tổng quan về than hoạt tính. nguyên liệu và phương pháp điều chế. ứng dụng than hoạt tính trong xử lý cồn.

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại than hoạt tính khác nhau, sản xuất theonhiều phương pháp và đi từ các nguồn nguyên liệu rất khác nhau như khí thiên nhiên, bã thải nông nghiệp

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ THAN HOẠT TÍNH 4

I – Giới thiệu chung về than hoạt tính 4

1 Định nghĩa 4

2 Lịch sử hình thành và phát triển 5

3 Phân loại 6

4 Cấu trúc mao quản của than hoạt tính 9

5 Tái sinh than hoạt tính 11

6 Ứng dụng 13

II – Tính chất vật lý 14

1 Kích thước hạt 14

2 Diện tích bề mặt riêng 15

3 Cấu trúc vật lý 16

4 Khối lượng riêng 17

III – Tính chât hóa học 18

IV – Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính 20

III – Phương pháp sản xuất 20

1 Quá trình than hóa 20

2 Quá trình hoạt hóa 21

IV - Ứng dụng than hoạt tính trong tinh chế cồn 24

1 Giới thiệu 24

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc 25

3 Phương pháp lọc 26

4 Hiệu quả của quá trình lọc 33

PHẦN 2: ĐIỀU CHẾ THAN HOẠT TÍNH TỪ CÁC NGUỒN NGUYÊN LIỆU KHÁC NHAU 34

I - Mục đích 34

II – Thực ngiệm 34

1 Điều chế than hoạt tính: 34

2 Đo chỉ số Iot 35

III - Kết quả thí nghiệm 36

1 Chuẩn độ lại nồng độ I2 36

2 Tính chỉ số iot 36

3 Nhận xét 39

KẾT LUẬN 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

MỞ ĐẦU

Than hoạt tính từ lâu đã được chế tạo và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau,

từ ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày đến các ứng dụng trong công nghiệp Thanhoạt tính với những đặc tính tuyệt vời của mình có thể làm sạch nước, không khí thậmchí là tham gia vào các quá trình tinh chế các chất hóa học hữu ích khác

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại than hoạt tính khác nhau, sản xuất theonhiều phương pháp và đi từ các nguồn nguyên liệu rất khác nhau như khí thiên nhiên,

bã thải nông nghiệp hay than bùn,… Tuy đa dạng về mặt mẫu mã, chủng loại nhưngnhững tính chất cơ bản của chúng không khác xa nhau

Với mục đích hiểu rõ hơn về các loại than hoạt tính và những tính chất ưu việtcủa chúng, chúng em quyết định chọn đề tài nghiêm cứu “Tổng quan về than hoạt tính.Nguyên liệu và các phương pháp sản xuất Ứng dụng than hoạt tính trong tinh chếcồn” làm đề tài đồ án chuyên ngành cử nhân của mình

Qua đồ án này, ta sẽ nắm được những khái niệm cơ bản về tính chất, phân loại,ứng dụng của than hoạt tính, cũng như các phương pháp sản xuất than hoạt tính từnhiều nguồn khác nhau Trong quá trình thực hiện, do thời gian có hạn nên đồ án cònnhiều thiếu sót, chúng em mong cô và các bạn góp ý, bổ sung để đồ án của chúng emhoàn thiện hơn

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ THAN HOẠT TÍNH

I – Giới thiệu chung về than hoạt tính

1 Định nghĩa

Gần đây, cacbon được xem như là một nguyên tố tuyệt vời của cuộc cách mạngkhoa học vật liệu Từ cacbon chúng ta sẽ có được than hoạt tính, một chất hấp phụ xốprất tốt, với các đặc tính tuyệt vời, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp

Than hoạt tính là một thuật ngữ thường được sử dụng cho một nhóm các chấthấp phụ dạng tinh thể, có cấu trúc dạng mao quản làm cho diện tích bề mặt lớn, khảnăng hấp phụ tốt hơn

Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon, chiếm từ 85 đến 95% khốilượng Phần còn lại là các nguyên tố khác như hydro, nitơ, lưu huỳnh, oxi,… có sẵntrong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong quá trình hoạt hóa.Thành phần của than hoạt tính thông thường là: 88% C; 0.5% H; 0.5% N; 1% S và 6-7% O Hàm lượng oxi có thể thay đổi từ 1 đến 20% tùy thuộc vào nguyên liệu và cáchđiều chế than hoạt tính

Than hoạt tính có diện tích bề mặt khoảng 800 – 1500 m2/g chủ yếu là do các lỗnhỏ có bán kính dưới 2 nm tạo ra, thể tích mao quản từ 0.2 – 0.6 cm3/g

Mỗi năm khoảng 150 nghìn tấn than hoạt tính dạng bột được sản xuất, cùng vớikhoảng 150.000 tấn than dạng hạt và 50.000 tấn dạng viên hoặc thanh

Nhiều nguyên liệu khác nhau có thể được sử dụng như gỗ, nhựa, đá hay các vậtliệu tổng hợp để sản xuất than hoạt tính mà không cần đưa chúng về dạng cacbon,đồng thời vẫn có được hiệu quả tương tự Than hoạt tính sau khi sử dụng có thể được

tái sinh (làm sạch hoặc giải hấp phụ) và có thể sử dụng hàng trăm, thậm chí hàng ngànlần.

Than hoạt tính được sản xuất từ các nguyên liệu tự nhiên bằng cách than hóa và

xử lý tiếp Trong quá trình này, một vài thành phần chuyển hóa thành khí và bay hơikhỏi nguyên liệu ban đầu tạo thành các lỗ trống xốp (mao quản)

Hiện nay trên thị trường, than hoạt tính được bán dưới ba dạng:

Than hoạt tính còn được sử dụng trong các mặt nạ phòng độc trong thế chiến thứnhất

- Năm 1793 Ken-xơ đã dùng than gỗ để hút mùi hôi ở những vết thương có tínhhoại tử.

- Năm 1773 Silo đã quan sát và mô tả hiện tượng hấp phụ trên than gỗ

- Năm 1777 Phôn-tan-na đã đưa than nóng đỏ vào ống chứa khí úp ngược trênthủy ngân và nhận thấy phần lớn khí trong ống bị than hút mất

- Trong lĩnh vực dung dịch, năm 1785 Tô-vơlo-vit đã thấy than gỗ có thể tẩymàu nhiều dung dịch

- Năm 1794 Lip-man cũng thấy than gỗ tẩy màu tốt các dung dịch đường mía vànăm 1805 Gu-li-on đã dung than gỗ để tẩy màu trong công nghiệp đường

- Sang đầu thể kỷ 20, vào năm 1922 Bi-si mới thành công trong việc chế tạothan tẩy màu

-Than được chế tạo bằng cách trộn than máu với potdineeg rửa và sấy

- Năm 1872 Han-xơ nghiên cứu khả năng than sọ dừa hấp thụ N2, H2 ,NH3 vàHCN ở khoảng nhiệt độ từ 0-70°C thấy HCN được hấp thụ tốt hơn NH3, N2 , H2

- Ở nước ta từ những năm đâu thập kỷ 60 đã nghiên cứu một số than hoạt tínhdung cho mặt nạ phòng độc và phục vụ nhu cầu phát triển

3 Phân loại

3.1 Phân loại theo Misec

Có nhiều cách để phân loại than hoạt tính Cách đơn giản nhất theo Misec làphân loại theo hình dáng bên ngoài của nó Theo cách này than hoạt tính được phânthành hai nhóm:

a Than bột:

Nhóm này gồm than tẩy màu và than y tế Vì độ khuếch tán trong dung dịch nhỏnên quá trình hấp phụ xảy ra trong dung dịch rất chậm Để tăng cường độ thiết lập cânbằng hấp phụ than được nghiền thành bột mịn.

b Than hạt

Than hạt chủ yếu được dùng trong hấp phụ khí và hơi, vì vậy còn có tên gọi làthan khí Đôi khi than hạt cũng được dùng trong môi trường lỏng, đặc biệt là để lọcnước

