Điều chế và khảo sát hoạt tính của than hoạt tính từ vỏ trấu

Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu công nghệ sản xuất than hoạt tính từ vỏ trấu. Nhiệt độ hóa trấu trong khoảng 400550 , than trấu được hoạt hóa bằng dung dịch NaOH nồng độ 520N ở 6070 trong khoảng 1 giờ. Than hoạt tính vỏ trấu thu được dùng hấp phụ màu sắc dầu DO. Than hoạt tính thu được có diện tích bề mặt riêng cao nhất đạt 1281,17 . Kết quả thực nghiệm là cơ sở để xây dựng quy trình công nghệ sản xuất than hoạt tính quy mô công nghiệp.

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

- -

LUẬN VĂN ĐẠI HỌC

ĐIỀU CHẾ VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH CỦA THAN HOẠT TÍNH TỪ VỎ TRẤU

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

Nguyễn Việt Bách Nguyễn Quốc Trọng; MSSV: 2112212

Cần Thơ, tháng 12/2015

Trang 2

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy NGUYỄN VIỆT BÁCH, người

thầy trực tiếp hướng dẫn luận văn, dạy em nhiều kinh nghiệm quý báu và những kỹ năng có ích từ ngày bắt đầu cho đến khi kết thúc luận văn

Con xin cảm ơn gia đình và người thân đã luôn ủng hộ và những tạo điều kiện tốt nhất cho con trong suốt những năm học qua

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Bộ môn Công nghệ hóa học đã tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn đúng thời gian quy định

Trân trọng cảm ơn các bạn lớp Kỹ thuật hóa học K37, Hóa dược K38 đã giúp đỡ, động viên, hỗ trợ em rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Do kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn vẫn còn nhiều sai sót, mong quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để em hiểu rõ thêm những vấn đề

Cuối cùng em xin cảm ơn các thầy cô trong hội đồng phản biện đã dành thời gian

để đọc và nhận xét cho luận văn

Trang 3

1 Sinh viên thực hiện

Ngày sinh: 18/11/1993 Nơi sinh: Ô Môn, Cần Thơ Nam/ Nữ: Nam Chuyên ngành: Hóa vô cơ

Điện thoại di động: 0939798212 Email: trong112212@student.ctu.edu.vn

2 Cán bộ hướng dẫn

Tôi tên: NGUYỄN VIỆT BÁCH Học hàm (học vị): Kỹ sư

Nơi công tác: Bộ môn Công nghệ hóa học - Khoa Công nghệ - Trường Đại học Cần Thơ

Liệt kê tên đề tài đang thực hiện, cấp thực hiện, thời gian thực nghiệm thu (nếu có):

ĐIỀU CHẾ VÀ THỬ HOẠT TÍNH CỦA THAN HOẠT TÍNH TỪ VỎ TRẤU

Địa chỉ nơi công tác: Bộ môn Công nghệ hóa học - Khoa Công nghệ - Trường Đại học Cần Thơ

Điện thoại di động: 0918318663 Email: nvbach@ctu.edu.vn

3 Dự kiến về đề tài

ĐIỀU CHẾ VÀ THỬ HOẠT TÍNH CỦA THAN HOẠT TÍNH TỪ VỎ TRẤU

Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm, bộ môn Công nghệ hóa học - Khoa Công nghệ - Trường Đại học Cần Thơ

Thời gian thực hiện: 8/2015 đến 12/2015

Đề nghị cán bộ phản biện: đề nghị 2 cán biện

Cần Thơ, ngày 6 tháng 8 năm 2015

Trang 4

iii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

Năm học 2015 – 2016

Đề tài:

ĐIỀU CHẾ VÀ KHẢO SÁT HOẠT TÍNH CỦA

THAN HOẠT TÍNH TỪ VỎ TRẤU

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam kết luận văn này được hoàn thành dựa trên các tài liệu tham khảo

đã được trích dẫn về các nghiên cứu trước đây, các kết quả nghiên cứu của tôi và các

kết quả này chưa được dùng cho bất cứ luận văn cùng cấp nào khác

Cần Thơ, ngày 30 tháng 11 năm 2015 Luận văn tốt nghiệp đại học ngành Kỹ thuật hóa học

