(TIỂU LUẬN) đánh giá hiệu quả sử dụng và khả năng biến tính than hoạt tính có nguồn gốc từ gáo dừa trong việc xử lý toluen từ ngành công nghiệp sơn bằng phương pháp hấp phụ

TỔNG QUAN

Giới thiệu chung về Toluene

Toluen được phát hiện bởi P.S.Pelletie và P.Walter vào năm

1937 khi hai ông điều chế khí than nhựa từ thông Vì thế, cái tên Toluen bắt nguồn từ tên Toluol, viết tắt là “TOL”, là tên nhựa của cây Balsam ở vùng Nam Mỹ Danh pháp IUPAC của nó là Metylbenzen.

Một số tính chất và ứng dụng của Toluen

Toluen là chất lỏng thơm, trong suốt không màu, có độ nhớt thấp Ít tan trong nước, nhẹ hơn nước và nổi trên mặt nước, độ hoà tan trong nước của nó ở 160℃ là 0.047g/100ml, còn ở 150℃ là 0.04g/100ml Toluen có thể tan hoàn toàn trong các dung môi hữu cơ như rượu, cồn, este, xeton, phenol,ete,… Toluen cũng là dung môi hoà tan nhiều loại vật liệu rất tốt như: sơn, các loại nhựa tạo màng cho sơn, mực in, chất hoá học, cao su, chất kết dính, chất béo, dầu, nhựa thông, lưu huỳnh, photpho và iot.

Một số thông số của Toluen[1]

- Khối lượng phân tử : 92.14 g/mol

Toluen là hợp chất thuộc dãy đồng đẳng của Benzen có công thức phân tử là C 7 H 8 do đó tính chất hoá học của Toluen tương tự như Benzen Toluen tham gia các phản ứng hoá học sau: phản ứng cộng, phản ứng thế, phản ứng oxi hoá Là một hydrocacbon thơm có khả năng tham gia phản ứng thế ái điện tử Do có nhóm metyl mà hoạt tính của Toluen lớn gấp 25 lần so với Benzen Đối với nghành công nghiệp hoá chất thì Toluen là một trong những chất được sử dụng rộng rãi do những tính chất hoá học và tính chất vật lý của nó Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến nhất:

- Dùng làm chất tẩy rửa, dùng trong sơn xe hơi, xe máy, sơn các đồ đặc trong nhà.

- Được sử dụng làm chất tẩy rửa sản xuất keo dán, các sản phẩm cùng loại, dùng trong keo dán cao su và xi măng cao su vì có khả năng hoà tan tốt

- Làm phụ gia cho các nhiên liệu như chất cải thiện chỉ số octane của xăng dầu Khi thêm chỉ một lượng tương đối nhỏ hoá chất Toluen vào xăng dầu sẽ làm tăng đáng kể chỉ số octane của nhiên liệu

- Dùng để sản xuất thuốc nhuộm và điều chế thuốc nổ TNT Ngoài ra, dung môi này còn được sử dụng trong y học, sản xuất mực in hay sản xuất nước hoa.

Nguồn phát thải và độc tính của Toluen

Toluen là các dung môi thơm phổ biến được tìm thấy trong keo, mực, thuốc nhuộm, sơn mài, thuốc tẩy,…và được tiêu thụ nhiều nhất trong nghành sản xuất sơn Đối với nghành sản xuất sơn thì nguồn phát thải hơi Toluen đến từ các công đoạn ủ, nghiền, pha sơn trong dây chuyền sản xuất

Toluen được xếp vào nhóm các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi với áp suất hơi bão hoà tại 25℃ là 3762,191(Pa) Tiếp xúc nghề nghiệp với Toluen có thể gây bệnh nhiễm độc cấp tính và mãn tính.

Nhiễm độc cấp tính có các triệu chứng sau đây:

- Đau đầu, chóng mặt, buồn nôn, nôn, mất ý thức, hôn mê, mất trí nhớ;

- Bỏng, viêm kết mạc, giác mạc, mù màu;

- Tổn thương tim mạch: gây loạn nhịp tim như ngoại tâm thu[2]

Nhiễm độc mãn tính: dựa vào nồng độ toluen trong môi trường lao động vượt quá giới hạn tiếp xúc ca làm việc theo tiêu chuẩn vệ sinh cho phép Bệnh vẫn có thể xuất hiện sau khi tiếp xúc 1 tháng và có thể phát bệnh sau khi đã ngừng tiếp xúc sau 15 năm.

- Bệnh lý não mãn tính ( do nhiễm độc dung môi hữu cơ trong đó bao gồm cả Toluen và xylen): trầm cảm, dễ cáu giận, giảm sự tập trung chú ý, giảm trí nhớ, giảm tập trung, mất năng lực trí tuệ nghiêm trọng

- Tổn thượng tim mạch, tổn thương ống thận[2]

Giới thiệu phương pháp hấp phụ

Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý khí thải phổ biến, ví dụ như: phương pháp hấp thụ, hấp phụ, phương pháp sinh học, phương pháp ướt, phương pháp thiêu đốt, phương pháp ngưng tụ Dựa vào tính chất và thành phần của khí thải thoát ra mà ta lựa chọn phương pháp xử lý khí sao cho hiệu quả nhất Trong khuôn khổ đồ án này, với đối tượng là Toluen có trong khí thải cần phải được loại bỏ thì phương pháp xử lý phù hợp nhất là phương pháp hấp phụ khí Đây là phương pháp có khả năng làm sạch khí cao, hiệu quả xử lý trên 90%, giá thành xử lý thấp do vật liệu hấp phụ có khả năng hoàn nguyên, tiết kiệm được chi phí xử lý cho nhà máy Vì vậy trong phần này em tập trung giới thiệu về phương pháp hấp phụ

Hấp phụ là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp hoặc là sự gia tăng nồng độ của chất này trên bề mặt chất khác Chất khí hay hơi được gọi là chất bị hấp phụ, chất rắn xốp dùng để hút khí hay hơi gọi là chất hấp phụ và những khí không bị hấp phụ gọi là khí trơ Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp hay nhả hấp phụ

Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Thông thường quá trình hấp phụ là quá trình toả nhiệt Tuỳ theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học.

Hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học a) Hấp phụ vật lý:

Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân tử, các ion,…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng Lực liên kết này yếu nên dễ bị phá vỡ

Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không hình thành các liên kết hoá học mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn. b) Hấp phụ hoá học:

Hấp phụ hoá học xảy ra do lực hút tồn tại ở trên và gần sát bề mặt trong các mao quản Các lực hoá trị gây nên hấp phụ hoá học tạo ra các hợp chất khá bền trên bề mặt Do đó, hấp phụ hoá học thường là quá trình bất thuận nghịch Hấp phụ hoá học có nhiệt hấp phụ lớn.

