chủ đề: cacbon hoạt tính và các ứng dụng

Tất cả các nguyên liệu chứa cacbon đều có thể chuyển thành than hoạt tính, tấtnhiên sản phẩm thu được sẽ có sự khác nhau phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệuđược sử dụng, bản chất của

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

MỤC LỤC

Trang

1 Giới thiệu sơ lược………3

2 Cách điều chế……… 3

3 Phân loại……… 5

4 Cấu trúc……….6

5 Tính chất………

8 6 Biến tính và tái hoạt………9

7 Ứng dụng………12

8 Sản lượng toàn cầu & Việt Nam………

9 Tài liệu tham khảo………22

1 Giới thiệu sơ lược về cacbon hoạt tính.

1.1 Giới thiệu chung.

Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung rằng, thanhoạt tính là một dạng của cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc rất xốp, do đó

có diện tích bề mặt rất lớn

Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã hoạt hóa được sử dụng từ nhiều thế kỷtrước.Người Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500 trước công nguyên làm chất hấp phụcho mục đích chữa bệnh.Người Hindu cổ ở Ấn độ làm sạch nước uống của họ bằng cáchlọc qua than gỗ.Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng năm

1900 và được sử dụng làm vật liệu tinh chế đường Than hoạt tính này được sản xuấtbằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật trong sự có mặtcủa hơi nước

hoặc C02 Than hoạt tính được sử dụng suốt chiến tranh thế giới thứ nhất trong các mặt

nạ phòng độc bảo vệ binh lính khỏi các khí độc nguy hiểm[5]

Hình 1: Một số hình ảnh minh họa :

1.2 Đặc tính.

Than hoạt tính:

 Là chất hấp phụ quí và linh hoạt

 Được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích như loại bỏ màu, mùi, vị không mongmuốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồidung môi, làm sạch không khí, trong kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải côngnghiệp và khí thải động cơ, trong làm sạch nhiều hóa chất, dược phẩm, sản phẩm thựcphẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí

 Chúng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng, bạc,

và các kim loại khác, làm chất mang xúc tác

 Chúng cũng được biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, được sử dụng để loại bỏcác độc tố và vi khuẩn của một số bệnh nhất định

lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hóa than

Quá trình than hóa có thể xảy ra trong pha rắn, lỏng và khí [13].

Quá trình than hóa pha rắn: Nguyên liệu ban đầu hầu như luôn luôn là hệ phân tử lớn do

sự tổng hợp hoặc quá trình tự nhiên Phân hủy nguyên liệu đầu bằng cách tăng nhiệt độ

xử lý, quá trình xảy ra cùng với sự giải phóng khí và chất lỏng có khối lượng phân tửthấp Do đó, than thu được là dạng khác của nguyên liệu ban đầu có thể lớn hơn hoặc nhỏhơn hình dạng ban đầu nhưng nó có tỷ trọng thấp hơn Khi tăng nhiệt độ xử lý sẽ tạo racấu trúc trung gian bền hơn Trong quá trình than hóa, khi hệ đại phân tử ban đầu phânhủy, các nguyên tử cacbon còn lại trong mạng đại phân tử di chuyển khoảng ngắn (có thể

< lnm) trong mạng tới vị trí bền hơn, thậm chí tạo ra mạng các nguyên tử cacbon(cóhydro liên kết với nó) Thành phần của nguyên liệu ban đầu khác nhau sẽ phân hủy theonhững cách riêng, tạo ra các dạng than khác nhau Khoảng cách (kích thước nguyên tử)được mở ra bởi sự thoát ra của các nguyên tử khác, sự di trú của nguyên tử cacbon và cácliên kết của chúng tạo ra mạng xốp có thành phần là các nguyên tử cacbon.Mỗi loại than

có đặc trưng xốp khác nhau

Than hóa trong pha lỏng: Các nguyên liệu như vòng thơm, hắc ín cho phép tạo

thành cacbon có thể graphit hóa về cơ bản là than không xốp Do đó để tạo ra một loạithan xốp từ những nguyên liệu này cần 1 phản ứng tác động lên các lớp graphen Quátrình than hóa trong pha lỏng có cơ chế hoàn toàn khác với trong pha rắn Bằng sự than

hóa pha lỏng, dạng có thể graphit hóa được tạo thành.

