Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TÊN HV
VÕ THỊ DIỄM KIỀU

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN QUÁ TRÌNH THAN HÓA TRONG
QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ THAN HOẠT TÍNH TỪ VỎ HẠT
ĐIỀU
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số: 13051181
LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015


Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQGHCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : ..................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập-Tự do-Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ THỊ DIỄM KIỀU

MSHV: 13051181

Ngày, tháng, năm sinh: 11/10/1990

Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học

Mã số: 60520301


I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều
chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong
quy trình điều chế than hoạt tính để tạo than hoạt tính chất lượng cao có thể
áp dụng vào quy mô nhà máy ứng dụng trong dược phẩm, lọc nước,… đem
lại hiệu quả kinh tế cao và tăng tính cạnh tranh. Đồng thời nghiên cứu này
giải quyết vấn đề ô nhiễm trường từ nguyên liệu vỏ hạt điều.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/07/2015
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/12/2015
IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Lý Cẩm Hùng

Tp. HCM, ngày tháng
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

năm 2015

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA


2

LỜI CẢM ƠN
Với lòng cảm ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Lý Cẩm
Hùng đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ. Thầy đã giúp em có được những kiến
thức quý báu trong quá trình nghiên cứu.
Cảm ơn phòng thí nghiệm hóa của Viện Hàn Lâm Trung Quốc đã tạo điều
kiện giúp em hoàn thành đề tài nghiên cứu.
Chân thành cảm ơn chị Hòa, Duy và các bạn của Viện Hàn Lâm Trung Quốc
đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm kiếm tài liệu và hoàn thành luận văn.
Để hoàn thành luận văn, ngoài sự nổ lực và cố gắng nghiên cứu của bản thân,
sự giúp đỡ của những người xung quanh, đặc biệt là thầy đã góp phần không nhỏ
trong quá trình nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn.


3
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
TÓM TẮT
Việc tận dụng vỏ hạt điều đã ép lấy dầu để sản xuất than hoạt tính không
những đem lại hiệu quả kinh tế mà còn giải quyết các vấn đề về lao động, giảm ô
nhiễm môi trường, tăng giá trị cây điều. Tuy nhiên, việc sản xuất than hoạt tính từ
vỏ hạt điều chưa được tập trung nghiên cứu. Quá trình sản xuất than hoạt tính gồm
2 giai đoạn than hóa và hoạt hóa, trong đó quá trình than hóa diễn ra trong môi
trường khí trơ và quá trình hoạt hóa than thường sử dụng tác nhân KOH và CO2; tuy
nhiên chất lượng than vẫn chưa tốt. Trong nghiên cứu này, qui trình sản xuất than
hoạt tính được cải tiến ở giai đoạn than hóa và hơi nước được dùng làm tác nhân
hoạt hóa ở 8500C. Cụ thể, quá trình than hóa được chia ra làm 3 giai đoạn với các
tốc độ gia nhiệt khác nhau để kiểm soát tốc độ chuyển hóa của hemicellulose và
cellulose trong vỏ hạt điều, giúp giai đoạn hoạt hóa bằng hơi nước đạt hiệu quả cao
hơn. Sản phẩm than hoạt tính thu được từ nghiên cứu này có chất lượng tốt hơn than
hoạt tính được điều chế theo qui trình trong các nghiên cứu trước đó; diện tích bề
mặt riêng có giá trị 1170 m2/g và tổng thể tích lỗ xốp là 0.7 cm3/g. Kết quả này
chứng tỏ kiểm soát hiệu quả tốc độ chuyển hóa của hemicellose và cellulose đóng
vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất than hoạt tính; đồng thời, nó sẽ là cơ sở
để xây dựng quy trình sản xuất than hoạt tính trên quy mô công nghiệp.


