Khả năng tái sinh than hoạt tính bằng cách xử lí với axit nitric

So với các chất hấp phụ khác thì dung lợng hấp phụ của than không caosong nó có những tính chất đặc biệt nh bền nhiệt bền hoá học, bền cơ học …..và u việt hơn các loại vật liệu trong một

Bộ giáo dục và đào tạo trờng đại học vinh

Khoa hoá học

Nguyễn Thị Hà

Đề tài

Khả năng tái sinh than hoạt tính

Bằng cách xử lý với Axit nitric

khoá luận tốt nghiệp đại học

1.1.1.1 Giới thiệu chung về than hoạt tính

1.1.1.2 cấu tạo hoá học của than hoạt tính

1.1.1.3 Cấu trúc của than hoạt tính

122222

1.1.2 Tính chất chung của than hoạt tính

1.1.2.1 Tính chất hấp phụ

1.1.2.2 Tính chất xúc tác

1.1.2.3 Tính chất khử

1.1.3 ứng dụng của than hoạt tính

2.1 Hấp phụ bằng than hoạt tính

2.1.1 Quá trình hấp phụ

2.1.1.1 cơ chế hấp phụ

2.1.1.2 các chất hấp phụ bằng than hoạt tính

2.1.1.2.1 Than hoạt tính dạng bột

2.1.1.2.2 Than hoạt tính dạng hạt

2.1.2 Các đặc trng chủ yếu về tính chất hấp phụ của than

2.1.3 Phơng pháp xây dựng đờng đẳng nhiệt

2.1.4 Khả năng xử lý tái sinh than

Phần 2 Thực nghiệm, kết quả và thảo luận

I Dụng cụ, hoá chất và dung dịch thí nghiệm

3.1 Xây dựng đờng đẳng nhiệt hấp phụ của mẫu than ban đầu

3.2 Nghiên cứu các điều kiện xử lý tái sinh tính chất hấp phụ của than

hoạt tính bừng dung dịch HN03

3.2.1 Khảo sát ảnh hởng của nhiệt độ đến hiệu quả xử lý than

3.2.2 Khảo sát ảnh hởng của nồng độ nung đến hiệu quả xử lý than

3.2.3 Khảo sát ảnh hởng của thời gian HN03dùng làm chất xử lý đến

hiệu quả xử lý than

3.3 Khảo sát tính năng hấp phụ của mẫu than sau khi xử lý ở điều kiện

tối u

Phần 3 Kết luận chung

Tài liệu tham khảo

466789111111131314151720

212121212122232627

272829

30

33

34

Mở đầu

Để phục vụ mục đích xử lí môi trờng, các vật liệu hấp phụ từ lâu đã đợcnghiên cứu và ứng dụng Than hoạt tính là loại vật liệu hấp phụ đã đợc pháthiện và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.Trong khi nghiêncứu về than hoạt tính, ngời ta còn thấy nó có khả năng hấp phụ và trao đổichọn lọc với nhiều hợp chất khác nhau tuỳ vào khả năng xử lý [1]

So với các chất hấp phụ khác thì dung lợng hấp phụ của than không caosong nó có những tính chất đặc biệt nh bền nhiệt bền hoá học, bền cơ học

… và u việt hơn các loại vật liệu trong một số trờng hợp cụ thể, nó còn có khả

năng tái sinh

ở nớc ta, than hoạt tính từ nhiều năm nay đã đợc nghiên cứu và sảnxuất song vẫn cha đợc sử dụng rộng rãi

Do ý nghĩa to lớn đối với đời sống con ngời cùng với điều kiện thực tiễn

và khả năng sử dụng tại Việt Nam mà việc nghiên cứu về vật liệu hấp phụ trởnên hết sức cần thiết

Trong thực tế, giá thành sử dụng than hoạt tính không chỉ phụ thuộc vàogiá than trên thị trờng, mà còn phụ thuộc vào khả năng tái sinh than sau khihấp phụ Việc tìm kiếm phơng pháp tái sinh than khôi phục hoạt tính hấp phụcủa nó do đó có ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học Đó là lý do tôi chọn đề

tài “Khả năng tái sinh than hoạt tính bằng cách xử lý với axit nitric”, làm

nội dung nghiên cứu luận văn tốt nghiệp Đại Học

Luận văn bao gồm các nội dung nghiên cứu sau:

- Xác định đờng đẳng nhiệt hấp phụ của mẫu than hoạt tính

- Xác định các điều kiện xử lý để tái sinh than bằng dung dịch axitHNO3.

- Xác định đờng đẳng nhiệt hấp phụ của than sau khi tái sinh.

