Tài liệu Nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nước để tối ưu hóa thiết kế lò hoạt hóa cacbon

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện chƣơng trình và thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp, tác giả đã nhận đƣợc sự giúp đỡ, hƣớng dẫn nhiệt tình của các quý Thầy, Cô của Viện Kỹ thuật Hóa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt là các Thầy, Cô của Bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất. Với đề tài "Nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nước để tối ưu hóa thiết kế lò hoạt hóa cacbon", tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Phạm Ngọc Anh đã giành thời gian và tâm huyết để hƣớng dẫn tác giả thực hiện tốt luận văn tốt nghiệp này. Đồng thời tác giả xin cảm ơn các Thầy, Cô của Viện Kỹ thuật Hóa học đặc biệt là các thầy cô đã dạy và hƣớng dẫn tác giả trong thời gian tác giả học tại trƣờng, đã tạo điều kiện tốt nhất để tác giả học tập và hoàn thiện tốt khóa học. Tác giả xin cảm ơn gia đình và các bạn trong lớp 13B-KTHH đã tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và hoàn thành tốt luận văn. Tác giả: Nguyễn Công Quý 1 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác, trừ các phần tham khảo đã đƣợc nêu rõ trong luận văn. Tác giả: Nguyễn Công Quý 2 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................................... 1 LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................................. 2 MỤC LỤC ......................................................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................................... 5 DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................................. 6 DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................................... 7 MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................... 8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU THAN HOẠT TÍNH ............................................... 10 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ........................................................................................................... 10 1.2. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA THAN HOẠT TÍNH ...................................................... 13 1.2.1. CÁC ĐẶNG TRƢNG CƠ HỌC ............................................................................................ 13 1.2.2. CÁC ĐẶC TRƢNG HÓA LÝ ............................................................................................... 14 1.2.3. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA THAN HOẠT TÍNH ............................................................ 14 1.2.4. CẤU TRÚC XỐP CỦA THAN HOẠT TÍNH ...................................................................... 15 1.3. PHÂN LOẠI THAN HOẠT TÍNH........................................................................................... 18 1.3.1. PHÂN LOẠI THEO MISEC ................................................................................................. 18 1.3.2. PHÂN LOẠI THEO MECLENBUA ..................................................................................... 19 1.4. ỨNG DỤNG CỦA THAN HOẠT TÍNH ................................................................................. 21 CHƢƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH .................................................... 