Luận văn thạc sĩ nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ một số chất độc hại dưới dạng ion

Các nhóm oxy trung hòa trên bề mặt được tạo ra do quá trình hấp phụ hóa học không thuận nghịch oxy ở các tâm không bão hòa dạng etylen có mặt trên bề trung hòa trên bề mặt bền hơn so với

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN THỊ HUYỀN

NGHIÊN CỨU BIẾN TÍNH THAN HOẠT TÍNH LÀM VẬT LIỆU HẤP PHỤ MỘT SỐ CHẤT ĐỘC HẠI

DƯỚI DẠNG ION TRONG NƯỚC

Chuyên ngành: HÓA MÔI TRƯỜNG

LỜI CẢM ƠN

Trần Hồng Côn đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ, cho em những kiến thức quí báu trong quá trình nghiên cứu

Cảm ơn các thầy cô giáo làm việc trong phòng thí nghiệm trong Khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình làm thực nghiệm

Xin chân thành cảm ơn các bạn học viên, sinh viên làm việc trong phòng thí nghiệm Hóa môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm tài liệu và hoàn thiện luận văn Để hoàn thành bản luận văn này, ngoài sự nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu của bản thân, sự giúp đỡ của những người xung quanh, đặc biệt là những người thầy, đồng nghiệp đã đóng góp một phần không nhỏ trong nghiên cứu này

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên cao học

Nguyễn Thị Huyền

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 2

1.1 Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt của than hoạt tính 2

1.1.1.Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính 5

1.1.2 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính 6

1.1.3 Cấu trúc hóa học của bề mặt 8

1.2 Nhóm Cacbon-oxy trên bề mặt than hoạt tính 9

1.2.1 Nghiên cứu nhiệt giải hấp 12

1.2.2 Trung hòa kiềm 14

1.3 Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ 14

1.3.1 Tính axit bề mặt của than 15

1.3.2 Tính kị nước 16

1.3.3 Sự hấp phụ hơi phân cực 16

1.3.4 Sự hấp phụ từ các dung dịch 18

1.3.5 Sự hấp phụ ưu tiên 19

1.4 Tâm hoạt động trên bề mặt than 20

1.5 Biến tính bề mặt than hoạt tính 23

1.5.1 Biến tính tính than hoạt tính bằng N2 24

1.5.2 Biến tính bề mặt than bằng halogen 25

1.5.3 Biến tính bề mặt than bằng sự lưu huỳnh hóa 26

1.5.4 Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm hóa chất 27

CHƯƠNG 2 – THỰC NGHIỆM 29

2.1 Đối tượng nghiên cứu 29

2.2 Mục tiêu nghiên cứu 29

2.3 Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu 29

2.4 Phương pháp nghiên cứu 31

2.4.1 Chuẩn bị than hoạt tính 31

2.4.2 Ôxi hóa bề mặt than hoạt tính (Tạo vật liệu AC-1): 31

2.4.3 Tạo vật liệu AC-2 33

2.4.4 Tạo vật liệu AC-3: 33

2.4.5 Phương pháp khảo sát các đặc trưng của than biến tính 34

2.4.6 Phương pháp xác định các ion trong dung dịch 37

2.5 Phương pháp tính toán tải trọng hấp phụ của vật liệu 44

2.6 Khảo sát khả năng hấp phụ asen của vật liệu dưới dạng ion asenat AsO 4 3- 46

2.6.1 Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ As của các vật liệu 46

2.6.2.Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ As của vật liệu 46

2.6.3 Xác định dung lượng hấp phụ As cực đại của vật liệu 46

2.7 Khảo sát khả năng hấp phụ Amoni của vật liệu 47

2.7.1 Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ amoni của vật liệu 47

2.7.2 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ amoni cực đại 48

2.7.3 Xác định dung lượng hấp phụ cực đại: 48

CHƯƠNG III - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49

3.1 Ôxi hóa than hoạt tính bằng dd KMnO 4 /H 2 SO 4 49

3.2 Xác định một số đặc trưng của than biến tính 49

3.2.1 Xác định các nhóm chức có thể có trên bề mặt các loại than 49

3.2.2 Kết quả chụp SEM 52

3.2.3 Xác định sơ bộ tổng số tâm axit trên bề mặt than oxi hóa 54

3.3 Kết quả khảo sát khả năng hấp phụ As của các vật liệu than hoạt tính biến tính 56

3.3.1 Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ As của các vật liệu AC 56

3.4.2 Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ As của vật liệu 58

3.4.3 Khảo sát dung lượng hấp phụ As cực đại 59

3.5 Khảo sát khả năng hấp phụ amoni của các vật liệu 63

3.5.1 Khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ NH4+ của các vật liệu 63

3.5.2 Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ 65

3.5.3 Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của vật liệu với amoni 67

KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình1.1 So sánh mạng tinh thể 3 chiều của than chì (a) và cấu trúc turbostratic (b) 5

Hình 1.2 Bề mặt của một dạng than hoạt tính ôxi hóa 11

Hình 2.1 Dạng đồ thị đường thẳng BET 35

Hình 2.2 Đường chuẩn xác định nồng độ NH4+ 38

Hình 2.3 Đường chuẩn xác định nồng độ Mn2+ 40

Hình 2.4: Đường chuẩn asen nồng độ nhỏ 43

Hình 2.5: Đường chuẩn asen nồng độ lớn 44

Hình 2.6: Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir 45

Hình 2.7: Đồ thị để xác định các hằng số trong pt Langmuir 45

Hình 3.1 : Phổ hồng ngoại của than hoạt tính Trà Bắc 50

Hình 3.2 : Phổ hồng ngoại của than hoạt tính đã ôxi hóa (AC1) 50

Hình 3.3 : Phổ hồng ngoại của than hoạt tính đã ôxi hóa AC-2(Mn1%) 51

Hình 3.4 : Phổ hồng ngoại của than hoạt tính đã ôxi hóa AC-2 (Mn3%) 51

Hình 3.5 : Phổ hồng ngoại của than hoạt tính đã ôxi hóa AC-3 (1% + 5%) 51

Hình 3.6 : Phổ hồng ngoại của than hoạt tính đã ôxi hóa AC3 (3% +3%) 52

Hình 3.7: Ảnh SEM than hoạt tính đã ôxi hóa (AC1) 53

Hình 3.8: Ảnh SEM than hoạt tính đã ôxi hóa (AC2 –Mn(IV) 1%) 53

Hình 3.9: Ảnh SEM vật liệu (AC3 –Mn(IV)1% + Fe(III)5%) 54

Hình 3.10: Đồ thị chuẩn độ than ôxi hóa bằng NaOH 56

Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn thời gian cân bằng hấp phụ As của vật liệu AC2 58

Hình 3.12: Đồ thị phương trình langmuir của AC-1 với As 59

Hình 3.13: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của vật liệu AC-1với As 60

Hình 3.14: Đồ thị phương trình langmuir của AC-2 với As 61

Hình 3.15: Đường hấp phụ đẳng nhiệt As của vật liệu AC2 61

Hình 3.16: Đồ thị phương trình langmuir của AC-3 với As 62

Hình 3.17: Đường hấp phụ đẳng nhiệt As của vật liệu AC-3 63

Hình 3.18: Đồ thị biểu diễn thời gian cân bằng hấp phụ amoni 66

Hình 3.19: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của vật liệu AC1 67

Hình 3.20: Đồ thị phương trình langmuir của AC-1 với amoni 68

Hình 3.21: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của vật liệu AC2 69

Hình 3.22: Đồ thị phương trình langmuir của AC-2 với amoni 69

Hình 3.23: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của vật liệu AC3 70

Hình 3.24: Đồ thị phương trình langmuir của AC-3 với amoni 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Danh mục dụng cụ thiết bị cần thiết cho nghiên cứu 29

Bảng 2.2 Danh mục các Hóa chất cần thiết cho nghiên cứu 30

Bảng 2.3: Sự phụ thuộc của chiều cao cột màu vào nồng độ asen 43

Bảng 3.1: Kết quả chuẩn độ than hoạt tính bằng NaOH 0,01M 55

Bảng 3.2: Kết quả khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ asen của AC-2 57

Bảng 3.3: Kết quả khảo sát sơ bộ khả năng hấp phụ asen của AC-3 57

Bảng 3.4: Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ As 58

Bảng 3.5: Kết quả khảo sát langmuir của vật liệu AC-1 59

Bảng 3.6: Kết quả hấp phụ As của vật liệu AC-2 (Mn(IV) 3%) 60

Bảng 3.7.Kết quả khảo sát langmuir vật liệu AC3 hấp phụ As 62

Bảng 3.8 Đánh giá sơ bộ khả năng hấp phụ Amoni của các vật liệu 63

Bảng 3.9 Đánh giá sơ bộ khả năng hấp phụ amoni của vật liệu AC-2 64

Bảng 3.10 Đánh giá sơ bộ khả năng hấp phụ amoni của vật liệu AC-3 65

Bảng 3.11: Thời gian cân bằng hấp phụ amoni 66

Bảng 3.12: Kết quả khảo sát langmuir của vật liệu AC-1 với amoni 67

Bảng 3.13: Kết quả khảo sát langmuir của vật liệu AC-2 với amoni 68

Bảng 3.14: Kết quả khảo sát langmuir của vật liệu AC-3 với amoni 70

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, tình hình ô nhiễm nguồn nước nói chung và nguồn nước sinh hoạt nói riêng bởi asen là vấn đề toàn xã hội quan tâm khi nhu cầu về chất lượng cuộc sống ngày càng cao