1.1.1.1 Giới thiệu chung về than hoạt tính.

Than hoạt tính là loại vật liệu thành phần chủ yếu là các bon (các bonchiếm 85%-95%, phần còn lại là hợp chất vô cơ) đợc chế biến một cách bặcbiệt nhằm loại bỏ các chất có nhựa và tạo ra các lỗ xốp trong đó [9]

Do đợc điều chế từ các vật liệu khi đốt cháy tạo thành các bon, nênnguồn nguyên liệu sản xuất than hoạt tính là khá phong phú và đa dạng nh từthực vật, động vật, than mỏ hay các hợp chất hữu cơ

Ngời ta đã nghiên cứu khả năng hấp phụ của than hoạt tính từ cuối thế

kỷ XVIII, tuy nhiên đến năm 1915 NĐ ZELINXKI mới nghiên cứu phơngpháp điều chế nó Hiện nay than hoạt tính đợc sử dụng rộng rãi trong các lĩnhvực của khoa học và đời sống Tuỳ theo mục đích mà ngời ta dùng các loạithan hoạt tính khác nhau nh trao đổi ion, than lọc khí hơi, than xử lý nớc, thantẩy màu… ở dạng hạt hay ở dạng bột [3]

1.1.1.2 Cấu tạo của than hoạt tính

Do có phạm vi ứng dụng lớn nên cấu tạo của than hoạt tính đã đợcnghiên cứu rất sâu bằng phơng pháp vật lý và hoá học

Từ việc nghiên cứu cấu tạo của than bằng phổ nhiễu xạ rơn ghen, Rai ni

đã mô tả “phân tử than bằng các phân tử ngng tụ - gọi là các lát mỏng cơ bảnnằm song song với nhau nằm ở dạng trung gian giữa dạng vô định hình vàdạng tinh thể” Theo Rai ni thì than có hai loại lớp rối:

- Loại thứ nhất làm thành từng lớp cách nhau khoảng 3,5 A0 màchỉ do các nguyên tử các bon tạo nên dới dạng những vòng thơm ngng tụ gọi

là lớp rối “cứng nhắc”

- Loại thứ hai gọi là lớp rối “ linh hoạt” có độ ngng tụ thơm bé hơn loạithứ nhất và khoảng cách giữa các lớp rối là 4,5A0 trong đó nguyên tử cácbonnằm xung quanh liên kết với các nhóm nguyên tử khác nh - OH; - COOH; -OCH3 … gọi là các nhánh bên [2]

Bên cạnh đó còn có nhiều giả thiết tơng tự đợc nêu ra song đều cha đợcgiải thích một cách đúng đắn các tính chất vật lý và hoá học của than Khinghiên cứu cấu tạo của than bằng phơng pháp vật lý thì mẫu than không bịthay đổi thành phần tính chất nhng khi dùng phơng pháp hoá học thì sẽ bị biến

đổi theo nhiều hớng khác nhau tuy nhiên nó mang lại nhiều kết luận quantrọng

Qua nghiên cứu cấu tạo a xít humic ngời ta cho rằng cấu tạo của thangần giống của axit humic gồm phần nhân và phần nhánh bên nhng phân tửthan lớn hơn rất nhiều

Hình 1: Mẫu cấu tạo phần tử a xít humic của FUSƠ

Để nghiên cứu thành phần của các nhóm bên ở quanh nhân ngời ta tiếnhành phân tích các nhóm định chức của than và đã xác định có các nhóm -OCH3; -OH; CO-; CHO; - COOH

Bằng phơng pháp nghiên cứu vật lý và hoá học các nhà nghiên cứu đãkhẳng định đợc cấu tạo phân tử than gồm hai phần:

- Phần kiến trúc hoàn chỉnh bao gồm những vòng thơm ngng tụ cao

- Phần kiến trúc cha hoàn chỉnh bao gồm những cầu nối các bon mạchthẳng, các nhóm định chức và các nhóm dị vòng [2]

1.1.1.3 Cấu trúc của than hoạt tính

1.1.1.3.1 Cấu trúc mạng lới tinh thể

Theo kết quả nghiên cứu bằng phơng pháp nhiễu xạ rơnghen thì thanhoạt tính gồm các vi tinh thể cacbon xắp xếp thành hình sáu cạnh tạo thànhcác lớp Mỗi cạnh dài 1,4A0 và mỗi lớp cách nhau 4,3A0. So với cấu trúcmạng lới tinh thể của GRAPHIT thì trong than hoạt tính các lớp vi tinh thể sắpxếp lộn xộn và không có trật tự

Hình 2: Cấu trúc lớp của than hoạt tính

1.1.1.3.2 Cấu trúc xốp

Than hoạt tính đợc đặc trng bởi cấu trúc xốp đa phân tán, với nhiều

ph-ơng thức phân bố, thể tích lỗ theo kích thớc mà các lỗ có các kích thớc khácnhau nên nó có khả năng hấp phụ khác nhau

Theo DUBININ thì than hoạt tính là chất hấp phụ chứa lỗ xốp bé, cáctinh thể bên trong không sắp xếp theo một hớng nhất định đã tạo vô số kẽ hởgiữa các tinh thể Khi hoạt hoá các kẽ hở bị bào mòn tạo ra các mao quản Hệthống mao quản này tạo thành cấu trúc xốp của than hoạt tính nên bề mặt bêntrong của than hoạt tính rất lớn khoảng (600-900m2/g) làm cho nó có khả nănghấp phụ lớn [12]

