nghiên cứu quá trình than hóa vỏ hạt điều thành than hoạt tính

Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung rằng, than hoạt tính là một dạng cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc 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 kỷ trước. Người Ai cập sử dụng than gỗtừkhoảng 1500 trước công nguyên làm chất hấp phụcho mục đích chữa bệnh. Người Hindu cổ ở Ấn độlàm sạch nước uống của họ bằng cách lọc 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 xuất bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật trong sự có mặt của hơi nước hoặc CO2. Than hoạt tính được sử dụng trong suốt chiến tranh thế giới thứnhất trong các mặt nạ phòng độc bảo vệ binh lính khỏi các khí độc nguy hiểm. Cacbon là thành phần chính của than hoạt tính với hàm lượng khoảng 85-95%. Ngoài ra than hoạt tính còn chứa các nguyên tốkhác 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. [1,2,12]

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT

1 Giớithiệu chung

Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung rằng, than hoạttính là một dạng cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc xốp, do đó có diệntích bề mặt rất lớn.Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã hoạt hóa được sử dụng từ nhiềuthế kỷ trước Người Ai cập sử dụng than gỗtừkhoảng 1500 trước công nguyên làmchất hấp phụcho mục đích chữa bệnh Người Hindu cổ ở Ấn độlàm sạch nước uốngcủa họ bằng cách lọc qua than gỗ Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệpbắt đầu từ khoảng năm 1900 và được sử dụng làm vật liệu tinh chế đường Thanhoạt tính này được sản xuất bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồngốc từ thực vật trong sự có mặt của hơi nước hoặc CO2 Than hoạt tính được sửdụng trong suốt chiến tranh thế giới thứnhất trong các mặt nạ phòng độc bảo vệbinh lính khỏi các khí độc nguy hiểm Cacbon là thành phần chính của than hoạttính với hàm lượng khoảng 85-95% Ngoài ra than hoạt tính còn chứa các nguyêntốkhác 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 [1,2,12]

Than hoạt tính là chất hấp phụ quí và linh hoạt, được sử dụng rộng rãi cho nhiềumục đích như loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơtrong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm sạch không khí,trong kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ, làmsạch nhiều hóa chất, dược phẩm, sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong phakhí Chúng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồivàng, bạc, và các kim loại khác, làm chất mang xúc tác Chúng cũng được biếtđến trong nhiều ứng dụng trong y học, được sử dụng để loại bỏ các độc tố và vikhuẩn của một số bệnh nhất định.[1,2,3,12]

1.3 Tình hình sản xuất và sử dụng than hoạt tính trên thế giới

Nhu cầu này tăng lên là do mối quan tâm về các vấn đề sức khỏe, an toàn môitrường, từ đó dẫn đến các quy định nghiêm ngặt về môi trường, đặc biệt là Châu

Âu, Mỹ và các quốc gia khác trên toàn cầu

Dự báo nhu cầu than hoạt tính của thế giới tăng khoảng 10% - 25%/năm trong giaiđoạn từ 2013 - 2018 Hiện tại, ngành công nghiệp sản xuất than hoạt tính của thếgiới đạt khoảng 1,2 triệu tấn/năm, trong khi nhu cầu than hoạt tính dự báo có thể đạttới 1,9 triệu tấn trong năm 2016, 2,3 triệu tấn trong năm 2017 hay 3 triệu tấn trongnăm 2018 [4]

Việc tái chế tận dụng chất thải để sản xuất than hoạt tính không những đem lại cáclợi ích kinh tế, xã hội mà còn có ý nghĩa quan trọng trong bảo vệ môi trường Chiếnlược bảo vệ môi trường quốc gia của Việt Nam đã xác định mục tiêu đến năm 2020phải hình thành và phát triển ngành công nghiệp tái chế chất thải Nghiên cứu xử lýmàu trong nước thải bằng các vật liệu hấp phụ giá thành thấp, thân thiện với môitrường, được chế tạo từ các chất thải, vật liệu có trong tự nhiên đang là vấn đề đượcnhiều tác giả nghiên cứu thực hiện trên thế giới.[1,4]

Ở nước ta, hiện nay lượng THT cần dùng trong ngành công nghiệp rất lớn và ngàycàng tăng (ngành bột ngọt: khoảng 500 tấn/năm, ngành đường: khoảng 400tấn/năm, ngành dầu thực vật: khoảng 100 tấn/năm…)… [1,4]

Nguyên lý chung để điều chế than hoạt tính gồm hai quá trình: than hóa và hoạthóa Than hoá là giai đoạn chuyển hoá nguyên liệu về dạng than, làm tăng hàmlượng cacbon và tạo bề mặt xốp ban đầu Hoạt hoá (vật lý, hoá học) với mục đíchphát triển lỗ xốp, tăng diện tích bề mặt của than Hoạt hoá là giai đoạn khó thựchiện hơn và là giai đoạn quyết định chất lượng sản phẩm.[1]

1.5.1 Quá trình than hóa

Thông thường quá trình than hóa được thực hiện ở nhiệt độ cao Ở nhiệt độ caotrong môi trường kị khí các vật liệu giàu cacbon sẽ bị đề hyđrát hóa tạo than có diệntích bề mặt riêng phát triển Đặc điểm quan trọng của giai đoạn than hóa là phảiđảm bảo môi trường kị khí hay hạn chế tối đa sự có mặt và lưu thông của oxi trongmôi trường than hóa Sự có mặt của oxi sẽ đốt cháy than thu được trong giai đoạnnày Để tạo môi trường trơ trong giai đoạn than hóa thông thường có các phươngpháp phổ biến sau:

a Sử dụng khí nitơ:

Thiết bị dùng để than hóa được thổi liên tục dòng khí nitơ Sự có mặt của nitơ sẽđuổi oxi ra khỏi thể tích phản ứng Phương pháp này có ưu điểm là hạn chế được sự

có mặt của oxi hiệu quả cao và thuận lợi cho quá trình hoạt hóa tiếp theo sau bằng