Theo các nghiên cứu gần đây, người dân một số khu vực ở Hà Nội và một số tỉnh miền Bắc (thuộc đồng bằng sông Hồng), miền Nam (thuộc đồng bằng sông Cửu Long) đang phải sử dụng nước có hàm lượng asen cao gấp từ 10 đến hàng trăm lần tiêu chuẩn nước sạch Hàm lượng amoni xác định được cũng vượt chỉ tiêu cho phép đến 6 lần hoặc cao hơn Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng và trực tiếp tới sức khoẻ của con người, do sự độc hại của asen và amoni mang lại Nó gây ra rất nhiều loại nguy hiểm như ung thư da, phổi Đây là vấn đề đáng báo động với chúng ta Việc loại bỏ amoni và các ion kim loại nặng trong nước thải của các đô thị, nhà máy hay xí nghiệp cũng như việc loại bỏ asen trong nước, đặc biệt là nguồn nước ngầm là vô cùng cần thiết và cấp bách

Than hoạt tính từ lâu đã được sử dụng để làm sạch nước Tuy nhiên, ứng dụng của nó trong xử lý nước mới chỉ dừng lại ở việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ và một

số các thành phần không phân cực có hàm lượng nhỏ trong nước

Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của than hoạt tính trong việc xử lý nước sinh hoạt, đặc biệt một lĩnh vực còn rất mới đó là loại bỏ các cation và

anion trong nước; chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài “ Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ một số chất độc hại dưới dạng ion trong nước”

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1 Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt của than hoạt tính

Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung rằng, than hoạt tính là một dạng của cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc rất xốp, do

đó có diện tích bề mặt rất lớn

Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã hoạt hóa được sử dụng từ nhiều thế kỷ trước Người Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500 trước công nguyên làm chất hấp phụ cho mục đích chữa bệnh Người Hindu cổ ở Ấn độ làm sạch nước uống của họ bằng cách lọc qua than gỗ Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng năm 1900 và được sử dụng làm vật liệu tinh chế đường Than hoạt tính này được sản xuất bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn

dụng suốt chiến tranh thế giới thứ nhất trong các mặt nạ phòng độc bảo vệ binh lính khỏi các khí độc nguy hiểm[5]

Than hoạt tính là chất hấp phụ quí và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích như loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ,

vô cơ trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm sạch không khí, trong kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ, trong làm sạch nhiều hóa chất, dược phẩm, sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí Chúng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng, bạc, và các kim loại khác, làm chất mang xúc tác Chúng cũng được biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, được sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số bệnh nhất định Cacbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lượng khoảng 85 –95% Bên cạnh đó than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưuhuỳnh và oxi Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác Thành phần các nguyên tố trong than hoạt tính thường là 88% C, 0.5% H, 0.5% N, 1%S, 6 –7% O Tuy nhiên hàm lượng oxy trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1- 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên

liệu ban đầu, cách điều chế Than hoạt tính thường có diện tích bề mặt nằm trong

/g

Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2nm.Than hoạt tính chủ yếu được điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên

Quá trình than hóa là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đưa nó về dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban đầu cho than, chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hóa than

Quá trình than hóa có thể xảy ra trong pha rắn, lỏng và khí [13]

Quá trình than hóa pha rắn: Nguyên liệu ban đầu hầu như luôn luôn là hệ phân

tử lớn do sự tổng hợp hoặc quá trình tự nhiên Phân hủy nguyên liệu đầu bằng cách tăng nhiệt độ xử lý, quá trình xảy ra cùng với sự giải phóng khí và chất lỏng có khối lượng phân tử thấp Do đó, than thu được là dạng khác của nguyên liệu ban đầu có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn hình dạng ban đầu nhưng nó có tỷ trọng thấp hơn Khi tăng nhiệt độ xử lý sẽ tạo ra cấu trúc trung gian bền hơn Trong quá trình than hóa, khi hệ đại phân tử ban đầu phân hủy, các nguyên tử cacbon còn lại trong mạng đại phân tử di chuyển khoảng ngắn (có thể < 1nm) trong mạng tới vị trí bền hơn, thậm chí tạo ra mạng các nguyên tử cacbon (có hydro liên kết với nó) Thành phần của nguyên liệu ban đầu khác nhau sẽ phân hủy theo những cách riêng, tạo ra các dạng than khác nhau Khoảng cách (kích thước nguyên tử) được

mở ra bởi sự thoát ra của các nguyên tử khác, sự di trú của nguyên tử cacbon và các liên kết của chúng tạo ra mạng xốp có thành phần là các nguyên tử cacbon Mỗi loại than có đặc trưng xốp khác nhau

Than hóa trong pha lỏng: Các nguyên liệu như vòng thơm, hắc ín cho phép tạo thành cacbon có thể graphit hóa về cơ bản là than không xốp Do đó để tạo ra một loại than xốp từ những nguyên liệu này cần 1 phản ứng tác động lên các lớp graphen Quá trình than hóa trong pha lỏng có cơ chế hoàn toàn khác với trong pha rắn Bằng sự than hóa pha lỏng, dạng có thể graphit hóa được tạo thành Cacbon hóa

trong pha khí cần phải được kiểm soát cẩn thận nguồn nguyên liệu đầu vào Nguyên liệu có thể là metan, propan hoặc benzen nhưng quan trọng nhất là quá trình cacbon hóa (bẻ gãy hoặc nhiệt phân) nguyên liệu khí ở áp suất tương đối thấp thường được pha loãng với khí heli Mảnh vỡ từ quá trình nhiệt phân nguyên liệu ban đầu tương tác với chất nền thích hợp và bằng một cơ chế bao gồm sự chuyển động các nguyên

tử cacbon, cấu trúc phiến 6 cạnh của graphit được hình thành [13]

Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưới tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa, tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt Có thể hoạt hóa bằng phương pháp hóa học hoặc bằng hơi nước

Hoạt hóa hóa học chủ yếu được sử dụng cho hoạt hóa than gỗ Phương pháp này khác với hoạt hóa bằng hơi; trong đó quá trình than hóa và quá trình hoạt hóa xảy ra đồng thời Nguyên liệu thô thường sử dụng là gỗ được trộn với chất hoạt hóa

photphoric làm cho gỗ phình ra và mở cấu trúc cenlulose của gỗ Trong suốt quá trình hoạt hóa axit photphoric hoạt động như 1 chất ổn định và đảm bảo rằng than không bị xẹp trở lại Kết quả là than rất xốp và chứa đầy axit photphoric Sau đó than được rửa và tiếp tục bước sản xuất tiếp theo

Hoạt hóa bằng hơi nước được sử dụng cho tất cả các than có nguồn gốc từ than bùn, than đá, gáo dừa, gỗ… Trước hết nguyên liệu thô được chuyển hóa thành cacbon bằng nhiệt Khi than đá được sử dụng làm nguyện liệu trong hoạt hóa, hơi

dòng khí và thoát ra khỏi lỗ xốp Hình thức này phụ thuộc lớn vào nguyên liệu được sử dụng Một nguyên liệu cứng như là gáo dừa tạo ra nhiều lỗ nhỏ trong khi nguyện liệu mềm như than bùn luôn tạo ra nhiều lỗ trung

Nếu tiếp tục thổi hơi nước trong 1 thời gian dài, nhiều hơn rất nhiều các túi khí tạo thành dòng khí và để lại các lỗ trống Đầu tiên chúng ta thu được lỗ nhỏ Khi tiếp tục quá trình, xung quanh túi khí cũng chuyển thành khí và lỗ xốp phát triển thành lỗ trung và nếu tiếp tục thì sẽ tạo thành lỗ lớn Do đó, ta không nên kéo

dài quá trình hoạt hóa Tất cả các nguyên liệu chứa cacbon đều có thể chuyển thành than hoạt tính, tất nhiên sản phẩm thu được sẽ có sự khác nhau phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu được sử dụng, bản chất của tác nhân hoạt hóa và điều kiện hoạt hóa Trong quá trình hoạt hóa hầu hết các nguyên tố khác trong nguyên liệu tạo thành sản phẩm khí và bay hơi bởi nhiệt phân hủy nguyên liệu ban đầu Các nguyên tử cacbon sẽ nhóm lại với nhau thành các lớp thơm liên kết với nhau một cách ngẫu nhiên Sự sắp xếp của các lớp thơm này không tuân theo qui luật do đó

để lại các chỗ trống giữa các lớp Các chỗ trống này tăng lên thành lỗ xốp làm than hoạt tính thành chất hấp phụ tuyệt vời

1.1.1.Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính

Cacbon hoạt tính có cấu trúc vi tinh thể, được hình thành trong quá trình cacbon hóa Tuy nhiên, cấu trúc vi tinh thể của cacbon hoạt tính khác với cấu trúc của than chì có các khoảng cách xen giữa Đối với than chì là 0.335 nm, còn đối với cacbon hoạt tính nằm trong khoảng 0.34 và 0.35 nm Định hướng của các lớp vi tinh thể cũng khác nhau, ít được sắp đặt hơn trong than hoạt tính

Biscoe và Warren đã đề xuất cấu trúc turbostratic, cấu trúc mà trong đó các

mặt phẳng cơ sở đã trượt ra khỏi vị trí Sự hỗn loạn này trong các lớp vi tinh thể được gây ra bởi sự hiện diện của các nguyên tử khác chẳng hạn như oxy và hydro,

và các lỗ trống của than hoạt tính [10]

