chứa khí úp ngược trên thủy ngân

và nhận thấy phần lớn khí trong ống bị than hút mất

- Trong lĩnh vực dung dịch, năm 1785 Tô-vơlo-vit đã thấy than gỗ có thể tẩy màu nhiều dung dịch

- Năm 1794 Lip-man cũng thấy than gỗ tẩy màu tốt các dung dịch đường mía và năm

1805 Gu-li-on đã dung than gỗ để tẩy màu trong công nghiệp đường

- Sang đầu thể kỷ 20, vào năm 1922 Bi-si mới thành công trong việc chế tạo than tẩy màu

-Than được chế tạo bằng cách trộn than máu với potdineeg rửa và sấy

- Năm 1872 Han-xơ nghiên cứu khả năng than sọ dừa hấp thụ N2, H2 ,NH3 và HCN ở khoảng nhiệt độ từ 0-70°C thấy HCN được hấp thụ tốt hơn NH3, N2 , H2

- Ở nước ta từ những năm đâu thập kỷ 60 đã nghiên cứu một số than hoạt tính dung cho mặt nạ phòng độc và phục vụ nhu cầu phát triển

Chương 2 Phân loại

1 Phân loại theo Misec

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

a Than bột:

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

b Than hạt

Than hạt chủ yếu được dùng trong hấp phụ khí và hơi, vì vậy còn có tên gọi là than khí Đôi khi than hạt cũng được dùng trong môi trường lỏng, 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 Than hạt dạng trụ hoàn chỉnh được chế tạo theo quy trình phức tạp hơn Nguyên liệu được chuẩn bị ở dạng vữa, ép vữa thành sợi và cắt thành hạt rồi tiếp tục các bước sản xuất khác

2 Phân loại Meclenbua

Meclenbua phân loại than hoạt tính theo mục đích sử dụng và vì vậy than gồm nhiều loại:

a Than tẩy màu

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

Than tẩy màu dùng ở dạng bột mịn có kích thước hạt khoảng 80 – 100 µm

Than tẩy màu còn gồm than kiềm, than axit và than trung tính

b 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 than tẩy màu, chỉ khác là có độ sạch cao Trong quá trình sản xuất không nên dùng những chất tẩm chứa nhiều cation độc như thiếc, đồng, thủy ngân,…

c Than hấp phụ

Tùy vào chất lượng và đích sử dụng, than hấp phụ còn được chia thành ba loại:

- Than ngưng tụ: Than được dùng để gom hơi các chất hữu cơ trong không khí, chẳng hạn dùng để tách benzen khỏi các khí thiên nhiên nhằm quay vòng dung môi dễ bay hơi trở lại quy trình sản xuất Than có hoạt tính cao, độ bền cơ học cao, trở lực lớp than đối với dòng khí nhỏ, khả năng lưu trữ chất bị hấp phụ thấp Thường than được sản xuất dưới dạng viên định hình hay dạng mảnh đường kính từ 2 – 8 mm, chiều dài khoảng 1.5 lần đường kính

- Than xúc tác: cũng là một dạng than khí, có độ xốp lớn, có thể dùng làm chất xúc tác trong tổng hợp nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ

- Than khí: 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 ứng dụng rộng rãi trong công nghệ dầu mỏ để làm sạch các chất thơm, không khí,…; để làm sạch nước,… Than được sản xuất dưới dạng mảnh hay hạt định hình với kích thước tùy thuộc vào mục đích

sử dụng

3 Phân loại theo Đu-bi-nin

Đu-bi-nin đã dựa vào cấu trúc xốp để phân loại than hoạt tính Chia than hoạt tính thành dạng thu hồi và dạng khí là không có ý nghĩa về đặc trưng cấu trúc Theo ông chia than thành ba dạng dưới đây là hợp lý:

a Than hoạt tính hấp phụ khí

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

b Than hoạt tính thu hồi

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

c 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 có mặt trong pha lỏng Khi cần hấp phụ các chất

có phân tử nhỏ khỏi dung dịch thì dùng tan có cấu trúc loại I

Sự phân loại than hoạt tính giúp chúng ta có định hướng dễ dàng trong sản xuất và trong việc tìm loại than thích 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