Than hạt có thể là dạng mảnh hoặc dạng trụ Nguyên liệu được xay đến kíchthước nhất định và được hoạt hóa Than hạt dạng trụ hoàn chỉnh được chế tạo theo quytrình phức tạp hơn Nguyên liệu được chuẩn bị ở dạng vữa, ép vữa thành sợi và cắtthành hạt rồi tiếp tục các bước sản xuất khác

3.2 Phân loại Meclenbua

Meclenbua phân loại than hoạt tính theo mục đích sử dụng và vì vậy than gồmnhiều loại:

a Than tẩy màu

Đây là nhóm cơ bản, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp để tẩymàu dung dịch Ở đây, than hấp phụ chất bẩn có màu Kích thước phân tử chất màuthay đổi trong phạm vi rộng từ dạng phân tử thông thường tới dạng lớn và tới các tiểuphân có độ phân tán keo

Than tẩy màu dùng ở dạng bột mịn có kích thước hạt khoảng 80 – 100 µm.Than tẩy màu còn gồm than kiềm, than axit và than trung tính

b Than y tế

Than có khả năng hấp phụ các chất tan phân tán dạng keo trong dịch dạ dày vàruột Đây cũng là than tẩy màu, chỉ khác là có độ sạch cao Trong quá trình sản xuấtkhông nên dùng những chất tẩm chứa nhiều cation độc như thiếc, đồng, thủy ngân,…

c Than hấp phụ

Tùy vào chất lượng và đích sử dụng, than hấp phụ còn được chia thành ba loại:

- Than ngưng tụ: Than được dùng để gom hơi các chất hữu cơ trong không khí,chẳng hạn dùng để tách benzen khỏi các khí thiên nhiên nhằm quay vòng dung môi dễbay hơi trở lại quy trình sản xuất Than có hoạt tính cao, độ bền cơ học cao, trở lực lớpthan đối với dòng khí nhỏ, khả năng lưu trữ chất bị hấp phụ thấp Thường than đượcsản xuất dưới dạng viên định hình hay dạng mảnh đường kính từ 2 – 8 mm, chiều dàikhoảng 1.5 lần đường kính

- Than xúc tác: cũng là một dạng than khí, có độ xốp lớn, có thể dùng làm chấtxúc tác trong tổng hợp nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ

- Than khí: Than có khả năng hấp phụ chọn lọc khí và hơi Có thể dùng than này

để tách các hợp phần khí hay hơi ra khỏi hỗn hợp của chúng Than có ứng dụng rộngrãi trong công nghệ dầu mỏ để làm sạch các chất thơm, không khí,…; để làm sạchnước,… Than được sản xuất dưới dạng mảnh hay hạt định hình với kích thước tùythuộc vào mục đích sử dụng

3.3 Phân loại theo Đu-bi-nin

Đu-bi-nin đã dựa vào cấu trúc xốp để phân loại than hoạt tính Chia than hoạttính thành dạng thu hồi và dạng khí là không có ý nghĩa về đặc trưng cấu trúc Theoông chia than thành ba dạng dưới đây là hợp lý:

a Than hoạt tính hấp phụ khí

Dùng cho hấp phụ khí, hơi và các chất dễ bay hơi Dạng than này thuộc chất hấpphụ có cấu trúc xốp nhỏ loại I Đặc trưng cấu trúc của dạng than này là khi tăng thểtích hấp phụ trong lỗ xốp nhỏ làm dễ dàng cho sự hấp phụ đẳng nhiệt

b Than hoạt tính thu hồi

Dùng hấp phụ hơi các dung môi công nghiệp nhằm thu hồi và đưa chúng trở lạichu trình sản xuất Dạng than này thuộc chất hấp phụ có cấu trúc hỗn tạp Dung tíchhấp phụ lớn nhưng khả năng lưu giữ chất bị hấp phụ thấp, nhất là trong điều kiện khửhấp phụ bằng hơi quá nhiệt

c Than tẩy màu

Than tẩy màu dùng để tẩy màu và lọc sạch dung dịch, chất lỏng Than chủ yếuthuộc chất hấp phụ có cấu trúc loại II Than chứa tỷ lệ lớn lỗ có kích thước đủ lớn đểhấp phụ các phân tử màu và các tạp chất khác có mặt trong pha lỏng Khi cần hấp phụcác chất có phân tử nhỏ khỏi dung dịch thì dùng tan có cấu trúc loại I