4
ABSTRACT
The cashew nuts shell residue after oil extraction was utilized for the
production of the activated carbon in order to enhance economic benefits, gain more
job opportunities as well as reduce environmental pollution. However, the process
of producing the activated carbon from the cashew nuts shell residue have not been
seriously investigated and commercialized. The process has two steps –
carbonization and activation, in which the former normally occur in inert condition
whereas the latter involves the use of KOH and CO2; but the quality of activated
carbon is still not good enough. In this paper, the process of carbonization has been
improved by adapting the heating rate in order to controlling the conversion rate of
cellulose and hemicellulose; and the steam was used to activate carbon at 850oC.
The activated carbon was obtained with better quality, e.g. BET surface area of
1171 m2/g and total pore volume of 0.7 cm3/g. The results show that the conversion
rate of cellulose and hemicellulose in the residue have to be controlled effectively
and it is the key step in the process. The results from this fundamental research also
provide a new concept of carbonization process for activated carbon production at
an industrial scale.


5
LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LV

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được xuất phát
từ yêu cầu phát sinh trong công việc để hình thành hướng nghiên cứu. Các số liệu
có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ theo đúng quy định. Kết quả trình bày trong luận văn
được thu thập trong quá trình nghiên cứu là trung thực và chưa từng công bố trước
đây.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2015

Võ Thị Diễm Kiều


6
MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ...........................................................................1
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .............................................................................3
LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LV ......................................................................5
MỤC LỤC ...................................................................................................................6
DANH SÁCH CÁC BẢNG ......................................................................................10
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH ..............................................................................11
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................14
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .....................................................................................16
1.1.

Than hoạt tính .................................................................................................16

1.1.1. Khái niệm .................................................................................................16
1.1.2. Đặc điểm của than hoạt tính .....................................................................16
1.1.3. Ứng dụng của than hoạt tính ....................................................................17
1.2.

Công nghệ sản xuất than hoạt tính ..................................................................19

1.2.1. Phương pháp hoạt hóa vật lý ....................................................................20
1.2.2. Phương pháp hoạt hóa hóa học ................................................................22
1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới phương pháp điều chế than hoạt tính..............23
1.2.4. Tình hình sản xuất than hoạt tính trong nước và thế giới ........................24
1.3.

Lý thuyết về hấp phụ [18, 19] .........................................................................26

1.3.1. Các khái niệm và phân loại hấp phụ ........................................................26


7
1.3.1.1.

Hấp phụ vật lý .......................................................................................26

1.3.1.2.

Hấp phụ hóa học ...................................................................................27

1.3.2. Các dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt ........................................................28
1.4.

Vỏ hạt điều và tình hình nghiên cứu điều chế than hoạt tính .........................34

1.4.1. Vỏ hạt điều ...............................................................................................34
1.4.2. Tình hình nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều ...................36
1.4.2.1.

Tình hình nghiên cứu trong nước .........................................................36

1.4.2.2.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước .........................................................36

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ................................................................................38
2.1. Đối tượng nghiên cứu.........................................................................................38
2.2. Mục tiêu nghiên cứu...........................................................................................38
2.3. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị phục vụ nghiên cứu .............................................38
2.3.1. Hóa chất ......................................................................................................38
2.3.2. Dụng cụ .......................................................................................................39
2.3.3. Thiết bị ........................................................................................................40
2.4. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................40
2.4.1. Phương pháp điều chế than hoạt tính ..........................................................40
2.4.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình nhiệt phân ....................................................43
2.4.3. Nghiên cứu cải tiến giai đoạn than hóa trong quy trình điều chế than hoạt
tính .........................................................................................................................45
2.5. Các phương pháp xác định và cách tiến hành ....................................................47
2.5.1. Xác định hàm lượng chất dễ bay hơi, hàm lượng cacbon, hàm lượng tro ..47


8
2.5.2. Xác định hiệu suất trong quá trình than hóa và hoạt hóa ............................48
2.5.3. Xác định chỉ số Iot ......................................................................................48
2.5.4. Xác định chỉ số Methylen blue ...................................................................50
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................53
3.1. Quá trình than hóa của quy trình sản xuất than hoạt tính trước đây ..................53
3.2. Quá trình cải tiến giai đoạn than hóa .................................................................53
3.2.1. Giai đoạn 1 ..................................................................................................53
3.2.2. Giai đoạn 2 ..................................................................................................57
3.2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ T2 ......................................................................57
3.2.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt ...............................................................63
3.3. Quá trình hoạt hóa ..........................................................................................68
3.3.1. Đối với mẫu BBC ........................................................................................68
3.3.2. Đối với mẫu CC6 ........................................................................................73
3.3.3. Đối với mẫu CC3 ........................................................................................78
3.3.4. So sánh và đánh giá các mẫu đã hoạt hóa ...................................................82
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................89
4.1. Kết luận ..............................................................................................................89
4.1.1. Quy trình sản xuất than hoạt tính dựa vào phương pháp hoạt hóa hơi nước
trước đây................................................................................................................89
4.1.2. Quy trình sản xuất than hoạt tính cải tiến giai đoạn than hóa .....................89
4.2. Kiến nghị ............................................................................................................90
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ .......................................................92


