Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật Môi trường: Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ quả phượng và ứng dụng trong xử lý nước thải

Hiệu suất hấp phụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất vật lý của than: kết cấu, kích hước, mật độ lỗ xốp, diện tích bề mặt riêng, thoi gian và phương pháp hoạt hóa than Cacbon là th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BQ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRUONG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGHIÊN CỨU CHÍ

PHƯỢNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THÁI

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 8520320

NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HỌC TS Nguyễn Hoài Nam

HÀ NỘI, NĂM 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tải “Nghién cứu chế tạo than hoạt tính từ quả phượng và ứng

dụng trong xử lý nước thải” là nghiên cứu của bản thân tôi thực hiện dưới dự hướng.

dẫn của TS Nguyễn Hoài Nam Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn

a trung thực, không sao chép từ bắt kỳ một nguồn nào và đưới bắt kỳ hình thức nao,Việc tham khảo các nguồn tải lệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghỉ nguồn

tải liệu tham khảo đúng quy định.

“Tác giả luận văn.

Đỗ Thị Thi

LỜI CẢM ON

Lời đầu tiên, với lòng bit ơn và sự kính trong sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn

TS Nguyễn Hoài

đã giúp đờ dịnh hướng nghiên cứu, tận tình giúp đỡ em trong sốt quá tinh thực hiện

Nam, giảng viên khoa Kỹ thuật môi trường, trường đại học Thủy Lợi

đề tài, cảm ơn cô đã dành rắt nhiễu thời gian và tâm huyết hướng dẫn và góp ý để emhoàn thành đề thi này

Xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Thủy Lợi các thiy cô giảng viên

khoa Kỹ thuật môi trường đã cho phép và tạo điều kiện để om thực hiện để tà này,

Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè và những người thân đã quan tâm động viên và ding góp ý kiến giúp đỡ em hoàn thành dé ti nghiên cứu

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Đỗ Thị Thỉ

ii

MỤC LỤC

MO PAU

1 Tính cấp thiết của để tài

2 Mye tiêu của đ ti

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

5 Cấu trúc luận văn

CHUONG 1 TONG QUAN

1-1 Tổng quan về than hoạt tính

1.1.1 Than hoạt tính

1.1.2, Cu trúc của than hoạt tính

1.1.3, Chế tạo than hoạt tinh

1.1.4, Biến inh than hoạt tính

1.1.5, Ứng dụng của than hoại

12 Tổng quan vé phương pháp

12.1 Hiện tượng hấp phụ,

1.22 Lý thuyết hp phụ

1.23 Kỹ thuật hấp phụ

12.4 Các phương trinh đẳng nhiệt hip phụ

13 Giới thiệu về vật liệu hip phụ

13.1 Nguồn gố

1.322, Die tính của vật liệu lignocellulose

134, Cơ sỡ lý

hip phụ

cấu tạo, đặc điểm dinh dường của cây phượng vĩ

thuyết của phương pháp sử dụng vật liệu lignocellulose làm vật liệu

10 12 4 4 15 17 21

25

25 2ï

28 1.3.4 Các nghiên cứu ứng dụng chế tạo than hoạt tinh từ vật liệu chứa lignocellulose

1.4 Giới điệu về xanh metylen

15 Một số hưởng nghiên cứu hấp phụ xanh methylen và Cu(lJ,

'CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

2.1 Hóa chất và thiết bị.

2.1.1, Hóa chất sử dụng

2.1.2, Dug cụ và hit bị thí nghiệm

22 Chế tạo than từ quá phượng

22.1, Phương pháp chế tạo than từ quả phượng

2.3 Khảo sát các yêu tổ ảnh hưởng tới khả năng tạo thành than

2.3.1, Ảnh hưởng của thời gian ngâm hóa chat,

2.3.2, Ảnh hưởng của nhiệt độ nung.

23,3, Ảnh hưởng của nồng độ hóa chất

2.4 Phân tích đánh giá các đặc trưng của than

2.4.1 Xác định ình thd học bE mặt

iii

29 30

32

34 3 34 34 35 35

36

36 37 37 38 38

2.4.2 Xác định diện tích bé ng

3.4 3 Xie định thành phần nguyên tô

2.44 Phương pháp quang ph hồng ngoại

2.5 Nghiên cứu các yếu tổ ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ.

2.6 Phương pháp phân tích trắc quang

2.6.1, Cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang

2.6.2 Phương pháp định lượng bằng trắc quang

2.7 Phân tích hàm lượng Cu trong nước bằng phương pháp chuân độ

2.8 Chế tạo mô hình thực nghiệm.

CHƯƠNG 3 KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN

3.1, Kết quả Khảo sát các yu tổ ảnh hướng tới kh năng tạo thanh than

3.1.1 Khảo sit thời gian ngâm hóa chất

3.1.2 Khảo sát nhiệt độ nung than

3.1.3 Khảo sắt thời gian ngẫm,

3.2 Kết quả đánh giá các đặc trưng của than.

3.2.1 Hình thái bề mặt (SEM)

2 Diện tích bŠ mặt riêng của vật liệu BET

3.2.3 Thành phần nguyễn tổ bằng kỹ thuật tín xạ ning lượng tia X (EDX)

3:24 Phân tích pho hồng ngoại

3.3 Đánh giá các yếu tổ ảnh hưởng tới quá tình hắp phụ xanh metylen

3.3.1 Đường chun dung dich xanh metylen

3.3.2 Ảnh hưởng của thoi gian tiếp xúc tối quá tình hắp phụ

3.3.3 Ảnh hướng của khỗi lượng vật liệu hắp phụ

3.34 Ảnh hưởng của nồng độ ban đầu chất bi hap phụ

3⁄35 Ảnh hướng của pH

3.4 Xây dựng đường đẳng nhiệt hip phụ

34.1, Đường đẳng nhiệt hip phụ của mẫu than hoại hóa bằng H,PO,

3.42, Dưỡng đẳng nhiệt hấp phụ của mẫu than hoại hóa bằng KOH.

3.5 Dn giá các yếu tổ nh hưởng ti quá tình hắp phụ đồng (I)

3.5.1 Ảnh hưởng của thôi gian tiếp xúc

3.5.2 Ảnh hưởng của nồng độ Cu đầu vào

3.5.3 Ảnh hưởng khối lượng than

3.54 Xây dựng đường ding nhiệt hip phụ

3.6 Nghiên cứu xử lý bằng mô hình dang chày liên tực

3.6.1 Ảnh hưởng của tốc độ dong chảy,

3.6.2 Ảnh hưởng chiều cao lớp vật liệu

% 5?

61 62 68 65 68 68 68 69 70

72

72 73 75 7

7ï

7§ 79 81 4

83

84 85 85

$6

$8

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình cột hắp phụ 18 tình 1.2 Dang đồ thị đường cong thoát của quá trình hắp phụ 19

Hình 1.3 Quá trình chuyển khối trong cột hắp phụ [12] 20

Hình 1.4 Đường đẳng nhiệt Frenundrich 2

Hình 1.5 Đỗ thị sự phụ thuộc lgg và log 2Hình 1.6 Đường dng nhiệt hắp phụ Langmuir 24Hình 1.7 Đồ thị sự phụ thuộc 24

Hình 1.8 Cay phượng vĩ 25

Hình 1.9 Quả phượng khi xanh 26

Hình 1.10 Quả phượng già 26 Hình 2.1 Một số thết bị thí nghiệm 35 2.2 Quả phượng sau khi được ria sạch 36 Hình 2.3 Quả phượng sau khi nung 36 Hình 2.4 Hình ảnh đồ thị đường BET

Hình 2.5 Mô hình thực nghiệm

2.6 Mé hình thí nghiệm với đồng (1) và xanh metylen

Tình 3.1 Ảnh các mẫu than được chế tạo sau khi ngâm với HyPO,10%

Hình 3.2 Ảnh các mẫu than được chế tạo sau khi ngâm với KOH 10%

Hình 3.3 Dung lượng hip phụ của VLHP với thời gian ngâm hóa chất khác nhau.

Hình 3.4 So sánh dung lượng hip phụ của mẫu than ngâm bằng KOH và H;PO,

3.5 Mẫu than được nung ở 200°C

inh 3.6 Mẫu than được nung ở 250°C

Hình 37 Mẫu than được nung ở 300

Hình 3.8 Mẫu than được nung ở 350°C

finh 3.9 Mẫu than được nung ở 400°

Hinh 3.10 Dung lượng hip phụ của các mẫu than với nhiệt độ nung khác nhau

Tình 3.11 Các mẫu than ngim với H,PO,15% với thời gian khác nhau

Hình 3.12 Các mẫu than ngâm với HPO, 204% với thời gian khác nhau

Hình 3.13 Mẫu than ngâm với KOH 15% với thời gian khác nhau

Hinh 3.14 Dung lượng hấp phy của mẫu than ngâm H;PO, ở nồng độ khác nhaa 0

Tình 3.15 Mẫu than chưa hoạt héa ol Hình 3.16 Mẫu than được ngâm với H.PO, ot

3.17 Mẫu than được ngâm KOH 61 Hình 3.18 Phổ phân tích EDX của than hoạt tính biển tinh bing KOH 10% 64

3.19 Ph phân tích EDX của than hoạt tn biến tính bằng HPO, 10% 65Hình 3.20 Mẫu H,PO, trước hip phụ MB 65Hình 3.21 Mẫu H,PO, sau khi hấp phụ MB, 66Hình 3.22 Mẫu KOH trước khi hip phụ MB 66

Hình 323 Mẫu KOH sau khi hắp phụ MB 61

Hình 3.24 Mẫu KOH sau khi hip phụ Cu.

Hình 3.25 Đường chitin dung dịch xanh metylen

Hình 3.26 Anh hưởng của thời gian tp xúc đến dung lượng hip phụ

inh 3.27 Dung lượng hip phụ với khối lượng VLHP khác nhau

Hình 3.28 Dung lượng hap phụ theo thời gian của mẫu H,PO,

Hinh 3.29 Dung lượng hip phụ theo hồi gian cia mẫu KOH,

inh 3.30 Đà thị biểu điễn ảnh hưởng của pH đến dung lượng hip phụ của VLHP

Hình 3.31 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

Hình 3.32 Sự phụ thuộc của CcbMq vào Ccb

Mình 3.33 Sự phụ thuộc của lý q vào ly Cụ

Hình 3.34 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir

Hình 3.35 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb

Hình 3.36 Sự phụ thuộc của gq vào lý Ca

Hình 3.37 Biến thiên nồng độ Cu theo thời gian

Hình 3.38 Dung lượng hắp phụ của Cu với ndng độ khác nhau.

