Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều

Trong nghiên cứu này, qui trình sản xuất than hoạt tính được cải tiến ở giai đoạn than hóa và hơi nước được dùng làm tác nhân hoạt hóa ở 8500C.. Cụ thể, quá trình than hóa được chia ra l

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA-DHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lý Cẩm Hùng Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Lê Minh Viễn Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Nguyễn Đình Thành Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 06 tháng 01 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 PGS TS Lê Thị Kim Phụng

2 TS Lê Minh Viễn 3 PGS TS Nguyễn Đình Thành 4 TS Hồ Thị Kim Vân

5 TS Nguyễn Tuấn Anh Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập-Tự do-Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ THỊ DIỄM KIỀU MSHV: 13051181 Ngày, tháng, năm sinh: 11/10/1990 Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 605275

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều

chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong

quy trình điều chế than hoạt tính để tạo than hoạt tính chất lượng cao có thể áp dụng vào quy mô nhà máy ứng dụng trong dược phẩm, lọc nước,… đem lại hiệu quả kinh tế cao và tăng tính cạnh tranh Đồng thời nghiên cứu này giải quyết vấn đề ô nhiễm trường từ nguyên liệu vỏ hạt điều

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/07/2015

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/01/2016

IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Lý Cẩm Hùng

Tp HCM, ngày tháng 01 năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

LỜI CẢM ƠN

Với lòng cảm ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Lý Cẩm Hùng đã giao đề tài và nhiệt tình giúp đỡ Thầy đã giúp em có được những kiến thức quý báu trong quá trình nghiên cứu

Cảm ơn phòng thí nghiệm hóa của Viện Hàn Lâm Trung Quốc đã tạo điều kiện giúp em hoàn thành đề tài nghiên cứu

Chân thành cảm ơn chị Hòa, Duy và các bạn của Viện Hàn Lâm Trung Quốc đã giúp đỡ tôi trong quá trình tìm kiếm tài liệu và hoàn thành luận văn

Để hoàn thành luận văn, ngoài sự nổ lực và cố gắng nghiên cứu của bản thân, sự giúp đỡ của những người xung quanh, đặc biệt là thầy đã góp phần không nhỏ trong quá trình nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TÓM TẮT

Việc tận dụng vỏ hạt điều đã ép lấy dầu để sản xuất than hoạt tính không những đem lại hiệu quả kinh tế mà còn giải quyết các vấn đề về lao động, giảm ô nhiễm môi trường, tăng giá trị cây điều Tuy nhiên, việc sản xuất than hoạt tính từ vỏ hạt điều chưa được tập trung nghiên cứu Quá trình sản xuất than hoạt tính gồm 2 giai đoạn than hóa và hoạt hóa, trong đó quá trình than hóa diễn ra trong môi trường khí trơ và quá trình hoạt hóa than thường sử dụng tác nhân KOH và CO2; tuy nhiên chất lượng than vẫn chưa tốt Trong nghiên cứu này, qui trình sản xuất than hoạt tính được cải tiến ở giai đoạn than hóa và hơi nước được dùng làm tác nhân hoạt hóa ở 8500C Cụ thể, quá trình than hóa được chia ra làm 3 giai đoạn với các tốc độ gia nhiệt khác nhau để kiểm soát tốc độ chuyển hóa của hemicellulose và cellulose trong vỏ hạt điều, giúp giai đoạn hoạt hóa bằng hơi nước đạt hiệu quả cao

hơn Sản phẩm than hoạt tính thu được từ nghiên cứu này có chất lượng tốt hơn than

hoạt tính được điều chế theo qui trình trong các nghiên cứu trước đó; diện tích bề mặt riêng có giá trị 1170 m2/g và tổng thể tích lỗ xốp là 0.7 cm3/g Kết quả này

chứng tỏ kiểm soát hiệu quả tốc độ chuyển hóa của hemicellose và cellulose đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất than hoạt tính; đồng thời, nó sẽ là cơ sở

để xây dựng quy trình sản xuất than hoạt tính trên quy mô công nghiệp

ABSTRACT

The cashew nuts shell residue after oil extraction was utilized for the production of the activated carbon in order to enhance economic benefits, gain more job opportunities as well as reduce environmental pollution However, the process of producing the activated carbon from the cashew nuts shell residue have not been seriously investigated and commercialized The process has two steps – carbonization and activation, in which the former normally occur in inert condition whereas the latter involves the use of KOH and CO2; but the quality of activated carbon is still not good enough In this paper, the process of carbonization has been improved by adapting the heating rate in order to controlling the conversion rate of cellulose and hemicellulose; and the steam was used to activate carbon at 850oC The activated carbon was obtained with better quality, e.g BET surface area of 1171 m2/g and total pore volume of 0.7 cm3/g The results show that the conversion rate of cellulose and hemicellulose in the residue have to be controlled effectively and it is the key step in the process The results from this fundamental research also provide a new concept of carbonization process for activated carbon production at an industrial scale

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LV

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được xuất phát từ yêu cầu phát sinh trong công việc để hình thành hướng nghiên cứu Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ theo đúng quy định Kết quả trình bày trong luận văn được thu thập trong quá trình nghiên cứu là trung thực và chưa từng công bố trước đây

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2016

Võ Thị Diễm Kiều

1.1.2 Đặc điểm của than hoạt tính 2

1.1.3 Ứng dụng của than hoạt tính 3

1.2 Công nghệ sản xuất than hoạt tính 4

1.2.1 Phương pháp hoạt hóa vật lý 5

1.2.2 Phương pháp hoạt hóa hóa học 7

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới phương pháp điều chế than hoạt tính 8