Dựa vào kích thớc và vai trò trong quá trình hấp phụ mà các lỗ trongthan hoạt tính đợc phân loại nh sau:

Loại lỗ Kích thớc (A0)

Nhỏ r < 6- 7Bán nhỏ 6-7 < r < 15-16Trung 15-16 <r < 1000-2000Lớn r >1000-2000

Lỗ nhỏ của than đóng vai trò chủ yếu trong hấp phụ vật lý có thể tíchkhoảng 0,2- 0,6cm3/g Sự hấp phụ trong lỗ nhỏ diễn ra theo cơ chế lấp đầy thểtích không gian hấp phụ

Lỗ trung có thể tích 0,02- 0,15cm3/g, diện tích bề mặt riêng 20- 70m2/gtrên bề mặt lỗ trung xẩy ra hấp phụ đơn và đa phần tử, kết thúc bằng sự lấp

đầy thể tích lộ theo cơ chế ngng tụ mao quản

Lỗ bán nhỏ là dạng trung gian giữa lỗ nhỏ và lỗ trung

Lỗ lớn có thể tích 0,2- 0,5cm3/g, diện tích bề mặt riêng 0,5- 2m2/g vìdiện tích bề mặt riêng nhỏ nên sự hấp phụ trong lỗ lớn không có ý nghĩa thựctế.Trong lỗ lớn không có sự ngng tụ mao quản, quá trình hấp phụ đóng vai trò

là kênh vận chuyển mà theo đó các chất bị hấp phụ thấm sâu vào trong lỗtrung và lỗ bé Nếu than hoạt tính có lỗ lớn phát triển thờng có tốc độ hấp phụlớn

Hệ thống lỗ có cấu trúc phân nhánh, lỗ bé là nhánh của lỗ trung, lỗtrung là nhánh của lỗ lớn

Khi hấp phụ các chất có phân tử lợng nhỏ cũng nh hấp phụ khí - hơi thì

lỗ nhỏ đóng vai trò hấp phụ chủ yếu, lỗ lớn và lỗ trung là các kênh vậnchuyển Khi hấp phụ cách chất có kích thớc lớn từ dung dịch thì lỗ bé hấp phụkém, lỗ trung đóng vai trò quan trọng, lỗ lớn đóng vai trò kênh vận chuyển[4]

1.1.1.3.3 Cấu trúc bề mặt [6].[8].[1]

Trên bề mặt than hoạt tính luôn có 1 lợng ôxi liên kết hoá học vớinguyên tử cácbon, phức chất của ôxi với cácbon trên than hoạt tính đợc gọi làcác hợp chất bề mặt Tuỳ theo điều kiện và phơng pháp điều chế than hoạt tính

mà lợng ôxi tham gia hợp chất bề mặt có thể thay đổi Khi hàm lợng ôxi là 3% thì phần đợc phủ bởi đơn lớp ôxi chiếm khoảng 4% diện tích bề mặt thanhoạt tính

2-Khi hấp phụ ôxi ở nhiệt độ thờng, trên bề mặt than hoạt tính sẽ tạothành các ôxit bề mặt mang tính bazơ, do sự hydrat hoá các axit này sẽ tạo racác nhóm hydrôxit bề mặt -OH Các ôxit bề mặt có tính axit đơc tạo thành do

sự hấp phụ hoá học, ôxi ở nhiệt độ cao hơn (350-4000C), khi hyđrat hoá sẽ tạo

ra các nhóm cacboxylic bề mặt - C00H

Nếu nhiệt độ trong khoảng 300-5000C ôxi không khí tác dụng vớicacbon bề mặt than tơng đối nhanh tạo thành các ôxit có đặc tính axit Nếunhiệt độ dới 3000C và trên 5000C thì tốc độ tạo ôxit có đặc tính ôxit rất nhỏ[8].

Trên bề mặt than hoạt tính có chứa các nhóm chức -0H; -C00H, ngoài

ra còn chứa các nhóm chức kiểu phenol,lacton,quinon…

1.1.2 Tính chất chung của than hoạt tính

1.1.2.1 Tính chất hấp phụ

Việc sử dụng than hoạt tính để hấp phụ các chất hữu cơ dựa trên tính

t-ơng đồng về độ phân cực của chúng Các chất hữu cơ nói chung có độ phâncực thấp, kị với nớc Do đó, chúng có khuynh hớng liên kết với các bề mặt có

