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

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ QUỐC PHÒNG CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP NHÀ NƯỚC KC06 NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN TRONG SẢN XUẤT CÁC SẢN PHẨM XUẤT KHẨU CHỦ LỰC BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI 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 CẤP NHÀ NƯỚC KC06 NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN TRONG SẢN XUẤT CÁC SẢN PHẨM XUẤT KHẨU CHỦ LỰC BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI 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 TS. Nguyễn Hùng Phong Ban Chủ nhiệm chương trình Bộ khoa học và Công nghệ KC.06/06-10 Văn phòng Các chương trình KT. Chủ nhiệm KT. Giám đốc Phó Chủ nhiệm Phó Giám đốc TS. Phạm Hữu Giục TS. Nguyễn Thiện Thành Hà Nội - 2010 Mc lc Trang Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị Mở đầu 1 Chơng I. Vải than hoạt tính, cấu trúc, tính chất và công nghệ chế tạo 5 1.1. Giới thiệu chung 5 1.2. Cấu trúc vải than hoạt tính 6 1.2.1. Cấu trúc tinh thể 6 1.2.2. Cấu trúc xốp 6 1.2.3. Cấu trúc hoá học bề mặt 8 1.3. Cơ sở lý thuyết hấp phụ trên vải than hoạt tính 10 1.3.1. Thuyết Polanyi - Dubinin 10 1.3.2. Thuyết BET (Brunauer - Emmet - Teller) 11 1.3.3. Thuyết hấp phụ ở áp suất cao - phơng trình Kelvin 12 1.4. Chế tạo than hoạt tính dạng hạt, dạng bột 13 1.4.1. Sơ lợc về công nghệ chế tạo 13 1.4.2. Các phơng pháp hoạt hóa 15 1.5. Công nghệ chế tạo vải than hoạt tính 17 1.5.1. Tình hình nghiên cứu chế tạo vải than hoạt tính trên thế giới 17 1.5.1.1. Giới thiệu chung 17 1.5.1.2. Công nghệ chế tạo 19 1.5.2. Tình hình nghiên cứu chế tạo vải than hoạt tính ở Việt Nam 35 1.5.2.1. Các cơ sở nghiên cứu 35 1.5.2.2. Công nghệ chế tạo 35 Chơng II. Đối tợng và phơng pháp nghiên cứu 48 2.1. Đối tợng nghiên cứu 48 2.2. Phơng pháp nghiên cứu 48 Chơng III. Nội dung khoa học công nghệ đã thực hiện 53 3.1. Kho sỏt, nghiờn cu cụng ngh ch to than hot tớnh dng vi. Hp tỏc quc t nm vng, lm ch cụng ngh 53 3.1.1. Cụng vic 1: Tng kt, phõn tớch ỏnh giỏ cỏc kt qu nghiờn cu ó cú. Nghiờn cu, ch to th nghim sn phm trờn thit b phũng thớ nghim. 53 3.1.1.1. Tng kt, phõn tớch cỏc kt qu nghiờn cu ó cú 53 3.1.1.2. Về nguyên, vật liệu vải, sợi 57 3.1.1.3. Nghiờn c u ch to th nghim vi than hot tớnh trong phũng thớ nghim 58 3.1.2. Cụng vic 2: Kho sỏt kh nng ch to vi than hot tớnh t si t nhiờn Vit Nam. 64 3.1.3. Cụng vic 3: Hp tỏc quc t, hc tp cụng ngh ch to vi than hot tớnh 66 3.2. Thit k, ch to h thng thit b qui mụ pilot 69 3.3. Nghiờn cu nm vng lm ch cụng ngh ch to than hot tớnh dng vi 72 3.3.1. ỏnh giỏ cht lng vi nguyờn liu 72 3.3.2. Nghiờn cu ch to than hot tớnh dng vi dt 73 3.3.3. Nghiờn cu ch to than hot tớnh dng vi khụng dt (mng si) 81 3.3.4. Xỏc lp cụng ngh ch to v ch th, kim tra, ỏnh giỏ cht lng sn phm vi than hot tớnh 85 3.3.4.1. Xõy dng cụng ngh ch to 85 3.3.4.2. Ch th v kim tra, ỏnh giỏ cht lng 85 3.4. Ch to th nghim mt s sn phm ng dng 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 Chương IV. Các kết quả đạt được 118 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 ngh ệ chế tạo vải than hoạt tính 120 4.3. Các sản phẩm dạng I 121 4.3.1. Chế tạo hệ thống thiết bị qui mô pilot 121 4.3.2. Chế tạo vải than hoạt tính 123 4.3.3. Chế tạo vật liệu phòng da 123 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 4.4. Các sản phẩm dạng II 125 4.5. Các sản phẩm dạng III 125 4.6. Đă ng ký giải pháp hữu ích 126 4.7. Tác động đối với kinh tế, xã hội và môi trường 126 Kết luận và kiến nghị 127 Tài liệu tham khảo 130 DANH MC CC Kí HIU, CC CH VIT TT P - áp suất hơi chất bị hấp phụ (mmHg) P S - áp suất hơi bão hòa chất hấp phụ (mmHg) v - Thể tích mol chất bị hấp phụ W - Thể tích không gian hấp