CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH

Khái niệm Than hoạt tính hay còn được gọi là Activated Carbon là một dạng carbon được xử lý hoạt hóa ở nhiệt độ hơi nước 900 – 10000C ở môi trường yếm khí, tạo ra một carbon có cấu trúc

LỜI NÓI ĐẦU

Than hoạt tính với diện tích bề mặt trên 500m2/gam với khả năng hấp phụ tốt các chất Là một loại vật liệu không độc hại đối với người sử dụng cũng như thân thiện với môi trường, nên than hoạt tính được sản xuất rộng rãi Vì vậy nhóm chúng em đã tìm hiểu

về quá trình sản xuất than hoạt tính

Qua một thời gian tìm hiểu đề tài về “Sản xuất than hoạt tính”, nhóm chúng em đã hoàn thành bài tiểu luận Bài tiểu luận gồm có 3 chương:

- Những đặc trưng về tính chất của than hoạt tính

- Công nghệ sản xuất than hoạt tính

- Phân loại và ứng dụng than hoạt tính

Chúng em xin cảm ơn giảng viên Nguyễn Văn Hòa phụ trách giảng dạy bộ môn Công nghệ sản xuất các chất vô cơ cơ bản đã hướng dẫn và tạo điều kiện giúp chúng em

thực hiện bài tiểu luận này

Vì thời gian có hạn nên chắc chắn trong quá trình làm không thể tránh sai sót, mong Thầy thông cảm cũng như những đóng góp ý kiến để giúp cho bài tiểu luận được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Nhóm thực hiện

Page 1

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Chữ kí giáo viên nhận xét

Page 2

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

1 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2

MỤC LỤC 3

CHƯƠNG 1: NHỮNG ĐẶC TRƯNG VỀ TÍNH CHẤT CỦA THAN HOẠT TÍNH 5

1.1 Giới thiệu về than hoạt tính 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Lịch sử sử dụng than hoạt tính 5

1.1.3 Đặc điểm 5

1.2 Tính chất vật lý 7

1.2.1 Kích thước hạt và bề mặt riêng của than hoạt tính 7

1.2.2 Diện tích bề mặt riêng 7

1.2.3 Khối lượng riêng 7

1.2.4 Cấu trúc vật lý 8

1.3 Tính chất hóa học 9

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH 10

2.1 Nguồn nguyên liệu 10

2.2 Cơ sở hóa lý của quá trình sản xuất 10

2.3 Quy trình công nghệ sản xuất than hoạt tính

10 2.3.1 Sản xuất than hoạt tính ở Mỹ 10

2.3.1.1 Phương pháp sản xuất than máng 10

2.3.1.2 Phương pháp sản xuất than lò 11

2.3.1.3 Phương pháp sản xuất nhiệt phân 12

2.3.2 Sản xuất than hoạt tính ở nước ta 12

2.3.2.1 Quy trình than hóa 13

2.3.2.2 Quy trình hoạt hóa 13

Page 3

CHƯƠNG 3: PHÂN LOẠI VÀ ỨNG DỤNG THAN HOẠT TÍNH 15

3.1 Phân loại 15

3.2 Ứng dụng 15

3.3 Xu thế phát triển 16

KẾT LUẬN 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO

19

Page 4

CHƯƠNG 1: NHỮNG ĐẶC TRƯNG VỀ TÍNH CHẤT CỦA THAN HOẠT TÍNH 1.1 Giới thiệu về than hoạt tính

1.1.1 Khái niệm

Than hoạt tính hay còn được gọi là Activated Carbon là một dạng carbon được xử lý hoạt hóa ở nhiệt độ hơi nước 900 – 10000C ở môi trường yếm khí, tạo ra một carbon có cấu trúc mao mạch rất lớn làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, khối lượng riêng thấp

Than hoạt tính là sản phẩm cháy không hoàn toàn của các hợp chất cacbua hyđro

1.1.2 Lịch sử sử dụng than hoạt tính

Vào thế kỉ thứ 3, người Trung Hoa đã sản xuất mực tàu chất lượng cao Trong thành phần của mực này có muội than được sản xuất bằng cách đốt cháy dầu mỡ dưới bát sành