Cấu trúc 3 chiều của than chì và cấu trúc turbostratic được so sánh trong

Hình 1.1 [13]

Hình1.1 So sánh mạng tinh thể 3 chiều của than chì (a) và cấu trúc turbostratic (b)

1.1.2 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính[5]

Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngang bền giữa chúng, làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp khá

hóa thấp Cấu trúc bề mặt này được tạo ra trong quá trình than hóa và phát triển hơn trong quá trình hoạt hóa, khi làm sạch nhựa đường và các chất chứa cacbon khác trong khoảng trống giữa các tinh thể Quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích và làm rộng đường kính lỗ Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗ của chúng được quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu ban đầu và phương pháp than hóa Sự hoạt hóa cũng loại bỏ cacbon không phải trong cấu trúc, làm lộ ra các tinh thể dưới sự hoạt động của các tác nhân hoạt hóa và cho phép phát triển cấu trúc vi

lỗ xốp Trong pha sau cùng của phản ứng, sự mở rộng của các lỗ tồn tại và sự tạo thành các lỗ lớn bằng sự đốt cháy các vách ngăn giữa các lỗ cạnh nhau được diễn

ra Điều này làm cho các lỗ trống có chức năng vận chuyển và các lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể tích vi lỗ

Theo Dubinin và Zaveria, than hoạt tính vi lỗ xốp được tạo ra khi mức độ đốt cháy (burn-off) nhỏ hơn 50% và than hoạt tính lỗ macro khi mức độ đốt cháy là lớn hơn 75% Khi mức độ đốt cháy trong khoảng 50 – 75% sản phẩm có hỗn hợp cấu trúc lỗ xốp chứa tất cả các loại lỗ Nói chung than hoạt tính có bề mặt riêng phát triển và thường được đặc trưng bằng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ các lỗ với kích thước và hình dạng khác nhau Người ta khó có thể đưa ra thông tin chính xác về hình dạng của lỗ xốp Có vài phương pháp được sử dụng để xác định hình dạng của lỗ, các phương pháp này đã xác định than thường có dạng mao dẫn mở cả hai đầu hoặc có một đầu kín, thông thường có dạng rãnh, dạng chữ V và nhiều dạng khác

Than hoạt tính có lỗ xốp từ 1 nm đến vài nghìn nm Dubinin đề xuất một cách phân loại lỗ xốp đã được IUPAC chấp nhận Sự phân loại này dựa trên chiều rộng của chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạng ống Các lỗ được chia thành 3 nhóm, lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn

Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 2nm Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích lỗ, và không xảy ra sự ngưng tụ mao quản Năng lượng hấp phụ trong các lỗ này lớn hơn rất nhiều so với lỗ trung hay bề mặt không xốp vì sự nhân đôi của lực hấp phụ từ

Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của than hoạt tính Dubinin còn đề xuất thêm rằng cấu trúc vi lỗ có thể chia nhỏ thành 2 cấu trúc

vi lỗ bao gồm các vi lỗ đặc trưng với bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 0,6 – 0,7nm và siêu vi lỗ với bán kính hiệu dụng từ 0,7 đến 1,6nm Cấu trúc vi lỗ của than hoạt tính được xác định rõ hơn bằng hấp phụ khí và hơi và công nghệ tia X

Lỗ trung (Mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển có bán kính hiệu dụng từ 2

này chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than Tuy nhiên, bằng phương pháp đặc biệt người ta có thể tạo ra than hoạt tính có lỗ trung lớn hơn, thể tích của

/g Các lỗ này đặc trưng bằng sự ngưng tụ mao quản của chất hấp phụ với sự tạo thành mặt khum của chất lỏng bị hấp phụ

Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ của

Chúng có bán kính hiệu dụng lớn hơn 50nm và thường trong khoảng 500- 2000nm

phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung Các lỗ lớn không được lấp đầy bằng sự ngưng tụ mao quản

Do đó, cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính có 3 loại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung và

lỗ lớn Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò nhất định trong quá trình hấp phụ Lỗ nhỏ chiếm 1 diện tích bề mặt và thể tích lớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp phụ của than hoạt tính, miễn là kích thước phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để đi vào lỗ nhỏ Lỗ nhỏ được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối thấp trước khi bắt đầu ngưng tụ mao quản Mặt khác, lỗ trung được lấp đầy ở áp suất hơi tương

đối cao với sự xảy ra ngưng tụ mao quản Lỗ lớn có thể cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh tới lỗ nhỏ hơn

1.1.3 Cấu trúc hóa học của bề mặt[5]

Cấu trúc tinh thể của than có tác động đáng kể đến hoạt tính hóa học Tuy nhiên, hoạt tính hóa học của các tâm ở mặt tinh thể cơ sở ít hơn nhiều so với tâm ở cạnh hay ở các vị trí khuyết Do đó, cacbon được graphit hóa cao với bề mặt đồng nhất chứa chủ yếu mặt cơ sở ít hoạt động hơn cacbon vô định hình Grisdale và Hennig thấy rằng tốc độ oxy hóa của nguyên tử cacbon ở tâm nằm ở cạnh lớn hơn

và có thể phân cực.Than hoạt tính hầu hết được liên kết với một lượng có thể xác định oxy và hydro Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguyên liệu ban đầu và trở thành một phần cấu trúc hóa học là kết quả của quá trình than hóa không hoàn hảo hoặc trở thành liên kết hóa học với bề mặt trong quá trình hoạt hóa hoặc trong các quá trình xử lý sau đó Cũng có trường hợp than đã hấp phụ các loại phân tử xác định như amin, nitrobenzen, phenol và các loại cation khác.Nghiên cứu nhiễu xạ tia X cho thấy rằng các nguyên tử khác loại hoặc các loại phân tử được liên kết với cạnh hoặc góc của các lớp thơm hoặc với các nguyên tử cacbon ở các vị trí khuyết làm tăng các hợp chất cacbon – oxy, cacbon – hydro, cacbon – nitrơ, cacbon – lưu huỳnh, cacbon – halogen trên bề mặt, chúng được biết đến như là các nhóm bề mặt hoặc các phức bề mặt Các nguyên tử khác loại này có

thể sáp nhập trong lớp cacbon tạo ra hệ thống các vòng khác loại Do các cạnh này chứa các tâm hấp phụ chính, sự có mặt của các hợp chất bề mặt hay các loại phân tử làm biến đổi đặc tính bề mặt và đặc điểm của than hoạt tính

1.2 Nhóm Cacbon-oxy trên bề mặt than hoạt tính[5]

Nhóm cacbon – oxy bề mặt là những nhóm quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc trưng bề mặt như tính ưa nước, độ phân cực, tính acid, và đặc điểm hóa lý như khả năng xúc tác, dẫn điện và khả năng phản ứng của các vật liệu này Thực tế, oxy

đã kết hợp thường được biết là yếu tố làm cho than trở nên hữu ích và hiệu quả trong một số lĩnh vực ứng dụng nhất định Ví dụ, oxy có tác động quan trọng đến khả năng hấp phụ nước và các khí và hơi có cực khác, ảnh hưởng đến sự hấp phụ chất điện phân, lên than sử dụng làm chất lọc trong cao su và nhựa, lên độ nhớt của graphit cũng như lên tính chất của nó khi là một thành phần trong phản ứng hạt nhân Trong trường hợp của sợi cacbon, nhóm bề mặt quyết định khả năng bám dính của nó vào chất nền là nhựa và sau đó là đặc điểm vật liệu composite Theo Kipling, các nguyên tử oxy và hydro là những thành phần cần thiết của than hoạt tính với đặc điểm hấp phụ tốt, và bề mặt của vật liệu này được nghiên cứu như một

bề mặt hydrocacbon biến đổi ở một số tính chất bằng nguyên tử oxy

Mặc dù việc xác định số lượng và bản chất của các nhóm hóa học bề mặt này bắt đầu từ hơn 50 năm trước, bản chất chính xác của nhóm chức vẫn còn chưa được chứng minh đầy đủ Những chứng cứ đã được đưa ra từ các nghiên cứu khác nhau sử dụng các công nghệ khác nhau vì bề mặt cacbon là rất phức tạp và khó mô phỏng Các nhóm chức bề mặt không thể được xử lý như các chất hữu cơ thông thường vì chúng tương tác khác nhau trong môi trường khác nhau Phổ eletron cho phân tích hóa học cho thấy sự chuyển đổi bất thuận nghịch của chức bề mặt xảy ra khi các phương pháp hóa học hữu cơ cổ điển được sử dụng để xác định và chứng minh chúng Do đó người ta mong rằng việc áp dụng của nhiều công nghệ tinh vi hơn như phổ FTIR, XPS, NMR và nghiên cứu lượng vết phóng xạ sẽ góp phần quan trọng để hiểu biết chính xác hơn về các nhóm hóa học bề mặt này.Than hoạt tính có nhiều xu hướng mở rộng lớp oxy đã được hấp thụ hóa học này và nhiều các phản ứng của chúng xảy ra do xu hướng này Ví dụ, than hoạt tính có thể phân hủy các

khí oxy hóa như ozone và oxit của nitơ Chúng cũng phân hủy dung dich muối bạc,

hợp, có sự hấp phụ hóa học oxy và sự tạo thành hợp chất cacbon – oxy bề mặt

oxy Bản chất và lượng nhóm oxy - cacbon bề mặt tạo thành từ các sự oxy hóa khác nhau phụ thuộc vào bản chất bề mặt than và cách tạo ra nó, diện tích bề mặt của nó, bản chất chất oxy hóa và nhiệt độ quá trình.Phản ứng của than hoạt tính

