Khả năng tái sinh than hoạt tính bằng dung dịch kiềm

Trong hoá học phơng pháp hấp phụ đợc ứng dụng vào việc tách các chất thải, tách các nguyên tố hiếm, là cơ sở của phơng pháp sắc ký Đặc biệt…phơng pháp hấp phụ đợc sử dụng rộng rãi để xử

Trờng đại học vinh khoa Hóa học - -

trơng thị hằng

khả năng tái sinh than hoạt tính bằng

dung dịch kiềm

khoá luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành: hoá vô cơ

Ngời hớng dẫn: TS Nguyễn Hoa Du Sinh viên thực hiện: Trơng Thị Hằng

Vinh - 2006

Lời cảm ơn

Để hoàn thành khoá luận này, em xin đợc chân thành cảm ơn:

- Thầy giáo- TS.Nguyễn Hoa Du đã giao đề tài và tận tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để em thực hiện và hoàn thành khoá luận này

- Các thầy cô giáo trong tổ Hoá vô cơ, Ban chủ nhiệm khoa Hoá học, các thầy cô giáo phụ trách trong phòng thí nghiệm trờng Đại học Vinh Cảm ơn các bạn bè, ngời thân đã tận tình động viên giúp đỡ trong quá trình làm khoá luận này.

Vì lần đầu làm khoá luận nên không tránh khỏi sơ suất, thiếu sót Do vậy em rất mong đợc sự chỉ dạy, đóng góp ý kiến

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, tháng 5 năm 2006

Sinh viên

Trơng Thị Hằng

Mục lục

Trang

Phần 1 - Tổng quan 5

1.1 Đại cơng về than hoạt tính 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Cấu tạo than hoạt tính 5

1.1.3 Các đặc trng của than hoạt tính 8

1.1.4 ứng dụng của than hoạt tính trong xử lý nớc 8

1.1.5 Một số nét đặc thù khác của than hoạt tính 10

1.1.6 Sản xuất than hoạt tính 11

1.2 Quá trình hấp phụ 12

1.2.1 Khái niệm 12

1.2.2 Lực hấp phụ 12

1.2.3 Hấp phụ và giải hấp phụ 12

1.2.4 Những đặc trng chủ yếu về tính năng hấp phụ của than hoạt tính 13

1.2.5 Động học quá trình hấp phụ trên than hoạt tính 15

1.2.6 Phơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich 16

1.2.7 Hấp phụ trên than hoạt tính dạng bột 17

1.2.8 Hấp phụ trên than hoạt tính dạng hạt 17

1.2.9 Khả năng xử lý tái sinh than hoạt tính 17

Phần 2 - Thực nghiệm 19

2.1 Dụng cụ và thiết bị 19

2.2 Hoá chất 19

2.3 Pha chế dung dịch 19

2.4 Kỹ thuật thí nghiệm 19

2.5 Tiến hành thí nghiệm 21

2.5.1 Xác định đờng đẳng nhiệt hấp phụ của mẫu than trớc

khi xử lý 21

2.5.2 Khảo sát ảnh hởng của các yếu tố đến việc xử lý tái

sinh than hoạt tính 25

2.5.2.1 Khảo sát ảnh hởng của thời gian xử lý 25

2.5.2.2 Khảo sát ảnh hởng của nhiệt độ xử lý 27

2.5.2.3 Khảo sát ảnh hởng của nồng độ NaOH dùng để xử

lý than .28

2.5.2.4 Đánh giá khả năng hấp phụ của mẫu than sau khi

xử lý bằng dung dịch kiềm NaOH 30

Phần 3 - Kết luận 34 Tài liệu tham khảo 35

Lời nói đầu

Phơng pháp hấp phụ đợc ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng nh trong

kỹ thuật Trong hoá học phơng pháp hấp phụ đợc ứng dụng vào việc tách các chất thải, tách các nguyên tố hiếm, là cơ sở của phơng pháp sắc ký Đặc biệt…phơng pháp hấp phụ đợc sử dụng rộng rãi để xử lý nớc thải công nghiệp Vì phơng pháp này rất vạn năng, nó cho phép xử lý nớc thải chứa một lợng hoặc nhiều tạp chất bẩn khác nhau, kể cả khi nồng độ chất bẩn trong nớc thải rất thấp Nh vậy phơng pháp hấp phụ còn có thể dùng để xử lý triệt để nớc thải sau khi đã xử lý bằng phơng pháp khác