Hinh 3.39 Dung lượng hip phụ của VLHP với khối lượng than khác nhau

Hinh 3.40 Đường ding nhiệt hip phụ Langmuir

Hình 3.41 Sự phụ thuộc giữa Ccb và Ccb/q

Hình 3.42 Sự phụ thuộc giữa IgCeb và leg

Hình 3.43 Đường cong thoát của MB với tốc độ dong chảy khác nhau

Hình 3.44 Đường cong thoát của Cu với tốc độ dòng chảy khác nhau.

Hình 3.45 Đường cong thoát của dung dich MB với chiều cao VLHP khác nhan

Hình 3.46 Đường cong thoát của Cu với chiều cao VLHP khác nhau

67

68 69

70

nm 7I 72 73 73

74

75 76 16 78

79

80 81 81 82 4 84

$5 85

DANH MỤC BANG

Bảng 1.1 Một số đường đẳng nhiệt hip phụ thông dụng 21Bảng L2 Thành phan của qua phượng vĩ 26

Bảng 2.1 Thông số thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng thời gian ngâm hóa chất 36

Bảng 2.2 Các thông số thí nghiệm khảo sát nhiệt độ nung than 37Bảng 2.3 Thông số khảo sit ning độ hóa chit ngâm 37

Bang 2.4 Các điều kiện ti uu 3 Bảng 25 Thông sé đầu vào thi nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thờ gìn tgp xúc ới quý

Bảng 3.1 Dung lượng hip phụ của các mẫu than với nhiệt độ nung khác nhau SỐ

Bảng 3.2 Dung lượng hap phụ của mẫu than ngâm HPO, ở nồng độ khác nhan 59

Bang 3.3 Kết quả đo kích thước điện ích bề mặt và kích thước lỗ rồng của mẫu than

@ Bảng 3.4 Kích thước diện ích bé mặt và kích thước lỗ rng 6

Bang 3.5 Thành phần phần trim về khối lượng và nguyên từ có trong mẫu than biển

tính bằng HPO 63

Bảng 3.6 Thành phần phản tram về khôi lượng và nguyên từ có rong mẫu than biến

tính bằng KOH 64

Bảng 3.7 Dung lượng hắp phụ cực dai va hing số hắp phụ langmuir 74

Bảng 38 Hing số hip phụ Freundlich 75

Bảng 3.9 Dung lượng hip phụ cực đại và hing số hip phụ langmuir T6

Bang 3 10 Hing số hip phụ Freundlich nBảng 3.11 Dung lượng hip phụ cực đại và hằng số hip phụ langmuir 82

Bảng 3.12 Hing số hấp phy Freundlich 82

DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT

MB xanh metylen

'YLHP vật liệu hấp phụ

MỞ DAU

1 Tính cấp thiết của đề tài

rong thời đại hiện nay, cùng với quá tinh công nghiệp hóa hiện đại hóa của đắt nước

indi trường sống của con người ngày cing bi 6 nhiễm, Nước là ngudn sông quan trọng

của con người và môi rường nước đã và dang bị 6 nhiễm nghiêm trọng Tuy nhiên vẫn

để bảo vệ và xứ lý ô nhiễm nước để tái tạo lại nguồn nước chưa được quan tâm

Nguyên nhân là do cộng đồng chưa nhận thức được hết mức độ nguy hại của các chất

6 nhiễm với con người, còn đối với các doanh nghiệp, các nhà máy, các khu côngnghiệp thi bỏ qua vin đề xử lý ô nhiễm nguồn nước do chỉ phí xử lý lớn Vì vậy để

bảo vệ nguồn nước và hướng tới phát triển bén vũng thì xử lý nguồn nước ô nhiễm là

vẫn 48 quan trong cần được quan tim trong giải đoạn hiện nay

“Than hoạt inh là một loại vật liệu có khả năng hp phụ các chất ô nhiễm trong nướcnhư asen, kim loại nặng, iot, các chat hữu cơ Tuy nhiên, hiện nay nguồn nguyên liệu

hóa thạch như than bản, than đã không phải Iai nguyên vô tận và sẽ can Kit trong

tương lai, bên cạnh đó việc sử dụng những nguyên liệu này sẽ tạo ra sản phẩm than

"hoạt tinh có hàm lượng to cao hạn chế về khả năng ứng dụng Việc sit dung than củi

sẽ kếo theo việc chặt phá rừng làm mắt cân bằng hệ sinh thái và cạn kiệt tài nguyên thí nhiên Vì vậy nghiên cứu chế go ra than hoại tính từ các phụ phẩm nông nghiệpnhiệm vụ cần thiết để thúc diy công cuộc xử lý nước thải bảo vệ nguồn nước

‘Cay phượng có tên khoa học là Delonix regia, thuộc họ Fabaceae Cây có nguồn gốc

từ Madagasca, có hoa rực rỡ và tạo bóng mát nên được tring rộng rãi ở các nước nhiệt

đối âm, 6 nước ta, cây được trồng hầu hết ở các thành phổ lớn và đặc biệt được trồngnhiễu ở trường học và các công tinh Quả phượng xa xưa đã được con người biết đến

là một được liệu mang lại nhiễu lợi ích trong ngành y học Hiện nay trên th

một số nhà khoa học đã nghiền cứu và chế tạo than hoạt tính từ hạt của quả phượng

LI],tử quả phượng [2] để hắp thụ iot và canh metylen, Dựa trên các tài au nghiên cứu

trước về khả năng hấp phụ của quả phượng và trước tình hình 6 nhiễm nước hiện nay

cm đã chọn đỀ tài “Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ quả phượng và ứng dung

trong xử lý mước thi".

2 Mục tiêu của dé tài

~_ Muc tiêu tổng quát

+ Nhiên cứu chế tgo than hoạt tính từ quả phượng.

+ Nghiên cứu khả năng xử lý chất hữu cơ hỏa tan, độ mau, déng trong nước thai củathan hoạt nh chế tạo từ quả phượng

= Mục tiểu cụ thể

+ Xác định điều kiện tối ưu để sản xuất than hoạt tính.

+ Binh giả hiệu qui xử lý của than quả phượng đối với chất hữu cơ hỏa tan và độ

màu, đồng trong nước thải

ánh giá ảnh hưởng của các

khối lượng than hoại tinh, pH dung dich và nông độ của chất hữu cơ, nồng độ đồng.

+ Đánh giá khả năng ứng dụng thực tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đồi tượng nghiên cứu:

+ Than hoại tinh chế tạo từ qua phượng.

+ Nước thải chứa xanh metylen và Cụ

Pham vi nghiên cứu:

+ Nghiên cứu trong quy mô phòng

4 Cách tiếp

cận

tehiệm.

in và phương pháp nghiên cứu.

“Tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu có liên quan trong nước va nước ngoà

về sản xuất than hoạt tính từ quả phượng Từ đó lựa chọn hướng nghiên cứu mang tính

kế thừa, sing tạo và phù hợp với điề kí nghiên cứu

4 Phương php nghiên cứu

+ Phương pháp kế thừa: Tổng hợp, kế thừa các nghiên cứu về than hoạt tinh chế to từ

quả phượng ứng dung đề xử lý nước thải đã được công bổ

+ Phương pháp phân tích, tổng hợp số liệu: Thu thập thông tin, nguồn tả liệ liên

quan đến phương pháp hấp phụ và xử lý nước thải từ than hoạt tính chế tạo từ quảphượng

+ Phương pháp phân tich tại phòng thí nghiệm: Phân tích các đặc trung của than, phân

tích nồng độ chất hữu, độ màu và đồng trong nước thải thiết ké mô hình vật lý để

đánh giá khả năng ứng dụng thực tẾ.

+ Phương pháp so sinh, đảnh giá: So sánh, đánh giá hiệu quả xử lý của các mẫu than chế biến từ quả phượng (mẫu 1 không được hoạt hóa bằng hóa chất; mẫu 2 ngâm với

PO, mẫu 3 ngâm với KOH); so sinh hiệu quả xử lý với các loại than hoạt tinh được

chế tạo từ các phụ phẩm khác

5, Cấu trúc luận văn

“Cấu trú luận văn bao gồm 3 chương cụ thể

Mỡ đầu

“Chương 1: Tổng quan

“Chương 2: Phương pháp thực nghiệm

“Chương 3: Kết quả và thảo luận

luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TONG QUAN

1.1 Téng quan về than hoạt tink

1.1.1 Than hoạt tinh

Than hoạt tinh là một chất có thành phẳn chủ yếu là nguyê tổ cacbon ở dạng vô định hình, một phần dang tinh thể grafit, phin còn lại ở dang tan tro Than hoạt tính thưởng

có diện tích bề riêng mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500 m’/g và thể tích lỗ xốp từ0.2 đến 0.6 cm/g Diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính chủ yếu là do các lỗ nhỏ

có bán kính nhỏ hơn 2nm.

Cấu trúc xơ 1g của than có thểcó 2 dạng: Cấu trúc xốp dang tổ ong hoặc cấu trúc

trong dé than có các ỗ ring với các kích thước đều đặn Do edu trúc xơ rng nên than

hoạt tinh có khả năng hip phụ rất mạnh và qu

quá trình song song là lọc cơ học giữ các hạt cặn bằng lỗ nhỏ va hip phụ các chất hòatan trong nước bằng cơ chế hấp phụ Hiệu suất hấp phụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố

như tính chất vật lý của than: kết cấu, kích (hước, mật độ lỗ xốp, diện tích bề mặt

riêng, thoi gian và phương pháp hoạt hóa than

Cacbon là thành phần chủ yếu trong than hoạt tinh với him lượng khoảng 85% - 95%

Bén cạnh đó than hoạt tính còn chứa các nguyên tổ khác như hidro, nito, lưu huỳnh và

oxi, Thành phin các nguyên tổ trong than hoạt tinh thường là 88%C, 0.5%H, 0.5%N,

1S,

phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế [3],

-7% O Tuy nhiên ham lượng oxy trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1-20%:

1.1.2 Cu trác của than hoạt tink

1.1.2.1 Cấu túc tình thé

Theo kết quả nghiên cứu của Rongen th than hoạt tính gdm các vỉ tính thể cacbom

Céc vi tinh thé này tạo thành lớp, trong các lớp nguyên tử tạo thành cacbon sắp xếp

thành 6 cạnh Tuy nhiên với cấu trúc mạng lưới tỉnh thể graphit th trong than hoạt tính

sắc lớp vi tinh thể sắp xếp lộn xôn không tật tự

1.1.2.2, Cấu tie xp củu bề mặt than loạt tink

“Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngang ben

giữa chúng, làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển Chúng có tỷ

trong tương đối thấp (nhỏ hơn 2glems) và mức độ graphit hóa thấp Cấu trúc bỂ mặt

này được tạo ra trong quá tình than hóa và phát triển hơn trong quả tình hoạt hóa, khỉ

làm sạch nhựa đường và các chất chứa cacbon khác trong khoáng trồng giữa các tỉnh

thể Quá trình hoạt hóa kim tăng thể tích và làm rộng đường kính lỗ.