9
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................93


10
DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Các hướng nghiên cứu sản xuất than hoạt tính.................................24
Bảng 2.1. Danh mục hóa chất cần thiết cho nghiên cứu ...................................38
Bảng 2.2. Danh mục dụng cụ cần thiết cho nghiên cứu....................................39
Bảng 2.3. Phân tích thành phần nguyên tố của CNS dùng trong thí nghiệm. ..41
Bảng 3.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ T10C đến các tính chất của sản phẩm than
hóa. ....................................................................................................................54
Bảng 3.2. Ảnh hưởng nhiệt độ T20C đến các tính chất của sản phẩm than hóa.
...........................................................................................................................58
Bảng 3.3. Các nhóm chức chính của các sản phẩm than hóa ...........................62
Bảng 3.4. Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt R (0C/phút) đến các tính chất của sản
phẩm than hóa. ..................................................................................................64
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến các tính chất của than hoạt
tính BCC-AC. ....................................................................................................69
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến các tính chất của than hoạt
tính CC6-AC. ....................................................................................................74
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến các tính chất của than hoạt
tính CC3-AC. ....................................................................................................79


11
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Cấu trúc minh họa của than hoạt tính ...............................................17
Hình 1.2. Mô hình bể lọc nước xử lý với than hoạt tính ...................................18
Hình 1.3. Quá trình hấp phụ vật lý ....................................................................27
Hình 1.4. Năm loại đường hấp phụ theo Brunauer ...........................................29
Hình 1.5. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich..............................................30
Hình 1.6. Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir C (P)......................................32
Hình 1.7. Dạng đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ BET ....................................33
Hình 1.8. Đường đẳng nhiệt hấp phụ BET .......................................................34
Hình 1.9. Quy trình sản xuất hạt điều ...............................................................35
Hình 2.1. Sơ đồ quy trình tạo than hoạt tính .....................................................42
Hình 2.2. Phân tích TGA-DTG của vỏ hạt điều trong môi trường không có oxi
...........................................................................................................................44
Hình 2.3. Sơ đồ quy trình thiết bị sản xuất than hoạt tính ...............................46
Hình 2.4. Đường làm việc chuẩn của Iot ở bước sóng 600nm .........................49
Hình 2.5. Đường làm việc chuẩn của Methylen blue ở bước sóng 610nm ......51
Hình 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ T10C lên hiệu suất mẫu than hóa ...............55
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ T10C lên tích chất mẫu than hóa ................55
Hình 3.3. Phổ FTIR của sản phẩm than hóa tại các nhiệt độ T10C ...................56
Hình 3.4. Các phản ứng nhiệt phân của cellulose và hemi-cellulose [30] ........59


12
Hình 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ T20C lên hiệu suất mẫu than hóa ...............60
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ T20C lên tích chất mẫu than hóa ................61
Hình 3.7. Phổ FTIR của sản phẩm than hóa tại các nhiệt độ T20C ...................62
Bảng 3.3. Các nhóm chức chính của các sản phẩm than hóa ...........................62
Hình 3.8. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt lên hiệu suất các mẫu than hóa ......65
Hình 3.9. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đến tính chất các mẫu than hóa .....66
Hình 3.10. Phổ FTIR của sản phẩm than hóa tại các tốc độ gia nhiệt khác nhau
...........................................................................................................................67
Hình 3.11. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới thể tích hấp phụ của các mẫu
than hoạt tính BCC-AC .....................................................................................70
Hình 3.12. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới hiệu suất và diện tích BET
của các mẫu than hoạt tính BCC-AC ................................................................71
Hình 3.13. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới khả năng hấp phụ chỉ số
Methylen và Iot của các mẫu than hoạt tính BCC-AC .....................................72
Hình 3.14. Phổ FTIR của các mẫu than hoạt tính BCC-AC .............................73
Hình 3.15. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới thể tích hấp phụ của các mẫu
than hoạt tính CC6-AC......................................................................................75
Hình 3.16. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới hiệu suất và diện tích BET
của các mẫu than hoạt tính CC6-AC .................................................................76
Hình 3.17. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới khả năng hấp phụ chỉ số
Methylen và Iot của các mẫu than hoạt tính CC6-AC ......................................77
Hình 3.18. Phổ FTIR của sản phẩm hoạt tính CC6-AC tại các thời gian hoạt
hóa khác nhau ....................................................................................................78


