TỔNG QUAN
Giới thiệu chung về Toluene
Toluen là một chất lỏng thơm, trong suốt, không màu và có độ nhớt thấp Nó ít tan trong nước, nhẹ hơn nước và nổi trên mặt nước, với độ hòa tan trong nước là 0.047g/100ml ở 160℃ và 0.04g/100ml ở 150℃ Toluen có khả năng hòa tan hoàn toàn trong các dung môi hữu cơ như rượu, cồn, este, xeton, phenol và ete Ngoài ra, tolun còn là dung môi hiệu quả cho nhiều loại vật liệu như sơn, nhựa tạo màng, mực in, hóa chất, cao su, chất kết dính, chất béo, dầu, nhựa thông, lưu huỳnh, photpho và iot.
Một số thông số của Toluen[1]]
- Khối lượng phân tử : 92.14 g/mol
Toluen, một hợp chất trong dãy đồng đẳng của Benzen với công thức phân tử C7H8, có tính chất hóa học tương tự như Benzen Nó tham gia vào các phản ứng hóa học như phản ứng cộng, phản ứng thế và phản ứng oxi hóa.
Toluen, một hydrocacbon thơm, có khả năng tham gia phản ứng thế ái điện tử và hoạt tính của nó lớn gấp 25 lần so với Benzen nhờ vào nhóm metyl Trong ngành công nghiệp hóa chất, Toluen được sử dụng rộng rãi nhờ vào các tính chất hóa học và vật lý ưu việt của nó Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến nhất của Toluen.
- Dùng làm chất tẩy rửa, dùng trong sơn xe hơi, xe máy, sơn các đồ đặc trong nhà
Sản phẩm này được sử dụng làm chất tẩy rửa trong sản xuất keo dán và các sản phẩm tương tự, đặc biệt là trong keo dán cao su và xi măng cao su nhờ vào khả năng hòa tan tốt của nó.
Toluen được sử dụng làm phụ gia cho nhiên liệu, giúp cải thiện chỉ số octane của xăng dầu Việc thêm một lượng nhỏ Toluen vào xăng dầu có thể làm tăng đáng kể chỉ số octane, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng của nhiên liệu.
Dung môi này được sử dụng trong sản xuất thuốc nhuộm và điều chế thuốc nổ TNT, đồng thời còn có ứng dụng trong y học, sản xuất mực in và chế biến nước hoa.
Toluen là một dung môi thơm phổ biến, thường được sử dụng trong keo, mực, thuốc nhuộm, sơn mài và thuốc tẩy, với mức tiêu thụ cao nhất trong ngành sản xuất sơn Trong quy trình sản xuất sơn, nguồn phát thải hơi toluen chủ yếu xuất phát từ các công đoạn ủ, nghiền và pha sơn.
Toluen là một hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, có áp suất hơi bão hòa lên đến 3762,191 Pa ở nhiệt độ 25℃ Việc tiếp xúc nghề nghiệp với Toluen có thể dẫn đến các bệnh nhiễm độc cấp tính và mãn tính.
Nhiễm độc cấp tính có các triệu chứng sau đây:
- Đau đầu, chóng mặt, buồn nôn, nôn, mất ý thức, hôn mê, mất trí nhớ;
- Bỏng, viêm kết mạc, giác mạc, mù màu;
- Tổn thương tim mạch: gây loạn nhịp tim như ngoại tâm thu[2]
Nhiễm độc mãn tính xảy ra khi nồng độ toluen trong môi trường lao động vượt quá giới hạn tiếp xúc cho phép theo tiêu chuẩn vệ sinh Bệnh có thể phát sinh sau một tháng tiếp xúc và thậm chí có thể xuất hiện sau 15 năm kể từ khi ngừng tiếp xúc với chất độc này.
Bệnh lý não mãn tính do nhiễm độc dung môi hữu cơ, bao gồm Toluen và Xylen, có thể gây ra các triệu chứng như trầm cảm, dễ cáu giận, giảm sự tập trung và trí nhớ, cùng với suy giảm nghiêm trọng về năng lực trí tuệ.
- Tổn thượng tim mạch, tổn thương ống thận[2]
Giới thiệu phương pháp hấp phụ
Xử lý nước thải bằng vật liệu hấp phụ có khả năng hoàn nguyên giúp tiết kiệm chi phí cho nhà máy Trong phần này, tôi sẽ tập trung giới thiệu về phương pháp hấp phụ, một giải pháp hiệu quả trong việc xử lý ô nhiễm.
Hấp phụ là quá trình mà một chất khí hoặc lỏng được hút lên bề mặt của một chất rắn xốp, dẫn đến sự gia tăng nồng độ của chất đó trên bề mặt khác Trong quá trình này, chất khí hoặc hơi được gọi là chất bị hấp phụ, trong khi chất rắn xốp thực hiện việc hấp phụ được gọi là chất hấp phụ Các khí không bị hấp phụ được xem là khí trơ Quá trình ngược lại với hấp phụ được gọi là giải hấp hoặc nhả hấp phụ.
Hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, thường diễn ra dưới dạng toả nhiệt Có hai loại hấp phụ chính: hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học, phân biệt dựa trên bản chất của lực tương tác.
Hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học a) Hấp phụ vật lý:
Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với tiểu phân trên bề mặt phân chia pha thông qua lực liên kết Van Der Waals yếu Những lực này bao gồm tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng Do tính chất yếu của lực liên kết, chúng dễ dàng bị phá vỡ.
Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ chỉ ngưng tụ trên bề mặt của chất hấp phụ mà không tạo thành liên kết hóa học Quá trình này diễn ra với nhiệt hấp phụ thấp, cho thấy sự tương tác giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ chủ yếu là vật lý.
Hấp phụ hoá học diễn ra nhờ lực hút mạnh mẽ trên bề mặt và trong các mao quản, tạo ra các hợp chất bền vững Quá trình này thường là bất thuận nghịch và có nhiệt hấp phụ lớn.
Ranh giới giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học thường không rõ ràng, và trong một số trường hợp, cả hai loại hấp phụ có thể xảy ra đồng thời Sự khác biệt này phụ thuộc vào tính chất bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, cũng như các điều kiện quá trình như nhiệt độ và áp suất.
