Nghiên cứu sản xuất than hoạt tính dạng vải dùng làm vật liệu lọc độc

So với than hoạt tính dạng bột và dạng hạt thì than hoạt tính dạng vải có các ưu điểm nổi bật sau: - Có tốc độ hấp phụ cao hơn, dung lượng hấp phụ lớn hơn nên có thời gian lọc độc nhanh

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ QUỐC PHÒNG

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH DẠNG VẢI

DÙNG LÀM VẬT LIỆU LỌC ĐỘC

MÃ SỐ: KC.06.17/06-10

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Hùng Phong

8503

Hà Nội - 2010

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ QUỐC PHÒNG

CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH DẠNG VẢI

DÙNG LÀM VẬT LIỆU LỌC ĐỘC

MÃ SỐ: KC.06.17/06-10 Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài

Mục lục TrangDanh môc c¸c ký hiÖu, c¸c ch÷ viÕt t¾t

1.3 C¬ së lý thuyÕt hÊp phô trªn v¶i than ho¹t tÝnh 10

1.3.2 ThuyÕt BET (Brunauer - Emmet - Teller) 11 1.3.3 ThuyÕt hÊp phô ë ¸p suÊt cao - ph−¬ng tr×nh Kelvin 12 1.4 ChÕ t¹o than ho¹t tÝnh d¹ng h¹t, d¹ng bét 13

1.5.1 T×nh h×nh nghiªn cøu chÕ t¹o v¶i than ho¹t tÝnh trªn thÕ giíi 17

1.5.2 T×nh h×nh nghiªn cøu chÕ t¹o v¶i than ho¹t tÝnh ë ViÖt Nam 35

Ch−¬ng II §èi t−îng vµ ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu 48

2.2 Phương pháp nghiên cứu 48

Chương III Nội dung khoa học công nghệ đã thực hiện 53

3.1 Khảo sỏt, nghiờn cứu cụng nghệ chế tạo than hoạt tớnh dạng vải

Hợp tỏc quốc tế nắm vững, làm chủ cụng nghệ

53

3.1.1 Cụng việc 1: Tổng kết, phõn tớch đỏnh giỏ cỏc kết quả nghiờn

cứu đó cú Nghiờn cứu, chế tạo thử nghiệm sản phẩm trờn thiết bị

phũng thớ nghiệm

53

3.1.1.1 Tổng kết, phõn tớch cỏc kết quả nghiờn cứu đó cú 53

3.1.1.3 Nghiờn cứu chế tạo thử nghiệm vải than hoạt tớnh trong phũng

thớ nghiệm

58

3.1.2 Cụng việc 2: Khảo sỏt khả năng chế tạo vải than hoạt tớnh từ sợi

tự nhiờn Việt Nam

64

3.1.3 Cụng việc 3: Hợp tỏc quốc tế, học tập cụng nghệ chế tạo vải

than hoạt tớnh

66

3.2 Thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị qui mụ pilot 69

3.3 Nghiờn cứu nắm vững làm chủ cụng nghệ chế tạo than hoạt tớnh

3.3.4 Xỏc lập cụng nghệ chế tạo và chế thử, kiểm tra, đỏnh giỏ chất

lượng sản phẩm vải than hoạt tớnh

85

3.3.4.1 Xõy dựng cụng nghệ chế tạo 85 3.3.4.2 Chế thử và kiểm tra, đỏnh giỏ chất lượng 85

3.4 Chế tạo thử nghiệm một số sản phẩm ứng dụng 97

3.4.1 Giới thiệu chung 97

3.4.2 Chế tạo vật liệu phòng da kiểu lọc - hấp phụ 98

3.4.3 Chế tạo hộp lọc độc quân sự 101

3.4.4 Chế tạo bán mặt nạ phòng độc công nghiệp 109

3.4.5 Chế tạo khẩu trang phòng độc công nghiệp 115

4.1 Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm vải than hoạt tính trong phòng thí

nghiệm

118

4.2 Hợp tác quốc tế, học tập công nghệ chế tạo vải than hoạt tính 120

4.3.1 Chế tạo hệ thống thiết bị qui mô pilot 121

4.3.4 Chế tạo hộp lọc độc quân sự 124

4.3.5 Chế tạo bán mặt nạ phòng độc công nghiệp 124

4.3.6 Chế tạo khẩu trang phòng độc công nghiệp 125

4.7 Tác động đối với kinh tế, xã hội và môi trường 126

Tài liệu tham khảo 130

DANH MỤC CÁC Kí HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

P - áp suất hơi chất bị hấp phụ (mmHg)

PS - áp suất hơi bão hòa chất hấp phụ (mmHg)

v - Thể tích mol chất bị hấp phụ

W - Thể tích không gian hấp phụ (cm3/g)

Wo - Thể tích không gian hấp phụ giới hạn (cm3/g)

β - Hệ số tương đương

T - Nhiệt độ tuyệt đối

a - Độ hấp phụ ở áp suất tương đối P/Ps (mM/g)

am - Độ hấp phụ bởi một lớp đơn phân tử chất bị hấp phụ (mM/g)

C - Hằng số phụ thuộc nhiệt vi phân hấp phụ q và nhiệt ngưng tụ λ

γ - Sức căng bề mặt

θ- Góc thấm ướt giữa chất lỏng bị hấp phụ và chất hấp phụ

r - bán kính lỗ

R - hằng số khí

T - nhiệt độ tuyệt đối

V1 - Lưu lượng dòng khí sục qua bình bay hơi (ml/ph)

V2 - Lưu lượng dòng khí dùng pha loãng (ml/ph)

N - Số Avôgađrô (6,023.10 20 phân tử/mMol)

W0- Diện tích phân tử chất bị hấp phụ (với benzen W0 = 40.10-20 m2)

aO - dung lượng hấp phụ ở P/PS = 0,175 (mM/g)

aS - dung lượng hấp phụ ở P/PS = 0,99 (mM/g)

Vn - Thể tích lỗ nhỏ trong than (cm3/gam)

Vtr - Thể tích lỗ trung trong than (cm3/gam)

Vl - Thể tích lỗ lớn trong than (cm3/gam)

V - Tổng thể tích các loại lỗ trong than (cm3/gam)

∂ - Tỷ trọng biểu kiến của than hoạt tính (g/cm3

)

d - Tỷ trọng thực của than hoạt tính (g/cm3)

DANH MỤC CÁC BẢNG trang

Bảng 1.1 Chỉ tiêu kỹ thuật của than hoạt tính dạng vải dệt 41

Bảng 1.2 Chỉ tiêu kỹ thuật của than hoạt tính dạng sợi 45

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu chất lượng của vải sợi acrylic theo thời gian

Bảng 3.3 Các chỉ tiêu cơ lý của mẫu vải than hoạt tính tự điều chế 62

Bảng 3.4 Các chỉ tiêu cấu trúc xốp của mẫu vải than hoạt tính

nước ngoài

63

Bảng 3.5 Các chỉ tiêu cơ lý của mẫu vải than hoạt tính nước ngoài 63

Bảng 3.6 Chỉ tiờu chất lượng vải than hoạt tớnh từ sợi tự nhiờn 64

Bảng 3.7 Chất lượng của vải nguyờn liệu 73 Bảng 3.8 Kết quả khảo sỏt giai đoạn than húa (một số mẫu đại

diện)

76

Bảng 3.9 ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hoá đến chất lượng mẫu 78

Bảng 3.10 ảnh hưởng của thời gian hoạt hoá đến chất lượng mẫu

nghiên cứu

79

Bảng 3.11 ảnh hưởng của lượng tác nhân hoạt hoá đến chất lượng

mẫu nghiên cứu

Bảng 3.14 Chỉ tiêu cấu trúc xốp của vải than hoạt tính (theo nitơ) 92

Bảng 3.15 Thời gian bảo vệ với benzen của vải than hoạt tính 92

Bảng 3.16 Chỉ tiêu kỹ thuật của vải than hoạt tính 94

Bảng 3.17 Một số chỉ tiêu chất l−ợng chính than hoạt tính dạng

vải dệt

95

Bảng 3.18 Chỉ tiêu chất l−ợng của các loại vải 99

Bảng 3.19 Chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu phòng da kiểu lọc- hấp

phụ

100

Bảng 3.20 Chỉ tiờu kỹ thuật của vải than hoạt tớnh 101

Bảng 3.21 Chỉ tiờu kỹ thuật của giấy lọc xol khớ 101

Bảng 3.22 Thụng số động lực của quỏ trỡnh hấp phụ C6C6, hấp thụ

HCN

104

Bảng 3.23 Chỉ tiêu kỹ thuật của phin lọc thiết kế 108

Bảng 3.24 Chỉ tiờu chất lượng của hộp lọc độc quõn sự 108 Bảng 3.25 Chỉ tiêu chất l−ợng bán mặt nạ phòng độc công nghiệp 114

Bảng 3.26 Chỉ tiêu chất l−ợng khẩu trang phòng độc công nghiệp 117

Bảng 4.1 Các chỉ tiêu cấu trúc xốp của mẫu vải than hoạt tính tự

điều chế

119

Bảng 4.2 Các chỉ tiêu cơ lý của mẫu vải than hoạt tính tự điều chế 119

Bảng 4.3 Chỉ tiờu chất lượng vải than hoạt tớnh từ sợi tự nhiờn 120

Bảng 4.4 Chỉ tiêu kỹ thuật của vải than hoạt tính 123

Bảng 4.5 Chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu phòng da kiểu lọc- hấp phụ 123

Bảng 4.6 Chỉ tiờu chất lượng của hộp lọc độc quõn sự 124 Bảng 4.7 Chỉ tiêu chất l−ợng bán mặt nạ phòng độc công nghiệp 124