CO2, hơi nước Nhược điểm của phương pháp này là tiêu tốn nitơ và đắt tiền.[1]

b Sử dụng cát (SiO2) hoặc là những hạt sỏi

Đây là phương pháp đơn giản, rẽ tiền và dễ tiến hành Cát được phủlên trênnguyên liệu và chiếm các không gian trống trong cốc nung nhằm đuổi hết oxi vàhạn chế sự lưu thông của oxi trong thể tích phản ứng Tuy nhiên, hạn chế củaphương pháp này là gây trở ngại cho việc hoạt hóa tiếp theo bằng CO2, hơi nước.[1]

c Sử dụng khí CO2 hoặc hơi nước

Dùng khí CO2, hơi nước tương tự như dùng khí nitơ, tuy nhiên CO2, hơinước ngoài vai trò đuổi oxi nó còn là tác nhân hoạt hóa cho quá trình tạo lỗ xốp vàphát triển bề mặt riêng của than Trong công nghiệp thì phương pháp dùng hơi nước

là phổ biến nhất bởi vì hơi nước là nguồn sẵn có, rẻ tiền không gây ô nhiễm môitrường.[1],13]

1.5.2 Quá trình hoạt hóa

Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưới tác dụngcủa nhiệt và tác nhân hoạt hóa tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kíchthước 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 Mụcđích của giai đoạn hoạt hóa là phát triển mạnh bề mặt riêng của than thu được saugiai đoạn than hóa Hoạt hóa vật lý sử dụng tác nhân nhiệt độ để thay đổi cấu trúc

bề mặt than còn hoạt hóa hóa học dựa vào phản ứng hóa học của chất hoạt hóa với

bề mặt than để thay đổi cấu trúc bề mặt than.[1]

a Hoạt hóa vật lý

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

b Hoạt hóa hóa học

Hoạt hóa hóa học tiến hành sau giai đoạn than hóa Duới sự có mặt của các chấthoạt hóa xảy ra phản ứng ăn mòn bề mặt than, kết quả làm tăng cấu trúc xốp của bềmặt than Các chất hoạt hóa thường được dùng nhiều nhất là: CO2, H2O, KOH,NaOH, ZnCl2, H3PO4… Cơ sở chung để chọn chất hoạt hóa là chất đó phải có khảnăng xúc tác cho quá trình dehydrát hóa hoặc tương tác được với cacbon Về cơ bản

có thể phân chia chất hoạt hóa làm nhiều loại khác nhau như tác nhân hoạt hóa cótính axit (H3PO4, H2SO4, ZnCl2…) và các tác nhân có tính bazơ (KOH, NaOH,

K2CO3…) Trong quá trình hoạt hóa có thể xảy ra các phản ứng sau:

Đặc điểm của phản ứng này là CO2 và H2O ăn mòn dần cacbon không chỉ trên bềmặt mà còn ở các khe, các rãnh, những chỗ khuyết tật của mạng lưới tinh thể, làmcho cacbon thu được có cấu trúc xốp và bề mặt riêng phát triển mạnh Trong quátrình hoạt hóa hóa học, nguyên liệu ban đầu được tẩm chất hoạt hóa, sấy khô và tiếnhành nung kị khí Ưu điểm của hoạt hóa hóa học so với hoạt hóa bằng vật lý là hiệu

tích bề mặt riêng lớn hơn, nhiệt độ hoạt hóa thấp hơn Tuy nhiên hoạt hóa bằng hóahọc tiến hành phức tạp hơn, tiêu tốn hóa chất và thường gây ô nhiễm môi trườngtrong các công đoạn nung, rửa sản phẩm [1,2,5,13].

Các thông số để đánh giá than hoạt tính rất đa dạng, tuỳ theo mục đích nghiên cứu

để lựa chọn các thông số khác nhau Đặc tính cấu trúc xốp của than được thể hiệnthông qua các thông số: diện tích bề mặt (Sr), thể tích lỗ mao quản Các thông sốnày còn được tính riêng theo từng kích cỡ hạt Dựa vào kích thước hạt người ta chialàm 3 loại: vi lỗ (d < 2 nm), lỗ trung bình (2 nm < d < 50 nm) và lỗ lớn (d > 50 nm).(hình 1.1)

Hình 1.1: Cấu trúc minh họa của than hoạt tính

Trong đó loại có khả năng hấp phụ tốt nhất là lỗ hổng cỡmicropores Than hoạt tính

có khả năng hấp phụ tốt đối với các chất không phân cực như chất hữu cơ, hấp phụyếu các chất phân cực như nước, khí amoniac…Khả năng hấp phụ của than hoạttính tùy thuộc vào kết cấu, kích thước, mật độ khe hổng, diện tích tiếp xúc củathan, tính chất của các loại tạp chất cần loại bỏ và cả công nghệ của các nhà sảnxuất.[2]

Lượng chất bị hấp phụ được đặc trưng bởi Γhoặc a:

Trong đó:

+) Γ là số mol chất bị hấp phụ trên 1 cm2 bề mặt vật hấp phụ

+) a là số mol chất bị hấp phụ trên 1 gam vật hấp phụ

Hấp phụ là một quá trình tự diễn biến nên thế đẳng áp hấp thụ ΔG hp< 0, như vậy (Δ H hp - Δ S hp ) < 0 Mà Δ S hp< 0 do sự hấp phụ làm giảm độ tự do của hệ, hệ trởnên trật tự hơn Do entanpy hấp phụ là hiệu ứng nhiệt khi một mol chất đượcchuyển từ trạng thái khí vào trạng thái hấp phụ âm ( Δ H hp<0 ), nghĩa là quá trìnhhấp phụ là quá trình tỏa nhiệt.[1,20]

2.1.2 Phân loại

Về cơ bản người ta phân làm hai loại hấp phụ

Hấp phụ lý học: Các nguyên tử bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử,

phân tử, các ion…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Vander walls yếu

Nói một cách khác, trong hấp phụ vật lý các phân tử của chất bị hấp phụ và chấtHấp 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 liênkết phân tử yếu(lực vander walls) và liên kết hiđro Sự hấp phụ vật lý luôn luônthuận nghịch Nhiệt hấp phụ không lớn Thường thấy nhiều trong hấp phụ đa lớp.(hình 1.2)

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 hấpphụ

+) 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

Hấp phụ hóa học: Có những lực hóa trị mạnh(do các liên kết bền của liên kết ion,

liên kết cộng hóa trị, liên kết phối trí…) liên kết những phân tử hấp phụ và nhữngphân tử bị hấp phụ tạo thành những hợp chất hóa học trên bề mặt phân chia pha Nói một cách khác hấp phụ hóa học xảy ra khi các phân tử hấp phụ tạo hợp chất hóahọc với các phân tử bị hấp phụ và hình thành trên bề mặt phân chia pha(bề mặt phahấp phụ)

Lực hấp phụ hóa học khi đó là lực liên kết hóa học thông thường(liên kết ion, liênkết 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

K hp:Hằng số tốc độ hấp phụ hóa học.