độ phân cực tơng tự nh bề mặt của than

Do đặc điểm này, nên các yếu tố nh cấu trúc, bản chất và mật độ phân

bố của các nhóm chức trên bề mặt, kích thớc và phân bố mao quản của thanhoạt tính có ảnh hởng mạnh đến khả năng hấp phụ các loại hợp chất hữu cơkhác nhau trong nớc Mọi tính chất quan trọng khác của sự hấp phụ chất hữucơ trong nớc bằng than hoạt tính là tính cạnh tranh hấp phụ Sự cạnh tranh xảy

ra giữa nớc và chất tan, giữa các chất tan không cùng bản chất hoá học, giữacác chất tan cùng bản chất hoá học song khác nhau về cấu trúc và phân tử l-ợng,… khả năng sử dụng thực tế của một loại than cần phải đợc đánh giá bằng

thực nghiệm trên đối tợng chất hữu cơ cụ thể nào đó chọn làm mô hình.Trongthực tế sử dụng than hoạt tính dới 2 dạng : Than bột và than hạt Dạng bột đợchoà khuấy vào nớc, sau đó tách khỏi nớc bằng cách lọc Dạng hạt thờng đợcsắp xếp trong cột lọc hay bể lọc và cho nớc đi qua [5] Ngoài tính chất hấpphụ các chất hữu cơ hoà tan, than hoạt tính còn hấp phụ khá tốt nhiều ion kimloại nặng nh Hg; Cd; Pb…

1.1.2.2.Tính chất xúc tác

Một tính chất của than hoạt tính là tác dụng xúc tác Than hoạt tính đợc

đặc trng bởi cấu trúc xốp đa phân tán Mặt khác thông thờng để tăng hoạt tínhxúc tác của các chất xúc tác rắn ngời ta thờng chế tạo chúng dới dạng xốp, có

độ phân tán cao

Độ xốp của một chất xúc tác đợc đặc trng bằng bề mặt riêng của nó Bềmặt riêng là diện tích bề mặt tính cho một đơn vị khối lợng chất xúc tác, th-ờng đợc biễu diễn bằng m2/g Chất càng xốp thì bề mặt riêng càng lớn Than

hoạt tính có bề mặt riêng 239m2/g [7] Tác dụng xúc tác của than hoạt tínhcũng thể hiện đối với phản ứng phân huỷ cloamin thành nitơ và HCl, nhng vớitốc độ phản ứng thấp hơn, do đó để đạt hiệu quả cao thì phải giảm đáng kể tảilợng thể tích, để tăng thời gian tiếp xúc của mẫu nớc với than hiệu quả xúc táccủa than giảm do các chất cản trở sự xúc tác giữa than và nớc nh cặn CaCO3,

sự bão hoà bề mặt hấp phụ do các chất ô nhiễm khác nhau

1.1.2.3 Tính chất khử.

Than hoạt tính còn dùng làm chất khử để khử các hợp chất hữu cơ cónguồn gốc thiên nhiên hoặc nhân tạo hoà tan trong nớc Bởi vì các chất hữu cơ

có nguồn gốc tự nhiên có trong nớc chỉ biểu hiện gián tiếp bằng độ màu, mùi,

vị của nớc Độ màu của nớc có thể khử bằng phèn, Clo hoá Còn than hoạttính là vật liệu đắt tiền chỉ dùng để khử các chất hữu cơ có nguồn gốc phi tựnhiên có trong nớc do nớc thải công nghiệp, sản phẩm phân huỷ của phânbón… gây ra

Bột than hoạt tính dùng để khử các chất hữu cơ gây ra mùi,vị của nớc

có thể định lợng vào nớc dới dạng bột khô hay dạng dung dịch ngay trớc bểlắng hay trớc bể lọc

Cho bột than hoạt tính vào trớc bể lọc chỉ áp dụng trong trờng hợp liềulợng than hoạt tính không lớn hơn 5-7mg/l, vì liều lợng lớn bể lọc chóng bị rít

Để giảm tổn thất áp lực trong trờng hợp này nên dùng bể lọc 2 lớp Khi liều ợng than hoạt tính cần ít, tốt nhất là cho vào trớc bể lọc vì nếu cho vào bể lắngbột than bị lắng nhanh không đủ thời gian tiếp xúc để hấp thụ chất hữu cơ

l-Bột than hoạt tính hoà tan thành dung dịch trong thùng kín có máykhuấy và chỉ dự dung dịch của than không quá 4 giờ vì ngâm lâu than trongdung dịch nớc sẽ làm giảm khả năng hoạt hoá của chúng Do thời gian tiếpxúc của bột than hoạt tính với nớc cần làm sạch không lớn, cho nên chất bịhấp thụ không kịp thấm vào lõi hạt than, vì thế càng nghiền nhỏ bột than hoạttính thì khả năng hấp thụ của nó càng lớn

Khả năng hấp phụ của bột than hoạt tính đợc đánh giá gián tiếp bằng trị

số phenol của than, tức là số mg bột than cần thiết để giảm nồng độ phenoltrong một lít nớc từ 0,1mg xuống 0,01mg từ sau thời gian khuấy trộn 1 giờ.Bột than hoạt tính dùng trong nhà máy nớc phải có trị số phenol không lớnhơn 30