Cacbon hóa trong pha khí cần phải được kiểm soát cẩn thận nguồn nguyên liệu

đầu vào Nguyên liệu có thể là metan, propan hoặc benzen nhưng quan trọng nhất là quátrình cacbon hóa (bẻ gãy hoặc nhiệt phân) nguyên liệu khí ở áp suất tương đối thấpthường được pha loãng với khí heli Mảnh vỡ từ quá trình nhiệt phân nguyên liệu ban đầutương tác với chất nền thích hợp và bằng một cơ chế bao gồm sự chuyển động cácnguyên tử cacbon, cấu trúc phiến 6 cạnh của graphit được hình thành [13]

(b).Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưới tác dụng củanhiệt và tác nhân hoạt hóa, tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kích thước khácnhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt [24] Có thể hoạt hóa bằng phươngpháp hóa học hoặc bằng hơi nước

Hoạt hóa hóa học chủ yếu được sử dụng cho hoạt hóa than gỗ.Phương pháp này

khác với hoạt hóa bằng hơi; trong đó quá trình than hóa và quá trình hoạt hóa xảy ra đồngthời Nguyên liệu thô thường sử dụng là gỗ được trộn với chất hoạt hóa và chất hút nướcthường được sử dụng là axit photphoric hoặc ZnCl2 Sự hoạt hóa thường xảy ra ở nhiệt độ500°c, nhưng đôi khi cũng có khi lên tới 800°c Axit photphoric làm cho gỗ phình ra và

mở cấu trúc cenlulose của gỗ.Trong suốt quá trình hoạt hóa axit photphoric hoạt độngnhư 1 chất ổn định và đảm bảo rằng than không bị xẹp trở lại.Kết quả là than rất xốp vàchứa đầy axit photphoric Sau đó than được rửa và tiếp tục bước sản xuất tiếp theo

Hoạt hóa bằng hơi nước được sử dụng cho tất cả các than có nguồn gốc từ than

bùn, than đá, gáo dừa, gỗ Trước hểt nguyên liệu thô được chuyển hóa thành cacbonbằng nhiệt

Khi than đá được sử dụng làm nguyện liệu trong hoạt hóa, hơi nước ở 130°c đượcthổi vào ở nhiệt độ khoảng 1000°C Một số túi khí trở thành dòng khí và thoát ra khỏi lỗxốp.Hình thức này phụ thuộc lớn vào nguyên liệu được sử dụng.Một nguyên liệu cứngnhư là gáo dừa tạo ra nhiều lỗ nhỏ trong khi nguyện liệu mềm như than bùn luôn tạo ranhiều lỗ trung

Nếu tiếp tục thổi hơi nước ưong 1 thời gian dài, nhiều hơn rất nhiều các túi khí tạothành dòng khí và để lại các lỗ trống Đầu tiên chúng ta thu được lỗ nhỏ Khi tiếp tục quátrình, xung quanh túi khí cũng chuyển thành khí và lỗ xốp phát triển thành lỗ trung vànếu tiếp tục thì sẽ tạo thành lỗ lớn Do đó, ta không nên kéo dài quá trình hoạt hóa

Tất cả các nguyên liệu chứa cacbon đều có thể chuyển thành than hoạt tính, tấtnhiên sản phẩm thu được sẽ có sự khác nhau phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệuđược sử dụng, bản chất của tác nhân hoạt hóa và điều kiện hoạt hóa Trong quá trình hoạthóa hầu hết các nguyên tố khác trong nguyên liệu tạo thành sản phẩm khí và bay hơi bởinhiệt phân hủy nguyên liệu ban đầu Các nguyên tử cacbon sẽ nhóm lại với nhau thànhcác lớp thơm liên kết với nhau một cách ngẫu nhiên Sự sắp xếp của các lớp thơm nàykhông tuân theo qui luật do đó để lại các chỗ trống giữa các lớp Các chỗ trống này tănglên thành lỗ xốp làm than hoạt tính thành chất hấp phụ tuyệt vời

3 Phân loại

Carbon hoạt tính là những sản phẩm phức tạp , rất khó để phân loại chúng dựa trên nhữngtác đông,đặc tính bề mặt hay phương pháp điều chế Tuy nhiên,vì mục đích sử

dụng,người ta vẫn có những cách phân loại dựa trên những đặc tính vật lý của chúng Ví

dụ :

o Bột carbon hoạt tính (R1) (PAC)

o Cacbon hoạt tính dạng hạt (GAC)

o Carbon hoạt tính dạng sợi

o Tấm ép than hoạt tính (EAC)

o Carbon Bead kích hoạt (BAC)

o Cacbon đã được ngâm tẩm

Hình 2 : Một số hình ảnh minh họa :

4 Cấu trúc

4.3 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính.

Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kểt ngangbền giữa chúng, làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển Chúng có tỷtrọng tương đối thấp (nhỏ hơn 2g/cm3) và mức độ graphit hóa thấp, cấu trúc bề mặt nàyđược tạo ra trong quá trình than hóa và phát triển hơn trong quá trình hoạt hóa, khi làmsạch nhựa đường và các chất chứa cacbon khác trong khoảng trống giữa các tinh thể Quátrình hoạt hóa làm tăng thể tích và làm rộng đường kính lỗ cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu

trủc lỗ của chúng được quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu ban đầu và phươngpháp than hóa Sự hoạt hóa cũng loại bỏ cacbon không phải trong cấu trúc, làm lộ ra cáctinh thể dưới sự hoạt động của các tác nhân hoạt hóa và cho phép phát triển cấu trúc vi lỗxốp Trong pha sau cùng của phản ứng, sự mở rộng của các lỗ tồn tại và sự tạo thành các

lỗ lớn bằng sự đốt cháy các vách ngăn giữa các lỗ cạnh nhau được diễn ra Điều này làmcho các lỗ trống có chức năng vận chuyển và các lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thểtích vi lỗ

Theo Dubinin và Zaveria, than hoạt tính vi lỗ xốp được tạo ra khi mức độ đốt cháy(bum-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 cấu trúc lỗ xốp chứatất cả các loại lỗ

Nói chung than hoạt tính có bề mặt riêng phát triển và thường được đặc trưng bằngcấu trúc nhiều đường mao dẫn phân tán, tạo nên từ các lỗ với kích thước và hình dạngkhác nhau Người ta khó có thể đưa ra thông tin chính xác về hình dạng của lỗ xốp Cóvài phương pháp được sử dụng để xác định hình dạng của lỗ, các phương pháp này đãxác định than thường có dạng mao dẫn mở 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 1 nm đển vài nghìn nm.Dubinin đề xuất một cách phânloại lỗ xốp đã được IUPAC chấp nhận.Sự phân loại này dựa trên chiều rộng của chúng,thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạngống.Các lỗ được chia thành 3 nhóm, lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn

Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 2nm Sựhấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích lỗ, và không xảy ra sự ngưng

tụ mao quản Năng lượng hấp phụ trong các lỗ này lớn hơn rất nhiều so với lỗ trung hay

bề mặt không xốp vì sự nhân đôi của lực hấp phụ từ các vách đối diện nhau của vi lỗ Nóichung chúng có thể tích lỗ từ 0.15 - 0.7cm3/g Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm95% tổng diện tích bề mặt của than hoạt tính Dubinin còn đề xuất thêm rằng cấu trúc vi

lỗ có thể chia nhỏ thành 2 cấu trúc vi lỗ bao gồm các vi lỗ đặc trưng với bán kính hiệudụng nhỏ hơn 0.6 - 0.7nm và siêu vi lỗ với bán kính hiệu dụng từ 0.7 đến l.ónm cấu trúc

vi lỗ của than hoạt tính được xác định rõ hơn bằng hấp phụ khí và hơi và công nghệ tia X

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

nm, thể tích của chúng thường từ 0.1 đến 0.2cm3/g Diện tích bề mặt của lỗ này chiếmkhông quá 5% tổng diện tích bề mặt của than Tuy nhiên, bằng phương pháp đặc biệtngười ta có thể tạo ra than hoạt tính có lỗ trung lớn hơn, thể tích của lỗ trung đạt được từ0.2 - 0.65cm3/g và diện tích bề mặt của chúng đạt 200m2 /g Các lỗ này đặc trưng bằng sựngưng tụ mao quản của chất hấp phụ với sự tạo thành mặt khum của chất lỏng bị hấpphụ

Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụ của than hoạttính bởi vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá 0.5m2/g Chúng có bánkính hiệu dụng lớn hơn 50nm và thường trong khoảng 500- 2000nm với thể tích lỗ từ 0.2

- 0.4cm3 /g Chúng hoạt động như một kênh cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗtrung Các lỗ lớn không được lấp đầy bằng sự ngưng tụ mao quản

Do đó, cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính có 3 loại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn.Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò nhất định trong quá trình hấp phụ Lỗ nhỏ chiếm 1diện tích bề mặt và thể tích lớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp phụ của than hoạttính, miễn là kích thước phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để đi vào lỗ nhỏ Lỗnhỏ được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối thấp trước khi bắt đầu ngưng tụ mao quản Mặtkhác, lỗ trung được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối cao với sự xảy ra ngưng tụ mao quản.

Lỗ lớn có thể cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh tới lỗ nhỏ hơn

4.4 Cấu trúc hóa học của bề mặt.

Cấu 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 thể cơ sở ít hơn nhiều so với tâm ở cạnh hay ởcác vị trí khuyết Do đó, cacbon được graphit hóa cao với bề mặt đồng nhất chứa chủ yếumặt cơ sở ít hoạt động hơn cacbon vô định hình Grisdale và Hennig thấy rằng tốc độ oxyhóa của nguyên tử cacbon ở tâm nằm ở cạnh lớn hơn 17 đến 20 lần ở bề mặt cơ sở

Bên cạnh cẩu trúc tinh thể và cẩu trúc lỗ xốp, than hoạt tính cũng có cấu trúc hóahọc.Khả năng hấp phụ của than hoạt tính được quyết định bởi cẩu trúc vật lý và lỗ xốpcủa chúng nhưng cũng bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc hóa học.Thành phần quyết địnhcủa lực hấp phụ lên bề mặt than là thành phần không tập trung của lực Van derWalls.Trong graphit, quá trình hấp phụ được quyết định chủ yếu bởi thành phần phân táncủa lực London Trong trường hợp than hoạt tính, sự phức tạp của các cấu trúc vi tinhthể, do sự có mặt của các lớp graphit cháy không hoàn toàn trong cấu trúc, gây ra biếnđổi về sự sắp xếp các elecưon trong khung cacbon và kết quả là tạo ra các electron độcthân và hóa trị không bão hòa điều này ảnh hưởng đến đặc điểm hấp phụ của than hoạttính đặc biệt là đối với các hợp chất phân cực và có thể phân cực

Than hoạt tính hầu hết được liên kết với một lượng có thể xác định oxy và hydro.Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguyên liệu ban đầu và trở thành một phầncấu trúc hóa học là kết quả của quá trình than hóa không hoàn hảo hoặc trở thành liên kếthóa học với bề mặt trong quá trình hoạt hóa hoặc trong các quá trình xử lý sau đó Cũng

có trường hợp than đã hấp phụ các loại phân tử xác định như amin, nitrobenzen, phenol

và các loại cation khác

Nghiên cứu nhiễu xạ tia X cho thấy rằng các nguyên tử khác loại hoặc các loại phân

tử được liên kết với cạnh hoặc góc của các lớp thơm hoặc với các nguyên tử cacbon ở các

vị trí khuyết làm tăng các hợp chất cacbon - oxy, cacbon - hydro, cacbon

-nitrơ, cacbon - lưu huỳnh, cacbon - halogen trên bề mặt, chúng được biết đến như là cácnhóm bề mặt hoặc các phức bề mặt Các nguyên tử khác loại này có thể sáp nhập tronglớp cacbon tạo ra hệ thống các vòng khác loại Do các cạnh này chứa các tâm hấp phụchính, sự có mặt của các hợp chất bề mặt hay các loại phân tử làm biến đổi đặc tính bềmặt và đặc điểm của than hoạt tính

Dưới kính hiển vi điện tử ,người ta quan sát được cấu trúc bề mặt của carbon hoạttính Những phần tử riêng biệt xoắn mạnh lại ,tạo ra nhiều cấu trúc lỗ xốp,có thể còn cónhiều vùng, gồm các bề mặt phẳng có cấu trúc tương tự graphite song song vớinhau,cách nhau chỉ một vài nanomet.Những vi lỗ này là điều kiện tuyệt vời để sự hấpphụ diễn ra,vì chất bị hấp phụ có thể tương tác độc lập với nhiều bề mặt khác nhau.Những thí nghiệm kiểm tra sự hấp phụ thường diễn ra với khí quyển nitơ ở 77K trongđiều kiện chân không cao.Nhưng trong những điều kiện thường ngày, carbon hoạt tínhvẫn có thể có những hoạt tính tương tự, bằng cách cho nó hấp phụ hơi nước 100oC trongđiều kiện áp suất 1/10000 atmosphere.