K0:Hệ số đặc trưng cho xác xuất hình học

E a:Năng lượng hoạt hóa

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

Ngưng tụ mao quản: không phải là sự hấp phụ đặc biệt mà đó là sựngưng tụ hơi củachất bị hấp phụ trong các mao quản của vật hấp phụ

Một quá trình hấp phụ có bản chất vật lý hoặc hóa học tùy thuộc vào bản chất vật bịhấp phụ, vật hấp phụ và dung môi Sự phân biệt hấp phụ vật lý hay hóa học chỉ có ýnghĩa tương đối, không có một biên giới rõ rệt giữa hai loại hấp phụ này Trongthực 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.[1,20]

Dựa vào kết quả phân tích các số liệu thực nghiệm, Brunauer chia thành năm dạngđường hấp phụ đẳng nhiệt quan trọng nhất

Dạng I: hấp phụ là đơn lớp, tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir,Freundlich.

Dạng II: thường thấy trong sự hấp phụ vật lí có tạo thành nhiều lớp phân tử chất bịhấp phụ trên bề mặt vật hấp phụ rắn

Dạng III: đặc trưng cho hấp phụ mà nhiệt hấp phụ của nó là bằng hay thấp hơn nhiệtngưng 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 maoquản, nó đặc trưng cho hệ hấp phụ trên các vật thể xốp [1,20]

Hình 1.3:Năm loại đường hấp phụ theo Brunauer

2.3.1 Thuyết hấp phụ Freundlich

Trong 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 hay P nhỏ, Γ tỉ lệ bậc nhất với C hay P

 Khi C hay P cao thì đường biểu diễn gần như song song với trục hoành, khi

đó Γ đạt cực đại, không còn phụ thuộc vào C hay P nữa

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

+¿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 cb(mg/l): Nồng độ cân bằng của cấu tử hấp phụ và K, n: Hằng số

Các giá trị Ccb, K và n được xác định bằng thực nghiệm đối với từng chất bị hấp phụ

và vật hấp phụ Do đó việc lựa chọn vật hấp phụ cho một quá trình hấp phụ cụ thểnào đó có ý nghĩa rất quan trọng.[1,20]

2.3.2 Thuyết hấp phụ Langmuir

Những luận điểm được đưa ra khi xây dựng thuyết:

+) Sự hấp phụ do lực hóa trị gây ra và xảy ra trên các hóa trị tự do của các nguyên tử hay phân tử bề mặt vật hấp phụ.

+) 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

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:

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

θ A= K A C A

1+ K A C A+K B C B(1.4)

θ B= K A C A

1+K A C A+K B C B(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:

+) A0: bề mặt chiếm bởi một phân tử chất bị hấp phụ ở lớp đơn phân tử +) V0: thể tích của 1 mol khí ở điều kiện tiêu chuẩn

+) Vm: thể tích khí bị hấp phụ khi quá trình hấp phụ đạt cực đại.[1,20]

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

Phương trình BET dựa trên ba giả thuyết cơ bản sau:

+) Entanpy hấp phụ của các phân tử không thuộc lớp hấp phụ thứ nhất vàbằng entanpy hóa lỏng

+) Không có sự tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ

+) Số lớp hấp phụ trở nên vô cùng ở áp suất hơi bão hòa

+) Thuyết hấp phụ BET mô tả quá trình hấp phụ đa lớp dựa vào đườngbiểu diễn của một số trường hợp có hình chữ S

Điều này được giải thích là do ngưng tụ mao quản hoặc bán kính tác dụng của lựcphân tử lớn hơn của các hóa trị dư trong thuyết Langmuir, khi đó sự hấp phụ khôngchỉ tạo lớp đơn phân tử mà nhiều lớp chồng lên nhau

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

+) P0: Áp suất hơi bão hòa

+) V: Thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất đã cho

+) Vm: Thể tích khí bị hấp phụ trong lớp đơn phân tử.

+) C: Thừa số năng lượng

Từ số liệu thực nghiệm có thể xác định được và từ đó có thể tính được bề mặt riêngcủa chất cần nghiên cứu theo phương trình

V m=22400 S0

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, phương trình được đưa về phương trình Langmuir:

θ= V

V m=

cx

1+cx(1.10)Vậy đường hấp phụ đẳng nhiệt dạng I (hình 1.7) là một trường hợp riêngcủa phương trình BET

 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

Ngoài ra, để đánh giá khả năng hấp phụ người ta đưa ra khái niệm hoạt tính hấp phụđược biểu thị bằng tỉ lệ phần 100 theo trọng lượng hoặc thể tích vật hấp phụ.[1,20]

1.1 Đặc tính của quá trình hấp phụ

2.3.4 Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch

Do đặc tính của quá trình hấp phụ là thuận nghịch nên quá trình hấp phụ là một

quá trình hữu hạn, đồng thời, quá trình hấp phụ chỉ phụ thuộc vào thời gian ở giaiđoạn đầu, còn khi quá trình hấp phụ đạt cân bằng thì nó không còn phụ thuộc vàothời gian, hay nói cách khác tốc độ hấp phụ giảm theo thời gian và khi quá trình hấpphụ đạt cân bằng thì tốc độ hấp phụ không còn phụ thuộc vào thời gian Ứng vớimột lượng vật hấp phụ nhất định có khả năng hấp phụ tối đa một lượng chất bị hấpphụ nhất định, đại lượng này được gọi là dung lượng hấp phụ Dung lượng hấp phụ

là một đại lượng dễ đo và đặc trưng tốt cho khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ.Trên cùng một cấu tử bị hấp phụ, vật hấp phụ nào có dung lượng hấp phụ lớn hơnthì có đặc tính hấp phụ tốt hơn Một lợi thế khác của quá trình xử lý ô nhiễm bằngphương pháp hấp phụ đó là khả năng hoàn nguyên vật liệu hấp phụ do đặc tínhthuận nghịch của quá trình hấp phụ.[1]