Lọc nớc qua lớp than hoạt tính thờng dùng bể lọc áp lực, hạt than cókích thớc 1  1,5  2 mm chiều dày lớp lọc 1,5  2,5 mm, tốc độ lọc 5  10m/h Tổn thất áp lực qua 1m chiều dày lớp vật liệu từ 0,4m khi d =2mm tốc độ

lọc 5m/h  7,2m khi d =1mm tốc độ lọc, là 10m/h Khi sử dụng hết khả nănghấp thụ của các hạt than hoạt tính, ngời ta hoàn nguyên bằng cách nung cáchạt than đã đợc sấy khô đến nhiệt độ 700  8000C trong điều kiện thiếu oxi.Tổn thất than mỗi lần nung 2 3%, tổn thất hàng năm 7 8% Để đảm bảo sửdụng hết khả năng hấp phụ chất hữu cơ của than hoạt tính, trớc khi cho nớcvào bể lọc than hoạt tính phải khử hết cặn lơ lửng có trong nớc bằng phơngpháp keo tụ, lắng và lọc cát Nâng cao pH làm tăng khả năng hấp phụ chất hữucơ của than hoạt tính, còn nâng cao nhiệt độ nớc xử lí lại làm giảm hiệu quảlàm sạch của than hoạt tính [10].

1.1.3 ứng dụng của than hoạt tính.

ứng dụng chính của than hoạt tính dùng để loại bỏ các chất hữu cơ khỏinớc Có thể dùng một số biện pháp nh : sục khí, oxi hoá bởi vi sinh hay bởitác nhân hoá học, phơng pháp hấp phụ trên than hoạt tính đợc sử dụng rộng rãi

ở quy mô công nghiệp hiện nay [5] Than hoạt tính cố định các chất hữu cơhoà tan không bị phân huỷ sinh học tự nhiên, các chất ô nhiễm, các chất cómùi vị Nó cũng hấp phụ một số kim loại nặng ở dạng vết, khi nớc thải khôngphân huỷ sinh học hay chứa các phân tử độc hại không dùng kỹ thuật sinhhọc đợc, thì dùng than hoạt tính là biện pháp cần thiết và tiện lợi, sau đó ta cóthể sử dụng biện pháp phân huỷ sinh học nh một chất thải bất kì bình thờng

- Dùng than hoạt tính để hấp phụ các chất gây mùi, màu của nớc Cáchạt bột than hoạt tính có bề mặt hoạt tính rất lớn, có khả năng hấp phụ phân

tử khí và phân tử các chất ở dạng lỏng hoà tan trong nớc làm cho nớc có màu

và mùi Để khử mùi, màu ta có thể sử dụng than hoạt tính bằng 2 phơng pháp:

+ Đa nớc sau xử lí theo dây chuyền công nghệ truyền thống và lọc trựctiếp qua bể lọc than hoạt tính

+ Pha trộn than hoạt tính đã tán nhỏ đến kích thớc vài chục àm vào bểtrộn nớc nguồn cùng với phèn với liều lợng từ 3  15 mg/l để hấp phụ cácchất hữu cơ gây ra mùi vị, màu của nớc Phơng pháp này làm tăng hiệu quảquá trình keo tụ Lắng lọc và cặn lắng ở bể lắng dễ xử lí hơn [10]

- Than hoạt tính đợc sử dụng để loại bỏ chất hữu cơ trong nớc do tính

t-ơng đồng về tính chất không phân cực của bề mặt than với chất hữu cơ trongmôi trờng có tính phân cực cao của nớc Do không phân cực nên tơng tác củacác phân tử hữu cơ với nớc rất thấp và do mật độ thấp so với các chất hữu cơ

bị dồn ép tách ra khỏi nớc, chúng phải tìm đến “trú ngụ ” ở một nơi nào đó ít

“bị ghét” hơn và than là chỗ thích hợp Điều đó nói lên rằng khả năng hấp phụcác chất hữu cơ trên than trớc hết là do tính kị nhau của nớc và chất hữu cơ,

tính kị nhau càng lớn thì khả năng hấp phụ càng cao Một chất hữu cơ cómạch cacbon dài có tính kị nớc cao so với các chất hữu cơ có mạch cacbonngắn với họ chất cùng bản chất

- Ngoài ra than hoạt tính còn có ứng dụng dùng để xử lý chất hữu cơ chỉ

có hiệu quả cao khi khảo sát hấp phụ trên hệ cụ thể: hấp phụ đơn chất và đặcbiệt là hấp phụ hỗn hợp trong điều kiện xác định.Nó không phụ thuộc vàodạng than (dạng bột hay dạng hạt) thông số đặc trng cho khả năng hấp phụ đ-

ợc đặc trng bởi thông số nh: chỉ số tẩy màu,chỉ số xanhmêtylen, chỉ số phênol,chỉ số alkylbenzensulphonat, chỉ số iod và chỉ số khử clo, tính chất khử củathan hoạt tính dùng để loại bỏ một số chất oxyhoá nh clo, HCl, cloamin, ozôn,KMnO4 thì than hoạt tính đóng vai trò là một chất khử, ngoài ra than hoạt tínhcòn đóng vai trò xúc tác cho một số phản ứng oyxhoá nh xyanua với oxy tạothành xyanat cùng một số phản ứng oxihóa chất hữu cơ