13
Hình 3.19. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới (a) Hiệu suất và diện tích bề
mặt riêng BET (b) khả năng hấp phụ chỉ số Methylen và Iot của các mẫu than
hoạt tính CC3-AC. ............................................................................................81
Hình 3.20. Ảnh hưởng thời gian hoạt hóa tới (a) hiệu suất và (b) thời gian của
quá trình sản xuất than hoạt tính .......................................................................83
Hình 3.21. So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu ở thời gian hoạt hóa 90
phút. ...................................................................................................................84
Hình 3.22. Ảnh SEM của than sau khi than hóa ở 4500C: a. độ phóng đại 250
và b. độ phóng đại 1000 ....................................................................................86
Hình 3.23. Ảnh SEM của mẫu than hoạt tính: a. độ phóng đại 250 và b. độ
phóng đại 1000 ..................................................................................................87


14
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trước đây, cây điều chủ yếu phục vụ ngành công nghiệp chế biến hạt điều
xuất khẩu.Việc gia công chế biến hạt điều xuất khẩu đã phát sinh ra một lượng lớn
rác thải từ vỏ hạt điều sau chế biến. Phương pháp xử lý khối lượng lớn vỏ hạt điều
được các cơ sở chế biến lựa chọn là ép dầu đem bán và vỏ đã ép lấy dầu thì làm
nhiên liệu đốt, gây ô nhiễm môi trường. Do đó, nguồn nguyên liệu vỏ đã ép có giá
rất thấp.Vì vậy, việc tận dụng vỏ hạt điều này để sản xuất than hoạt tính không
những đem lại hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp, người dân mà còn giải quyết các
vấn đề về lao động, giảm ô nhiễm môi trường, tăng giá trị cây điều.
Tuy nhiên, việc sản xuất than hoạt tính từ vỏ hạt điều chưa được nghiên cứu
sâu và chất lượng không cao. Điều này làm tăng chi phí sản xuất và chất lượng than
không có tính kinh tế cao.
Mục đích
Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính
từ vỏ hạt điều nhằm mục đích tận dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền, dễ tìm và bảo vệ
môi trường. Đồng thời nâng cao giá trị kinh tế của vỏ hạt điều là hết sức cần thiết.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Quy mô phòng thí nghiệm

-

Phòng thí nghiệm (State Key Laboratory of Multi-Phase Complex Systems)
của giáo sư Guangwen Xu, Viện Kỹ thuật ứng dụng, Viện Hàn Lâm Trung
Quốc.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài


15
Ý nghĩa khoa học: Tiếp nối các nghiên cứu về điều chế than hoạt tính với
việc cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính để tạo than
hoạt tính chất lượng cao từ vỏ hạt điều.
Ý nghĩa thực tiễn: Tạo than hoạt tính chất lượng cao có thể áp dụng vào quy
mô nhà máy ứng dụng trong dược phẩm, lọc nước,… đem lại hiệu quả kinh tế cao
và tăng tính cạnh tranh. Đồng thời nghiên cứu này giải quyết vấn đề ô nhiễm môi
trường từ nguyên liệu vỏ hạt điều.