25 2.1. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH ................................................................ 25 2.2. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH ................................................................... 26 2.2.1. QUÁ TRÌNH CACBON HÓA............................................................................................... 26 2.2.2. QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA .................................................................................................... 26 2.3. MỘT SỐ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH ....................................... 37 CHƢƠNG 3: ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA CACBON BẰNG HƠI NƢỚC ........... 39 3 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học 3.1. LÝ THUYẾT ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG ................................................................................. 39 3.1.1. PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC, BẬC PHẢN ỨNG CỦA NHỮNG PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ .................................................................................................................................................. 39 3.1.2. ĐỘNG HỌC CÁC QUÁ TRÌNH HÓA HỌC DỊ THỂ .......................................................... 45 3.1.3. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC .................................................................................................................. 47 3.2. ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HÓA CACBON BẰNG HƠI NƢỚC .......................... 48 CHƢƠNG 4 MÔ HÌNH HOÁ ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ CACBON BẰNG HƠI NƢỚC .............................................................................................................................................. 60 4.1. XỬ LÝ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC .................................................................................................................. 60 4.2. SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH BẬC PHẢN ỨNG α VÀ HẰNG SỐ k0 ........................ 63 4.3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN........................................................................................................... 64 CHƢƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CHUYỂN HOÁ CACBON BẰNG HƠI NƢỚC .............................................................................................................................................. 65 5.1. SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ ................................................................................... 65 5.2. THUYẾT MINH LƢU TRÌNH CÔNG NGHỆ ........................................................................ 66 5.3. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT ...................................................................................................... 67 5.3.1. TỔNG NHIỆT CẤP VÀO ..................................................................................................... 68 5.3.2. TỔNG NHIỆT TIÊU HAO .................................................................................................... 