2.1 Hấp phụ bằng than hoạt tính.

2.1.1 Quá trình hấp phụ.

Quá trình hấp phụ là một quá trình cân bằng dị thể Sự hấp phụ xảy ra

do lực tơng tác của các nguyên tử hay phân tử trên bề mặt chất rắn với cácchất tan trong môi trờng nớc Bản chất các tơng tác hấp phụ có thể là tơng táctĩnh điện, lực định hớng, lực tán xạ, trong trờng hợp tơng tác đủ mạnh có thểtạo ra liên kết hoá học hoặc tạo phức hay trao đổi ion Vậy tơng tác hấp phụcàng mạnh thì khả năng hấp phụ của các chất hấp phụ càng lớn, khả năng hấpphụ của chất hấp phụ càng cao [5]

Đặc điểm của quá trình hấp phụ trong môi trờng nớc là một quá trìnhhấp phụ hỗn hợp, tức là trong hệ chứa đồng thời những chất bị hấp phụ, ngaycả khi trong môi trờng đó chứa một chất tan, bởi vì luôn có mặt nớc Trongthực tế, số chất tan trong nớc rất lớn, cả các chất vô cơ và hữu cơ Vì vậy quátrình hấp phụ hỗn hợp tuân theo cơ chế cạnh tranh : cặp chất hấp phụ-bị hấpphụ có tơng tác càng cao càng chiếm u thế trong hệ Tối thiểu thì các chất bịhấp phụ cần phải có thể đẩy đợc các phân tử nớc khỏi bề mặt chất hấp phụ đểchiếm vị trí tơng tác với chất hấp phụ Vì thế, cân bằng hấp phụ trong nớc củacác chất hấp phụ có tính chọn lọc [5]

2.1.1.1 Cơ chế hấp phụ

Ngời ta cho rằng, các phân tử bị giữ lại trên bề mặt than hoạt tính là dohai nguyên nhân: hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học

- Hấp phụ vật lý đợc thực hiện bởi các tơng tác yếu và thuận nghịchgiữa các phân tử (chất hữu cơ…) và các tâm hấp phụ trên bề mặt than hoạttính.

- Hấp phụ hoá học sự hấp phụ kiểu này tạo ra các liên kết hoá học bền.Mối qụan hệ định lợng giữa nồng độ chất bị hấp phụ trong pha lỏng vànồng độ của nó trong pha bề mặt, ở tại một nhiệt độ nhất định, trong trạng tháicân bằng đợc gọi là đẳng nhiệt hấp phụ Các phơng trình đẳng nhiệt cần thiếtcho việc xác định hiệu xuất xử lý, sự lựa chọn than hoạt tính, tính toán kíchthớc lớp lọc và để nghiên cứu về mô hình hoá trong các bình phản ứng liên tục[10]

- Bản chất của mối liên kết chất bị hấp phụ- chất hấp phụ ,nghĩa là từnăng lợng tự do tơng tác giữa vị trí hấp phụ và phần phân tử tiếp xúc với bềmặt, năng lợng này trực tiếp trong trờng hợp hấp phụ khí Ngợc lại ở môi tr-ờng nớc, kỹ thuật nhiệt chỉ ghi lại bằng sự khác nhau của entanpi hấp phụ t-

ơng ứng với sự chênh lệch năng lợng hấp phụ của phân tử bị hấp phụ và sựhấp phụ của nớc

-Thời gian tiếp xúc giữa chất rắn và chất hoà tan khi cân bằng có sự trao

đổi

Động lợng giữa các phân tử của pha hấp phụ và các phân tử ở lại trongdung dịch, rất nhiều lý thuyết đã mô hình hoá quan hệ tồn tại giữa số lợngphân tử hấp phụ và số lợng để cân bằng Đợc sử dụng nhiều nhất trong lĩnhvực hấp phụ của than hoạt tính là định luật Freundlidch

x/m=Ce1/nK

x/m: Là khối lợng cố định cho một đơn vị khối lợng chất hấp phụ

Ce: Nồng độ lúc cân bằng trong pha nớc của các phần tử ô nhiễm.K,n: Năng lợng tuỳ thuộc vào cặp chất bị hấp phụ đối với một nhiệt độ

đã cho giữ không đổi trong thời gian thí nghiệm (đẳng nhiệt)

- Sau khi tiếp cận tới các tâm chất hấp phụ và chất bị hấp phụ tơng tácvới nhau tạo thành các liên kết hấp phụ Giai đoạn tạo liên kết này xảy ra rấtnhanh đối với quá trình hấp phụ vật lý là trờng hợp xảy ra đối với phần lớnchất hữu cơ trong nớc trên than Nếu trong quá trình hấp phụ có hình thànhliên kết hoá học thì tốc độ của giai đoạn này có thể chậm hơn

Các bớc động học nêu trên xảy ra theo trình tự kế tiếp nhau, vì vậy b

-ớc có tốc độ chậm nhất sẽ khống chế tốc độ của toàn bộ quá trình Trong côngnghệ xử lý nớc loại bỏ chất hữu cơ bằng than hoạt tính thờng có tốc độ nhanh

nó không có vai trò lớn ảnh hởng đến tốc độ hấp phụ, yếu tố quyết định là tốc

độ khuếch tán màng và khuếch tán trong hạt.Giai đoạn đầu của quá trình hấpphụ thờng bị khống chế bởi khuếch tán màng.