Ranh giới giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học rất khó để phân đinh, trong một số trường hợp có thể xảy ra song song tuỳ thuộc tính chất bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, vào điều kiện quá trình (nhiệt độ, áp suất,….)

Ta có thể phân biệt hấp phụ hoá học và vật lý dựa vào các tiêu chí được nêu trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Tiêu chí phân biệt hấp phụ hoá học và hấp phụ vật lý

Tiêu chí Hấp phụ hoá học Hấp phụ vật lý

Nhiệt hấp phụ 40÷ 800 kJ/mol Nhỏ hơn 20 kJ/mol

Lượng chất bị hấp phụ Đơn lớp Đa lớp

Sự chọn lọc hấp phụ Có tính chọn lọc cao Không có tính chọn lọc

Sự phụ thuộc của nhiệt Thường xảy ra ở nhiệt Thường được tiến hành ở độ độ cao nhiệt độ thấp

Lực tương tác Lực liên kết hoá trị Lực liên kết Van Der Walls

Năng lượng hoạt hoá Lớn Gần như bằng không hấp phụ

Cân bằng hấp phụ và hoạt độ hấp phụ a) Cân bằng hấp phụ

Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch Các phân tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược lại pha mang càng lớn Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng

Một hệ hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ: q = f(T,P,C) b) Hoạt độ hấp phụ

Hoạt độ hấp phụ cân bằng là đại lượng biểu thị khối lượng của chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng của chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng, ở một nồng độ và nhiệt độ xác định Được đo bằng g/g; kg/kg; mol/g,…

Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Các mô hình hấp phụ đẳng nhiệt có ý nghĩa và vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của một mô hình hấp phụ Nó mô tả mối quan hệ giữa thể tích, chất bị hấp phụ và áp suất cân bằng của pha hơi.

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir: Khi thiết lập phương trình hấp phụ, Langmuir đưa ra các giả định sau:

- Bề mặt đồng nhất về năng lượng.

- Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử.

- Sự hấp phụ là thuận nghịch, có đạt được cân bằng hấp phụ.

- Tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ có thể bỏ qua

Theo Langmuir, trên bề mặt chất hấp phụ rắn có vùng lực hoá trị chưa bão hoà vì vậy tại đây sẽ hình thành trung tâm hấp phụ Giả định lực hấp phụ có bán kính tác dụng nhỏ, là lực có bản chất gần giống với lực hoá trị, nên mỗi trung tâm chỉ giữ một phân tử chất bị hấp phụ và trên bề mặt tạo ra một lớp đơn phân tử chất bị hấp phụ Các phân tử chất bị hấp phụ này chỉ tương tác với bề mặt chất hấp phụ, chứ không tương tác đến các phân tử khác.

Thuyết hấp phụ Langmuir được mô tả bởi phương trình: q = q max trong đó: q: hoạt độ hấp phụ ở thời điểm nào đó (mg/g) q max : hoạt độ hấp phụ cực đại (mg/g)

P: áp suất khí (Pa); k: hằng số (Pa -1 ) Phương trình

Thuyết Freundlich mô tả quá trình hấp phụ hoàn toàn dựa trên thực nghiệm Phương trình Freundlich được viết như sau: q = k.P 1/n trong đó: q: hoạt độ hấp phụ (mg/g) p: áp suất khí cân bằng trên chất hấp phụ (Pa) k,n: là các hằng số. Động học hấp phụ a) Một số khái niệm

- Tốc độ phản ứng hoá học: được đo bằng độ biến thiên nồng độ của các chất phản ứng (hay sản phẩm phản ứng) trong một đơn vị thời gian

Vật liệu hấp phụ

Các chất hấp phụ cần đạt các yêu cầu cơ bản:

- Có bề mặt riêng lớn.

- Có các mao quản đủ lớn để các phân tử hấp phụ đến được bề mặt, nhưng cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử xâm nhập, có tính chọn lọc

- Có thể hoàn nguyên dễ dàng

- Bền năng lực hấp phụ nghĩa là kéo dài thời gian làm việc.

- Đủ bền cơ để chịu được rung động và va đập.[4] Điểm chung của các chất hấp phụ được dùng trong công nghiệp đều xốp, có bề mặt riêng lớn, từ khoảng trăm mét vuông đến gần 2000m 2 tính trên 1g Ngày nay có rất nhiều loại vật liệu hấp phụ như than hoạt tính, silicagen, các polime hoạt tính, các zeolite, đất sét hoạt tính và các oxyt của kim loại mà điển hình là nhôm oxyt Cùng với cấu trúc xốp, mỗi loại có những đặc tính tạo nên những vùng ứng dụng hiệu quả riêng của từng loại Silicagel được sử dụng chủ yếu làm chất hút ẩm.Các oxyt SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 ,

… được dùng làm chất mang xúc tác hoặc là chất xúc tác.Các loại zeolit được sử dụng phổ biến trong các quá trình lọc, chế biến dầu khí

Việc lựa chọn chất hấp phụ sao cho quá trình hấp phụ đạt hiệu quả cao phụ thuộc vào chất bị hấp phụ Trong trường hợp này chất bị hấp phụ là hơi Toluen, có kích thước phân tử rất nhỏ, nồng độ thấp thì vật liệu có hệ vi mao quản nhỏ mới có khả năng hấp phụ chúng Trong các vật liệu kể trên thì than hoạt tính hoàn toàn phù hợp với việc xử lý hơi Toluen Bởi than hoạt tính có hệ thống vi mao quản rất phát triển Hơn nữa than hoạt tính rất dễ mua, dễ thay thế, chi phí thấp và khả năng hấp phụ lại cao hơn nhiều so với những nguyên liệu hấp phụ khác Có khả năng chịu nhiệt tốt, độ cứng ổn định nên rất ít hao hụt Nguyên liệu hoàn toàn từ thiên nhiên, dễ phân huỷ và thân thiện với môi trường

Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt

Cacbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lượng khoảng 85 – 95% Bên cạnh đó than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác như hidro, nito, 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 hoá và các quá trình khác Thành phần các nguyên tố trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1 – 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế

Bảng 1.2 Thành phần hoá học của than hoạt tính[6]

Than hoạt tính thường có diện tích bề mặt nằm trong khoảng

800 đến 1500m 2 /g và thể tích xốp từ 0.2 đến 0.6cm 3 /g Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2nm.