Đã bảo vệ và được duyệt

Hiệu trưởng………

Trưởng khoa………

Trang 5

iv

Trường Đại Học Cần Thơ Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Khoa Công Nghệ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học - -

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 Cán bộ hướng dẫn: Nguyễn Việt Bách 2 Đề tài: Điều chế và khảo sát hoạt tính của than hoạt tính từ vỏ trấu 3 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quốc Trọng MSSV: 2112212 Lớp: Kỹ thuật hóa học – Khóa: 37 4 Nội dung nhận xét: a) Nhận xét về hình thức của LVTN:

b) Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):  Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:

 Những vấn đề còn hạn chế:

Trang 6

v

c) Nhận xét đối với sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

d) Kết luận, đề nghị và điểm:

Cán bộ hướng dẫn

Nguyễn Việt Bách

Trang 7

vi

Trường Đại Học Cần Thơ Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Khoa Công Nghệ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học - -

NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 Cán bộ phản biện: ………

………

2 Đề tài: Điều chế và khảo sát hoạt tính của than hoạt tính từ vỏ trấu 3 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quốc Trọng MSSV: 2112212 Lớp: Kỹ thuật hóa học – Khóa: 37 4 Nội dung nhận xét: a) Nhận xét về hình thức của LVTN:

b) Nhận xét về nội dung của LVTN (đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):  Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:

Trang 8

vii

 Những vấn đề còn hạn chế:

c) Nhận xét đối với sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có):

d) Kết luận, đề nghị và điểm:

Cán bộ phản biện

Trang 9

viii

TÓM TẮT

Luận văn trình bày kết quả nghiên cứu công nghệ sản xuất than hoạt tính

từ vỏ trấu Nhiệt độ hóa trấu trong khoảng 400 550 , than trấu được hoạt hóa bằng dung dịch NaOH nồng độ 5 20 N ở 60 70 trong khoảng 1 giờ Than hoạt tính

vỏ trấu thu được dùng hấp phụ màu sắc dầu DO Than hoạt tính thu được có diện tích

bề mặt riêng cao nhất đạt 1281,17 Kết quả thực nghiệm là cơ sở để xây dựng quy trình công nghệ sản xuất than hoạt tính quy mô công nghiệp

Trang 10

ix

ABSTRACT

The graduation thesis presents experimental research results of producing activated carbon from rice husk Rice huck is carbonizated at 400 550 , after that the product of this process is activated by sodium hydroxide solution 5 20 N at above 60 70 in 1 hours Activated carbon rice husk obtained used adsorption diesel oil colors The surface area of obtained activated carbon is 1281,17 They are fundamental steps to build a manufacturing technological process of industrial rice husk activated carbon production