úp ngược

Năm 1870, với nhu cầu sử dụng cao, than hoạt tính đã có mặt trên thị trường thương mại và có tên gọi chung là “bồ hóng”, nguyên liệu đầu để sản xuất là dầu mỡ tinh chế Năm 1872 với sự nghiên cứu của Haworth và Lamb đẫ tạo ra than hoạt tính sử dụng nguyên liệu là khí tự nhiên được sản xuất nhiều ở New Cumberlan, West Virginia (Mỹ) Năm 1892, ở Mỹ, John MacNatte sản xuất ra than hoạt tính gọi là than máng

Năm 1916, Braun và Ulinger đã đưa ra phương pháp nhiệt phân để sản xuất than hoạt tính

Năm 1943 ở bang Texas, than hoạt tính được sản xuất bằng phương pháp lò (lò khí, lò lỏng)

Cho đến nay, các phương pháp trên được áp dụng rộng rãi và sản xuất ra nhiều loại than khác nhau đáp ứng nhu cầu sử dụng cho các ngành công nghiệp nói chung và ngành công nghiệp cao su nói riêng

Than hoạt tính được sản xuất với tổng sản lượng lớn nhất và quy mô công nghiệp lớn nhất ở Mỹ, sau đó lan dần đến các nước phương Tây

Page 5

1.1.3 Đặc điểm

Than hoạt tính có nhiều hình dạng khác nhau, thường ở dạng hạt và dạng bột

Thành phần than hoạt tính gồm các nguyên tố: 88% C, 6 – 7% O, 0.5% H, 0.5%N, 1%

S

Khoa học đã chứng mình chỉ cần 1 gram than hoạt tính có diện tích bề mặt hơn 500

m2 được xác định bằng cách hấp phụ isotherms của khí carbon dioxide tại phòng thí nghiệm

Than hoạt tính có khả năng hấp phụ chất bẩn, phân tử khí ô nhiễm, lọc vi khuẩn,… Chính vì thế than hoạt tính được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống của chúng ta

Hình 1.1: Than hoạt tính dạng hạt (GAC) Hình 1.2: Than hoạt tính dạng bột (PAC)

Hình 1.3: Than hoạt tính dạng trụ 1mm Hình 1.4: Vải than hoạt tính 2mm

Than hoạt tính là chất không độc (kể cả khi ăn phải nó) Than hoạt tính được tạo từ

gỗ và than đá thường có giá thành thấp, từ xơ dừa và vỏ trái câu thì có giá thành cao và chất lượng hơn

Page 6

Chất thải chế tạo từ quá trình sản xuất than hoạt tính dễ dàng được tiêu hủy bằng phương pháp đốt

Phần lớn than hoạt tính có mặt trong đời sống được làm từ gỗ bằng cách đốt cháy thân cây rồi phun nước lên thân cây đang cháy (loại này còn có tên là than hoa) hoặc nung thân gỗ trong môi trường yếm khí

1.2 Tính chất vật lý

1.2.1 Kích thước hạt và bề mặt riêng của than hoạt tính

Các hạt than hoạt tính sơ khai thường có cấu trúc khối cầu hoặc gần với khối cầu Các khối cầu nằm bên nhau trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nhau làm tăng kích thước của hạt để giảm năng lượng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi

Có nhiều 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 Vì vậy, trước khi đưa vào

sử dụng cần xác định các thông số ( kích thước hạt, diện tích bề mặt hạt than) Vì đây là một trong những nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của cao su tăng cường lực bằng than hoạt tính

Một số phương pháp xác định kích thước bà diện tích riêng bề mặt hạt than thường

sử dụng là: phương pháp kính hiển vi điện tử, phương pháp hấp phụ lên bề mặt Vì kích thước hạt và diện tích bề mặt than khác nhau nên giá trị tính toán thường lấy giá trị trung bình

Chẳng hạn, với phương pháp xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử cho giá trị đường kính trung bình hạt than với phương pháp sản xuất khác nhau: than máng có đường kính trung bình là 100 – 3000A, lò lỏng đường kính trung bình là 180 – 6000A, lò khí đường kính trung bình 400 – 8000A