Chương 3 Cấu trúc mao quản

Các mao quản trong than hoạt tính được chia thành ba loại theo kích thước của chúng:

- Mao quản micro (mao quản nhỏ): những mao quản có bán kính nhỏ hơn 1 nm

- Mao quản meso (mao quản trung): những mao quản có bán kính từ 1-25 nm

- Mao quản macro (mao lớn): những mao quản có bán kình trên 25 nm

Hình 1 Cấu trúc mao quản của than hoạt tính

Than hoạt tính có mao quản lớn thường được sử dụng để vận chuyển chất lỏng còn việc hấp phụ thường sử dụng than hoạt tính có các mao quản vừa và nhỏ Các mao quản được hình thành trong quá trình sản xuất, khi mà nguyên liệu được hoạt hóa Các mao quản này không được tạo ra bằng phản ứng hóa học

Than hoạt tính sản xuất từ vỏ dừa chỉ có cấu trúc mao quản micro, kích thước dưới 1 nm Nếu dùng loại than hoạt tính này để tinh chế cồn (thường có rất nhiều tạp chất có kích thước khoảng 2-10 nm) thì sẽ có thể gây ra tắc nghẽn mao quản, kết quả là than hoạt tính không thể sử dụng được hết năng suất tối đa Tuy nhiên vẫn có thể thành công vì khả năng hấp phụ của than hoạt tính làm từ dừa cao gấp 2-3 lần các loại than hoạt tính khác Than hoạt tính chế tạo bằng hoạt hóa hóa học có độ xốp cao hơn nhiều so với việc hoạt hóa bằng hơi nước, tạo ra được nhiều mao quản micro và meso

Chương 4 Tính chất vật lý

Than hoạt tính được sản xuất và bán trên thị trường quốc tế rất đa dạng Mỗi loại than đều có công dụng riêng biệt đáp ứng các nhu cầu công nghiệp cụ thể Tuy nhiên, xét về mặt vật lý và đặc trưng kỹ thuật thì chúng có những đặc điểm chung quyết định đến khả năng hấp phụ là:

- Kích thước hạt;

- Diện tích bề mặt riêng;

- Cấu trúc vật lý;

- Khối lượng riêng;

1 Kích thước hạt

Có nhiều nhiều phương pháp sản xuất than hoạt tính khác nhau nên các loại than hoạt tính có nhiều tính chất, hình dạng và kích thước hạt khác nhau Trước khi đưa vào sử dụng cần xác định được các thông số như kích thước hạt và diện tích bề mặt riêng của hạt than,… vì những thông số này là một trong những nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của than hoạt tính

Người ta thường sử dụng hai phương pháp để xác định kích thước hạt than là:

- Phương pháp hiển vi điện tử;

là 180 ÷ 600 Å; than sản xuất bằng lò khí có đường kính hạt trung bình là 400 ÷ 800 Å Phương pháp nhiệt phân cho than hoạt tính có đường kính hạt trung bình lớn nhất là 1400

÷ 4000 Å Người ta đã đưa ra công thức tính đường kính trung bình của hạt than hoạt tính như sau:

𝐷𝑛 = ∑ 𝑛 ∗ 𝑑

∑ 𝑛Trong đó: n – số hạt; d – đường kính hạt

Kích thước hạt cũng được xác định bằng phương pháp gián tiếp nhờ phương pháp hấp phụ theo BET

Than hoạt tính là vật liệu hấp phụ được sử dụng rộng rãi và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khoa học - công nghệ và đời sống Than hoạt tính thương phẩm được sản xuất dưới

2 dạng: dạng hạt GAC (Granular activated carbon) và than hoạt tính dạng bột PAC (Powdered activated carbon)

GAC được sản xuất dưới dạng mảnh vỡ (từ than đá hoặc vỏ, hạt một số loại quả như than gáo dừa ) hoặc từ than bột mịn trộn với chất kết dính, rồi ép đùn tạo viên dạng viên tròn, viên trụ, (EAC - Extruded activated carbon)