chất bề mặt và khí hóa cacbon là các phản ứng trội hơn hẳn

Trong trường hợp sự oxy hóa xảy ra trong dung dịch, phản ứng chính là sự tạo thành hợp chất bề mặt, mặc dù một vài quá trình khí hóa cũng có thể xảy ra phụ thuộc độ mạnh của chất oxy hóa và sự khắc nghiệt của điều kiện thí nghiệm Sự tạo thành hợp chất cacbon – oxy bề mặt sử dụng than khác nhau Than hoạt tính và muội than sử dụng nhiều cách oxy hóa trong pha khí và pha lỏng đã được nghiên cứu nhiều hơn Đối những than có đặc trưng axit – bazơ, nhiều nhà khoa học đã

bỏ công sức nghiên cứu để góp phần tìm hiểu nguyên nhân và cơ chế than có bản chất acid hay bazơ Một vài thuyết, ví dụ thuyết điện hóa học của Burstein và Frumkin,, thuyết oxit của Shilov và trường của ông, thuyết pyron của Voll và Boehm đã được đưa ra để giải thích cho đặc trưng acid – bazơ của than Các thuyết này và các nghiên cứu liên quan đã được xem xét lại một cách kỹ lưỡng và được xem xét trong một vài bài báo tổng kết Bây giờ người ta đã chấp nhận rằng đặc trưng acid – bazơ của than là kết quả của quá trình oxi hóa bề mặt, phụ thuộc vào cách tạo thành và nhiệt độ của quá trình oxi hóa Dạng nhóm cacbon – oxy bề mặt (acid, bazơ, trung hòa) đã được xác định, các nhóm axit bề mặt là rất

C hoặc bằng phản ứng với dung dịch oxy hóa ở nhiệt độ phòng Các nhóm chức này ít

bền nhiệt và phân hủy khi xử lý nhiệt trong chân không hoặc trong môi trường khí

này làm cho bề mặt than ưa nước và phân cực, các nhóm này là caboxylic, lacton, phenol Nhóm oxy bazơ trên bề mặt ít đặc trưng hơn và được tạo ra khi một bề mặt than không còn bất kỳ nhóm oxy bề mặt nào khi xử lý nhiệt trong chân không hoặc

tiếp xúc với khí oxy Garten và Weiss đề xuất cấu trúc dạng pyron cho nhóm chức bazo, nhóm chức này cũng được biết như cấu trúc chromene Cấu trúc này có vòng

oxy trong cấu trúc kiểu pyron được định vị trong hai vòng khác nhau của lớp graphit Tuy nhiên, cấu trúc của các nhóm oxy bazơ trên bề mặt cũng đang còn tranh cãi Các nhóm oxy trung hòa trên bề mặt được tạo ra do quá trình hấp phụ hóa học không thuận nghịch oxy ở các tâm không bão hòa dạng etylen có mặt trên bề

trung hòa trên bề mặt bền hơn so với các nhóm axit và bắt đầu phân hủy trong

mặt than hoạt tính đã được oxy hóa được công bố bởi Tarkovskya ở hình dưới đây

Hình 1.2 Bề mặt của một dạng than hoạt tính ôxi hóa

Nhiều nỗ lực của nhiều nhà nghiên cứu để xác định và định lượng các nhóm oxi- cacbon bề mặt sử dụng các phương pháp vật lý, hóa học và hóa lý để giải hấp lớp oxit, trung hòa với kiềm, chuẩn độ điện thế, phương pháp phổ như phố IR, X-ray.Các nghiên cứu này đã chỉ ra sự tồn tại của vài nhóm chức, quan trọng hơn cả là

các nhóm carboxyl, lacton, phenol, quinin và hydroquinon Tuy nhiên, các phương pháp này không đưa ra các kết quả có thể so sánh với nhau và nhiều khi không giải thích được toàn bộ lượng oxi đã kết hợp

1.2.1 Nghiên cứu nhiệt giải hấp

Các nhóm oxi – cacbon trên bề mặt trên than do quá trình điều chế hoặc được tạo thành từ kết quả tương tác với oxi hay với các dung dịch hay khí oxi hóa,

có các cân bằng nhiệt khác nhau vì chúng được tạo thành ở những tâm khác nhau, liên kết với các năng lượng khác nhau Ví dụ, nhóm cacboxyl phân hủy ở nhiệt độ thấp hơn so với phenol hay nhóm quinone Do đó, khi mẫu than được xử lý nhiệt trong chân không hay trong môi trường trơ, các nhóm bề mặt khác nhau phân hủy ở các khoảng nhiệt độ khác nhau Nói chung, người ta thấy rằng các nhóm bề mặt này

thành.Phương pháp chung liên quan đến quá trình gia nhiệt mẫu than trong chân không hoặc trong dòng khí trơ ở một chương trình tốc độ gia nhiệt Các nhóm chứa oxi bề mặt giải hấp ở dạng các sản phấm khí dễ bay hơi và được phân tích bằng những phương pháp thông thường như trọng lượng, phổ khối lượng, sắc ký khí và phổ IR Vì cacbon có hoạt tính cao với oxi, các nhóm chức bề mặt nói chung

phân hủy từ các nhóm quinone và nhóm phenolic trong khoảng nhiệt độ từ

được giải phóng ra là kết quả của sự đứt liên kết C-H được giải hấp ở nhiệt độ

C.Nhiều nghiên cứu trên nhiệt giải hấp của các loại than khác nhau đã được công bố, Puri

và Basal thực hiện nhiệt phân chân không muội than, than gỗ và than hoạt tính và

loại hoàn toàn giống với tổng oxi tạo ra bằng những phân tích cơ bản Sự giải hấp

các khí này được tạo ra trong những khoảng thời gian khác nhau, điều này nghĩa là các nhóm chức chứa oxi trên bề mặt có thành phần khác nhau liên quan đến sự khác nhau về tâm hoạt động được liên kết với các năng lượng khác nhau Thành phần của khí thoát ra trong các khoảng nhiệt độ riêng biệt phụ thuộc vào bản chất nhóm chức bề mặt phân hủy trong khoảng nhiệt độ đó

Bansal và cộng sự cũng nghiên cứu sự phân hủy các nhóm cacbon oxi trên bề mặt được tạo ra trong quá trình oxi hóa nhiệt độ thấp bề mặt siêu sạch của graphon

được tạo ra từ sự phân hủy các nhóm chức oxi khác nhau từ các tâm hoạt động khác nhau trên bề mặt than Bản chất của các loại khí thoát ra trong quá tr ình giải hấp bằng nhiệt các nhóm chức trên bề mặt than và cơ chế thoát ra của chúng cũng được nghiên cứu bởi VanDriel sử dụng sắc ký khí, bởi Lang và Magnier sử dụng IR

và sắc ký khí, bởi Bonnetain và các cộng sự Các nhà nghiên cứu này thấy rằng

lên với sự giảm mức độ che phủ bề mặt, cho thấy sự thoát ra của các khí khác nhau liên quan đến sự phân hủy các loại hợp chất bề mặt khác nhau Trembley và cộng sự đã đo năng lượng giải hấp của nhóm oxi - cacbon bề mặt trên graphon,

sử dụng phương pháp giải hấp bằng nhiệt thay đổi tuyến tính và thấy rằng năng lượng giải hấp là một hàm của mức độ che phủ bề mặt, điều đó nói lên rằng các phức oxi bề mặt bao gồm một vài dạng nhóm chức và phân hủy ở các nhiệt độ khác nhau Matsumoto va Setaka thực hiện phân hủy bằng nhiệt than hoạt tính, kim

C sử dụng phổ khối lượng Phổ

hàm của nhiệt độ, từ đó cho thấy có trên một lần các khí được giải hấp bằng sự phân hủy các hợp chất bề mặt khác nhau Các chứng cứ rõ ràng từ các nghiên cứu phân hủy nhiệt là có 2 dạng cấu trúc hóa học bề mặt liên quan đến các tâm khác nhau có

năng lượng khác nhau và do đó CO và CO2 được giải phóng ra bởi sự phân hủy hai

là khó vì các nhóm bề mặt tương tác khác nhau trong các môi trường khác nhau Chúng có thể tương tác trực tiếp với các nhóm tương tự hoặc khác nhau ở lân cận Nói chung, các nghiên cứu giải hấp bằng nhiệt đều thu được các thông tin giá trị cung cấp các kết quả từ những phương pháp nghiên cứu độc lập

1.2.2 Trung hòa kiềm

Chuẩn độ với kiềm là một trong những phương pháp đơn giản và dễ nhất được

sử dụng để xác định bản chất và lượng nhóm có tính axit trên bề mặt của than Ngày nay, người ta đã nhận ra rằng khả năng trung hòa kiềm của than có thể được

C để cho nó không còn bất cứ hơi hay khí bị hấp phụ vật lý nào trên bề mặt Mẫu than sau đó cho tiếp xúc với dung dịch kiềm 0,1 đến 0,2N trong 24 hoặc 72h Thời gian tiếp xúc có thể giảm xuống 1 vài giờ nếu than và kiềm được đun hồi lưu Các điều kiện này được thực hiện bằng nhiều nghiên cứu Puri và cộng sự khảo sát một lượng lớn than trước và sau khử khí, và oxi hóa trong khí oxi cũng như các dung dịch oxi hóa, và thử khả năng trung hòa

oxi hóa, khả năng trung hòa kiềm của than cũng giảm và tăng tương ứng Khi

than mất hầu như toàn bộ khả năng trung hòa kiềm của nó, thậm chí nó vẫn chứa một lượng đáng kể oxy liên kết Boehm phân biệt các nhóm axit bề mặt trên than