73 5.4. TÍNH CÂN BẰNG CHẤT ....................................................................................................... 79 5.4.1. THIẾT LẬP PHƢƠNG TRÌNH CÂN BẰNG CHẤT ........................................................... 79 5.4.2. TỐC ĐỘ CHUYỂN HOÁ THAN GÁO DỪA ...................................................................... 82 5.4.3. THỜI GIAN PHẢN ỨNG ..................................................................................................... 84 5.4.4. TÍNH SƠ BỘ CHIỀU DÀI LÒ .............................................................................................. 84 5.4.5. SỐ VÒNG QUAY CỦA LÒ .................................................................................................. 85 KẾT LUẬN ...................................................................................................................................... 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................ 87 4 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BET Brunauer-Emmett-Teller ch Chuyển hóa CNSX Công nghệ sản xuất hh Hỗn hợp hp Hấp phụ kk Không khí kl Khói lò min Tối thiểu n Nƣớc nl Nguyên liệu nlv Nguyên liệu vào p/u Phản ứng tt Tổn thất WHO Tổ chức Y tế Thế giới 5 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học DANH MỤC CÁC HÌNH Trang 1.1 Cấu trúc graphit của cacbon 13 2.1 Sơ đồ khối các công đoạn sản xuất than hoạt tính 25 2.2 Thiết bị hoạt hóa lớp tĩnh 32 2.3 Thiết bị hoạt hóa tầng sôi 33 2.4 Thiết bị hoạt hóa lò quay 34 2.5 CNSX cacbon hoạt tính theo phƣơng pháp hoạt hóa hóa học bằng ZnCl2 35 2.6 CNSX cacbon hoạt tính theo phƣơng pháp hoạt hóa hóa học bằng hơi nƣớc 36 2.7 CNSX cacbon hoạt tính từ nguyên liệu than antraxit 36 3.1 Mô hình lớp vỏ không phản ứng 48 4.1 Sơ đồ thuật toán xác định bậc phản ứng 4.2 Vận tốc chuyển hóa cacbon trung bình trong thí nghiệm chuyển hóa và hằng số k0 bằng hơi nƣớc tại nhiệt độ là 800oC, 850oC, 900oC 4.3 61 64 Vận tốc chuyển hóa cacbon trung bình trong thí nghiệm chuyển hóa bằng CO2 tại nhiệt độ là 820oC, 860oC, 915oC 64 4.4 Sơ đồ thuật toán xác định bậc phản ứng 65 5.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất than hoạt tính từ gáo dừa 6 và hằng số k0 67 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học DANH MỤC BẢNG Trang 3.1 Hoạt hóa cacbon bằng hơi nƣớc ở 800oC 55 3.2 Hoạt hóa cacbon bằng hơi nƣớc ở 850oC 56 3.3 Hoạt hóa cacbon bằng hơi nƣớc ở 900oC 57 7 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Than hoạt tính đang ngày càng đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên tất cả các lĩnh vực. Chính vì vậy, để nâng cao năng suất, ta cần phải nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa cacbon, đặc biệt là phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nƣớc với những ƣu điểm của nó. Trên hết, từ việc tìm ra mô hình động học của phản ứng, ta có thể ứng dụng để thiết kế, chế tạo lò hoạt hóa cacbon. 2. Mục đích nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về động học phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nƣớc, xây dựng mô hình động học của phản ứng và ứng dụng để thiết kế lò hoạt hoá cacbon. 3. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Cơ sở khoa học của đề tài: tiến hành các nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa carbon bằng hơi nƣớc: C + H2O. Ý nghĩa thực tiễn: trên cơ sở các nghiên cứu động học của phản ứng chuyển hóa carbon bằng hơi nƣớc xây dựng mô hình động học của phản ứng và trên cơ sở đó ứng dụng để thiết kế lò hoạt hóa carbon. 