James Dewar đã dành rất nhiều thời gian nghiên cứu về carbon hoạt tính và đã viếtmột bài báo về khả năng hấp phụ của nó với những loại khí khác nhau.Trong bài báonày,ông đã phát hiện ra rằng, nếu ta làm lạnh carbon hoạt tính tới nhiệt độ của nitơ lỏng,

nó có thể hấp phụ một lượng rất lớn khí,mặt khác lượng khí đó dễ dàng thu lại bằng cáchlàm ấm carbon hoạt tính.Dewar đã dùng oxygen để làm ví dụ, trong những điều kiệnthông thường,carbon hoạt tính chỉ hấp phụ được oxi nồng độ 21%, nhưng nó có thể giảihấp tới 80% oxy nếu trước đó carbon được làm lạnh ở nhiệt độ thấp

Về mặt vật lý, carbon hoạt tính liên kết với chất bị hấp phụ bằng các lực liên kếtvan der Waals hay lực phân tán London

Carbon hoạt tính không liên kết tốt với những hóa chất nhất định,nhưalcohot,glycol,acid và base mạnh,kim loại và hầu hết các chất vô cơ,nhưlithium,natri,sắt,chì,arsen,flo và acid boric

Carbon hoạt tính hấp phụ rất tốt iod.Khả năng hấp phụ iod (mg/g) có thể được sửdụng làm chỉ thị cho tổng diện tích bề mặt

Carbon monoxide không được hấp phụ tốt bới carbon hoạt tính.Điều này cần đượcđặc biệt quan tâm với những ai sử dụng than hoạt tính trong các màng lọc cho mặt nạphòng độc,trong tủ hút hay trong các hệ thống kiểm soát khí khác vì các giác quan củacon người không nhận biết được CO,nó gây độc cho hệ thần kinh và ảnh hưởng tới sựtrao đổi chất

Carbon hoạt tính có thể được sử dụng để làm chất nền cho nhiều hóa chất khácnhau để cải thiện khả năng hấp phụ các chất vô cơ(và có thể cả các chất hữu cơ,nhưngđiều này còn chưa được nghiên cứu kĩ) như Hydro sulfua(H2S),amoniac(NH3),focmandehit(HCHO),thủy ngân (Hg) và iod phóng xạ (131I) Tínhchất này gọi là hấp phụ hóa học

6 Biến tính than hoạt tính

6.1 Biến tính bề mặt than hoạt tính.

Đặc điểm quan trọng và thú vị nhất của than hoạt tính là bề mặt có thể biến tính thích hợp để thay đổi đặc điểm hấp phụ và làm cho than trở nên thích hợp hơn trong các ứng dụng đặc biệt.Sự biến tính bề mặt than hoạt tính có thể được thực hiện bằng sự tạo thành các dạng nhóm chức bề mặt khác nhau Các nhóm chức này bao gồm các nhóm

chức oxy - cacbon được tạo thành khi oxy hóa bề mặt than với các khí hoặc các dung dịch oxy hóa Nhóm chức bề mặt cacbon - hydro tạo thành bằng quá trình 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 tố, cs2, H2S, S02.Cacbon - nitơ trong quá trình xử lý than hoạt tính với amoniac Cacbon - halogen được tạo thành bằng quá trình xử lý than hoạt tính với halogen trong pha khí hoặc dung dịch Vì các nhóm chức này được liên kết

và được giữ ở cạnh và góc của lớp vòng thơm, và bởi vì thành phần các cạnh và góc này chủ yếu là bề mặt hấp phụ, nên người ta hi vọng khi biến tính than hoạt tính sẽ thay đổi đặc trưng hấp phụ và tương tác hấp phụ của các than hoạt tính này Thêm vào đó, sự biến tính bề mặt than cũng được thực hiện bằng quá trình khử khí và bằng việc mang kim loại lên bề mặt Ảnh hưởng của các nhóm chức bề mặt oxy-cacbon lên đặc trưng và tính chất

bề mặt đã được thảo luận ở 1.3.Trong phần này chủ yếu đề cập đến ảnh hưởng của các biến tính khác lên đặc điểm chất hấp phụ của than hoạt tính