Lễ nhỏ (Mieropores) có kích thước cỡ phân tứ, bain kính hiệu dụng nhỏ hơn 2nm Sự

y thể ích ki neưng tụ mao quản Năng lượng hấp phụ trong các lỗ này lớn hơn rắt nhiều so với lỗ

p phụ trong các lỗ này xảy ma theo cơ chế lắp S, và không xây r sự

trung hay bề mặt không xốp vì sự nhân đôi của lực hip phụ từ các vách đối điện riêngcủa lỗ nhỏ chiếm 95¢ tổng diện tích bề mặt của than hoạt tinh Dubinin còn đề xuấtthêm rằng cấu trú vi lỗ có thể chia nhỏ thành 2 cấu trúc vi lỗ bao gồm các vi lỗ đặc

trưng với bán ính hiệu dụng nhỏ hơn 0.6 =0 7nm và sigu vỉ lỗ với bán kính hiệu dung tir 0.7 đến 1.6m Cu trúc vi lỗ của than hoạt tính được xác định rõ hơn bằng hắp phụ

khí và hơi và công nghệ tia X

Lễ trung (Mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển có bán kính hiệu dung từ 2 đến 50

nm, thé ch của chúng thường từ 0.1 đến Ö.2em/g Diện tích bề mặt của lỗ này chiếm

không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than Tuy nhiên, bằng phương pháp đặc biệt

người a cổ thể ạo ra than hoạt ính cổ ỗ rung lớn hơn, th tích của lỗ trung đạt được

từ 02 ~ 0.65emu/g và điện tích bÈ mặt của chúng đạt 200m /g Các lỗ này đặc trmg bằng sự ngưng tụ mao quản của chất hấp phụ với sự tạo thành mặt khum của chất lông

bj hấp phụ

Lỗ lớn (Macropore) không có nhí Ý nghĩa trong quá tình hp phụ của than hoạt tính bởi vì chúng có diện tích bỂ mặt là 05 mi Chúng có bán kính hiệu dụng lớn hơn

lỗ từ 02 - 0.4em'/g Chúng

50nm và thường trong khoảng 500- 2000nm với thé

hoạt động như một kênh cho chất bj hip phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung Các lỗ lớn

Không được lắp đầy bằng sự ngưng tụ mao quản Do đó, cấu trúc lỗ xốp của han hoạt

tính có 3 loại bao gồm lỗ nho, lỗ trung và lỗ lớn Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò

nhất định tong quá tình hấp phụ Lỗ nhỏ chiếm 1 diện tích b& mat và thể tích lớn do

đồ đồng g6p lớn vào khả năng hip phụ của than hoạt tính, miễn li kích thước phân từ

p phụ không quá lớn để đi vào lỗ nhỏ, Lễ nhỏ được lắp diy ở áp suất hơicủa chất bị

tương đối thấp trước khi bat đầu ngưng tụ mao quản Mặt khác, lỗ trung được lắp đầy

46 áp suất hơi tương đối cao với sự xây ra [4]

Cu trú lỗ và sự phân bổ cầu trúc lỗ của ching được quyết định chủ yêu từ bản

nguyên liệu ban đầu và phương pháp than hóa Sự hoạt hóa cũng loại bỏ cacbon không.

phải trong cấu trúc, làm lộ rủ các tinh thể đưới sự hoạt động của các ác nhân hoạt hón

và cho phép phát triển cấu trúc vi lỗ xếp Trong pha sau cùng của phản ứng sự mi

rộng của các lỗ tồn tại và sự tạo thành các lỗ lớn bằng sự đốt cháy các vách ngăn giữacác lỗ cạnh nhau được diễn ra Điều này làm cho các lỗ trống có chức năng vận chuyển và các lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể tích vi lỗ [4]

‘Theo Dubinin và Zaveria, than hoạt tính vi ốp được tạo ra khi mức độ đốt cháy

(burn-off) nhỏ hơn 50% và than hoạt tính lỗ macro khi mức độ đốt cháy là lớn hơn

75% Khi mức độ đốt cháy trong khoảng 50 ~ 75% sản phẩm có hỗn hợp cầu trúc lỗ

xếp chứa tắt cả các loi lỗ Nối chung than hoạt tính có bề mặt riêng phát triển và

thường được đặc trưng bằng cấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ các 15

với kích thước và hình dạng khác nhau Người ta khó có thé đưa ra thông ti chính xác

về hình dạng của lỗ xốp, Có vai phương pháp được sử dụng để xác định hình dạng của

16, các phương pháp này đã xác định than thường có dang mao dẫn mỡ cả hai đầu hoặc

có một đầu kín, thông thường có dạng rãnh, dạng chữ V và nhiều dạng khác Than

hoạt tính có lỗ xốp từ I nm đến vai nghìn nm, Dubinin để xuất một cách phân loại lỗ

xốp đã được IUPAC chấp nhận Sự phân loại này dựa trên chiễu rộng của chúng, thé

hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xép hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạng

ống Các lỗ được chia thành 3 nhóm, lỗ nhỏ, lỗ trung và ỗ lớn 4]

1.1.2.3 Câu trúc hóa học của bé mặt

Cu trúc tinh thể của than có tác động đáng kể đến hoạt tính hóa học Tuy nhiên, hoạt

tính hóa học của các tâm ở mặt tinh thé cơ sở it hon nhiều so với tâm ở cạnh hay ở các

vị trí khuyết Do đồ, cacbon được graphit hóa cao với bỀ mặt đồng nhất chứa chi yéumặt cơ sở ít hoạt động hơn cacbon vô định hình Khả năng hấp phụ của than hoại tính.được quyết din bôi cấu trúc vật lý và lỗ xốp của chúng, nhưng cũng bị ảnh hưởng

mạnh bởi cấu trúc hóa học Thành phần quyết định của lực hap phụ lên bề mặt than là.

thành phần không tập trung của lực Van der Walls [4]

“Than hoạt tinh hẳu hết được liên kết với một lượng xác định oxy và hydro Các nguyên.

tữ khác loại này được ạo ra từ nguyên liệu ban đầu và trở thành một phi cấu trúc hónhọc là kết quả của quá tình than hóa không hoàn bảo hoặc trở thành iên kết hóa học

với bé mặt trong quá trình hoạt hóa hoặc trong các quá trình xử ly sau đó Nghiên cứu.

nhiễu xa tia X cho thấy rằng các nguyên tử khác loại hoặc các loi phân từ được liên

Kết với cạnh hoặc sóc của cát lớp thơm hoặc vị nguyê từ cacbon ở các vị trí khuyết làm tăng các hợp chit cacbon - oxy, cacbon - hydro, eacbon nia, cacbon - lưu

huỳnh, cacbon - halogen trên bẻ mặt, chúng được biết đến như là các nhóm bề mặthoặc các phúc bề mặt Các nguyên từ khác loại này có th sat nhập trong lớp cacbon

tạo ra hệ thống các vồng khác loại Do các cạnh này chứa các tâm hip phụ chính, sự 66

mặt của các hợp chất bé mặt hay các loại phân tử làm biển đổi đặc tính bé mặt và đặc điểm của than hoạt tính [4]

1.1.24, Nhóm cacbon - oxi trên bê mặt than hoạt tính

Nhóm cacbon - oxy bé mặt là nhóm quan trọng nhất ảnh hưởng đến đặc trưng bẻ mặt

nh tính ưa nước, độ phân cực, tinh axit và đặc điểm hóa lý như khả năng xúc ác, dẫn

điện và khả năng phản ứng của các vật liệu này Thực tế, oxy đã kết hợp thường được

biết là yếu tổ làm cho than trở nên hữu ích và hiệu quả trong một số Hah vục ứng dụng

nhất định, Các nguyên tử oxy và hydro là những thành phần cần thiết của than hoạt

tính với đặc điểm hip phụ tốt, b mặt của vật liệu này được nghiên cứu như một bềmặt hydrocacbon bién đổi ở một số tính chất bằng nguyên tử oxy Dạng nhóm cacbon

~ oxy bể mặt (axit, bazo, trung hòa) đã được xác định, các nhóm axit bể mặt là rất đặc

trưng và được tạo thành khí than được xử lý với oxy ở nhiệt độ tên 400°C hoặc bằng

phan ứng với dung dich oxy hóa ở nhiệt độ phòng Các nhóm chức này ít ben nhiệt và

phân hãy khi xử lý nhiệt trong chân không hoặc trong môi trường khí tra & nhiệt độ tử

350°C đến 750°C và giải phóng COs Các nhóm chức axit bé mặt này làm cho bÈ mặt

than ưa nước và phân cực, các nhóm này là caboxylic, lacton, phenol, Nhóm oxy bazơ.

tên bÈ mặt ít đặc trưng hơn và được tạo ra khỉ một bé mặt than không còn bắt kỳnhóm oxy bé mặt nào khi xử lý nhiệt trong chân không hoặc trong môi trường tro ở

nhiệt độ 1000°C sau dé làm nguội ở nhiệt độ phòng, được tiếp xúc với khí oxy Garten

và Weiss đề xuất cầu trúc dạng pyron cho nhóm hức bazo, nhóm chức này cũng được:

biểt như cẩu trúc chromene, Cầu trúc này có vòng chứa oxy với nhóm hoạt hóa CH2, CHR Theo Voll va Boehm, các nguyên tử oxy trong cu trúc kiễu pyton được định vị

-trong hai vòng khác nhau của lớp graphit, Tuy nhiên, cấu trúc của các nhóm oxy bazo

trên bề mặt cũng dang còn tranh cãi Các nhóm oxy trung hòa trên b mặt được tạo ra

do quá tinh hấp phụ hóa học không thuận nghịch oxy ở các tâm không bio hòa dạng

bê mặt bị phân bủy thành CÓ: kh xử lý

seylen có mặt tiên bé mặt than Các hợp

nhiệt Các nhóm trung hòa trên bề mặt bén hon so với các nhóm axit và bắt đầu phân

hủy trong khoảng nhiệt độ 500° - 600°C và bị loại bỏ 4]

1.13 Chễ go than hoạt tink

"Nguyên lý chung để điều chế than hoạt tính gồm hai quá trình: than hóa và hoạt hóa