Than hoạt tính được chia làm nhiều loại khác nhau Dựa theo hình dạng, kích thước, và tính ứng dụng mà ta phân loại chúng thành các nhóm sau:

- Than hoạt tính dạng hạt: Là loại than có kích thước hạt lớn thường được sử dụng nhiều trong các quy trình xử lý nước, nước thải vì độ cố định của nó cao, ít bị rửa trôi.

- Than hoạt tính dạng vải: Là loại than có dạng vải hoặc tấm ép, chúng được xếp vào nhóm vật liệu than hoạt tính có hình dạng đặc biệt Nó có các tính chất và khả năng hấp phụ giống như than hoạt tính Than dạng vải được sản xuất từ các sợi polymer thiên nhiên hoặc tổng hợp Quy trình sản xuất than hoạt tính dạng sợi sử dụng các phương pháp tương tự như phương pháp chế tạo than hoạt tính dạng hạt

- Than hoạt tính dạng bột: Là loại than có dạng bột mịn, được sử dụng để xử lý hoá chất tổng hợp như sự cố tràn hoá chất và cũng là nguyên liệu trong các công thức làm đẹp da, làm trắng răng cực kỳ hiệu quả và đang rất phổ biến trên thị trường.

- Than hoạt tính dạng viên, viên nén: Đây là loại than có dạng hình trụ hoặc hình khối thường được sử dụng nhiều trong các bể lọc nước sinh hoạt hoặc trong công nghiệp. hình a hình c hình b hình d

Hình 1.2 Than hoạt tính dạng hạt (hình a); dạng vải (hình b); dạng bột

(hình c); dạng viên, viên nén (hình d) [7]

Cấu trúc hoá học của cacbon hoạt tính[6]

Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X, đã cho thấy cacbon hoạt tính được hợp thành từ những tinh thể nhỏ kiểu grafit 10 ÷ 30Å (1÷3nm) Các tinh thể kiểu grafit trong cacbon hoạt tính bao gồm những mặt phẳng 6 cạnh và sắp xếp không theo một trật tự nhất định Khoảng cách giữa các lớp khoảng 3,44 ÷ 3,65 Å (0,34÷0,36nm) và là lớn hơn so với ở grafit (0,335nm), chiều cao mỗi lớp tinh thể khoảng 1÷1,3nm Ngoài ra, trong cacbon hoạt tính còn chứa một phần cacbon vô định hình và các nguyên tố khác như oxy, hydro, nitơ,…

Cấu trúc xốp của cacbon hoạt tính.

Than hoạt tính có bề mặt riêng rất phát triển và thường được đặc trưng bằng cấu trúc siêu mao quản, tạo nên từ các lỗ với kích thước và hình dạng khác nhau.

Lỗ xốp của than hoạt tính có kích thước từ 1nm đến vài nghìn nm. Dubinin đề xuất một cách phân loại lỗ xốp đã được IUPAC chấp nhận.

Sự phân loại này dựa trên chiều rộng của chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạng ống. Các lỗ được chia thành 3 nhóm: lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn.

Hình 1.3 Cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính [8]

Lỗ nhỏ (Micropores) có bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 2nm Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích lỗ, và không xảy ra sự ngưng tụ mao quản Năng lượng hấp phụ trong các lỗ này lớn hơn rất nhiều so với lỗ trung hay bề mặt không xốp vì sự nhân đôi của lực hấp phụ từ các vách đối diện nhau của vi lỗ Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của than hoạt tính.

Lỗ trung (Mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển có bán kính hiệu dụng từ 2 đến 50 nm, thể tích của chúng thường từ 0.1 đến 0.2 cm 3 /g Diện tích bề mặt của lỗ này chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than Tuy nhiên, bằng phương pháp đặc biệt người ta có thể tạo ra than hoạt tính có lỗ trung lớn hơn, thể tích của lỗ trung đạt được từ 0.2 – 0.65cm 3 /g và diện tích bề mặt của chúng đạt 200m 2 /g Các lỗ này đặc trưng bằng sự ngưng tụ mao quản của chất hấp phụ với sự tạo thành mặt khum của chất lỏng bị hấp phụ

Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ của than hoạt tính bởi vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá 0.5m 2 /g Chúng có bán kính hiệu dụng lớn hơn 50nm và thường trong khoảng 500-2000nm với thể tích lỗ từ 0.2 – 0.4 cm 3 /g Chúng hoạt động như một kênh cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung

Cấu trúc hoá học của bề mặt than hoạt tính Môi trường chế tạo than hoạt tính luôn gắn liền với oxy khí quyển và hơi nước nên các liên kết hoá học hình thành trên bề mặt, được gọi là các nhóm chức bề mặt và tạo nên cấu trúc hoá học bề mặt của than hoạt tính

Phương pháp chế tạo than hoạt tính

Than hoạt tính được sản xuất từ than đá, than bùn, các vật liệu có nguồn gốc thực vật (gỗ, bã mía, rơm, rạ, gáo dừa, vỏ hạt,… ), các vật liệu có nguồn gốc động vật (xương, xác các loài động vật,….) Thời kỳ đầu của quá trình phát triển sản xuất thì hầu hết các quốc gia đều đi từ nguyên liệu có nguồn gốc thực vật: gỗ, các phế liệu dạng gỗ Với nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật thì quy trình công nghệ gồm hai công đoạn: Than hoá và hoạt hoá than

Than hoá nguyên liệu thực vật

Nguyên tắc của quá trình sản xuất than nguyên liệu thực vật là dùng nhiệt phân huỷ nguyên liệu trong điều kiện không có không khí Dưới tác dụng của nhiệt từ nhiệt độ thường tới 170℃ vật liệu khô đều; từ 170÷280℃, vật liệu bị phân huỷ theo những quá trình thu nhiệt, ở đây các hợp chất của nguyên liệu bị biến tính, giải phóng oxit-cacbon, khí cacbonic, axit axetic,… Tiếp theo từ

280÷380℃ xảy ra sự phân huỷ phát nhiệt giải phóng methanol, hắc ín,… Quá trình cacbon hoá xem như kết thúc ở khoảng 400÷600℃.