đã oxi hóa bằng phương pháp trung hòa chọn lọc sử dụng bazơ có độ mạnh yếu

1.3 Ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên tính chất hấp phụ [5, 13]

Người ta biết rằng than hoạt tính chứa một lượng đáng kể oxi và hidro được hấp phụ hóa học, chúng có ở dạng phức bề mặt cacbon-oxi Một vài giả thuyết về

cấu trúc được đưa ra cho những chất phức bề mặt này Dựa vào các phương pháp vật lý, hóa học và hóa lý, sự tồn tại của các nhóm chức như cacbonyl, cacboxyl, lacton, quinon, hydroquinon, và phenol đã được đưa ra Tuy nhiên, các phương pháp đánh giá khác nhau không cung cấp các kết quả có thể so sánh được, thậm chí quan trọng hơn là toàn bộ lượng oxi liên kết không được giải thích Vì thế, vấn

đề này không được làm sáng tỏ một cách phù hợp, cũng như các cấu trúc, cơ chế khác nhau Tuy nhiên, các nghiên cứu đã công bố từ các phòng thí nghiệm và các nơi khác đã chỉ ra rằng hầu như chắc chắn các nhóm hay phức bề mặt xác định có

quá trình xử lý nhiệt trong chân không hoặc môi trường trơ

Bất kể là các oxit bề mặt này có bản chất và cấu trúc chính xác thì đều có một chút nghi vấn rằng oxi hấp phụ hóa học có mặt chủ yếu tại cạnh và góc phụ, nên những nhóm oxi này ảnh hưởng nhiều tới các đặc trưng bề mặt và tính chất bề mặt của than hoạt tính

1.3.1 Tính axit bề mặt của than

Tính axit bề mặt của than hoạt tính và muội than là đối tượng ban đầu của một

số lượng lớn các nghiên cứu do tầm quan trọng của nó trong việc xác định một vài phản ứng phân hủy, phản ứng xúc tác, và các tính chất hấp phụ của những vật liệu này Trong trường hợp của muội than, Wiegand đã sử dụng tính axit bề mặt để phân loại các họ của muội than chúng có tính axit mạnh hoặc có tính chất kiềm hoặc axit yếu Tính axit bề mặt của than được đo bởi khả năng hấp phụ bazơ của nó (hoặc sự trung hòa bazơ), khả năng này được tính bằng lượng cation kiềm đã trao đổi cho các ion hidro được cung cấp bởi các oxit axit trên bề mặt than Tính axit bề mặt là do cấu trúc hóa học của cacbon-oxi bề mặt đã được công nhận như cacboxyl

C Khả năng trung hòa bazơ của than giảm khi hút chân không hoặc loại khí bằng cách tăng nhiệt

tạo ra tại nhiệt độ đó Hơn nữa, khi nhiệt độ vượt cao quá, khả năng trung hòa bazơ

tính axit bề mặt của than phụ thuộc vào sự có mặt của nhóm hóa học bề mặt cacbon-oxi

1.3.2 Tính kị nước

Cacbon nguyên chất là chất kị nước Tính kị nước càng giảm thì tính ưa nước của than càng tăng, do lượng oxi liên kết với cacbon bề mặt tăng Từ lâu ta đã biết rằng muội than với hàm lượng oxi cao có thể dễ dàng bị làm ướt bởi nước Vì vậy, oxi hóa nhiệt độ thấp muội than thường được sử dụng để làm tăng đặc điểm

ưa nước của chúng Tương tự, các sợi cacbon hiệu năng cao thường kị nước được oxi hóa một cách thích hợp để tạo thành nhóm chức bề mặt cacbon-oxi để làm tăng tính ưa nước của chúng, chúng lần lượt cải thiện sự bám dính với các vật liệu nền trong composite có độ bền cao Fitzer đã công bố mối quan hệ trực tiếp giữa số lượng nhóm axit trên bề mặt sợi cacbon được tạo bởi sự oxi hóa và độ bền của composite trong trường hợp của nhựa phenola cũng như nhựa epoxi làm vật liệu nền Ảnh hưởng của nhóm oxi đưa lên bề mặt sợi cacbon bằng quá trình

C và các tính chất composit đã được ngiên cứu Trong trường hợp than hoạt tính, sự có mặt của nhóm axit bề mặt làm cho bề mặt than ưa nước và phân cực, theo đó cải tiến tính chất hấp phụ khí và hơi phân cực

1.3.3 Sự hấp phụ hơi phân cực

Nhiều nghiên cứu đã công bố ảnh hưởng của nhóm bề mặt cacbon-oxi lên khả năng hấp phụ hơi nước Lawson và King thấy rằng sự có mặt của oxi liên kết trong than làm tăng khả năng hấp phụ ở áp suất thấp hơi nước và chuyển dịch đường đẳng nhiệt tới áp suất thấp hơn Pierce đã thấy đường đẳng nhiệt hấp phụ hơi nước trên graphon thay đổi một cách đáng kể sau khi để graphon trong hơi nước tại 80˚C Điểm khác biệt này được cho là sự tương tác của hơi nước với graphon, tạo một phức bề mặt cacbon-oxi dẫn đến khả năng hấp phụ hơi nước nhanh hơn bề mặt sạch Pierce và các đồng nghiệp và Dubinin đã thấy rằng các tâm hoạt động nhất định trên than hoạt tính được tạo ra nhiều bởi nhóm bề mặt cacbon-oxi, các nhóm này như là trung tâm hấp phụ tại đó sự hấp phụ nước xảy ra ở dạng những đám riêng biệt qua liên kết hidro Các đám này sau đó phát triển theo kích thước khi có nhiều quá trình hấp phụ xảy ra trên phân tử nước do liên kết hidro

Cuối cùng thì chúng kết hợp với nhau ở áp suất hơi tương đối cao hơn để tạo thành các nốt hai chiều của pha ngưng tụ trên bề mặt than Dubinin, Zaverini và Serpinski đã đề xuất một phương trình để tính số tâm hấp phụ chủ yếu của chúng Phương trình đó có dạng sau:

tổng số tâm hấp phụ, và (1-Ka) kể đến sự giảm số tâm hấp phụ hoạt động với sự

Puri và các đồng nghiệp đã nghiên cứu sự hấp phụ hơi nước trên than kết hợp với một lượng thay đổi nhóm bề mặt cacbon-oxi và thấy rằng đó là sự có mặt oxy

hoạt động cho sự hấp phụ hơi nước và đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp đó đã

Phần còn lại của oxy đã hấp phụ hóa học có ảnh hưởng ít tới sự hấp phụ hơi nước

than, sự hấp phụ nước được tăng lên hay giảm đi một cách tương ứng Barton đã thấy rằng sự hấp phụ hơi nước lên than hoạt tính BPL trước và sau oxi hóa ở các cấp độ khác nhau với axit nitric đã bị ảnh hưởng không quá lớn bởi kích thước lỗ,

mà chủ yếu là do sự có mặt của các tâm ưa nước được tạo ra bởi nhóm oxy axit Bansal đã nghiên cứu sự hấp phụ hơi nước trên vài than polyme có độ xốp khác nhau, liên kết với những lượng oxy không giống nhau Than liên kết với những lượng giống nhau oxy liên kết nhưng sở hữu độ xốp khác nhau cho thấy khả năng hấp phụ tương tự nhau tại áp suất tương đối thấp, nhưng khác nhau đáng kể về giá trị hấp phụ tại áp suất hơi tương đối cao, điều này cho thấy sự ảnh hưởng của oxy liên kết và độ rỗng lên khả năng hấp phụ ở hai khoảng của áp suất tương đối Khi hàm lượng oxy liên kết trên than giảm, đường đẳng nhiệt cho thấy sự hấp phụ của

hơi nước giảm liên tục khi càng nhiều oxy liên kết bị giải phóng khỏi mẫu Tuy nhiên, quá trình giảm này đã bị giới hạn khi sự hấp phụ tại áp suất tương đối thấp

hấp phụ hơi nước tăng

Sự có mặt của nhóm cacbon-oxy cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ của các hợp chất phân cực hoặc có khả năng phân cực như methanol, ethanol, amoniac và amin, thuốc nhuộm và các chất bề mặt Puri và các đồng nghiệp và Bansal đã nghiên cứu đường đẳng nhiệt của methanol trên than với lượng thay đổi nhóm cacbon-oxy đã thấy rằng độ hấp phụ tăng hoặc giảm ứng với sự thay đổi của nhóm

Lượng methanol được giữ lại bởi tương tác đặc trưng trên bề mặt của than tương

trường hợp của methanol so với nước có thể do bán kính lớn hơn của nhóm không phân cực trong methanol Một nhóm metyl có bán kính 0,2 nm bị hấp phụ trên một nguyên tử oxy có đường kính 0,13 nm, nằm phẳng, có thể cản trở sự tiếp cận của nhóm metyl tới các nguyên tử oxy lân cận Tương tự, sự hấp phụ của các amin bởi than hoạt tính được xác định bằng lượng nhóm bề mặt cacbon-oxy mang tính axit Khi những nhóm bề mặt này bị rời khỏi bề mặt, độ hấp phụ của amin cũng giảm