‘Than hóa là giai đoạn chuyển hóa nguyên liệu về dang than, lim tăng hàm lượng

cacbon và tạo bé mặt xốp ban đầu Hoạt hóa (vật lý, hóa học) với mục dich phát triển

lỗ xốp, tăng điện tích bé mặt của than, Hoạt hóa là giai đoạn khó thực hiện hơn và làgiải đoạn quyết định đến chất lượng than

11.3.1 Quá trình than hóa

“Thông thường quá trình than hóa được thực hiện ở nhí độ cao trong môi trường ky

khí các vậtiệu giàu cacbon sẽ bị dehydrat hóa tgo thành than có diện tích b mật riêng

phát triển Đặc điểm quan trong của giả đoạn than hóa là phải dim bảo mỗi trường ky khí hay hạn chế tối đa sự có mặt và lưu thông của oxi trong môi trường than hóa Sự

có mặt của oxi sẽ đốt chấy than thu được trong giai đoạn này, Để tạo môi trường trong

giải đoạn than héa thông thường có các phương pháp sau:

Sử dụng khí nit: thiết bị đùng để than hóa được thi in tục đồng khí no Sự có mặt của nito sẽ đuổi oxi ra khỏi thể phản ứng Phương pháp này có tu điểm là hạn chếđược sự có mặt của oxi higu quả cao và thuận lợi cho quá tình hoạt hóa tiếp theo sáu

nito và đất tiềnbằng CO, hơi nước Tuy nhiên phương pháp này

Sử dung cát SiO; hoặc bằng hạ sồi: Dây là phương pháp đơn giản, rẻ thực

hiện Cát được phủ lên trên bÈ mặt và chiếm các không gian trồng trong cốc nungnhằm đuổi hết oxi và hạn chế sự lưu thông của oxi trong thể tích phản ứng Tuy nhiênhạn chế của phương pháp này là gây cản trở cho việc hóa hóa tiếp theo bằng CO;, hơi

nước,

Ding khi CO¿, hơi nước: tương tự như ding khí nito tuy nhiên CO;, hơi nước ngoài

vai tb đuổi oxi nó còn là tác nhân hoạt hóa cho quá tình tạo lỗ sốp và phát tiển bŠ

mt riêng của than Trong công nghiệp thi phương pháp dùng hơi nước là phổ biếnnhất bởi vì nước là nguồn sẵn, rẻ tiễn không gây ô nhiễm môi trường

1.1.3.2, Qué tình loạt hóa

Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưởi tác dụng của nhiệt và

tác nhân hoạt hóa tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau,

ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt Có hai phương pháp hoạt hóa cơ bản

và hoạt héa vật lý và hoạt hóa hóa học Mục đích của giai đoạn hoạt hóa là phát tiển

bề mặt riêng của than thu được sau giai đoạn than hóa Hoạt hóa vật lý sử dụng tác

nhân nhiệt độ để thay đổi cát

hóa học của chất hoạt hóa v

trúc Š mặt than còn hoạt hóa hóa học dựa vào phản ứng

bề mặt than để thay đội sấu trúc bỀ mặt than

loạt hóa vật lý: Hoạt hóa vat lý luôn đi kèm với giai đoạn than hóa, ở nhiệt độ cao

vat liệu bị dehydrat hóa, đồng thời xây ra quá trình ái edu trúc bE mặt than, kết quảlàm tăng cấu trúc xốp của bề mặt kéo theo sự tăng diện tích bề mặt riêng của than

- điểm

+ Thiết bị đơn giản.

+ Ít gây ăn mòn thiết bj.

+ Sản phẩm than hoạtính thú được sạch

+ Có thẻ thực hiện với năng suất lớn.

++ Chỉ phí sản xuất thấp

~ Nhược điểm.

++ Diện ích bể mặt than hoạt tính không cao,

+ Thời gia hoạ hó lu

+ Nhiệt độ sử dụng hoạt hóa cao.

Hogt hóa hóa học: Hoạt hóa hóa học tiến hành sau giai đoạn than hóa Dưới sự cómặt của các chất hoạt hóa xảy ra phản ứng ăn mòn bể mặt than, kết quả làm tăng câu.trúc xốp bé mặt của than Các chất hoạt hóa thường được dùng nhiều nhất là: COs,

KOH, {4OH, ZnCh, H.PO, Cơ sở chung để chọn chit hoạt hóa à chất đó phải

số khả năng xúc tác cho quá trinh dehyrat hỏa hoặc tương tác được với cacbon VỀ cơ

bản có thể phân chia chất hoạt hóa thành nhiều loại khác nhau như tie nhân hoạt hóa

có tinh axit như (H;PO¿, H;SO;, ZnCl ) va các tác nhân có tính bazơ (KOH, NaOH,

K;CO,)

‘ir nhược điểm của phương pháp hoạt hóa hóa học

= Ưu điểm

+ Nhiệt hoạt hóa thấp,

+ Thời gian hoạt hóa ngắn

+ Hiệu suất sản phẩm cao.

+ Diện tích bé mặt than hoạt tính thu được cao.

Nhược điểm.

+ Gây ăn môn thiết bị

+ Gây 6 nhiễm mỗi tran

1.1.4 Biển tink than hoạt tính:

"Đặc diém quan trọng và thú vị nhất của than hoại tính là bề mặt có th biến tính thíchhợp để thay đổi đặc điểm hip phụ và làm cho than trở nên thích hợp hơn trong các

tính phản ứng đặc biệt Sự tất than hoạt tính có thé được thực hiện bằng sự

tạo thành các nhóm chức bề mặt khác nhau Các nhóm chức này bao gồm các nhóm

chức oxy — eacbon được tạo thành khi oxy hóa bé mặt than với các khí hoặc dung dịch

oxy hóa Nhóm chức bé mặt cacbon ~ hydro tạ thành bằng quá tinh xử lý than hoạttính với khí hydro ở nhiệt độ cao Nhóm chức cacbon lưu huỳnh bằng quá trình xử lý

than hoạt tính với lưu huỳnh nguyên tổ, CS2, H;S, SOs, Cacbon - nơ trong quá trình

xử ý than hoạt tính với amoniae Cacbon — halogen được tạo thành bằng quá tình xử

lý than hoạt tính với halogen trong pha khí hoặc dung dich, Vi các nhóm chúc này

được liên kết và được giữ ở cạnh và góc của lớp vòng thơm và bởi vì thành phần cáccạnh và góc này chủ yếu là bề mat hap phụ, nên người ta hi vọng khi biế than sẽ

thay đổi đặc rưng hip phụ và tương tác hip phụ của ác than hoạt tinh này Thêm vào

đó, sự biển tính bE mặt than cũng được tiến hành bằng sự khử khí và bằng việc mang

kim loại lên bé mặt

1.1.4.1 Biến tink bằng Ny

“Trong than hoạt tính chứa lượng đáng kể nhóm chức nitơ Tuy nhiên, phan ứng pha

khí với dimethylamin ở 150°C trong 1h, hoặc với NH; khô ở 300°C hoặc hơn, tạo ra

một lượng đáng ké nhóm chức C-N trên bề mặt Boehm và các cộng sự, thấy rằng khi

than hoạt tinh đã oxy hỏa được đun nóng với NH; khô, nhóm ch c nto được tạo (hành trên bề mặt 6 nhiệt độ thấp, sự cổ định nito được ân bằng với nhóm oxy axit tiên bề

mặt và được cho là sự tạo thành mudi amoni Tuy nhiên ở nhiệt độ cao sự thay thénhóm hydroxyl bằng nhóm amin đã được thừn nhận, than hoạt tính trở nên ky nước và

giảm đáng kể khả năng hắp phụ xanh metylen |5] 6]

1.1.4.2 Biễn tỉnh bằng halogen

Đặc điểm của than hoạt tính và muội than được biển tính bằng một số phương

pháp xử lý với halogen Sự hắp phụ halogen gồm cả hấp phụ vật lý và hắp phụ hóa

học, quá trình thông qua một số cơ chế bao gồm cộng hợp ở các tâm chưa bão hòa,

trao đổi với Hạ, hip phụ hóa học và oxy hóa bề mặt than Các cơ chế phụ thuộc vào

‘ban chất bé mặt than, hàm lượng oxy, hydro của than, điều kiện thí nghiệm và bản chấtcủa từng loại halogen, Halogen được cổ định trên bé mặt than ở dang hợp chit eacbon

— halogen có độ bền nhiệt cao và không thể loại bo bằng xử lý nhiệt trong chân không

cho tới 1000°C nếu than không côn dư hydro Tuy nhiên một phần halogen có thể trao

đổi với với nhóm OH khi xử lý với kiểm và trao đổi với nhóm NH khi xử ý khí NH

Do đó các dạng hấp phụ hóa hoc hay hip phụ vật lý này có thể biển tinh hoàn toàn đặcđiểm bé mặt và phản ứng bé mặt của than Vi du sự cỗ định clo hoặc brom có th tạo

ra sự phân cực nhưng không phải liên kết hydro mà là tương tự với liên kết phổ biến

ốt C-CI hoặc C-Br có thể trao đổi với

trên than là lên kết với nhóm oxy bé mặt Liên

nhóm chức khác tạo ra loại hợp chất bề mặt mới [3] I6].