1.2.4 Tình hình sản xuất than hoạt tính trong nước và thế giới 9_Toc4410116331.3 Lý thuyết về hấp phụ [17, 18] 11

1.3.1 Các khái niệm và phân loại hấp phụ 11

1.4.2 Tình hình nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều 20

1.4.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 20

1.4.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 21

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 23

2.1 Đối tượng nghiên cứu 23

2.2 Mục tiêu nghiên cứu 23

2.3 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị phục vụ nghiên cứu 23

2.3.1 Hóa chất 23

2.3.2 Dụng cụ 24

2.3.3 Thiết bị 25

2.4 Phương pháp nghiên cứu 25

2.4.1 Phương pháp điều chế than hoạt tính 25

2.4.2 Cơ sở lý thuyết quá trình nhiệt phân của vỏ hạt điều……… 27

2.4.3 Nghiên cứu cải tiến giai đoạn than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính 29

2.5 Các phương pháp xác định và cách tiến hành 33

2.5.1 Xác định hàm lượng chất dễ bay hơi, hàm lượng cacbon, hàm lượng tro 33

2.5.2 Xác định hiệu suất trong quá trình than hóa và hoạt hóa 34

2.5.3 Xác định chỉ số Iot 34

2.5.4 Xác định chỉ số Methylen blue 36

2.5.5 Xác định nhóm chức, diện tích bề mặt riêng và hình thái bề mặt 37

3.1 Quá trình than hóa của quy trình sản xuất than hoạt tính trước đây 39_Toc4410116773.2 Quá trình cải tiến giai đoạn than hóa 39

3.2.1 Giai đoạn 1 39

3.2.2 Giai đoạn 2 43

3.2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ T2 43

3.2.2.2 Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt 48

3.3 Quá trình hoạt hóa 53

3.3.1 Đối với mẫu BBC 53

3.3.2 Đối với mẫu CC6 58

3.3.3 Đối với mẫu CC3 63

3.3.4 So sánh và đánh giá các mẫu đã hoạt hóa 67

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các hướng nghiên cứu sản xuất than hoạt tính 9

Bảng 1.2 Phân tích thành phần nguyên tố của CNS dùng trong thí nghiệm 20

Bảng 2.1 Danh mục hóa chất cần thiết cho nghiên cứu 23

Bảng 2.2 Danh mục dụng cụ cần thiết cho nghiên cứu 24

Bảng 2.3 Bảng phân bố thí nghiệm Số TN quy trình các nghiên cứu trước đây [12, 14, 24, 25, 38] 27

Bảng 2.4 Bảng phân bố số thí nghiệm trong quy trình cải tiến giai đoạn than hóa 32Bảng 3.1 Tính chất sản phẩm than hóa BCC 39

Bảng 3.2 Kết quả khảo sát nhiệt độ T1 C đến các tính chất của sản phẩm than hóa 40

Bảng 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ T2 C đến các tính chất của sản phẩm than hóa 43

Bảng 3.4 Các nhóm chức chính của các sản phẩm than hóa 47

Bảng 3.5 Ảnh hưởng tốc độ gia nhiệt R (oC/phút) đến các tính chất của sản phẩm than hóa 49

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến các tính chất của than hoạt tính BCC-AC 54

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến các tính chất của than hoạt tính CC6-AC 59

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa đến các tính chất của than hoạt tính CC3-AC 64

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc minh họa của than hoạt tính 3

Hình 1.2 Quá trình hấp phụ vật lý 12

Hình 1.3 Năm loại đường hấp phụ theo Brunauer 14

Hình 1.4 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich 15

Hình 1.5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir C (P) 17

Hình 1.6 Dạng đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ BET 18

Hình 1.7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ BET 19

Hình 2.1 Phân tích TGA-DTG của vỏ hạt điều trong môi trường không có oxi 29

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình thiết bị sản xuất than hoạt tính 30

Hình 2.3 Đường làm việc chuẩn của Iot ở bước sóng 600nm 35

Hình 2.4 Đường làm việc chuẩn của Methylen blue ở bước sóng 610nm 37

Hình 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ T1 C lên hiệu suất mẫu than hóa 41

Hình 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ T1 C lên tích chất mẫu than hóa 41

Hình 3.3 Phổ FTIR của sản phẩm than hóa tại các nhiệt độ T1 C 42

Hình 3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ T2 C lên hiệu suất mẫu than hóa 45

Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ T2 C lên tích chất mẫu than hóa 46

Hình 3.6 Phổ FTIR của sản phẩm than hóa tại các nhiệt độ T2 C 47

Hình 3.7 Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt lên hiệu suất các mẫu than hóa 50

Hình 3.8 Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đến tính chất các mẫu than hóa 51

Hình 3.9 Phổ FTIR của sản phẩm than hóa tại các tốc độ gia nhiệt khác nhau 52

Hình 3.10 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới thể tích hấp phụ của các mẫu than hoạt tính BCC-AC 55Hình 3.11 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới hiệu suất và diện tích BET của các mẫu than hoạt tính BCC-AC 56Hình 3.12 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới khả năng hấp phụ chỉ số Methylen blue và Iot của các mẫu than hoạt tính BCC-AC 57Hình 3.13 Phổ FTIR của các mẫu than hoạt tính BCC-AC 58Hình 3.14 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới thể tích hấp phụ của các mẫu than hoạt tính CC6-AC 60Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới hiệu suất và diện tích BET của các mẫu than hoạt tính CC6-AC 61Hình 3.16 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới khả năng hấp phụ chỉ số Methylen blue và Iot của các mẫu than hoạt tính CC6-AC 62Hình 3.17 Phổ FTIR của sản phẩm hoạt tính CC6-AC tại các thời gian hoạt hóa khác nhau 63Hình 3.18 Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa tới (a) Hiệu suất và diện tích bề mặt riêng BET (b) khả năng hấp phụ chỉ số Methylen blue va Iot của các mẫu than hoạt tính CC3-AC……….66 Hình 3.19 Ảnh hưởng thời gian hoạt hóa tới (a) hiệu suất và (b) thời gian của quá trình sản xuất than hoạt tính 68Hình 3.20 So sánh khả năng hấp phụ của các mẫu ở thời gian hoạt hóa 90 phút 69Hình 3.21 Ảnh SEM của than sau khi hoạt hóa ở 450oC: a độ phóng đại 250 và b độ phóng đại 1000……….71 Hình 3.22 Ảnh SEM của mẫu than hoạt tính: a độ phóng đại 250 và b độ phóng