Trang 11

x

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT viii

ABSTRACT ix

MỤC LỤC x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii

DANH MỤC BẢNG xiv

DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ xv

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về than hoạt tính 3

1.1.1 Sơ lược về than hoạt tính 3

1.1.1.1 Định nghĩa 3

1.1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển 3

1.1.1.3 Phân loại 4

1.1.1.4 Các đặc trưng cơ bản 5

1.1.2 Phương pháp chung để điều chế than hoạt tính 5

1.1.2.1 Than hóa 5

1.1.2.2 Hoạt hóa 6

1.1.3 Khả năng ứng dụng than hoạt tính trong thực tế 7

1.1.3.1 Trong y học 7

1.1.3.2 Trong mỹ phẩm 7

1.1.3.3 Trong công nghiệp 7

1.1.3.4 Trong sinh hoạt 7

1.1.4 Cấu trúc than và các yếu tố ảnh hưởng 7

1.1.4.1 Cấu trúc vi tinh thể 8

1.1.4.2 Cấu trúc mao quản 9

1.1.4.3 Cấu trúc hóa học carbon trên bề mặt 10

Trang 12

xi

1.2 Tổng quan về vỏ trấu 10

1.2.1 Nguồn gốc vỏ trấu 10

1.2.2 Hiện trạng vỏ trấu tại nước ta 12

1.2.3 Các ứng dụng của vỏ trấu 12

1.2.3.1 Sử dụng làm chất đốt 12

1.2.3.2 Ép thành củi trấu 13

1.2.3.3 Tạo các sản phẩm mỹ nghệ 14

1.2.3.4 Các ứng dụng khác 14

1.3 Tổng quan về hấp phụ 15

1.3.1 Các khái niệm 15

1.3.1.1 Sự hấp phụ 15

1.3.1.2 Phân loại hấp phụ 15

1.3.2 Cân bằng hấp phụ 16

1.3.2.1 Tải trọng hấp phụ cân bằng 16

1.3.2.2 Hiệu suất hấp phụ 17

1.3.3 Các phương trình hấp phụ và các dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt 17

1.3.3.1 Các phương trình hấp phụ 17

1.3.3.2 Các đường hấp phụ đẳng nhiệt 18

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1 Phương tiện nghiên cứu 20

2.1.1 Nguyên liệu 20

2.1.2 Dụng cụ, thiết bị 20

2.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 22

2.2.1 Quy trình điều chế than hoạt tính 22

2.2.2 Mô tả quy trình 22

2.2.2.1 Nguyên liệu và xử lý sơ bộ 22

2.2.2.2 Than hóa trấu 22

2.2.2.3 Hoạt hóa than 23

2.2.2.4 Rửa – Lọc – Sấy 23

Trang 13

xii

2.2.3 Các phương pháp phân tích 23

2.2.3.1 Kích thước hạt 23

2.2.3.2 Diện tích bề mặt riêng 24

2.2.3.3 Khối lượng riêng 24

2.2.3.4 Hàm lượng tro 25

2.2.3.5 Độ ẩm 25

2.2.4 Tiến hành hấp phụ màu sắc dầu DO 26

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27

3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian than hóa đến hiệu suất 28

3.2 Ảnh hưởng của nồng độ NaOH hoạt hóa đến hiệu suất 29

3.3 Khảo sát các tính chất của than hoạt tính 33

3.3.1 Kích thước hạt 33

3.3.2 Diện tích bề mặt riêng 45

3.3.3 Khối lượng riêng 49

3.3.4 Hàm lượng tro 53

3.3.5 Độ ẩm 58

3.4 Khảo sát khả năng hấp phụ màu sắc dầu DO 62

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

4.1 Kết luận 66

4.2 Kiến nghị 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 69

Trang 14

xiii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry

Trang 15

xiv

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3-1 Thành phần hóa của trấu dùng thí nghiệm 27