4. Nội dung đề tài Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết: nghiên cứu lý thuyết về động học phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nƣớc, từ đó, xây dựng mô hình động học của phản ứng chuyển hóa carbon bằng hơi nƣớc, ứng dụng thiết kế lò hoạt hoá cacbon, cuối cùng phân tích và thảo luận các kết quả đạt đƣợc. 5. Cấu trúc của luận văn Luận văn gồm 5 chƣơng: - Chƣơng 1: Tổng quan về vật liệu than hoạt tính - Chƣơng 2: Công nghệ sản xuất than hoạt tính 8 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học - Chƣơng 3: Động học phản ứng chuyển hóa cacbon bằng hơi nƣớc - Chƣơng 4: Tính toán mô hình hóa động học phản ứng chuyển hóa cacbon - Chƣơng 5: Tính toán thiết bị chuyển hóa cacbon bằng hơi nƣớc 9 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU THAN HOẠT TÍNH 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Cacbon hoạt tính là một chất hấp phụ, không cực, chứa 8598% cacbon, tuỳ theo các điều kiện sản xuất, phần còn lại là tro vô cơ. Than hoạt tính có khả năng hấp phụ và giữ lại trên bề mặt những lƣợng lớn chất khí, hơi hay chất tan. Chúng đã đƣợc sử dụng từ lâu đời nay với mục đích là chất hấp phụ trong quá trình phân tách, các quá trình làm sạch hệ khí và hệ lỏng, đồng thời chúng cũng đƣợc dùng nhƣ là các chất xúc tác hoặc chất mang xúc tác trong các quá trình hoá học xúc tác dị thể. Hiện nay, trong các ngành công nghiệp hoá học, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp dƣợc phẩm…chất hấp phụ đƣợc sử dụng với một lƣợng rất lớn với mục đích tẩy màu, tẩy mùi, làm khô các hỗn hợp chất, thu hồi các dung môi quý, làm chất xúc tác, làm chất mang chất xúc tác… Trong các chất hấp phụ rắn thì than hoạt tính có vị trí quan trọng và phạm vi sử dụng rộng rãi nhất, vì than hoạt tính có khả năng giữ các khí, các hơi cũng nhƣ các chất tan tốt. Chính hiện tƣợng hấp phụ trên bền mặt chất rắn đƣợc phát hiện lần đầu tiên ở than gỗ. Từ thời xa xƣa, khi con ngƣời chƣa biết đến hấp phụ thì than gỗ không chỉ đƣợc sử dụng làm chất đốt mà còn đƣợc sử dụng trong y học để điều trị một số bệnh về dạ dày và đƣờng ruột. Hiện tƣợng hấp phụ vẫn không đƣợc mọi ngƣời biết đến cho tới năm 1785, viện sĩ hàn lâm khoa học Nga nhận thấy than gỗ có thể tẩy màu đƣợc nhiều dung dịch và đề nghị đƣợc dùng trong sản xuất axit lactric tinh thể. Khi đó, những tài liệu đầu tiên về hấp phụ đã xuất hiện. Đến năm 1793, Kenso đã biết sử dụng than gỗ để khử mùi hôi ở vết thƣơng. 10 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Nhờ việc phát hiện ra hiện tƣợng hấp phụ mà ngƣời ta đã biết dùng than gỗ để tẩy màu trong công nghiệp sản xuất đƣờng và đến năm 1811 ngƣời ta đã nghiên cứu và chỉ ra rằng than xƣơng tẩy màu dịch đƣờng tốt hơn than gỗ rất nhiều và than xƣơng nhanh chóng đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp mía đƣờng và cả củ cải đƣờng. Cho đến cuối thế kỷ XIX, các nhà khoa học đã có nhiều cố gắng trong nghiên cứu, sản xuất than hoạt tính để tẩy màu từ các nguyên liệu khác nhau và đã đạt đƣợc những thành tựu nhất định. Năm 1856, Stonhaul đã sản xuất thành công than tẩy màu bằng cách nung hỗn hợp bột hắc-ín và manhecarbonat. Đến năm 1863, đã sản xuất đƣợc than hoạt tính bằng cách cho hơi nƣớc quá nhiệt và