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CNS: Vỏ hạt điều (Cashew nut shell) CC: Than hóa (Carbonized carbon) BCC: Basic Carbonized Carbon AC: Than hoạt tính (Activated carbon) SEM: Scanning Electron Microscope BET: Bruanuer-Emmett-Teller TGA: Thermogravimetric analysis DTG: Derivative Thermogravimetric Analysis FTIR: Fourier transform infrared spectroscopy

MỞ ĐẦU

Trước đây, cây điều chủ yếu phục vụ ngành công nghiệp chế biến hạt điều xuất khẩu.Việc gia công chế biến hạt điều xuất khẩu đã phát sinh ra một lượng lớn rác thải từ vỏ hạt điều sau chế biến Phương pháp xử lý khối lượng lớn vỏ hạt điều được các cơ sở chế biến lựa chọn là ép dầu đem bán và vỏ đã ép lấy dầu thì làm nhiên liệu đốt, gây ô nhiễm môi trường Do đó, nguồn nguyên liệu vỏ đã ép có giá rất thấp.Vì vậy, việc tận dụng vỏ hạt điều này để sản xuất than hoạt tính không những đem lại hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp, người dân mà còn giải quyết các vấn đề về lao động, giảm ô nhiễm môi trường, tăng giá trị cây điều

Tuy nhiên, việc sản xuất than hoạt tính từ vỏ hạt điều chưa được nghiên cứu sâu và chất lượng không cao Điều này làm tăng chi phí sản xuất và chất lượng than không có tính kinh tế cao

Chính vì vậy, việc triển khai đề tài “Kiểm soát tốc độ than hóa của hemicellulose và cellulose trong quá trình điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều” nhằm mục đích tận dụng nguồn liệu rẻ tiền, dễ tìm và bảo vệ môi trường Đồng thời nâng cao giá trị kinh tế của vỏ hạt điều là hết sức cần thiết

Luận văn này được thực hiện tại phòng thí nghiệm (State Key Laboratory of Multi-Phase Complex Systems) của giáo sư Guangwen Xu, viện kĩ thuật ứng dụng, Viện Hàn Lâm Trung Quốc Luận văn này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, cụ thể:

Ý nghĩa khoa học: Tiếp nối các nghiên cứu về điều chế than hoạt tính với việc cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính để tạo than hoạt tính chất lượng cao từ vỏ hạt điều

Ý nghĩa thực tiễn: Tạo than hoạt tính chất lượng cao có thể áp dụng vào quy mô nhà máy ứng dụng trong dược phẩm, lọc nước,… đem lại hiệu quả kinh tế cao và tăng tính cạnh tranh Đồng thời nghiên cứu này giải quyết vấn đề ô nhiễm môi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Than hoạt tính

1.1.1 Khái niệm

Than hoạt tính là một vật liệu dạng cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn Thành phần chính của than hoạt tính là nguyên tố cacbon ở dạng vô định hình, hàm lượng khoảng 85-95% Ngoài ra than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh và oxi Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác [1, 2]

1.1.2 Đặc điểm của than hoạt tính

 Cấu trúc xốp Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các lớp vi tinh thể làm cho than hoạt tính có cấu trúc lỗ xốp phát triển Cấu trúc lỗ xốp được hình thành trong quá trình carbon hóa và phát triển trong quá trình hoạt hóa, tạo thành các lỗ trống trong mạng tinh thể than hoạt tính Đồng thời quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích và kích thước lỗ xốp Cấu trúc xốp của than được thể hiện thông qua các thông số: diện tích bề mặt (Sr), thể tích lỗ mao quản Các thông số này còn được tính riêng theo từng kích cỡ hạt Dựa vào kích thước hạt người ta chia làm 3 loại: lỗ bé hay còn gọi micropore (d < 2 nm), lỗ trung bình hay còn gọi mesopore (2 nm < d < 50 nm) và lỗ lớn hay còn gọi macropore (d > 50 nm) (hình 1.1)

Hình 1.1 Cấu trúc minh họa của than hoạt tính

Trong đó các lỗ xốp micropore quyết định phần lớn diện tích bề mặt than hoạt tính, phần còn lại là các lỗ xốp mesopore và macropore [2, 4]

 Cấu trúc hóa học Bên cạnh cấu trúc tinh thể và cấu trúc lỗ xốp, bề mặt than hoạt tính còn có cấu trúc hóa học Khả năng hấp phụ của than hoạt tính không chỉ quyết định bởi cấu trúc xốp và vật lý mà còn bị ảnh hưởng bởi cấu trúc hóa học

Cấu trúc hóa học: thành phần của than hoạt tính gồm cacbon (chủ yếu), hydro, oxy,… Và các nhóm chức giữa các nguyên tố hóa học liên kết được hình thành là carboxyl, nhóm lactone, nhóm rượu, nhóm phenlic, hydroxyl, tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu và tác nhân hoạt hóa Trong đó, những nhóm chức chức oxy là những nhóm quan trọng nhất vì chúng làm ảnh hưởng tới đặc tính bề mặt than hoạt tính, cụ thể tính hút ẩm, tính phân cực, tính axit, tính chất hóa lý [3, 4]

1.1.3 Ứng dụng của than hoạt tính

Than hoạt tính ngoài khả năng hấp phụ tốt thì than hoạt tính còn có các ưu điểm như: không độc hại, giá thành rẻ, sản xuất Vì vậy than hoạt tính được sử dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng:

 Trong y tế (than dược): than hoạt tính tẩy trùng các độc tố sau khi ngộ độc thức ăn và dùng làm khẩu trang để lọc khói bụi

 Trong kỹ thuật: là thành phần chính của túi lọc khí, mặt nạ phòng độc  Trong công nghệ quản lý môi trường: xử lý các chất bẩn vi lượng và ion kim

loại nặng  Trong đời sống hằng ngày: lọc nước, khử mùi  Trong lĩnh vực kim loại: như thu hồi vàng, bạc và các chất vô cơ khác, và

làm chất xúc tác, chất mang

1.2 Công nghệ sản xuất than hoạt tính

Công nghệ sản xuất than hoạt tính gồm hai quá trình là than hóa và hoạt hóa Than hoá là giai đoạn chuyển hoá nguyên liệu về dạng than, làm tăng hàm lượng cacbon và tạo bề mặt xốp ban đầu Giai đoạn hoạt hoá giúp phát triển lỗ xốp, tăng diện tích bề mặt của than [1]