Ta có thể phân biệt hấp phụ hoá học và vật lý dựa vào các tiêu chí được nêu trong Bảng 1.1
Bảng 1.1 Tiêu chí phân biệt hấp phụ hoá học và hấp phụ vật lý
Tiêu chí Hấp phụ hoá học Hấp phụ vật lý
Nhiệt hấp phụ 40÷ 800 kJ/mol Nhỏ hơn 20 kJ/mol Lượng chất bị hấp phụ Đơn lớp Đa lớp
Sự chọn lọc hấp phụ Có tính chọn lọc cao Không có tính chọn lọc
Sự phụ thuộc của nhiệt độ
Thường xảy ra ở nhiệt độ cao
Thường được tiến hành ở nhiệt độ thấp
Lực tương tác Lực liên kết hoá trị Lực liên kết Van Der Walls
Năng lượng hoạt hoá hấp phụ Lớn Gần như bằng không
Cân bằng hấp phụ và hoạt độ hấp phụ a) Cân bằng hấp phụ
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch, trong đó các phân tử chất bị hấp phụ có khả năng di chuyển ngược lại pha mang Khi lượng chất hấp phụ trên bề mặt chất rắn tăng lên, tốc độ di chuyển ngược lại cũng tăng theo Cuối cùng, khi tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp, quá trình hấp phụ sẽ đạt trạng thái cân bằng.
Khi một hệ hấp phụ đạt trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và nồng độ của chất đó, được biểu diễn bằng công thức q = f(T,P,C) Hoạt động hấp phụ là yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Hoạt độ hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng, được xác định ở nồng độ và nhiệt độ cụ thể Đơn vị đo lường bao gồm g/g, kg/kg, mol/g, và các đơn vị khác.
Mô hình hấp phụ đẳng nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của quá trình hấp phụ Nó mô tả mối quan hệ giữa thể tích, chất bị hấp phụ và áp suất cân bằng của pha hơi, giúp hiểu rõ hơn về hành vi của hệ thống hấp phụ.
Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir: Khi thiết lập phương trình hấp phụ, Langmuir đưa ra các giả định sau:
- Bề mặt đồng nhất về năng lượng
- Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử
- Sự hấp phụ là thuận nghịch, có đạt được cân bằng hấp phụ
Theo lý thuyết Langmuir, trên bề mặt chất hấp phụ rắn tồn tại các vùng lực hoá trị chưa bão hoà, dẫn đến sự hình thành các trung tâm hấp phụ Giả định rằng lực hấp phụ có bán kính tác dụng nhỏ và tương tự như lực hoá trị, mỗi trung tâm chỉ có khả năng giữ một phân tử chất bị hấp phụ, tạo thành lớp đơn phân tử trên bề mặt Những phân tử này chỉ tương tác với bề mặt chất hấp phụ mà không tương tác với các phân tử khác.
Thuyết hấp phụ Langmuir được mô tả qua phương trình q = q max, trong đó q đại diện cho hoạt độ hấp phụ tại một thời điểm nhất định (mg/g) và qmax là hoạt độ hấp phụ cực đại (mg/g) Phương trình này cũng liên quan đến áp suất khí (P, Pa) và hằng số (k, Pa^-1), giúp hiểu rõ hơn về quá trình hấp phụ trong các hệ thống vật lý và hóa học.
Thuyết Freundlich mô tả quá trình hấp phụ dựa trên thực nghiệm, với phương trình Freundlich được biểu diễn là q = k.P^(1/n), trong đó q là hoạt độ hấp phụ (mg/g), p là áp suất khí cân bằng trên chất hấp phụ (Pa), và k, n là các hằng số Động học hấp phụ bao gồm một số khái niệm quan trọng cần được tìm hiểu để hiểu rõ hơn về quá trình này.
Tốc độ phản ứng hoá học là một đại lượng quan trọng trong hoá học, được đo bằng độ biến thiên nồng độ của các chất phản ứng hoặc sản phẩm phản ứng trong một đơn vị thời gian Đại lượng này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình xảy ra trong phản ứng hoá học và có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất của phản ứng.
Vật liệu hấp phụ
- Có bề mặt riêng lớn
Các mao quản trong vật liệu cần có kích thước đủ lớn để cho phép các phân tử hấp phụ tiếp cận bề mặt, nhưng cũng phải đủ nhỏ để ngăn chặn sự xâm nhập của các phân tử không mong muốn, đảm bảo tính chọn lọc trong quá trình hấp phụ.
- Có thể hoàn nguyên dễ dàng
- Bền năng lực hấp phụ nghĩa là kéo dài thời gian làm việc
Các chất hấp phụ công nghiệp có độ bền cơ cao, có khả năng chịu được rung động và va đập Chúng thường có cấu trúc xốp với bề mặt riêng lớn, từ hàng trăm đến gần 2000 m² trên mỗi gram Hiện nay, có nhiều loại vật liệu hấp phụ như than hoạt tính, silicagen, polime hoạt tính, zeolite, đất sét hoạt tính và oxyt kim loại như nhôm oxyt Mỗi loại vật liệu này có những đặc tính riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau Silicagel chủ yếu được dùng làm chất hút ẩm, trong khi các oxyt như SiO2, Al2O3, TiO2 được sử dụng làm chất mang xúc tác hoặc chất xúc tác Zeolit thường được áp dụng trong các quy trình lọc và chế biến dầu khí.
Việc chọn lựa chất hấp phụ hiệu quả cho quá trình hấp phụ phụ thuộc vào chất bị hấp phụ, trong trường hợp này là hơi Toluen với kích thước phân tử nhỏ và nồng độ thấp Vật liệu có hệ vi mao quản nhỏ mới có khả năng hấp phụ hơi Toluen, và than hoạt tính là lựa chọn hoàn hảo nhờ vào hệ thống vi mao quản phát triển Than hoạt tính không chỉ dễ mua, dễ thay thế và có chi phí thấp mà còn có khả năng hấp phụ cao hơn nhiều so với các nguyên liệu khác Bên cạnh đó, than hoạt tính có khả năng chịu nhiệt tốt, độ cứng ổn định và ít hao hụt, đồng thời là nguyên liệu hoàn toàn tự nhiên, dễ phân hủy và thân thiện với môi trường.