Bảng 4.8 Chỉ tiêu chất l−ợng khẩu trang phòng độc công nghiệp 125

DANH MỤC CÁC HèNH VẼ, ĐỒ THỊ

trang Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lỗ xốp của than hoạt tính 7 Hình 1.2 Cấu trúc nhóm chức trên bề mặt than hoạt tính 10 Hình 1.3 Sơ đồ khối công nghệ chế tạo than hoạt tính dạng vải từ

sợi tự nhiên theo phương pháp hoạt hóa vật lý

31

Hình 1.4 Sơ đồ khối công nghệ chế tạo than hoạt tính dạng vải từ

sợi tự nhiên theo phương pháp hoạt hóa hóa học

32

Hình 1.5 Sơ đồ khối công nghệ chế tạo than hoạt tính dạng vải từ

sợi tổng hợp theo phương pháp hoạt hóa vật lý

33

Hình 1.6 Sơ đồ khối công nghệ chế tạo than hoạt tính dạng vải từ

sợi tổng hợp theo phương pháp hoạt hóa hóa học

34

Hình 1.7 Sơ đồ công nghệ chế tạo vải than hoạt tính (Viện Công

nghệ)

37

Hình 1.8 Sơ đồ khối công nghệ chế tạo than hoạt tính dạng vải dệt

(Viện Hóa học - Vật liệu)

39

Hình 1.9 Sơ đồ khối công nghệ chế tạo vải than hoạt tính (Viện

ứng dụng công nghệ)

43

Hình 2.2 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ benzen

trên vải than hoạt tính

50

Hình 3.1 Sơ đồ khối công nghệ chế tạo than hoạt tính dạng vải

dệt, vải không dệt qui mô phòng thí nghiệm lựa chọn cho đề tài

55

Hình 3.2 Lò than hóa - hoạt hóa chuyên dụng trong phòng thí

nghiệm

56

Hỡnh 3.3 Sơ đồ nguyờn lý thiết bị chế tạo vải than hoạt tớnh của

Viện Khớ - Kiep - Ucraina (vải ở dạng cuộn)

66

Hỡnh 3.4 Ảnh cụm thiết bị chế tạo vải than hoạt tớnh 71 Hình 3.5 Giản đồ TGA vải không tẩm phụ gia 74

Hình 3.7 Giản đồ TGA màng sợi không tẩm phụ gia 82 Hình 3.8 Giản đồ TGA màng sợi tẩm phụ gia 82 Hình 3.9 Sơ đồ khối qui trình chế tạo than hoạt tính dạng vải dệt

từ vải sợi visco

86

Hình 3.10 Sơ đồ khối qui trình chế tạo than hoạt tính dạng vải

không dệt từ màng sợi cotton

87

Hỡnh 3.11 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ với hơi

benzen trờn vải than hoạt tớnh (tO= 25OC)

88

Hỡnh 3.12 Đường đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ với hơi

benzen trờn màng sợi than hoạt tớnh (tO= 25OC)

Hỡnh 3.20 Đồ thị sự phụ thuộc của trở lực tầng lọc vào chiều dày

lớp vải than hoạt tớnh tẩm Cu, Cr, Ag

105

Hình 3.21 Đồ thị Sylop t = f(L) của vải than hoạt tính với benzen 113

Më ®Çu

Trên thế giới, ngoài than hoạt tính dạng bột (thế hệ 1) và than hoạt tính dạng hạt (thế hệ 2), vào năm 1970 trên thế giới đã chế tạo được than hoạt tính dạng vải sợi (thế hệ thứ 3) hay còn gọi là chất hấp phụ sợi cacbon hoặc vải sợi cacbon hoạt tính

So với than hoạt tính dạng bột và dạng hạt thì than hoạt tính dạng vải có các ưu điểm nổi bật sau:

- Có tốc độ hấp phụ cao hơn, dung lượng hấp phụ lớn hơn nên có thời gian lọc độc nhanh hơn và hấp phụ được một lượng chất lớn hơn so với than hoạt tính dạng hạt, bột Than hoạt tính dạng vải có bề mặt riêng có thể tới 2.000m2/g trong khi đó than hoạt tính dạng hạt, dạng bột chỉ cỡ trên dưới 1.000m2/g do vậy có khả năng hấp phụ - lọc độc tốt hơn

- Có độ tro (các hợp chất vô cơ) rất thấp, hầu như không có mặt kim loại nặng như Fe, Mn, Pb, As như than hoạt tính dạng bột, dạng hạt nên được sử dụng trong y tế, trong xử lý nước sinh hoạt, nước ăn uống mà không bị ô nhiễm thứ cấp do chất độc hại có ngay trong chính vật liệu dùng xử lý

- Có khối lượng riêng nhỏ hơn khá nhiều so với than hoạt tính dạng bột, dạng hạt nên giảm được khối lượng các phin lọc, các bộ lọc, các phương tiện phòng độc sử dụng chúng làm vật liệu lọc

- Có độ cản trở dòng khí, dòng nước đi qua chúng nhỏ hơn so với đi qua lớp than hoạt tính dạng hạt, dạng bột Đây là một trong những ưu việt của than hoạt tính dạng vải sợi so với than hoạt tính dạng hạt, dạng bột khi được

sử dụng để xử lý nước, xử lý khí ô nhiễm do giảm được áp lực trong thiết bị, giảm năng lượng, tăng hiệu quả kinh tế, hiệu quả xử lý v.v

- Than hoạt tính dạng vải sợi còn có một ưu việt khác mà than hoạt tính dạng bột, dạng hạt không thể có là chúng tồn tại ở dạng tấm như vải sợi thông thường với độ bền cơ lý cao, mềm mại nên có thể trực tiếp dùng may quần áo,

mũ, găng tay, ủng phòng độc Ngoài ra có thể dùng gấp, xếp, dán, may để chế

tạo các phin lọc có kết cấu, hình dạng theo ý muốn mà không phải dùng lớp

vỏ định hình bao bên ngoài như khi dùng than hoạt tính dạng hạt, dạng bột Với các ưu điểm đó, than hoạt tính dạng vải có hiệu quả cao hơn trong ứng dụng thực tiễn so với than hoạt tính dạng hạt, dạng bột:

- Chế tạo các bộ lọc có chất lượng tốt hơn, thời gian sử dụng dài hơn, tiết

kiệm nhiều kinh phí, nhân lực, năng lượng (kinh tế hơn);

- Chế tạo các bộ lọc và phương tiện phòng độc nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn, dễ mang vác, vận chuyển, đặc biệt trong điều kiện cơ động chiến đấu và cứu hộ

(cơ động hơn);

- Cho phép chế tạo được các bộ quần áo phòng hộ tiện dụng cho người làm

việc trong môi trường độc hại (tiện dụng hơn);

- Tạo một bước đột phá về công nghệ vật liệu để chế tạo các phương tiện

phòng độc (tiên tiến hơn)

Cho đến nay, trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về phương pháp điều chế, nghiên cứu cấu trúc, tính chất và nghiên cứu ứng dụng thực tế than hoạt tính dạng vải sợi được thông báo và công bố Những kết quả nghiên cứu đó thể hiện chủ yếu ở ba lĩnh vực sau:

- Đã làm chủ và điều khiển được công nghệ chế tạo sản phẩm có chất lượng theo mong muốn trong các điều kiện tối ưu

- Đã có các dây chuyền thiết bị công nghệ với các qui mô khác nhau: phòng thí nghiệm, pilot, công nghiệp để chế tạo sản phẩm theo yêu cầu

- Đã chế tạo được than hoạt tính dạng vải từ sợi visco, sợi tổng hợp, sợi hỗn hợp (sợi visco/sợi tổng hợp), dạng hỗn hợp (than hoạt tính dạng vải sợi trên nền một số vật liệu khác)

Hiện nay, thế giới đã và đang tập trung đầu tư theo hướng hoàn thiện công nghệ, nâng cao chất lượng, phát triển chủng loại than hoạt tính dạng vải mới,

đa dạng hóa sản phẩm Một số nước đã làm chủ hoàn toàn được công nghệ để tạo ra các sản phẩm theo ý muốn, thiết bị công nghệ hiện đại, đồng bộ, hoàn

chỉnh với mọi qui mô Sản phẩm phong phú, đa dạng, chất lượng đáp ứng mọi yêu cầu trong các lĩnh vực quân sự cũng như dân sự

Ở Việt Nam, việc đầu tư nghiên cứu trong lĩnh vực này còn quá ít và chưa được quan tâm đúng mức Kết quả thu được còn rất khiêm tốn, sản phẩm chế tạo ra mới ở dạng mẫu vải, mẫu vật liệu phòng độc với chất lượng còn thấp, chưa đáp ứng yêu cầu thực tiễn Về chế tạo sản phẩm, chưa nắm vững và làm chủ được công nghệ, máy móc, thiết bị còn lạc hậu, không tạo ra được than hoạt tính dạng vải có chất lượng cao và số lượng lớn để đáp ứng nhu cầu trong nước và có thể xuất khẩu

Đó chính là cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp Nhà nước:

"Nghiên cứu sản xuất than hoạt tính dạng vải dùng làm vật liệu lọc độc", mã số: KC 06.17/06 - 10

Thuộc Chương trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước KC

06/06-10: Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản

xuất các sản phẩm xuất khẩu chủ lực

Đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trước mắt về than hoạt tính dạng vải cần nhập khẩu và trong tương lai có thể xuất khẩu ra thị trường các nước lân cận trong khu vực

Nhu cầu nhập khẩu trước mắt: Hiện tại chúng ta cần hàng năm với số

lượng khá lớn than hoạt tính dạng vải để chế tạo quần áo phòng hộ; mặt nạ và khẩu trang phòng độc; các bộ lọc và vật liệu lọc độc chuyên dụng để trang bị cho các lực lượng vũ trang, các lực lượng làm công tác phòng chống cứu hộ cứu nạn; để sử dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường và bảo hộ lao động của nước ta là rất lớn Vải than hoạt tính đáp ứng các yêu cầu đó hiện nay phải nhập ngoại với giá thành cao nên không thể đáp ứng đầy đủ các nhu cầu trong nước Do đó đề tài góp phần tích cực sản xuất vải than hoạt tính thay thế nhập khẩu

Nhu cầu xuất khẩu trong tương lai: Nhiều nước trong khu vực có nhu cầu

rất lớn về than hoạt tính dạng vải, nhưng theo thông tin tổng hợp được qua Internet, hầu như chưa có nước nào tổ chức sản xuất than hoạt tính dạng vải qui mô công nghiệp Có thể xuất khẩu ngay sản phẩm than hoạt tính dạng vải sang các nước lân cận trong khu vực như Lào, Campuchia, Myanma