Sản phẩm rắn thu được là than với độ chắc giảm đi nhiều so với nguyên liệu ban đầu, nhưng hình dạng ngoài và cấu trúc dạng sợi thì vẫn giữ được Thành phần nguyên tố của than nguyên liệu thực vật ít phụ thuộc thành phần vật liệu và điều kiện than hoá mà chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ cuối của các quá trình chưng khô nguyên liệu Khi nhiệt độ than hoá tăng, thành phần cacbon trong than nguyên liệu thực vật tăng Ngược lại, nhiệt độ càng tăng hàm lượng hydro và oxy càng giảm, than thu được càng giàu cacbon do đó quá trình này còn có tên gọi khác là quá trình cacbon hoá

Trong quá trình than hoá, các nguyên tử cacbon được giải phóng, tập hợp thành tinh thể cơ bản dạng graphit và than vô định hình Tuy nhiên sự sắp xếp tinh thể trong mạng lưới than không hoàn toàn đều đặn như trong graphit mà có những khe, rãnh và những khoảng trống trong than, tổng không gian rỗng được tạo ra trong than trong quá trình than hoá chính là độ xốp sơ cấp của than Tuy than đã có độ xốp nhưng chúng lại bị lấp đầy bằng các sản phẩm nhiệt phân như: hắc ín, methanol, dầu,… vì vậy khả năng hấp phụ của than bị giảm, dung tích hấp phụ nhỏ Cho nên muốn có dung tích hấp phụ lớn cần phải hoạt hoá nó để tạo nên độ xốp thứ cấp cũng là cấu trúc rỗng cuối cùng của than hoạt tính

Hoạt hoá than nguyên liệu:

Mục đích của quá trình hoạt hoá là tiến hành phản ứng chuyển hoá một phần cacbon bằng các tác nhân oxy hoá thích hợp nhằm giải phóng độ xốp sơ cấp có sẵn trong cacbon, đồng thời tạo thêm lỗ xốp thứ cấp, làm cho phần vật liệu cacbon còn lại có độ xốp cao với bề mặt riêng lớn Người ta phân quá trình hoạt hoá các vật liệu chứa cacbon thành hai loại hình là hoạt hoá hoá học hoặc bằng hơi nước

Có hai phương pháp hoạt hoá được áp dụng trong quá trình này, đó là:

- Phương pháp hoạt hoá hoá học

- Phương pháp hoạt hoá hoá lý. a) Phương pháp Hoá học và tác nhân hoạt hoá ZnCl 2

ZnCl 2 là muối vô cơ được lựa chọn làm tác nhân hoạt hoá bởi đây là chất khử hydrat hoá mạnh, đồng thời chất này còn bảo vệ cho than không bị cháy

Do hút ẩm mạnh và tạo muối trong axit, dung dịch ZnCl 2 đậm đặc có khả năng phân huỷ các vật liệu xenlulozo, một số kết quả về việc nghiên cứu sử dụng ZnCl 2 làm tác nhân hoạt hoá để chế tạo than hoạt tính

Vai trò các tác nhân có thể đã làm là thoái biến các phân tử xeluloza, bằng phản ứng khử nước, phản ứng oxy hoá,… Các tác nhân hoá học đã phá vỡ các liên kết ngang, làm cho các phân tử xenluloza khử đồng phân hoá, thậm chí làm thay đổi bản chất hoá học của xenluloza.

Công nghệ chế tạo than hoạt tính theo phương pháp hoạt hoá hoá học gồm tẩm tác nhân hoạt hoá vào nguyên liệu sau đó nung nguyên liệu đã tẩm bằng lò nung trong điều kiện không có không khí Độ đậm đặc của dụng dịch tẩm, tỷ lệ giữa lượng chất dùng làm tác nhân hoạt hoá đối với nguyên liệu, nhiệt độ nung và thời gian nung cần được xác định cho thích hợp đối với từng trường hợp một

Thông thường hoạt hoá hoá học được thực hiện ở những nhiệt độ 400℃ ÷ 1000℃, đối với ZnCl 2 thì nhiệt độ tối ưu là 500℃ ÷ 700℃ Tỷ số giữa khối lượng chất hoạt hoá hoá học đối với lượng khô vật liệu được tẩm có ảnh hưởng lớn lên độ xốp của than thành phẩm Chính thể tích muối vô cơ nằm trong vật liệu bị than hoá chính là thể tích lỗ xốp do muối để lại sau khi nó bị hoà tan để tách đi. b) Phương pháp hoá lý

Quá trình hoạt hoá hoá lý còn được gọi là hoạt hoá “bằng khí” Về bản chất, đó là quá trình tiến hành phản ứng oxy hoá một phần cacbon trong các vật liệu chứa cacbon bằng các tác nhân oxy hoá dạng khí khác nhau như hơi nước, khí cacbonic, khí oxy,… Phần còn lại của vật liệu sẽ là sản phẩm chính của quá trình – cacbon hoạt tính với độ xốp cao và về mặt bên trong phát triển Các tác nhân hoạt hoá đã và đang sử dụng phổ thông trong công nghiệp là hơi nước và khí CO 2 Bởi vì, phản ứng giữa cacbon với khí O 2 xảy ra nhanh gấp 100 lần so với khí CO 2 và gấp 10 lần so với hơi H 2 O do đó sử dụng khí O 2 làm tác nhân hoạt hoá sẽ rất khó khống chế lượng khí O 2 cần thiết

Quá trình hoạt hoá bằng hơi nước hoặc CO 2 được diễn ra thông qua phản ứng oxy hoá ở nhiệt độ cao (800 – 1000℃) Trong quá trình oxy hoá, một số nguyên tử cacbon bị đốt cháy thành CO, CO 2 Khí này bay đi để lại chỗ trống, đây chính là cơ chế tạo ra độ xốp.

- Phản ứng xảy ra khi tác nhân hoạt hoá là CO 2 : C + CO 2 → 2CO↑

- Khi tác nhân là hơi nước ( H 2 O): C + H 2 O → CO + H 2 ↑

Biến tính bề mặt than hoạt tính bằng dung dịch axit, bazo

Cấu trúc lỗ của than hoạt tính thay đổi được là dựa vào phương pháp than hoá và hoạt hoá, tuy nhiên phương pháp này không làm thay đổi các nhóm chức bề mặt Số lượng và các loại nhóm chức bề mặt khác nhau chiếm ưu thế trên bề mặt phân cực của than hoạt tính, điều này làm ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ hơi Toluen Vì vậy cần biến tính bề mặt than hoạt tính bằng quá trình oxy để thay đổi bề mặt than và làm giảm tính ưa nước của than Than hoạt tính được biến tính bằng kiềm cho diện tích bề mặt riêng tăng, ngoài ra còn làm tăng tính kỵ nước của than thích hợp để hấp phụ hơi Toluen Than hoạt tính được biến tính bằng axit làm tăng các nhóm chức bề mặt.