Than hoạt tính chủ yếu được cấu thành từ cacbon, chiếm khoảng 85 – 95% hàm lượng Ngoài cacbon, than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác như hidro, nito, lưu huỳnh và oxi Các nguyên tử này có thể xuất phát từ nguồn nguyên liệu ban đầu hoặc hình thành trong quá trình hoạt hoá Tỷ lệ các nguyên tố trong than hoạt tính có thể biến đổi từ 1 – 20%, tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu và phương pháp chế biến.
Bảng 1.2 Thành phần hoá học của than hoạt tính[6]
Than hoạt tính có diện tích bề mặt từ 800 đến 1500 m²/g và thể tích xốp từ 0,2 đến 0,6 cm³/g, chủ yếu nhờ vào các lỗ nhỏ có bán kính dưới 2 nm.
Than hoạt tính được chia làm nhiều loại khác nhau Dựa theo hình dạng, kích thước, và tính ứng dụng mà ta phân loại chúng thành các nhóm sau:
Than hoạt tính dạng hạt là loại than có kích thước hạt lớn, thường được sử dụng trong các quy trình xử lý nước và nước thải Với độ cố định cao, than hoạt tính dạng hạt ít bị rửa trôi, mang lại hiệu quả cao trong việc lọc và xử lý chất lỏng.
Than hoạt tính dạng vải là loại than có hình dạng vải hoặc tấm ép, thuộc nhóm vật liệu than hoạt tính đặc biệt Nó sở hữu các tính chất và khả năng hấp phụ tương tự như than hoạt tính thông thường Than dạng vải được sản xuất từ sợi polymer tự nhiên hoặc tổng hợp, với quy trình sản xuất tương tự như phương pháp chế tạo than hoạt tính dạng hạt.
Than hoạt tính dạng bột là một loại than mịn, được ứng dụng rộng rãi trong việc xử lý hóa chất tổng hợp, đặc biệt là trong các sự cố tràn hóa chất Ngoài ra, nó còn là thành phần quan trọng trong nhiều công thức làm đẹp da và làm trắng răng, mang lại hiệu quả cao và đang trở nên phổ biến trên thị trường hiện nay.
Than hoạt tính dạng viên và viên nén là loại than có hình dạng trụ hoặc khối, thường được ứng dụng rộng rãi trong các bể lọc nước sinh hoạt và trong ngành công nghiệp.
Hình 1.2 Than hoạt tính dạng hạt (hình a); dạng vải (hình b); dạng bột (hình c); dạng viên, viên nén (hình d) [7]
Cấu trúc hoá học của cacbon hoạt tính[6]
Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X cho thấy cacbon hoạt tính được hình thành từ các tinh thể nhỏ kiểu grafit có kích thước từ 10 đến 30Å (1 đến 3nm) Các tinh thể này bao gồm các mặt phẳng 6 cạnh và sắp xếp không theo trật tự nhất định, với khoảng cách giữa các lớp từ 3,44 đến 3,65 Å (0,34 đến 0,36nm), lớn hơn so với grafit (0,335nm) Chiều cao mỗi lớp tinh thể dao động từ 1 đến 1,3nm Ngoài ra, cacbon hoạt tính còn chứa một phần cacbon vô định hình cùng với các nguyên tố khác như oxy, hydro và nitơ.
Cấu trúc xốp của cacbon hoạt tính
Than hoạt tính có bề mặt riêng lớn, được đặc trưng bởi cấu trúc siêu mao quản với các lỗ có kích thước và hình dạng đa dạng.
Lỗ xốp của than hoạt tính có kích thước từ 1nm đến vài nghìn nm, và được phân loại theo chiều rộng, dựa trên khoảng cách giữa các thành của lỗ xốp hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạng ống Dubinin đã đề xuất một phân loại lỗ xốp được IUPAC công nhận, chia thành ba nhóm: lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn.
Hình 1.3 Cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính [8]
Lỗ nhỏ (Micropores) có bán kính hiệu dụng dưới 2nm, nơi xảy ra sự hấp phụ qua cơ chế lấp đầy thể tích mà không có sự ngưng tụ mao quản Năng lượng hấp phụ trong các lỗ này cao hơn nhiều so với lỗ trung bình hoặc bề mặt không xốp, nhờ vào sự tương tác mạnh mẽ giữa các vách đối diện của vi lỗ Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm tới 95% tổng diện tích bề mặt của than hoạt tính.
Lỗ trung (Mesopore) là loại lỗ có bán kính hiệu dụng từ 2 đến 50 nm, với thể tích từ 0.1 đến 0.2 cm³/g, chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than Tuy nhiên, thông qua các phương pháp đặc biệt, có thể tạo ra than hoạt tính với lỗ trung lớn hơn, có thể tích từ 0.2 đến 0.65 cm³/g và diện tích bề mặt đạt 200 m²/g Những lỗ này được đặc trưng bởi sự ngưng tụ mao quản của chất hấp phụ, dẫn đến sự hình thành mặt khum của chất lỏng bị hấp phụ.
Lỗ lớn (Macropore) không đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ của than hoạt tính do diện tích bề mặt hạn chế, chỉ khoảng 0.5m²/g Với bán kính hiệu dụng lớn hơn 50nm, kích thước của chúng thường nằm trong khoảng 500-2000nm và thể tích lỗ từ 0.2 – 0.4 cm³/g, lỗ lớn chủ yếu hoạt động như một kênh dẫn cho chất bị hấp phụ vào các lỗ nhỏ và lỗ trung.
Phương pháp chế tạo than hoạt tính
Than hóa nguyên liệu thực vật là quá trình sản xuất than bằng cách sử dụng nhiệt để phân hủy nguyên liệu trong điều kiện không có không khí Nhiệt độ trong quá trình này dao động từ nhiệt độ thường đến 170℃, khiến vật liệu khô Khi nhiệt độ đạt từ 170 đến 280℃, vật liệu bắt đầu phân hủy qua các quá trình thu nhiệt, dẫn đến việc biến tính các hợp chất trong nguyên liệu và giải phóng oxit-cacbon, khí cacbonic, và axit axetic.