16

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Than hoạt tính

1.1.1. Khái niệm
Than hoạt tính là một vật liệu dạng cacbon đã được xử lý để mang lại một
cấu trúc xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn. Thành phần chính của than hoạt tính
là nguyên tố cacbon ở dạng vô định hình, hàm lượng khoảng 85-95%. Ngoài ra than
hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh 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 [1, 2].
1.1.2. Đặc điểm của than hoạt tính
• Cấu trúc xốp
Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các lớp vi tinh thể làm cho than
hoạt tính có cấu trúc lỗ xốp phát triển. Cấu trúc lỗ xốp được hình thành trong quá
trình carbon hóa và phát triển trong quá trình hoạt hóa, tạo thành các lỗ trống trong
mạng tinh thể than hoạt tính. Đồng thời quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích và kích
thước lỗ xốp. Cấu trúc xốp của than được thể hiện thông qua các thông số: diện tích
bề mặt (Sr), thể tích lỗ mao quản. Các thông số này còn được tính riêng theo từng
kích cỡ hạt. Dựa vào kích thước hạt người ta chia làm 3 loại: lỗ bé hay còn gọi
micropore (d < 2 nm), lỗ trung bình hay còn gọi mesopore (2 nm < d < 50 nm) và lỗ
lớn hay còn gọi macropore (d > 50 nm) (hình 1.1). Trong đó các lỗ xốp micropore
quyết định phần lớn diện tích bề mặt than hoạt tính, phần còn lại là các lỗ xốp
mesopore và macropore [2, 4].


17

Hình 1.1. Cấu trúc minh họa của than hoạt tính

• Cấu trúc hóa học
Bên cạnh cấu trúc tinh thể và cấu trúc lỗ xốp, bề mặt than hoạt tính còn có
cấu trúc hóa học. Khả năng hấp phụ của than hoạt tính không chỉ quyết định bởi cấu
trúc xốp và vật lý mà còn bị ảnh hưởng bởi cấu trúc hóa học.
Cấu trúc hóa học: thành phần của than hoạt tính gồm cacbon (chủ yếu),
hydro, oxy,… Và các nhóm chức giữa các nguyên tố hóa học liên kết được hình
thành là carboxyl, nhóm lactone, nhóm rượu, nhóm phenlic, hydroxyl,.. tùy thuộc
vào nguồn nguyên liệu và tác nhân hoạt hóa. Trong đó, những nhóm chức chức oxy
là những nhóm quan trọng nhất vì chúng làm ảnh hưởng tới đặc tính bề mặt than
hoạt tính, cụ thể tính hút ẩm, tính phân cực, tính axit, tính chất hóa lý [3, 4].
1.1.3. Ứng dụng của than hoạt tính
Than hoạt tính ngoài khả năng hấp phụ tốt thì than hoạt tính còn có các ưu
điểm như: không độc hại, giá thành rẻ, sản xuất. Vì vậy than hoạt tính được sử dụng
rộng rãi cho nhiều ứng dụng:
• Trong y tế (than dược): than hoạt tính tẩy trùng các độc tố sau khi ngộ độc
thức ăn và dùng làm khẩu trang để lọc khói bụi.


18
• Trong kỹ thuật: là thành phần chính của túi lọc khí, mặt nạ phòng độc.
• Trong công nghệ quản lý môi trường: xử lý các chất bẩn vi lượng và ion kim
loại nặng.
• Trong đời sống hằng ngày: lọc nước, khử mùi
• Trong lĩnh vực kim loại: như thu hồi vàng, bạc và các chất vô cơ khác, và
làm chất xúc tác, chất mang.
Ví dụ cụ thể cho ứng dụng của than hoạt tính: Quy trình công nghệ xử lý
nước thải sử dụng than hoạt tính [5].

Hình 1.2. Mô hình bể lọc nước xử lý với than hoạt tính
Từ nguồn nước muốn lọc, nước đi qua vòi sen để tạo mưa hạt nhỏ nhằm
tránh làm xói mòn lớp cát trên cùng. Sau đó nước đi qua lớp cát trên cùng (quá trình


19
lọc cơ học), nước đã được lọc sơ các loại bụi bẩn, sinh vật, phèn. Tiếp theo, nước sẽ
thấm qua lớp than hoạt tính. Đây là quá trình hấp thụ các tạp chất hòa tan trong
nước bằng cơ chế hấp phụ bề mặt và trao đổi ion. Cụ thể, lớp than hoạt tính này có
tác dụng hấp phụ các chất độc hại, các loại vi sinh vật nguy hiểm và trung hòa các
khoáng chất khó hoàn tan trong nước. Sau đó, nước tiếp tục thấm qua lớp cát lớn,
lớp sỏi nhỏ và lớp sỏi lớn nhất để đi ra bể chứa nước sạch.
1.2.

