1.2.3. Các đặc trưng cơ bản của than hoạt tính
Ngoài thành phần chính là cacbon, than hoạt tính còn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố khác như S, O, N,.. và kim loại tồn tại dưới dạng oxit (tro). Các oxit chủ yếu được hình thành do quá trình than hóa và hoạt hóa và liên kết hóa học với các nguyên tử cacbon tự do trên các mạng cấu trúc của than để hình thành các phức (nhóm chức) bề mặt nhưcacbon-oxi, cacbon-hidro, cacbon-nitơ ở rìa các vi tinh thể và ở các liên kết ngang trên bề mặt than. Các nhóm chức bề mặt này được chia thành hai loại: loại mang tính bazơ và loại mang tính axit, thể hiện qua giá trị pH trong dung dịch nước và chúng đóng vai trò như các tâm hấp phụ.
Cấu trúc hóa học của các nhóm chức được trình bày trên hình 1.2
Hình 1.2. Các nhóm chức của than hoạt tính
Thành phần của các nhóm chức này phụ thuộc vào quá trình hoạt hóa than, chẳng hạn, khi hoạt hóa ở nhiệt độ cao trong dòng CO2 than hoạt tính có tính chất bazơ, khi hoạt hóa ở nhiệt độ thấp trong dòng O2 than hoạt tính có tính axit.
Nhóm chức cacbon-oxi bề mặt là nhóm chức quan trọng nhất, ảnh hưởng đến các tính chất bề mặt như độ ẩm, độ phân cực, độ axit và các tính chất hóa lý như tính chất xúc tác, tính chất hấp phụ, tính chất điện …Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hóa học bề mặt của than hoạt tính (đặc biệt là các nhóm chức chứa oxi) đóng vai trò là các tâm hấp phụ và là một trong những nhân tố quyết định sự phân tán các kim loại trên bề mặt than hoạt tính và độ bền của than hoạt tính khi làm việc trong môi trường ẩm. Đồng thời, sự có mặt của nhóm cacboxyl sẽ làm giảm tính kị nước của than hoạt tính và khi đó làm tăng được sự tiếp cận của các tiền chất kim loại trong dung dịch.
c. Tính chất hấp phụ của than hoạt tính
Khả năng hấp phụ của than hoạt tính được quyết định bởi diện tích bề mặt riêng tuy nhiên khả năng hấp phụ lại bị ảnh hưởng mạnh bởi sự phân bố kích thước mao quản, các nhóm chức bề mặt than.
Diện tích bề mặt càng lớn càng có khả năng tạo ra nhiều tâm hấp phụ do đó, làm tăng khả năng hấp phụ của than.
Sự có mặt của các nhóm chức cacbon-oxi ảnh hưởng mạnh đến khả năng hấp phụ các phân tử phân cực do sự tác động qua lại của electron π vòng thơm với các nhóm cacbonyl nhờ cơ chế cho-nhận, trong đó O của cacbonyl là nguồn cho electron và vòng thơm là nguồn nhận.
1.2.4. Các quá trình hoàn nguyên than hoạt tính sau khi hấp phụ
Hấp phụ là hiện tượng làm tăng nồng độ của chất (lỏng, khí) trên bề mặt vật liệu rắn. Chất có khả năng được làm giàu làm giàu gọi là chất bị hấp phụ và vật liệu rắn gọi là chất hấp phụ. Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất bị hấp phụ với các nguyên tử, ion ở trên bề mặt chất hấp phụ. Quá trình hấp phụ thường là quá trình tỏa nhiệt.
Tùy thuộc vào kiểu tương tác (lực tương tác) giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ thì hấp phụ được chia thành hai dạng : hấp phụ vật lý (lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là lực Van-der-van) và hấp phụ hóa học (lực tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ là lực liên kết hóa học). Đối với quá trình hấp phụ vậy lý, nhiệt tỏa ra nhỏ (nhiệt ngưng tụ) và có thể tạo thành đa lớp phân tử. Đối với hấp phụ hóa học, quá trình hấp phụ chỉ là đơng lớp nhiệt tỏa ra khá lớn và các chất bị hấp phụ có thể tương tác với nhau để xảy ra phản ứng hóa học trên bề mặt chất hấp phụ..
Sự biểu diễn mối quan hệ giữa dung lượng hấp phụ cân bằng ở một nhiệt độ nhất định với nồng độ (áp suất) cân bằng của chất bị hấp phụ gọi là đường đẳng nhiệt hấp phụ. Mỗi đường đẳng nhiệt hấp phụ có một phương trình đẳng nhiệt đặc trưng. Hình 1.3. chỉ ra các dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ.
1.3.1. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir
1.3.2. Phương trình đẳng nhiệt BET
1.4.1. Mô hình của phản ứng xúc tác dị thể
1.4.2. Năng lượng hoạt hóa của phản ứng xúc tác
2.5.1. Điều chế vật liệu
2.5.2. Các đặc trưng hóa lý
2.5.3. Thiết bị vi dòng nghiên cứu kỹ thuật oxi hóa xúc tác bề mặt
2.5.4. Một số thông tin cần thiết liên quan đến quá trình hấp phụ động.
3.1.1. Đặc trưng về các thông số bề mặt BET
3.1.2. Chuẩn độ Boehm
3.1.3. Đặc trưng về phổ hồng ngoại IR
3.1.4. Đặc trưng về khử hóa hydro theo chương trình nhiệt độ (TPR-H2)
3.1.5. Đặc trưng về khử hấp phụ oxi theo chương trình nhiệt độ (TPD-O)
3.2.1. Động học phản ứng oxi hóa xúc tác bề mặt
3.2.2. Xác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng
3.2.3. Đề nghị cơ chế phản ứng