Bảng 3-2 Quy ước kí hiệu mẫu than hoạt tính 27

Bảng 3-3 Hiệu suất quá trình than hóa 28

Bảng 3-4 Hiệu suất quá trình hoạt hóa 29

Bảng 3-5 Kích thước hạt của các mẫu than hoạt tính 41

Bảng 3-6 Diện tích bề mặt riêng của các mẫu than hoạt tính 45

Bảng 3-7 Khối lượng riêng của các mẫu than hoạt tính 49

Bảng 3-8 Hàm lượng tro của các mẫu than hoạt tính 53

Bảng 3-9 Độ ẩm của các mẫu than hoạt tính 58

Bảng 3-10 Khả năng hấp phụ màu của các mẫu than hoạt tính 62

Trang 16

xv

DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ

Hình 1-1 So sánh cấu trúc của than hoạt tính và graphite 8

Hình 1-2 Cấu trúc graphite hóa và không graphite hóa của than hoạt tính 8

Hình 1-3 Cấu trúc mao quản trong than hoạt tính 9

Hình 1-4 Cây lúa và vỏ trấu 10

Hình 1-5 Cấu tạo của hạt thóc 11

Hình 1-6 Quy trình tạo ra trấu 11

Hình 1-7 Ô nhiễm vỏ trấu trên sông 12

Hình 1-8 Lò đốt vỏ trấu trong sinh hoạt 13

Hình 1-9 Lò đốt vỏ trấu trong thủ công nghiệp 13

Hình 1-10 Củi trấu nén dạng khối 14

Hình 1-11 Sản phẩm mỹ nghệ từ vỏ trấu 14

Hình 1-12 Các dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt 18

Hình 2-1 Nguyên liệu ban đầu 20

Hình 2-2 Thiết bị dùng trong thí nghiệm 21

Hình 2-3 Quy trình điều chế than hoạt tính từ vỏ trấu 22

Hình 2-4 Mô tả cấu tạo đơn giản máy MICROTRAC S3500 23

Hình 2-5 Mô tả nguyên lý hoạt động dụng cụ đo tỷ diện Blaine 24

Hình 2-6 Mẫu than hoạt tính đang được sấy ẩm 25

Hình 2-7 Thiết bị so màu Kemtrak DCP007 26

Hình 2-8 Dãy màu chuẩn theo tiêu chuẩn ASTM D1500 26

Hình 3-1 Đồ thị biểu diễn hiệu suất quá trình than hóa 29

Hình 3-2 Đồ thị biểu diễn hiệu suất quá trình hoạt hóa 32

Hình 3-3 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu A1 và A2 33

Trang 17

xvi

Hình 3-11 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu B1 và B2 35

Hình 3-19 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu C1 và C2 37

Hình 3-27 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu D1 và D2 39

Hình 3-35 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt của các mẫu than hoạt tính 44

Hình 3-36 Đồ thị biểu diễn diện tích bề mặt riêng của các mẫu than hoạt tính 48

Hình 3-37 Đồ thị biểu diễn khối lượng riêng của các mẫu than hoạt tính 52

Trang 18

xvii

Hình 3-38 Mẫu than trước khi tro hóa 53

Hình 3-39 Mẫu than sau khi tro hóa 53

Hình 3-40 Đồ thị biểu diễn hàm lượng tro của các mẫu than hoạt tính 57

Hình 3-41 Đồ thị biểu diễn độ ẩm của các mẫu than hoạt tính 61

Hình 3-42 Các mẫu dầu trước và sau khi xử lý 62

Hình 3-43 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi màu của các mẫu than hoạt tính 65

Trang 19

Nguyễn Quốc Trọng 1 Kỹ thuật hóa học K37

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Một trong nhiều lĩnh vực hiện đang thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu của

các nhà khoa học là tìm kiếm loại vật liệu hấp phụ có tải trọng hấp phụ lớn, dễ sử dụng

cũng như tái sử dụng và đặc biệt là giá thành thấp

Các vật liệu hấp phụ có rất nhiều ứng dụng Các chất hấp phụ thường được

sử dụng là than hoạt tính, đất sét, silicagel, các loại nhựa có khả năng trao đổi ion

Trong đó, than hoạt tính là loại được sử dụng rộng rãi nhất và cho hiệu quả cao Tuy nhiên, than hoạt tính trên thị trường có giá tương đối cao nên khó ứng dụng vào

thực tế hay đời sống sinh hoạt Vì vậy, cần tìm các quy trình điều chế than hoạt tính

từ các nguồn nguyên liệu rẻ tiền, sẵn có tại địa phương để thay thế Các nguyên liệu

này có thể là các phụ phẩm nông nghiệp như vỏ trấu, xơ dừa, gáo dừa, mùn cưa, tre

nứa, Đồng bằng sông Cửu Long là vựa lúa lớn nhất cả nước nên rất thích hợp để

sử dụng vỏ trấu để điều chế than hoạt tính, tận dụng loại phụ phẩm này cũng góp phần

hạn chế môi trường đang bị ô nhiễm hiện nay

Xuất phát từ thực tế đó, em chọn đề tài luận văn tốt nghiệp Đại học là

“Điều chế và khảo sát hoạt tính của than hoạt tính từ vỏ trấu”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp than hoạt tính từ vỏ trấu và ứng dụng vật liệu hấp phụ

màu sắc dầu DO của Công ty Cổ phần Lọc Hóa dầu Nam Việt

3 Phạm vi nghiên cứu

Vỏ trấu: lấy từ nguồn thải của Nhà máy xay xát lúa gạo Đức Thành, khu vực Thới Trinh A, phường Thới An, quận Ô Môn, thành phố Cần Thơ