280÷380℃ xảy ra sự phân huỷ phát nhiệt giải phóng methanol, hắc ín,… Quá trình cacbon hoá xem như kết thúc ở khoảng 400÷600℃
Sản phẩm cuối cùng thu được là than, có độ chắc giảm so với nguyên liệu ban đầu, nhưng vẫn giữ được hình dạng và cấu trúc dạng sợi Thành phần nguyên tố của than thực vật phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ cuối của quá trình chưng khô, ít bị ảnh hưởng bởi thành phần vật liệu Khi nhiệt độ than hoá tăng, hàm lượng cacbon trong than cũng tăng, trong khi hàm lượng hydro và oxy giảm, khiến than trở nên giàu cacbon hơn Quá trình này còn được gọi là quá trình cacbon hoá.
Trong quá trình than hoá, các nguyên tử cacbon hình thành tinh thể cơ bản dạng graphit và than vô định hình, nhưng sự sắp xếp tinh thể trong than không đồng đều, tạo ra các khe, rãnh và khoảng trống, hình thành độ xốp sơ cấp Mặc dù than đã có độ xốp, nhưng nó thường bị lấp đầy bởi các sản phẩm nhiệt phân như hắc ín, methanol và dầu, dẫn đến khả năng hấp phụ giảm và dung tích hấp phụ nhỏ Để tăng dung tích hấp phụ, cần phải hoạt hoá than, tạo ra độ xốp thứ cấp, cấu trúc rỗng cuối cùng của than hoạt tính.
Hoạt hoá than nguyên liệu:
Quá trình hoạt hoá nhằm chuyển hoá một phần cacbon bằng các tác nhân oxy hoá, giúp giải phóng độ xốp sơ cấp và tạo ra lỗ xốp thứ cấp, từ đó tăng cường độ xốp và bề mặt riêng của vật liệu cacbon Quá trình này được phân thành hai loại: hoạt hoá hoá học và hoạt hoá bằng hơi nước, với hai phương pháp chính được áp dụng trong hoạt động này.
- Phương pháp hoạt hoá hoá học
- Phương pháp hoạt hoá hoá lý a) Phương pháp Hoá học và tác nhân hoạt hoá ZnCl2
ZnCl2 là một muối vô cơ được ưa chuộng làm tác nhân hoạt hóa nhờ khả năng khử hydrat hóa mạnh mẽ, đồng thời còn có tác dụng bảo vệ than khỏi nguy cơ cháy.
Dung dịch ZnCl2 đậm đặc, nhờ vào khả năng hút ẩm mạnh và tạo muối trong axit, có khả năng phân huỷ các vật liệu xenlulozo Nghiên cứu đã chỉ ra rằng ZnCl2 có thể được sử dụng như một tác nhân hoạt hoá hiệu quả trong quá trình chế tạo than hoạt tính.
Các tác nhân hóa học có thể đã gây thoái biến các phân tử xenluloza thông qua các phản ứng như khử nước và oxy hóa Những tác nhân này đã phá vỡ các liên kết ngang, dẫn đến sự khử đồng phân hóa của xenluloza và thậm chí làm thay đổi bản chất hóa học của nó.
Công nghệ chế tạo than hoạt tính bằng phương pháp hoạt hoá hoá học bao gồm việc tẩm tác nhân hoạt hoá vào nguyên liệu và nung trong điều kiện không có không khí Nhiệt độ nung thường từ 400℃ đến 1000℃, với ZnCl2, nhiệt độ tối ưu là 500℃ đến 700℃ Tỷ lệ giữa khối lượng chất hoạt hoá và nguyên liệu có ảnh hưởng lớn đến độ xốp của than thành phẩm, khi thể tích muối vô cơ trong vật liệu bị than hoá sẽ tạo ra các lỗ xốp sau khi muối bị hoà tan Phương pháp hoạt hoá hoá lý, hay còn gọi là hoạt hoá “bằng khí”, thực hiện bằng cách oxy hoá một phần cacbon trong vật liệu chứa cacbon bằng các tác nhân oxy hoá dạng khí như hơi nước, khí cacbonic và khí oxy, tạo ra cacbon hoạt tính với độ xốp cao.
Trong ngành công nghiệp, các tác nhân hoạt hoá phổ biến hiện nay bao gồm hơi nước và khí CO2 Phản ứng giữa cacbon và khí O2 diễn ra với tốc độ nhanh chóng, tạo ra hiệu quả cao trong quá trình sản xuất.
Sử dụng khí O2 làm tác nhân hoạt hóa rất khó kiểm soát lượng khí cần thiết, vì nó có khả năng tác động mạnh gấp 100 lần so với khí CO2 và gấp 10 lần so với hơi H2O.
Quá trình hoạt hoá bằng hơi nước hoặc CO2 diễn ra thông qua phản ứng oxy hoá ở nhiệt độ cao từ 800 đến 1000℃ Trong quá trình này, một số nguyên tử cacbon bị đốt cháy thành CO và CO2, tạo ra khí bay đi và để lại khoảng trống, từ đó hình thành độ xốp cho vật liệu.
- Phản ứng xảy ra khi tác nhân hoạt hoá là CO2: C + CO2 → 2CO↑
- Khi tác nhân là hơi nước ( H2O): C + H2O → CO + H2↑
Biến tính bề mặt than hoạt tính bằng dung dịch axit, bazo
Bề mặt của than hoạt tính chứa nhiều nhóm chức khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ hơi Toluen Để cải thiện tính năng này, cần thực hiện quá trình oxy hóa nhằm biến tính bề mặt than hoạt tính, từ đó làm giảm tính ưa nước của nó.
Than hoạt tính được biến tính bằng kiềm không chỉ làm tăng diện tích bề mặt riêng mà còn cải thiện tính kỵ nước, phù hợp cho việc hấp phụ hơi Toluen Ngược lại, than hoạt tính được biến tính bằng axit giúp gia tăng các nhóm chức bề mặt, nâng cao khả năng hấp phụ.
Cấu trúc của đề tài
Đề tài nghiên cứu các nội dung sau:
1 Khảo sát khả năng hấp phụ hơi Toluen trên than hoạt tính ở các nhiệt độ khác nhau
2 Xây dựng mô hình đẳng nhiệt hấp phụ phù hợp với quá trình
3 Xây dựng mô hình động học hấp phụ phù hợp với quá trình
4 Nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng dung dịch NaOH; H2SO4 ở các điều kiện khác nhau
5 Khảo sát khả năng hấp phụ hơi Toluen ở các nhiệt độ khác nhau trên than hoạt tính dạng vải
Chương 2: sẽ đề cập đến mô hình thí nghiệm và quy trình tiến hành thí nghiệm Chương 3: sẽ trình bày và khai thác các số liệu thực nghiệm thu được
Chương 4: sẽ đánh giá chung kết quả của đề tài cũng như đưa ra một số phương hướng để phát triển trong tương lai.