Sự phân loại than hoạt tính giúp chúng ta có định hướng dễ dàng trong sản xuất

và trong việc tìm loại than thích hợp cho mục đích sử dụng của mình Than hoạt tínhđược sản xuất từ các cơ sở khác nhau, tuy có nhãn hiệu và tên thành phẩm khác nhau,nhưng có thể có tính chất hấp phụ giống nhau

4 Cấu trúc mao quản của than hoạt tính

Các mao quản trong than hoạt tính được chia thành ba loại theo kích thước củachúng:

- Mao quản micro (mao quản nhỏ): những mao quản có bán kính nhỏ hơn 1 nm

- Mao quản meso (mao quản trung): những mao quản có bán kính từ 1-25 nm

- Mao quản macro (mao lớn): những mao quản có bán kình trên 25 nm

Hình 1 Cấu trúc mao quản của than hoạt tínhThan hoạt tính có mao quản lớn thường được sử dụng để vận chuyển chất lỏngcòn việc hấp phụ thường sử dụng than hoạt tính có các mao quản vừa và nhỏ Các maoquản được hình thành trong quá trình sản xuất, khi mà nguyên liệu được hoạt hóa Cácmao quản này không được tạo ra bằng phản ứng hóa học.

Than hoạt tính chế tạo từ than bùn có cả mao quản meso và micro Trong quátrình sản xuất có thể điều khiển được quá trình hình thành mao quản meso – micro vàtạo ra nhiều mao quản meso cho than hoạt tính có nhiều ứng dụng Than hoạt tính dạngbột có chứa nhiều mao quản meso Than hoạt tính loại này có các mao quản meso kíchthước 1-4 nm, cùng với các mao quản meso lớn hơn, gần như là dạng bột

Than hoạt tính chế tạo từ than đá cũng có cả mao quản micro và meso và cũng

đa chức năng Một trong những loại than phổ biến nhất trên thị trường có cỡ hạt

khoảng 0.4-1.4 mm Một loại than mới được sử dụng và ngày càng được dùng nhiều có

cỡ hạt nhỏ hơn, khoảng 0.4 – 0.85 mm

Than hoạt tính sản xuất từ vỏ dừa chỉ có cấu trúc mao quản micro, kích thướcdưới 1 nm Nếu dùng loại than hoạt tính này để tinh chế cồn (thường có rất nhiều tạpchất có kích thước khoảng 2-10 nm) thì sẽ có thể gây ra tắc nghẽn mao quản, kết quả làthan hoạt tính không thể sử dụng được hết năng suất tối đa Tuy nhiên vẫn có thể thànhcông vì khả năng hấp phụ của than hoạt tính làm từ dừa cao gấp 2-3 lần các loại thanhoạt tính khác

Than hoạt tính chế tạo bằng hoạt hóa hóa học có độ xốp cao hơn nhiều so vớiviệc hoạt hóa bằng hơi nước, tạo ra được nhiều mao quản micro và meso

5 Tái sinh than hoạt tính

Nếu loại bỏ hết các tạp chất trong than hoạt tính đã sử dụng thì chúng có thểđược tái sinh và sử dụng lại Sau khi tái sinh, than hoạt tính có thể phục hồi đến 80%hiệu quả sử dụng, mà trong thực tế là 100% vì ít khi sử dụng than hoạt tính đến giớihạn của nó Theo lý thuyết, việc này có thể thực hiện nhiều lần theo ý muốn Đối vớicác loại than hoạt tính mềm (than hoạt tính từ than bùn sẽ giảm chất lượng khi tái sinh)thì các hạt sẽ trở nên nhỏ hơn sau mỗi lần tái sinh Còn với các loại than hoạt tính cứnghơn, như vỏ dừa hay than đá, sẽ vẫn giữ được chất lượng tốt và có thể tái sinh khoảngvài trăm lần