- Kích thớc phân tử chất hữu cơ và kích thớc hạt than là các yếu tố ảnhhởng quan trọng đến tốc độ hấp phụ Muốn tận dụng khả năng hấp phụ phải

sử dụng than có kích thớc nhỏ, kích thớc càng nhỏ hiệu suất sử dụng càngcao.Tuy vậy kích thớc hạt cũng không thể nhỏ hay lớn tuỳ ý, nó ảnh hởng trựctiếp đến tốc độ chảy của nớc trong cột hoặc gây khó khăn cho giai đoạn lọctách than bột ra khỏi nớc trong kỹ thuật hấp phụ gián đoạn.Trong hệ hấp phụnhiều cấu tử có các phân tử lợng khác nhau, do thời gian tiếp xúc giữa chúngvới nhau bằng nhau nên ngay cả các phân tử chất tan có khả năng hấp phụ tốt

mà có phần tử lợng lớn cũng có thể bị giữ lại ít trên than.Vì lý do về khía cạnh

động học đôi khi ngời ta chọn các loại than có độ xốp cao, diện tích bề mặtthấp dễ sử dụng đặc biệt để hấp phụ các chất có phân tử lợng lớn, thay vì than

có dung lợng lớn, diện tích bề mặt cao nhng tốc độ hấp phụ chậm, hấp phụ ởnhiệt độ cao thuận lợi về mặt động học nhng lại giảm dung lợng hấp phụ

2.1.1.2 Các chất hấp phụ bằng than hoạt tính

2.1.1.2.1 Than hoạt tính dạng bột.

Mặc dù hiện nay xu hớng dùng than hoạt tính là phổ biến, than bột vẫncòn đợc dùng ở những nơi mà quá trình xử lý nớc không đòi hỏi liên tục, chấtlợng nớc đầu vào biến động theo thời gian hay do ô nhiễm hoá chất Than bộtdạng thơng mại có kích thớc nhỏ giữa 10 và 50m và đợc sử dụng kết hợpvới xử lý nớc lọc Đa liên tục vào nớc cùng với chất phản ứng kết bông, nóxen vào các cục vón và tháo ra ngoài cùng với nớc để chiết tách cân phải có sựtrợ giúp của một thiết bị lắng tuần hoàn lại bùn hay lớp bùn Các thiết bị nàylàm tăng đáng kể thời gian tiếp xúc giữa nớc và than do đó tiếp cận nhanh đếncân bằng Liều lợng than dùng khác nhau tuỳ thuộc vào chất lợng nớc đòi hỏisau khi xử lý và tạp chất nhiễm trong đó, nó nằm trong khoảng từ vài chục cho

đến trên 100g/m3 thông dụng là 25 - 50g/m3 Mục đích chủ yếu là để khử mùi,màu của nớc có thể định lợng vào nớc dới dạng bột khô hay dạng dung dịchngay trớc bể lắng hay trớc bể lọc [10]

Khi dùng than hoạt tính dang bột, u điểm giá thành thiết bị thấp, đơngiản, dễ thay đổi liều lợng khi cần thiết, hợp chất bảo vệ thực vật đợc hấp phụtốt Nhng cũng có một số nhợc điểm là giá thành hoạt động cao, không có khảnăng tái sinh than, khả năng loại bỏ tổng chất hữu cơ thấp và không thể táchloại hoàn toàn than khỏi nớc [5]

2.1.1.2.2 Than hoạt tính dạng hạt.

Ngời ta có thể sử dụng than hoạt tính dạng hạt trong kỹ thuật lọc “đơnlớp” nghĩa là có thể thay than hoạt tinh dạng hạt cho cát Trong thờng hợp nàythan hoạt tính dạng hạt không chỉ đóng vai trò của vật liệu hấp phụ còn nhmột vật liệu lọc

Hiện nay, than dạng hạt thờng đợc sử dụng trong giai đoạn sau lọc cáthoặc sau giai đoạn oxh (O3 hoặc O3/H2O2) Nớc cần xử lý không còn các hạthuyền phù, do đó có thể sử dụng than có đờng kính hạt nhỏ (kích thớc hiệudụng 0.6-0,8mm) và ít phải thay rửa Nh vậy, ngời ta có thể khai thác tốt hơncác tính chất hấp phụ của vật liệu Công nghệ lọc bằng than tơng tự nh đối vớicông nghệ lọc cát Các tầng lọc có thể kín và chịu áp suất hoặc hở và chịu tácdụng của trọng lực, có chiều cao lớp lọc từ 1-2m và vận tốc lọc từ 8-15m/hviệc thau rửa lớp lọc thờng đợc thực hiện bởi thứ tự: Đầu tiên bằng không khí,sau đó bằng nớc Để tránh sự tổn thất than dạng hạt sau khi rửa và sự phântầng của than sau khi rửa, cần phải lựa chọn than hạt có hệ số hình dạng trongphạm vi 1,5-1,7 [5]