 Quá trình than hóa

Thông thường, quá trình than hóa được thực hiện ở nhiệt độ cao trong môi trường không có oxy Vì sự có mặt của oxy sẽ đốt cháy than thu được trong giai đoạn này Để tạo môi trường không có oxi trong giai đoạn than hóa thông thường có các phương pháp phổ biến sau:

 Sử dụng khí nitơ Thiết bị dùng để than hóa được thổi liên tục dòng khí nitơ với mục đích đuổi oxi ra khỏi thể tích phản ứng Phương pháp này có ưu điểm là hạn chế được sự có mặt của oxi và tạo thuận lợi cho quá trình hoạt hóa Nhược điểm của phương pháp này là tiêu tốn nitơ và đắt tiền [1]

Cát được phủ lên trên nguyên liệu và chiếm các không gian trống trong cốc nung nhằm đuổi hết oxi và hạn chế sự lưu thông của oxi trong thể tích phản ứng Đây là phương pháp đơn giản, rẽ tiền và dễ tiến hành Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là gây trở ngại cho quá trình hoạt hóa [1]

 Quá trình hoạt hóa

Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưới 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 là hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học Mục đích của giai đoạn hoạt hóa là phát triển mạnh bề mặt riêng của than thu được sau giai đoạn than hóa

1.2.1 Phương pháp hoạt hóa vật lý

Hoạt hóa vật lý luôn đi kèm với giai đoạn than hóa, ở nhiệt độ cao vật liệu bị đề hyđrát hóa, đồng thời xảy ra quá trình tái cấu trúc bề mặt than, kết quả làm tăng cấu trúc xốp của bề mặt làm tăng diện tích bề mặt riêng của than

Tác nhân hoạt hóa phổ biến là khí CO2, hơi nước, không khí, … Tuy nhiên, tác nhân hoạt hóa CO2, hơi nước ngoài vai trò đuổi oxi, nó còn là tác nhân hoạt hóa cho quá trình tạo lỗ xốp và phát triển bề mặt riêng của than Trong công nghiệp, phương pháp dùng hơi nước là phổ biến nhất bởi vì hơi nước là nguồn sẵn có, rẻ tiền không gây ô nhiễm môi trường [1]

Các phản ứng hoạt hóa chính ứng với tác nhân hoạt hóa CO2, hơi nước lần lượt là:

C + CO2 = 2 CO C + H2O = CO + H2

Ta xem xét 1 quá trình cụ thể hoạt hóa bằng hơi nước [5] Khi cacbon tương tác với hơi nước, các phản ứng sau đây diễn ra cùng lúc:

C + H2O = H2 + CO – 31 kcal 2 H2O +C = CO2 + 2 H2

Phản ứng cơ bản giữa cacbon và hơi nước là phản ứng thu nhiệt, do đó ta phải cấp nhiệt Sự trao đổi nhiệt giữa tác nhân khí hóa với cacbon có ý nghĩa quyết định

Các phản ứng xảy ra lần lượt:

C + H2O = C(H2O) C(H2O) = H2 + C(O)

C(O) = CO Trong quá trình hoạt hóa, hydro được xem như là chất hấp phụ trên bề mặt cacbon Sự chiếm các vị trí trung tâm hoạt động làm kiềm chế phản ứng hoạt hóa:

C + H2 = C(H2) Oxy và hydro được hấp phụ trên trung tâm hoạt động gần kề nó Phản ứng hoạt hóa hơi nước ở nhiệt độ cao trong môi trường không có oxy vẫn tồn tại phản ứng cháy:

C + O2 = CO2 + Q 2 C + O2 = 2 CO 2 CO + O2 = 2 CO2

2 H2 + O2 = H2O

Chính vì vậy, ta cần hạn chế lượng oxy dư trên bề mặt than, vì lượng oxy dư tạo phản ứng cháy trên bề mặt than

 Ưu nhược điểm của phương pháp hoạt hóa vật lý  Ưu điểm

- Thiết bị đơn giản - Ít gây ăn mòn thiết bị - Sản phẩm than hoạt tính thu được sạch - Có thể thực hiện với năng suất lớn - Chi phí sản xuất thấp

 Nhược điểm - Diện tích bề mặt than hoạt tính không cao - Thời gian hoạt hóa lâu

- Nhiệt độ sử dụng hoạt hóa cao trên 700oC

1.2.2 Phương pháp hoạt hóa hóa học

Các chất hoạt hóa có thể phân chia thành tác nhân hoạt hóa có tính axit (H3PO4, H2SO4, ZnCl2…) và các tác nhân có tính bazơ (KOH, NaOH, K2CO3…) Trong đó, tác nhân hoạt hóa thường được dùng nhiều nhất là: KOH, NaOH, ZnCl2, H3PO4 Các chất này được tẩm vào than và hoạt hóa ở nhiệt độ cao trong một khoảng thời gian thích hợp Cơ sở chung để chọn chất hoạt hóa là chất đó phải có khả năng xúc tác cho quá trình dehydrat hóa hoặc tương tác được với cacbon Trong quá trình hoạt hóa ở nhiệt độ cao có thể xảy ra các phản ứng sau:

Ban đầu bột than được tẩm bằng dung dịch NaOH, sau đó được gia nhiệt lên nhiệt độ hoạt hóa trong môi trường yếm khí Ở nhiệt độ cao, NaOH bị cacbon khử thành Natri kim loại và CO2, H2, K2CO3 Natri kim loại tự do sinh ra sẽ xâm nhập vào bên trong mạng tinh thể cacbon tạo nên sự phồng nở của cấu trúc graphite Khi nhiệt độ tăng, các chất này dịch chuyển gây nên lực tách rời các lớp graphite tạo cấu trúc xốp Do đó, tốc độ gia nhiệt và nồng độ Natri có ảnh hưởng tới cấu trúc xốp của than hoạt tính

 Ưu 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 bề mặt than hoạt tính thu được cao  Nhược điểm