Có 2 cách để tái sinh than hoạt tính:

- Bằng nhiệt (tái sinh nhiệt);

- Bằng hơi nước (tái sinh hơi nước);

5.1 Tái sinh bằng nhiệt

Tái sinh bằng nhiệt trong công nghiệp được thực hiện theo các bước sau:

- Than hoạt tính được sấy khô

- Sau đó gia nhiệt để cacbon hóa các tạp chất chứa trong các mao quản của thanhoạt tính

- Than hoạt tính được hoạt hóa ở khoảng 700 - 1000°C Ở nhiệt độ này các tạpchất sẽ chuyển thành hơi và thoát ra khỏi than hoạt tính Quá trình này được thực hiệntrong môi trường yếm khí để đảm bảo rằng than hoạt tính không bị đốt cháy Bằngcách này, các mao quản sẽ được hình thành một lần nữa và than hoạt tính được táisinh

Cách này ít khi được sử dụng cho những người chưng cất rượu tại gia Ở một sốvùng, tái sinh nhiệt được thực hiện theo các bước sau:

- Bắt đầu bằng việc đổ than hoạt tính vào sàng và rửa sạch với nước nóng từ vòi.Nếu than hoạt tính có cỡ hạt 0.4 – 0.85 mm thì chúng sẽ chui qua được các lỗ sàngthông thường khi rửa Bạn có thể sàng với các loại lưới tốt hơn hoặc bỏ qua hoàn toànbước này

- Sau đó đun sôi than hoạt tính trong nước 10 – 15 phút để hòa tan môt vài rượubậc cao (đã tái sinh được 15 – 20%) Đun đến khi bay hơi Đun lại nếu cần thiết

- Than hoạt tính sau đó được sấy khô Sau khi than đã khô, nó được đặt vào một

lò sấy điện

- Bật lò ở 140 °C hoặc 150°C và nung than hoạt tính trong khoảng 2 – 3 giờ

- Tắt lò và đợi cho than hoạt tính nguội Bây giờ nó đã sẵn sàng để tái sử dụnglại

Các tạp chất khi bay hơi khỏi than hoạt tính trong quá trình đun nóng có mùi rất

tệ Đồng thời, việc tái sinh than hoạt tính trong lò điện rất nguy hiểm vì nó có thể cháy.Than hoạt tính làm từ gỗ và than bùn cháy ở khoảng 200°C còn than đá ở khoảng400°C Than đá vẫn có thể tái sinh trong lò điện ở khoảng 300 - 350°C nếu muốn

5.2 Tái sinh bằng hơi nước

Tái sinh bằng hơi nước là phương pháp thường được sử dụng trong công nghiệptinh chế cồn Nó được thực hiện theo các bước sau:

- Lọc ngược dòng với nước nóng Được thực hiện từ trên xuống Trong các bộlọc than hoạt tính luôn luôn thực hiện từ dưới lên

- Sau đó, hơi nước được cho đi qua than hoạt tính Nó cũng được thực hiện từtrên xuống Hơi nước ở 120 - 130°C và than hoạt tính cũng được làm nóng đến nhiệt

độ tương tự Tất cả các tạp chất và rượu tạp bay hơi khỏi các mao quản

- Cuối cùng than hoạt tính được rửa ngược và sẵn sàng sử dụng lại

II – Tính chất vật lý

Than hoạt tính được sản xuất và bán trên thị trường quốc tế rất đa dạng Mỗi loạithan đều có công dụng riêng biệt đáp ứng các nhu cầu công nghiệp cụ thể Tuy nhiên,xét về mặt vật lý và đặc trưng kỹ thuật thì chúng có những đặc điểm chung quyết địnhđến khả năng hấp phụ là:

Người ta thường sử dụng hai phương pháp để xác định kích thước hạt than là:

- Phương pháp hiển vi điện tử;

hạt trung bình là 180 ÷ 600 Å; than sản xuất bằng lò khí có đường kính hạt trung bình

là 400 ÷ 800 Å Phương pháp nhiệt phân cho than hoạt tính có đường kính hạt trungbình lớn nhất là 1400 ÷ 4000 Å Người ta đã đưa ra công thức tính đường kính trungbình của hạt than hoạt tính như sau:

S h= 6

ρ D A

Trong đó: ρ – khối lượng riêng của than hoạt tính;

DA – đường kính bề mặt trung bình hạt than;

nó hay các dung dịch iot, phenol,… Diện tích riêng bề mặt được tính toán bằngphương pháp này gọi là diện tích hấp phụ riêng Sp.

Giá trị Sp cho mỗi chất lỏng hấp phụ khác nhau thì khác nhau vì chất lỏng phân

tử lượng lớn hơn thì khả năng hấp phụ kém hơn Để đánh giá mức độ phẳng nhẵn bềmặt các cấu trúc than có thể sử dụng tỷ số giữa diện tích hấp phụ riêng và diện tích bềmặt hình học riêng Tỷ số này càng lớn bề mặt tiếp xúc giữa hai pha càng cao

3 Cấu trúc vật lý

Cấu trúc của than hoạt tính được đánh giá bằng mức độ phát triển cấu trúc bậcnhất của nó Mức độ phát triển cấu trúc này phụ thuộc vào phương pháp sản xuất vànguyên liệu đầu đưa vào để sản xuất than Cấu trúc bậc nhất phát triển mạnh nhất trongthan sản xuất bằng phương pháp lò Liên kết hóa học C – C đảm bảo cho cấu trúc có

độ bền cao Số lượng các hạt than sơ khai có cấu trúc dao động từ vài hạt đối với than

có cấu trúc thấp đến 600 hạt đối với than có cấu trúc cao

Trong thời gian bảo quản, các cấu trúc bậc nhất của than hoạt tính tiếp xúc vớinhau, liên kết lại với nhau tạo thành liên kết bậc hau của than hoạt tính Mức độ bềnvững của cấu trúc bậc hai phụ thuộc vào độ bền liên kết giữa các cấu trúc bậc nhất và

dao động trong khoảng độ bền của liên kết Van der Waals đến độ bền liên kết hydro cótrong than Cấu trúc bậc hai càng bền vững khi các hạt than có kích thước càng nhỏ,mức độ nhám bề mặt càng lớn và hàm lượng các nhóm chứa oxy trên bề mặt than càngcao

Cấu trúc của than hoạt tính có thể xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử và

có thể đánh giá gián tiếp qua lượng dầu được than hoạt tính hấp phụ (trị số dầu củathan) Trị số dầu của than họa tính là lượng dầu hay lượng chất lỏng không bốc hơi(ml), trơ hóa học với than hoạt tính được hấp phụ lên bề mặt của than họa tính tạothành bột nhão Theo lý thuyết, lượng dầu hấp phụ này chính là khoảng không giangiữa các hạt than khi các hạt than này nằm sát với hạt kia Nếu cấu trúc của than cànglớn, mức độ kết bó chặt chẽ của than giảm, lượng dầu cần thiết để trộn miết với thancàng nhiều hơn Như vậy, trị số dầu là đại lượng tổng hợp để đánh giá giá trị diện tích

bề mặt riêng và mức độ cấu trúc của than hoạt tính

4 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng của than hoạt tính là đại lượng phụ thuộc vào phương phápxác định nó Chẳng hạn, nếu như dùng rượu, axeton để xác định khối lượng riêng củathan hoạt tính thì rượu và axeton lại là các phân tử quá lớn, không len lỏi và các khe,

kẽ giữa các hạt than và trên bề mặt than Như vậy, thể tích do các hạt than chiếm sẽ lớn