THỰC NGHIỆM
Thiết bị và hoá chất nghiên cứu
Sơ đồ thiết bị hấp phụ dòng khí N2/Toluen
Sơ đồ thiết bị hấp phụ dòng khí N2/Toluen được lắp đặt như trong Hình 2.1
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm
4 : Hộp đựng than hoạt tính dạng viên nén
Quy trình hấp phụ được tiến hành theo tuần tự các bước sau:
Bước 1: Làm sạch hệ thống bằng khí N2 trong khoảng thời gian 60 phút
- Mở bình khí N2 với áp suất làm việc P = 2(bar)
- Hệ thống được làm sạch bằng khí N2 với lưu lượng Q = 0,2 (l/phút), được điều chỉnh bằng lưu lượng kế Q3
- Dòng phát thải của quá trình này sẽ được hấp phụ ở bình chứa than hoạt tính dạng viên nén rồi đi ra ngoài môi trường
Bước 2: Chuẩn bị cột hấp phụ Cân 0.2g than dạng hạt đã được nghiền, sau đó tiến hành nhồi than vào cột hấp phụ
Bước 3: Sấy vật liệu bằng khí N2 Đóng van V-4; mở van V-3 Dòng khí đi vào cột hấp phụ với các thông số đầu vào như sau:
- Lưu lượng khí: Q = 0,2 (l/phút) được điều chỉnh bằng lưu lượng kế Q3
- Áp suất làm việc P = 2 (bar)
- Nhiệt độ dòng khí t = 20 (độ C)
Sau khi sấy bằng khí với thời gian là 60 phút ta tiến hành đi cân và ghi lại khối lượng của cột hấp phụ
Bước 4: Tạo dòng ổn định N2 chứa Toluen ở các nhiệt độ khác nhau
Mục tiêu của nghiên cứu là tạo ra dòng khí N2 ổn định chứa Toluen ở các áp suất hơi bão hòa khác nhau để khảo sát sự biến đổi của hoạt độ hấp phụ q theo áp suất P Áp suất hơi bão hòa và nhiệt độ có mối quan hệ mật thiết thông qua phương trình Antoine, do đó, chúng tôi đã sục khí N2 vào bình chứa Toluen dưới các điều kiện nhiệt độ khác nhau.
- Ta tiến hành sục khí N2 vào bình chứa dung môi Toluen nguyên chất
Để tạo hơi Toluen ở nhiệt độ mong muốn, nhiệt độ được điều chỉnh thông qua bình đựng đá và duy trì với sai số nhiệt độ là ± 2℃, giả thiết rằng nhiệt độ của bình đá bằng với nhiệt độ của bình sục chứa dung môi Toluen.
- Đóng van V-3; mở van V-4; điều chỉnh lưu lượng kế Q3 = 0 (l/phút) Tiến hành mở van V-1; V-2
- Dòng khí N2 đi vào bình sục Toluen, điều chỉnh lưu lượng khí N2 bằng lưu lượng kế Q2, với mức giá trị là 60(ml/phút) Thời gian sục khí t 10÷15(phút)
Bước 5: Tiến hành quá trình hấp phụ trên than hoạt tính với dòng khí N2 chứa Toluen đã được ổn định Mỗi 10 phút, cần cân cột hấp phụ, và quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi khối lượng cột không thay đổi.
Khi tiến hành thí nghiệm ta cần chú ý:
- Thường xuyên kiểm tra rò rỉ khí tại các mối nối
- Kiểm tra hệ thống van khi vận hành
- Kiểm tra lưu lượng kế hoạt động có ổn định không?
Hình 2.2 Hệ thống hấp phụ tại phòng thí nghiệm
Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
- 2 bình tam giác dung tích 500 ml
- 2 bình định mức dung tích 250 ml
- Cốc có mỏ dung tích: 20ml; 250ml; 500ml
- Ống đong có dung tích 100ml
- Phễu lọc Buchner bằng sứ ; bình lọc thuỷ tinh; nhiệt kế thuỷ ngân
Hoá chất và nguyên liệu
- Than hoạt tính dạng hạt của công ty Than hoạt tính Toàn Cầu kích thước hạt từ 0,5mm đến 1mm
- Than hoạt tính dạng vải
Quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu
Làm sạch than hoạt tính
Than hoạt tính sản xuất công nghiệp thường bị nhiễm bẩn và bụi, do đó cần làm sạch bề mặt trước khi tiến hành biến tính vật liệu.
Để chuẩn bị than hoạt tính, đầu tiên, cần cân 200g than hoạt tính và đun sôi với nước cất trong 2 giờ Sau khi đun sôi, rửa sạch vật liệu bằng nước cất cho đến khi nước không còn màu Tiếp theo, sấy khô vật liệu ở nhiệt độ 105℃ trong 4 giờ Cuối cùng, để nguội và đóng gói kín, sử dụng gói hút ẩm để bảo quản.
Biến tính vật liệu a) Chuẩn bị dung dịch biến tính
Pha chế H2SO4 98% thành dung dịch có thể tích 250ml với nồng độ lần lượt là 1M; 10M theo trình tự các bước sau:
Bước 1: Tính thể tích H2SO4 nguyên chất cần dùng để pha chế được dung dịch có nồng độ 1M
Với CM(H2SO4) = 1M (mol/l) ; Vdung dịch = 250 ml = 0,25 (l)
nH2SO4 = CM*Vdung dịch = 1*0,25 = 0,25 (mol)
mH2SO4 = nH2SO4*MH2SO4 = 0,25*98 = 24,5(g)
Mà ta có công thức tính C% = ấ ị *100 (*) Thay giá trị mH2SO4 = m(chất tan) = 24,5 (g) vào (*); C%(H2SO4) = 98%
Ta lại có công thức d ( ) trong đó d là khối lượng riêng (g/cm 3 )
Tỷ trọng H2SO4 có d=1,84(g/cm 3 )
VH2SO4(nguyên chất) = , ≈ 14 (ml)
Lượng nước cất cần dùng để pha được 250ml dung dịch H2SO4 1M = Vdung dịch - VH2SO4 = 250 – 14 = 236 (ml)
Để pha dung dịch, hãy từ từ đổ 14ml H2SO4 đặc nóng vào 236ml nước cất trong cốc Do phản ứng toả nhiệt, cần sử dụng đá viên để làm mát cốc nước cất.