1.1.4.3, Biển tính than hoạt tỉnh bằng lieu huỳnh

Các hop chất cacbon ~ lưu huỳnh rên bŠ mặt được nghiên cứu rộng ri rên than gỗ,

than thoạt tính và muội than Các hợp chất này được tạo thành trong suốt hoặc sau quá

trình tạo thành than Trường hợp của cacbon hoại tính, chúng thưởng tạo thành bởi dun

nồng than trong sự có mặt của lưu huỳnh nạt n tổ, các chất khí có lưu huỳnh như

CS, và 3O, hoặc các hợp chit khác có chia lưu huỳnh nguyên tổ Việc sử đụng nhữnghợp chit lưu huỳnh này phụ thuộc vào bản chit của than, các điều kiện thực nghiệm,

và độ lớn của bÈ mặt than Những chất nay thường chứa một lượng đáng kể lưu huỳnh,

có thể lên tới 40-50% Những hợp chất lưu huỳnh không thể chiết với dung môi dung

môi hoặc bị phân hủy một cách hoàn toàn bằng xử lý nhiệt trong môi trường tro, tuy

"

chúng có thé bị loại b6 hoàn toàn khi được xử lý trong khoảng 500-700°C với

Hạ, Sự hấp phụ hóa học lưu huỳnh trên mặt than bao gdm sự liên kết với các nguyên từcacbon bên ngoài, cộng tại vị trí nối đôi, thâm nhập vào bên trong cấu u ie mạng, và trao đổi iy hydro cũng như oxygen còn liên kết với bỀ mặt cacbon Như các nguyên

tứ cachon ngoại vi, do các hóa trị không thỏa man của chúng quyết định các đặc điểm

ip phụ của than hoạt tinh, đó là lý do để tin rằng sự có mặt của các chất lưu huỳnh be

mặt sẽ ảnh hưởng tới tính chất bề mặt của than [Ấ], [6]

1.1444 Bid tinh than hoạt tink bằng hợp chất có chươ kim loại

Than hoạt tinh được tim các hợp chit có chứa kim loại và các oxit của chúng được

phân tín ở dạng hạt nhỏ và đang được sử dụng rộng rãi rong một vài phản ứng ở pha

khí, trong pha lông ứng dụng trong công nghiệp và đẻ bảo vệ con người chống lại các

khí độc Việc mang kim loại lên các vật liu cacbon làm giảm các đặc điểm khí hóa và

thay đổi cfu trúc lỗ rồng của các sản phẩm cacbon cuối cùng Vi vậy, việc mang

chất lên than hoạt tính như vậy cũng được sử dung để than hoại tính có

xốp xác định [5], [6]

1.1.5, Ứng dung của than hoạt tính

“Than hoại tinh ngoài khả năng hấp phụ tốt thì than hoạt tính còn có các ưu điểm nhưkhông độc hại, giá thành rẻ, sản xuất dễ đàng Vi vậy than hoạt tính được sử dụng rộngrãi trong cuộc sống và cho nhiều ứng dụng

Ủng dụng trong công nghiệp: một ứng dụng công nghiệp chính là xử lý kim loại cụ

Nó được sử dụng rộng rãi trong tinh chế dung dich ma điện Ví dụ, nó là kỹ thuật tỉnh

chế chính trong việc loại bỏ những tap chất hữu cơ từ dung dịch mạ Nhigu chất hữu

cơ được thêm vào dung dich mạ để cải thiện tính bám dinh và tăng tính chất như độ

nhẫn, tính uốn v.v Sự truyễn dòng điện trực tếp và phản ứng điện hóa của oxi

hóa anot và khử catot, những phụ gia hữu cơ sinh ra những sản phẩm phân hủy không

mong muốn trong dung dịch Sự sinh ra quá nhiều của chúng có thé có hại cho chấtlượng mẹ và tính chất vật lý của kim loại Sự xử lý bằng than hoạt tinh loại bỏ nhữngtạp chất như vậy và tả lạihiệu suất mạ về mức độ mong muốn

‘Ung dung trong y tẾ: than hoạt tính được sử dụng để ử lý chất độc và được dùng qua đường miệng Những viên hoặc nang than hoạt tính được sử dụng ở nhiều nước như

12

một thuốc không cần kế toa bắc để xử lý bệnh tiêu chây, chứng khó tiêu và dy hơi

‘Tuy nhiên, nó không hiệu quả cho nhiều sự ngộ độc của axít hoặc kiểm mạnh, xianua.

sắt, liú, asen, methanol, ethanol hay ethylene glycol

Ứng dụng hóa phân tích: than hoạt tính, hỗn hợp 50/50 khối lượng diatomit và thanhoạt tính được sử dụng như pha tỉnh trong sắc khí áp suất thấp cho carbohydrate sử

‘dung dung dịch rượu (5-0%) như pha động trong ch bị và phân tích.

Ứng dụng môi trường: Sự hip phụ cacbon có nhiễu ứng dung trong loại bỏ chất gây 6 nhiễm từ không khí hay nước như:

¥ Lam sạch dầu tran

~ Trong công nghiệp hóa học: lầm chit xúc tác và chất tải cho các chất xúc tác khác

~ Trong kỹ thuật, than hoạt tính là một thành phần lọc khí (rong đầu lọc thuốc lá, miếnghoạt tính trong khẩu trang), tim khử mùi trong tủ lạnh và máy điều hòa nhiệt độ

= Trong xử lý nước (hoặc lọc nước tong gia đình): để tay các chất bin vi lượng.

= Do có cấu trúc xốp và bản thân xung quanh mạng tinh thể của than hoạt tinh có một

lực hút rất mạnh, do 46 than hoạt tính có kha năng

chất có gốc hữu cơ.

phụ khác thường đối với các

~ Than hoạt tính được sử dụng để hip phụ các hơi chit hữu cơ, chất độc, lọc xử lý

nước sinh hoạt và nước thi xử lý fim sạch môi trường, khử mùi, khử ta đắt và các

tác nhân gây ảnh hưởng có hại đến sức khỏe con người, chống ô nhiễm môi trườngsống Dem lại một môi trường sing trong sạch cho con người

+ Các ngành công nghiệp chế biển thực phẩm, công nghiệp hóa dẫu, sản xuất được

phim, khai khoáng nông nghiệp, bảo quản, hing không vũ trụ inh vực quân sự:

bu cần phải sử dụng than hoạt tính với khi lượng rất lớn

1

1.2 Tổng quan về phương pháp hấp phụ

1.2.1 Hiện tượng hip phụ

Hip phụ là sự ch lấy chất tên bề mặt phân cách các pha (khirin, Linger, khí: lồng,löng lông) Chất có bé mặt, trên đồ xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hip phụ: còn

mặt chất hấp phụ gọi là chat bị hap phụ Ban chất của hiệnchất được tích luỹ trên

tượng hấp phy là sự tương tác giữa các phân từ chất hip phụ và chất bj hắp phụ Tu

theo bản chất của lực tương tác mã người ta phân biệt hai loại hắp phụ là hấp phụ vật

ý và hấp phụ hoá học [7] [8] [9]

12.1.1 Hap phụ vật lý

Hấp phụ vật lý là quá tình các phân tử chit bị hip phụ liên kết với những tiểu phân

(nguyên tử, phân tứ, các ion ) ở bŠ mặt phân chia pha bei lực Hiên kết Van Det Walls

yếu Đó là tổng hợp của nhiều loại lục hút khác nhau: tinh điện, tấn xạ, cảm ứng và lực

định hướng Lực liên kết này yếu nên dé bị phá vỡ Trong hip phụ vật lý, các phân tửcủa chất bị hip phụ và chất hip phụ khong tạo thành hợp chất hoá học (không hình

thành các iên kết hoá họ) mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ tên bÈ mặt phân chỉa

phá và bị giữ lại uên bé mặt chất hấp phụ Ở bắp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn

(71, (81 (91

Hp phy trong môi trường nước

“rong nước, tương tác giữa một chất hấp phụ va chất bị hip phụ phúc tạp hon ritnhiều vì trong bệ có ít nhất ba thành phần gây tương tác: nước, chất hap phụ và chất bịhip phụ Do sự có mặt của dung môi nên trong hệ sẽ xảy ra quá tình hấp phụ cạnh

tranh giữa chất bị hắp phụ và dung môi trên bề mặt chất hip phụ Cập nào có tương tie

mạnh thi hip phụ xảy ra cho cặp đó Tinh chọn lọc của cặp tương tác phụ thuộc vàocác yếu tố: độ tan của chất bị hip phụ trong nước, tính ta nước hoặc kỉ nước của chấthip phy, mức độ ki nước của các chất bị hip phụ trong môi trường nước

So với hấp phụ trong pha khí, sự hip phụ trong môi trường nước thường có tốc độ

chậm hơn nhiều Đó là do tương tác giữa chất bị hip phụ với dung môi nước và với bề

mặt c it hdp phụ làm cho quá tình khuếch tấn của các phân tử chất tan châm Sự hắp

phụ trong môi trường nước chịu ảnh hưởng nhiễu bởi pH của mỗi trường Sự thay đổi

pH không chỉ dẫn đến sự thay đổi vé bản chất chit bị hip phụ (các chất có tinh axit

yếu, bazơ yêu hay trung tính phân l khác nhau ở cí i tr pH khác nhau) mà còn làm ảnh hưởng đến các nhóm chức trên bề mặt chit hắp phụ [7] (8) 91

"Đặc tính của chất hữu cơ trong mỗi trường mước

“Trong môi trường nước, các chit hữu cơ có độ tan khác nhau Khả năng hp phụ trênVLHP đối với các chất hữu cơ có độ tan cao sẽ yếu hơn với các chất hữu cơ có độ tan

thấp hơn Như vậy, từ độ tan của chất hữu cơ trong nước có thể dự đoán khả năng hấp.

phụ chúng trên VILHP, Phần lớn các chất hữu cơ tổn tại trong nước dang phân từ trung

hoà, ít bị phân cục Do đó qué tình hip phụ trên VHP đổi với chất hữu cơ chủ y

theo cơ chế hấp phụ vật lý Khả năng hip phụ các chất hữu cơ trên VLHP phụ thuộc

ào: pH của dung dịch, lượng chit hip phụ, nông độ chất bị hip phụ

1.2.1.2 Hap phụ hóa hoe

Hip phụ hoá học xảy ra khí các phân tir chất hấp phy tạo hợp chất hoá học với các

phân tử chất bị hấp phụ Lực hap phụ hoá học khi đó là lực liên kết hoá học thông.thường (liên ion, liên kết cộng hoá tị, lên kết phối trí) Lực liên kết này mạnh

nên khó bị phá vỡ Nhiệt hắp phụ hoá học lớn, có thé đạt tới giá trị 800kJ/mol [7]

1.22 Lý thuyết hắp phụ

122.1 Động học hap phụ

“rong môi trường nước, quá tình hấp phụ xảy ra chủ yếu trên bE mặt của chất hấp

phy, vì vậy quá trình động học hấp phụ xáy ra theo một loạt các giai đoạn kể tiếp nhau:

$ Các chất bị hấp phụ chuyển động đến b mặt chất hip phụ - tỉ đoạn khuếch tin

trong dung dịch

‘¢ Phân tử chất bị hip phụ chuyển động đến bé mặt ngoài của chất hip phụ chứa các hệ

mao quản - Giải đoạn khuếch ấn màng

$ Chất bị hấp phụ khuéeh tán ào bên trong hệ mao quản của chất hắp phụ - Giai đoạn khuếch tần vào trong mao quản.

¢ Các phân ti chất bị hip phụ được 1 vào bé mặt chit hấp phụ - Giai đoạn hip phụ

thực sự.