Hiện nay, xu hớng của thế giới đó là xử lý chất thải nhằm giảm ô nhiễm môi trờng Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy việc áp dụng các quá trình hấp phụ để xử lý chất thải đã và đang đợc triển khai ngày càng nhiều Tuy nhiên hiệu quả kinh tế cha cao Để có thể có đợc tính năng u việt trong xử lý chất thải và mang lợi ích kinh tế thì xu hớng hiện nay là tận dụng lại các chất hấp phụ dùng trong xử lý, để chúng đợc sử dụng lại nhiều nhất Chất hấp phụ cần đề cập đến đó là than hoạt tính Than hoạt tính là vật liệu phổ biến đã đợc ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp xử lý nớc thải, nớc sinh hoạt, xử

lý không khí, công nghiệp hoá chất, công nghiệp thực phẩm, nhằm thu hồi các dung môi hữu cơ, khử mùi, khử màu Hơn nữa giá thành của than hoạt tính…

lại rẻ và dễ sản xuất Đó là lý do để tôi chọn đề tài này: Khả năng tái sinh“

than hoạt tính bằng dung dịch kiềm ”

Nhiệm vụ đặt ra của đề tài là:

-Khảo sát các điều kiện xử lý tái sinh than hoạt tính bằng dung dịch kiềm NaOH

- Khảo sát tính năng hấp phụ của than trớc và sau khi đã đợc xử lý (tái sinh) bằng kiềm trong dung môi nớc

Phần 1 Tổng quan 1.1 Đại cơng về than hoạt tính

Than hoạt tính là một thuật ngữ chung để gọi tên một dãy các vật liệu cacbon có độ xốp lớn và do đó có một bề mặt riêng rất lớn ( 500 – 1500

m2/g)

1.1.1 Khái niệm.

Nhiều dạng “ Vô định hình” của cacbon nh than gỗ, than muội, than cốc … Thực tế là những dạng vi tinh thể của than chì Trong một vài loại than muội, những vi tinh thể đó bé đến mức chỉ gồm vài ô cơ bản của kiến trúc tinh thể than chì Tính chất lý học của các dạng than trên phụ thuộc chủ yếu vào kiến trúc và diện tích bề mặt của chúng Than ở dạng bột mịn có bề mặt rất phát triển có khi đến 1000m2/g, nên có khả năng hấp thụ rất lớn những phân tử khí, những phân tử chất tan từ dung dịch

Than vừa mới đợc điều chế cha hấp thụ các chất còn có khả năng hấp phụ rất cao đợc gọi là than hoạt tính

1.1.2 Cấu tạo của than hoạt tính.

Than hoạt tính đợc cấu tạo từ dạng cacbon vô định hình Trong than hoạt tính ngoài những vòng 6 cạnh của các nguyên tử cacbon giống nh than chì, còn có những nhóm CO và OH là sản phẩm tạo nên trong quá trình oxi hoá để

điều chế than hoạt tính Nhờ đó mà hoạt tính cuả than tăng lên

Cấu tạo của lớp than hoạt tính

ccc

cc

cc

OH

ccc

c

cc

cc

c

ccc

c

cc

Tùy theo cách sắp xếp của các lớp đối với nhau than hoạt tính có hai dạng tinh thể là kiến trúc tinh thể lục phơng và kiến trúc tinh thể trực thoi.

* Cấu trúc xốp của than hoạt tính

Cấu trúc xốp của than hoạt tính phụ thuộc vào việc lựa chọn nguyên liệu ban đầu và kỹ thuật hoạt hoá kế tiếp cùng điều kiện để phát triển cấu trúc xốp Quá trình hoạt hóa tạo cho than một diện tích bề mặt lớn và một hệ thống lỗ xốp với kích cỡ khác nhau Khả năng hấp thụ của than hoạt tính liên quan trực tiếp với bản chất xốp của nó, các thông số quan trọng thể hiện tính chất xốp là:

- Tính chất bề mặt riêng: Là diện tích bề mặt bên trong mao quản và bên ngoài hạt tính cho một đơn vị khối lợng

- Thể tích lỗ: Là không gian tính cho một đơn vị khối lợng

- Thể tích lỗ xốp riêng: là không gian trống tính cho một đơn vị khối lợng bao gồm độ rỗng bên trong hạt

- Hình dạng mao quản: Có 4 loại : Mao quản hình trụ, hình khe, hình cầu, hình chai

- Diện tích bề mặt là yếu tố quan trọng đầu tiên xác định khả năng hấp phụ của một chất Diện tích bề mặt càng lớn càng có khả năng tạo nhiều tâm hấp phụ trên bề mặt than Kích cỡ lỗ xốp cũng rất quan trọng để lựa chọn loại than phù hợp với mục đích sử dụng

* Bản chất hoá học của bề mặt than hoạt tính

Ngoài thành phần chính là cacbon, than hoạt tính còn chứa nhiều nguyên tố khác, những nguyên tố này chiếm khoảng 5 – 20% khối lợng than hoạt tính, trong đó chủ yếu là các kim loại dạng oxit (tro) và hidroxit chủ yếu là do quá trình than hoá và hoạt hoá, tạo nên các phức chất chứa oxi trên bề mặt hay các nhóm chức trên bề mặt Tính chất và hàm lợng các nhóm chức đợc xác định bởi nguyên liệu xuất phát dùng để tạo nên than hoạt tính và bởi quá trình hoạt hoá than Do đặc điểm hoạt động của các vi tinh thể và ở các liên kết ngang bề mặt than

Bề mặt nguyên thuỷ của than hoạt tính không phân cực nên có ái lực mạnh với hợp chất hữu cơ không phân cực và có ái lực yếu với hợp chất hữu cơ phân cực Nhng các oxit bề mặt vẫn mang bản chất kỵ nớc của than Chúng quyết

định khả năng hấp thụ hơi nớc và các chất có độ phân cực lớn khác trong không khí, khả năng hấp phụ từ pha lỏng của than hoạt tính đối với các chất có tính phân cực khác nhau cũng phụ thuộc vào nhóm chức bề mặt

Các nhóm chức bề mặt bao gồm hai loại: Loại mang tính chất bazơ và loại mang tính chất axit Chúng thể hiện ở khả năng biến đổi pH của dung dịch Thành phần các nhóm chức phụ thuộc vào quá trình hoạt hoá và việc xử lý than sau đó Ví dụ nh khi hoạt hoá than với CO2 ở nhiệt độ cao, trong hợp chất hấp thụ sẽ tạo ra nhiều nhóm chức bazơ, còn khi hoạt tính than hoạt hóa với oxi ở nhiệt độ thấp sẽ tạo ra nhiều nhóm chức axit hơn Nhng nói chung các nhóm chức thuộc cả hai loại đều có cùng trên một loại than

1.1.3 Các đặc trng chính của than hoạt tính

Các đặc trng của vài loại than hoạt tính đợc trình bày trong bảng sau [4.1]

Hãng sản xuất Chemviron Norit Ceca Dica

1.1.4 ứng dụng của than hoạt tính trong xử lý nớc

Than hoạt tính là một vật liệu phổ biến và đã đợc ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp xử lý nớc thải, nớc sinh hoạt, xử lý không khí, công nghiệp hoá chất, công nghiệp thực phẩm nhằm thu hồi các dung môi hữu cơ, khử mùi, khử màu Hơn nữa giá thành của nó rẻ.…

Trong thực tế than hoạt tính đợc dùng để trừ độc (trong mặt nạ phòng độc)

để loại chất bẩn trong lọc đờng và lọc dầu thực vật, làm chất xúc tác cho những phản ứng giữa các chất khí

Chúng ta chia than hoạt tính ra làm hai loại: Than hoạt tính dạng bột (THB), than hoạt tính dạng hạt (THH)

* Than hoạt tính dạng bột: Ngời ta đa than hoạt tính dạng bột (độ hạt từ 10

- 50àm) vào giai đoạn đầu của dây chuyền xử lí sau keo tụ_tủa bông,nhằm giảm bớt các ô nhiễm tạm thời hoặc bất thờng(các chất vi ô nhiễm,chất hữu cơ,các hợp chất có vị lạ ) Mặt khác điều đó cho phép giảm bớt liều l… ợng ozon trong giai đoạn ozon hoá trung gian và tăng thời gian làm việc của lớp lọc than hoạt tính dạng hạt trong dây chuyền xử lí nớc

* Than hoạt tính dạng hạt (THH).