- Gây ăn mòn thiết bị - Gây ô nhiễm môi trường - Tăng chi phí sản xuất

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới phương pháp điều chế than hoạt tính

 Tác nhân hoạt hóa gồm tác nhân hoạt hóa vật lý (H2O, CO2) và tác nhân hoạt hóa hóa học (NaOH, HCl)

 Nồng độ tác nhân hoạt hóa ảnh hưởng tới tính chất của than hoạt tính Nếu nồng độ tác nhân hoạt hóa thấp thì diện tích bề mặt than hoạt tính thấp Ngược lại, nồng độ tác nhân hoạt hóa quá cao thì các mao quản bé sẽ phát triển thành các mao quản trung bình và lớn, dẫn tới khả năng hấp phụ giảm, hiệu suất sản phẩm thấp

 Thời gian hoạt hóa ảnh hưởng tới phương pháp điều chế than hoạt tính Cụ thể, thời gian hoạt hóa ngắn, mức hoạt hóa thấp, diện tích bề mặt riêng thấp

 Nhiệt độ hoạt hóa là một thông số quan trọng ảnh hưởng tới tính chất than hoạt tính

 Cấu trúc của than nguyên liệu  Các hợp chất vô cơ có trong than

1.2.4 Tình hình sản xuất than hoạt tính trong nước và thế giới

Công nghệ sản xuất than hoạt tính đã có từ lâu trên thế giới vào cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 Có rất nhiều hướng nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, đặc biệt nguyên liệu lignocellulose cùng những phế phẩm công nghiệp đã và đang được nghiên cứu cho việc sản xuất

Bảng 1.1 Các hướng nghiên cứu sản xuất than hoạt tính

Nguyên liệu Hướng nghiên cứu sản xuất Diện tích bề mặt

riêng (m2/g)

Việt Nam

Sọ dừa [5] Than hóa 450-520oC  hoạt hóa steam H2O

700oC, 1-2h 631.3 Trấu [5] Than hóa 450-520oC  hoạt hóa steam H2O

Than hóa ở 500oC-1h (N2 150l/h, 10oC/ph), hoạt hóa 900oC-5h sử dụng tác nhân CO2 (N2 150l/h, 1060

10% lọc, rửa H2O cất, rửa NaOH 10%, rửa H2O

cất, cuối cùng sấy 110oC-12h

Hột xoài [9]

1g nguyên liệu +1ml HCl 100% -24h, rửa, sấy 3 ngày ở nhiệt độ phòng Sau đó than hóa 212.1oC-30ph  hoạt hóa 750oC-1h, cuối cùng rửa nước

sấy 105oC-12h

1281.7-1532.8

Vỏ quả hạnh [11]

Nguyên liệu:H3PO4 tỉ lệ 1:2 trong 48h, sau đó hoạt hóa 850oC-2h  dạng bột, được làm nguội đến nhiệt độ phòng Sản phẩm được rửa HCl 5N,

rửa nước cất và sấy qua đêm 105oC

1358

Vỏ dầu cọ [12]

Nguyên liệu được gia nhiệt ở 750oC, giữ tại nhiệt độ này để hoạt hóa hơi nước trong 2 h 559.48 Mùn cưa [13] Nguyên liệu này được than hóa ở 500

oC trong 30 phút và được hoạt hóa ở 800oC trong 2 h 1091.5

(N2150cm3/ph, 10oC/ph)

614-1433

Vỏ dừa [16] Nguyên liệu:ZnCl2 98% với tỉ lệ 1:2, 110oC qua

đêm, sau đó hoạt hóa 800oC trong 2-3h, CO2

2450

(N25L/h, 10oC/ph), làm nguội

1.3 Lý thuyết về hấp phụ [17, 18] 1.3.1 Các khái niệm và phân loại hấp phụ

Hấp phụ là sự tích lũy chất trên bề mặt phân cách (khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng) Trong sự hấp phụ người ta phân biệt: Chất mà trên bề mặt xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ, còn chất khí hay lỏng bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ được gọi là chất bị hấp phụ

Đánh giá sự hấp phụ thông qua độ hấp phụ: là lượng chất bị hấp phụ trong một đơn vị khối lượng chất hấp phụ m, ngoài ra còn sử dụng đại lượng thể tích ở điều kiện tiêu chuẩn

1.3.1.1 Hấp phụ vật lý

Hấp phụ vật lý là hiện tượng chất hấp phụ tương tác thuận nghịch với bề mặt chất bị hấp phụ bằng lực liên kết yếu Vander waals (bao gồm ba loại lực: cảm ứng, định hướng, khuếch tán), lực liên kết hidro…Vì vậy hấp phụ vật lý có tính thuận nghịch cao Hấp phụ vật lý không đòi hỏi sự hoạt hóa phân tử do đó xảy ra nhanh Các nguyên tử bị hấp phụ liên kết với các nguyên tử, phân tử, các ion… ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Vander waals yếu Nói một cách khác, trong hấp phụ vật lý các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hóa học (không hình thành các liên kết hóa học) mà chỉ bị ngưng tụ trên bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt bằng lực liên kết phân tử yếu (lực Vander waals) và liên kết hiđro Sự hấp phụ vật lý luôn luôn thuận nghịch Nhiệt hấp phụ thường nhỏ Hấp phụ vật lý thường thấy nhiều trong hấp phụ đa lớp (hình 1.3)

Hình 1.2 Quá trình hấp phụ vật lý

 Đặc điểm của quá trình hấp phụ vật lý

 Lực hấp phụ là lực Van der Waals  Quá trình là thuận nghịch, nghĩa là cùng với sự hấp phụ còn có sự giải hấp phụ

 Entanpy hấp phụ từ 8 -12 kJ/mol  Năng lượng hoạt hóa: E = 0  Có thể hấp phụ đơn lớp hay đa lớp  Quá trình hấp phụ xảy ra ở nhiệt độ thấp  Không có tính chọn lọc