Trên cơ sở đó, mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:

- Xây dựng, nắm vững và làm chủ công nghệ sản xuất vật liệu lọc độc thế

hệ mới là than hoạt tính dạng vải, thay thế sản phẩm nhập khẩu

- Chế thử than hoạt tính dạng vải và một số phương tiện phòng độc dùng than hoạt tính dạng vải sử dụng trong quân sự và dân sự, có thể xuất khẩu ra nước ngoài

Đối tượng nghiên cứu của đề tài được xác định là: công nghệ chế tạo than hoạt tính dạng vải

Để đạt được mục tiêu đã nêu, đề tài cần phải giải quyết các vấn đề sau đây:

- Kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có ở Việt Nam trong lĩnh vực chế tạo than hoạt tính dạng vải

- Khảo sát công nghệ, hợp tác nghiên cứu với các đối tác nước ngoài để nắm vững và làm chủ công nghệ tiên tiến chế tạo than hoạt tính dạng vải, tập trung vào các vấn đề then chốt

- Thiết kế, chế tạo dây chuyền thiết bị qui mô pilot chế thử than hoạt tính dạng vải

- Đào tạo, huấn luyện đội ngũ cán bộ kỹ thuật nòng cốt làm chủ công nghệ và lắp đặt dây chuyền thiết bị công nghệ chế tạo than hoạt tính dạng vải

- Hợp tác chặt chẽ với các cơ sở nghiên cứu ứng dụng và sản xuất kinh doanh than hoạt tính dạng vải để xuất khẩu sản phẩm ra nước ngoài,

Chương I vải than hoạt tính, cấu trúc, tính chất và công nghệ chế tạo

1.1 Giới thiệu chung:

Than hoạt tính đã được phát hiện từ lâu nhưng mãi đến năm 1773 Schechs mới bắt đầu nghiên cứu, sau đó là Pesrtana tiến hành thí nghiệm nghiên cứu các tính chất của than hoạt tính và kết quả thu được cho thấy than hoạt tính có tính hấp phụ [1]

Năm 1875, Lơvit phát hiện than củi có khả năng làm mất màu một số chất trong dung dịch Sau đó than tẩy màu và kỹ thuật điều chế được xuất hiện

Đầu tiên người ta điều chế than hoạt tính tẩy màu từ than xương Than hoạt tính tẩy màu ra đời đã phục vụ đắc lực cho công nghiệp mía đường ở châu Âu phát triển trong thời gian này [2]

Trong đại chiến thế giới thứ nhất, lần đầu tiên than hoạt tính dạng hạt được

sử dụng làm vật liệu lọc hơi khí độc trong mặt nạ phòng độc [3]

Cho đến nay, than hoạt tính đã phát triển đến thế hệ thứ 3 Thế hệ thứ nhất

là than hoạt tính dạng bột, than hoạt tính dạng hạt (hạt đập mảnh tự nhiên, hạt tạo viên hình trụ, hình cầu) là thế hệ thứ hai và thế hệ ba là than hoạt tính dạng vải, sợi Than hoạt tính dạng vải, sợi được phát hiện vào đầu những năm 70 của thế kỷ XX [4] Hiện nay, than hoạt tính dạng vải sợi có các loại hình sau: sợi than hoạt tính; vải than hoạt tính (dạng vải dệt); màng sợi hay nỉ than hoạt tính (dạng vải không dệt)

Than hoạt tính đươc điều chế từ các vật liệu khi đốt chúng cho ta cacbon Các nguyên liệu chứa cacbon được chế biến một cách đặc biệt nhằm loại bỏ các chất có nhựa, các chất dễ phân hủy và tạo ra các độ xốp trong chúng được gọi là than hoạt tính Than hoạt tính dạng hạt, dạng bột có các thành phần chủ yếu là cacbon (85-15%) Phần còn lại (5-15%) là các tạp chất vô cơ không hoạt động về mặt hấp phụ [1], [2], [3] Với than hoạt tính dạng vải sợi, hàm lượng cacbon trong chúng rất cao, có thể đến 95-100% và có hàm lượng tro rất

thấp

Nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính dạng hạt, dạng bột rất phong phú như các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật: các loại cây, hạt các loại quả, sọ dừa, mạt cưa hoặc có nguồn gốc từ than mỏ: than antraxit, than bùn, than nâu, than cốc, từ các hợp chất hữu cơ polyme, lignin, dầu mỏ [3]

Nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính thế hệ thứ 3 vải than hoạt tính còn phong phú và đa dạng hơn Tất cả các nguồn nguyên liệu tự nhiên hoặc tổng hợp, vô cơ hoặc hữu cơ đã ở dạng sợi hay có thể kéo được thành sợi đều

có thể dùng để chế tạo ra vải than hoạt tính [4]

Hiện nay than hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong hầu hết trong mọi lĩnh vực khoa học, đời sống, quân sự, y tế, môi trường v.v Về chủng loại có một

số loại than hoạt tính sau: than lọc hơi khí, than lọc nước, than tẩy màu, than trao đổi ion, than làm nền (chất mang) để tẩm xúc tác, phụ gia … Trên thế giới than hoạt tính dạng vải, sợi đã được sản xuất trên qui mô công nghiệp và

là sản phẩm thương mại được rao bán rộng rãi trên thị trường

Là than hoạt tính thế hệ 3 cho nên cấu trúc, tính chất, qui luật hấp phụ của vải than hoạt tính cũng giống như than hoạt tính dạng bột và dạng hạt truyền thống mà chúng ta đã quen biết từ lâu nay Hệ lỗ xốp trong vải than hoạt tính cũng có cấu trúc đa phương thức gồm lỗ nhỏ, lỗ trung, lỗ lớn, bề mặt riêng phát triển, bề mặt cũng chứa các nhóm chức chứa oxy v.v [4]

1.2 Cấu trúc vải than hoạt tính

1.2.1 Cấu trúc tinh thể

Theo các dữ kiện nghiên cứu Rơnghen, than hoạt tính gồm các vi tinh thể cacbon Các vi tinh thể này tạo thành các lớp Trong các lớp có các nguyên tử cacbon sắp xếp thành hình 6 cạnh Tuy nhiên so với cấu trúc của mạng tinh thể graphit, trong than hoạt tính các lớp vi tinh thể sắp xếp kém trật tự hơn [1], [2], [3]

1.2.2 Cấu trúc xốp

Than hoạt tính được đặc trưng bởi sự đa dạng của cấu trúc lỗ xốp với sự phân bố đa phương thức của kích thước các lỗ xốp Đường cong phân bố có một vài cực đại hẹp Điều đặc biệt của than hoạt tính là nó chứa nhiều loại lỗ

có kích thước khác nhau trong khoảng xác định đối với mỗi loại Phụ thuộc vào kích thước, vai trò, cơ chế hấp phụ mà các lỗ xốp trong than hoạt tính

được chia thành 3 loại: Lỗ lớn, lỗ trung và lỗ nhỏ (Hình 1.1) [1], [3]

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lỗ xốp của than hoạt tính

Lỗ lớn: Có kích thước lớn nhất với bán kính cong của bề mặt lớn hơn 2000Ao và không thấy có sự điền đầy của hơi chất bị hấp phụ theo kiểu ngưng

1000-tụ mao quản ở áp suất hơi bão hoà Bề mặt của lỗ lớn có tỷ lệ hấp phụ tương

đương bề mặt hấp phụ của than không lỗ xốp có cùng bản chất hoá học Thể tích của lỗ lớn khoảng 0,2- 0,8 cm3/g với bềmặt riêng 0,5 - 2m2/g Bán kính tương đương lớn nhất của đường cong phân bố được đo bằng phương pháp nén thủy ngân là 5.000 - 20.000Ao Sự hấp phụ trên bề mặt lỗ lớn không có ý nghĩa thực tế vì bề mặt riêng nhỏ Lỗ lớn đóng vai trò kênh vận chuyển chất bị hấp phụ vào sâu bên trong hệ thống lỗ xốp

Lỗ trung: Bán kính cong bề mặt nhỏ hơn lỗ lớn (khoảng 15-16 đến

1000-2000 Ao) Trong lỗ trung có sự điền đầy thể tích của các chất có kích thước trung bình (benzen, nitơ) theo kiểu ngưng tụ mao quản áp suất hơi của chất hấp phụ trên bề mặt ngưng tụ thấp do có sự hấp phụ đơn hoặc đa phân tử Bề

mặt của lỗ trung cũng có tỉ lệ hấp phụ bằng với bề mặt than không lỗ xốp cùng bản chất hoá học

Phần lớn than để hấp phụ đã biết có thể tích lỗ trung thấp (0,02- 0,1cm3/gam) với bề mặt riêng 20-70 m2/g Tuy nhiên trong trường hợp đặc biệt (than lọc nước, tẩy mầu) thể tích lỗ trung có thể đạt 0,7cm3/g và bề mặt riêng 200 - 400m2/gam Tuỳ thuộc vào độ lớn bề mặt riêng mà lỗ trung có thể

đóng vai trò hấp phụ hơi trong vùng nồng độ cao cũng như các chất mầu có kích thước phân tử lớn từ dung dịch

Lỗ nhỏ: Có bán kính dưới 15-16Ao Kích thước lỗ tương đương với phân tử chất bị hấp phụ Sự hấp phụ trong lỗ nhỏ diễn ra theo cơ chế lấp đầy thể tích không gian hấp phụ Theo thuyết lấp đầy thể tích, trường hấp phụ có trong tất cả thể tích lỗ nhỏ Thể tích lỗ nhỏ thường 0,20 - 0,60 cm3/gam và lỗ nhỏ đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ trên than Chỉ trong trường hợp đặc biệt, sự hấp phụ trên bề mặt lỗ trung (than lọc nước, tấy màu…) mới chiếm phần lớn đại lượng hấp phụ chung