-Than hoạt tính dạng hạt hoạt động chính xác thì hiệu suất sử dụng sẽcao hơn so với than dạng bột vì nồng độ chất bị hấp phụ cao khi tiếp xúc vớithan Trong quá trình hấp phụ trên than bột, nồng độ chất bị hấp phụ luôngiảm dần và trạng thái cân bằng đạt tới ở vùng nồng độ thấp Điều đó có nghĩa

là để đạt đợc cùng hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ cần lợng than nhỏ hơn so vớithan bột Sử dụng than hạt giá thành sản phẩm cao hơn than bột, tuy nhiên nó

đợc bù lại bởi giá thành tiêu hao thấp và than hạt có thể tái sinh đợc Sự haohụt than trong khi sử dụng thấp cho phép dùng than đắt tiền, chất lợng cao vàhiệu quả cuối cùng là kinh tế hơn

- Để than hoạt tính dạng hạt hoạt động hữu hiệu cần phải xác định đợctính năng thoát nồng độ chất hữu cơ ở cuối cột Ban đầu than hoạt động rất tốt

và hiệu quả giảm dần đến một giai đoạn nào đó than cần phải hoạt hoá lại

2.1.2 Các đăc trng chủ yếu về tính chất hấp phụ của than.

Một số thông số đặc trng cho khả năng hấp phụ, không phụ thuộc vàodạng than (bột hay hạt) của than hoat tính sử dụng cho hấp phụ chất hữu cơbao gồm: Chỉ số tẩy màu, chỉ số xanh mêtilen, chỉ số phenol, chỉ sốalkylbenzen sulfonat, chỉ số iot và chỉ số khử clo

- Chỉ số tẩy màu: Thể hiện khă năng hấp phụ màu của than trong dungdịch, tức là khả năng hấp phụ các phân tử chất hữu cơ lớn, chỉ số tẩy màu cógiá trị so sánh tơng đối với dung dịch màu chuẩn hoặc một loại than đã đợcchuẩn hoá

- Chỉ số xanh metylen : Xanh metylen là chất màu aromat dạng âm,phân tử lợng cỡ trung bình và có khả năng hấp phụ rất cao đối với than hoạttính.No là thông số dễ xác định nhng ít có gá trị đối với việc dự đoán khả nănghấp phụ chât hữu cơ trong nớc.

- Chỉ số phenol : Phenol có độ tan cao trong nớc và có tính độc cao,phân tử lợng thấp, chỉ số phenol tuỳ theo từng quốc gia đợc qui ớc khác nhau :

ở Mỹ theo Americanwater works Association, Awwa, thì đó là lợng thanhoạt tính cần thiết để giảm nồng độ phenol trong nớc từ 200mg/l xuống 20mg/

l ở Đức thì chỉ số phenol là lợng phenol hấp phụ trên than tại nồng độ cânbằng của phenol 0,1và 1mg/l

- Chỉ số alkyl benzen -Sunphonat là khả năng hấp phụ của than đối vớichất tẩy rửa dạng âm có phân tử lợng trung bình tại nồng độ cân bằng0,1mg/g Ngày nay khi sử dụng các chất tẩy rửa có khả năng sinh huỷ thì đạilợng này ít có ý nghĩa

- Chỉ số iot : là lợng iot hấp phụ trên 1gam than tại nồng độ cân bằng0,02N Đại lợng này có liên hệ mật thiết, tuyến tính với diện tích bề mặt củathan xác định theo phơng trình BET

- Chỉ số khử clo : đánh giá đặc trng khả năng xúc tác của than hoạt tínhdạng hạt trong quá trình khử clo hoạt động trong nớc Nó là độ dài của tầngthan cần thiết để làm giảm clo tự do xuống còn một nửa so với nồng độ bandầu Bảng dới đây trình bày các số liệu chính về các loại than hoạt tính củacác hãng sản xuất khác nhau

Hãng sản xuất Chemviron Norit Ceca Dica

Tên gọi

Nguồn gốc

Kích thớc hiệu dụng(mm)

Hệ số hình dạng

Mật độ biểu kiến (lớp than lèn chặt)

Mật độ biểu kiến (lớp than không

<1,90,43

0,411,123,314,51050-1200

>1050

Row 0,8Than bùn0,791,240,38

0,3616,533,0

<85-89001000

NC 60Gáo dừa0,531,930,51

0,529163,2-

<10501120

MCATIEGáo dừa0,591,680,5

0,4511,118,4-3,7