6.2 Biến tính tính than hoạt tính bằng N2

Than hoạt tính chứa lượng không đáng kể nhóm chức nitơ Tuy nhiên, phản ứng phakhí với dimethylamin ở 150°c trong lh, hoặc với NH3 khô ở 300°c hoặc hơn, tạo ra mộtlượng đáng kể nhóm chức C-N trên bề mặt Boehm và các cộng sự cũng như Rivera-Utrilla và các cộng sự, thấy rằng khi than hoạt tính đã oxy hóa được đun nóng với NH3

khô, nhóm nitơ được tạo thành trên bề mặt Ở nhiệt độ thấp sự cố định Nitơ cân bằng với

số nhóm oxy axit trên bề mặt và được cho là sự tạo thành muối amoni Tuy nhiên, ở nhiệt

độ cao sự thay thế các nhóm hydroxyl bằng nhóm amin đã được thừa nhận, than trở nên

kỵ nước và giảm đáng kể khả năng hấp phụ xanh methylen

Puri và Mahajan thấy rằng sự tương tác giữa than đường với khí NH3 khô liên quanđến sự trung hòa nhóm chức axit trên bề mặt và sự cố định thêm một số lượng NH3 ởdạng không thể thủy phân.Nhưng những nhà nghiên cứu không cho rằng sự cố định NH3

với nhóm bất kỳ nào trên bề mặt than Tuy nhiên, Puri và Bansal thấy rằng quá tình xử lýthan đường đã khử trùng clo với NH3 ở nhiệt độ 300°c thu được sự thay thế một phần clobằng nhóm amin Than thu được thể hiện khả năng hấp phụ tăng đối với axit Sự tăng lên

về khả năng hấp phụ axit tương ứng với lượng nitơ được cố định, chỉ ra một sự trao đổiC-Cl bằng liên kết C-NH2 Sự tương tác của khí NH3 với sợi cacbon trước và sau oxi hóa

đã cho thấy rằng NH3 phản ứng với nhóm lacton và anhydrid, dẫn đến sự tạo thành cấutrúc imid Zwadski xử lý than với NH3 trước và sau sự oxi hóa với HN03, và sử dụng phổ

IR, thấy rằng không có sự hấp phụ nhóm amide, phổ IR cũng chỉ ra có phản ứng củaNH3 với cấu trúc lactone trên lớp cacbon

6.3 Biến tính bề mặt than bằng halogen

Đặc điểm bề mặt của than, than hoạt tính và muội được biến tính bằng một số

phương pháp xử lý với halogen Sự hấp phụ halogen gồm cả hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học, quá trình thông qua một số cơ chế bao gồm cộng hợp ở các tâm chưa bão hòa, trao đổi với H2, hấp phụ hóa học và sự oxi hóa bề mặt than Các cơ chế phụ thuộc vào bản chất của bề mặt than, hàm lượng oxy, hydro của than, điều kiện thí nghiệm và bản chất của từng loại halogen Halogen được cố định trên bề mặt than ở dạng hợp chất cacbon-halogen có độ bền nhiệt cao và không thể loại bỏ bằng xử lý nhiệt trong chân không cho tới 1000°cnếu than không còn dư hydro Tuy nhiên, một phần halogen có thể

trao đổi với nhóm OH khi xử lý với kiềm và trao đổi với nhóm NH2 khi xử lý với khí

NH3 Do đó, các dạng hấp phụ hóa học hay hấp phụ vật lý này có thể biến tính hoàn toàn đặc điểm bề mặt và phản ứng bề mặt của than Ví dụ, sự cố định Clo hoặc Brom có thể tạo ra sự phân cực nhưng không phải là liên kết hydro mà là tương tự với liên kết phổ biến trên than là liên kết với nhóm oxi bề mặt.Liên kết C-Cl hoặc C-Br có thể trao đổi với các nhóm chức khác tạo ra loại hợp chất bề mặt mới