2.3.5 Quá trình hấp phụ là quá trình tỏa nhiệt

Theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng Lavoadie áp dụng cho quá trình hấp phụ làquá trình tỏa nhiệt nên việc giảm nhiệt độ sẽ có lợi cho quá trình hấp phụ còn ởnhiệt độ cao sẽ thuận lợi cho quá trình giải hấp Tuy vậy, trong một vài quá trìnhhấp phụ việc tăng nhiệt độ ban đầu lại xúc tiến cho quá trình hấp phụ, điều này liênquan đến năng lượng hoạt hóa Các tiểu phân ban đầu cần một năng lượng tối thiểu

để vượt qua hàng rào năng lượng thì quá trình hấp phụ mới xảy ra Giai đoạn hấpphụ này được gọi là hấp phụ hoạt hóa.[1]

Khả năng hấp phụ như dung lượng hấp phụ, tốc độ hấp phụ phụ thuộc rất lớn vàocấu tạo, bản chất của vật hấp phụ và chất bị hấp phụ

Thông thường diện tích bề mặt riêng của vật liệu hấp phụ càng lớn thì dung lượnghấp phụ càng lớn Còn cấu trúc bề mặt của vật liệu có ảnh hưởng quyết định đến tốc

độ hấp phụ và khả năng hấp phụ chọn lọc lên các cấu tử khác nhau Cấu tử nào cókích thước biểu kiến nhỏ hơn hoặc bằng kích thước lỗ mao quản thì mới có khảnăng chui vào hệ mao quản và tạo liên kết hiệu quả với bề mặt vật liệu hấp phụ.Còn cấu tử nào có kích thước lớn hơn kích thước mao quản của vật liệu hấp phụ thìrất khó bị hấp phụ và quá trình hấp phụ xảy ra chỉ tạo được liên kết lỏng lẽo bênngoài mao quản nên dễ dàng bị giải hấp Kích thước mao quản càng lớn thì tốc độhấp phụ càng cao và quá trình hấp phụ mau đạt cân bằng hơn.[1]

Ngoài ra nếu bề mặt vật liệu hấp phụ và cấu tử hấp phụ càng gần nhau về bản chấtthì càng tạo thuận lợi cho quá trình hấp phụ.Khả năng hấp phụ còn phụ thuộc rất lớnvào môi trường hấp phụ bao gồm bản chất dung môi và pH Trong quá trình hấpphụ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh giữa cấu tử chính và dung môi Nếudung môi có khả năng hấp phụ tốt lên vật liệu hấp phụ sẽ hạn chế khả năng hấp phụcấu tử chính Chính vì vậy trong công nghệ cũng như nghiên cứu người ta rất quantâm đến việc lựa chọn dung môi cho quá trình hấp phụ sao cho hạn chế tối đa sựhấp phụ cạnh tranh của dung môi và cấu tử chính lên vật liệu hấp phụ Cơ sở để lựachọn dung môi phụ thuộc vào bản chất của vật liệu hấp phụ và kể cả bản chất củacấu tử chính Bên cạnh đó pH cũng là một thông sốảnh hưởng mạnh đến khả nănghấp phụ Ở môi trường pH khác nhau dạng tồn tại của các nhóm chức trên bề mặtvật liệu hấp phụ và cấu tử hấp phụ khác nhau kéo theo sự thay đổi điện tích trên bềmặt vật liệu hấp phụ và điện tích của cấu tử hấp phụ, điều này ảnhhưởng trực tiếplên khả năng hấp phụ.[1,17]

3 Phương pháp phân tích trắc quang

Phương pháp phân tích đo quang là phương pháp phân tích công cụ dựa trên việc đonhững tín hiệu bức xạ điện từ và tương tác của bức xạ điện từ với chất nghiên cứu.Phương pháp có ưu điểm là tiến hành nhanh, thuận lợi có độ chính xác đạt tới 10-

6mol/l.Tùy thuộc vào hàm lượng chất cần xác định mà có độ chính xác từ 0,2 đến20%.

3.1.1 Cơ sở của phương pháp

a Tính chất hấp phụ ánh sáng của hệ keo

Tính chất hấp phụ ánh sáng chỉ đúng khi hạt keo không mang điện, nếu hạt keomang điện mà nó có khả năng hấp phụ một tia sáng đơn sắc nào đó, thì lúc đó sựtương quan giữa nguồn sáng tới I0 với γ và thể tích V không còn đúng nữa Lúc nàykhi ánh sáng đi qua dung dịch keo nó bị hấp phụ một phần và tia sáng đi qua dungdịch người ta gọi là tia ló và cường độ là Il

Lamrbert đo được cường độ ánh sáng tia ló bằng công thức:

+) d - Độ dày của lớp dung dịch

Từ đây ta thấy khi d tăng theo cấp số cộng thì Il giảm theo cấp số nhân

Sau này Beer nhận thấy hệ số hấp phụ k tỷ lệ với nồng độ hạt nên có thể biểu diễntheo công thức liên hệ giữa K và nồng độ hạt C là:k=K.C (với K: là hệ số hấp phụmol)

Trong kỹ thuật người ta đo mật độ đo quang của các dung dịch bằng những cuvet cóchiều dày cố định 1cm.[16]

b Phổ hấp phụ

Dung dịch hấp phụ ánh sáng có tính chọn lọc Đồ thị biểu diễn A= f(λ) gọi là phổhấp phụ ánh sáng của dung dịch Trên phổ hấp phụ có thể có một hoặc nhiều cựcđai, nhưng thường chỉ có một tại λ max ta có Amax như hình 1.8

Hình 1.8:Xác định bước sóng λ max

Cơ sở của phương pháp đo quang là dựa trên ứng dụng của tính chất hấp phụ ánhsáng đơn sắc của hệ keo

3.2.1 Phương pháp đường chuẩn

Phương trình cơ bản cho phép đo định lượng theo quang phổ UV-Vis là:

A=ε l C¿= const vậy A=f(C) hàm bậc nhất)

Có thể mô tả phương trình này như sau: để xác định một chất nào đó có trong mẫuphân tích, người ta tiến hành cho chất cần xác định có màu

Song song với điều đó là người ta tiến hành một loạt các dung dịch có nồng độ khácnhau bằng bình định mức Lúc này ta được dãy màu chuẩn có độ màu tăng dần theonồng độ mà chúng ta pha Người ta gọi là dãy chuẩn.[16]

Bảng 1.1:Các nồng độ khác nhau thì cho một giá trị độ hấp phụ A khác nhau.