không khí tác dụng với than bùn. Năm 1868, Willson và Seidel đã nung bã thải của quá trình sản xuất giấy với phốt phát cũng tạo ra đƣợc than tẩy màu. Sang đầu thế kỷ XX, Billse đã chế tạo thành công than hoạt tính tẩy màu có khả năng hấp phụ cao, khả năng tẩy màu cao gấp 20 tới 50 lần than xƣơng. Than này đƣợc sản xuất bằng cách trộn máu với pôtat sau đó nung, rửa và sấy, nó giữ đƣợc vị trí đứng đầu trong các loại than tẩy màu cho tới khi sản xuất đƣợc than hoạt tính hiện đại. Đối với các khí than thì từ khi phát hiện ra hiện tƣợng hấp phụ năm 1773 và trải qua các thí nghiện trong hơn 40 năm mới có công trình nghiên cứu định lƣợng về hấp phụ trên than gỗ. Công trình này đƣợc công bố do Derseal, theo ông thì than gỗ hút khí khá nhanh, nhanh hơn cả các vật xốp khác. Độ hấp phụ các chất trên than không những phụ thuộc vào bản chất hoá học của nó mà còn phụ thuộc vào trạng thái vật lý của nó nhƣ: than hạt hấp phụ tốt hơn than bột, than đã hấp phụ bão hoà một khí còn có thể hấp phụ thêm một số khí khác. 11 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Ngƣời đầu tiên nghiên cứu than gáo dừa là Hanter vào năm 1872, ông đã nghiên cứu và tìm ra rằng than gáo dừa có khả năng hấp phụ đƣợc các khí nhƣ: N2, H2, NH3, HCN ở khoảng nhiệt độ từ 00C tới 700C. Đến năm 1904, Dival nghiên cứu khả năng hấp phụ của than gáo dừa đối với N2, H2, O2, Ar và He ở những nhiệt độ thấp và đƣa ra kết luận rằng than gáo dừa kết hợp với phƣơng pháp lạnh thâm độ có thể tách phân đoạn các khí khỏi hỗn hợp. Đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về khả năng hấp phụ của than gáo dừa nhƣ: Horlflei đã nghiên cứu khả năng hấp phụ ở khoảng nhiệt độ từ - 1900C đến 1000C với các áp suất thay đổi. Đến năm 1912, Hampel và Fater đã chứng minh đƣợc rằng nhiệt độ tốt nhất để hoạt hoá than gáo dừa là 6000C và khi nung tới nhiệt độ 13600C thì khả năng hấp phụ giảm mạnh đột ngột. Tiếp sau đó là hàng loạt những mô tả về chế tạo than hoạt tính để tinh chế chất lỏng nhƣ: rƣợu nguyên liệu, carbuahydro… Than hoạt tính đƣợc chế tạo bằng cách trộn bụi than với chất vô cơ rồi đem nung hoặc cho than bão hoà oxy rồi nung trong môi trƣờng chân không hoặc môi trƣờng không có không khí. Cho tới đầu thế kỷ XX, việc nghiên cứu sản xuất than hoạt tính đã đạt đƣợc những thành tựu nhất định, song vẫn chƣa đủ để chế tạo đƣợc than hoạt tính thƣơng phẩm. Mãi đến năm 1900 – 1901, nhà khoa học ngƣời Đức là Otstei đã mở đƣờng cho việc phát triển công nghiệp sản xuất than hoạt tính bằng công trình mô tả quá trình cơ bản sản xuất than hoạt tính theo phƣơng pháp kẽm clorua. Theo phƣơng pháp này, than hoạt tính đƣợc sản xuất bằng cách trộn nguyên liệu thực vật với dung dịch kẽm clorua rồi nung ở nhiệt độ thích hợp. Hiện nay, có rất nhiều loại nguyên liệu có thể sản xuất đƣợc than hoạt tính, do đó cũng có nhiều chủng loại than hoạt tính khác nhau về màu sắc, tính chất và 12 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học ứng dụng. Ngày nay, việc ứng dụng than hoạt tính đã trở nên rất rộng rãi, vì vậy việc nghiên cứu chi tiết và toàn diện cũng gặp nhiều khó khăn. Ở nƣớc ta, từ những năm đầu của thập kỷ 60 đã có một số cán bộ hoá lý tham gia nghiên cứu chế tạo than hoạt tính dùng trong mặt nạ phòng độc phục vụ cho kháng chiến chống chiến tranh hoá học của đế quốc Mỹ. Bên cạnh đó cũng nghiên cứu chế tạo các dạng than hoạt tính phục vụ nhu cầu