Puri và Bansal đã nghiên cứu đặc trưng bề mặt và tương tác bề mặt của than đường, than gáo dừa được biến tính với halogen.Tỷ khối của than tăng tuyến tính khi tăng lượng clo cố định trên than.Tuy nhiên, độ axit bề mặt của than còn lại nhiều hoặc ít thay đổi Người ta thấy rằng sự cố định clo dẫn đến nhiều dạng cấu trúc lỗ xốp và sự phân bố kích thước mao quản, hoặc sự thay đổi vị trí hoặc mật độ tâm hoạt động

Thay thể clo hấp thụ trên bề mặt bằng các nhóm chức khác đã được Puri và các cộng

sự và Boehm nghiên cứu bằng cách đun hồi lưu than đã clo hóa với NaOH 2,5M và xử lývới amoniac để thay thế nhóm clo bằng nhóm amin Sự có mặt của nhóm amin đã làm bề mặt than có tính chất kiềm, điều này làm tăng đáng kể khả năng hấp phụ axit

6.4 Biến tính bề mặt than bằng sự lưu huỳnh hóa.

Các hợp chất cacbon-lưu huỳnh trên bề mặt được nghiên cứu rộng rãi trên than gỗ,than hoạt tính, muội than.Các hợp chất này được tạo thành trong suốt hoặc sau quá trìnhtạo thành than.Trong trường hợp của cacbon hoạt tính, chúng thông thường được tạothành bởi đun nóng than trong sự có mặt lưu huỳnh nguyên tố hoặc các chất khí có lưuhuỳnh như cs2, và S02 Những hợp chất lưu huỳnh trên bề mặt này không hợp thức ữongkhoảng rộng về thành phần phụ thuộc vào bản chất than, các điều kiện thực nghiệm, và

độ lớn của bề mặt than Những hợp chất này thường chứa một lượng đáng kể lưu huỳnh,

có thể lên tới 40-50% Những hợp chất lưu huỳnh trên bề mặt này không thể chiết với cácdung môi hoặc bị phân hủy một cách hoàn toàn bằng xử lý nhiệt trong môi trường trơ,tuy nhiên chúng có thể bị loại bỏ hầu như hoàn toàn khi được xử lý trong khoảng 500-700° c với H2 Sự hấp phụ hóa học lưu huỳnh lên bề mặt than bao gồm sự liên kết với cácnguyên tử cacbon bên ngoài, cộng tại vị trí nối đôi, thâm nhập vào bên trong cấu trúcmạng, và trao đổi lấy hydro cũng như oxygen còn liên kểt với bề mặt cacbon Như cácnguyên tử cacbon ngoại vi, do các hóa trị không thỏa mãn của chúng quyết định các đặcđiểm hấp phụ của than hoạt tính, đó là lý do để tin rằng sự có mặt của các chất lưu huỳnh

bề mặt sẽ ảnh hưởng tới tính chất bề mặt của những vật liệu này

Sự ảnh hưởng của các hợp chất lưu huỳnh bề mặt lên sự hấp phụ các chất hơi phâncực và không phân cực có kích thước phân tử thay đổi đã được nghiên cứu bởi Puri vàHazra Sự hấp phụ hơi nước đã tăng một các đáng kể khi áp suất tương đối thấp hơn 0.4

và giảm ở áp suất cao hơn Lượng lưu huỳnh liên kết tãng làm tăng ảnh hưởng và đượccho là do thay đổi sự phân bố kích thước lỗ xốp gây ra bởi cố định lưu huỳnh dọc theothành lỗ Đường đẳng nhiệt hấp phụ hơi metanol và hơi benzen chỉ ra rằng các phân tửlớn hơn này đã tìm các bề mặt càng càng nhỏ vì càng nhiều lưu huỳnh được liên kết tronglỗ

Cacbon Saran lưu hóa đã than hóa tại 900° c và đã thêm vào những lượng lưu huỳnhkhác nhau trong khoảng 1-12 % đã được sử dụng bởi Sinha và Walker để loại bỏ hơi thủyngân từ không khí hay hơi nước.Khi hơi nước bị nhiễm bẫn được đưa qua lớp than tại