R2>0,99.[16]

0 0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2

1.4

1.6

f(x) = 14.43 x + 0.09 R² = 0.99

Có nhiều phương pháp khác khắc nhau để định lượng một chất bằng phương pháptrắc quang Từ các phương pháp đơn giản không cần máy móc như: phươngpháp dãy chuẩn nhìn màu, phương pháp chuẩn độ so sánh màu, phươngpháp cân bằng màu bằng mắt…các phương pháp này đơn giản, không cầnmáy móc đo phổ nhưng chỉ xác định được nồng độ gần đúng của chất cần địnhlượng, nó thích hợp cho việc kiểm tra ngưỡng cho phép của các chất nào đó xem có

đạt hay không.Các phương pháp phải sử dụng máy quang phổ như: phương phápđường chuẩn, phương pháp dãy tiêu chuẩn, phương pháp chuẩn độ trắcquang, phương pháp cân bằng, phương pháp thêm, phương pháp vi sai,…Tùytheo từng điều kiện và đối tượng phân tích cụ thểmà ta chọn phương pháp thíchhợp Trong nghiên cứu này chúng tôi chọn phương pháp đường chuẩn để xác địnhlượng các chất bị hấp phụ.[16]

Phương pháp đường chuẩn: Từ phương trình cơ sở A = k.(Cx)bvề nguyêntắc, để xây dựng một đường chuẩn phục vụ cho việc định lượng một chất trước hếtphải pha chế một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ chất hấp thụ ánh sáng nằm trongvùng nồng độ tuyến tính (b = 1) Tiến hành đo độ hấp thụ quang A của dãy dungdịch chuẩn đó Từ các giá trị độ hấp thụ quang A đo được dựng đồ thị A = f(C).[16]Sau khi có đường chuẩn, pha chế các dung dịch cần xác định trong điều kiện giốngnhư khi xây dựng đường chuẩn Đo độ hấp thụ quang A của chúng với điều kiện

đo như khi xây dựng đường chuẩn (cùng dung dịch so sánh, cùng cuvet, cùngbước sóng) được các giá trị Ax Áp các giá trị Axđo được vào đường chuẩn sẽ tìmđược các giá trị nồng độ Cxtương ứng Trong đề tài này chúng tôi dùng phươngpháp đườngchuẩn

4 Tổng quan về cây điều và nguồn nguyên liệu cho nghiên cứu

4.1 Giới thiệu về cây điều

Tên khoa học: Anacardium occidentale L

Tên khác: Một số vùng gọi là cây đào lộn hột Tên tiếng anh gọi là Cashew

Hình 1.10:Quả điều và hạt điều [6]

4.1.1 Nguồn gốc

Cây điều được du nhập vào nước ta từ thế kỷ thứ 18, ban đầu được trồng phân tántrong các vườn hộ gia đình và đồn điền Sau năm 1975 cây điều được chọn là câytrồng phủ xanh đất trống đồi trọc kết hợp lấy hạt, trái Từ năm 1980 trở đi, cây điềuđược quan tâm mở rộng diện tích trồng theo hướng thu hoạch hạt phục vụ cho chếbiến xuất khẩu Năm 1988 ngành chế biến xuất

4.1.2 Sự phát triển ở Việt Nam [8]

Nhận thấy tiềm năng phát triển của ngành điều, ngày 07/05/1999, Thủ tướng ChínhPhủ đã có Quyết định 120/1999/QĐ–TTg phê duyệt đề án phát triển ngành điều đếnnăm 2010

Triển khai thực hiện Quyết định số 120/1999/QĐ–TTg của Thủ tướng Chính Phủ,năm 2005 diện tích điều cả nước đã đạt 433.000 ha Sản lượng hạt thô 350.000 tấn,

có 219 doanh nghiệp chế biến điều, tổng công suất chế biến theo thiết kế là 674.200tấn hạt thô/ năm, kim ngạch xuất khẩu đạt 501,5 triệu USD

Định hướng đến năm 2020, diện tích cây điều ổn định khoảng 400.000 ha, kimngạch xuất khẩu đạt khoảng 820 triệu USD

4.1.5 Vỏ hạt điều

Vỏ hạt điều chứa 18 – 23% dầu vỏ điều, kích thước vỏ từ 1-2cm, là nguyên liệu đểchế ra các loại sản phẩm như: sơn phủ kim loại, sơn cách điện, sơn mỹ nghệ, bột masát, thuốc bảo quản gỗ v.v… Hiện nay, dầu vỏ điều cũng là một mặt hàng xuất khẩucòn vỏ điều đang được nghiên cứu để sản xuất than hoạt tính

Quy trình sản xuất hạt điều [9]

Hình 1.11:Quy trình sản xuất hạt điều

Cứ mỗi kg hạt điều sau khi tách nhân thì vỏ chiếm tới 60% mà hiện nay cùng vớiviệc xuất khẩu 261.155 tấn nhân điều mỗi năm thì bên cạnh đó các nhà máy, cácxưởng sản xuất hạt điều cũng thải ra hàng trăm nghìn tất vỏ hạt điều mỗi năm.[10]Phương pháp xử lý hàng trăm nghìn tấn vỏ hạt điều được các cơ sở chế biến lựachọn là ép dầu đem bán và bã thì làm nhiên liệu đốt nhưng sẽ gây ô nhiễm môitrường Ngoài việc cho dầu có giá trị kinh tế cao bên cạnh đó từ vỏ hạt điều còn cóthể cho ra các sản phẩm như dầu tinh luyện, dầu cardanol, than, than hoạt tính vàsản xuất bột ma sát Với nguồn nguyên liệu rồi rào như vậy, việc phát triển các sản

phẩm tư vỏ hạt điều trước và sau khi ép lấy dầu sẽ mang lại các sản phẩm có giá trịrất cao và thân thiện với môi trường.[18]

5 Phương pháp nhiệt phân và quá trình hoạt hóa than.

hoạttính

Nhiệt phân là phương pháp phân hủy hóa học vật liệu hữu cơ trong điều kiện không

có oxy Tuy nhiên, trong thực tế, không thể đạt được không oxy hoàn toàn, nêntrong sản phẩm nhiệt phân luôn chứa một phần nhỏ sản phẩm oxy hóa Đôi vớinguồn nguyên liệu chưa ép dầu và để cho quy trình sản xuất khép kín người tathường dùng phương pháp nhiệt phân để thu hồi khí, lỏng và sản phẩm than