và khối lượng riêng sẽ nhỏ hơn khối lượng riêng thực của than Khối lượng riêng củathan hoạt tính xác định bằng phương pháp này dao động trong khoảng từ 1800 ÷ 1900km/m3 Khi xác định khối lượng riêng của than hoạt tính trong heli lỏng, thu được giátrị từ 1900 ÷ 2000 kg/m3 Khối lượng riêng của than hoạt tính được tính toán theo hằng

số mạng tinh thể là 2160 ÷ 2180 kg/m3

Than hoạt tính dạng bột là các hạt nằm sát bên nhau và ở các góc cạnh, các cung

là không khí, vì thế khối lượng riêng của nó nhỏ hơn nhiều và dao động từ 80 ÷ 300

kg/m3, phụ thuộc vào mức độ phát triển cấu trúc của than Than có cấu trúc càng lớn,khoảng trống giữa các cấu trúc càng nhiều và giá trị khối lượng riêng càng nhỏ.

Qua ứng dụng của than hoạt tính, người ta thấy rằng giá trị khối lượng riêng

1860 kg/m3 thường được sử dụng khá phổ biến

III – Tính chất hóa học

Phân tích cấu tạo và cấu trúc của than hoạt tính bằng tia Rơnghen cho thấy các hạt than hoạt tính có cấu trúc mạng phẳng, cấu tạo từ các vòng cacbon, vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong vòng giống vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong benzen Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết hóa học như sau:

Khoảng 3 ÷ 7 mạng cacbon phẳng sắp xếp thành từng lớp, mạng này lên mạng khác, nhưng không trồng khít và chính xác như nhau mà các nguyên tử cacbon ở các mạng khác nhau nằm lệch nhau tạo thành các tinh thể sơ khai của than hoạt tính

Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một mạng là 1.42 Å, khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon tương ứng ở hai mạng kề nhau là 3.6 ÷ 3.7 Å

Trong mỗi tinh thể sơ khai của than hoạt tính chứa khoảng 100 ÷ 200 nguyên tử cacbon Các tinh thể sơ khai sắp xếp tự do và liên kết với nhau để tạo thành các hạt than đầu tiên Số lượng các tinh thể sơ khai trong hạt than quyết định kích thước của hạt than, chẳng hạn than hoạt tính được sản xuất bằng phương pháp khuếch tán

MacDG – 100 chứa khoảng 5000 ÷ 10000 tinh thể

Trong quá trình sản xuất, do có sự va chạm, khuấy trộn, các hạt than sơ khai thường có dạng khối cầu hoặc gần cầu Các khối cầu nằm bên trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nhau nhằm tăng kích thước của hạt để giảm năng lượng tự do bề mặt vàtạo thành các chuỗi Hình dạng và kích thước của chuỗi phụ thuộc vào tính chất của từng loại than Các chuỗi hạt như vậy được gọi là cấu trúc hạt bậc nhất của than hoạt

tính Trong tinh thể khối của hạt than hoạt tính, các nguyên tử cacbon nằm ở mặt ngoài(cạnh hoặc mép) có mức độ hoạt động hóa học lớn, và vì vậy, nó là trung tâm của các quá trình oxy hóa tạo cho bền mặt than hoạt tính hàng loạt các nhóm hoạt động hóa học khác nhau.

Ngoài cacbon, trong thành phần hóa học của than hoạt tính còn có hydro, lưu huỳnh, oxy và các chất khác Các nguyên tử này được đưa vào than hoạt tính cùng với nguyên liệu đầu và trong quá trình oxy hóa Sự có mặt của các hợp chất chứa oxy trên

bề mặt than hoạt tính được chứng minh bằng phản ứng axit huyền phù trong nước của than hoạt tính

Bảng 1 Thành phần nguyên tố một số loại than hoạt tính

Nguồn nguyên liệu cho sản xuất than hoạt tính là những nguyên liệu có hàmlượng cacbon cao nhưng lại chứa ít các thành phần vô cơ khác như gỗ, than non, thanbùn, than đá,… Bên cạnh đó, rất nhiều loại chất thải nông nghiệp như vỏ trấu, vỏ dừa,