 Tốc độ quá trình hấp phụ nhanh

1.3.1.2 Hấp phụ hóa học

Hấp phụ hóa học là kết quả của sự tương tác hóa học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Trong đó, lực liên kết hóa học thông thường là liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí… Sự hấp phụ hóa học luôn luôn bất thuận nghịch Nhiệt hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới giá trị 800kJ/mol

 Đặc điểm của quá trình hấp phụ hóa học

 Lực hấp phụ là lực hóa học  Quá trình là bất thuận nghịch  Entanpy hấp phụ từ 40 – 800 kJ/mol  Năng lượng hoạt hóa thường nhỏ

 Chỉ là hấp phụ đơn lớp  Quá trình hấp phụ xảy ra ở nhiệt độ cao  Có tính chọn lọc

Tốc độ quá trình hấp phụ chậm được xác định theo phương trình:

𝐾ℎ𝑝 = 𝐾0𝑍𝑒−𝐸𝑎𝑅𝑇(1.1) Trong đó: 𝐾ℎ𝑝: Hằng số tốc độ hấp phụ hóa học 𝐾0: Hệ số đặc trưng cho xác xuất hình học 𝐸𝑎: Năng lượng hoạt hóa

Z: Số va chạm của phân tử bị hấp phụ trên một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian (Z tỉ lệ với áp suất)

Một quá trình hấp phụ có bản chất vật lý hoặc hóa học tùy thuộc vào bản chất của chất bị hấp phụ, chất hấp phụ và dung môi Sự phân biệt hấp phụ vật lý hay hóa học không có ranh giới rõ rệt Trong thực tế, các loại hấp phụ trên đều xảy ra đồng thời nhưng tùy theo điều kiện thực tế mà loại này hay loại kia chiếm ưu thế hơn [1, 17, 18]

 Dạng III: đặc trưng cho hấp phụ mà nhiệt hấp phụ của nó là bằng hay thấp hơn nhiệt ngưng tụ của chất bị hấp phụ

 Dạng IV và V: tương ứng với sự hấp phụ dạng II và III có kèm theo ngưng tụ mao quản, nó đặc trưng cho hệ hấp phụ trên các vật thể xốp [1,4, 18]

Hình 1.3 Năm loại đường hấp phụ theo Brunauer

 Thuyết hấp phụ FreundlichTrong một số trường hợp, hấp phụ đẳng nhiệt thì đường hấp phụ biểu diễn sự phụ thuộc của Γ vào C hay P có hai giai đoạn:

- Khi C hoặc P nhỏ, Γ tỉ lệ bậc nhất với C hay P - Khi C hoặc P cao thì đường biểu diễn gần như song song với trục hoành, khi

đó Γ đạt cực đại Freundlich nhận thấy rằng đường hấp phụ đẳng nhiệt gần với một nhánh của parabol nên đã đưa ra phương trình sau:

Hình 1.4 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich

Phương trình có dạng

Γ = 𝑚𝑥 = 𝐾 𝐶1/𝑛 (1.2) Trong đó: Γ (mol

g ): Lượng hấp phụ đơn vị x (mol hoặc gam): Lượng chất bị hấp phụ m (gam): Khối lượng vật hấp phụ

C: Nồng độ sau khi hấp phụ, mol/l n: hằng số phương trình Freundlich (n<1), đặc trưng định tính cho bản chất lực tương tác của hệ, nếu n nhỏ thì hấp phụ thiên về hấp phụ hóa học còn n lớn thì hấp phụ thiên về hấp phụ vật lý

- Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử - Sự hấp phụ là thuận nghịch

- Tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ với nhau có thể bỏ qua - Năng lượng hấp phụ các phân tử là đồng nhất (bề mặt đồng nhất) Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:

𝜃 = Γ

Γ𝑚 = 𝐾.𝐶

1+𝐾.𝐶 hay Γ = Γ𝑚𝐾𝐶

1+𝐾𝐶 (1.3) Trong đó:

+) 𝜃: Phần bề mặt bị hấp phụ +) C: Nồng độ chất bị hấp phụ +) K: Hằng số căn bằng của quá trình hấp phụ +) Kt: Hằng số tốc độ hấp phụ

+) Kn: Hằng số tốc độ giải hấp

Từ phương trình Langmuir: - Khi C (P) nhỏ: KC ≤ 1 (hoặc KP ≤1) thì Γ𝑚𝐾𝐶 ≈ Γ, nghĩa là độ hấp

phụ tỷ lệ thuận với nồng độ (hoặc áp suất) - Khi C (P) lớn: KC ≥ 1 (hoặc KP≥1) thì Γ → Γ𝑚, độ hấp phụ đạt cực

đại Như vậy, ban đầu sự hấp phụ tăng tỷ lệ với nồng độ và áp suất, sau đó dần dần chậm lại và ở những nồng độ (hoặc áp suất) lớn có sự bão hòa bề mặt bởi lớp đơn phân tử của chất bị hấp phụ

Với những trường hợp hấp phụ đơn lớp trên chất ít xốp, dạng đường cong hấp phụ đẳng nhiệt có thể tương ứng khá tốt với phương trình Langmuir Cụ thể, phương trình Langmuir áp dụng cho hấp phụ hai chất A và B có dạng:

𝜃𝐴 = 𝐾𝐴𝐶𝐴1+𝐾𝐴𝐶𝐴+𝐾𝐵𝐶𝐵 (1.4) 𝜃𝐵 = 𝐾𝐴𝐶𝐴

1+𝐾𝐴𝐶𝐴+𝐾𝐵𝐶𝐵 (1.5)

Hình 1.5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir C (P)

Tổng quát, đối với trường hợp hấp phụ đồng thời nhiều chất thì:

𝜃 = 𝐾𝑖𝐶𝑖1+∑ 𝐾𝑖1 𝑖𝐶𝑖(1.6)

 Thuyết hấp phụ BET (Bruanuer – Emmett – Teller)

Phương trình BET (hình 1.6) dựa trên ba giả thuyết cơ bản sau: - Hấp phụ vật lý tạo thành nhiều lớp phân tử

- Lớp đầu tiên của chất bị hấp phụ được hình thành do kết quả tương tác của lực Van der Waals giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Các

lớp tiếp theo được hình thành do sự ngưng tụ của các phân tử hơi “lạnh”