5.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ tác động đáng kể tới cấu trúc sản phẩm than của quá trình nhiệt phân.Đối với hoạt hóa bằng CO2hoặc hơi nước, nhiệt độ hoạt hóa thường vàokhoảng 8000C - 10000C Nhiều nghiên cứu cho thấy, ảnh hưởng của nhiệt độ hoạthóa lên cấu trúc than là tùy thuộc vào nguyên liệu sử dụng Chẳng hạn, đối với thanbùn, nhiệt độ hoạt hóa từ 8600C – 10400C không ảnh hưởng đến tổng thể tích lỗ.Tuy nhiên, ở nhiệt độ lớn hơn 9000C, thể tích lỗ lớn bị giảm nhẹ với sự tăng nhiệt

độ nung, trong khi đó, thể tích vi lỗ tăng lên với sự gia tăng nhiệt độ ở khoảng khảosát Đối với các vật liệu khác như than Micke ở Nhật Bản, trong giới hạn nhiệt độ

8000C – 9000C thì nhiệt độ cao nhất lại cho diện tích bề mặt riêng cao nhất Tóm lại,nhiệt độ hoạt hóa ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc lỗ của than và sự ảnh hưởng nàybiểu hiện khá phức tạp tùy thuộc vào nguyên liệu sửdụng.[13]

5.2.2 Ảnh hưởng của tố độ gia nhiệt

Trong thành phần ban đầu của nguyên liệu khi đem đi tiến hành nhiệt phân đã chứa

ít hoặc nhiều các thành phần lỏng Khi nhiệt phân tới nhiệt độ mà các thành phầnnày bắt đầu bị bẻ gãy và thoát ra ngoài thì chính những phần tử khí hoặc lỏng này lànhững tác nhân cỏ bản ban đầu tạo lên độ xốp của than

Do đó khi tốc độ gia nhiệt nhanh thì các quá trình phân hủy các thành phầnlỏng – khí diễn ra nhanh hơn, lượng thành phần này thoát ra nhanh hơn và tạo nhiều

lỗ xốp lớn cho than, nhưng nó cũng có thể bị biến thành dạng như hắc ín bám vào

bề mặt than làm giảm chất lượng của than, làm giảm hiệu suất thu sản phẩm lỏngnếu như quá trình có mục đích thu lỏng.Nếu tốc độ gia nhiệt quá chậm thì các quátrình phân hủy bẻ gãy thành phần lỏng tạo ra khí diễn ra chậm, lượng khí và lỏngthoát ra chậm không đủ để đảm bảo tạo độ xốp ban đầu cho than.[12]

5.3.1 Ảnh hưởng của nguyên liệu ban đầu

Mỗi nguyên liệu khác nhau thì sẽ cho than có các kích thước mao quản, bềmặt riêng khác nhau.[2]

Bảng 1.2:So sánh diện tích bề mặt của than hoạt tínhtừ các

nguyên liệu khác nhau.

Nguyên liệu Tác nhân hoạt hóa Sr (m 2 /g)

5.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới quá trình hoạt hóa

Quá trình hoạt hóa là quá trình xảy ra phản ứng giữa C và H2O theo phươngtrình:

Cn + H2O = Cn-1 + H2 + COĐây là phản ứng thu nhiệt, do đó nhiệt độ càng cao thì càng có lợi cho quá trìnhhoạt hóa Nhiệt độ thường từ 7000C – 10000C tùy vào nguyên liệu và điều kiện thiếtbị

 Nếu hoạt hóa chậm, độ thiêu đốt thấp than này có lỗ bé (đường kính lỗ

từ 0.1 – 15 A0 ) phát triển: Than này hấp phụ khí tốt

 Nếu hoạt hóa nhanh, nhiệt độ cao than này có lỗ trung (đường kính lỗ

từ 15 – vài trăm A0 ) phát triển và có khả năng tẩy màu

5.3.3 Ảnh hưởng của tốc độ hơi nước đưa vào hoạt hóa

Để quá trình hoạt hóa đạt hiệu suất cao thì phải đảm bảo một số yếu tố sau:

 Nếu lưu lượng hơi nước đưa vào chậm sẽ xảy ra quá trình than hóathan hoặc than bị cháy

 Nếu lưu lượng hơi nước đưa vào không đều thì khả năng hoạt hóa

sẽ giảm, vì khi lượng hơi nước đưa vào không đều thì nhưng chỗ có hơi nước

sẽ được hoạt hóa còn những chỗ không có hơi nước thì không được hoat hóa

 Tốc độ và áp suất hơi nước phải đảm bảo đưa hơi nước vào liên tục, áp suất phải đủ để đảm bảo đẩy hơi nước đi qua lớp than hoạt hóa

5.3.4 Ảnh hưởng của kích thước hạt

Rõ ràng kích thước hạt càng nhỏ thì diện tích bề mặt càng lớn, do vậy khẳnăng hấp phụ càng lớn Khi tăng kích thước hạt thì hiệu suất hấp phụ cũng nhưlượng chất bị hấp phụ đều giảm do có sự giảm cả về diện tích bề mặt riêng và các vịtrí hấp phụ Khi kích thước hạt giảm thì hiệu suất hấp phụ tăng, tốc độ hấp phụ tăng

và lượng chất bị hấp phụ cũng tăng do có sự tăng về diện tích bề mặt và các maoquản cũng tăng lên.[17],[19]

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.1.2 Phương pháp nghiên cứu

Thực hiện nung vỏ hạt điều (chưa ép lấy dầu) ở800– 8500C thu được than là sảnphẩm chính bên cạnh đó ta còn thu sản phẩm lỏng và khí được đem đi đốt Than saukhi đã được nung được nghiền nhỏ sau đó được mang đi hoạt hóa với hơi nướcở7500C ta thu được than hoạt tính

1.2 Hệ thống thí nghiệm

1.2.1 Hệ thống nung than (hình 2.1)

Hình 2.1:Hệ thống nung than

1: Bình khí Nitơ, 2: Lò phản ứng, 3: Bộ nguồn gia nhiệt, 4: Can nhiệt (đầu dò), 5:

Bộ hiển thị nhiệt, 6: Ống sinh hàn, 7: Bình tách lỏng, 8: Bình sử lý khí

1.2.2 Hệ thống hoạt hóa than (hình 2.2)

Hình 2.2:Thệ thống hoạt hóa bằng hơi nước

1: Nồi hơi (nồi áp suất), 2: Ống phản ứng (đựng than để hoạt hóa), 3: Bộ nguồn gia

nhiệt, 4: Can nhiệt (đầu dò), 5: Bộ hiển thị nhiệt độDây điện trở được quấn trong các con sứ, được cố định trên một bản kẽm nhỏ baoquanh lò nhiệt phân, tiếp đến là lớp bông thủy tinh (đảm bảo lớp bông thủy tinhkhông được tiếp xúc với dây điện trở trong quá trình gia nhiệt ) và ngoài cùng là lớpkẽm lớn bao bên ngoài tạo thành một hình trụ để đặt lò phản ứng vào

Hộp điện được đặt bên cạnh thiết bị phản ứng, nối dây điện với điện trở để gianhiệt Nối đầu dò nhiệt độ từ hộp điện vào bên ngoài bình phản ứng.Bình khí N2được gắn với lưu lượng kế, từ đó dẫn tới lò phản ứng Nồi hơi cung cấp hơi nướccho quá trình hoạt hóa và cũng được dẫn tới ống phản ứng.Lò nhiệt phân được nốivới thiết bị ngưng tụ bằng mặt bích, trên mặt bích có 2 lỗ khoan-một lỗ dùng để đưađầu dò nhiệt độ vào, một lỗ dùng để dẫn khí từ thiết bị phản ứng sang thiết bị ngưng

tụ Trên mặt bích có 8 bulong siết chặt lại không cho khí thoát ra ngoài và để tránhtiếp xúc với không khí bên ngoài.Từ thiết bị tách lỏng phần khí được xục vào xô

nước vàdẫn qua can đựng dung dịch NaOH, khí còn lại không được hấp thụ ở canđựng NaOH sẽ được đốt.

2 Chuẩn bị nguyên liệu

2.1 Vỏ hạt điều

Vỏ hạt điều sử dụng trong đề tài được lấy từ cơ sở bóc hạt điều ở tỉnh Bà Rịa VũngTàu Vỏ hạt điều vẫn chưa được ép dầu (có thể dùng hạt đã ép dầu rồi) được loại bỏhết các tạp chấtcơ học sau đó đem đi sấy ở nhiệt độ 1050C, sau đó để nguội và cânđem đi tiến hành nung

2.2 Quy trình sản xuất

2.2.1 Quy trình nung than ( hình 2.3 )

Hình 2.3:Quy trình nung than

2.2.2 Quy trình hoạt hóa than ( hình 2.4)

Hình 2.4: Quy trình hoạt hóa bằng hơi nước

Vỏ hạt điều sau khi được làm sạch các tạp chất cơ học và có một độ ẩm xác định talấy và đem cân lấy 200gam với cân điện tử 3 số và tiến hành quá trình than hóatrong điều kiện không có không khí Sau đó đổ nguyên liệu vào lò nhiệt phân Đặtmặt bích lên nắp lò nhiệt phân, vặn chặt không cho khí thoát ra môi trường bênngoài và khí từ bên ngoài xâm nhập vào làm cháy than Nối bình nhiệt phân với ốngsinh hàn, gắn đầu dò nhiệt độ vào lò Ống sinh hàn được nối với bình tách lỏng vàkhí Phần lỏng sẽ được thu trong bình, phần khí được sục qua nước hoặc đốt

Mở van điều chỉnh lưu lượng, sục khí mang N2 trong vòng 5 phút, điều chỉnh lưulượng kế sao cho phù hợp với tốc độ sục đã chọn Mục đích của việc sục khí này là

để đuổi khí O2 ra khỏi lò nhiệt phân Sau đó khóa van sục khí N2, bật cầu dao điện

và mở công tắc hộp điện, cài đặt nhiệt độ cuối.Mở van nước để nước dùng để ngưng

tụ lỏng chảy từ ống sinh hàn và bình chứa sản phẩm lỏng Cài đặt nhiệt độ nhiệtphân (than hóa) là850oC trong vòng 1,5 - 2 giờ đồng hồ kể từ khi nhiệt độ đạt hơn

850oC Sau khi quá trình kết thúc, để lò nhiệt phân cho đến khi nguội rồi tháo mặtbích của lò ra để lấy sản phẩm than.Tiếp sau đó than được đem đi nghiền nhỏ,rửa vàsấy khố sau đó được hoạt hóa bằng hơi nước.Quá trình hoạt hóa được tiến hành ở

nhiệt độ 7500C với 30 gam than cho mỗi lần hoạt hóa trong vòng 90 phút ở nhiệt độtrên Sau khi quá trình hoạt hóa kết thúc tiến hành xác định lượng hơi nước đã dùng

và lấy mẫu than sau hoạt hóa đi kiểm tra

2.3 Tiến hành nung than

Tiến hành quá trình than hóa và khảo sát các yếu tố nhiệt độ của quá trình, độ ẩm

ẩm của nguyên liệu và độ xốp của than sau khi nhiệt phân

2.3.1 Khảo sát nhiệt độ và đo độ xốp

a Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ than hóa tới hiệu suất thu than

Lấy 200gam vỏ hạt điều đã được loại bỏ các tạp chất cơ học để tiến hành nhiệt Sụckhí N2 trong vòng 5 phút sau đó tiến hành gia nhiệt, tốc độ gia nhiệt là 80C/phút ở

5000C đầu tiên và từ 5000C đến 8500C là 150C Ghi nhận lại tổng thời gian quá trìnhnhiệt phân

Sau đó làm 5 chế độ thí nghiệm khác nhau đó là lấy 200gam vỏ hạt điều sau đó tiếnhành nhiệt phân ở các nhiệt độ khác nhau 5000C, 6000C, 7000C, 8000C và 8500C vớicác thông số và yêu cầu như trên Sau khi nhiệt phân xong ghi nhận lại hiệu suấtthan thu được ở từng điều kiện nhiệt độ khảo sát

Hiệu suất tạo than được tính như sau:

m0.100 % (2.1)Trong đó:

 H (%): là hiệu suất tạo than

 m0: khối lượng nguyên liệu ban đầu

 m: khối lượng nguyên liệu sau khi nhiệt phân

b Khảo sát độ xốp

Sau khi thu được than trong quá trình nhiệt phân ở các điều kiện trên ta mang đi xácđịnh độ xốp của chúng

Lấy mỗi mẫu than ở các điều kiện nhiệt độ 5000C, 6000C, 7000C, 8000C và 8500C và

độ xốp được đo theo công thức:

Độ xốp =1−(khốilượng riêng thực−khối lượngriêng biểu kiến khối lượngriêng thực ).100 % (2.2)

