Tài liệu Biến tính than hoạt tính bằng phương pháp phủ các oxit kim loại chuyển tiếp meox

  • Số trang: 91 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 249 |
  • Lượt tải: 0
thuvientrithuc1102

Đã đăng 15893 tài liệu

Mô tả:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA HÓA HỌC & CNTP ------o0o------ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Thu Hiền MSSV: 1052010073 Ngày, tháng, năm sinh: 01/12/1992 Nơi sinh: Bình Định Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học I. TÊN ĐỀ TÀI: Biến tính than hoạt tính bằng phương pháp phủ các oxit kim loại chuyển tiếp MeOx II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Biến tính than hoạt tính nhằm thu được sản phẩm có tính chất tối ưu ứng dụng trong các lĩnh vực hấp phụ một số hợp chất vô cơ và hữu cơ.  Tiến hành phủ Fe2O3 và CuO lên than hoạt tính để thu được chất hấp phụ - xúc tác.  Khảo sát khả năng khả năng hấp phụ của chất hấp phụ - xúc tác điều chế đối với một số chất vô cơ và hữu cơ. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN: IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V. HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Nguyễn Văn Thông KS. Dương Khắc Hồng Bà Rịa –Vũng Tàu, Ngày…..tháng…..năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG KHOA (Ký và ghi rõ họ tên) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đồ án này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Văn Thông và KS. Dương Khắc Hồng. Các số liệu và những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Sinh Viên Nguyễn Thị Thu Hiền i LỜI CẢM ƠN Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Văn Thông và KS. Dương Khắc Hồng người trực tiếp giao đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian làm đề tài tốt nghiệp. Thầy đã chỉ ra hướng giải quyết cũng như cung cấp tài liệu để tôi hoàn thành được bản báo cáo này. Qua đây tôi cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Hoá Học Và Công Nghệ Thực Phẩm Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu đã trang bị cho tôi kiến thức trong những năm tháng học tập tại trường để hôm nay tôi có thể hoàn thành bản báo cáo đề tài tốt nghiệp của mình. Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn các bạn và anh Nguyễn Chí Thuần trong phòng thí nghiệm của trường cùng tôi trao đổi, đóng góp ý kiến và giúp đỡ tôi trong quá trình làm đề tài. Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài này, chắc chắn không tránh được những sai sót và khuyết điểm, rất mong sự góp ý của thầy cô để tôi nắm vững hơn các kiến thức về đề tài của mình. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Nguyễn Thị Thu Hiền ii MỤC LỤC TRANG DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vi DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... viii LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN..........................................................................................3 1.1. Tổng quan về than hoạt tính..................................................................................3 1.1.1. Giới thiệu chung..............................................................................................3 1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển .....................................................................4 1.1.3. Phân loại ..........................................................................................................5 1.1.4. Khả năng ứng dụng của than hoạt tính trong thực tế ......................................7 1.2. Sơ lược về các phương pháp biến tính bề mặt than ............................................8 1.2.1. Biến tính than hoạt tính bằng N2 .....................................................................9 1.2.2. Biến tính bề mặt than bằng halogen ................................................................9 1.2.3. Biến tính bề mặt than bằng sự lưu huỳnh hóa ..............................................10 1.2.4. Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm.........................................................10 1.3. Các thông số đánh giá than hoạt tính .................................................................12 1.4. Hấp phụ .................................................................................................................13 1.4.1. Khái niệm và phân loại hấp phụ ...................................................................13 1.4.2. Các dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt .............................................................15 1.4.3. Một số phương trình cơ bản của sự hấp phụ .................................................16 1.4.4. Đặc tính của quá trình hấp phụ .....................................................................19 1.4.