phụ (cm 3 /g) W o - Thể tích không gian hấp phụ giới hạn (cm 3 /g) - Hệ số tơng đơng T - Nhiệt độ tuyệt đối a - Độ hấp phụ ở áp suất tơng đối P/Ps (mM/g) a m - 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 ngng tụ - Sức căng bề mặt - Góc thấm ớt giữa chất lỏng bị hấp phụ và chất hấp phụ r - bán kính lỗ R - hằng số khí T - nhiệt độ tuyệt đối V 1 - Lu lợng dòng khí sục qua bình bay hơi (ml/ph) V 2 - Lu lợng dòng khí dùng pha loãng (ml/ph) N - Số Avôgađrô (6,023.10 20 phân tử/mMol) W 0 - Diện tích phân tử chất bị hấp phụ (với benzen W 0 = 40.10 -20 m 2 ) a O - dung lợng hấp phụ ở P/P S = 0,175 (mM/g) a S - dung lợng hấp phụ ở P/P S = 0,99 (mM/g) V n - Thể tích lỗ nhỏ trong than (cm 3 /gam) V tr - Thể tích lỗ trung trong than (cm 3 /gam) V l - Thể tích lỗ lớn trong than (cm 3 /gam) V - Tổng thể tích các loại lỗ trong than (cm 3 /gam) - Tỷ trọng biểu kiến của than hoạt tính (g/cm 3 ) d - Tỷ trọng thực của than hoạt tính (g/cm 3 ) DANH MC CC BNG 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 lợng của vải sợi acrylic theo thời gian oxy hóa 60 Bảng 3.2. Các chỉ tiêu cấu trúc xốp của mẫu vải than hoạt tính tự điều chế 61 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 nớc ngoài. 63 Bảng 3.5. Các chỉ tiêu cơ lý của mẫu vải than hoạt tính nớc ngoài 63 Bng 3.6. Ch tiờu cht lng vi than hot tớnh t si t nhiờn 64 Bng 3.7. Cht lng ca vi nguyờn liu 73 Bng 3.8. Kt qu kho sỏt giai on than húa (mt s mu i din) 76 Bảng 3.9. ảnh hởng của nhiệt độ hoạt hoá đến chất lợng mẫu 78 Bảng 3.10. ảnh hởng của thời gian hoạt hoá đến chất lợng mẫu nghiên cứu 79 Bảng 3.11. ảnh hởng của lợng tác nhân hoạt hoá đến chất lợng mẫu nghiên cứu. 80 Bng 3.12. Kt qu kho sỏt giai on than húa (mt s mu i din) 83 Bảng 3.13. Chỉ tiêu cấu trúc xốp của vải than hoạt tính (theo benzen) 91 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 lợng chính than hoạt tính dạng vải dệt 95 Bảng 3.18. Chỉ tiêu chất lợng của các loại vải 99 Bảng 3.19. Chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu phòng da kiểu lọc- hấp phụ 100 Bng 3.20. Ch tiờu k thut ca vi than hot tớnh 101 Bng 3.21. Ch tiờu k thut ca giy lc xol khớ 101 Bng 3.22. Thụng s ng lc ca quỏ trỡnh hp ph C 6 C 6 , hp th HCN 104 Bảng 3.23. Chỉ tiêu kỹ thuật của phin lọc thiết kế. 108 Bng 3.24. Ch tiờu cht lng ca hp lc c quõn s 108 Bảng 3.25. Chỉ tiêu chất lợng bán mặt nạ phòng độc công nghiệp 114 Bảng 3.26. Chỉ tiêu chất lợng 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 Bng 4.3. Ch tiờu cht lng vi than hot tớnh t si t 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 Bng 4.6. Ch tiờu cht lng ca hp lc c quõn s 124 Bảng 4.7. Chỉ tiêu chất lợng bán mặt nạ phòng độc công nghiệp 124 Bảng 4.8. Chỉ tiêu chất lợng khẩu trang phòng độc công nghiệp 125 DANH MC CC HèNH V, TH 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 phơng 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 phơng 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 phơng 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 phơng 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 2.1 Sơ đồ cân hấp phụ động Mc Bell 49 Hình 2.2. Đờng đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ benzen trên vải than hoạt tính. 50 Hình 2.3. Đồ thị đờng thẳng BET 51 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. S nguyờn lý thit b ch to vi than hot tớnh ca Vin Khớ - Kiep - Ucraina (vi dng cun) 66 Hỡnh 3.4. nh cm thit b ch to vi than hot tớnh 71 Hình 3.5. Giản đồ TGA vải không tẩm phụ gia 74 Hình 3.6. Giản đồ TGA vải tẩm phụ gia 75 Hình 3.7. Giản đồ TGA mng sợi không tẩm phụ gia 82 Hình 3.8. Giản đồ TGA mng 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. ng ng nhit hp ph - gii hp ph vi hi benzen trờn vi than hot tớnh (t O = 25 O C) 88 Hỡnh 3.12. ng ng nhit hp ph - gii