Cấu trúc của đề tài

Đề tài nghiên cứu các nội dung sau:

1 Khảo sát khả năng hấp phụ hơi Toluen trên than hoạt tính ở các nhiệt độ khác nhau.

2 Xây dựng mô hình đẳng nhiệt hấp phụ phù hợp với quá trình.

3 Xây dựng mô hình động học hấp phụ phù hợp với quá trình.

4 Nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng dung dịch NaOH; H 2 SO 4 ở các điều kiện khác nhau.

5 Khảo sát khả năng hấp phụ hơi Toluen ở các nhiệt độ khác nhau trên than hoạt tính dạng vải

Chương 2: sẽ đề cập đến mô hình thí nghiệm và quy trình tiến hành thí nghiệm Chương 3: sẽ trình bày và khai thác các số liệu thực nghiệm thu được

Chương 4: sẽ đánh giá chung kết quả của đề tài cũng như đưa ra một số phương hướng để phát triển trong tương lai.

THỰC NGHIỆM

Thiết bị và hoá chất nghiên cứu

Sơ đồ thiết bị hấp phụ dòng khí N 2 /Toluen

Sơ đồ thiết bị hấp phụ dòng khí N 2 /Toluen được lắp đặt như trong Hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm

4 : Hộp đựng than hoạt tính dạng viên nén

Quy trình hấp phụ được tiến hành theo tuần tự các bước sau:

Bước 1: Làm sạch hệ thống bằng khí N 2 trong khoảng thời gian 60 phút.

- Mở bình khí N 2 với áp suất làm việc P = 2(bar).

- Hệ thống được làm sạch bằng khí N 2 với lưu lượng Q = 0,2 (l/phút), được điều chỉnh bằng lưu lượng kế Q 3

- Dòng phát thải của quá trình này sẽ được hấp phụ ở bình chứa than hoạt tính dạng viên nén rồi đi ra ngoài môi trường.

Bước 2: Chuẩn bị cột hấp phụ

Cân 0.2g than dạng hạt đã được nghiền, sau đó tiến hành nhồi than vào cột hấp phụ.

Bước 3: Sấy vật liệu bằng khí N 2 Đóng van V-4; mở van V-3 Dòng khí đi vào cột hấp phụ với các thông số đầu vào như sau:

- Lưu lượng khí: Q = 0,2 (l/phút) được điều chỉnh bằng lưu lượng kế Q 3

- Áp suất làm việc P = 2 (bar)

- Nhiệt độ dòng khí t = 20 (độ C)

Sau khi sấy bằng khí với thời gian là 60 phút ta tiến hành đi cân và ghi lại khối lượng của cột hấp phụ.

Bước 4: Tạo dòng ổn định N 2 chứa Toluen ở các nhiệt độ khác nhau. Với mục đích tạo dòng ổn định N 2 chứa Toluen ở các áp suất hơi bão hoà khác nhau để nghiên cứu sự thay đổi của hoạt độ hấp phụ q theo

P bh nhằm thiết lập mối quan hệ q = f(P) Mà áp suất hơi bão hoà và nhiệt độ có mối liên hệ với nhau thông qua phương trình Antonie cho nên ta sục khí N 2 vào bình chứa Toluen ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau.

- Ta tiến hành sục khí N 2 vào bình chứa dung môi Toluen nguyên chất

- Muốn tạo hơi Toluen ở nhiệt độ mà ta mong muốn thì ta điều chỉnh nhiệt độ thông qua bình đựng đá (3), và duy trì nhiệt độ đó với sai số là ∆t = ± 2℃ (giả thiết rằng: nhiệt độ bình đá bằng nhiệt độ bình sục chứa dung môi Toluen).

- Đóng van V-3; mở van V-4; điều chỉnh lưu lượng kế Q 3 = 0 (l/phút) Tiến hành mở van V-1; V-2.

- Dòng khí N 2 đi vào bình sục Toluen, điều chỉnh lưu lượng khí N 2 bằng lưu lượng kế Q 2 , với mức giá trị là 60(ml/phút) Thời gian sục khí t = 10÷15(phút).

Bước 5: Tiến hành quá trình hấp phụ

Dòng khí N 2 chứa Toluen được ổn định ta tiến hành quá trình hấp phụ trên than hoạt tính Cứ 10 phút ta đi cân cột hấp phụ, quá trình diễn ra lặp đi lặp lại cho đến khi nào khối lượng cột không đổi.

Khi tiến hành thí nghiệm ta cần chú ý:

- Thường xuyên kiểm tra rò rỉ khí tại các mối nối

- Kiểm tra hệ thống van khi vận hành

- Kiểm tra lưu lượng kế hoạt động có ổn định không?

Hình 2.2 Hệ thống hấp phụ tại phòng thí nghiệm

Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm

- 2 bình tam giác dung tích 500 ml

- 2 bình định mức dung tích 250 ml

- Cốc có mỏ dung tích: 20ml; 250ml; 500ml

- Ống đong có dung tích 100ml

- Phễu lọc Buchner bằng sứ ; bình lọc thuỷ tinh; nhiệt kế thuỷ ngân

Hoá chất và nguyên liệu

- Than hoạt tính dạng hạt của công ty Than hoạt tính Toàn Cầu kích thước hạt từ 0,5mm đến 1mm.

- Than hoạt tính dạng vải.

Hình 2.3 Than hoạt tính dạng hạt(hình a); dạng vải (hình b)

Quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu

Làm sạch than hoạt tính

Do than hoạt tính được sản xuất trên quy mô công nghiệp nên không tránh khỏi than hoạt tính bị nhiễm bẩn, nhiễm bụi nên cần phải được làm sạch bề mặt trước khi ta tiến hành biến tính vật liệu.

Trước tiên ta cân = 200(g) than hoạt tính, đun sôi với nước cất trong 2h Sau 2h đun sôi thì đem vật liệu đi rửa lại nước cất đến khi nước ra sạch màu Tiếp đến ta sấy khô vật liệu ở 105℃ trong 4h Sau khi sấy xong ta tiến hành để nguội và đóng gói kín, bọc gói bằng gói hút ẩm.

Biến tính vật liệu a) Chuẩn bị dung dịch biến tính

Pha chế H 2 SO 4 98% thành dung dịch có thể tích 250ml với nồng độ lần lượt là 1M; 10M theo trình tự các bước sau:

Bước 1: Tính thể tích H 2 SO 4 nguyên chất cần dùng để pha chế được dung dịch có nồng độ 1M.