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ ..............20 1.5. Phương pháp trắc quang .....................................................................................21 1.5.1. Định nghĩa và nguyên tắc .............................................................................21 1.5.2. Đặc trưng của miền quang phổ .....................................................................22 1.5.3. Cơ sở của phương pháp trắc quang ...............................................................22 1.5.4. Phương pháp xây dựng đường chuẩn để xác định nồng độ các chất ............23 1.6. Sơ lược về phương pháp phủ ...............................................................................24 1.6.1. Mục đích .......................................................................................................24 iii 1.6.2. Tác dụng ........................................................................................................25 1.6.3. Phương pháp phủ ..........................................................................................25 1.6.4. Hệ thống lò nung ...........................................................................................26 CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM.................................................................................27 2.2. Hóa chất .................................................................................................................27 2.3. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của các chất....................................27 2.3.1. Xây dựng đường chuẩn, xác định nồng độ của một số chất cần thiết ..........27 2.3.2. Metylen xanh ................................................................................................28 2.3.3. Phenol............................................................................................................30 2.3.4. NiCl2.6H2O (Nickel chloride herahydrate M=237,59g/mol) .......................33 2.3.5. CoCl2.6H2O (Cobalt chloride herahydrate M=237,93g/mol) .......................34 2.3.6. FeCl3.6H2O ...................................................................................................36 2.3.7. CuCl2.6H2O ...................................................................................................37 2.4. Khảo sát phương pháp phủ trên than hoạt tính ................................................38 2.4.1. Nhúng than hoạt tính trong dung dịch FeCl3 ................................................38 2.4.2. Nhúng than hoạt tính (loại than đã được nhúng FeCl3) trong dung dịch CuCl2 .......................................................................................................................42 2.4.3. Khảo sát thứ tự nhúng các dung dịch muối lên than.....................................43 2.5. Sấy và nung than ..................................................................................................44 2.5.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung than .............................45 2.5.2. Khảo sát đặc tính vật lý của chất hấp phụ - xúc tác ......................................45 2.6. Khảo sát khả năng hấp phụ chất hấp phụ-xúc tác và các yếu tố ảnh hưởng .45 2.6.1. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ ............................................................45 2.6.2. Ảnh hưởng của pH lên khả năng hấp phụ của chất hấp phụ - xúc tác ..........46 2.6.3. Ảnh hưởng đến thời gian đến khả năng hấp phụ của chất hấp phụ - xúc tác .................................................................................................................................46 2.6.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn - lỏng lên khả năng hấp phụ của chất hấp phụ - xúc tác ............................................................................................................................46 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...........................................................47 3.1. Điều chế chất hấp phụ - xúc tác ..........................................................................47 3.1.1. Ảnh hưởng của việc phủ các oxit Fe2O3 và CuO lên than hoạt tính tới khả năng hấp phụ của than hoạt tính sau khi phủ .........................................................47 iv 3.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến khả năng hấp phụ của than hoạt tính sau khi nhúng ...........................................................................................49 3.2. Đặc tính của chất hấp phụ - xúc tác điều chế ...................................................54 3.2.1. Đặc tính vật lý của chất hấp phụ - xúc tác điều chế.....................................54 3.2.2. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ ............................................................61 3.2.3. Ảnh hưởng của pH lên khả năng hấp phụ của chất hấp phụ - xúc tác ..........70 3.2.4. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ của chất hấp phụ xúc tác .....................................................................................................................72 3.2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn — lỏng lên khả năng hấp phụ của than .................74 CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................77 4.1. Kết luận .................................................................................................................77 4.1.1. Quá trình tạo thành chất hấp phụ - xúc tác ...................................................77 4.1.2. Khả năng hấp phụ của chất hấp phụ - xúc tác với một số chất vô cơ và hữu cơ .............................................................................................................................77 4.2. Kiến nghị ...............................................................................................................79 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................80 v DANH MỤC BẢNG TRANG Bảng 2.1. Số liệu thực tế xây dựng đường chuẩn metylen xanh ...................................29 Bảng 2.2. Bảng pha hóa chất xây dựng đường chuẩn phenol .......................................31 Bảng 2.3. Đo độ hấp thụ Abs của hợp chất phenol .......................................................32 Bảng 2.4. Số liệu thực tế xây dựng đường chuẩn dung dịch Ni2+ .................................34 Bảng 2.5. Số liệu thực tế xây dựng đường chuẩn dung dịch CoCl2 ..............................35 Bảng 2.6. Số liệu thực tế xây dựng đường chuẩn dung dịch FeCl3...............................36 Bảng 2.7. Số liệu thực tế xây dựng đường chuẩn dung dịch CuCl2 ..............................37 Bảng 2.8. Nồng độ tương ứng của các mẫu ..................................................................38 Bảng 2.9. Nồng độ Fe3+ còn thừa trong dung dịch sau khi nhúng lần 3 ......................39 Bảng 2.10. Chỉ số đo quang của dung dịch metylen xanh sau khi được hấp phụ bởi than hoạt tính đã phủ Fe2O3 ..........................................................................................40 Bảng 2.11. Chỉ số đo quang của dung dịch CoCl2 sau khi được hấp phụ bởi than hoạt tính đã phủ Fe2O3 ..........................................................................................................41 Bảng 2.12. Chỉ số đo quang của dung dịch NiCl2 sau khi được hấp phụ bởi than hoạt tính đã phủ Fe2O3 ..........................................................................................................41 Bảng 2.13. Nồng độ dung dịch Cu2+ lần lượt nhúng lên từng mẫu ..............................42 Bảng 2.14. Nồng độ Cu2+ còn thừa trong dung dịch sau khi nhúng lần 3. ..................42 Bảng 2.15. Chỉ số đo quang của dung dịch metylen xanh sau khi được hấp phụ bởi than hoạt tính đã phủ Fe2O3 và CuO ....................................................................................43 Bảng 2.16. Chỉ số đo quang của dung dịch CoCl2 sau khi được hấp phụ bởi than hoạt tính đã phủ Fe2O3 và CuO ............................................................................................43 Bảng 2.17. Chỉ số đo quang của dung dịch NiCl2.6H2O sau khi được hấp phụ bởi than hoạt tính đã phủ Fe2O3 và CuO .....................................................................................43 Bảng 2.18. Khảo sát tốc độ hấp phụ metylen xanh của Mẫu 5 và 6 .............................44 vi Bảng 3.1. Khả năng hấp phụ của 0,2gam than hoạt tính đã được phủ oxit Fe2O3 đối với các mẫu ..........................................................................................................................47 Bảng 3.2. Khả năng hấp phụ của 0,2g than hoạt tính đã được phủ oxit Fe2O3 và CuO đối với các mẫu ..............................................................................................................48 Bảng 3.3. Bảng so sánh khả năng hấp phụ của 0,2g than hoạt tính đã phủ oxit Fe2O3 và CuO (Mẫu 1’) với mẫu than hoạt tính bau đầu (Mẫu 0) ...............................................48 Bảng 3.4. Nồng độ metylen xanh sau khi được hấp phụ bởi chất hấp phụ - xúc tác ....51 Bảng 3.5. Độ hấp phụ tương đối metylen xanh của chất hấp phụ - xúc tác ..................51 Bảng 3.6. Nồng độ phenol sau khi được hấp phụ bởi chất hấp phụ - xúc tác ...............52 Bảng 3.7. Độ hấp phụ tương đối phenol của chất hấp phụ - xúc tác .............................52 Bảng 3.8. Bảng số liệu SBET của các mẫu theo nhiệt độ nung trong 2,5h .....................58 Bảng 3.9. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ của metylen xanh ...............................62 Bảng 3.10. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ của phenol .......................................64 Bảng 3.11. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ của dung dịch CoCl2........................66 Bảng 3.12. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ của dung dịch NiCl2 ........................68 Bảng 3.13. Ảnh hưởng của pH lên khả năng hấp phụ của chất hấp phụ - xúc tác ........70 Bảng 3.14. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ của chất chất hấp phụ - xúc tác ..................................................................................................................73 Bảng 3.15. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn — lỏng lên khả năng hấp phụ của than ...............74 vii DANH MỤC HÌNH TRANG Hình 1.1. Cấu trúc minh họa của than hoạt tính ............................................................12 Hình 1.2. Năm loại đường hấp phụ theo Brunauer .......................................................15 Hình 1.3. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich ..........................................................16 Hình 1.4. Đường hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir............................................................18 Hình 1.5. Dạng đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ BET .................................................19 Hình 2.1. Sơ đồ khối phương pháp phủ oxit kim loại lên than hoạt tính ......................25 Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống nung than ..............................................................................26 Hình 2.3. Đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh. .............................................30 Hình 2.4. Các mẫu chuẩn của phenol ............................................................................32 Hình 2.5. Đường chuẩn xác định nồng độ phenol .........................................................32 Hình 2.6. Đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch NiCl2 ..........................................34 Hình 2.7. Đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch CoCl2 .........................................35 Hình 2.8. Đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch FeCl3 ..........................................36 Hình 2.9. Đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch CuCl2 .........................................38 Hình 2.10. Dung dịch metylen xanh được hấp phụ bằng than hoạt tính đã phủ Fe2O3 40 Hình 2.11. Khảo sát tốc độ hấp phụ metylen xanh của Mẫu 5 và 6 đo tại giây thứ 610 .......................................................................................................................................44 Hình 3.1. Khả năng hấp phụ metylen xanh của chất hấp phụ - xúc tác ........................51 Hình 3.2. Khả năng hấp phụ phenol của chất chất hấp phụ - xúc tác ...........................52 Hình 3.3. Kết quả đo BET của mẫu than hoạt tính ban đầu (Mẫu 0) ............................54 Hình 3.4. Kết quả đo BET khi nung ở 300oC trong 2,5h (Mẫu A) ...............................55 Hình 3.5. Kết quả đo BET khi nung ở 350oC mẫu trong 2,5h (Mẫu B)........................56 Hình 3.6. Kết quả đo BET khi nung mẫu ở 400oC trong 2h30ph (Mẫu C)...................57 viii Hình 3.7. Kết quả đo BET khi nung mẫu ở 450oC trong 2h30ph (Mẫu D) ..................58 Hình 3.8. Ảnh SEM Mẫu 0 (thang 1μm) .......................................................................59 Hình 3.9. Ảnh SEM Mẫu C (thang 1μm) ......................................................................59 Hình 3.10. Ảnh SEM Mẫu 0 (thang 5μm) .....................................................................59 Hình 3.11. Ảnh SEM Mẫu C (thang 5μm) ....................................................................59 Hình 3.12. Ảnh SEM Mẫu 0 (thang 500nm) .................................................................60 Hình 3.13. Ảnh SEM Mẫu C (thang 500nm) ................................................................60 Hình 3.14. Đường đẳng nhiệt hấp phụ metylen xanh ....................................................63 Hình 3.15. Đường đẳng nhiệt Freundlich và dạng tuyến tính .......................................63 Hình 3.16. Đường đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính .............................................63 Hình 3.17. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ phenol ..............................................65 Hình 3.18. Đường đẳng nhiệt Freundlich và dạng tuyến tính .......................................65 Hình 3.19. Đường đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính .............................................65 Hình 3.20. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ Co2+ ..................................................67 Hình 3.21. Đường đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính ............................................67 Hình 3.22. Đường đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính .............................................67 Hình 3.23. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ Ni2+...................................................69 Hình 3.24. Đường đẳng nhiệt Freundlich dạng tuyến tính ............................................69 Hình 3.25. Đường đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính .............................................69 Hình 3.26. Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của các chất hấp phụ - xúc tác .71 Hình 3.27. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến khả năng hấp phụ của chất chất hấp phụ - xúc tác ..................................................................................................................73 Hình 3.28. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn-lỏng đến độ hấp phụ tương đối của chất hấp phụ xúc tác ............................................................................................................................75 Hình 3.29. Ảnh hưởng của tỷ lệ rắn-lỏng đến độ hấp phụ tuyệt đối của chất hấp phụ xúc tác ............................................................................................................................75 ix Đồ án tốt nghiệp đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐHBRVT LỜI MỞ ĐẦU Theo đánh giá mới đây của Ngân hàng thế giới tại Việt Nam, với 59 điểm trong bảng xếp hạng chỉ số hiệu quả hoạt động môi trường, Việt Nam đứng ở vị trí 85/163 các nước được xếp hạng. Còn theo kết quả nghiên cứu khác vừa qua tại Diễn đàn Kinh tế thế giới Davos, Việt Nam nằm trong số 10 quốc gia có chất lượng không khí thấp và ảnh hưởng nhiều nhất đến sức khỏe.[15] Những dòng sông ở các thành phố lớn như Hà Nội hay thành phố Hồ Chí Minh bị ô nhiễm nặng nề. Những con sông này đã trở nên độc hại, làm hủy hoại nguồn thủy sản và ảnh hưởng trực tiếp tới môi trường sống, sức khoẻ của cộng đồng.[15] Tại thành phố Vũng Tàu, ô nhiễm nguồn nước vẫn đang là một vấn đề nan giải. Nguyên nhân khiến nhiều khu vực sông này trở thành “vùng đất chết” là do nước thải từ các cơ sở chế biến hải sản và từ các công ty dệt nhuộm xung quanh xả trực tiếp từ năm này qua năm khác. Trên thực tế, để xây được hệ thống xử lý nước thải đạt chuẩn thì không phải cơ sở nào cũng đủ khả năng, nên họ cứ lén lút xả ra môi trường. Vì vậy việc tìm kiếm vật liệu hấp phụ có dung lượng hấp phụ lớn, tính chọn lọc cao, khả năng tái chế tốt và có giá thành thấp đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học. Than hoạt tính là vật liệu hấp phụ đáp ứng được các nhu cầu trên và hiện nay đã được áp dụng rộng rãi. Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, nhưng có thể nói chung rằng than hoạt tính là một dạng của cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc rất xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn và khả năng hấp phụ tốt hơn. Than hoạt tính sau khi được sản xuất sẽ có khả năng hấp phụ một số chất, tuy nhiên để ứng dụng than hoạt tính vào lĩnh vực hấp phụ một số hợp chất nhất định như hợp chất vô cơ và hữu cơ thì nó cần được biến tính để có những tính chất vật lý tối ưu như tăng diện tích bề mặt, tăng sự tương tác giữa các lỗ xốp…. của nó để phục vụ mục đích cuối cùng là tăng khả năng hấp phụ của đối với một số chất vô cơ Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 1 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐHBRVT và hữu cơ (metylen xanh, phenol, dung dịch NiCl2, dung dịch CoCl2). Tùy vào tính chất cần có mà than hoạt tính được biến tính theo những phương pháp riêng. Đề tài của em được giao là “Biến tính than hoạt tính bằng phương pháp phủ các oxit kim loại chuyển tiếp MeOx”. Đề tài này em sử dụng phương pháp phủ than hoạt hoạt tính với Fe2O3 và CuO thông qua 2 muối FeCl3.6H2O và CuCl2.6H2O để thu được than hoạt tính có tính chất phù hợp. Bản báo cáo này được chia làm 4 chương: Chương I: Tổng quan Chương II: Thực nghiệm Chương III: Kết quả và thảo luận Chương IV: Kết luận và kiến nghị Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 2 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐHBRVT CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về than hoạt tính 1.1.1. Giới thiệu chung Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon, chiếm từ 85 đến 95% khối lượng. Phần còn lại là các nguyên tố khác như hydro, nitơ, lưu huỳnh, oxi,... có sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong quá trình hoạt hóa. Thành phần của than hoạt tính thông thường là: 88% C; 0.5% H; 0.5% N; 1% S và 6-7% O. Hàm lượng oxi có thể thay đổi từ 1 đến 20% tùy thuộc vào nguyên liệu và cách điều chế than hoạt tính.[5] Than hoạt tính có diện tích bề mặt khoảng 800 - 1500 m2/g chủ yếu là do các lỗ nhỏ có bán kính dưới 2nm tạo ra, thể tích mao quản từ 0.2 - 0.6 cm3/g.