… cũng có thể chuyển thành than hoạt tính bởi nguồn nguyên liệu này có sẵn, rẻ tiền,hàm lượng cacbon cao và các thành phần vô cơ thấp

Có thể phân chia nguyên liệu thành ba nhóm như sau:

- Từ than đá, than bùn

- Từ thực vật: gỗ, bã mía, rơm rạ, vỏ quả, hạt quả

- Từ động vât: xương , xúc tu các loài động vât

III – Phương pháp sản xuất

Than hoạt tính chủ yếu được sản xuất bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô cóchứa cacbon ở nhiệt độ dưới 1000°C Quá trình sản xuất gồm hai bước:

- Than hóa ở nhiệt độ dưới 800°C trong môi trường yếm khí hoặc khí trơ

- Hoạt hóa sản phẩm của quá trình than hóa ở nhiệt độ khoảng 950 - 1000°C

1 Quá trình than hóa

Quá trình than hóa là quá trình phân hủy nhiệt nguyên liệu để đưa nguyên liệuban đầu và dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ và tạo maoquản ban đầu Quá trình than hóa có thể thực hiện được trong cả ba pha rắn, lỏng, khí

Than hóa trong pha rắn: Nguyên liệu đầu là các phân tử lớn do sự tổng hợp hoặcquá trình tự nhiên Phân hủy nguyên liệu đầu bằng cách tăng nhiệt xử lý, giải phóngcác chất khí và chất lỏng có khối lượng phân tử thấp

Than hóa trong pha lỏng: Sử dụng các nguyên liệu như vòng thơm, hắc ín chophép tạo thành cacbon dạng graphit không có mao quản, cần một phản ứng tác độnglên các lớp graphit để tạo ra mao quản.

Than hóa trong pha khí: Nguyên liệu ban đầu là các khí như metan, propan hoặcbenzen trộn với heli Quá trình than hóa thực hiện ở áp suất tương đối thấp

Nguyên tắc của quá trình sản xuất than nguyên liệu thực vật là dùng nhiệt phânhủy nguyên liệu trong điều kiện không có không khí Dưới rác dụng của nhiệt từ nhiệt

độ thường tới 170°C, vật liệu bị khô đều; từ 170 ÷ 280°C, vật liệu bị phân hủy theonhững quá trình thu nhiệt, ở đây các hợp phần của nguyên liệu bị biến tính, giải phóngoxit cacbon, khí cacbonic, axit axetic,… Tiếp theo, từ 280 ÷ 380°C xảy ra sự phân hủyphát nhiệt giải phóng metanol, hắc ín,… Quá trình cacbon hóa xem như kết thúc ởkhoảng 400 ÷ 600°C

2 Quá trình hoạt hóa

Quá trinh hoạt hóa trong sản xuất than hoạt tính có ý nghĩa rất lớn, vì vậyngười ta đã tập trung nhiều cố gắng nghiên cứu khâu này Việc nghiên cứu than hoạttính ban đầu tập trung vào việc thiết lập mối quan hệ giữa cấu trúc nguyên liệu và sảnphẩm Việc chọn nguyên liệu một mặt dựa vào quy mô sản xuất, mặt khác dựa vàonguyên liệu thích hợp tự nhiên cho một sản phẩm nhất định Ví dụ xương động vật chothan tẩy màu, sọ dừa cho than rắn chắc thích hợp để sản xuất than hấp phụ khí và hơi

Thời gian về sau công tác nghiên cứu đi sâu vào cấu trúc xốp của than, người

ta đã nhận thấy phương pháp than hóa tuy không ảnh hưởng tới thành phần nguyên tốcủa than nhưng ảnh hưởng rõ rệt lên cấu trúc xốp của than, ảnh hưởng mạnh lên việchình thành các sản phẩm do than hóa tạo thành như hắc ín, than vô định hình, từ đóảnh hưởng lên quá trình hoạt hóa và ảnh hưởng lên tính chất than thành phẩm