Với C M (H 2 SO 4 ) = 1M (mol/l) ; V dung dịch = 250 ml = 0,25 (l) nH 2 SO 4 = C M *V dung dịch = 1*0,25 = 0,25 (mol) mH 2 SO 4 = nH 2 SO 4 *M H2SO4 = 0,25*98 = 24,5(g)

Mà ta có công thức tính C% = ấ ị *100 (*)

Thay giá trị mH 2 SO 4 = m(chất tan) = 24,5 (g) vào (*); C%(H 2 SO 4 ) = 98% m dung dịch = , ∗ % = 25 (g)

Ta lại có công thức d =

( ) trong đó d là khối lượng riêng (g/cm 3 )

Tỷ trọng H 2 SO 4 có d=1,84(g/cm 3 )

, ≈ 14 (ml) Lượng nước cất cần dùng để pha được 250ml dung dịch H 2 SO 4 1M

Bước 2: Tiến hành pha dung dịch Đổ từ từ 14ml H 2 SO 4 đặc nóng vào cốc chứa 236 ml nước cất Do phản ứng toả nhiệt nên cần làm mát cốc chứa nước cất bằng đá viên.

Bước 3: Thực hiện trình tự các bước tương tự với việc pha chế dung dịch H 2 SO 4 = 10M Dưới đây là bảng tổng kết lượng nước cất, lượng

H 2 SO 4 cần dùng đối với việc 250ml dung dịch ở các nồng độ khác nhau:

250 ml dung dịch H 2 SO 4 nồng độ 1M 10M

Pha 250ml dung dịch NaOH 1M; 10M

Bước 1: Tính toán lượng NaOH cần thiết để pha 250ml dung dịch

NaOH 1M Với C M NaOH = 1M ; V dung dich NaOH = 250 ml

Mà n NaOH = C M *V n NaOH = 0,25*1 = 0,25 (mol) M NaOH = 0,25*40 =

Bước 2: Tiến hành pha dung dịch: Hoà tan hoàn toàn 10g NaOH bằng

100ml nước cất Tiếp đến cho dung dịch vào bình đựng mức 250ml và tiếp tục thêm nước cất cho tới khi dung dịch đạt thể tích 250ml.

Bước 3: Tiếp tục lặp lại các bước khi tiến hành pha 250ml dung dịch NaOH nồng độ 10M. b) Biến tính bề mặt than hoạt tính bằng dung dịch H 2 SO 4 /NaOH

Chuẩn bị dung dịch biến tính: H 2 SO 4 (1M hoặc 10M); NaOH(1M hoặc 10M)

Cho 10g than đã làm sạch vào 250ml dung dịch, sau đó đun sôi ở 30 độ C hoặc

70 độ C có khuấy từ trong 6h Sau 6h đun than trong dung dịch ta tiến hành lọc, rửa sạch bằng 1 lượng lớn nước cất, rửa 10 lần với nước cất, mỗi lần rửa

250ml nước cất Để thuận tiện cho việc đánh giá, so sánh mẫu vật liệu trước và sau khi biến tính có gì vượt trội thì ta đánh dấu các mẫu như sau:

- Mẫu vật liệu chỉ rửa bằng nước cất và sấy: A0

- Mẫu vật liệu được biến tính ở 30℃ và 70℃ được đánh dấu mẫu như trong bảng dưới đây:

Phương pháp nghiên cứu a) Phương pháp trọng lượng

Phương pháp được dựa trên cơ sở cho rằng, cân bằng luôn đạt được giữa pha khí và lớp hấp phụ, lý thuyết này đúng trong trường hợp lượng chất đưa vào hệ với một lưu lượng rất bé Phương pháp này cho phép ta nhận được một số lượng lớn các điểm thực nghiệm, do đó giúp ta thuận lợi trong việc xử lý toán học.

Lượng chất hấp phụ được đo bằng cân vi lượng (microbalance).

Cân phải được chế tạo thật đối xứng để giảm càng nhiều càng tốt các ảnh hưởng do tác động của các lực Archimede và sóng điện từ. Ưu điểm của phương pháp trọng lượng là độ nhạy lớn Nó cho phép theo dõi liên tục trọng lượng của mẫu trong suốt quá trình khử hấp phụ sơ bộ và sau đó là quá trình hấp phụ Nhược điểm chính của phương pháp này là thiếu sự tiếp xúc tốt giữa mẫu ở trong bình đo và bộ phân điều hoà nhiệt độ, do đó có thể có sự chênh lệch nhiệt độ đo và nhiệt độ hấp phụ thực trong mẫu và gây nên sai số.[6]

Lượng chất hấp phụ sẽ được tính theo công thức sau:

Trong đó: Q t là lượng than hấp phụ được ở thời điểm t (mg/g)

W t ; W 0 : lượng than hấp phụ hơi tại thời điểm t, và thời điểm ban đầu (mg)

W(GAC): là lượng than đem hấp phụ (g) b) Phương pháp tính toán

Ta nghiên cứu mô hình đẳng nhiệt hấp phụ q = f(P) nhằm mô tả mối quan hệ giữa hoạt độ hấp phụ q và áp suất hơi bão hoà P của chất bị hấp phụ Vì vậy ta cần xác định áp suất hơi bão hoà P của Toluen ở các nhiệt độ khác nhau

Sử dụng phương trình Antoine để xác định áp suất hơi củaToluen ở các nhiệt độ khác nhau: log ( ) = A – [B/(T + C)]

Trong đó P: áp suất hơi bão hoà (bar)

T: nhiệt độ (K) A; B; C: là các hằng số cụ thể theo thành phần[10]

Tra cứu các thông số A ; B ; C trên trang web có tên Vacuubrand

Cấu tử A B C Dải nhiệt độ (K)

Toluen 4,14157 1377,578 -50,507 273-323 Phương trình Langmuir được mô tả bởi phương trình: q = q max

Biến đổi phương trình bằng cách lấy P chia cho cả 2 vế ta được phương trình sau:

Nhận thấy phương trình Langmuir sau biến đổi có dạng giống với phương trình y = ax+b Ta đặt y = ; x = P ; a = ; b = ∗

Dựa vào số liệu thực nghiệm của p và q xây dựng đồ thị với trục tung là P/q e , trục hoành là P ta sẽ có một đường tuyến tính, từ đó xác định được giá trị của q max và k

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

Từ phương trình trên ta ln hai vế thì phương trình trở thành: ln(q e ) = ln (k) + (1/n) *ln(P) Sau khi biến đổi ta thu được dạng của phương trình y = ax+b. Với ln(q e ) = y; ln(P) = x ; 1/n = a ; ln(k) = b Dựa vào số liệu thực nghiệm, ta xây dựng đồ thị với trục tung: ln(q e ); trục hoành: ln(P), từ đó ta sẽ xác định được các hằng số k và tỉ số 1/n Với đồ thị này ta sẽ dự đoán được độ hấp phụ ở những giá trị p xác định.