[5] Nhiều nguyên liệu khác nhau có thể được sử dụng như gỗ, đá hay các vật liệu tổng hợp để sản xuất than hoạt tính mà không cần đưa chúng về dạng cacbon nhưng vẫn có được hiệu quả tương tự. Than hoạt tính sau khi sử dụng có thể được tái sinh (làm sạch hoặc giải hấp phụ) và có thể tái sử dụng nhiều lần. Than hoạt tính được sản xuất từ các nguyên liệu tự nhiên như gỗ và đặc biệt ngày nay người ta thường tận dụng những phế thải như vỏ trấu, gáo dừa,… bằng cách than hóa và xử lý tiếp sẽ thu được than hoạt tính có độ xốp cao, vừa tận dụng được nguồn nguyên liệu phế thải mang lại hiệu quả kinh tế và góp phần bảo vệ môi trường. Trong quá trình xử lý, một vài thành phần chuyển hóa thành khí và bay hơi khỏi nguyên liệu ban đầu tạo thành các lỗ trống xốp (mao quản).[14] Hiện nay trên thị trường, than hoạt tính được bán dưới ba dạng:[5],[14] - Than hoạt tính dạng bột - Than hoạt tính dạng hạt - Dạng than hoạt tính cải tiến (dưới áp suất cao), thường là viên Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 3 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐHBRVT 1.1.2. Lịch sử hình thành và phát triển[14],[15],[9] - Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã được hoạt hóa đã được sử dụng từ nhiều thế kỷ trước. - Người Ai Cập sử dụng than gỗ từ khoảng năm 1500 TCN để làm chất hấp phụ chữa bệnh. - Người Hindu cổ ở Ấn Độ đã biết làm sạch nước uống bằng cách lọc qua than gỗ. - Sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng những năm 1900, được sử dụng để làm vật liệu tinh chế đường bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật bằng hơi nước hoặc CO2. - Than hoạt tính còn được sử dụng trong các mặt nạ phòng độc trong thế chiến thứ nhất. - Năm 1793, Ken-xơ đã dùng than gỗ để hút mùi hôi ở những vết thương có tính hoại tử. - Năm 1773, Silo đã quan sát và mô tả hiện tượng hấp phụ trên than gỗ. - Năm 1777, Phôn-tan-na đã đưa than nóng đỏ vào ống chứa khí úp ngược trên thủy ngân và nhận thấy phần lớn khí trong ống bị than hút mất. - Trong lĩnh vực dung dịch, năm 1785 Tô-vơlo-vit đã thấy than gỗ có thể tẩy màu nhiều dung dịch. - Năm 1794, Lip-man cũng thấy than gỗ tẩy màu tốt các dung dịch đường mía và năm 1805 Gu-li-on đã dùng than gỗ để tẩy màu trong công nghiệp đường. - Sang đầu thể kỷ 20, vào năm 1922 Bi-si mới thành công trong việc chế tạo than tẩy màu. Than được chế tạo bằng cách trộn than màu với potdineeg rửa và sấy. - Năm 1872, Han-xơ nghiên cứu khả năng than sọ dừa hấp thụ N2, H2,NH3 và HCN ở khoảng nhiệt độ từ 0-70°C thấy HCN được hấp thụ tốt hơn NH3, N2, H2 . - Ở nước ta từ những năm đầu thập kỷ 60 đã nghiên cứu một số than hoạt tính dùng cho mặt nạ phòng độc và phục vụ nhu cầu phát tri Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 4 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐHBRVT 1.1.3. Phân loại [14] a) Phân loại theo Misec Có nhiều cách để phân loại than hoạt tính. Cách đơn giản nhất theo Misec là phân loại theo hình dáng bên ngoài của nó. Theo cách này than hoạt tính được phân thành hai nhóm: * Than bột: Nhóm này gổm than tẩy màu và than у tế. Vì độ khuếch tán trong dung dịch nhỏ nên quá trình hấp phụ xảy ra trong dung dịch rất chậm. Để tăng cường độ thiết lập cân bằng hấp phụ than được nghiền thành bột mịn. * Than hạt: Than hạt chủ yếu được dùng trong hấp phụ khí và hơi, vì vậy còn có tên gọi là than khí. Đôi khi than hạt cũng được dùng trong môi trường lỏng, đặc biệt là để lọc nước. Than hạt có thể là dạng mảnh hoặc dạng trụ. Nguyên liệu được xay đến kích thước nhất định và được hoạt hóa. Than hạt dạng trụ hoàn chỉnh được chế tạo theo quy trình phức tạp hơn. Nguyên liệu được chuẩn bị ở dạng vữa, ép vữa thành sợi và cắt thành hạt rồi tiếp tục các bước sản xuất khác. b) Phân loại theo Meclenbua Meclenbua phân loại than hoạt tính theo mục đích sử dụng và vì vậy than gồm nhiều loại: * Than tẩy màu: Đây là nhóm cơ bản, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp để tẩy màu dung dịch, ở đây, than hấp phụ chất bẩn có màu. Kích thước phân tử chất màu thay đổi trong phạm vi rộng từ dạng phân tử thông thường tới dạng lớn và tới các tiểu phân có độ phân tán keo. Than tẩy màu dùng ở dạng bột mịn có kích thước hạt khoảng 80 - 100µm. Than tẩy màu còn gồm than kiềm, than axit và than trung tính. Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 5 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐHBRVT * Than у tế: Than có khả năng hấp phụ các chất tan phân tán dạng keo trong dịch dạ dày và ruột. Đây cũng là than tẩy màu, chỉ khác là có độ sạch cao. Trong quá trình sản xuất không nên dùng những chất tẩm chứa nhiều cation độc như thiếc, đồng, thủy ngân,.. * Than hấp phụ: Tùy vào chất lượng và mục đích sử dụng, than hấp phụ còn được chia thành ba loại: - Than ngưng tụ: Than được dùng để gom hơi các chất hữu cơ trong không khí, chẳng hạn dùng để tách benzen khỏi các khí thiên nhiên nhằm quay vòng dung môi dễ bay hơi trở lại quy trình sản xuất. Than có hoạt tính cao, độ bền cơ học cao, trở lực lớp than đối với dòng khí nhỏ, khả năng lưu trữ chất bị hấp phụ thấp. Thường than được sản xuất dưới dạng viên định hình hay dạng mảnh đường kính từ 2 - 8mm, chiều dài khoảng 1.5 lần đường kính. - Than xúc tác: cũng là một dạng than khí, có độ xốp lớn, có thể dùng làm chất xúc tác trong tổng hợp nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ. - Than khí: Than có khả năng hấp phụ chọn lọc khí và hơi. Có thể dùng than này để tách các hợp phân khí hay hơi ra khỏi hỗn hợp của chúng. Than có ứng dụng rộng rãi trong công nghệ dâu mỏ để làm sạch các chất thơm, không khí,...; để làm sạch nước,…Than được sản xuất dưới dạng mảnh hay hạt định hình với kích thước tùy thuộc vào mục đích sử dụng. c) Phân loại theo Đu-bi-nin Đu-bi-nin đã dựa vào cấu trúc xốp để phân loại than hoạt tính. Chia than hoạt tính thành dạng thu hồi và dạng khí là không có ý nghĩa về đặc trưng cấu trúc. Theo ông chia than thành ba dạng dưới đây là hợp lý: * Than hoạt tính hấp phụ khí: Dùng cho hấp phụ khí, hơi và các chất dễ bay hơi. Dạng than này thuộc chất hấp phụ có cấu trúc xốp nhỏ loại I. Đặc trưng cấu trúc của dạng than này là khi tăng thể tích hấp phụ trong lỗ xốp nhỏ làm dễ dàng cho sự hấp phụ đẳng nhiệt Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 6 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐHBRVT * Than hoạt tính thu hồi: Dùng hấp phụ hơi các dung môi công nghiệp nhằm thu hổi và đưa chúng trở lại chu trình sản xuất. Dạng than này thuộc chất hấp phụ có cấu trúc hỗn tạp. Dung tích hấp phụ lớn nhưng khả năng lưu giữ chất bị hấp phụ thấp, nhất là trong điều kiện khử hấp phụ bằng hơi quá nhiệt. * Than tẩy màu: Than tẩy màu dùng để tẩy màu và lọc sạch dung dịch, chất lỏng. Than chủ yếu thuộc chất hấp phụ có cấu trúc loại II. Than chứa tỷ lệ lớn lỗ có kích thước đủ lớn để hấp phụ các phân tử màu và các tạp chất khác có mặt trong pha lỏng. Khi cần hấp phụ các chất có phân tử nhỏ khỏi dung dịch thì dùng tan có cấu trúc loại I. Sự phân loại than hoạt tính giúp chúng ta có định hướng dễ dàng trong sản xuất và trong việc tìm loại than thích hợp cho mục đích sử dụng của mình. Than hoạt tính được sản xuất từ các cơ sở khác nhau, tuy có nhãn hiệu và tên thành phẩm khác nhau, nhưng có thể có tính chất hấp phụ giống nhau. 1.1.4. Khả năng ứng dụng của than hoạt tính trong thực tế [5],[10],[14] Nhiều Than hoạt tính là chất hấp phụ quý và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi cho mục đích như loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm sạch không khí, trong kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ, trong làm sạch nhiều hóa chất, dược phẩm, sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí. Chúng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng, bạc, và các kim loại khác, làm chất mang xúc tác. Chúng cũng được biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, được sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số bệnh nhất định. Do khả năng hấp phụ tốt mà than hoạt tính có những ứng dụng quan trọng như: - Khử, lọc các chất hữu cơ, các ion kim loại trong nước. - Hấp phụ những phân tử khí có hại trong không khí. Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 7 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐHBRVT Ngoài ra, với những ưu điểm như: Không độc hại, giá thành rẻ, sản xuất dễ dàng vì vậy mà còn có những ứng dụng rộng rãi trong một số lĩnh vực như: - Trong y tế (than dược): Tẩy trùng và loại các độc tố. - Trong kỹ thuật: Là thành phần chính của túi lọc khí, của mặt nạ phòng độc… - Trong xử lí nước: Lọc các chất bẩn vi lượng, hấp phụ ion kim loại nặng... - Trong đời sống hằng ngày: Sử dụng làm khẩu trang phòng độc, lọc làm sạch nước sinh hoạt. - Trong lĩnh vực kim loại: Thu hồi vàng, bạc và các chất vô cơ khác, và làm chất xúc tác, chất mang. 1.2. Sơ lược về các phương pháp biến tính bề mặt than [5] Đặc điểm quan trọng và thú vị nhất của than hoạt tính là bề mặt có thể biến tính thích hợp để thay đổi đặc điểm hấp phụ và làm cho than trở nên thích hợp hơn trong các ứng dụng đặc biệt. Sự biến tính bề mặt than hoạt tính có thể được thực hiện bằng sự tạo thành các dạng nhóm chức bề mặt khác nhau. Các nhóm chức này bao gồm các nhóm chức oxy - cacbon được tạo thành khi oxy hóa bề mặt than với các khí hoặc các dung dịch oxy hóa. Nhóm chức bề mặt cacbon - hydro tạo thành bằng quá trình xử lý than hoạt tính với khí hydro ở nhiệt độ cao. Nhóm chức cacbon - lưu huỳnh bằng quá trình xử lý than hoạt tính với lưu huỳnh nguyên tố, CS2, H2S, SO2. Cacbon - nitơ trong quá trình xử lý than hoạt tính với amoniac. Cacbon halogen được tạo thành bằng quá trình xử lý than hoạt tính với halogen trong pha khí hoặc dung dịch. Vì các nhóm chức này được liên kết và được giữ ở cạnh và góc của lớp vòng thơm, và bởi vì thành phần các cạnh và góc này chủ yếu là bề mặt hấp phụ, nên người ta hi vọng khi biến tính than hoạt tính sẽ thay đổi đặc trưng hấp phụ và tương tác hấp phụ của các than hoạt tính này. Thêm vào đó, sự biến tính bề mặt than cũng được thực hiện bằng quá trình khử khí và bằng việc mang kim loại lên bề mặt. Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 8 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐHBRVT 1.2.1. Biến tính than hoạt tính bằng N2 Than hoạt tính chứa lượng không đáng kể nhóm chức chứa nitơ. Tuy nhiên, phản ứng pha khí với dimethylamin ở 150°C trong 1h, hoặc với NH3 khô ở 300°C hoặc hơn, tạo ra một lượng đáng kể nhóm chức C-N trên bề mặt. Boehm và các cộng sự cũng như Rivera-Utrilla và các cộng sự, thấy rằng khi than hoạt tính đã oxy hóa được đun nóng với NH3 khô, nhóm nitơ được tạo thành trên bề mặt. Ở nhiệt độ thấp sự cố định Nitơ cân bằng với số nhóm oxy axit trên bề mặt và được cho là sự tạo thành muối amoni. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao sự thay thế các nhóm hydroxyl bằng nhóm amin đã được thừa nhận, than trở nên kỵ nước và giảm đáng kể khả năng hấp phụ xanh methylen. 1.2.2. Biến tính bề mặt than bằng halogen Đặc điểm bề mặt của than hoạt tính và muội được biến tính bằng một số phương pháp xử lý với halogen. Sự hấp phụ halogen gồm cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, quá trình thông qua một số cơ chế bao gồm cộng hợp ở các tâm chưa bão hòa, trao đổi với H2, hấp phụ hóa học và sự oxi hóa bề mặt than. Các cơ chế phụ thuộc vào bản chất của bề mặt than, hàm lượng oxy, hydro của than, điều kiện thí nghiệm và bản chất của từng loại halogen. Halogen được cố định trên bề mặt than ở dạng hợp chất cacbon-halogen có độ bền nhiệt cao và không thể loại bỏ bằng xử lý nhiệt trong chân không cho tới 10000C nếu than không còn dư hydro. Tuy nhiên, một phần halogen có thể trao đổi với nhóm OH khi xử lý với kiềm và trao đổi với nhóm NH2 khi xử lý với khí NH3. Do đó, các dạng hấp phụ hóa học hay hấp phụ vật lý này có thể biến tính hoàn toàn đặc điểm bề mặt và phản ứng bề mặt của than. Ví dụ, sự cố định Clo hoặc Brom có thể tạo ra sự phân cực nhưng không phải là liên kết hydro mà là tương tự với liên kết phổ biến trên than là liên kết với nhóm oxi bề mặt. Liên kết C-Cl hoặc C-Br có thể trao đổi với các nhóm chức khác tạo ra loại hợp chất bề mặt mới. Puri và Bansal đã nghiên cứu đặc trưng bề mặt và tương tác bề mặt của than đường, than gáo dừa được biến tính với halogen. Tỷ khối của than tăng tuyến tính khi tăng lượng clo cố định trên than. Tuy nhiên, độ axit bề mặt của than còn lại Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 9 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học – Khóa 2010 – 2014 Trường ĐHBRVT nhiều hoặc ít thay đổi. Người ta thấy rằng sự cố định clo dẫn đến nhiều dạng cấu trúc lỗ xốp và sự phân bố kích thước mao quản, hoặc sự thay đổi vị trí hoặc mật độ tâm hoạt động. 1.2.3. Biến tính bề mặt than bằng sự lưu huỳnh hóa Các hợp chất cacbon-lưu huỳnh trên bề mặt được nghiên cứu rộng rãi trên than gỗ, than hoạt tính, muội than. Các hợp chất này được tạo thành trong suốt hoặc sau quá trình tạo thành than. Trong trường hợp của cacbon hoạt tính, chúng thông thường được tạo thành bởi đun nóng than trong sự có mặt lưu huỳnh nguyên tố hoặc các chất khí có lưu huỳnh như CS2, và SO2. Những hợp chất lưu huỳnh trên bề mặt này không hợp thức trong khoảng rộng về thành phần phụ thuộc vào bản chất than, các điều kiện thực nghiệm, và độ lớn của bề mặt than. Những hợp chất này thường chứa một lượng đáng kể lưu huỳnh, có thể lên tới 40-50%. Những hợp chất lưu huỳnh trên bề mặt này không thể chiết với các dung môi hoặc bị phân hủy một cách hoàn toàn bằng xử lý nhiệt trong môi trường trơ, tuy nhiên chúng có thể bị loại bỏ hầu như hoàn toàn khi được xử lý trong khoảng 500-700°C với H2. Sự hấp phụ hóa học lưu huỳnh lên bề mặt than bao gồm sự liên kết với các nguyên tử cacbon bên ngoài, cộng tại vị trí nối đôi, thâm nhập vào bên trong cấu trúc mạng, và trao đổi lấy hydro cũng như oxygen còn liên kết với bề mặt cacbon. Như các nguyên tử cacbon ngoại vi, do các hóa trị không thỏa mãn của chúng quyết định các đặc điểm hấp phụ của than hoạt tính, đó là lý do để tin rằng sự có mặt của các chất lưu huỳnh bề mặt sẽ ảnh hưởng tới tính chất bề mặt của những vật liệu này. 1.2.4. Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm Những loại than này được sử dụng lần đầu tiên trong chiến tranh thế giới thứ nhất để bảo vệ hệ hô hấp của các binh lính chống lại chiến tranh khí. Hơn nữa, việc mang các kim loại lên các vật liệu có cacbon làm giảm các đặc điểm khí hóa và thay đổi cấu trúc lỗ xốp của các sản phẩm cacbon cuối cùng. Vì vậy, việc mang các chất lên than hoạt tính như vậy cũng được sử dụng để thu được than hoạt tính có một cấu trúc vi lỗ xác định. Ngành Công nghệ kỹ thuật Hóa học 10 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
- Xem thêm -