"rong tt cả các giai đoạn đó, gai đoạn nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết định hayKhông ch chủ yếu toi bộ quá tình bắp phụ [I0] I] (9)

Is

1.2.2.2 Côn bằng hap phụ

(Qua tình hấp phụ là một quá tình thuận nghịch Các phân từ chất bị hắp phụ khi đãhip phụ trên bÈ mặt chit hip phụ vẫn có thể di chuyỂn ngược lại pha mang Theo thôi

gian, lượng chất bị hắp phụ ích tụ trên bể mat chất rn cảng nhiễu thì te độ di chuyển

ngược lại pha mang càng lớn Đến một thời điểm nào đó lốc độ hấp phụ bing tốc độgiải hấp thì quá trình hap phụ đạt cân bằng [7], [8], [9]

Một h hấp phụ khi đạt đến trang thái cân bằng, lượng chất bị hắp phụ là một hàm của

nhiệt độ, áp suất hoặc nông độ của chắt bị hắp phụ: q = f (TP hoặc C)

nhiệt độ không đổi (T=const), đường biểu di sự phụ thuộc của q vào P hoặc C

(q=fr(P hoặc C)) được gọi là đường đẳng nhiệt hip phụ Đường đẳng nhiệt hip phụ cóthể xây dựng trên cơ sở lý thuyết, kinh nghiệm hoặc bán kinh nghiệm tuỷ thuộc vào

tiền để, giả thiết, bản chất và kinh nghiệm xử lý số liệu thực nghiệm [7I [8] [9].

4: Dang lượng hắp phụ cân bằng (me/)

Có; Nông độ dung dich đầu (mgfl)

Ca: Nông độ dung dich khi đạt cân bằng hắp phụ (mg/l)

` : Thể tích dung dịch chit bị hắp phụ 0)

im: khối lượng cl it hip phụ (g)

Cũng có thể biểu diễn đại lượng hấp phụ theo khối lượng chất bấp phụ trên một

2)

phụ trong điều kiện động (phương pháp cột.

1.2.3.1 Hấp phụ trong điều kiện tĩnh

Hip phụ trong điều kiện tinh là không có sự dich chuyển tương đổi của phân tử chất

long (nước) so với phân từ chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển động với nhau Biện

pháp thực hiện là cho chất hip phụ vào nước và khuấy trộn trong một thời gian đủ đểđạt được trang thái cân bằng (nông độ cân bằng) Tiếp theo cho lắng hoặc lọc để git

chất hắp phụ lại và tách nước ra Với những điều kiện như nhau, tốc độ của các quá

trình thuận nghịch tương ứng với tỷ lệ với nồng độ chất bị hip phụ trong dung dich vàtrên bé mặt chất hip phụ Khi nồng độ chất tan trong dung dich ở giá trì cao nhất thìtốc độ hấp phụ cũng lớn nhất Khi nông độ chất tan trên bé mặt chất hp phụ tăng thì

số phân tử (đã bị bắp phụ) sẽ di chuyên trở lại dung dịch cũng cảng nl

một đơn vị thời gian, số phân tử bị hấp phụ từ dung dịch trên bé mặt chất hấp phy bằng

số phân ừ di chuyển ngược lạ từ bể mặt cl

su hon, Trong

t hấp phụ vào dung dich thi ning độ chit

bắn hòa tan trong dung địch sẽ là một đại lượng không đổi Nang độ này gọi là nồng.

độ cân bằng Ở nhiệt độ không đổi, lượng chit bị hấp phụ là một hàm số của ning độ

và gọi là hip phụ đẳng nhiệt Đại lượng đặc trưng cho quá trình hắp phụ là dung lượng.

hp phụ hay hoạt tính hip phụ tinh, là lượng chất tinh bằng miligam hay gam, bị hipphụ trên 1 gam hay 1 cm” chất hắp phụ Ngoài ra hoạt tính còn có thể biểu thị bằng tỷ

lệ phin trăm theo trọng lượng hoặc thé tích chất hấp phụ [11]

1.2.3.2 Hp phụ trong điều kiện động

“Trong công nghệ xử lý nước và nước th một trong những kỹ thuật hay sử dụng là cdạng cột hay còn gọi là hấp phụ động Biện pháp thực hiện là cho nước lọc qua lớp vật

17

liệu hip phụ được sắp xếp cổ định vào một cột theo chiễu từ trên xuống hoặc từ đưới

lên Các thông số cấu trúc đặc trưng cho cột gồm:

= Lưa lượng Q, thé tích nước chảy qua cột trên một đơn vị thời gian

+ Thể tích ting chất ấn V, gồm cả th tích ting cht rắn và không gian rỗng giữa các hat.

~ Tốc độ thẳng bề mặt của dòng chảy F hay tải trong bể mặt, là tỷ số giữa lưu lượng và

tiết diện A của cột, F = Q/A.

Thời gian tiếp xúc theo ting rỗng à thời gian một lượng thé tích chất lòng bằng thể

tích của c it rin chảy qua với lưu lượng Q cho trước

= Cơ chế hip phụ tong điều kiện động (phương pháp cậu cũng giống như trong điều

th (phương pháp gián đoạn) song hip phụ động có nhiều ưu điểm hơn về công

nghệ và quản lý như

+ Cho hiệu suất xử lý tn cậy và ổn định:

+ Khi hoàn nguyên không phải đưa vt ligu hip phụ ra khỏi b lọc do đó cho phép đểdàng tự động hóa và điều khiển từ xa;

+ Cho phép sử dụng tối da dung tích vật liêu hip phụ khi cho nước chảy qua Nong độ

chất bj hip phụ giảm dẫn từ Co ở tết diện vào tới C = Cmin ~ 0 tiết điện ra [11]

1.2.3.3 Quá trình hap phụ động trên cột [11]

Ving 1 (Đầu vào nguồn xử lý): Chất hip phụ đã bão hòa và đạt trang thái cân bằng

Nang độ chất bị hip phụ ở đây bằng ning độ của nó ở lỗi vào.

~ Vùng 2 (Vùng chuyển khối): Nông độ chất bị hấp phụ thay đổi từ giá tị nding độ ban

đầu tới không

~ Vùng 3 (Vùng lỗi ra của cột hấp phụ): Vùng mà quá trình hắp phụ chưa xây ra, nồng.

độ chất bj hấp phụ bằng không,

Khi thời gian thực hiện quá trình hip phụ tăng lên thi vùng hip phụ địch chuyển theo

mg chuyển khối

1g độ của chất bị

chiều dai của cột hấp phụ, Chất hap phụ sẽ xuất hiện ở lối ra khi

chạm tới đấy cột Đây là thời im cần dùng quá tình hip phụ dé

ra không vượt quá giới hạn cho phép Tiếp theo cột hap phụ được giải

ấp phụ ở

hấp tục thực hiện quá tình hấp phụ Tei cuối của cột hip phụ ning độcủa chất bị hắp phụ xuất hiện và tang dẫn theo thời gian Đồ thi biểu diễn sự biển đổinông độ của chất bị hip phụ trên cột hip phụ theo thời gian được gọi là đường cong

thoát và có đạng như hình dưới đây [12]

Hình 1.2 Dạng đồ thị đường cong thoát của quả tinh hắp phụ

1.2.34 Quá trình chuyên khi trên cột

Đặc trumg cho quả tình này là đường cong thoát Đường cong này đạt được từ thực

nghiệm, cho dòng chất bị hắp phụ chảy qua cột vật liệu có kích thước và lưu lượng.

biết trước cho đến khi lớp chất hip phụ bị bão hòa Ning độ của chất tan đồng vào, Có,

19

sau khi qua cột, giảm xuống nông độ có giá trị nhỏ hơn Cs, Ban đầu, khi chất hip phụvẫn còn mới, nồng độ chất tan trong dòng ra thấp hơn mức nồng độ cho phép Ci.

"Nhưng sau một thời gian vận hành, thì chất hap phụ đạt bao hỏa, khi đó nồng độ chấttan ở đồng ra tăng lên đến một giá tị Comio đó, gọi đồ điểm uốn

Hình 1.3 Quá trình chuyển khối trong cột hip phụ [12]

Chiễu cao x của lớp chit hip phụ tai đô nông độ của chất bị hip phụ giảm từ Co đến 0

trên đường cong được gọi là tang trao đổi chất Sau khi chat 6 nhiễm trong nước thải

bj hip phụ vào ting trao đối chất và di xuống phía dưới, ning độ chất ô nh giảm

đến giá tị tối thiểu và không có hip phụ xảy ra thêm phía dưới ting tao đổi chất Khilớp trên cùng đã bão hòa chất bị hấp phụ, ting trao đổi chất s& di chuyển xuống phadưới cho đến khi điểm uốn xay ra Điểm uốn xảy ra khi nồng độ chất 6 nhiễm trongnước rửa đạt 5% giá trị của nồng độ dòng vào Khi nồng độ chất ô nhiễm trong nước.rửa bằng 95% nông độ chit ô nhiễm trong dòng vào, qui trình đạt bão hòa Hip phụ

tong cật nhằm mục đích loại bd một tạp chất nào đó tong nước, nồng độ tạp chất

trong nước đầu ra phải bằng 0 hoặc một gi tị Csnio 46, Trên mức Co quá tình hipphụ phải dũng lại dé chuyển sang cột mới Độ lớn của ting chuyển khối ứng với sựsuy giảm nông độ từ Co xuống Cr không có giá trì sử dụng nên được gọi à ing chết

“Thời gian từ đầu quá trình đến thời diém nồng độ đầu ra tăng lên C là thời gian bảo vệ ¢

1

20

Langmuir Vit ly và hóa học

Henry yoke Vat lý và hóa hoe Freundlich vekp sn) Vat ly và hóa học

Nguồn: [13] [7]

Trong các phương trình trên, v lả thể tích chất bị hấp phụ, vụ là thể tích chất bị hắp phụ cực đại, p là áp suất chất bị hấp phụ trong pha khí, po là áp suất hơi bão hỏa của chất bị hip phụ ở trang thai long tinh khiết trong cùng nhiệt độ Các kí hiệu a, b, k, n là

hằng số hip phụ

1.24.1 Phương trình đẳng nhiệt hdp phụ Henry

Phương tình đẳng nhiệt hip phụ Henry là phương trình đẳng nhiệt don giản mô tả sự

tương quan tuyển tính giữa lượng chất bị hip phụ trên bề mặt pha rắn và nồng độ (áp

suit) của chất bị hấp phụ ở trang thái cân bằng:

v=Kp d4) Trong đó:

K : Hằng số hấp phụ Henry

Lượng chất bị hip phụ (mol)

the nghiệm cho thấy vùng tuyển tinh này nhỏ

P Ap suất (mmHg) Từ số

Trong vùng đó, sự tương tác giữa các phân tử chất bị hap phụ trên bề mặt chat rắn là

không đáng kể.

a

12242 Phương trinh đẳng nhiệt hp phụ Frenundrich

ames) lea

te

° Cr(mgl) 0 Œ

Hình 1.4 Đường đẳng nhiệt Frenundrich inh 1.5 Đồ thị sự phụ thuộc lea và loC,

Phương trình đẳng nhiệt hip phụ Frenundrich là phương tinh thực nghiệm có thể sử

dạng để mô ta nhiễu hệ hấp phụ hóa học hay vật lý Các gi thết của phương tỉnhnhư sau: - Do tương tác day giữa các phần tử, phan tử hấp phụ sau bị day bởi phần từhấp phụ trước, do đó nhiệt hấp phụ giảm khi tăng nhiệt độ che phủ bé mặt - Do bé mặt

không đồng nhất, các phần tử hip phụ trước chiếm các trung tâm hấp phụ mạnh có

nhiệt hấp phụ lớn hơn, về sau chỉ còn lại các trung tâm hip phụ có nhiệt hấp phụ thấp

hơn Phương trình này được biểu diễn bằng một hàm mũ:

q=kC¿® (1-5)

Trong đó:

4+ Tải trong hấp phụ tai thời điểm cân bằng (mg/g)

k : Dung lượng hip phụ (ái lực chất hắp phụ đổi với bề mặt chất hấp phụ) Hằng số

này phụ thuộc vào nhiệt độ, điện tích bé mặt và các yếu tổ khác.