Phương trình động học biểu kiến bậc nhất:

Sau khi lấy tích phân 2 vế với các điều kiện biên t = 0 đến t = t và q t = 0 đến q t = q t , dạng tích phân của phương trình trở thành: ln(q e – q t ) = lnq e – k 1 t

Nếu tốc độ hấp phụ tuân theo quy luật động học bậc nhất biểu kiến, đường biểu diễn ln(q e – q t ) theo t sẽ là đường thẳng, từ đó k 1 và q e có thể được xác định từ độ dốc và giao điểm của đường hồi quy tuyến tính với trục tung

Phương trình động học biểu kiến bậc hai:

Với các điều kiện biên t = 0 đến t = t và q t = 0 đến q t = q t , phương trình trên có dạng tích phân sau:

Tiếp tục biến đổi phương trình:

Sau khi biến đổi phương trình có dạng tuyến tính:

Nếu sự hấp phụ tuân theo động học biểu kiến bậc hai, đồ thị biểu diễn quan hệ t/q t theo t của phương trình sẽ là đường thẳng, từ đó q e , k 2 có thể được xác định từ độ dốc và giao điểm của đường hồi quy tuyến tính với trục tung.

KẾT QUẢ

Nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng dung dịch NaOH ; H 2 SO 4 trong các điều kiện khác nhau

H 2 SO 4 trong các điều kiện khác nhau. Ở mục 3.2 ta nhận thấy được, nhiệt độ sục khí ở 15℃ cho khả năng hấp phụ đạt hoạt độ cao nhất, dòng khí N 2 /Toluen được tạo ra ổn định nhất nên ở mục 3.3 này ta thực hiện các thí nghiệm ở cùng 1 điều kiện là nhiệt độ sục khí = 15℃

Muốn so sánh khả năng hấp phụ khí N 2 /Toluen trên than hoạt tính trước và sau biến tính có sự thay đổi rõ rệt như thế nào về hoạt độ hấp phụ thì ta cần khảo sát khả năng hấp phụ khí trên mẫu than hoạt tính chỉ rửa sạch bằng nước nhằm làm tiêu chuẩn để so sánh khả năng hấp phụ hơi trên các mẫu than đã được biến tính.

Than hoạt tính sau khi được đun sôi trong 2h, sau đó được rửa sạch bằng nước cất rồi sấy khô ở nhiệt độ 105℃ trong 4h thì đem đi đập, nghiền nhỏ than để sử dụng Đánh dấu mẫu này là mẫu A0

Ta tiến hành cân 0,2 g mẫu đã được nghiền nhỏ, rồi ta đem nhồi vào cột hấp phụ Tiếp đến ta sấy vật liệu bằng khí N 2 trong 60 phút Sau đó tiến hành quá trình hấp phụ với lưu lượng khí sục q = 60(ml/min).

Quá trình hấp phụ kết thúc khi khối lượng cột hấp phụ không thay đổi, ta thu các giá trị thực nghiệm đã được xử lý ở dưới bảng đây:

Bảng 3.5 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A0

Khối lượng cột Hoạt độ hấp

Thời gian t hấp phụ Lượng than hoạt tính hấp phụ

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch biến tính tới khả năng hấp phụ của than hoạt tính.

Biến tính than hoạt tính bằng dung dịch NaOH ; H 2 SO 4 ở các nồng độ khác nhau nhưng cùng một nhiệt độ biến tính là 30℃. a) Khảo sát khả năng hấp phụ hơi của than hoạt tính được biến tính bằng dung dịch NaOH ở nồng độ 1M ; 10M

Vật liệu được biến tính bằng dung dịch NaOH 1M ở nhiệt độ 30℃ Sau 6h biến tính ta đem lọc, rửa than bằng nước cất rồi sấy khô ở 105℃ Sau khi sấy khô vật liệu xong ta đem đập, nghiền vật liệu Đánh dấu mẫu vật liệu này là A11

Thực hiện tương tự, biến tính vật liệu bằng dung dịch NaOH có nồng độ 10M Mẫu vật liệu này ta ký hiệu là A12

Sau khi thực hiện quá trình hấp phụ khí N 2 /Toluen trên hai mẫu vật liệu này ta thu được 2 bảng số liệu dưới đây:

Bảng 3.6 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian ở mẫu A11

Khối lượng cột hấp Hoạt độ

Thời gian phụ Lượng than hoạt tính hấp phụ

Lập bảng so sánh khả năng hấp phụ của hai mẫu A11 và A12

So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu A0,A11,A12

So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu

Hình 3.10 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của các mẫu A0; A11; A12

Từ biểu đồ ta nhận thấy khả năng hấp phụ khí N 2 /Toluen trên các mẫu được biến tính bằng NaOH ở nồng độ 1M và 10M có sự thay đổi Cả hai mẫu A11 và A12 đều có hoạt độ hấp phụ thấp hơi so với mẫu ban đầu (A0)

Mẫu A11 có hoạt độ bằng 0,281(g/g) so với mẫu ban đầu (A0) 0,287(g/g) thì than sau khi biến tính có hoạt độ hấp phụ giảm 2,09%. Mẫu A12 có hoạt độ bằng 0,244(g/g) so với mẫu ban đầu (A0) 0,287(g/g) thì than sau khi biến tính có hoạt độ hấp phụ giảm 14,98%

Ta có thể nhận thấy rằng, nồng độ dung dịch biến tính có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hấp phụ hơi Toluen Dung dịch NaOH loãng hay đặc thì đều cho khả năng hấp phụ hơi thấp. b) Khảo sát khả năng hấp phụ hơi của than hoạt tính được biến tính bằng dung dịch H 2 SO 4 ở nồng độ 1M; 10M

Vật liệu được biến tính bằng dung dịch H 2 SO 4 ở nhiệt độ 30℃ Sau 6h biến tính ta đem lọc, rửa than bằng nước cất rồi sấy khô ở 105℃ Sau khi sấy khô vật liệu xong ta đem đập, nghiền vật liệu Đánh dấu mẫu vật liệu này là A21

Thực hiện tương tự, biến tính vật liệu bằng dung dịch H 2 SO 4 có nồng độ 10M Mẫu vật liệu này ta ký hiệu là A22

Sau khi thực hiện quá trình hấp phụ khí N 2 /Toluen trên hai mẫu vật liệu này ta thu được 2 bảng số liệu dưới đây:

Khối lượng cột hấp Khối lượng than Hoạt độ hấp

Thời gian t phụ hoạt tính phụ

Khối lượng cột hấp Khối lượng than Hoạt độ hấp

Thời gian t phụ hoạt tính phụ

Lập bảng so sánh khả năng hấp phụ của các mẫu

So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu A0,A21,A22

So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu

Khả năng hấp phụ hơi của các mẫu đều giảm phụ thuộc vào nồng độ dung dịch H 2 SO 4

Mẫu A21 có hoạt độ bằng 0,278 (g/g) so với mẫu ban đầu (A0) 0,287 (g/g) thì than sau khi biến tính có hoạt độ hấp phụ giảm 3,13%.