1.3.4 Sự hấp phụ từ các dung dịch

Sự hấp phụ những hợp chất hữu cơ và vô cơ từ các dung dịch của chúng cũng cho thấy khả năng hấp phụ của than bị ảnh hưởng bởi việc có mặt của các nhóm oxi-cacbon Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu sự hấp phụ của một vài thuốc nhuộm cation và anion trên than chì cũng như các loại muội than khác nhau, đã thấy rằng sự hấp phụ đó, mặc dù được xác định bởi diện tích mặt của cacbon, vẫn

bị ảnh hưởng mạnh bởi sự hiện diện của các oxit có tính axit trên bề mặt Khả năng hấp phụ những chất nhuộm cation tăng cùng với sự tăng số lượng của nhóm oxi bề mặt trong quá trình ôxi hóa thanvà giảm khi những ôxit bề mặt này bị loại bỏ trong quá trình giải hấp bằng nhiệt trongchân không Trong trường hợp của những thuốc nhuộm anion, sự hấp phụ giảm theo mức độ ôxi hóa, độ giảm này tùy thuộc vào

sự tăng về số lượng của các nhóm axit bề mặt Goyal và nh ững cộng sự cũng đã

nghiên cứu sự ảnh hưởng của các nhóm oxy -cacbon tới khả năng hấp phụ một vài ion kim loại như Cr(III), Cr(VI), Co(II), Cu(II), và Ni(II) trên một vài cacbon hoạt tính có sự khác nhau về diện tích bề mặt và khác nhau về số nhóm chức oxy - cacbon trên bề mặt Những nhà khoa học này đã tìm ra rằng sự hấp phụ này không chỉ liên quan đến diện tích bề mặt, mà còn phụ thuộc vào số lượng của các nhóm oxi và có thể là một vài nhóm oxit acid khác Sự hấp phụ cation tăng đối với trường hợp than đã thực hiện quá trình ôxy hóa và giảm trong quá trình loại khí, kết quả này được giải thích là quá trình oxi hóa tạo thành các nhóm axit bề mặt

lại bề mặt than có các tâm tích điện, ở đó sự hấp phụ các cation có thể xảy ra Khi các tâm tích điện âm được loại trừ bằng loại khí, thì bề mặt than sẽ giảm xu hướng hấp phụ cation Sự hấp phụ của những hợp chất hữu cơ như phenol và P nitrophenol cũng bị ảnh hưởng bởi những nhóm oxi-cacbon này Mặc dù sự có mặt của những nhóm oxi axit làm giảm đi sự hấp phụ phenol, nhưng sự có mặt của những nhóm quinon lại làm tăng cường khả năng hấp phụ

1.3.5 Sự hấp phụ ƣu tiên

Kipling và các cộng sự, trong khi nghiên cứu sự hấp phụ từ những hỗn hợp hai chất trong pha lỏng, đã thấy rằng sự có mặt của oxi bị hấp phụ hóa học, đã mang tính phân cực của nó lên than để chúng hấp phụ ưu tiên hơn đối với thành phần phân cực hơn trong hỗn hợp Sự tương tác này được cho là do sự có mặt của các nhóm oxy-cacbon, chúng tương tác với thành phần phân cực hơn trong dung dịch chứa hai chất khác nhau Puri và các đồng sự, và Bansal và Dhami, trong khi nghiên cứu đường đẳng nhiệt hấp phụ các dung dịch benzen-metanol, benzen-etanol trên những loại than chì khác nhau với lượng oxi liên kết khác nhau,

đã chỉ ra bản chất của những nhóm oxi thậm chí quan trọng hơn tổng lượng oxi trong việc xác định tương tác bề mặt của than với các chất tan trong những trường hợp trên Những đường đẳng nhiệt trong hấp phụ hỗn hợp benzen-metanol của than chì có nguồn gốc từ gáo dừa khác nhau, cho thấy than chì ban đầu có

methanol phân cực hơn benzen Vì một phần của các nhóm bề mặt này được loại

bỏ trong chân không tại 400°C, nên khả năng hấp phụ rượu cũng giảm xuống đáng

kể Khi các nhóm này được loại bỏ hoàn toàn bằng sự loại khí ở than chì tại 750°C, thì gần như sẽ có một sự đảo ngược của quá trình ưu tiên bởi vì benzen được ưu tiên mặc dù khá nhỏ, hơn là etanol hay metanol

Than chì được loại khí tại 750°C vẫn giữ lại một lượng đáng kể oxi được kết hợp có khả năng tạo ra CO Than chì không hấp phụ ưu tiên etanol và metanol, và

ưu tiên hơn với benzen đối với những mẫu than đã loại khí ở 100°C, khi mà chúng gần như là đã không còn oxi Điều đó có vẻ là những nhóm quinon đã tạo thành một phần các nhóm bay hơi CO để đẩy mạnh quá trình ưu tiên cho các nhóm benzen

đẩy mạnh sự hấp phụ ưu tiên các nhóm rượu , và một phần khác giống như là một phức chất của CO lại đẩy mạnh sự hấp phụ ưu tiên benzen Như vậy, điều cần xác định ở đây không chỉ là tổng lượng oxi mà còn cả dạng của nó để có thể đánh giá một cách chính xác tính đặc trưng và trạng thái bề mặt của nhóm cacbon - oxy

1.4 Tâm hoạt động trên bề mặt than[5, 13]

Than hoạt tính có cấu trúc gồm nhiều lớp của những hệ vòng thơm ngưng tụ đính với nhau trong những lớp không phân cực Những lớp này có những kích thước giới hạn, do đó tạo thành các góc Bên cạnh đó, những lớp này có những chỗ khuyết, biến dị vào gián đoạn Những nguyên tử carbon ở những vị trí này

có những cặp electron không ghép đôi và những hóa trị thừa ra, có thế năng cao hơn Do đó, những nguyên tử cacbon này có hoạt tính cao, tạo thành những tâm hoạt động Rất nhiều nghiên cứu tập trung vào tìm hiểu số lượng và bản chất của các tâm hoạt động này vì những tâm hoạt động này quyết định độ hoạt động của

bề mặt, những phản ứng bề mặt và khả năng xúc tác của than hoạt tính Bởi vì xu hướng cacbon hấp phụ hóa học oxy lớn hơn các chất khác nên nhiều nghiên cứu đã kết luận tâm hoạt động này là từ sự hấp phụ hóa học oxy

Giả thiết đầu tiên là than hoạt tính gắn với nhiều loại khác nhau những tâm hoạt động, từ nghiên cứu của Rideal và Wright sự oxi hóa bề mặt than với khí oxy, họ thấy 3 loại tâm hoạt động khác nhau đã tương tác khác nhau ở những áp suất khác nhau và cho thấy tốc độ hấp phụ hóa học khác nhau oxy ở 200°C

Allardice khi nghiên cứu động học của hấp phụ hóa học oxy trên than chì ở nhiệt

độ giữa khoảng 25°C và 300°C dưới áp suất 100 đến 700 torr, thấy một quá tr ình hấp phụ có 2 bước mà ông cho rằng đó có sự hiện diện của 2 loại tâm hoạt động khác nhau Dietz và Mc Farlane trong khi nghiên cứu sự hấp phụ hóa học oxy trên than hoạt tính có bề mặt lớn ở nhiệt độ giữa 100°C và 300°C và áp suất oxy là bậc của 100 millitor, quan sát thấy một quá trình hấp phụ ban đầu nhanh và sau đó

là một quá trình hấp phụ chậm hơn nhiều Carpenter và những đồng nghiệp đã oxy hóa rất nhiều loại than ở những nhiệt độ khác nhau, nhận thấy hấp phụ hóa học oxy chỉ tuân theo phương trình Elovich trong thời gian 5 phút đầu tiên Khi thời gian oxy hóa tăng lên, lượng oxy hấp phụ hóa học vượt quá lượng được tính từ phương trình Elovich Việc này có thể là do sự tạo thành của những tâm hấp phụ mới bởi

khi nghiên cứu sự clo hóa than đường và than gáo dừa ở những nhiệt độ khác nhau trong khoảng 30 đến 1200°C, nhận thấy rằng hydro bị hấp phụ hóa học đượcgiải phóng ở một số bước, phụ thuộc vào nhiệt độ Những nhà nghiên cứu này cho rằng hydro trong than chì được liên kết với những dạng tâm khác nhau bằng năng lượng hoạt hóa Lussow và các đồng nghiệp nghiên cứu động học quá trình hấp phụ của oxy trên một mặt graphon hoạt hóa tới những mức độ đốt cháy trong khoảng 0-35% ở trong khoảng nhiệt độ 450°C đến 675°C Lượng oxy hấp phụ hóa học tăng khá mạnh ở nhiệt độ trên 400°C, lớn hơn gần 2 hoặc 3 lần Người ta cũng thấy rằng khi áp suất oxy tăng từ 0.5 đến 700 torr, lượng oxy hấp phụ hóa học gần như là tăng gấp đôi Những kết quả này chỉ ra sự tồn tại của nhiều hơn 1 loại vùng năng lượng hoạt hóa Ở những nghiên cứu sau này, Walker và các cộng sự khi nghiên cứu tốc độ hấp phụ hóa học của oxy trên graphon hoạt hóa, với 14.4%

bị đốt cháy ở nhiệt độ trong khoảng 300°C tới 625°C với áp suất oxy là 0.5 torr, quan sát thấy 2 tốc độ hấp phụ khác nhau , một trên và một dưới 250°C Hơn

khoảng thời gian dài hơn Điều này chỉ ra sự có mặt của 2 loại tâm hoạt động khác nhau ở năng lượng hoạt hóa của chúng Năng lượng hoạt hóa của quá trình hấp phụ ở những tâm tương đối hoạt đông hơn được tìm ra là khoảng 30 kJ/Mol