1.2.3 Cấu trúc hoá học bề mặt

Trên bề mặt than hoạt tính luôn có một lượng oxy liên kết hóa học với nguyên tử các bon tạo thành hợp chất oxít bề mặt Ngay cả khi gia công tinh khiết nhất, than hoạt tính cũng chứa 1- 2% oxy Tùy theo phương pháp điều chế than hoạt tính mà lượng oxy tham gia hợp chất bề mặt có thể thay đổi [1], [2]

Theo Dubinin và Serpinski cho biết khi hàm lượng oxy khoảng 2-3% thì phần được phủ bởi lớp đơn nguyên tử oxy chiếm 4% diện tích bề mặt than hoạt tính Hàm lượng oxy cực đại có thể lên tới 15-20% và phần diện tích bao phủ đơn lớp oxy khi đó lên tới 19-20%

Sự tồn tại của các oxít bề mặt có đặc tính khác nhau trên than (sản phẩm của phản ứng hóa học) được chứng minh bằng nhiệt vi phân rất lớn khi hấp phụ oxy, bằng các kết quả thí nghiệm hấp phụ các chất điện li và hàng loạt kết

quả khác Hợp chất của oxy với các bon rất bền được biểu hiện khi giải hấp phụ không thấy có mặt oxy mà chỉ có CO trong pha khí

Nghiên cứu sâu hơn về các hợp chất oxyt bề mặt, Silốp và các cộng tác viên cho biết: khi hoạt hóa ở nhiệt độ cao (800 - 8500C) với sự có mặt của không khí thì trên bề mặt than tạo thành các hợp chất oxit có tính bazơ Trong dung dịch nước tạo thành các nhóm - OH có khả năng trao đổi anion

ở nhiệt độ trong khoảng 300 - 5000C, oxy không khí tác dụng với các bon

bề mặt than tương đối nhanh tạo thành các oxít có đặc tính axit Các nhóm chức này có khả năng hấp phụ trao đổi các cation trong dung dịch Dubinin và Frumkin tiếp tục nghiên cứu chi tiết bề mặt than hoạt tính và bản chất quá trình tác động của oxy Các ông cho rằng oxy được hấp thụ trên than theo hai cơ chế hấp phụ vật lý và hóa học :

- Hấp phụ vật lý oxy trên than xảy ra ở 0 - 1000C Nhiệt vi phân (đặc trưng cho hấp phụ) khoảng 90.000 - 100.000 Cal/mol, trong pha khí không thấy có mặt các oxít của các bon

- Hấp phụ hóa học xảy ra ở nhiệt độ trên 2000C Nhiệt hấp phụ vi phân rất lớn (trên 200.000 Cal/mol) Trong pha khí có mặt các oxít của các bon (sản phẩm cháy của than) Trên bề mặt than tạo thành các hợp chất có đặc tính axit

Rất nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy sự có mặt của các oxít trên than không ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ vật lý các chất khí - hơi không phân cực Trái lại khả năng hấp phụ các chất phân cực của than hoạt tính tăng lên rõ rệt nhờ đặc tính axit - bazơ của các hợp chất bề mặt

Biom đã tiến hành trung hoà các axit trên than bằng các bazơ khác nhau Trên cơ sở phân tích các kết quả thí nghiệm đã chỉ ra sự tồn tại của 4 dạng cấu trúc nhóm chức bề mặt (Hình 1.2)

Bằng nhiều phương pháp khác nhau như cực phổ, hồng ngoại…nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra sự có mặt của các nhóm chức trên than bao gồm cacbonyl, cacboxyl, phênol, lacton, peroxit… Tỷ lệ thành phần tương đối của

các nhóm chức phụ thuộc vào phương pháp điều chế

Hình 1.2 Cấu trúc nhóm chức trên bề mặt than hoạt tính

1.3 cơ sở lý thuyết hấp phụ trên vải than hoạt tính

1.3.1 Thuyết Polanyi - Dubinin

Cơ sở của thuyết Polanyi - Dubinin (1918-1928) [5], [6] cho rằng trên bề mặt chất hấp phụ bao giờ cũng có một trường lực hấp phụ Độ lớn của trường hấp phụ được biểu thị bằng thế hấp phụ tỉ lệ nghịch với lập phương khoảng cách từ bề mặt tới phân tử chất bị hấp phụ Và trên bề mặt chất hấp phụ có nhiều bề mặt đẳng thế Lí thuyết này đã được chứng minh bằng thực nghiệm,

đặc biệt đối với chất bị hấp phụ có nhiệt độ sôi cao

Sự hấp phụ trong lỗ xốp nhỏ theo cơ chế lấp đầy thể tích được mô tả bằng

2 ( ) (lg )303

,2lg

lg

P

P RT

k v

H

COOH O

OH O

H

OH O

OR

O O

OOC

Ps- áp suất hơi bão hoà

v - Thể tích mol chất bị hấp phụ

W = a.v (cm3/g)

Wo - Thể tích không gian hấp phụ giới hạn

β - Hệ số tương đương

T - Nhiệt độ tuyệt đối

Thuyết Đubinin đã đưa ra một khái niệm rõ ràng về cơ chế hấp phụ xảy ra trong chất hấp phụ chứa lỗ nhỏ Từ phương trình mô tả sự hấp phụ có thể tính

được các thông số đặc trưng cấu trúc: hằng số cấu trúc W0 và B

Hạn chế: Thuyết Đubinin chỉ nói đến hấp phụ trong lỗ xốp mà chưa đề cập

đến sự hấp phụ trên bề mặt trong khi sự hấp phụ xảy ra trong vật liệu xốp

đồng thời xảy ra theo hai cơ chế hấp phụ trong lỗ xốp và trên bề mặt

1.3.2 Thuyết BET (Brunauer - Emmet - Teller)

Cơ sở của thuyết dựa vào các giả thiết sau đây: chất hấp phụ đồng nhất về mặt năng lượng, sự hấp phụ xảy ra nhiều lớp Lực tương tác giữa chất hấp phụ

và chất bị hấp phụ chỉ có tác dụng ở lớp thứ nhất Các lớp tiếp theo lực hấp phụ do lực kết dính giữa lớp đã được hấp phụ và các phân tử chưa hấp phụ Lực này giống lực tương tác trong chất lỏng Vì vậy theo thuyết BET số lớp có thể tiến tới vô hạn [6], [7]

Phương trình BET mô tả sự hấp phụ vật lý trên bề mặt than hoạt tính có dạng sau:

( P Ps ) ( [ C ) P Ps ]

Ps P C a

/ 1 1

/ 1

/

ư +

ư

a - Độ hấp phụ ở áp suất tương đối P/Ps (mM/g)

P - áp suất chất bị hấp phụ

PS - áp suất hơi bão hòa chất hấp phụ

am - Độ hấp phụ bởi một lớp đơn phân tử chất bị hấp phụ (mM/g)

C - Hằng số phụ thuộc nhiệt vi phân hấp phụ q và nhiệt ngưng tụ λ

T R

q C

.exp ư λ

= (1.5) Phương trình (1.4) chuyển về phương trình đường thẳng sau:

C C a h

11

ư+

=

Dạng đường thẳng của phương trình BET chỉ đúng trong khoảng giá trị P/PS

= 0,05- 0,3 và thường dùng để tính bề mặt riêng của chất hấp phụ

ở P/PS tương đối cao, trong các lỗ trung của than hoạt tính sự hấp phụ xảy

ra theo cơ chế ngưng tụ mao quản Lớp hấp phụ trên thành lỗ dày dần lên, chạm nhau và khép kín thành mặt khum cầu lõm của chất lỏng bị hấp phụ [4] Một số hạn chế của thuyết BET: không đề cập đến tương tác ngang của phân tử trong cùng một lớp Theo BET sự hấp phụ xảy ra đến vô cùng tức là n lớp khi áp suất tương đối dẫn đến đơn vị nhưng trong thực tế là có hạn Thuyết BET dựa trên cơ sở bề mặt đồng nhất về năng lượng nhưng trong thực tế đa số chất hấp phụ có bề mặt không đồng nhất về năng lượng

1.3.3 Thuyết hấp phụ ở áp suất cao - phương trình Kelvin Kelvin đã đưa ra phương trình để mô tả sự ngưng tụ và bay hơi mao quản trong các lỗ xốp trung của chất hấp phụ như sau:

θ

γ cos

2 ln

rRT

v P

P - áp suất trên mặt khum lõm trong mao quản

Ps- áp suất hơi bão hoà của chất hấp phụ

γ - Sức căng bề mặt

θ- Góc thấm ướt giữa chất lỏng bị hấp phụ và chất hấp phụ

r - bán kính lỗ

R - hằng số khí

T - nhiệt độ tuyệt đối

Dấu âm chứng tỏ rằng áp suất hơi bão hoà của chất lỏng trên bề mặt lõm luôn nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà của các chất lỏng trên bề mặt phẳng Nh− vậy bán kính lỗ càng nhỏ thì sự giảm áp suất hơi càng lớn Do đó trong những mao quản thật hẹp thì sự ng−ng tụ sẽ xảy ra ở áp suất thấp hơn nhiều so với áp suất hơi bão hoà

1.4 Chế tạo than hoạt tính dạng hạt, dạng bột

- Nghiền, sàng nguyên liệu: nhằm thu được bột nguyên liệu có độ mịn nhất

định phù hợp cho công đoạn ép tạo hạt

- Trộn: bột nguyên liệu được trộn với chất kết dính theo tỷ lệ nhất định bằng máy trộn nhằm tạo ra một hỗn hợp đồng nhất

- ép, tạo hạt: hỗn hợp đồng nhất sau bước trộn được ép tạo hạt hình trụ có

đường kính theo yêu cầu bằng máy ép thủy lực

* Than hóa

Than hóa là quá trình loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhẹ có thể bay hơi, có mặt trong nguyên liệu nhằm mục đích thu nhận cacbon Đây là quá trình đốt cháy không hoàn toàn nguyên liệu Các hợp chất hữu cơ phân hủy dưới tác dụng của nhiệt và tạo ra cacbon