Mẫu A22 có hoạt độ bằng 0,222 (g/g) so với mẫu ban đầu (A0) 0,287(g/g) thì than sau khi biến tính có hoạt độ hấp phụ giảm 22,64%.

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch biến tính đến khả năng hấp phụ hơi trên than hoạt tính.

Từ những kết quả nghiên cứu ở mục 3.3.2 thì ta thấy nồng độ của dung dịch biến tính ảnh hưởng rất lớn tới khả năng hấp phụ khí

N 2 /Toluen Cụ thể là nồng độ dung dịch càng cao (10M) thì khả năng hấp phụ khí N 2 /Toluen trên than hoạt tính càng giảm Vậy câu hỏi đặt ra là trong điều kiện biến tính, dung dịch vẫn ở 10M nhưng tăng nhiệt độ lên thì khả năng hấp phụ hơi trên than hoạt tính sẽ như thế nào?

Ta tiếp tục tiến hành thí nghiệm biến tính vật liệu bằng dung dịchNaOH/H 2 SO 4 ở nồng độ 10M nhưng nhiệt độ dung dịch từ 30 ℃ được thay đổi bằng 70℃ với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến khả năng hấp phụ khí N 2 /Toluen trên than hoạt tính. a) Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ dung dịch biến tính NaOH 10M ở 70℃ Vẫn giữ nguyên thao tác thực hiện biến tính, điều kiện biến tính chỉ thay đổi duy nhất thông số nhiệt độ dung dịch mà thôi Mẫu vật liệu sau khi biến tính được đánh dấu là A13 Sau khi tiến hành hấp phụ trên mẫu A13 ta thu được bảng số liệu dưới đây:

So sánh khả năng hấp phụ các mẫu A0; A12; A13

Hình 3.12 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ các mẫu A0; A12; A13

Nhận xét: Mẫu A13 được biến tính ở 70℃ có hoạt độ hấp phụ bằng

0,257(g/g) so với mẫu A12 được biến tính ở 30℃ có hoạt độ hấp phụ bằng

0,244 (g/g) tăng 5,05% Điều này chứng tỏ mẫu phải được biến tính ở nhiệt độ cao, phản ứng giữa NaOH và nhóm chức bề mặt cacbon-oxi mới xảy ra, hàm lượng oxy trên bề mặt than mới giảm vì vậy khả năng hấp phụ hơi trên mẫu này sẽ tăng b) Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ dung dịch biến tính H 2 SO 4 10M ở 70℃ Vẫn giữ nguyên thao tác thực hiện biến tính, điều kiện biến tính chỉ thay đổi duy nhất thông số nhiệt độ dung dịch mà thôi Mẫu vật liệu sau khi biến tính được đánh dấu là A23.

Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của các mẫu

Nhận xét: Mẫu A23 có hoạt độ hấp phụ bằng 0,231 (g/g) so với mẫu A22 có hoạt độ hấp phụ bằng 0,222(g/g) tăng 0,9% chỉ tăng nhẹ, tăng không đáng kể Điều này cũng chứng minh rằng biến tính bằng dung dịch H 2 SO 4 không chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

Khảo sát khả năng hấp phụ hơi Toluen trên than hoạt tính dạng vải ở các nhiệt độ khác nhau

vải ở các nhiệt độ khác nhau.

Với mục đích so sánh hiệu quả làm việc của các dạng than hoạt tính khác nhau, thí nghiệm hấp phụ động được tiến hành với mẫu than hoạt tính dạng vải trong những điều kiện tương tự như mẫu than hoạt tính gáo dừa

Cụ thể, ta tiến hành cắt mẫu thành các sợi nhỏ, đem cân 0,2g mẫu

Sau đó nhồi mẫu vào cột hấp phụ Tiếp theo, ta tiến hành sấy trong 60 phút, sau khi sấy xong thì ta hấp phụ khí N 2 /Toluen trên mẫu này Các thông số làm việc của quá trình sấy và hấp phụ tương tự như mục 3.1.Thực hiện hấp phụ khí N 2 /Toluen trên mẫu này ở các nhiệt độ sục khí khác nhau Để thuận tiện cho việc phân tích và so sánh mẫu than hoạt tính dạng hạt và dạng vải, ta đánh dấu mẫu than lần lượt là: mẫu 01 đối với than dạng hạt; mẫu 02 đối với than dạng vải Sau khi hấp phụ khí

N 2 /Toluen trên mẫu 02 ta thu được các kết quả đo hoạt độ hấp phụ ở các nhiệt độ khác nhau Và được trình bày trong các bảng dưới đây.

Bảng 3.12 Hoạt độ hấp phụ của mẫu số 02 ở 5℃

STT Thời gian t Khối lượng cột Lượng than hoạt tính hấp Hoạt độ hấp

(phút) hấp phụ phụ W t (g) phụ m(g) (g/g)

STT Thời gian t Khối lượng cột Lượng than hoạt tính hấp Hoạt độ hấp

Thời gian t Khối lượng cột Lượng than hoạt tính hấp Hoạt độ hấp

Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ mẫu số 01 và mẫu số 02

Hình 3.14 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của mẫu số 01 và mẫu số 02

Nhận xét: Ở nhiệt độ sục khí là 5℃ mẫu số 02 có hoạt độ hấp phụ tăng

14,19% so với mẫu số 01 Nhiệt độ sục khí là 10℃ mẫu số 02 có hoạt độ hấp phụ tăng 21,28% so với mẫu số 01 Nhiệt độ sục khí là 15℃ mẫu số

02 có hoạt độ hấp phụ tăng 5,76% so với mẫu số 01 Nhiệt độ sục khí là

20℃ mẫu số 02 có hoạt độ hấp phụ tăng 17,55% so với mẫu số 01.

Các kết quả trên cho thấy rằng mẫu than hoạt tính dạng vải có hiệu quả tốt hơn mẫu than hoạt tính gáo dừa truyền thống Với khối lượng riêng nhẹ và độ linh động cao, than hoạt tính dạng vải có tiềm năng lớn trong việc sử dụng vào thiết bị lọc gọn nhẹ, dễ thay thế và bảo trì.

Định dạng
Số trang	59
Dung lượng	1,59 MB