Bansal nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ hóa học của hydro trên cùng mẫu graphon với áp suất oxy và nhiệt độ hấp phụ Tốc độ hấp phụ hóa học của hydro là rất thấp so với oxy Chỉ 4 loại tâm hoạt động được tìm ra khi

thực hiện được ở nhiệt độ cao vì mặt graphon bị đốt cháy sinh ra khí có thể làm nhiễu phép đo động học Puri và các đồng nghiệp và Bansal đã thu được những chứng cứ khá thuyết phục cho sự tồn tại của những tâm hoạt động hoàn toàn khác nhau, chúng được gọi là tâm chưa bão hòa Những tâm này có thể được xác định bởi sự tương tác của than với dung dịch hòa tan brom trong KBr Những tâm

Nồng độ của những tâm hoạt động trên bề mặt than hoạt tính được đo theo ngôn ngữ diện tích mặt phẳng họat động (ASA) ASA, theo các nhà khoa học, là một chỉ

số của độ hoạt động hóa học của bề mặt than, quyết định khả năng xúc tác và phản

C trong 24h ở áp suất oxy ban đầu là 0.5 torr Giả sử rằng một phân tử oxy được hấp phụ hóa học tại mỗi nguyên tử carbon, mà mỗi nguyên tử carbon chiếm diện tích 0.083 nm, lượng oxy hấp phụ hóa học có thể được chuyển đổi sang ASA Các nhà khoa học này đã hoạt hóa graphon với những mức độ đốt cháy khác nhau để tạo ra một lượng tương ứng ASA và thấy rằng ASA tăng cùng với độ đốt cháy và có thể liên hệ độ hoạt động của graphon với oxy Tuy nhiên, ngày nay người ta đã tìm ra rằng than có gắn với vài loại nhóm tâm hoạt động, mỗi nhóm lại gắn với một lượng phụ thuộc năng lượng hoạt hóa Tóm lại, cần thu được dữ liệu từ những điều kiện thích hợp để có thể chắc chắn rằng những sự hoạt động của bề mặt không phải

là không chịu ảnh hưởng bởi phản ứng trên những vùng ít hoạt động hơn Hoffman khi nghiên cứu sự hấp phụ hóa học một vài hydrocarbon như propylen, ethylen, propan và methan trên graphon hoạt động, nhận thấy rằng độ hấp phụ của mỗi hydrocarbon tăng ứng với các graphon có mức độ đốt cháy nhiều hơn, do tăng ASA của graphon Tuy nhiên, ASA ở những hydrocarbon này nhỏ hơn nhiều khi so

với ASA bởi oxy ở mọi mức độ đốt cháy Hơn nữa, propylen có ASA lớn hơn ethylen, methan và n-butan Điều này có thể do kích cỡ lớn hơn của những phân tử hydrocarbon này, khi được hấp phụ trên một tâm hoạt động như là đã che những tâm bên cạnh, làm chúng không thể tham gia hấp phụ hóa học Do vậy, ASA có ý nghĩa duy nhất liên quan đến sự hấp phụ hóa học của những thành phần riêng biệt Dentzer nghiên cứu khả năng hấp phụ và giải hấp các phức bạc diamin từ dung dịch amoni trên graphit được hoạt hóa với những mức độ cháy khác nhau và thấy rằng lượng bạc hấp phụ tăng khi mức độ đốt cháy tăng Một quan hệ tuyến tính giữa lượng bạc bị hấp phụ và ASA như được xác định bằng phương pháp Walker Điều này có thể do những tương tác khử của bạc diamin với những tâm họat động trên than tạo ra bạc kim loại bị hấp phụ trên những tâm hoạt động.Bansal và các cộng sự cho rằng sự tồn tại những tâm hoạt động này là do sự khác nhau trong sự sắp xếp không gian của những nguyên tử carbon bề mặt Khi bề mặt than có các phân tử khí đi vào, những phức hoạt động được tạo ra giữa những nguyên tử khí và những nguyên tử cacbon trên 2 bề mặt có thể có cấu hình thế năng khác nhau, phụ thuộc vào khoảng cách giữa những nguyên tử carbon, tạo ra sự phụ thuộc của năng lượng hoạt hóa của quá trình hấp phụ hóa học

Sherman và Eyring đã tính toán lý thuyết năng lượng hoạt động của hấp phụ hóa học hydro trên mặt than và tìm ra giá trị phụ thuộc vào khoảng cách C-C Một phép so sánh những giá trị lý thuyết của Sherman và Eyring và giá trị thực nghiệm thu được bởi Bansal đã được đưa ra Sự thống nhất giữa giá trị thực nghiệm

và lí thuyết đã cho thấy một điều rằng khoảng cách C có tác động như các loại tâm hoạt động khác nhau trên đó sự hấp phụ hóa học có thể xảy ra

1.5 Biến tính bề mặt than hoạt tính[5, 13]

Đặc điểm quan trọng và thú vị nhất của than hoạt tính là bề mặt có thể biến tính thích hợp để thay đổi đặc điểm hấp phụ và làm cho than trở nên thích hợp hơn trong các ứng dụng đặc biệt Sự biến tính bề mặt than hoạt tính có thể được thực hiện bằng sự tạo thành các dạng nhóm chức bề mặt khác nhau Các nhóm chức này bao gồm các nhóm chức oxy– cacbon được tạo thành khi oxy hóa bề mặt than với

các khí hoặc các dung dịch oxy hóa Nhóm chức bề mặt cacbon– hydro tạo thành bằng quá trình xử lý than hoạt tính với khí hydro ở nhiệt độ cao Nhóm chức cacbon – lưu huỳnh bằng quá trình xử lý than hoạt tính với lưu huỳnh nguyên tố,

Cacbon – halogen được tạo thành bằng quá trình xử lý than hoạt tính với halogen trong pha khí hoặc dung dịch Vì các nhóm chức này được liên kết và được giữ ở cạnh và góc của lớp vòng thơm, và bởi vì thành phần các cạnh và góc này chủ yếu

là bề mặt hấp phụ, nên người ta hi vọng khi biến tính than hoạt tính sẽ thay đổi đặc trưng hấp phụ và tương tác hấp phụ của các than hoạt tính này Thêm vào đó, sự biến tính bề mặt than cũng được thực hiện bằng quá trình khử khí và bằng việc mang kim loại lên bề mặt Ảnh hưởng của các nhóm chức bề mặt oxy – cacbon lên đặc trưng và tính chất bề mặt đã được thảo luận ở 1.3 Trong phần này chủ yếu

đề cập đến ảnh hưởng của các biến tính khác lên đặc điểm chất hấp phụ của than hoạt tính

1.5.1 Biến tính tính than hoạt tính bằng N 2

Than hoạt tính chứa lượng không đáng kể nhóm chức nitơ Tuy nhiên, phản

hơn, tạo ra một lượng đáng kể nhóm chức C-N trên bề mặt Boehm và các cộng sự cũng như Rivera-Utrilla và các cộng sự, thấy rằng khi than hoạt tính đã oxy hóa

thấp sự cố định Nitơ cân bằng với số nhóm oxy axit trên bề mặt và được cho là sự tạo thành muối amoni

Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao sự thay thế các nhóm hydroxyl bằng nhóm amin đã được thừa nhận, than trở nên kỵ nước và giảm đáng kể khả năng hấp phụ xanh

liên quan đến sự trung hòa nhóm chức axit trên bề mặt và sự cố định thêm một số

khả năng hấp phụ tăng đối với axit Sự tăng lên về khả năng hấp phụ axit tương ứng

thấy rằng không có sự hấp phụ nhóm amide, phổ IR cũng chỉ ra có phản ứng của

1.5.2 Biến tính bề mặt than bằng halogen

Đặc điểm bề mặt của than, than hoạt tính và muội được biến tính bằng một số phương pháp xử lý với halogen Sự hấp phụ halogen gồm cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, quá trình thông qua một số cơ chế bao gồm cộng hợp ở các tâm chưa

phụ thuộc vào bản chất của bề mặt than, hàm lượng oxy, hydro của than, điều kiện thí nghiệm và bản chất của từng loại halogen Halogen được cố định trên bề mặt than ở dạng hợp chất cacbon-halogen có độ bền nhiệt cao và không thể loại bỏ

Tuy nhiên, một phần halogen có thể trao đổi với nhóm OH khi xử lý với kiềm và

hấp phụ vật lý này có thể biến tính hoàn toàn đặc điểm bề mặt và phản ứng bề mặt của than Ví dụ, sự cố định Clo hoặc Brom có thể tạo ra sự phân cực nhưng không phải là liên kết hydro mà là tương tự với liên kết phổ biến trên than là liên kết với nhóm oxi bề mặt Liên kết C-Cl hoặc C-Br có thể trao đổi với các nhóm chức khác tạo ra loại hợp chất bề mặt mới