Kích thước của GAC phụ thuộc vào mục đích sử dụng Ví dụ, để hấp phụ khí, GAC được sản xuất dưới dạng viên trụ đùn, đường kính từ 4-6 mm hoặc dưới dạng hạt nghiền rây

cỡ 4/8 đến 10/20 mesh (4,75 - 0,85 mm) Để hấp phụ trong pha lỏng thì GAC được sử dụng với kích thước hạt nhỏ hơn (12/42 mesh: 1,4 - 0,355 mm ) để hạn chế sự cản trở tự

do khuếch tán

PAC thường được sản xuất từ gỗ, gáo dừa, phế phẩm nông nghiệp như: vỏ trấu, mùn cưa Kích thước trung bình của PAC cỡ từ 300 - 20 µm (tùy thuộc hãng sản xuất và giá thành của PAC) Phân loại theo kích thước (Standard meshopening particle) thì THAN HOẠT TÍNH có kích thước lọt qua rây 48 (<0,300mm) được gọi là than hoạt tính dạng bột PAC, than có kích thước được giữ lại trên sàng 40 (0,42mm) được gọi là GAC

𝑆ℎ = 6

𝜌 𝐷𝐴Trong đó: 𝜌 – khối lượng riêng của than hoạt tính;

DA – đường kính bề mặt trung bình hạt than;

hoạt tính Trong số chất lỏng phân tử thấp, thường dùng là nitơ ở nhiệt độ sôi của nó hay các dung dịch iot, phenol,… Diện tích riêng bề mặt được tính toán bằng phương pháp này gọi là diện tích hấp phụ riêng Sp

Giá trị Sp cho mỗi chất lỏng hấp phụ khác nhau thì khác nhau vì chất lỏng phân tử lượng lớn hơn thì khả năng hấp phụ kém hơn Để đánh giá mức độ phẳng nhẵn bề mặt các cấu trúc than có thể sử dụng tỷ số giữa diện tích hấp phụ riêng và diện tích bề mặt hình học riêng Tỷ số này càng lớn bề mặt tiếp xúc giữa hai pha càng cao

3 Cấu trúc vật lý

Cấu trúc của than hoạt tính được đánh giá bằng mức độ phát triển cấu trúc bậc nhất của

nó Mức độ phát triển cấu trúc này phụ thuộc vào phương pháp sản xuất và nguyên liệu đầu đưa vào để sản xuất than Cấu trúc bậc nhất phát triển mạnh nhất trong than sản xuất bằng phương pháp lò 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, các cấu trúc bậc nhất của than hoạt tính tiếp xúc với nhau, liên kết lại với nhau tạo thành liên kết bậc hau của than hoạt tính 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 Van der Waals đến độ bền liên kết hydro có trong than Cấu trúc bậc hai càng bền vững khi các hạt than có kích thước càng nhỏ, mức độ nhám bề mặt càng lớn và hàm lượng các nhóm chứa oxy trên bề mặt than càng cao

Cấu trúc của than hoạt tính có thể xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử và có thể đánh giá gián tiếp qua lượng dầu được than hoạt tính hấp phụ (trị số dầu của than) Trị

số dầu của than họa tính là lượng dầu hay lượng chất lỏng không bốc hơi (ml), trơ hóa học với than hoạt tính được hấp phụ lên bề mặt của than họa tính tạo thành bột nhão Theo lý thuyết, lượng dầu hấp phụ này chính là khoảng không gian giữa các hạt than khi các hạt than này nằm sát với hạt kia Nếu cấu trúc của than càng lớn, mức độ kết bó chặt chẽ của than giảm, lượng dầu cần thiết để trộn miết với than càng nhiều hơn Như vậy, trị số dầu là đại lượng tổng hợp để đánh giá giá trị diện tích bề mặt riêng và mức độ cấu trúc của than hoạt tính

4 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng của than hoạt tính là đại lượng phụ thuộc vào phương pháp xác định

nó Chẳng hạn, nếu như dùng rượu, axeton để xác định khối lượng riêng của than hoạt tính thì rượu và axeton lại là các phân tử quá lớn, không len lỏi và các khe, kẽ giữa các hạt than và trên bề mặt 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