Trong đó khối lượng riêng thực được xác định như sau:Lấy than đã nung sau đó ta

nghiền nhỏ và sàng qua bộ dây để đảm bảo các hạt than có kích thước nhỏ hơn1mm Sau đó cân m gam rồi bỏ vào ống đong 100ml có chia ml rõ ràng, trong cốc

có chứa v1ml thể tích nước Khi ta cho m gam than trên vào cốc, đảm bao cho cáchạt than chìm hết xuống, lúc đó mực nước trong ống đong sẽ dâng lên một thể tích

v2 ml Cuối cùng ta sẽ có giá trị khối lượng riêng thực như sau:

Khối lượng riêng thực¿m

v2(

ml

g ) (2.3)

Cách xác định khối lượng riêng biểu kiến:Lấy mẫu than sau khi đã nung, để nguyên

cục (kích thước trung bình từ 1 – 2cm) không nghiền nhỏ Ta lấy một vỏ than hạtđiều được buộc vào một sợi chỉ, sau đó nhúng vào cốc parafin đang ở trạng thấylỏng và lấy ra ngay, đảm bảo lớp parafin bao phủ bên ngoài vỏ than hạt điều khôngquá dày và mang đi cân ta thu được khối lượng m1 gam Sau đó nhúng vào ốngđong 100ml có chia ml rõ ràng và có thể tích nước là v2 ml, sau khi nhúng vào thìmực nước trong cốc sẽ dâng lên, đợi cho tới khi mực nước trong ống đong ổn định

và ta ghi được thể tích v3 ml Ta sẽ tính được khối lượng riêng biểu khiến như sau:

Khối lượng riêng biểu kiến = m v1

3

(ml

g )(2.4)2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm

Cân 300 gam vỏ hạt điều sau đó tiến hành sấy ở nhiệt độ 1050C Khi lấy vỏ hạt điều

từ tủ sấy ra ta để vào bình hút ẩm cho tới khi nguội rồi đem đi cân Sau đó lấy racân 200 gam trong 300 đem đi sấy để đi nhiệt phân.Tiến hành khảo sát ở các độ ẩm:3,75%, 8,26%, 14,43%, 16,37%, 21,54%, ở nhiệt độ 8000C trong vòng 90 phút

Tống thời gian nhiệt phân là 183 phút Sau khi quá trình nhiệt phân kết thúc đểnguội tháp và lấy mẫu ra cân.

2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian than hóa tới hiệu suất thu than

Tiến hành khảo sát ở ba khoảng thời gian khác nhau: 60 phút, 90 phút và 120 phút ởhai khoảng nhiệt độ là 6000C, 7000C và 8000C

Lấy 200 gam vỏ hạt điều bỏ vào thiết bị nung, tốc độ gia nhiệt là 80C/phút ở 5000Cđầu tiên và từ 5000C đến 8500C là 150C/phút, và thổi khí N2 trong vòng 5 phút trướckhi bắt đầu nung

3 Khảo sát sự hấp phụ của than hoạt tính

Để đánh giá khẳ năng hấp phụ của than hoạt tính người ta thường dùng các dungdịch có màu hoặc tạo môi trường màu cho các dung dịch cần hấp phụ để sau khi hấpphụ ta có thể dễ dàng đánh giá được khẳ năng hấp phụ của than hoạt tính bằng địnhtính và định lượng một cách gần đúng nhất bằng phương pháp đường chuẩn Cácdung dịch hay được sử dụng là metyl xanh, metyl đỏ, Fe3+, Ni2+

Việc sử dụng than hoạt tính ngày nay hướng tới mục đích là dùng than hoạt tính để

sử lý nước thải từ các nhà máy dệt nhuộm, các xưởng giặt đồ… nơi có các thànhphần metyl xanh, metyl đỏ cao, bên cạnh đó sự dụng than hoạt tính để hấp phụ cáckim loại nặng trong nước cũng được áp dụng.[14,15,17]

Trong đề tài này chúng tôi khảo sát than sau khi hoạt hóa với metyl xanh, metyl đỏ,

Ni2+ và Fe3+

3.1 Dung dịch metyl xanh

Lấy 500mg metyl xanh (C16H18N3SCl) sau đó pha ra dung dịch có nồng độ 500mg/l,

từ dung dịch 500mg/l ta tiếp tục chuẩn ra các dung dịch 100mg/l, 200mg/l và300mg/l

3.1.1 Xác định bước sóng λ max của metyl xanh

Lấy dung dịch metyl xanh cho vào cuvet, sau đó tiến hành đo bằng máy đo quang ởcác bước sóng khác nhau để ta xác định được bước sóng λ max của metyl xanh Từviệc xác định được λ max của metyl xanh ta sẽ xây dựng được đường chuẩn của metylxanh để tiến hành các bước tiếp theo Kết quả thu được ta xác định được bước sóng

λ max của metyl xanh là 660nm (hình 2.5)

Bảng 2.1:Giá trị độ hấp thụ quang A tại các bước sóng λ khác nhau

1 1.5

2 2.5

Hình 2.5:Xác định bước sóng λ max của metyl xanh

3.1.2 Tiến hành xây dựng đường chuẩn của metyl xanh

Từ việc xác định bước sóng λ maxcủa metyl là 660nm ta đi tiến hành xây dựng đườngchuẩn với các dung dịch 500mg/l, 300mg/l, 200mg/l và 100mg/l ở bước sóng trên

Với các nồng độ trên ta đem đi đo bằng máy đo quang ta sẽ thu được độ hấp phụ Atương ứng (hình 2.6)

Bảng 2.2:Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metyl xanh

1 1.5

2 2.5

Hình 2.6: Đường chuẩn của metyl xanh đo ở bước sóng hấp phụ là 660nm

3.1.3 Tiến hành hấp phụ metyl xanh với than hoạt tính

Lấy 25 ml dung dịch metyl xanhvới các nồng độ khác nhau 500mg/l, 300mg/l và100mg/l cho vào cốc thủy tinh 100ml, sau đó ta tiến hành khảo sát khẳ năng hấpphụ của than hoạt tính như sau: cho 1gam than hoạt tính vào cốc, khuấy trong vòng

10 phút tại nhiệt độ phòng Sau đó đem lọc bằng giấy lọc băng xanh, dung dịch saukhi lọc được đem đi đo quang ở bước sóng 660nm bằng máy quang phổUV/VIS