Công nghệ sản xuất than hoạt tính
Công nghệ sản xuất than hoạt tính gồm hai quá trình là than hóa và hoạt hóa.

Than hoá là giai đoạn chuyển hoá nguyên liệu về dạng than, làm tăng hàm lượng
cacbon và tạo bề mặt xốp ban đầu. Giai đoạn hoạt hoá giúp phát triển lỗ xốp, tăng
diện tích bề mặt của than [1].
Quá trình than hóa
Thông thường, quá trình than hóa được thực hiện ở nhiệt độ cao trong môi
trường không có oxy. Vì sự có mặt của oxi sẽ đốt cháy than thu được trong giai
đoạn này. Để tạo môi trường không có oxi trong giai đoạn than hóa thông thường có
các phương pháp phổ biến sau:
• Sử dụng khí nitơ
Thiết bị dùng để than hóa được thổi liên tục dòng khí nitơ với mục đích đuổi
oxi ra khỏi thể tích phản ứng. Phương pháp này có ưu điểm là hạn chế được sự có
mặt của oxi và tạo thuận lợi cho quá trình hoạt hóa. Nhược điểm của phương pháp
này là tiêu tốn nitơ và đắt tiền [1].
• Sử dụng cát (SiO2) hoặc là những hạt sỏi
Cát được phủ lên trên nguyên liệu và chiếm các không gian trống trong cốc
nung nhằm đuổi hết oxi và hạn chế sự lưu thông của oxi trong thể tích phản ứng.


20
Đây là phương pháp đơn giản, rẽ tiền và dễ tiến hành. Tuy nhiên, nhược
điểm của phương pháp này là gây trở ngại cho quá trình hoạt hóa [1].
Quá trình hoạt hóa
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 hai
phương pháp hoạt hóa cơ bản là hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học. Mục đích của
giai đoạn hoạt hóa là phát triển mạnh bề mặt riêng của than thu được sau giai đoạn
than hóa.
1.2.1. Phương pháp hoạt hóa vật lý
Hoạt hóa vật lý luôn đi kèm với giai đoạn than hóa, ở nhiệt độ cao vật liệu bị
đề hyđrát hóa, đồng thời xảy ra quá trình tái cấu trúc bề mặt than, kết quả làm tăng
cấu trúc xốp của bề mặt làm tăng diện tích bề mặt riêng của than.
Tác nhân hoạt hóa phổ biến là khí CO2, hơi nước, không khí, … Tuy nhiên,
tác nhân hoạt hóa CO2, hơi nước ngoài vai trò đuổi oxi, nó còn là tác nhân hoạt hóa
cho quá trình tạo lỗ xốp và phát triển bề mặt riêng của than. Trong công nghiệp,
phương pháp dùng hơi nước là phổ biến nhất bởi vì hơi nước là nguồn sẵn có, rẻ
tiền không gây ô nhiễm môi trường [1].
Các phản ứng hoạt hóa chính ứng với tác nhân hoạt hóa CO2, hơi nước lần
lượt là:
C + CO2 = 2 CO
C + H2O = CO + H2
Ta xem xét 1 quá trình cụ thể hoạt hóa bằng hơi nước [6]


21
Khi cacbon tương tác với hơi nước, các phản ứng sau đây diễn ra cùng lúc:
C + H2O = H2 + CO – 31 kcal
2 H2O +C = CO2 + 2 H2
Phản ứng cơ bản giữa cacbon và hơi nước là phản ứng thu nhiệt, do đó ta
phải cấp nhiệt. Sự trao đổi nhiệt giữa tác nhân khí hóa với cacbon có ý nghĩa quyết
định.
Các phản ứng xảy ra lần lượt:
C + H2O = C(H2O)
C(H2O) = H2 + C(O)
C(O) = CO
Trong quá trình hoạt hóa, hydro được xem như là chất hấp phụ trên bề mặt
cacbon. Sự chiếm các vị trí trung tâm hoạt động làm kiềm chế phản ứng hoạt hóa:
C + H2 = C(H2)
Oxy và hydro được hấp phụ trên trung tâm hoạt động gần kề nó.
Phản ứng hoạt hóa hơi nước ở nhiệt độ cao trong môi trường không có oxy
vẫn tồn tại phản ứng cháy:
C + O2 = CO2 + Q
2 C + O2 = 2 CO
2 CO + O2 = 2 CO2
2 H2 + O2 = H2 O