- Các phân tử chất hấp phụ chỉ tương tác với phân tử lớp trước và sau nó mà không tương tác với phân tử bên cạnh

Hình 1.6 Dạng đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ BET

Phương trình hấp phụ BET:

𝑃𝑉(𝑃0−𝑃)= 1

𝑉𝑚𝐶+(𝐶−1)𝑃

𝑉𝑚𝐶𝑃0 (1.8) Trong đó: P0: Áp suất hơi bão hòa, mmHg

V: Thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất p, cm3/g Vm: Thể tích khí bị hấp phụ trong lớp đơn phân tử, cm3/g C: Thừa số năng lượng

Từ số liệu thực nghiệm, ta có thể tính được bề mặt riêng của chất cần nghiên cứu theo phương trình

𝑉𝑚 =22400𝑆0

𝑁𝐴 𝛽 (1.9) Trong đó: 𝛽: Yếu tố hình học phụ thuộc sự sắp xếp của phân tử chất bị hấp phụ

Phương trình BET bao quát cả ba trong số năm trường hợp được phân loại của các loại đường hấp phụ đẳng nhiệt

- Khi C lớn, đường hấp phụ đẳng nhiệt dạng I (hình 1.7) là một trường hợp riêng của phương trình BET Phương trình được đưa về phương trình Langmuir:

𝜃 = 𝑉𝑉

𝑚 =1+𝑐𝑥𝑐𝑥 (1.10) - Khi C nhỏ sẽ có dạng đường hấp phụ dạng III (C≤1) Nếu quá trình

hấp phụ khí tương đối trơ trên bề mặt phân cực khi đó 𝐶 ≈ 100 thì thu được đường đẳng nhiệt hấp phụ dạng II

Hình 1.7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ BET

1.4 Vỏ hạt điều và tình hình nghiên cứu điều chế than hoạt tính

1.4.1 Vỏ hạt điều

Cây điều (còn được gọi là Anacardium occidentale L) là cây bản địa của Brazil và phát triển tốt ở một số nước nhiệt đới ở châu Á và châu Phi, như Việt Nam, Sri Lanka, Mozambique, Malaysia, Ấn Độ và Indonesia [19] Trong đó, nhân hạt điều được sản xuất với hơn 3.5 triệu tấn [20] Còn vỏ hạt điều (chiếm 50% trong

Nguyên liệu vỏ hạt điều được lấy từ nhà máy sản xuất nhân hạt điều tại Bình Phước, mẫu được mang đi phân tích thành phần hóa lý bằng máy phân tích nhiệt trọng lực (TG, SII-TG/DTA 6300) để làm cơ sở so sánh và đánh giá Kết quả phân tích được trình bày trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Phân tích thành phần nguyên tố của CNS dùng trong thí nghiệm

Tro

50.500 6.557 1.028 41.791 0.124 76.5 21.3 2.2 Kết quả phân tích thành phần nguyên tố có hàm lượng cacbon là 50.5% cho thấy rằng nguyên liệu vỏ hạt điều phù hợp cho quá trình điều chế than hoạt tính Vì vậy, việc lựa chọn vỏ hạt điều làm nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính là thích hợp

1.4.2 Tình hình nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều

1.4.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Đồ án tốt nghiệp năm 2014- trường đại học Bà rịa-Vũng tàu có nghiên cứu điều chế than hoạt tính bằng phương pháp vật lý với tác nhân hơi nước gồm 2 giai đoạn than hóa và hoạt hóa Vỏ hạt điều bỏ được gia nhiệt với tốc độ gia nhiệt là 80C/phút ở 500oC đầu tiên và từ 500oC đến 850oC là 15oC/phút, và thổi khí N2 trong vòng 5 phút trước khi bắt đầu than hóa, than hóa từ 1 tới 2 h, sau đó được 750oC trong 90 phút thu được than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng là 143.114 m2/g Kết quả cho thấy việc sử dụng vỏ hạt điều điều chế than hoạt tính không có hiệu quả hoặc quy trình công nghệ này chưa phù hợp

Qua đó, than hoạt tính từ vỏ hạt điều chưa được đầu tư nghiên cứu Chất lượng than hoạt tính thấp, khó ứng dụng ở quy mô công nghiệp

1.4.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

S Tangjuank (2009), sản phẩm than hóa được trộn với KOH theo tỉ lệ 1:4 được sấy khô, sau đó được gia nhiệt lên tới 850oC trong môi trường nitơ Khi đạt tới nhiệt độ hoạt hóa, sản phẩm được hoạt hóa với tác nhân CO2 trong khoảng từ 20 tới 150 phút, được rửa bằng nước cất và sấy khô Sản phẩm than hoạt tính thu được 682 tới 1120 m2/g diện tích bề mặt riêng Kết quả cho diện tích bề mặt riêng cao nhưng chưa giải quyết triệt để bài toán kinh tế [21]

Vỏ hạt điều được than hóa ở 700oC trong 1 h dưới sự bảo vệ của dòng nitơ Sản phẩm than hóa thu được tẩm với KOH theo tỉ lệ 1:1 và được sấy qua đêm ở 105oC Sản phẩm than hóa được gia nhiệt lên tới 850oC dưới sự bảo vệ dòng nitơ Khi đạt tới nhiệt độ hoạt hóa, sản phẩm được hoạt hóa với tác nhân CO2 trong vòng 2 h Sau đó sản phẩm than hoạt tính thu được được rửa với nước cất tới khi trung hòa pH Than hoạt tính này có diện tích bề mặt riêng đạt 984 m2/g theo Ponnusamy Senthil Kumar (2011) Kết quả này cho thấy than hoạt hoạt tính thu được có kết quả tương đối cao nhưng tốn nhiệt và ăn mòn thiết bị, dẫn tới làm tăng giá thành than hoạt tính, tính cạnh tranh kinh tế thấp [22]

Su-Hwa Jung (2014) điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều sử dụng CO2 Nguyên liệu được than hóa ở 500oC trong 20 phút với tốc độ gia nhiệt 10oC/phút Sản phẩm than hóa được hoạt hóa ở 850oC trong 1, 2, 3 h thu được than hoạt tính có diện tích bề mặt lần lượt là 498, 702, 643 m2/g [23]