Quá trình than hóa có thể chia thành 2 bước: tách nước khỏi nguyên liệu và

đốt cháy nguyên liệu, vì vậy quá trình này sinh ra nhiều khói (hơi H2O và một

số hợp chất hữu cơ) Quá trình than hóa được thực hiện trong lò quay với chế

độ than hóa (nhiệt độ và thời gian) phụ thuộc vào nguyên liệu đó

* Hoạt hóa

Hoạt hóa là quá trình quan trọng nhất trong quá trình điều chế than hoạt tính Nó trực tiếp ảnh hưởng và quyết định chất lượng sản phẩm Bản chất của quá trình hoạt hóa là quá trình phản ứng hoá học giữa cacbon với tác nhân hoạt hóa Các phân tử của tác nhân hoạt hóa phản ứng với phân tử cacbon trên bề mặt và trong mạng lưới tinh thể Kết quả của quá trình phản ứng này là tạo ra hệ

thống lỗ xốp bên trong thể tích than và các trung tâm hoạt động trên bề mặt than

Phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình hoạt hóa xảy ra ở nhiệt độ cao và mang tính không hoàn toàn vì vậy quá trình này phải thực hiện trong lò quay

có khả năng chịu nhiệt tốt Tuỳ thuộc vào nguyên liệu đầu và tác nhân hoạt hóa mà có chế độ hoạt hóa phù hợp

Do quá trình hoạt hóa có bản chất là phản ứng hóa học không hoàn toàn xảy ra giữa các tác nhân hoạt hóa với cacbon nên vai trò của tác nhân hoạt hoá

là rất quan trọng Chính vì vậy mà tuỳ thuộc vào tác nhân hoạt hóa, người ta chia thành 2 phương pháp hoạt hóa chính: phương pháp hóa học và phương pháp vật lý (sẽ được trình bày cụ thể ở phần dưới)

* KCS và bao gói

KCS và bao gói là những bước không trực tiếp ảnh hưởng đến quá trình

điều chế và chất lượng than hoạt tính, tuy nhiên chúng có ảnh hưởng gián tiếp quan trọng đến sản phẩm than hoạt tính Đây là quá trình định hướng ứng dụng và bảo quản sản phẩm

1.4.2 Các phương pháp hoạt hóa

Kể từ khi than hoạt tính được phát hiện cho tới nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu phương pháp điều chế cũng như khả năng ứng dụng của nó Do vậy, để có được sản phẩm than hoạt tính có thể sử dụng nhiều phương pháp hoạt hóa khác nhau Cho đến nay có hai phương pháp chính sau đây [1], [3], [8]:

1.4.2.1 Phương pháp hoạt hóa hóa học

Phương pháp hóa học là phương pháp đầu tiên được sử dụng để điều chế than hoạt tính Bản chất của phương pháp hóa học là sử dụng các chất hoạt hoá là các hóa chất như muối, axít vô cơ để bào mòn bề mặt và mạng lưới tinh thể cacbon Để đưa các chất hoạt hóa vào than, ta dùng 2 phương pháp:

+ Trộn bột than với chất hoạt hóa rồi ép hạt sau đó gia nhiệt

+ Ngâm bột than vào dung dịch bão hoà của các chất trên sau đó lọc bỏ

dung dịch, làm khô và nhiệt phân Dùng nước rửa sạch các chất, sấy lại Quá trình nhiệt phân của phương pháp hóa học thường được tiến hành ở nhiệt độ 600-800°C, ở nhiệt độ này, các tác nhân hoạt hóa bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon Sau khi nhiệt phân thường phải thu hồi các chất vô cơ còn thừa trong quá trình hoạt hóa Vì vậy, nhược điểm của phương pháp hóa học là gây ăn mòn thiết bị, tính kinh tế thấp, ngày nay ít được sử dụng

1.4.2.2 Phương pháp hoạt hóa vật lý (phương pháp khí - hơi)

Phương pháp vật lý được phát hiện muộn hơn phương pháp hóa học Song

do năng suất cao, kinh tế, thiết bị ít bị ăn mòn nên đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay

Trong phương pháp vật lý, tác nhân hoạt hoá thường được sử dụng là các khí, hơi H2O, ôxi không khí, CO2, Phản ứng hoạt hóa là phản ứng thu nhiệt vì vậy phải cung cấp nhiệt liên tục trong quá trình hoạt hóa

Một số tác nhân hoạt hóa vật lý phổ biến:

+ Hoạt hóa bằng hơi nước:

ở nhiệt độ t°C ≥ 750°C, hơi nước có tính ôxi hóa và bắt đầu tác dụng với cacbon Phản ứng hoạt hóa xảy ra:

Cn + H2O → Cn– 1 + CO + H2 - Q (Q = 31000cal/mol) Ngoài ra, còn một phản ứng phụ xảy ra đồng thời mà bề mặt than làm xúc tác cho phản ứng:

C + H2O → CO2 + H2 + 10Kcal/mol + Hoạt hóa bằng khí CO2:

ở nhiệt độ cao (t°C > 750°C) CO2 có tính ôxi hóa, có khả năng ôxi hóa C

Cn + CO2 → Cn-1 + CO + Hoạt hóa bằng ôxi không khí:

Khi dùng oxy không khí, bề mặt than thường tạo thành một số nhóm chức,

điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều chế than ôxi hóa Sản phẩm than hoạt tính có nhiều lỗ lớn và lỗ trung nên dùng tẩy màu và trao đổi ion

Quá trình hoạt hóa có thể biểu diễn bằng phương trình:

Cn + O2 → CO + Cn-1 + Q (phản ứng thiếu ôxi)

Cn + O2 → CO2 + Cn-1 + Q (phản ứng dư ôxi) Ngoài ra nhiệt độ hoạt hóa cũng ảnh hưởng đến cơ chế phản ứng:

Cn + O2 → 2CO + Cn-1 (t = 800 - 900°C)

Cn + O2 → CO2 + Cn-2 (t < 600 °C) 1.5 Công nghệ chế tạo vải than hoạt tính

1.5.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo vải than hoạt tính trên thế giới:

1.5.1.1 Giới thiệu chung:

Đến cuối những năm 70 của thế kỷ XX, trên thế giới đã có rất nhiều paten, nhiều công trình nghiên cứu về phương pháp điều chế, nghiên cứu cấu trúc, tính chất và nghiên cứu ứng dụng thực tế than hoạt tính dạng vải, sợi được thông báo và công bố [9]

Theo các kết quả nghiên cứu, nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính dạng vải, sợi rất phong phú và đa dạng Tất cả các nguyên liệu tự nhiên hoặc tổng hợp, vô cơ hoặc hữu cơ đã ở dạng sợi hay có thể kéo được thành sợi đều

có thể dùng để chế tạo than hoạt tính dạng vải, sợi

Về tính chất, cấu trúc của than hoạt tính dạng vải, sợi cũng giống như than hoạt tính dạng bột và dạng hạt mà chúng ta đã quen biết từ lâu nay Hệ lỗ xốp trong than hoạt tính dạng vải, sợi có cấu trúc đa phân bố gồm lỗ nhỏ, lỗ trung,

lỗ lớn, bề mặt riêng phát triển, bề mặt cũng chứa các nhóm chức…

So với than hoạt tính dạng bột và dạng hạt thì than hoạt tính dạng vải có các

ưu điểm nổi bật sau [10], [11]:

- Có tốc độ hấp phụ cao hơn, dung lượng hấp phụ lớn hơn nên có thời gian hấp phụ nhanh hơn và hấp phụ được một lượng chất lớn hơn so với than hoạt tính dạng hạt, dạng bột Than hoạt tính dạng vải có bề mặt riêng có thể tới 2.000m2/g trong khi đó than hoạt tính dạng hạt, dạng bột chỉ cỡ trên dưới

1.000m2/g do vậy có khả năng hấp phụ - lọc độc tốt hơn

- Có độ tro (các hợp chất vô cơ) rất thấp, hầu như không có mặt kim loại nặng như Fe, Mn, Pb, As… như than hoạt tính dạng bột, dạng hạt nên được sử dụng trong y tế, trong xử lý nước sinh hoạt, nước ăn uống mà không bị ô nhiễm thứ cấp do chất độc hại có ngay trong chính vật liệu dùng xử lý

- Có khối lượng riêng nhỏ hơn khá nhiều so với than hoạt tính dạng bột, dạng hạt nên giảm được khối lượng các phin lọc, các bộ lọc, các thiết bị lọc sử dụng chúng làm vật liệu lọc

- Có độ cản trở dòng khí, dòng nước đi qua chúng nhỏ hơn so với đi qua lớp than hoạt tính dạng hạt, dạng bột Đây là một trong những ưu việt của than hoạt tính dạng vải sợi so với than hoạt tính dạng hạt, dạng bột khi được sử dụng để xử lý nước, xử lý khí ô nhiễm do giảm được áp lực trong thiết bị, giảm năng lượng, tăng hiệu quả kinh tế, hiệu quả xử lý v.v

- Than hoạt tính dạng vải sợi còn có một ưu việt khác mà than hoạt tính dạng bột, dạng hạt không thể có là chúng tồn tại ở dạng tấm như vải sợi thông thường với độ bền cơ lý cao, mềm mại nên có thể trực tiếp dùng may quần áo,

mũ, găng tay, ủng phòng độc Ngoài ra có thể dùng gấp, xếp, dán, may để chế tạo các phin lọc có kết cấu, hình dạng theo ý muốn mà không phải dùng lớp

vỏ định hình bao bên ngoài như khi dùng than hoạt tính dạng hạt, dạng bột

Do vậy, tuy được phát hiện muộn hơn nhưng đến nay than hoạt tính dạng vải, sợi đã được ứng dụng khá rộng rãi trong thực tế trên mọi lĩnh vực: dùng làm chất hấp phụ, chất mang xúc tác, chất trao đổi ion trong công nghiệp, nông nghiệp, y học, bảo hộ lao động, xử lý môi trường và có thể có những ứng dụng đặc biệt trong quân sự (quần áo phòng da, mặt nạ phòng độc)