1.2.2 Diện tích bề mặt riêng

Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính nếu tính ra đơn vị khối lượng thì từ 500 đến

2500 m2/g Bề mặt riêng lớn nhất này là hệ quả của cấu trúc xơ rỗng mà chủ yếu là do

Page 7

thừa hưởng từ nguyên liệu hữu cơ xuất xứ, qua quá trình sấy ở nhiệt độ cao trong điều kiện yếm khí Hầu hết các vết rỗng đều có tính hấp phụ rất mạnh và chúng đóng vai trò là các rãnh chuyển tải

1.2.3 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng của than hoạt tính là đại lượng phụ thuộc vào phương pháp xác định nó Chẳng hạn nếu dùng rượu, aceton để xác định khối lượng riêng cho than hoạt tính thì chúng lại là các phân tử quá lớn không luồn lỏi vào các khe, kẽ giữa các hạt than, trên

bề mặt của hạt than Như vậy thể tích do than chiếm sẽ lớn và khối lượng riêng sẽ nhỏ hơn khối lượng riêng thực của than

Khối lượng riêng xác định bằng phương pháp này dao động trong khoảng 1800 –

1900 kg/m3 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

1.2.4 Cấu trúc vật lý

Cấu trúc mao quản bên trong than hoạt tính có dạng tương tự như cấu trúc tổ ong

Hình 1.5: Cấu trúc của than hoạt tính có Hình 1.6: Cấu trúc mao quản của than hoạt

hình dạng như tổ ong tính

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

nó Cấu trúc bậc nhất phát triển mạnh nhất trong than sản cuất bằng phương pháp lò

Page 8

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, than hoạt tính cấu trúc bậc nhất tiếp xúc với nhau, liên kết lại tạo thành liên kết bậc hai 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 Vandecvan đến độ bền liên kết hyđro có trong than

1.3 Tính chất hóa học

Phân tích cấu tạo và cấu trúc của hạt than bằng tia Rơnghen cho thấy các hạt than có cấu trúc mạch thẳng, 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

Trong quá trình sản xuất do có sự va chạm, khuấy trộn nên các hạt than sơ khai 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 làm giảm năng lượng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi

Trong tinh thể khối của hạt than hoạt tính, các nguyên tử cacbon nằm ở mặt ngoài có mức độ hoạt động hóa học lớn Vì vậy, nó là trung tâm của các quá trình oxy hóa tạo cho

bề mặt than hoạt tính hàng loạt các nhóm hoạt động hóa học khác nhau

Sau đây là thành phần hóa học của than hoạt tính:

Cacbon Oxy Hyđro Chất dễ bay hơi

Bảng 1.1: Thành phần hóa học các nguyên tố của than hoạt tính

Page 9

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH

2.1 Nguồn nguyên liệu

Nguyên liệu sản xuất than hoạt tính là những nguyên liệu có hàm lượng cacbon cao nhưng lại chứa ít các thành phần vô cơ khác như gỗ, than non, than bùn, than đá,…

Bên cạnh đó, rất nhiều loại chất thải nông nghiệp như vỏ trấu, gáo dừa, … cũng có thể chuyển thành than hoạt tính bởi nguồn nguyên liệu này có sẵn, rẻ tiền, hàm lượng cacbon cao và các thành phần vô cơ thấp

Có thể chia nguyên liệu thành các thành phần như sau:

- Từ than đá, than bùn

- Từ thực vật: gỗ, rơm rạ, hạt quả

- Từ động vật: xương, xúc tu các loài động vật

2.2 Cơ sở hóa lý của quá trình sản xuất

Oxy hóa nguyên liệu trong điều kiện yếm khí nhằm đảm bảo sản phẩm có cấu trúc xốp cần thiết và không bị cháy thành tro

2.3 Quy trình công nghệ sản xuất than hoạt tính

2.3.1 Sản xuất than hoạt tính ở Mỹ

Có nhiều phương pháp sản xuất than hoạt tính, nhưng dưới đây là 3 phương pháp chính thường được sử dụng:

Page 10

2.3.1.1 Phương pháp sản xuất than máng

Nguyên liệu đầu để đưa vào sản xuất là khí thiên nhiên, hay khí thiên nhiên được làm giàu thêm dầu