Các nghiên cứu cho thấy than hoạt tính được điều chế từ vỏ hạt điều cho chất lượng không cao đồng thời tốn chi phí sản xuất mà tính cạnh tranh kinh tế so với các nguyên liệu khác không cao Do đó, cần tìm phương pháp nghiên cứu nào đó để

điều chế than hoạt tính chất lượng tốt hơn từ nguồn nguyên liệu thải bỏ này mà vẫn đảm bảo tính kinh tế

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là vỏ hạt điều sau khi đã ép lấy dầu Nguyên liệu này được lấy từ nhà máy sản xuất nhân hạt điều tại Bình Phước

2.2 Mục tiêu nghiên cứu

Than hoạt tính được điều chế từ vỏ hạt điều sẽ cho kết quả chất lượng than hoạt tính tốt hơn quy trình điều chế than hoạt tính của những nghiên cứu trước đó

Trong nghiên cứu này, giai đoạn than hóa trong quy trình sản xuất than hoạt tính được cải tiến Quy trình sản xuất than hoạt tính gồm 2 giai đoạn: than hóa và hoạt hóa bằng hơi nước được tiến hành nghiên cứu

Trong quá trình cải tiến giai đoạn than hóa, nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt lần lượt được khảo sát Sản phẩm than hóa được đem đi phân tích thành phần nguyên tố, hiệu suất, đo chỉ số hấp phụ Methylen blue, chỉ số hấp phụ Iot và đo các nhóm chức trên bề mặt để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát tới sản phẩm thu được

Trong giai đoạn hoạt hóa, thời gian hoạt hóa các mẫu được khảo sát Sản phẩm than hoạt tính thu được đem đi tính hiệu suất, đo chỉ số hấp phụ Methylen blue, chỉ số hấp phụ Iot, diện tích bề mặt riêng, SEM và đo các nhóm chức trên bề mặt để đánh giá mức độ ảnh hưởng của giai đoạn than hóa tới sản phẩm thu được

2.3 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị phục vụ nghiên cứu 2.3.1 Hóa chất

Bảng 2.1 Danh mục hóa chất cần thiết cho nghiên cứu

Số thứ tự Tên hóa chất Mục đích 1 Thuốc thử KBr Phân tích FTIR

2 Nitơ lỏng Phân tích BET 3 Methylen blue (rắn, khan) Xác định chỉ số Methylen blue 4 Na2HPO4 12H2O(rắn, khan) Xác định chỉ số Methylen blue 5 KH2PO4 (rắn, khan) Xác định chỉ số Methylen blue 6 Iot (rắn, khan) Xác định chỉ số Iot 7 KI (rắn, khan) Xác định chỉ số Iot 8 Axit HCl đậm đặc (36-38%) Xác định chỉ số Iot 9 (C6H10O5)nXác định chỉ số Iot

2.3.2 Dụng cụ

Bảng 2.2 Danh mục dụng cụ cần thiết cho nghiên cứu

Số thứ tự Tên dụng cụ Số lượng (cái)

 Máy phân tích nhiệt trọng lực (TG, SII-TG/DTA 6300)  Máy đo diện tích bề mặt riêng (Micromeritic ASAP 2020)  Máy phân tích nhóm chức bề mặt ( Tensor 27 FTIR spectrometer)  Máy phân tích thành phần nguyên tố (Vario MAX elemental analyzer)  Máy UV-VIS

2.4 Phương pháp nghiên cứu 2.4.1 Phương pháp điều chế than hoạt tính

Vỏ hạt điều đã ép lấy dầu đem đi cắt nhỏ Sau đó, vỏ hạt điều đem sấy ở 1050C trong vòng 24h Vỏ hạt điều này ký hiệu là CNS (Cashew nut shell), được chuẩn bị cho các thí nghiệm tiếp theo

Vỏ hạt điều được than hóa ở 450oC trong môi trường không có oxi Sản

thu được đem đi hoạt hóa ở 850oC dưới tác nhân hơi nước thì thu được sản phẩm than hoạt tính (hình 2.1) Than hoạt tính thu được ký hiệu là AC (Activated Carbon) Mô tả hai phương pháp điều chế than hoạt tính như sau:

- Phương pháp điều chế than hoạt tính dựa vào quy trình của các nghiên cứu trước đây

- Phương pháp điều chế than hoạt tính cải tiến giai đoạn than hóa Dưới đây, phương pháp điều chế than hoạt tính từ các nghiên cứu trước đây với nguyên liệu là các nguồn phế phẩm nông nghiệp [12, 14, 24, 25, 38], quy trình điều chế than hoạt tính thường được chia làm hai giai đoạn: than hóa và hoạt hóa với tác nhân hơi nước

 Giai đoạn than hóa Cho 100 gam nguyên liệu vỏ hạt điều (Cashew nut shell– viết tắt là CNS) vào bình phản ứng và đem đi gia nhiệt trong môi trường khí trơ (dùng N2) với tốc độ gia nhiệt là 10oC/phút, đến khi đạt được 450oC thì giữ ở nhiệt độ này trong vòng 1h; thu được sản phẩm của quá trình than hóa (Basic Carbonized Carbon – viết tắt là BCC)

Sản phẩm than hóa được mang đi phân tích các chỉ số methylen blue, chỉ số iot, nhóm chức, thành phần nguyên tố, tính hiệu suất than hóa để làm cơ sở so sánh với giai đoạn cải tiến than hóa

 Giai đoạn hoạt hóa 5 gam mẫu than hóa bỏ vào bình phản ứng và đem gia nhiệt đến 850oC trong môi trường khí trơ ( dùng dòng N2 với tốc độ 200 ml/phút) với tốc độ gia nhiệt là 10oC/phút Khi nhiệt độ đạt 850oC, mẫu được hoạt hóa với tác nhân hơi nước (tốc độ hơi nước 0.1 mol/g.h) trong thời gian 30, 60, 90 phút Ta thu được than hoạt tính (Activated Carbon – viết tắt là AC)