Cf: Nong độ cân bằng của chat bj hap phy (mg/l)

1 Cường độ hip phụ, hằng số này phụ thuộc vào nhiệt va luôn >

Phương trinh Freundlich phản ánh khá sát số liệu thực nghiệm cho vùng ban đầu và

vùng giữa của vùng bắp phụ đẳng nhiệt

Dé xác định các hing số, ta đưa phương tinh trên về dang đường thing

lạ q= ly k + lạC, (6)

2

1.24.3 Thuyết hip phụ BET

Nguyên tắc Hip phụ khí thường được sử dung để đặc trmg cho một số tinh chit của

h

vat liga: mao quản như: Diện tích bỀ mặt riêng, th tich mao quản, phân bồ kích thước

‘mao quản cũng như tinh chất bề mặt Có rat nhiều phương pháp hip phụ để đặc trưng

cho vật liệu mao quản, nhưng phổ bid hơn cả là ding đẳng nhiệt hip phụ - khử nitơ &

77K Số phân từ khí hấp phụ được biểu diễn thông qua lượng khí hấp phụ V phụ thuộc:

vào áp suit cân bằng P và nhiệt độ 7, bản chất cũa chất khí và bản chất của vật liệu

hấp phụ V Ià một hàm đồng biển với áp suit cân bằng Khi áp suất tăng đến áp suất

bão hòa Po s (P/Po)

ns thu được đường

lo được các giá ti thé tích khí bị hấp phụ ở áp suất tương thu được đường đẳng nhiệt bắp phụ, cồn khi đo với P/Po giảm

bin chất va hình dạng của mao quản (14)

1.244 Thuyết hip phụ Langmuir

‘Theo Langmuir trên bé mat chất hip phụ có những tim hip phụ gọi là những điểm cobản, Các điểm cơ bản này có khả năng hấp phụ chỉ một phân tử chất bị hấp phụ hìnhthành một lớp đơn phân tử Số dim cơ bản căng nhiỄ thì hoat động của chit hấp phụ

Phương trình hip phụ đẳng nhiệt Langgmuir có dang.

an

4 WbCS do

Trong đó.

sg: Dung lượng bắp phụ cân bằng (mg/g)

‘qm: Dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g)

+ Trong ving ning độ nhỏ b.Ccb <i thì q =gm b.Ce mô ta vùng hip phụ tuyến tính

+ Trong ving nồng độ cao: b.Ce >>1 thì q =qm.b.Ce mô tả vùng hấp phụ bão hòa.

Khi nông độ chit hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng nhiệt biễu diễn là

một đường cong Để xác định hing số trong phương trinh ding nhiệt Langmuir ta đưa

về phương trình đường thẳng

Go And (1-8)

Dựa trên việc xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb sẽ xác định

được hing số qm, b trong phương trình [15], [16]

1.24.5 Một số yêu tổ ảnh hưởng đẫn qué trình hap phụ

Hấp phụ là một quá trình phức tạp, nó chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố sau:

4, Ảnh hưởng của dung mỗi: hắp phụ trong dung dich là hắp phụ cạnh tranh nghĩa là

khi chất tan bị hip phụ cing mạnh thì dung môi bị hắp phụ căng yếu Dung môi có sứccăng bề mặt lớn thì chất tan càng dễ bị hắp phụ Chất tan trong dung mỗi nước bị hp

phụ tốt hon so với dung môi hữu cơ,

24

tao quân trong chất hip phụ xép thi

», Độ xắp của chắt hp phụ: Khi giảm kích thước

sự hấp phụ từ dung dich thường tăng lên nhưng chỉ trong chừng mye mà kích thước.

của mao quản không cân trở sự đi vào của chất bị hấp phụ Nếu kích thước mao quản

bé hơn kích thước của phân tử bị hấp phụ thì sự hấp phụ sẽ bị cân trở

rit lớn, Khi nhiệt độ dung dich thay đổi sẽ dẫn tới sự tăng hoặc giảm khối lượng chất

bị hấp phụ tùy thuộc vào dạng hip phụ vật lý hay hóa học Khi nhiệt độ tăng sẽ làm

cho mức độ hỗn loạn trong bệ tăng lên vẻ đồng thời bé gly các liên kết yếu Do đó, đổi

với phản ứng bắp phụ thu nhiệt thì dung lượng hấp phụ sẽ tăng khi nhiệt độ tăng và

ngược lại đối với phan ứng hip phụ tôa nhiệt

4, pH của môi trường: ảnh hường nhiều lên tính chất bễ mặt của chất hắp phụ và chất

bị hap phụ trong dung dịch, nên cũng ảnh hưởng tới quá trình hấp phụ Ngoài ra còn

6 các yếu tổ khác như: nồng độ của chit tan trong dung dich, khối lượng vật liệu hấp

phụ, thời gian tiếp xúc áp suất đối với chất khí, quá trình hấp phụ cạnh tranh đối với

các chất bi hắp phụ

« Ảnh hưởng của thời gian tiếp xác: Quá tình hấp phụ cần một khoảng thời gian tiếp

xúc nhất định của chất hip phụ và chất bị hấp phụ để đạt được trạng thấi cân bằng

‘Thai gian dé hệ hấp phụ đạt trang thái cân bằng phụ thuộc vào nhiều yéu tổ như nồng

độ ban đầu của chất bj hap phụ, khối lượng chat bắp phụ, tốc độ chuyên khối trong pha

lỏng và trong nội hạt vật liệu

1.3 Giới thiệu về vật liệu hấp phy

1.3.1 Nguồn gắc, cấu tạo, đặc diém dink dưỡng cia cây phượng vĩ

Phượng vĩ tên khoa học là Delonix regia, ˆ

thuộc họ Fabaceae có nguồn gốc từ

Madagascar được nhiều nước nhập về trồng

làm cây cảnh quan như Nhật Bản, Trung

Quốc, Việt Nam, Cây có tấn rộng xanh

tỐt, hoa đẹp sắc thường được trồng làm cây

tạo cảnh quan, cây bóng mắt trên các via he, Hình 1.8 Cây phượng vĩ

đường phố, công viên, trưởng học Cay

phượng vĩ là biểu tượng của mùa hè, là cây

sổ lớn có chiều cao trong khoảng tử 3-4m,

võ thân màu xám ting, phân nhiễu cảnh

nhánh lớn, dài mọc nghiêng, nên tấn mở

rong nhiễu hướng và diy Phượng vĩ ra

những cụm hoa lớn, đài 20-50em, mang hoa,

xếp thưa, xöe rộng, Hoa lớn, mẫu đỏ với

cánh tầng có cuống dài, phiến rộng mép,

răng cưa, trong đó có cánh lớn mầu cam đỏ

(Qua của cây phượng rất dài và lớn 20-60em,

rộng 4-6em, det, khi còn non quả có màu

xanh và khi gia vỏ hóa ỗ, hạt rất cứng

Tại Việt Nam, thành phố Hi Phòng là khu

vực trồng nhiều phượng vĩ, vì thể thành phổ

này còn được gọi là thành phố hoa phượng

đỏ Mùa hoa phượng nở từ thắng 4 đến tháng Hình 1.10 Quả phượng giả

6, mùa kết trài từ tháng 7 đến thắng 8, màu

quả già chuyển sang mau đen vào tháng

9-10.

Bang 1.2 Thành phần của quả phượng vĩ

R ‘Ham lượng lingnicellulose

Nguồn Cellulose(%) | Hemieelulose(%)

‘Qua phượng 13.9 2413

Nguồn (17]Lingnocellulose là thành phần cầu trúc chính của thực vật thân gỗ và các thực vật khácnhư lúa, ngô, v6 lạc, cổ Trong tự nhiên, chúng ta có thé tim thấy lingnocellulose ởthực vật hay các chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp Thành phẩn chủ yếu của

lingnocellulose là cellulose, hemicellulose và lingnin Cellulose và hemicellulose là

các đại phân tử cấu tạo từ các gốc đường khác nhau, trong khi lingnin là một polyme

dạng vòng được tổng hợp từ tiền phenylpropanoid Thành phin cấu tạo và phần trăm

26

của các polymer này khác nhau giữa cá loại Hơn nữa, thành phần cẫu tạo trong cùng

một cây hay các cây khác nhau fa khác nhau dựa vào độ tdi và giai đoạn sinh trưởng

1.3.2 Đặc tính cia vật iệu ignocellulose

Sinh khối thực vật (vật liệu lignocellulose) là polyme cacbohidrat phức tap, có thành.

phần chính là cellulose, lignin và hemicellulose [18] Lignocellulose là phần chính

hình thành nên vách tế bào thực vật Lig 1a cellulose, hemicellulose và lignin

‘qua liên kết este và ete làm cho sinh khối có tinh bén vững Các thành phần của sinh

Khối khác nhau tùy thuộc vào các loài và điều kiện môi trường sống Thành phin rung

bình tính theo trọng lượng của ba polyme sinh học như sau: cellulose (30-50%),

hemicellulose (19-45%) và lignin (15-35%) [19] Cellulose là hợp chất hữu cơ có công,thức cấu tạo (CsHivOs)o và là một polyme mạch thẳng đồng nhất gồm các phân tửduring đơn glucose liên kết với nhau bởi liên kết B-I.4-glicozit và liên kết hydro nội

phân từ và giữa các phân tử [20]