Đã có rất nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứu chế tạo thành công than hoạt tính dạng vải, sợi có chất lượng rất cao Có rất nhiều loại than hoạt tính dạng vải, sợi hiện là sản phẩm thương mại trên thị trường thế giới, được quảng cáo và rao bán trên mạng internet

Công nghệ chế tạo than hoạt tính dạng vải, sợi có nhiều công đoạn tương tự

nhưng cũng có một số công đoạn khác với công nghệ chế tạo than hoạt tính dạng bột và dạng hạt truyền thống

Để chế tạo than hoạt tính dạng vải người ta cũng phải trải qua các giai đoạn:

xử lý nguyên liệu đầu, than hóa và hoạt hóa Nhưng than hóa phải thực hiện trong môi trường khí trơ sau đó hoạt hóa ở nhiệt độ 600oC đến 2000oC trong môi trường CO2, hơi nước, khí axít, hoặc các muối clorua của Zn, Al, K… Hoạt hóa để chế tạo than hoạt tính dạng vải, sợi cũng dùng 2 phương pháp cơ bản: hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học giống như khi hoạt hóa than hoạt tính dạng hạt, dạng bột Điểm khác biệt ở đây là nguyên liệu có thể ở dạng vải dệt, dạng sợi hoặc dạng vải không dệt (màng sợi, nỉ)

Đặc biệt có thể may quần áo hoàn chỉnh từ vải nguyên liệu ban đầu sau đó than hóa, hoạt hóa tạo bộ quần áo từ than hoạt tính dạng Bộ quần áo than hoạt tính chế tạo ra được sử dụng để phòng các hơi khí độc, việc mang mặc như quần áo bình thường

Nguyên liệu cơ bản để chế tạo than hoạt tính dạng vải, sơi là sợi bông, đay, gai, sợi visco, polyvinyl, polyvinylalcol, polyvinylclorua, polyacrynonitril, licnhin, bã thải dầu mỏ …

định được nhiệt độ than hóa từ 600oC đến 1200oC Độ than hóa trong khoảng 12-72%, nhiệt độ hoạt hóa từ 600oC đến 1100oC Trong công đoạn hoạt hóa vẫn sử dụng hơi nước và CO2 làm tác nhân hoạt hóa Các tác giả [12] đã giới thiệu thiết bị công nghệ thí nghiệm để than hóa - hoạt hóa liên tục sợi cacbon hoạt tính bằng khí CO2 Thiết bị có dạng lò đứng, đốt nóng bằng điện, hoạt

động theo chế độ liên tục, chế tạo vải than hoạt tính từ sợi visco

Trong các công trình đó, các tác giả đã nêu 2 phương pháp hoạt hóa vải than hoạt tính Một phương pháp đã xác định nhiệt độ hoạt hóa vải sợi visco trong khoảng 650oC đến 985oC Phương pháp thứ hai thì đề nghị quá trình hoạt hóa các vật liệu xenlulo cần tiến hành liên tục trong quá trình sản xuất Cụ thể là: than hóa 2 phút ở to = 140-204oC; 4 phút ở to = 315-370oC; 3 phút ở to = 537-612oC, sau đó làm nguội nhanh 10 phút Hoạt hóa rồi rửa bằng nước, làm khô 0,5 phút ở to = 870-928oC và 0,5 phút ở to = 370-1425oC, sau đó làm nguội

đến nhiệt độ phòng và cuốn vào cuộn

Các tác giả [14] với mục đích nghiên cứu các tính chất hấp phụ - cấu trúc, cấu trúc xốp và các đặc trưng dinamic đã chế tạo vải than hoạt tính bằng cách cacbon hóa sợi hydratxenlulo ở trạng thái kéo căng và hoạt hóa tiếp theo ở

900oC với tác nhân hoạt hóa CO2 đến các độ thiêu đốt khác nhau

Nhiều kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng: quá trình than hóa có thể thực hiện

được ở nhiệt độ thấp hơn và với thời gian ngắn hơn nếu vải sợi nguyên liệu ban đầu được tẩm một số phụ gia - xúc tác thích hợp như các hợp chất hóa học chứa N, P, Bo, các muối của các kim loại như ZnCl4, CaCl2, MgCl2, NH4Cl, AlCl3, một số axit vô cơ HCl, H3PO4, H3PO4, các muối amoni phốt phát… Các tác giả [13] đã chế tạo vải sợi than hoạt tính từ sợi cacboxyl xenlulo có tẩm muối AlCl3 Công trình [18] đã nghiên cứu nhiệt phân sợi hydratxenlulô tẩm NH4Cl Vải sợi visco được tẩm trước bằng dung dịch nước NH4Cl 0,75M, tách nước và để khô tự nhiên trong không khí và than hóa trong khí quyển trơ

ở nhiệt độ 900oC Hoạt hóa vải sợi cacbon ở nhiệt độ 800oC, tác nhân hoạt hóa

là hơi nước đến độ thiêu đốt theo yêu cầu

Trên cơ sở công nghệ trình bày trong [13], các tác giả [19] đã nghiên cứu chế tạo từ sợi visco cả ba loại than hoạt tính dạng sợi, dạng vải dệt và dạng vải không dệt Độ thiêu đốt khi hoạt hóa từ 24,9-76,3%, giá trị không gian hấp phụ từ 0,224 - 0,854cm3/g, tổng thể tích các loại lỗ từ 0,698 - 2,468cm3/g Khi

có mặt các phụ gia - xúc tác tẩm trên vải sợi nguyên liệu, quá trình than hóa

có thể tiến hành ở nhiệt độ 70-300oC, thời gian 0,5-1,0 giờ, sau đó hoạt hóa

với CO2 hoặc hơi nước ở to = 600oC-1000oC

Một nhóm tác giả khác đã có một loạt công trình nghiên cứu công nghệ chế tạo vải than hoạt tính từ sợi visco đăng tải trên tạp chí “Cacbon” của Mỹ [20], [21], [22], [23], [24], [25]

Vải tơ nhân tạo trên cơ sở sợi visco được than hóa với các điều kiện thực nghiệm khác nhau [20] bao gồm các yếu tố như: tốc độ gia nhiệt, giai đoạn

đẳng nhiệt gần với nhiệt độ phân hủy, quá trình oxi hóa sơ bộ trong dòng không khí Kết quả cho thấy tốc độ than hóa diễn ra chậm hơn sẽ làm nâng cao hiệu suất thu sản phẩm, độ bền kéo cũng như thể tích vi lỗ của than hoạt tính lại cao hơn so với quá trình khí hóa Quá trình oxi hóa sơ bộ nguyên liệu ban đầu bằng dòng oxi không khí có tác dụng làm nâng cao hiệu suất của quá trình than hóa và năng suất Sự có mặt của các nhóm chức bề mặt chứa oxi đã mang lại hoạt tính cao hơn cho sản phẩm so với quá trình khí hóa Nhóm tác giả đã tiến hành thử nghiệm hai chế độ tạo mẫu khác nhau:

- Mảnh vải được cắt nhỏ thành các miếng có kích thước 350x250cm,

được đưa vào thiết bị và tiến hành quá trình than hóa với tốc độ 850oC, duy trì

ở nhiệt độ này trong thời gian 2 giờ với các tốc độ gia nhiệt khác nhau: 0,5; 1,3 và 5oC/phút

- Mảnh vải cũng được cắt thành các miếng nhỏ có kích thước tương tự như trên, đưa vào thiết bị và gia nhiệt dần dần với tốc độ 5oC/phút cho đến khi

đạt 230oC và duy trì ở nhiệt độ trong thời gian 40 phút Đây là nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ xảy ra quá trình phân hủy đẳng nhiệt của vải Việc phân hủy

đẳng nhiệt của vải được theo dõi bằng thiết bị phân tích nhiệt TG

Các tác giả đã tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình ôxi hóa bằng oxi không khí đối với mẫu tơ visco nhân tạo có kích thước 60x250cm là 140, 215, 230,

240oC Sau giai đoạn xử lý sơ bộ này nhiệt độ được nâng lên 850oC và duy trì

2 giờ liên tục Quá trình hoạt hóa được tiến hành ở 825oC với tác nhân CO2 lưu tốc 100ml/phút với thời gian lưu từ 1-2 giờ

Vải cacbon hoạt tính được điều chế từ sợi visco bằng một qui trình hoạt hóa

hai bước liên tục (than hóa sau đó hoạt hóa) và một công đoạn hoạt hóa thêm riêng biệt [21] Tác nhân hoạt hóa là dòng khí CO2 và dòng hơi nước Sản phẩm được kiểm soát thông qua tốc độ khí thoát ra, sự phát triển của kích thước lỗ xốp và sự thay đổi về độ bền kéo đứt Quá trình hoạt hóa trực tiếp sợi nguyên liệu được tiến hành với tốc độ cao hơn tốc độ hoạt hóa than Sản phẩm vải than hoạt tính thu được có thể tích lỗ bé và diện tích bề mặt riêng nhỏ Tác giả cũng đã tập trung nghiên cứu so sánh tác dụng của hai loại tác nhân trên

đối với hoạt tính cũng như đặc trưng cấu trúc xốp dạng vải than hoạt tính Mẫu vải sợi visco có kích thước 700x250mm được Moygashel Ltd - Northern Ireland cung cấp với hai tỷ trọng khác nhau là 9,3 và 9,8 yarns/cm Mẫu vải

được than hóa trong lò nằm ngang với tốc độ tăng nhiệt là 5oC/phút và duy trì

ở nhiệt độ 850oC trong thời gian 2 giờ Sau đó chúng được cắt nhỏ thành các mảnh có bề rộng 50mm và đem hoạt hóa với 2 loại tác nhân hoạt hóa: CO2 và hơi nước ở 775oC và 800oC

Vải cacbon trên cơ sở sợi visco được than hóa ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau: 0,5; 1,3 và 5oC/phút Nhóm tác giả [22] đã điều chế được 6 loại vải khác nhau bằng cách xử lý vải nguyên liệu ban đầu trong không khí ở nhiệt độ

230oC trong thời gian 2,7 giờ trước khi tiến hành quá trình than hóa ở 850oC với tốc độ gia nhiệt 5oC/phút Tất cả các mẫu sau khi than hóa được hoạt hóa ở