phát triển công nghiệp, những nghiên cứu đã từng bƣớc đƣợc áp dụng vào thực tế sản xuất. Cho đến nay, nƣớc ta đã có nhà máy sản xuất than hoạt tính nhƣ nhà máy sản xuất than hoạt tính Trà Bắc với công suất đạt 4000 tấn/năm. 1.2. CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA THAN HOẠT TÍNH Than hoạt tính là một loại vật liệu hấp phụ chứa carbon, đƣợc hình thành bởi quá trình than hóa và hoạt hóa những hợp chất hữu cơ từ thực thể sống. Đặc tính quan trọng nhất của nó là khả năng hấp phụ rất mạnh, do nó có một cấu trúc với độ xốp cao. 1.2.1. CÁC ĐẶNG TRƢNG CƠ HỌC a) Độ cứng: Độ cứng của cacbon hoạt tính đƣợc tính bằng lƣợng cacbon hoạt tính mẫu còn lại trên sàng 0,5 mm so với lƣợng cacbon hoạt tính mẫu ban đầu. b) Độ bền chịu mài mòn: Độ bền chịu mài mòn của cacbon hoạt tính đƣợc tính bằng lƣợng cacbon hoạt tính mẫu còn lại ở trên sàng 0,315 mm so với lƣợng cacbon hoạt tính mẫu ban đầu. 13 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học 1.2.2. CÁC ĐẶC TRƢNG HÓA LÝ a) Cấu trúc tinh thể của cacbon hoạt tính: Cacbon hoạt tính là một loại vật liệu có cấu trúc graphit, các nguyên tử cacbon trên đỉnh các lục giác đều, nằm cách nhau những khoảng nhất định. b) Chỉ số xanh Methylen: Chỉ số xanh metylen là số millilit dung dịch xanh metylen có nồng độ 1,5g/l (0,15%) bị mất màu bởi 0,1 gam cacbon hoạt tính (đã nghiền mịn). c) Chỉ số Iod: Chỉ số Iod là lƣợng Iod (tính bằng mg trong một dung dịch loãng 0,2N) đƣợc hấp phụ trên 1g cacbon hoạt tính (đã nghiền mịn). d) Bề mặt riêng BET: Bề mặt riêng của các mẫu cacbon hoạt tính đƣợc xác định bằng phép đo hấp phụ nitơ ở nhiệt độ thấp. 1.2.3. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA THAN HOẠT TÍNH Than hoạt tính là một loại vật liệu có cấu trúc graphit, nét điển hính của cấu trúc graphit là sự xắp xếp các nguyên tử carbon trên đỉnh các lục giác đều và nằm cách nhau những khoảng nhất định. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ Rơnghen, Hoffmann thấy rằng, cacbon hoạt tính đƣợc hợp thành từ những tinh thể nhỏ kiểu grafit 1030  (13nm). Các nguyên tử carbon đƣợc phân bố trong những mặt phẳng song song, chúng cách nhau một khoảng 1,42  và khoảng cách giữa các mặt lục giác là 3,35  [1] 14 3,35Å Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học 3,35Å Hình 1.1: Cấu trúc graphit của carbon 1.2.4. CẤU TRÚC XỐP CỦA THAN HOẠT TÍNH Cấu trúc xốp của cacbon hoạt tính đƣợc đánh giá bởi thể tích các lỗ xốp tính cho một đơn vị khối lƣợng (cm3/g) hay một đơn vị thể tích (cm3/cm3). Quá trình hoạt hoá ngoài việc làm sạch bề mặt than khỏi các tạp chất hữu cơ cũng nhƣ làm sạch các tạp chất vô cơ có trong nguyên liệu ban đầu, để giải phóng các lỗ xốp do quá trình hoạt hoá tạo ra, nó còn phá huỷ một phần các tinh thể carbon nhằm tạo ra không gian trống giữa các tinh thể. Nghĩa là tạo ra thêm lỗ xốp cho than. Khi thực hiện quá trình hoạt hoá thích hợp sẽ tạo ra trong than một lƣợng mao quản, tổng diện tích tạo thành các mao quản lớn, bề mặt riêng lớn thƣờng khoảng 400 tới 1000 m2/g và có thể lên tới 2000 m2/g. Cấu trúc xốp của than đƣợc đánh giá bởi thể tích các lỗ xốp tính cho một đơn vị khối lƣợng hay một đơn vị thể tích. Vx = - ≈ 0,65 ÷ 1,4 (cm3/g) [1] 15 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học (Trong than hoạt tính kỹ thuật thì: δ = 0,55 ÷ 0,9 g/cm3, d = 2,25 g/cm2) Trong than hoạt tính có rất nhiều loại lỗ xốp khác