22
Chính vì vậy, ta cần hạn chế lượng oxy dư trên bề mặt than, vì lượng oxy dư
tạo phản ứng cháy trên bề mặt than.
Ưu nhược điểm của phương pháp hoạt hóa vật lý
• Ưu điểm
-

Thiết bị đơn giản

-

Ít gây ăn mòn thiết bị

-

Sản phẩm than hoạt tính thu được sạch

-

Có thể thực hiện với năng suất lớn

-

Chi phí sản xuất thấp

• Nhược điểm
-

Diện tích bề mặt than hoạt tính không cao

-

Thời gian hoạt hóa lâu

-

Nhiệt độ sử dụng hoạt hóa cao trên 7000C

1.2.2. Phương pháp hoạt hóa hóa học
Các chất hoạt hóa có thể phân chia thành tác nhân hoạt hóa có tính axit
(H3PO4, H2SO4, ZnCl2…) và các tác nhân có tính bazơ (KOH, NaOH, K2CO3…).
Trong đó, tác nhân hoạt hóa thường được dùng nhiều nhất là: KOH, NaOH, ZnCl2,
H3PO4. Các chất này được tẩm vào than và hoạt hóa ở nhiệt độ cao trong một
khoảng thời gian thích hợp. Cơ sở chung để chọn chất hoạt hóa là chất đó phải có
khả năng xúc tác cho quá trình dehydrat hóa hoặc tương tác được với cacbon. Trong
quá trình hoạt hóa ở nhiệt độ cao có thể xảy ra các phản ứng sau:
KOH: C + 6 KOH = 2 K + 2 K2CO3 + 3 H2
NaOH: C + 6 NaOH = 2 Na + 2 Na2CO3 + H2
K2CO3, Na2CO3 tạo thành K2O, Na2O và CO2


23
Ta xem xét một quá trình hoạt hóa cụ thể: hoạt hóa bằng NaOH
Ban đầu bột than được tẩm bằng dung dịch NaOH, sau đó được gia nhiệt lên
nhiệt độ hoạt hóa trong môi trường yếm khí. Ở nhiệt độ cao, NaOH bị cacbon khử
thành Natri kim loại và CO2, H2, K2CO3. Natri kim loại tự do sinh ra sẽ xâm nhập
vào bên trong mạng tinh thể cacbon tạo nên sự phồng nở của cấu trúc graphite. Khi
nhiệt độ tăng, các chất này dịch chuyển gây nên lực tách rời các lớp graphite tạo cấu
trúc xốp. Do đó, tốc độ gia nhiệt và nồng độ Natri có ảnh hưởng tới cấu trúc xốp
của than hoạt tính.
Ưu nhược điểm của phương pháp hoạt hóa hóa học
• Ưu điểm
-

Nhiệt hoạt hóa thấp

-

Thời gian hoạt hóa ngắn

-

Hiệu suất sản phẩm cao

-

Diện tích bề mặt than hoạt tính thu được cao

• Nhược điểm
-

Gây ăn mòn thiết bị

-

Gây ô nhiễm môi trường

-

Tăng chi phí sản xuất

1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới phương pháp điều chế than hoạt tính
• Tác nhân hoạt hóa gồm tác nhân hoạt hóa vật lý (H2O, CO2) và tác nhân hoạt
hóa hóa học (NaOH, HCl).
• Nồng độ tác nhân hoạt hóa ảnh hưởng tới tính chất của than hoạt tính. Nếu
nồng độ tác nhân hoạt hóa thấp thì diện tích bề mặt than hoạt tính thấp.
Ngược lại, nồng độ tác nhân hoạt hóa quá cao thì các mao quản bé sẽ phát
triển thành các mao quản trung bình và lớn, dẫn tới khả năng hấp phụ giảm,
hiệu suất sản phẩm thấp.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×