Ngời ta có thể sử dụng THH trong kỉ thuật lọc “đơn lớp” nghĩa là có thể thay than hoạt tính bằng cát Trong từng trờng hợp này THH không chỉ đóng vai trò của vật liệu hấp thụ mà còn nh là vật liệu lọc

Hiện nay, THH đợc sử dụng trong giai đoạn sau lọc cát hoặc tốt nhất sau giai đoạn oxi hoá (O3 hoặc O3/H2O2).Nớc cần xử lí không còn các hạt huyền phù do đó có thể sử dụng than có đờng kính hạt nhỏ(kích thớc hiệu dụng 0,6 – 0,8mm) và ít phải thau rửa

Nh vậy, ngời ta có thể khai thác tốt hơn các tính chất hấp thụ cuả vật liệu

* Ưu điểm và nhợc điểm của than hoạt tính dạng bột và dạng hạt trong quá trình xử lý bằng phơng pháp hấp phụ

+ Ưu điểm: Giảm đầu t, dễ vận hành, dễ bổ sung khi có xẩy ra ô nhiễm đột

xuất, hấp phụ nhanh, cải thiện chất lợng gạn lắng

+ Nhợc điểm: Không thể hoàn nguyên thu hồi than, giá thành cao, đối với

các hệ làm việc liên tục, việc bảo quản và điều chế huyền phù phải đợc đảm bảo an toàn tinh sạch

* Mục đích chính của việc xử lý than hoạt tính: Tăng cờng khả năng loại

bỏ các vật liệu hữu cơ tự nhiên và hấp phụ các chất vi ô nhiễm hữu cơ ở trạng thái vết (thuốc trừ sâu, hidrocacbon, dung môi clo hoá ).…

1.1.5 Một số nét đặc thù khác của than hoạt tính

ứng dụng chính của than hoạt tính trong công nghệ xử lý nớc, nớc thải là hấp phụ các tạp chất hữu cơ, tuy nhiên do bản chất bề mặt của than phức tạp, các chất trong nớc lại đa dạng về cả thành phần tạp chất vô cơ nên chúng tác

động đến tính chất của than và qua đó tác dụng lên khả năng hấp phụ chất hữu cơ

Than hoạt tính là một chất khử, có thể sử dụng để loại bỏ một số chất oxi hoá nh: clo, axithipocloric, cloamin, ozon, pemangnat Đóng vai trò xúc tác cho một số phản ứng oxi hoá nh xianua với oxi tạo thành xianat cùng một số phản ứng oxi hoá chất hữu cơ Than hoạt tính có khả năng hấp phụ một số kim

loại nặng, đặc biệt khí nó đợc biến tính thành các loại than, oxi hoá, quá trình tạo ra thêm các nhóm chất bề mặt

Phản ứng với oxi: oxi phản ứng với than trong quá trình hoạt hoá và cất giữ cũng nh trong khi xử lý nớc, chúng tạo thành các nhóm chức chứa oxis trên bề mặt than Những nhóm chức này (OH, CO, COOH) có tính axit hoặc Bazơ chủ yếu là nhóm axit có thể xác định đợc theo phơng pháp chuẩn độ với kiềm mạnh Than đợc hoạt hoá ở nhiệt độ cao (hơn 6000C và làm nguội trong môi tr-ờng không có oxi có khả năng hấp thụ axit, bề mặt tích điện dơng (than H, Hightemperatur Carbon) Than hoạt hoá ở nhiệt độ thấp (nhỏ hơn 5000C) trong môi trờng có oxi (than L) có khả năng hấp thụ bazơ và bề mặt tích điện dơng Than hoạt hoá trong vùng 500 – 6000C hoặc hoạt hoá ở nhiệt độ cao nhng để nguội trong môi trờng có oxi thì hấp phụ cả axit lẫn bazơ Mật độ nhóm axit trên than hoạt tính có thể đạt tới 50 mđg/g Than hoạt tính phản ứng với oxi hoà tan cũng nh với các chất oxi hoá khác tạo ra các nhóm chức axit

Phản ứng với clo hoạt động: clo hoạt động (clo có hoá trị + 1) đợc sử dụng rộng rãi để khử trùng cho nớc và nó có thể tồn tại ở dạng clo tự do (HOCl, OCl-) hay clo liên kết (clo amin) Lợng clo d thừa gây mùi khó chịu và tiềm ẩn nguy cơ tạo thành dạng hoá chất clo hữu cơ độc hại cho sức khoẻ Lợng clo d cần đợc giảm đến mức cho phép, một trong những phơng pháp thông dụng là dùng than hoạt tính (dạng hạt) làm chất khử cho quá trình đó Thông số quan trọng của quá trình là sự giảm nồng độ clo phụ thuộc vào chiều cao của lớp than và thời gian tiếp xúc