Trong mỗi nhà kính có khoảng 2000 – 4000 ngọn lửa thoát ra từ những máng được chuyển chuyển động qua lại, hay những trục quay Đầu phun có thể cung cấp tới 0,5 – 0,8

m3/h, được cung cấp 3 – 5 ống dẫn

Than lắng được tách ra bằng cái nạo và được thu lại, vận chuyển bằng những trục vít mang đi xử lý tiếp theo như làm sạch, nghiền để đạt được kích thước theo yêu cầu

Hiệu suất của phương pháp này rất thấp chỉ 5% hoặc nhỏ hơn, đường kính trung hạt 9nm – 30nm Phương pháp này ngày nay hầu như không được sử dụng để sản xuát than hoạt tính vì nhiều lý do liên quan đến hiệu suất, chất lượng, môi trường…

2.3.1.2 Phương pháp sản xuất than lò

Hầu hết than hoạt tính ngày nay được sử dụng đều được sản xuất bằng phương pháp

lò Phương pháp này có tổng sản lượng cung cấp ra thị trường đạt từ 85 – 95% Phương pháp lò được phân làm 2 loại:

• Phương pháp sản xuất lò khí:

Nguyên liệu đầu là khí thiên nhiên, nhiệt độ khoảng 12000C

Thiết bị gồm: đầu đốt, lò, thiết bị làm lạnh, hệ thống thu hồi than

Cấu tạo lò có thể là hình chữ nhật hay hình trụ được đặt nằm ngang Nếu là hình chữ nhật có kích thước là 1m x 3,5m x 2,6m Nếu là hình trụ có đường kính 1,4m và chiều dài 8m dùng 6 đầu đốt trong một lò Trong một dây chuyền sản xuất thường có 3 – 5 lò

• Phương pháp sản xuất lò lỏng:

Nguyên liệu đầu là những Hydro carbon lỏng (dầu nặng, nhựa than đá…), nhiệt độ là

1200 – 16000C

Thiết bị gồm : đầu đốt, lò, thiết bị làm lạnh, hệ thống thu hồi than

Page 11

Lò được kết cấu bằng những kim loại chịu nhiệt, chịu va đập Đối với loại lò này có rất nhiều kiểu chiều dài trong khoảng 1,4 – 4m, đường kính 1,5 – 8m, hiệu suất đạt được khoảng 45 – 80%, đường kính hạt 14 – 90nm

Phương pháp này sản xuất ra rất nhiều loại than hoạt tính khác nhau cả về chất lượng

và công dụng bao gồm: GPF, FEF, HAF, HAF – HS, SAF, CF…

Phương pháp này rất thông dụng cả về nguyên liệu đầu lẫn vận hành sản xuất nên không những ở Mỹ mà các nước phương Tây, châu Á ( Nhật Bản) áp dụng

2.3.1.3 Phương pháp sản xuất nhiệt phân

Phương pháp nhiệt phân là quá trình phân ly khí thiên nhiên ở nhiệt độ 13000C Nguyên liệu đầu để sản xuất là khí thiên nhiên

Thiết bị gồm 2 lò hình trụ đường kính là 4m, chiều cao 10m Được kết cấu bằng gạch chịu lửa, quá trình hoạt động tuần hoàn (khí thiên nhiên được đưa vào lò 1 được ra nhiệt

và tạo thành hydro và carbon, carbon được tách riêng và hydro được thu lại dùng làm nhiên liệu đốt cháy lò 2)

Hiệu suất của phương pháp này đạt 40 – 50%, đường kính trung bình hạt 120 – 500nm

Phương pháp này đang được sử dụng để sản xuất than hoạt tính với sản lượng đưa ra

thị trường không nhiều, nó thường cho ra 2 loại than chính là MT, FT 2.3.2 Sản xuất

than hoạt tính ở nước ta Quá trình sản xuất gồm hai giai đoạn:

- Than hóa ở nhiệt độ dưới 8000C trong môi trường yếm khí hoặc trơ

- Hoạt hóa sản phẩm của quá trình than hóa ở nhiệt độ khoảng 950 – 10000C

Nguyên liệu được cho vào bên trong lò quay có cánh đảo, nhiên liệu được dùng là đốt ngoài, nhiệt độ là 800 – 9000C, tác nhân hoạt hóa là hơi nước

Cánh đảo có tác dụng là múc than lên và dội than xuống, làm tăng khả năng tiếp xúc hơi nước và k o dài đường đi của than trong lò

Page 12

Hình 2.3: Dây chuyền lò quay sản xuất than hoạt tính

Sử dụng lò quay có ưu điểm hoạt hóa nhanh vì hơi nước và than đi ngược chiều nhau tiếp xúc hai pha khí rắn tốt Năng xuất đạt cao hơn và sản xuất liên tục

2.3.2.1 Quy trình than hóa

Đây là quá trình phân hủy nhiệt nguyên liệu để đưa nguyên liệu ban đầu thành dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ và tạo mao quản ban đầu

Nguyên liệu có độ ẩm không quá 15%

Đập nguyên liệu thành mảnh nhỏ khoảng 3x5 mm Sàn thu thu cỡ hạt

Chuẩn bị lò: lò được gia nhiệt 400 – 5000C bằng cách đốt 1 bếp ùng xẻng cho nguyên liệu đã chọn vào lò qua đường hộp khói

Nguyên tắc: phân hủy nhiệt trong điều kiện không có không khí ưới tác dụng của nhiệt từ nhiệt độ thường tới 1700C, vật liệu bị khô đều, từ 170 – 2800C vật liệu bị phân hủy theo quá trình thu nhiệt, các thành phần của nguyên liệu bị biến tính, giải phóng oxit cacbon, khí cacbonic, hắc ín, …

Quá trình cacbon hóa xem như kết thúc ở khoảng 400 – 6000C

Một lò mỗi giờ vào ra 50kg Lò quay 2 – 3 vòng/ phút, than đi qua lò mất 50 – 60 phút

2.3.2.2 Quy trình hoạt hóa

Page 13

Đây là quy trình có ý nghĩa rất quan trọng, tùy vào nguyên liệu sẽ cho sản phẩm nhất định Chẳng hạn, xương động vật cho than tẩy màu, gáo dừa cho than rắn chắc thích hợp

để sản xuất than hấp phụ khí và hơi, …

Mục đích quá trình hoạt hóa là giải phóng độ xốp sơ cấp đã có sẵn trong than đồng thời tạo thêm độ xốp thứ cấp làm than có hoạt tính cao

Chuẩn bị lò: Đốt lò trước để đạt nhiệt độ, thấy nhiệt độ lên chậm phải tăng quá trình phun dầu

ùng chất hoạt hóa và chất hút nước ( thường dùng là H3PO4 hoặc ZnCl2), thường ở nhiệt độ 5000C, có khi lên đến 8000C, H3PO4 làm than phình ra trong suốt quá trình đảm bảo không xẹp trở lại ZnCl2 có tính hoạt hóa mạnh có khả năng phân hủy các vật liệu xenlulozơ

Khi đạt 8000C có thể nạp than vào lò Trước đó lò hơi nước đã đốt sẵn đảm bảo áp suất quy định Sau khi kiểm tra thấy các điều kiện đạt mới cho than vào lò Phản ứng hoạt hóa xảy ra như sau:

Cn + H2O Cn-1 + H2 + CO – O

Phản ứng này thu nhiệt nên phải cấp nhiệt liên tục Phản ứng hoạt hóa xảy ra chậm Tăng nhiệt độ 900 – 9500C để quá hoạt hóa xảy ra nhanh hơn

Nếu hoạt hóa chậm, độ thiêu đốt thấp than này có lỗ b (đường kính lỗ từ 0.1 – 15 A0) phát triển: than này hấp phụ khí tốt

Nếu hoạt hóa nhanh, nhiệt độ cao than này có lỗ trung (đường kính lỗ từ 15 – vài trăm A0 ) phát triển và có khả năng tẩy màu

Các loại lỗ này thông với nhau như một hệ thống đường giao thông chằng chịt trong thể tích than và tạo ra độ xốp

Page 14