Puri và Bansal đã nghiên cứu đặc trưng bề mặt và tương tác bề mặt của than đường, than gáo dừa được biến tính với halogen Tỷ khối của than tăng tuyến tính khi tăng lượng clo cố định trên than Tuy nhiên, độ axit bề mặt của than còn lại nhiều hoặc ít thay đổi Người ta thấy rằng sự cố định clo dẫn đến nhiều dạng cấu trúc lỗ xốp và sự phân bố kích thước mao quản, hoặc sự thay đổi vị trí hoặc mật độ tâm hoạt động.Thay thế clo hấp thụ trên bề mặt bằng các nhóm chức khác đã được Puri và các cộng sự và Boehm nghiên cứu bằng cách đun hồi lưu than đã clo hóa

với NaOH 2,5M và xử lý với amoniac để thay thế nhóm clo bằng nhóm amin Sự có mặt của nhóm amin đã làm bề mặt than có tính chất kiềm, điều này làm tăng đáng

kể khả năng hấp phụ axit

1.5.3 Biến tính bề mặt than bằng sự lưu huỳnh hóa

Các hợp chất cacbon-lưu huỳnh trên bề mặt được nghiên cứu rộng rãi trên than

gỗ, than hoạt tính, muội than Các hợp chất này được tạo thành trong suốt hoặc sau quá trình tạo thành than Trong trường hợp của cacbon hoạt tính, chúng thông thường được tạo thành bởi đun nóng than trong sự có mặt lưu huỳnh nguyên tố

bề mặt này không hợp thức trong khoảng rộng về thành phần phụ thuộc vào bản chất than, các điều kiện thực nghiệm, và độ lớn của bề mặt than Những hợp chất này thường chứa một lượng đáng kể lưu huỳnh, có thể lên tới 40-50% Những hợp chất lưu huỳnh trên bề mặt này không thể chiết với các dung môi hoặc bị phân hủy một cách hoàn toàn bằng xử lý nhiệt trong môi trường trơ, tuy nhiên chúng có thể

Sự hấp phụ hóa học lưu huỳnh lên bề mặt than bao gồm sự liên kết với các nguyên tử cacbon bên ngoài, cộng tại vị trí nối đôi, thâm nhập vào bên trong cấu trúc mạng, và trao đổi lấy hydro cũng như oxygen còn liên kết với bề mặt cacbon Như các nguyên tử cacbon ngoại vi, do các hóa trị không thỏa mãn của chúng quyết định các đặc điểm hấp phụ của than hoạt tính, đó là lý do để tin rằng sự có mặt của các chất lưu huỳnh bề mặt sẽ ảnh hưởng tới tính chất bề mặt của những vật liệu này

Sự ảnh hưởng của các hợp chất lưu huỳnh bề mặt lên sự hấp phụ các chất hơi phân cực và không phân cực có kích thước phân tử thay đổi đã được nghiên cứu bởi Puri và Hazra Sự hấp phụ hơi nước đã tăng một các đáng kể khi áp suất tương đối thấp hơn 0.4 và giảm ở áp suất cao hơn Lượng lưu huỳnh liên kết tăng làm tăng ảnh hưởng và được cho là do thay đổi sự phân bố kích thước lỗ xốp gây ra bởi cố định lưu huỳnh dọc theo thành lỗ Đường đẳng nhiệt hấp phụ hơi metanol và hơi benzen chỉ ra rằng các phân tử lớn hơn này đã tìm các bề mặt càng càng nhỏ vì càng nhiều lưu huỳnh được liên kết trong lỗ

Cacbon Saran lưu hóa đã than hóa tại 900ْ C và đã thêm vào những lượng lưu huỳnh khác nhau trong khoảng 1-12 % đã được sử dụng bởi Sinha và Walker để loại bỏ hơi thủy ngân từ không khí hay hơi nước Khi hơi nước bị nhiễm bẫn được đưa qua lớp than tại 150ْ C và lượng thủy ngân tích lũy trong dòng hơi nước rất thấp so với than chưa lưu hóa Điều này dẫn tới phản ứng giữa thủy ngân với lưu huỳnh trên bề mặt than, tạo thành thủy ngân sunphua Các nhà nghiên cứu Lopez-Gonzalev đã phát hiện ra rằng than hoạt tính đã được lưu hóa là các chất hấp phụ

1.5.4 Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm hóa chất

Than hoạt tính được tẩm kim loại và các oxit của chúng đã phân tán ở dạng các hạt nhỏ đã và đang được sử dụng rộng rãi trong một vài phản ứng pha khí cả trong công nghiệp và để bảo vệ con người chống lại các khí và hơi độc Những loại than này được sử dụng lần đầu tiên trong chiến tranh thế giới thứ nhất để bảo vệ

hệ hô hấp của các binh lính chống lại chiến tranh khí Hơn nữa, việc mang các kim loại lên các vật liệu có cacbon làm giảm các đặc điểm khí hóa và thay đổi cấu trúc lỗ của các sản phẩm cacbon cuối cùng Vì vậy, việc mang các chất lên than hoạt tính như vậy cũng được sử dụng để thu được than hoạt tính có một cấu trúc vi

lỗ xác định

Than hoạt tính được tẩm KI và các hợp chất tương tự, với amine, bao gồm pyridin đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hạt nhân để duy trì các hợp chất phóng xạ của iot từ các tác nhân làm lạnh và hệ thống thông gió KI mang trên than hoạt tính phản ứng với nhóm oxi - cacbon trên bề mặt than và thay đổi trạng thái hấp phụ của chúng, do đó cải thiện khả năng của than hoạt tính để duy trì metyliot phóng xạ Tính chất hấp phụ của than hoạt tính đã được làm thay đổi khi mang lên nó 5 pyridin Khả năng phản ứng của than có mang clo-xianua đã tăng cùng với việc tăng lượng chất mang Tuy nhiên, khả năng phản ứng thay đổi từ pyridin này tới pyridine khác nhưng không nhất thiết theo thứ tự tính nucleophilvà tính bazơ của chúng

Barnir và Aharoni đã so sánh sự hấp phụ clo-xianua trên than hoạt tính trước

hấp phụ clo-xianua là thuận nghịch trong trường hợp của than hoạt tính, đã trở thành không thuận nghịch sau khi tẩm mặc dù khả năng hấp phụ không đổi Reucroft và Chion cũng so sánh trạng thái hấp phụ của than hoạt tính BPL trước và

hydrogen xyanua Cacbon được tẩm đã cho thấy cả khả năng hấp phụ hóa học và khả năng hấp phụ vật lý, khả năng hấp phụ hóa học được giải thích rõ hơn trong phosgen, cynogen clorua và hygroxyanua Tất cả các than được tẩm đều giữ lại

phụ hơi nước mà hỗn hợp hơi nước với HCN tăng gấp mười lần so với than hoạt tính thông thường

CHƯƠNG 2 – THỰC NGHIỆM

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là than hoạt tính từ gáo dừa do Công

ty Cổ phần Trà Bắc sản xuất

2.2 Mục tiêu nghiên cứu

Trước hết, chúng tôi tiến hành biến tính than hoạt tính bằng tác nhân oxi hóa KMnO

Sau đó chúng tôi tiến hành chuẩn độ than hoạt tính biến tính bằng NaOH để xác định sơ bộ tổng số tâm axit trên bề mặt than hoạt tính sau khi biến tính

Để thay đổi bản chất bề mặt than hoạt tính chúng tôi tiến hành mang MnO

bề mặt than sau khi đã biến tính làm tăng khả năng hấp phụ ion của than hoạt tính, tạo ra các vật liệu có hàm lượng Mn khác nhau (vật liệu AC-2) Tương tự, chúng tôi đưa thêm MnO

và Fe khác nhau (vật liệu AC-3) Sau đó chúng tôi đem vật liệu thu được đi chụp phổ hồng ngoại IR và chụp SEM để đánh giá các đặc tính của vật liệu: Thành phần, hình thái bề mặt, dự đoán liên kết Sau cùng chúng tôi tiến hành khảo sát khả năng hấp phụ của các vật liệu với các ion trong nước Trong nghiên cứu này chúng tôi

phương pháp hấp phụ, trao đổi ion bằng than hoạt tính biến tính

2.3 Danh mục thiết bị, hóa chất cần thiết cho nghiên cứu B

Bảng 2.1 Danh mục dụng cụ thiết bị cần thiết cho nghiên cứu

STT Tên thiết bị , dụng cụ Mục đích

3 Máy lắc Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu bằng

phương pháp hấp phụ tĩnh

Chuẩn độ axit bazơ

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Chuẩn bị than hoạt tính

Than hoạt tính mua từ Công ty cổ Phần Trà Bắc được giã thành hạt có kích thước 0,5–1mm, sau đó được rửa thật sạch và sấy khô trong tủ hút chân không

Để nguội cho vào bình kín để sử dụng làm thí nghiệm nghiên cứu (vật liệu AC-0)

2.4.2 Ôxi hóa bề mặt than hoạt tính (Tạo vật liệu AC-1):

Cân chính xác 5 g AC-0 cho vào bình nón cỡ 250 ml Thêm từng lượng KMnO

Khi tiến hành thí nghiệm, chúng tôi phải thử nghiệm với các dung dịch

dư Chúng tôi cũng tiến hành thí nghiệm với môi trường axit khác nhau và đảm bảo

ứng tối đa, ôxi hóa hết bề mặt than hoạt tính Lọc lấy dd đem xác định lượng

Hỗn hợp thu được đem tách riêng, phần dung dịch đem chuẩn độ lượng

axit dư cũng đã bị phân hủy hết Mẫu thu được là than hoạt tính đã bị oxi hóa hoàn toàn gọi là vật liệu AC1

STT Khối lƣợng THT(g) C N KMnO4 (N) C N H2SO4 (N)