Bước 3: Thực hiện trình tự các bước tương tự với việc pha chế dung dịch
H2SO4 = 10M Dưới đây là bảng tổng kết lượng nước cất, lượng H2SO4 cần dùng đối với việc 250ml dung dịch ở các nồng độ khác nhau:
Pha 250ml dung dịch NaOH 1M; 10M Bước 1: Tính toán lượng NaOH cần thiết để pha 250ml dung dịch NaOH 1M Với CM NaOH = 1M ; Vdung dich NaOH = 250 ml
Để pha dung dịch, trước tiên hòa tan 10g NaOH trong 100ml nước cất Sau đó, chuyển dung dịch vào bình 250ml và thêm nước cất cho đến khi tổng thể tích đạt 250ml.
Bước 3: Tiếp tục lặp lại các bước khi tiến hành pha 250ml dung dịch NaOH nồng độ 10M b) Biến tính bề mặt than hoạt tính bằng dung dịch H2SO4/NaOH
Chuẩn bị dung dịch biến tính với H2SO4 (1M hoặc 10M) và NaOH (1M hoặc 10M), sau đó cho 10g than đã làm sạch vào 250ml dung dịch Đun sôi ở nhiệt độ 30 độ C hoặc 70 độ C trong 6 giờ với khuấy từ Sau khi đun xong, tiến hành lọc và rửa sạch than bằng nước cất, thực hiện 10 lần rửa với mỗi lần 250ml nước cất Để thuận tiện cho việc đánh giá và so sánh giữa mẫu vật liệu trước và sau khi biến tính, cần đánh dấu các mẫu tương ứng.
250 ml dung dịch H2SO4 nồng độ 1M 10M
VH2SO4 (nguyên chất) (ml) 14 136
- Mẫu vật liệu chỉ rửa bằng nước cất và sấy: A0
- Mẫu vật liệu được biến tính ở 30℃ và 70℃ được đánh dấu mẫu như trong bảng dưới đây:
Phương pháp trọng lượng là một kỹ thuật nghiên cứu dựa trên nguyên tắc cân bằng giữa pha khí và lớp hấp phụ, đặc biệt hiệu quả khi lượng chất đưa vào hệ thống ở mức lưu lượng rất nhỏ Phương pháp này cho phép thu thập nhiều điểm thực nghiệm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lý toán học.
Lượng chất hấp phụ được đo bằng cân vi lượng (microbalance), với thiết kế đối xứng nhằm giảm thiểu ảnh hưởng từ lực Archimede và sóng điện từ Phương pháp trọng lượng có ưu điểm là độ nhạy cao, cho phép theo dõi liên tục trọng lượng mẫu trong quá trình khử hấp phụ sơ bộ và hấp phụ Tuy nhiên, nhược điểm chính là sự thiếu tiếp xúc tốt giữa mẫu và bộ phân điều hoà nhiệt độ, dẫn đến chênh lệch giữa nhiệt độ đo và nhiệt độ hấp phụ thực, gây ra sai số.
Lượng chất hấp phụ sẽ được tính theo công thức sau:
Trong đó: Qt là lượng than hấp phụ được ở thời điểm t (mg/g)
Wt; W0: lượng than hấp phụ hơi tại thời điểm t, và thời điểm ban đầu (mg) W(GAC): là lượng than đem hấp phụ (g) b) Phương pháp tính toán
Nghiên cứu mô hình đẳng nhiệt hấp phụ q = f(P) nhằm phân tích mối quan hệ giữa hoạt độ hấp phụ q và áp suất hơi bão hòa P của chất bị hấp phụ Để thực hiện điều này, cần xác định áp suất hơi bão hòa P của Toluen tại các nhiệt độ khác nhau.
Sử dụng phương trình Antoine để xác định áp suất hơi của Toluen ở các nhiệt độ khác nhau: log (𝑃) = A – [B/(T + C)]
Trong đó P: áp suất hơi bão hoà (bar) T: nhiệt độ (K)
A; B; C: là các hằng số cụ thể theo thành phần[10]
Tra cứu các thông số A ; B ; C trên trang web có tên Vacuubrand
Cấu tử A B C Dải nhiệt độ (K)
Phương trình Langmuir được mô tả bởi phương trình: q = q max
Biến đổi phương trình bằng cách lấy P chia cho cả 2 vế ta được phương trình sau:
Nhận thấy phương trình Langmuir sau biến đổi có dạng giống với phương trình y = ax+b Ta đặt y = ; x = P ; a = ; b ∗
Dựa vào số liệu thực nghiệm của p và q, chúng ta có thể xây dựng đồ thị với trục tung là P/qe và trục hoành là P, từ đó tạo ra một đường tuyến tính Phân tích đồ thị này sẽ giúp xác định giá trị của qmax và k một cách chính xác.
Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich: qe = k*P 1/n
Phương trình ln(qe) = ln(k) + (1/n) * ln(P) có thể được biến đổi thành dạng y = ax + b, trong đó ln(qe) là y, ln(P) là x, 1/n là a và ln(k) là b Bằng cách sử dụng số liệu thực nghiệm, chúng ta có thể xây dựng đồ thị với trục tung là ln(qe) và trục hoành là ln(P) để xác định các hằng số k và tỉ số 1/n Đồ thị này cho phép chúng ta dự đoán độ hấp phụ tại các giá trị p xác định.
Phương trình động học biểu kiến bậc nhất:
Sau khi lấy tích phân 2 vế với các điều kiện biên t = 0 đến t = t và qt = 0 đến qt = qt, dạng tích phân của phương trình trở thành: ln(qe – qt) = lnqe – k1t
Nếu quá trình hấp phụ tuân theo quy luật động học bậc nhất biểu kiến, biểu đồ ln(qe – qt) theo thời gian t sẽ tạo thành một đường thẳng Từ đó, hệ số k1 và giá trị qe có thể được xác định thông qua độ dốc và giao điểm của đường hồi quy tuyến tính với trục tung.