825oC với tác nhân CO2 Nhóm tác giả đã phân tích đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện than hóa đến độ rỗng xốp, độ bền cơ học, nhóm chức bề mặt chứa oxi Trên cơ sở đó, nhóm tác giả đã tiến hành tối ưu hóa các điều kiện thực nghiệm để thu sản phẩm Việc sử dụng kỹ thuật nâng và duy trì nhiệt ở

230oC trong quá trình than hóa có tác dụng làm gia tăng tổng thể tích lỗ xốp trung bình và sự phân bố đồng đều thể tích các lỗ xốp nhỏ và tổng thể tích lỗ xốp do sự có mặt của hệ đệm oxi trong đường vào của các hốc trong quá trình khí hóa bằng CO2

Quá trình hoạt hóa hóa học vải trên cơ sở sợi visco được tiến hành bằng phương pháp ngâm tẩm vải gốc với dung dịch của một số hóa chất hoạt hóa

khác nhau như: NH4Cl, AlCl3, ZnCl2, CuCl2, FeCl3, H3PO4, Na2HPO4 [23] Vải sau khi ngâm tẩm đều với hóa chất hoạt hóa được đưa vào thiết bị than hóa trong khí quyển trơ Khi đó, nhờ sự có mặt và thủy phân của các hóa chất tẩm trên bề mặt vải đã xúc tác cho quá trình để hidro hóa và để polymer hóa Tốc

độ quá trình để hydrô hóa nhanh hơn tốc độ để polymer hóa và là hàm của nồng độ chất hoạt hóa tẩm lên Kết quả tạo ra loại vải hoạt tính có tính năng cao hơn hẳn so với vải hoạt hóa không tẩm các phụ gia hoạt hóa nêu trên Hầu hết các hợp chất trên đều có tác dụng nâng cao độ bền kéo của sản phẩm ngoại trừ ZnCl2 Kích thước lỗ xốp của sản phẩm cũng tăng theo hàm lượng phụ gia mang lên vải, các muối clorua tỏ ra thích hợp cho việc phát triển kích thước các mao quản lỗ nhỏ, H3PO4 thích hợp cho việc phát triển mao quản lỗ trung, Na2HPO4 có tác dụng làm tăng số lượng các mao quản có kích thước lớn hơn Vải than hoạt tính thu được có độ dẻo dai, độ bền kéo và độ xốp cao

có thể đáp ứng một số mục đích sử dụng khác nhau

Các mẫu vải than hoạt tính được lấy từ sợi visco nhân tạo dệt hiệu Moygashel sau đó được ngâm tẩm trong hệ dung dịch phôtphat [24] Để ráo nước sau đó đưa vào thiết bị và tiến hành than hóa trong dòng khí nitơ và hoạt hóa bằng dòng khí CO2 với các chế độ thời gian khác nhau ở 850oC Các muối phôtphát được chọn lựa trong nhóm: NaH2PO4.2H2O, NaH2PO4.2H2O,

Na3PO4.12H2O, axit photphoric 85% và muối clorua Tỷ lệ pha trộn các chất

là 3:3:3 trong nước cất hai lần Kết quả cho thấy các mẫu vải có tẩm muối photphat có sự gia tăng rất đáng kể về tổng thể tích lỗ xốp, nhưng sản phẩm cứng hơn

Các mẫu vải sau khi cắt nhỏ ra với kích thước nhất định được ngâm tẩm trong dung dịch muối clorua vô cơ (3% về trọng lượng mỗi muối sau: AlCl3, ZnCl2, NH4Cl) với thời gian ngâm khác nhau ở 90oC [25] Sau đó, vải được vớt ra để ráo nước và sấy khô ở 125oC trong thời gian 12 giờ Kết quả là thu

được vải có sự gia tăng về trọng lượng nằm trong khoảng 12-18% Sau đó chúng được than hóa và hoạt hóa trong lò đứng có sẵn các giá treo và lối thoát

khí CO2 Các yếu tố như tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ ngâm tẩm và chu kỳ thay

đổi pha nhiệt đều được kiểm soát nhờ thiết bị kiểm soát nhiệt có chương trình

định sẵn

Đầu tiên các mẫu vải đã ngâm tẩm hóa chất hoạt hóa được gia nhiệt với tốc

độ 1,5oC/phút đến nhiệt độ 130oC, sau đó tiếp tục nâng lên 320oC với tốc độ 2,5oC/phút và duy trì ở nhiệt độ này trong 30 phút Tiếp tục nâng lên vùng nhiệt độ 750-900oC, tốc độ 3,3oC/phút để hoạt hóa sản phẩm Tiến hành hoạt hóa ở các nhiệt độ và thời gian khác nhau để thu và đánh giá chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, nếu hàm lượng hóa chất và nhiệt độ hoạt hóa cao sẽ làm giảm hiệu suất

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, một loạt công nghệ chế tạo than hoạt tính dạng vải, sợi đã được cấp bằng sáng chế tạo tại Mỹ và châu Âu [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34] Paten US 3849322 [26] đã đưa ra công nghệ than hóa và hoạt hóa liên tục vật liệu dạng vải sợi trong khí quyển CO2 Nguyên liệu đầu có thể dùng vật liệu tự nhiên: visco, xenlulo, lanh hoặc vật liệu tổng hợp đã oxi hóa trước từ polyamid, polyvinylalcol, PAN nhưng tốt nhất là dùng sợi visco

Paten có giới thiệu sơ đồ lò than hóa - hoạt hóa theo kiểu lò đứng, gia nhiệt bằng điện Vải sợi được định vị và đưa vào lò bằng hệ thống nhả ở phía dưới

và cuộn vải ở phía trên của lò

Các phụ gia, xúc tác dùng tẩm vải nguyên liệu gồm các muối AlCl3, CaCl2, FeCl3, CoCl2, ZnCl2, BaCl2, đây là các phụ gia cho hiệu quả tốt Đặc biệt hệ thống thiết bị công nghệ nêu trong sáng chế này có thể dùng chế tạo được quần áo than hoạt tính từ quần áo may bằng vải nguyên liệu ban đầu

Các bước công nghệ như sau:

- Tẩm vải bằng dung dịch phụ gia - xúc tác, sấy khô

- Than hóa trong khí quyển CO2, tốc độ tăng nhiệt 4oC/phút, kết thúc than hóa khi to = 300oC

- Tiếp tục tăng nhiệt lên 600oC và sau đó nâng lên 750oC để hoạt hóa, lưu

lượng khí CO2 10 lít/phút

Điều chú ý đặc biệt quan trọng là trong dòng CO2 khi than hóa và hoạt hóa không được có mặt oxi dù là ở nồng độ rất thấp vì sẽ gây ra hiện tượng ôxi hóa vải sợi

Sản phẩm thu được có chất lượng rất tốt: bề mặt riêng đạt 1200m2/g, độ bền kéo đứt là 40.000 pound/inch2

Paten US No 3847833 [27] mô tả quá trình công nghệ chế tạo vải than hoạt tính từ vải sợi xenlulo tẩm các muối của các kim loại Zn, Al, Fe, Ca, muối

- Than hóa trong lò nung, thổi khí trơ N2 Tốc độ tăng nhiệt 7oC/phút, đạt

780oC duy trì 25 phút Tác nhân hoạt hóa là CO2

Sản phẩm tạo ra có chất lượng như sau:

Các tác giả của dây chuyền công nghệ chế tạo vải than hoạt tính từ hỗn hợp bột xenlulo và các hợp chất của phôtpho đã nhận được bằng sáng chế Paten

US No 3969268 [28]

Công nghệ chế tạo theo paten này bao gồm các bước sau:

- Chế tạo sợi xenlulo từ hỗn hợp bột xenlulo và hợp chất của phôtpho, dệt vải từ sợi thu được

- Xử lý nhiệt vải sợi xenlulo ở to = 200-300oC cho đến khi khối lượng vật liệu đầu vào giảm xuống còn trong khoảng 40-75% trọng lượng

- Hoạt hóa vải than hóa ở to = 450-1000oC, tác nhân hoạt hóa là hơi nước, khí mang là không khí với tỷ lệ ≥5% thể tích, hoạt hóa kết thúc khi khối lượng vật liệu giảm xuống còn khoảng 65-95% so với ban đầu

Sáng chế cho phép chế tạo vải than hoạt tính có chất lượng cao

- Khi sử dụng dung dịch H3PO4 10%, xử lý nhiệt ở 270oC trong 30 phút, hoạt hóa ở nhiệt độ 850oC cũng trong 30 phút thu được sản phẩm có các chỉ tiêu kỹ thuật sau:

+ Độ bền kéo đứt (3,5-4,0).1000 kg/cm2

+ Độ dãn dài 2,5-3,0%

+ Hấp phụ I2 1400-1500 mg/g

+ Hấp phụ benzen 450-650 mg/g

- Khi sử dụng sản phẩm ngưng tụ do phản ứng giữa urê và H3PO4, xử lý nhiệt ở nhiệt độ 250oC thời gian 15 phút trong dòng không khí, hoạt hóa trong khí quyển hơi nước tỷ lệ 50% thể tích sẽ thu được sản phẩm có các chỉ tiêu chất lượng cao:

Ngoài vải sợi nguyên liệu có nguồn gốc từ xenlulo và phương pháp dùng phụ gia là các hợp chất của N, P và các muối clorua đã có rất nhiều công trình

nghiên cứu chế tạo vải than hoạt tính từ sợi tổng hợp và với các phụ gia khác Công trình nghiên cứu xây dựng công nghệ chế tạo vải sợi than hóa bằng phương pháp xử lý nhiệt vải sợi ban đầu trong bầu khí quyển chứa hơi của một axit không có tính oxi hóa, ví dụ HCl ở nhiệt độ thấp đã được cấp bằng sáng chế paten US No 3529934 [29]