hp ph vi hi benzen trờn mng si than hot tớnh (t O = 25 O C) 88 Hình 3.13. Đờng đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ khí N 2 ở nhiệt độ nitơ lỏng (-196 0 C) 90 Hình 3.14. Đờng thẳng BET tính bề mặt riêng theo Nitơ 90 Hình 3.15. Đờng phân bố vi phân thể tích lỗ xốp nhỏ theo đờng kính lỗ xốp của vải than hoạt tính 91 Hình 3.16. Đồ thị Sylop t = f(L) của vải than hoạt tính với benzen 93 Hình 3.17. Bản vẽ thiết kế vỏ hộp lọc MV-5 102 Hỡnh 3.18. ng cong Sylop vi HCN ca vi than hot tớnh tm Cu, Cr, Ag 103 Hỡnh 3.19. ng cong Sylop vi benzen ca vi than hot tớnh tm Cu, Cr, Ag 104 Hỡnh 3.20. th s ph thuc ca tr lc tng lc vo chiu dy lp vi than hot tớnh tm Cu, Cr, Ag 105 Hình 3.21. Đồ thị Sylop t = f(L) của vải than hoạt tính với benzen 113 [...]... thứ nhất, lần đầu tiên than hoạt tính dạng hạt đợc 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 đợc phát hiện... loại than hoạt tính sau: than lọc hơi khí, than lọc nớc, 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 đợc sản xuất trên qui mô công nghiệp và là sản phẩm thơng mại đợc rao bán rộng rãi trên thị trờng Là than hoạt tính thế hệ 3 cho nên cấu trúc, tính chất, qui luật hấp phụ của vải than hoạt tính cũng giống nh than hoạt tính. .. nghiên cứu ứng dụng thực tế than hoạt tính dạng vải, sợi đợc 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 đợc thành sợi đều có thể dùng để chế tạo than hoạt tính dạng vải, sợi Về tính chất, cấu trúc của than hoạt tính. .. 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 đơc điều chế từ các vật liệu khi đốt chúng cho ta cacbon Các nguyên liệu chứa cacbon đợc 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 đợc gọi là than hoạt tính Than. .. bản: hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học giống nh 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 đợc sử dụng để phòng các hơi khí độc, ... do chất độc hại có ngay trong chính vật liệu dùng xử lý - Có khối lợng riêng nhỏ hơn khá nhiều so với than hoạt tính dạng bột, dạng hạt nên giảm đợc khối lợng các phin lọc, các bộ lọc, các thiết bị lọc sử dụng chúng làm vật liệu lọc - Có độ cản trở dòng khí, dòng nớc đi qua chúng nhỏ hơn so với đi qua lớp than hoạt tính dạng hạt, dạng bột Đây là một trong những u việt của than hoạt tính dạng vải sợi... 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 đợc thành sợi đều có thể dùng để chế tạo ra vải than hoạt tính [4] Hiện nay than hoạt tính. .. tạo than hoạt tính dạng hạt, dạng bột 1.4.1 sơ lợc về công nghệ chế tạo Để chế tạo than hoạt tính dạng hạt, dạng bột, cần phải thực hiện theo qui trình sau [1], [3], [5], [8]: * Chế tạo than hoạt tính dạng bột (ví dụ than tẩy màu) - Xử lý nguyên liệu - Tạo mảnh - Than hóa - Hoạt hóa - Nghiền mịn - KCS và bao gói * Chế tạo than hoạt tính dạng hạt đập mảnh tự nhiên (ví dụ than gáo dừa) - Xử lý nguyên liệu. .. 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 dới 17 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 nh không có mặt kim loại nặng nh Fe, Mn, Pb, As nh than hoạt tính dạng bột, dạng hạt nên đợc sử dụng trong y tế, trong xử lý nớc sinh hoạt, ... tạo than hoạt tính dạng bột và dạng hạt truyền thống Để chế tạo than hoạt tính dạng vải ngời ta cũng phải trải qua các giai đoạn: xử lý nguyên liệu đầu, than hóa và hoạt hóa Nhng than hóa phải thực hiện trong môi trờng khí trơ sau đó hoạt hóa ở nhiệt độ 600oC đến 2000oC trong môi trờng CO2, hơi nớc, khí axít, hoặc các muối clorua của Zn, Al, K Hoạt hóa để chế tạo than hoạt tính dạng vải, sợi cũng dùng . 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 đơc điều. thể xuất khẩu. Đó chính là cơ sở khoa học và thự c 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& quot;,. than hoạt tính dạng hạt đợc 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