Phương trình động học biểu kiến bậc hai:
Với các điều kiện biên t = 0 đến t = t và qt = 0 đến qt = qt, phương trình trên có dạng tích phân sau:
Tiếp tục biến đổi phương trình:
Sau khi biến đổi phương trình có dạng tuyến tính:
Nếu quá trình hấp phụ tuân theo động học bậc hai, đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa t/qt và t sẽ là một đường thẳng Từ đó, các thông số qe và k2 có thể được xác định thông qua độ dốc và giao điểm của đường hồi quy tuyến tính với trục tung.
KẾT QUẢ
Nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng dung dịch NaOH ; H 2 SO 4 trong các điều kiện khác nhau
Trong các điều kiện khác nhau, nhiệt độ sục khí 15℃ cho khả năng hấp phụ cao nhất và dòng khí N2/Toluen ổn định nhất Do đó, trong mục 3.3, chúng tôi thực hiện các thí nghiệm ở điều kiện nhiệt độ sục khí là 15℃.
Để so sánh khả năng hấp phụ khí N2/Toluen trên than hoạt tính trước và sau khi biến tính, cần khảo sát khả năng hấp phụ khí trên mẫu than hoạt tính được rửa sạch bằng nước Mẫu này sẽ làm tiêu chuẩn để đánh giá sự thay đổi rõ rệt về hoạt độ hấp phụ trên các mẫu than đã được biến tính.
Than hoạt tính được xử lý bằng cách đun sôi trong 2 giờ, sau đó rửa sạch bằng nước cất và sấy khô ở nhiệt độ 105℃ trong 4 giờ Cuối cùng, than được đập và nghiền nhỏ để sử dụng, được đánh dấu là mẫu A0.
Để tiến hành thí nghiệm, đầu tiên, ta cân 0,2 g mẫu đã được nghiền nhỏ và nhồi vào cột hấp phụ Tiếp theo, vật liệu được sấy bằng khí N2 trong 60 phút Cuối cùng, quá trình hấp phụ được thực hiện với lưu lượng khí sục là 60 ml/min.
Quá trình hấp phụ kết thúc khi khối lượng cột hấp phụ không thay đổi, ta thu các giá trị thực nghiệm đã được xử lý ở dưới bảng đây:
Bảng 3.5 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A0
Khối lượng cột hấp phụ m(g) Lượng than hoạt tính hấp phụ Wt(g)
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch biến tính tới khả năng hấp phụ của than hoạt tính
Biến tính than hoạt tính bằng dung dịch NaOH và H2SO4 ở các nồng độ khác nhau, trong điều kiện nhiệt độ 30℃, giúp khảo sát khả năng hấp phụ hơi Nghiên cứu tập trung vào than hoạt tính được biến tính bằng dung dịch NaOH với nồng độ 1M và 10M để đánh giá hiệu quả hấp phụ.
Vật liệu được biến tính bằng dung dịch NaOH 1M ở nhiệt độ 30℃ trong 6 giờ, sau đó được lọc, rửa bằng nước cất và sấy khô ở 105℃ Sau khi sấy khô, vật liệu được đập và nghiền, được ký hiệu là A11 Tương tự, vật liệu cũng được biến tính bằng dung dịch NaOH 10M, và mẫu này được ký hiệu là A12.
Sau khi thực hiện quá trình hấp phụ khí N2/Toluen trên hai mẫu vật liệu này ta thu được 2 bảng số liệu dưới đây:
Bảng 3.6 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian ở mẫu A11
Bảng 3.7 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A12
Lập bảng so sánh khả năng hấp phụ của hai mẫu A11 và A12
So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu A0,A11,A12
Khối lượng cột hấp phụ m(g)
Lượng than hoạt tính hấp phụ Wt(g)
Khối lượng cột hấp phụ m(g)
Lượng than hoạt tính hấp phụ Wt(g)
Hình 3.10 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của các mẫu A0; A11; A12
Biểu đồ cho thấy khả năng hấp phụ khí N2/Toluen trên các mẫu biến tính bằng NaOH ở nồng độ 1M và 10M có sự thay đổi rõ rệt Cả hai mẫu A11 và A12 đều thể hiện hoạt độ hấp phụ thấp hơn so với mẫu ban đầu A0.
Mẫu A11 có hoạt độ bằng 0,281(g/g) so với mẫu ban đầu (A0) 0,287(g/g) thì than sau khi biến tính có hoạt độ hấp phụ giảm 2,09%
Mẫu A12 có hoạt độ bằng 0,244(g/g) so với mẫu ban đầu (A0) 0,287(g/g) thì than sau khi biến tính có hoạt độ hấp phụ giảm 14,98%
Nồng độ dung dịch biến tính có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp phụ hơi Toluen của than hoạt tính Cung cấp dung dịch NaOH ở nồng độ loãng hay đặc đều cho thấy khả năng hấp phụ hơi thấp Tuy nhiên, khi khảo sát khả năng hấp phụ hơi của than hoạt tính được biến tính bằng dung dịch H2SO4 ở nồng độ 1M và 10M, chúng ta có thể đánh giá hiệu quả biến tính của dung dịch axit sunfuric đối với than hoạt tính.
Vật liệu được biến tính bằng dung dịch H2SO4 ở nhiệt độ 30℃ trong 6 giờ, sau đó được lọc, rửa bằng nước cất và sấy khô ở 105℃ Sau khi sấy khô, vật liệu được đập và nghiền, được ký hiệu là mẫu A21 Tương tự, vật liệu cũng được biến tính bằng dung dịch H2SO4 nồng độ 10M, và mẫu này được ký hiệu là A22.
Sau khi thực hiện quá trình hấp phụ khí N2/Toluen trên hai mẫu vật liệu này ta thu được 2 bảng số liệu dưới đây:
So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu
Bảng 3.8 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A21
Bảng 3.9 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A22
Khối lượng cột hấp phụ m(g)
Khối lượng than hoạt tính m(g)
Lập bảng so sánh khả năng hấp phụ của các mẫu
So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu A0,A21,A22
Khối lượng cột hấp phụ m(g)
Khối lượng than hoạt tính m(g)
Hình 3.11 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của các mẫu A0; A21; A22
Khả năng hấp phụ hơi của các mẫu đều giảm phụ thuộc vào nồng độ dung dịch H2SO4
Mẫu A21 có hoạt độ bằng 0,278 (g/g) so với mẫu ban đầu (A0) 0,287 (g/g) thì than sau khi biến tính có hoạt độ hấp phụ giảm 3,13%
Mẫu A22 có hoạt độ bằng 0,222 (g/g) so với mẫu ban đầu (A0) 0,287(g/g) thì than sau khi biến tính có hoạt độ hấp phụ giảm 22,64%
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch biến tính đến khả năng hấp phụ hơi trên than hoạt tính
Nghiên cứu cho thấy nồng độ dung dịch biến tính ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp phụ khí N2/Toluen, với nồng độ cao (10M) dẫn đến giảm khả năng hấp phụ trên than hoạt tính Câu hỏi đặt ra là khi giữ nồng độ dung dịch ở 10M nhưng tăng nhiệt độ, khả năng hấp phụ hơi trên than hoạt tính sẽ thay đổi ra sao?