Clo hoạt động phản ứng với than hoạt tính và tạo ra sản phẩm Cl- và H+ làm giảm pH của H2O Cơ chế của phản ứng

1.1.6 Sản xuất than hoạt tính

Trớc đây, cũng nh hiện nay phơng pháp vật lý để sản xuất than hoạt tính ờng hay đợc sử dụng nhất Phơng pháp này gồm hai giai đoạn nối tiếp:

th-1- Sấy nguyên liệu (gỗ, than bùn, than đá, gáo dừa), than hoá ở 500 –

6000C trong vòng 5 – 6 giờ

2- Hoạt hoá ở 800 – 10000C trong khoảng từ 24 – 72h, để làm tăng bề mặt trong của vật liệu Hiệu suất sản phẩm nói chung là thấp, khoảng 1000 tấn nguyên liệu thì thu đợc khoảng 80 tấn than hoạt tính

Gần đây, ngời ta có sử dụng phơng pháp hoá học để điều chế than hoạt tính Phơng pháp này chỉ gồm 1 giai đoạn vừa than hoá, vừa hoạt hoá ở 400 –

6000C trong vòng 5 – 24h với sự có mặt của chất xúc tác Hiệu suất sản phẩm

cỡ 30% (8% đối với phơng pháp vật lý) Độ bền cơ học của sản phẩm không tốt lắm

1.2 Quá trình hấp phụ

1.2.1 Khái niệm

Hấp phụ là quá trình tập hợp các phần tử chất khí, chất lỏng hay chất hoà tan lên bề mặt phân cách tớng Bề mặt phân cách tớng có thể là khí – lỏng, khí – rắn, lỏng – lỏng, lỏng – rắn Chất mà trên bề mặt của nó sự hấp phụ xẩy ra gọi là chất hấp phụ hay là vật hấp phụ Còn chất đợc tụ tập ở bề mặt phân chia gọi là chất bị hấp phụ

1.2.2 Lực hấp phụ

Ngời ta phân biệt hấp phụ vật lý hay là hấp phụ Van dec van và hấp phụ hoá học hay là hoá hấp phụ

Lực Van dec van: Đó là lực tơng tác giữa các phân tử mang tính chất thuần túy vật lý Năng lợng vật lý nhỏ, dễ thiết lập cân bằng

1.2.3 Hấp phụ và giải hấp phụ

* Trong hấp phụ vật lý chất bị hấp phụ có xu hớng chiếm toàn bộ bề mặt của vật hấp phụ Nhng nó bị quá trình ngợc lại cản trở đó là sự giải hấp phụ, giải hấp phụ là quá trình các phân tử bị hấp phụ rời khỏi bề mặt vật hấp phụ

* Đối với hấp phụ hoá học: Do các lực hoá trị mạnh quy định nên sự giải hấp phụ thực chất là phải phá vỡ liên kết mạnh giữa các phân tử bị hấp phụ với những tiểu phân của lớp bề mặt

1.2.4 Những đặc trng chủ yếu về tính năng hấp phụ của tính năng hoạt tính

Một thông số đặc trng cho khả năng hấp phụ (không để ý tới yếu tố động học), không phụ thuộc vào dạng than (bột hay hạt) của than hoạt tính sử dụng cho hấp phụ chất hữu cơ bao gồm: chỉ số tẩy màu, chỉ số xanh Metilen, Axitoxalic …

Để loại bỏ chất hữu cơ có thể sử dụng một số phơng pháp: Sục khí, oxi hoá,

và hấp phụ trên than hoạt tính Hấp phụ trên than hoạt tính là phơng pháp đợc

sử dụng rộng rãi ở quy mô công nghiệp hiện nay

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

đồng về tính chất không phân cực của bề mặt than với chất hữu cơ trong môi trờng có tính chất phân cực cao của nớc Do không phân cực nên tơng tác của các phân tử hữu cơ với nớc rất thấp và do mật độ (nồng độ) thấp so với nồng độ các chất hữu cơ bị dốn 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 thụ của các chất hữu cơ trên than trớc hết là do tính kỵ nhau của nớc

và chất hữu cơ, tính kỵ nhau càng lớn thì khả năng hấp thụ càng cao Một chất hữu cơ có mạnh Cacbon dài có tính kỵ nớc cao so với các chất có mạch ngắn với họ chất cùng bản chất