Sáng chế sử dụng các loại vải sợi nguyên liệu từ visco, PAN, polyvinylalcol

và cho phép chế tạo dạng vải sợi cacbon hóa (sản phẩm sau than hóa) có độ bền cơ lý khá cao, hiệu suất quá trình cao hơn so với các công nghệ xử lý nhiệt khác Tác nhân HCl có tác dụng tách loại oxi và nitơ từ vải sợi nguyên liệu khi xử lý nhiệt

Xử lý nhiệt sợi PVA trong khoảng 150oC-200oC trong khí quyển hơi axit, oxi hóa tiếp theo trong không khí ở nhiệt độ 300-350oC, thời gian đến 10 giờ Với sợi PAN xử lý nhiệt tốt nhất trong khoảng nhiệt độ 250-350oC, nồng độ hơi axit khoảng 10% thể tích, thời gian xử lý nhiệt đến 20 giờ

Paten US No 4714649 đã đưa ra công nghệ chế tạo vải than hoạt tính từ sợi visco, sợi PAN và sợi pha giữa visco và PAN Sử dụng sợi pha, đó chính là

điểm mới của sáng chế này [30]

Sáng chế đã chỉ ra vải than hoạt tính chế tạo từ sợi visco có khả năng hấp phụ tốt nhưng lại có độ bền cơ lý không cao Trong khi đó vải than hoạt tính chế tạo từ sợi PAN có độ bền cơ lý không giảm so với vải ban đầu nhưng khả năng hấp phụ lại thấp Do vậy cần kết hợp 2 loại sợi này với nhau để chế tạo ra một loại vải than hoạt tính mới

Nội dung của sáng chế là sử dụng một loại sợi pha visco/PAN theo tỷ lệ 60/40, đường kính sợi 50 àm, xe các sợi này thành sợi to hơn và dệt thành vải Tẩm vải bằng dung dịch nước chứa urê và (NH4)2HPO4 sau đó sấy khô

Than hóa vải tẩm trong dòng không khí tuần hoàn, to = 265oC, thời gian 20 phút Hoạt hóa thực hiện ở 800-900oC, tốc độ tăng nhiệt 20-40oC/phút, tác nhân hoạt hóa CO2, thời gian hoạt hóa 15-30 phút Sản phẩm tạo ra vừa có khả năng hấp phụ khá cao vừa có độ bền cơ lý không kém so với vật liệu đầu vào

Sợi vải cacbon trên cơ sở acrylic và vinyl axetat được sử dụng để điều chế sợi vải cacbon hoạt tính [33] Kết quả phân tích xác định đặc trưng của sợi cacbon hoạt tính bằng kỹ thuật SEM, XRD, phân tích nguyên tố, hấp phụ nitơ

ở vùng nhiệt độ thấp cho thấy nó có nhiều đặc tính nổi trội hơn so với các loại sợi trên cơ sở sợi PAN, Kevlarva Nomex

Đặc biệt một điều vô cùng thú vị, chưa từng được công bố trước đây là bức tranh toàn cảnh của sợi hoạt hóa ở 900oC Kết quả quan sát cho phép dự đoán bước đầu về sự thay đổi về cơ chế của quá trình hoạt hóa, bao gồm cả sự thay

đổi về hình thù trong quá trình khí hóa hoặc ở dạng cacbon hoạt động hơn ở vùng nhiệt cháy thấp Điều đó được cho là do có thể có sự sắp xếp lại trật tự các ô mạng trong mạng tinh thể hoặc sự tái tổ hợp lại của vật liệu ở nhiệt độ cao Trong đó, vinylaxetat được đưa vào nhằm đơn giản hóa khâu sản xuất sợi cũng như nâng cao đặc tính của sợi Tuy nhiên, sự có mặt của các copolime cũng có vai trò rất quan trọng trong quá trình sản xuất sợi vì nó có tác dụng làm giảm nhiệt độ của quá trình để hydrô hóa ban đầu, cũng như quá trình

đóng vòng của các nhóm chức nitril Hệ quả của những tác dụng này chúng thúc đẩy cho quá trình chịu bền nhiệt của khung polyme trong sợi, làm cho sợi sau than hóa có mặt của các comonome sẽ làm chậm quá trình đóng vòng nên

sẽ làm giảm độ bền cơ học của sợi thành phẩm Việc thay đổi hàm lượng comonomet sẽ làm ảnh hưởng rất nhiều đến bản chất cũng như chất lượng của sản phẩm Ví dụ, người ta đã chứng minh được rằng tốc độ phân hủy nhiệt của sợi thay đổi theo thứ tự: PAN < PAN-vinyl acetate < PAN-acrylamide<PAN-methacrylic acide

Các nguyên liệu đầu sử dụng được lựa chọn từ 3 loại sợi acrylic do Fisipe

Bồ Đào Nha sản xuất Sợi bao gồm 90% trọng lượng sợi acrylonitrile và 10% sợi vinylacetate

Nhóm tác giả đã sản xuất vải than hoạt tính bằng lò trục đứng do Termolab sản xuất với bộ điều chỉnh nhiệt độ Eurotherm 904 và ống gốm chịu nhiệt 1m Nhiệt độ trong lò trước tiên được hiệu chỉnh, đo và kiểm soát toàn bộ nhiệt độ

các vị trí trong lò Cho khoảng 12 gam sợi được đặt trong một thuyền thép không gỉ dài 10cm vào lò và hiệu chỉnh tốc độ dòng khí mang và nhiệt độ của

lò Sợi được ổn định bằng cách nung nóng ở 300oC với tốc độ nâng nhiệt

1oC/phút và dòng khí mang là nitơ lưu tốc 85 ml/phút, duy trì ở chế độ này trong 2 giờ Sau đó sợi được than hóa với tốc độ gia nhiệt 5oC/phút lên đến

800oC và duy trì trong thời gian 1 giờ Kết thúc giai đoạn này trọng lượng sợi giảm 50-52% so với trọng lượng ban đầu Tiếp theo sợi được hoạt hóa với tốc

độ gia nhiệt 15oC/phút lên 900oC và chuyền dòng khí CO2 vào để hoạt hóa với lưu tốc 85ml/phút Định kỳ kiểm tra, trọng lượng giảm 10-90% là tốt Sau đó chuyển sang dòng khí nitơ để làm lạnh xuống dưới 50oC, tháo sản phẩm ra khỏi lò và đem bảo quản cẩn thận Sản phẩm có những đặc tính hóa lý và hoạt tính hấp phụ tốt mặc dù có những biến đổi nhỏ về cấu trúc, màu sắc, độ cứng

và độ rỗng xốp

Polyvinylclorua một loại hợp chất polymer có sản lượng sản xuất hàng năm trên thế giới rất lớn, đạt đến 19 triệu tấn/năm, đây cũng là nguyên liệu đầu để chế tạo vải than hoạt tính [34] Công nghệ chế tạo bao gồm các bước sau:

- Xử lý nhiệt sợi PVC qua 2 giai đoạn trong khí quyển khí trơ N2: ở

250-270oC trong 2 giờ và 360-430oC trong 2 giờ

- Cacbon hóa trong không khí ở 900oC, tốc độ tăng nhiệt 10oC/phút

- Hoạt hóa ở 900oC thời gian 30-90 phút, tác nhân hoạt hóa là hơi nước với khí mang N2, tỷ lệ H2O:N2=60:100

Sản phẩm thu được có chất lượng khá tốt, bề mặt riêng đạt 1096-2096m2/g, tổng thể tích là 0,72-1,34m3/g

Với mục đích phát triển kỹ thuật sản xuất vải than hoạt tính rẻ hơn và có tính năng cao hơn, các nhà nghiên cứu đã tiến hành tận dụng nguyên liệu vải trên cơ sở sợi acrylic để điều chế ra vải cacbon hoạt tính [35] Nguyên liệu vải acrylic ban đầu được ổn định ở nhiệt độ 250oC trong thời gian 5 giờ để thu

được loại vải mới có độ ổn định đạt trên 79%, sau đó cho dần qua bộ phận than hóa Quá trình xử lý nhiệt được thực hiện tại đây, hoạt hóa sản phẩm thô

bằng dòng hơi nóng Nhiệt độ của quá trình than hóa được nâng lên từ từ theo

kỹ thuật than hóa đa cấp Kết thúc quá trình này diện tích bề mặt riêng cũng như tổng thể tích lỗ của bán thành phẩm chỉ tăng rất ít, song trọng lượng lại giảm tuyến tính theo quá trình tăng nhiệt

Sau đó, vải than hóa được đem hoạt hóa ở 900oC trong thời gian 5 phút Kết thúc công đoạn này sản phẩm vải thu được có diện tích bề mặt riêng và tổng thể tích lỗ xốp tăng lên đột biến đạt lần lượt là 2400m2/g và 1,15cm3/g

Đánh giá các thông số vật lý và đặc trưng hấp phụ của vải cho thấy: chỉ số hấp phụ iod là 1800 mg/g, chỉ số hấp phụ metylen xanh là 300 mg/g, khả năng hấp thụ hơi benzen là 54% Song qui trình này không thích hợp lắm đối với vải than hoạt tính trên cơ sở sợi PAN thương mại

Từ vải sợi visco ban đầu người ta có thể chế tạo được vải than hoạt tính có cấu trúc bề mặt lưỡng tính vừa có nhóm chức axit, vừa có nhóm chức bazơ [36] rất thích hợp dùng làm vật liệu xử lý nước Sản phẩm có dung lượng trao

đổi amion, trao đổi cation khá cao, chỉ số metylen xanh ≥ 350 mg/g, đường kính sợi từ 1-30àm

Phụ gia tẩm lên vải sợi trước khi than hóa là các hợp chất chứa nitơ bao gồm: CO(NH2), (NH4)2CO3, NH4HCO3, NH4CH3COO và một số muối hữu cơ của amoni như các muối foocmiat, cacbamat, citrat và oxalat

Công nghệ chế tạo trình bày trong paten cũng có thể dùng chế tạo vải than hoạt tính từ vải sợi PAN, sợi phenol, sợi hắc ín, licnhin…

Than hóa trong khoảng nhiệt độ 200-800oC Hoạt hóa tiến hành ở nhiệt độ 800-1200oC, tác nhân hoạt hóa là hơi nước, CO2 hoặc hỗn hợp hơi nước và