Chúng tôi tiến hành thí nghiệm biến tính vật liệu bằng dung dịch NaOH/H2SO4 nồng độ 10M, trong đó nhiệt độ dung dịch được điều chỉnh từ 30 ℃ lên 70 ℃ Mục đích của nghiên cứu này là để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến khả năng hấp phụ khí N2 và Toluen trên than hoạt tính.
So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch NaOH 10M ở 70℃ đến quá trình biến tính cho thấy, khi giữ nguyên các thao tác và điều kiện biến tính, chỉ thay đổi nhiệt độ dung dịch, mẫu vật liệu sau khi biến tính được đánh dấu là A13 Kết quả hấp phụ trên mẫu A13 đã thu được một bảng số liệu đáng chú ý.
Bảng 3.10 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A13
Khối lượng cột hấp phụ m(g)
Lượng than hoạt tính hấp phụ Wt(g)
Hình 3.12 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ các mẫu A0; A12; A13
Mẫu A13, được biến tính ở nhiệt độ 70℃, có hoạt độ hấp phụ đạt 0,257 (g/g), cao hơn 5,05% so với mẫu A12 biến tính ở 30℃ với hoạt độ hấp phụ 0,244 (g/g) Kết quả này chứng minh rằng việc biến tính mẫu ở nhiệt độ cao là cần thiết để tăng cường hiệu suất hấp phụ.
So sánh khả năng hấp phụ các mẫu A0; A12; A13
Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của các mẫu
Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của các mẫu A0, A22 và A23 cho thấy phản ứng giữa NaOH và nhóm chức bề mặt cacbon-oxi mới xảy ra, dẫn đến việc hàm lượng oxy trên bề mặt than mới giảm, từ đó tăng khả năng hấp phụ hơi của mẫu này Trong nghiên cứu, nhiệt độ dung dịch biến tính H2SO4 10M được khảo sát ở 70℃, chỉ thay đổi thông số nhiệt độ trong quá trình biến tính, và mẫu vật liệu sau khi biến tính được đánh dấu là A23.
Bảng 3.11 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A23
Khối lượng cột hấp phụ m(g) Lượng than hoạt tính hấp phụ Wt(g)
Mẫu A23 có hoạt độ hấp phụ là 0,231 (g/g), cao hơn mẫu A22 với 0,222 (g/g), chỉ tăng 0,9%, cho thấy sự gia tăng không đáng kể Kết quả này chứng minh rằng quá trình biến tính bằng dung dịch H2SO4 không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
Khảo sát khả năng hấp phụ hơi Toluen trên than hoạt tính dạng vải ở các nhiệt độ khác nhau
Thí nghiệm hấp phụ động được thực hiện nhằm so sánh hiệu quả làm việc của các loại than hoạt tính khác nhau, trong đó mẫu than hoạt tính dạng vải được thử nghiệm dưới các điều kiện tương tự như mẫu than hoạt tính gáo dừa.
Để tiến hành thí nghiệm, chúng ta cắt mẫu thành các sợi nhỏ và cân 0,2g mẫu, sau đó nhồi vào cột hấp phụ Tiếp theo, mẫu được sấy trong 60 phút trước khi tiến hành hấp phụ khí N2/Toluen Các thông số làm việc trong quá trình sấy và hấp phụ được giữ nguyên như mục 3.1 Hấp phụ khí N2/Toluen được thực hiện ở các nhiệt độ khác nhau Để phân tích và so sánh, mẫu than hoạt tính được đánh dấu: mẫu 01 cho than dạng hạt và mẫu 02 cho than dạng vải Kết quả đo hoạt độ hấp phụ của mẫu 02 ở các nhiệt độ khác nhau sẽ được trình bày trong các bảng dưới đây.
Bảng 3.12 Hoạt độ hấp phụ của mẫu số 02 ở 5℃
Khối lượng cột hấp phụ m(g)
Lượng than hoạt tính hấp phụ Wt(g)
Bảng 3.13 Hoạt độ hấp phụ của mẫu số 02 ở 10℃
Khối lượng cột hấp phụ m(g)
Lượng than hoạt tính hấp phụ Wt(g)
Khối lượng cột hấp phụ m(g)
Lượng than hoạt tính hấp phụ Wt(g)
Bảng 3.14 Hoạt độ hấp phụ của mẫu số 02 ở 15℃
Khối lượng cột hấp phụ m(g)
Lượng than hoạt tính hấp phụ Wt(g)
Bảng 3.15 Hoạt độ hấp phụ của mẫu số 02 ở 20℃
Khối lượng cột hấp phụ m(g)
Lượng than hoạt tính hấp phụ Wt(g)
Hình 3.14 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của mẫu số 01 và mẫu số 02
Ở nhiệt độ sục khí 5℃, mẫu số 02 cho thấy hoạt độ hấp phụ tăng 14,19% so với mẫu số 01 Tại 10℃, mức tăng này đạt 21,28% Ở 15℃, hoạt độ hấp phụ của mẫu số 02 tăng 5,76% so với mẫu số 01 Cuối cùng, ở nhiệt độ 20℃, mẫu số 02 có hoạt độ hấp phụ tăng 17,55% so với mẫu số 01.
Mẫu than hoạt tính dạng vải cho thấy hiệu quả vượt trội so với than hoạt tính gáo dừa truyền thống Với khối lượng riêng nhẹ và độ linh động cao, than hoạt tính dạng vải hứa hẹn sẽ là lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị lọc gọn nhẹ, dễ dàng thay thế và bảo trì.
Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ mẫu số 01 và mẫu số 02