Hemicellulose là một polysaccari có tính chất hóa học khác nhau giữa các loài thực

vật, được hình thành bởi pentose (xylose, rhamnose va arabinose), hexose (glucose,

manose và glactose) và các axit uronic -Omethyi-glueuronie, và galacturonic [20]

Xylan polyme là loại polyme phổ biến nhất trong hemicellulose Hemicelulose baozim các liên kết (1-4) không phân nhính của xylan hoặc mannan, chuỗi xoắn ốc như

liên kết (1-3), chuỗi phân nhánh như liệ

thành chỉ

kết (1-4) galactoglucomannan Kết quả hình

i polyme phân nhánh mà chủ yếu gồm các monome đường năm cacbon

(xylose) và đường sáu cacbon (glucose) Hemicellulose không có cấu trúc tỉnh thể,

trúc phân nhánh cao và có các nhóm axetyl kết nối các chuỗi polyme với nhau [18]

tình khác với cellulose Cho đến Lignin là một chất cao phân tử có cấu trúc vô định

nay công thức của lignin vẫn chưa được xác định, các mắt xích của lignin không giống

nhau, nhưng người ta đã kế luận rằng trong phần tử Hignin có chứa các nhóm (- OH),

nhóm metoxyl £OCH:) và nhân benzen Lignin có vai trò như một màng bảo vệ tính

thắm của té bio và ngăn chặn sự xâm nhập của vi khuẩn VỀ cơ bản, các loài thực vật

a mềm chứa him lượng lignin cao hơn so với các lại sinh khối thực vật khác, do đó

“quá tinh tách cellulose tử thực vật gỗ mễm thường khó khăn hơn so với các sinh khối

7

khác Do đó, phá vỡ lignin cần phải thực hiện để cellulose va hemicellulose đề được

tiếp xúc với dung dich xử lý [19]

"Vật liệu lị

min cưa, bã mía, giấy vụn, có, thân và lá cây, vỏ tấu, ngô, Những vật liệu này có

cellulose có thể tìm thấy tong chất thải nông nghiệp và công nghiệp như

khả năng hấp phụ kim loại năng nhờ cấu trúc nhiều 18 xốp và thành phần gồm cácnhóm chức hoạt động [21] Các nhóm chức trong sinh khối bao gồm nhóm axetamido,

cacbonyl, phenolic, khung polysaccarit, amin, sunphua hydryl, cacboxyl, rượu và este

[22] Các nhóm này tạo ái lực va tao phức với ion KLN, Một số vật liệu hấp phụ liên kết không chon lọc, có thể liên kết với nhiễu ion KLN Trong khi, các vật liệu khác

liên kết chọn lọc ion KLN phụ thuộc thành phần hóa học của chúng [23] Reddad

cho rằng các vị tí anionic phenolic trong lignin có i lực mạnh đổi với các kim loại

nặng (24] Mykola cũng chứng tỏ rằng các nhóm axit galacturonic trong pectin là

những vị trí liên kết mạnh các cation

1.3.3 Cơ sở lý thuyết của phương pháp sit dụng vật liệu lignocellulose làm vật liệu

hap phụ

Vật liệu lignocellulose có ưu thể lớn là đ kiểm, rất sẵn có trong tự nhiên và giá thành

thấp Hơn thé nữa, những vật liệu này cho hiệu quả xử lý u như không sử dụng

hóa chất, chit thải không lớn và dễ xử ý; có th ti sử dụng vậtliệu hắp phụ và thu hồi

kim loại [25] [26].

(Qua tình hấp phụ nên được tiễn hành ở nhiệt độ không đổi Tuy nhiên khoảng nhiệt

độ thay đổi nhỏ không làm ảnh hưởng quá lớn đến quá trình hắp phụ Các thông số

quan trọng khic như pH, ning độ cân bằng của ion trong pha lỏng và pha rắn kíchthước vật liệu hấp phụ (dạng hạt hay dạng viên) đều ảnh hưởng đến hiệu quả củaquá tình hấp phụ [27] Hiệu quả xử lí phụ thuộc số tâm hấp phụ, Khả năng kết hợp,

trang thi hóa học, di lục giữa vật liệu hip phụ và kim loại [251.26] 281

Co chế của quá tình hấp phụ bằng vật lig sinh học khá phức tạp Sự hip thu các kimloi không chỉ dựa trên một cơ chế mà có thể gém nhiều cơ chế khác nhau về bản chất

số lượng và nguồn gốc của sinh khối Các kim loại được loại bỏ khỏi nước bởi một số

sơ chế như trao đổi ion, tạo phức hoặc hip phụ bởi liên kết vật ý [25], [28] Sự hấpphụ vậtlý xây ra do lực hút Van der Waals yếu, trong khi đồ, sự hắp phụ hóa học làXết quả của sự liên kết hóa học tương đối mạnh gia các chất bị hắp phụ và các nhóm

28

chức hấp phụ trên bề mặt [29] Các cơ chế chính được biết đến đổi với việc hấp phụ

kim loại tên các vật iệu lignoeelllose là quá trình chelating, trao đổi ion, tạo phức

với các nhóm chức và giải phóng [H-O] + vio dung dịch Trao đổi ion được biết đến

nh là một cơ ché liên quan đến sự tương tắc tinh điện giữa các cation và các nhóm tich điện âm trong thành tế bào

NI nghiên cứu đã kết luận rằng quá tình hp phụ sinh học là bao gồm cả cơ chế

trao đổi ion, thay vì phương pháp tạo phức với các nhóm chức trên bé mặt vật liệu hấp.

phụ Ding thờ

liệu hấp phụ trong suốt quá trình trao đổi ion [30], [31], [32] Các cơ chế cũng có thể

cũng cho thấy vai trò của Nai, Kali, Canxi và Magie có mặt trong vật

được dự đoán và xác minh thông qua việc nghiên cứu về SEM (kính hiển vi điện tử

«qust), EDX CX-quang phân tin năng lượng), TEM (Kính hiễn vĩ điện từ truyễn qua),

kính hiễn vi Raman, XPS ( Phổ tín sắc năng lượng tia X) và một số kỹ thuật thông

thường như chuẩn độ, kim him các nhóm chức và đồng thờ giải phóng cation từ chất

hấp phụ [33], 34] Như vậy, ea chế hip phụ có thể kéo theo phản ứng hóa học giữa

các nhóm chức có rên bê mặt chất hắp phụ và ion kim loại Việc kéo theo phản ứng

nảy, rong đa số trường hợp, ình thành do phân ứng trao đổi cation hoặc tạo phức vớikim loại bởi khả năng trao đổi cation cao của chat hap phụ Cơ chế khác có thể xây rakẽm theo quá tinh chuyỂn khối, vn chuyển các lon trong pha ông, khuych tin qua

màng quanh các hạt rắn, và khuyéch tần vào lõi vi mô và lõi vĩ mô của vật liệu Diện

ch bE mặt, bản chất hóa lý của bé mặt, khả năng sẵn có cia bỀ mặt với on bị hp

phụ, kích thước vật lý và dạng hat vật liệu là những đặc tính quan trọng của chất hấp,

phụ để xác định tốc độ và dung lượng hip phụ [29]

1.34 Các nghiên cứu ứng dụng chế tạo than hoạt tính từ vật liệu chica

lignocellulose

Luu Trọng Quảng, sinh viên ngành công nghệ sinh học của Trường ĐH Quốc TẾ -Đại

học Quốc Gia TP Hồ Chi Minh đã nghiên cứu thành công dé tài "Lọc nước bằng than

hoạt tính sản xuất từ vỏ cả phí ‘Va cả phê được nung trong điều kiện hạn chế tiếp xúc.

với không khí ở nhiệt độ tên 5000, igo điều kiện cho việc bình thành cấu tre tin thể tương tự cấu trúc than ch Khi tn tại ở dang cấu trúc này, than hoạt tinh được sản

xuất từ võ cà phê sẽ được định lượng (ở một lượng thuc trừ sâu nhất dịnh 0,0004

29

mol) và định tính (thay đổi thời gian khi đốt CO; và Nito) để kiểm tra khả năng hip

phụ các chất gây hại trong môi trường nus

Vũ Lực - sinh viên trường Đại hoc Khoa học Tự nhiên đã nghiên cứu tận dụng bã sắn

và dong riềng để ch tạo than hoạt tính để ứng dụng trong xử lý mỗi trường Các mẫu

nguyên liệu được biển tính với H,SO, đặc 98% trong 1h, Sau đó được nung ở nhiệt độ

25C trong 3h mẫu than dùng để hp phụ xanh metylen (16)

Ruhuang Zhang và côn sự đã nghiền cứu khi ning lp phụ màu xanh syne

(MB) và ion Cu của VLHP từ min cưa biến tính axit citric, quả cho thấy khả

năng hấp phụ của min cưa đối với Cu”! là 0,23 mmol/g và 0.23 mmol/g đối với MB,

cao hơn so với min cưa chưa biển tính Khả năng hip phụ của VLHP giảm khi có sự

gia tăng nồng độ của các yêu ổ khác và hiệu quả hấp phụ Cus cao hơn so với khi hip

26m 2 giai đoạn than hóa và hoạt hóa, trong đó qua trình than hóa d ra trong

môi tường khi trơ và quá tình hoạt hóa than thường sử dụng tác nhân KOH và CO,

‘San phẩm than hoạt tinh thu được từ nghiên cứu này có chất lượng tốt hơn than hoạttính được điều chế theo qui tình trong các nghiên cứu trước đó; diện tích bề mặt riêng

có giá trị 1170m2/g và tổng thể tích lỗ xốp là 0.emô/g [36]

thiệu về xanh metylen

Xanh methylene là một hợp chất thơm dj vòng, được tng hợp cách đây hơn 120 năm,

công thức hóa học là CuHiN¡SCI Một số tên gọi khác như là terametbyhbionine chlorate, methylene blue, gidylene, methythioninium chloride, Xanh methylene đối kháng với cdc loi hóa chất mang tinh oxy hóa và khử, kiém, dichromate, các hợp

chất của ido Khi phân hủy sẽ sinh ra các khí độc như: Ch, NO, CO, SO,, COs, H:S.

Xanh methylene nguyên chất 100% dang bột hoặc tỉnh thể, Xanh methylene có thể bị

oxy hóa hoặc bị khử và mỗi phân tử của xanh methylene bị oxy hóa và bị khử Khoảng:

(giây Quá trình này làm tăng tiêu thụ oxy của tế bào.

n gốc cơ bản phát sinh 6 nhiễm xanh methylen trong nước là chất thải từ các cơ

sở sản xuất sử dụng xanh methylen để nhuộm màu xanh cho các sản phẩm Một số nhà

30