Than có cấu trúc bên trong khác nhau, có khả năng hấp thụ khác nhau, những đặc trng cấu trúc có liên quan chặt chẽ đến khả năng hấp phụ là: Diện tích bề mặt, cấu trúc và phân bố mao quản theo độ lớn, loại và mật độ nhóm chức bề mặt Các thông số đặc trng về cấu trúc của than có thể thu nhận đợc bằng các phơng pháp nghiên cứu độc lập không liên quan đến quá trình hấp phụ chất hữu cơ trong dung dịch Ví dụ diện tích bề mặt, độ lớn và sự phân bố mao quản xác định thông qua hấp phụ khí nitơ

Mặt khác, do các yếu tố đặc thù, quá trình động học hấp phụ xẩy ra rất chậm, quy trình hấp phụ trong thực tế rất ít khi hoạt động ở thế cân bằng nên việc sử dụng các thông số nghiên cứu độc lập kể trên rất bị hạn chế trong thực tiễn

Những điều trình bày trên cho thấy việc ứng dụng than hoạt tính 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 đặc biệt là hấp phụ hỗn hợp trong điều kiện xác định

Để đánh giá khả năng hấp phụ của than đối với một đơn chất hữu cơ (chất chọn làm mô hình) cần phải xác định đợc đờng đẳng nhiệt hấp phụ từ thực nghiệm ,tức là xác định đợc mỗi tơng quan giữa chất hữu cơ hấp phụ trên than với nồng độ chất đó trong dung dịch ở trạng thái cân bằng tại một nhiệt độ không đổi Để dễ dàng so sánh thích hợp các loại than khác nhau.Số liệu

đẳng nhiệt hấp phụ thờng đợc xử lý theo phơng trình Freundlich.Phơng trình thích hợp cho phần lớn quá trình hấp phụ chất hữu cơ trên than

l-đại lợng đạc trng cho lực tơng tác hấp phụ, giá trị n càng lớn(1/n càng nhỏ) thì lực tơng tác hấp phụ của hệ càng mạnh Khi 1/n có giá trị rất nhỏ, lực tơng tác giữa các chất hấp phụ và bị hấp phụ mạnh, dạng hấp phụ thiên về cơ chế hấp phụ hoá học có tính chất không thuận ngịch Khi đó A nhanh chóng đạt đợc giá trị lớn ở nồng độ cân bằng thấp và ít thay đổi về giá trị khi tiếp tục tăng C Khi n nhỏ (1/n lớn) lực hấp phụ nhỏ, cơ chế hấp phụ thiên về dạng vật lý và A

sẽ biến động lớn khi thay đổi C

k,n đợc xác định theo phơng trình tuyến tính của phơng trình Freundlich C

n

k m

X

lg

1 lg

1.2.5 Động học quá trình hấp thụ trên than hoạt tính

Hấp phụ các chất hữu cơ trên than hoạt tính trong môi trờng nớc bao gồm nhiều bớc có ảnh hởng đến tốc độ loại bỏ chất hữu cơ: chuyển khối ngoài, khuếch tàn màng, khuếch tán trong hạt và hấp phụ

* Chuyển khối ngoài là giai đoạn vận chuyển các chất hữu cơ từ dung dịch

có thể tích rất lớn so với thể tích của than hoạt tính trong đó (thể tích của dung dịch lớn hơn khoảng 1000 lần so với thể tích của hạt than) tới lớp vỏ nớc bao quanh hạt than Quá trình chuyển khối ngoài có thể thực hiện theo cơ chế chuyển khối do đối lu cỡng bức nh khuấy trộn (cơ học, nhiệt) hoặc dòng chảy Chuyển khối do đối lu cỡng bức, ra nhanh hơn nhiều lần so với khuếch tán phân tử và dễ tác động bởi ngoại lực, ví dụ khuấy với tốc độ nhanh hay bố trí dòng chảy có tốc độ lớn