nhau, từ dạng lỗ xốp lớn đến loại lỗ xốp nhỏ (gọi là cấu trúc xốp hỗn tạp). Do trong quá trình hoạt hoá, ngoài sự hình thành lỗ xốp mới luôn có sự mở rộng kích thƣớc lỗ xốp đã có sẵn. Trong quá trình hấp phụ, mỗi dạng lỗ xốp có chức năng riêng, lỗ xốp nhỏ có ý nghĩa quan trọng về hấp phụ. Dạng xốp lớn Những lỗ xốp có kích thƣớc lớn, có thể quan sát trực tiếp bằng kính hiển vi quang học thì đƣợc xếp vào dạng xốp lớn. Khi nghiên cứu cấu trúc xốp của than hoạt tính bằng phƣơng pháp nén thuỷ ngân thì vừa xác định đƣợc kích thƣớc lỗ lớn vừa thiết lập đƣợc phân bố thể tích lỗ xốp lớn theo kích thƣớc của chúng. Do thuỷ ngân là chất không thấm ƣớt thành mao quản nên để nạp đƣợc thuỷ ngân vào các lỗ xốp phải dùng áp suất. Ứng với áp suất ép thuỷ ngân là P, lƣợng thuỷ ngân ép đƣợc vào lỗ xốp là V thì bán kính của lỗ xốp nhỏ nhất trong số những lỗ đƣợc nạp thuỷ ngân sẽ là: r = Trong đó: σ_Sức căng bề mặt của thuỷ ngân θ_Góc thấm ƣớt Dạng xốp trung Đây là dạng xốp nhỏ hơn của than hoạt tính và có thể quan sát đƣợc bằng kính hiển vi điện tử. 16 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Cũng nhƣ dạng xốp lớn, có thể dùng phƣơng pháp ép thuỷ ngân để nghiên cứu dạng xốp trung. Nhƣng thƣờng nghiên cứu dạng xốp trung bằng phƣơng pháp hấp phụ và dựa vào những biến đổi trên đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ để đánh giá tính xốp của nó. Chẳng hạn xét quá trình hấp phụ hơi trên than hoạt tính trong khoảng áp suất tƣơng đối: ⁄ = 0 ÷ 1. Khi áp suất tƣơng đối còn thấp bề mặt than đƣợc phủ lớp đơn phân tử chất bị hấp phụ. Tăng áp suất sẽ có sự hình thành các lớp tiếp theo, hấp phụ bây giờ là đa lớp. Nếu trong than có những lỗ xốp đƣờng kính vƣợt quá kích thƣớc phân tử bị hấp phụ một số lần, thì khi áp suất tỷ đối tiến tới khoảng ⁄ = 0,2 ÷ 0,3 lƣợng chất bị hấp phụ mà than hút giữ sẽ bị vƣợt quá lƣợng ứng với hấp phụ đa lớp. Ở đây song song với hấp phụ đa lớp, còn quá trình khác xảy ra theo cơ chế ngƣng tụ mao quản. Do tăng áp suất trong pha khí, độ dày lớp hấp phụ đa phân tử tăng cho đến lúc màng chất hấp phụ kết hợp lại tại nơi tiết diện lỗ nhỏ nhất tạo ra mặt khum lỏng. Khi chất hấp phụ thấm ƣớt thành mao quản mặt khum sẽ là mặt lõm, ở đây hơi ngƣng tụ áp suất thấp hơn áp suất hơi bão hoà. Dạng xốp nhỏ Đây là dạng lỗ nhỏ nhất trong than hoạt tính, hiện nay chƣa quan sát trực tiếp đƣợc lỗ này. Những nghiên cứu hấp phụ cho phép kết luận rằng kích thƣớc lỗ xốp nhỏ gần với kích thƣớc phân tử chất bị hấp phụ. Loại lỗ xốp này có bán kính hiệu dụng khoảng ≤ 10 . Đặc trƣng của quá trình hấp phụ trên lỗ xốp nhỏ là tính thuận nghịch hấp phụ, nghĩa là quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ trùng nhau. 17 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Hiệu ứng nạp đầy lỗ xốp nhỏ xảy ra theo một cơ chế khác với ngƣng tụ mao quản nạp đầy lỗ trung. Theo lý thuyết thế của hiện tƣợng hấp phụ trên thành đối diện của lỗ nhỏ rất gần nhau, trƣờng hấp dẫn che phủ lẫn nhau. Phân tử các chất bị hấp phụ rơi vào trƣờng sẽ chịu tác dụng rất mạnh trong lỗ nhỏ và ngay ở áp suất rất thấp đã chuyển thành trạng thái lỏng nạp đầy lỗ nhỏ. Ở đây, sự nạp đầy và sự khử rỗng diễn ra thuận nghịch. Một thay đổi vô cùng nhỏ áp suất trong pha hơi, ở giai đoạn bất kỳ nào của quá trình hấp phụ cũng dẫn đến sự chuyển dịch cân bằng theo chiều ngƣợc lại, đƣa hệ về điểm nó đã đi qua. Trong quá trình hấp phụ mỗi dạng lỗ xốp có chức năng riêng, nhƣng xốp nhỏ có ý nghĩa lớn nhất về hấp phụ vì bề mặt riêng của nó lên tới cả ngàn m2/g. Lỗ xốp trung có vai trò trong hai lĩnh vực, về hấp phụ nó là nơi xảy ra ngƣng tụ mao quản khi áp suất đủ lớn, tác dụng thứ hai là làm đƣờng dẫn chất bị hấp phụ vào lỗ xốp nhỏ. Còn vai trò của lỗ xốp lớn chủ yếu là tạo điều kiện để phân tử bị hấp phụ nhanh đạt tới những lỗ xốp nhỏ hơn, nằm sâu hơn trong hạt than, bề mặt riêng của lỗ xốp lớn nhỏ, bán kính lỗ xốp lại lớn nên chúng không có vai trò gì trong hấp phụ nhƣng có vai trò rất lớn trong vận tải chất vào bên trong phân tử. 1.3. PHÂN LOẠI THAN HOẠT TÍNH Hiện nay trên thị trƣờng có rất nhiều loại than hoạt tính và đƣợc phân loại theo nhiều cách khác nhau nhƣ: phân loại theo hình dáng hạt, phân loại theo phạm vi ứng dụng… 1.3.1. PHÂN LOẠI THEO MISEC Than bột 18 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Loại than này đƣợc dùng tẩy màu và dùng trong y tế. Vì khả năng khuyếch tán trong dung dịch nhỏ nên quá trình hấp phụ xảy ra trong dung dịch chậm. Để tăng cƣờng thiết lập cân bằng hấp phụ, than đƣợc nghiền thành dạng bột mịn. Nguyên liệu sản xuất chủ yếu là mùn cƣa. Than hạt Loại than này đƣợc dùng chủ yếu để hấp phụ khí và hơi, vì vậy còn có tên là than khí. Ngoài ra than này còn đƣợc dùng trong hấp phụ dung dịch, đặc biệt là trong quá trình xử lý nƣớc. Than hạt là loại đƣợc dùng phổ biến trong công nghiệp hoá học với nhiệm vụ chủ yếu là tác một số chất trong hỗn hợp nhờ quá trình hấp phụ. Than hạt có thể ở dạng mảnh hoặc dạng trụ. Nguyên liệu đƣợc nghiền đến kích thƣớc nhất định trƣớc khi hoạt hoá. Ngoài ra, nguyên liệu cũng có thể đƣợc chuẩn bị ở dạng vữa đƣợc ép thành sợi, sau đó sợi đƣợc cắt thành hạt để tiếp tục các nhiệm vụ sản xuất khác. 1.3.2. PHÂN LOẠI THEO MECLENBUA Than tẩy màu Đây là loại than hoạt tính cơ bản, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp để tẩy màu dung dịch. Ở đây, than hấp phụ các chất bẩn có màu, kích thƣớc phân tử có màu thay đổi trong phạm vi rộng từ dạng phân tử thông thƣờng tới dạng phân tử lớn và tới dạng tiểu phân tử có độ phân tán keo. Than tẩy màu đƣợc dùng ở dạng bột mịn, có kích thƣớc trong khoảng 80μm 100 μm. 19 Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật hóa học Trong than tẩy màu còn đƣợc chia thành than kiềm, than axit và than trung tính. Than y tế Than có khả năng hấp phụ các chất dạng tán keo trong dạ dày và ruột. Đây cũng là loại than tẩy màu nhƣng có độ sạch cao hơn và trong sản xuất không dùng những chất tẩm có chứa cation độc nhƣ: Mg2+, Cu2+, Zn2+… Than hấp phụ Tuỳ theo mục đích và chế độ sử dụng mà ta chia làm ba loại: + Than ngƣng tụ: Than đƣợc dùng để gom hơi của các chất hữu cơ có trong không khí nhƣ tách Benzen khỏi các khí thiên nhiên nhằm thu hồi dung môi dễ bay hơi đƣa trở lại quá trình sản xuất. Than có độ hoạt tính cao, độ bền cơ cao và trở lực lớp than đối với dòng khí nhỏ, khả năng giữ các chất bị hấp phụ thấp. Than thƣờng đƣợc sản xuất dƣới dạng biến tính định hình hay dạng mảnh có đƣờng kính khoảng 2 – 8 mm. + Than khí: Than này có khả năng hấp phụ chọn lọc các khí và hơi, có thể dùng than này hấp phụ các khí và hơi ra khỏi hỗn hợp của chúng. Than đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp dầu mỏ để làm sạch các khí thơm, làm sạch không khí, làm sạch nƣớc… Than đƣợc sản xuất dƣới dạng mảnh hay định hình. 20