* Khuếch tán màng: bao quanh hạt than là một lớp nớc dính bám khá chặt trên bề mặt than, khác với các phân tử nớc “tự do” ở ngoài dung dịch các phân

tử nớc tạo thành lớp màng có độ linh động kém hơn do tơng tác với bề mặt chất rắn ở khoảng cách ngắn Độ dày của lớp màng thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố về bản chất của hệ cũng nh tính chất thuỷ lực, rất khó xác định chính xác, có độ lớn khoảng 10-4cm Tốc độ vận chuyển chất qua màng phụ

thuộc vào độ lớn hệ số phân tán của chất hữu cơ trong môi trờng nớc, độ dày của lớp màng và kích thớc của hoạt than Độ dày của lớp màng, kích thớc của hạt than càng lớn thì tốc độ chuyển khối càng chậm

* Khuếch tán trong hạt: Còn gọi là khuếch tán trong mao quản, tốc độ khuếch tán bị chi phối bởi các yếu tố giống nh khuếch tán của chất hữu cơ có trong nớc cộng thêm yếu tố tơng tác của chất tan với chất rắn, vì vậy nó chậm hơn so với khuếch tán của chính chất đó trong dung dịch Các yếu tố của chất hấp phụ lên dòng khuếch tán trong là lỗ xốp, hệ số lệch và kích thớc của than hoạt tính Tốc độ chuyển khối tỷ lệ nghịch với bình phơng của kích thớc hạt,

điều đó có ý nghĩa là để đạt đợc trạng thái cân bằng hấp phụ cho một hệ có hai loại kích thớc than d1, d2 (d2>d1) thì cần thời gian t1 và t2 theo tỷ lệ:

d2: d1 = t22:t12

1.2.6 Phơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich

Trong trờng hợp chất hập phụ có cấu trúc lỗ (xốp) nhỏ ta không thể áp dụng những quy luật hấp thụ trên bề mặt đồng nhất Đối với sự hấp phụ khí và hơi trên bề mặt không đồng nhất ngời ta sử dụng phơng trình kinh nghiệm của Freundlich

X = k.C1/n

Trong đó: X: là lợng chất bị hấp phụ (g)

C: là nồng độ cân bằng của dung dịch(mol/l)

k, n: là hằng số thực nghiệm

tg α=1/n

x

C0

Đường đẳng nhiệt hấp phụ

Freundlich

lgx

lgC0

Dạng tuyến tính của phương trình

Freundlich

α

lgk

k,n đợc xác định theo dạng tuyến tính của phơng trình Freundlich

C

n

k m

X

lg 1 lg

1.2.7 Hấp thụ trên than hoạt tính dạng bột

Mặc dù hiện nay, xu hớng dùng than là phổ biến than bột vẫn đợc dùng ở những nơi mà quá trình xử lý không đòi hỏi liên tục

Quá trình xử lý than bột bao gồm: Hoà trộn than vào nớc cần xử lý tạo điều kiện cho khả năng tiếp xúc giữa nớc và than đều tốt Tách than ra khỏi nớc bằng các biện pháp keo tụ và lắng Liều lợng than dùng khác nhau, tuỳ thuộc vào chất lợng nớc đòi hỏi khi xử lý và các tạp chất ô nhiễm, trong đó thông dụng là 20- 50g/m3

Đối với những một chất đã xác định đợc các đờng đẳng nhiệt hấp phụ thì

có thể sử dụng số lợng của nó để xác định lợng than cần thiết Đối với các tạp chất lời giải của bài toán không đơn giản nh vậy mà phải xác định từ thực nghiệm bằng phơng pháp so sánh giống nh việc xác định liều lợng chất keo tụ cần thiết Cùng một chế độ khuấy các mẫu thí nghiệm đợc đa vào các lợng than khác nhau Xác định nồng độ tạp chất ban đầu sau một thời gian nào đó xác định đợc chất còn lại của mẫu than, so sánh với chỉ tiêu đặt ra sẽ xác định

đợc lợng than cần thiết

1.2.8 Hấp phụ trên than hoạt tính dạng hạt

Cũng giống với hấp phụ trên than hoạt tính dạng bột Nhng sử dụng than hạt có giá thành thiết bị cao hơn, tuy nhiên nó đợc bù lại bởi giá thành tiêu hao thấp và than hạt có thể tái sinh đợc

1.2.9 Khả năng xử lý tái sinh than hoạt tính

Việc tái sinh than hoạt tính có thể bằng các phơng pháp sau:

* Xử lý tái sinh than hoạt tính bằng nhiệt trong hơi nớc