4 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Điều chế than hoạt tính từ vỏ trấu

Đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến hiệu suất tạo than và

khả năng hấp phụ màu đối với dầu DO

Khảo sát lý tính của than điều chế được

Trang 20

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Điều chế được than hoạt tính từ nguồn thải của nhà máy và ứng dụng làm nhạt màu sắc của dầu giúp tăng giá thành dầu cũng như giảm ô nhiễm môi trường

Trang 21

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về than hoạt tính [1,8,9,11,16,19,20]

1.1.1 Sơ lược về than hoạt tính

1.1.1.1 Định nghĩa [1,8,9,11]

Than hoạt tính là một loại carbon đặc biệt, qua xử lý có cấu trúc xốp đặc trưng

và diện tích bề mặt riêng lớn nên có khả năng hấp phụ tốt nhiều chất ở những pha

khác nhau Than hoạt tính được sử dụng để khử mùi, tẩy màu, làm sạch khí, khử độc,

lọc nước, chúng cũng được dùng làm chất mang xúc tác hay chất xúc tác trong các quá trình hóa học xúc tác dị thể

Carbon là thành phần chủ yếu trong tất cả các loại than hoạt tính, chiếm khoảng

85 97 tùy thuộc vào điều kiện sản xuất, phần còn lại là chất vô cơ như

hydrogen (H), nitrogen (N), oxygen (O), sulfur (S), Hàm lượng của các nguyên tố

này phụ thuộc chủ yếu vào nguồn nguyên liệu ban đầu trước khi than hóa

1.1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển [16]

Khả năng hấp phụ trên các lỗ xốp của than đã được biết đến từ năm 1550

trước Công nguyên bởi người Ai Cập cổ đại, sau đó Hippocrates và Gaius Plinius

Secundus sử dụng chúng chủ yếu cho mục đích y tế Trong thế kỉ XVIII, than có

nguồn gốc từ nhựa cây, gỗ, và động vật được sử dụng để làm sạch các chất lỏng

Tất cả những vật liệu trên được coi là tiền thân của than hoạt tính, chúng tồn tại

ở dạng bột Những ứng dụng điển hình của than hoạt tính là xử lý, một lượng than

xác định của than hoạt tính và chất lỏng cần xử lý sẽ được trộn vào nhau trong một khoảng thời gian nhất định sau đó được tách ra bằng cách lắng hoặc lọc

Vào đầu thế kỉ XIX, than xương (bone char) được phát hiện và sử dụng để

khử màu trong ngành công nghiệp mía đường ở Anh Than xương là loại vật liệu

dạng hạt sẵn có cho phép sử dụng trong công nghệ thẩm thấu Than xương

có thành phần chủ yếu là calcium phosphate và một tỉ lệ nhỏ than hoạt tính, loại vật

liệu này chỉ được sử dụng để lọc dung dịch đường

Trang 22

Vào đầu thế kỉ XX, các quy trình đầu tiên đã được phát triển để sản xuất than hoạt tính trên quy mô công nghiệp với các đặc tính được xác định trước Tuy nhiên, quy trình hoạt hóa bằng hơi nước và hoạt hóa bằng hóa chất chỉ dùng

sản xuất than hoạt tính dạng bột

Trong Chiến tranh Thế giới thứ nhất, việc hoạt hóa than gáo dừa bằng hơi nước

được phát triển tại Hoa Kỳ để sử dụng trong mặt nạ phòng độc Đây là loại than hoạt tính có cấu trúc siêu mịn thích hợp dùng cho các ứng dụng pha khí

Tập đoàn Calgon Carbon (Hoa Kỳ), công ty mẹ của Chemviron Carbon,

đã thành công sau Chiến tranh Thế giới thứ hai nhờ vào việc phát triển than hoạt tính

dạng hạt với cấu trúc chứa hàm lượng đáng kể các lỗ rỗng và có độ cứng cơ học cao

Sự kết hợp các đặc tính này đã cho phép sử dụng than hoạt tính trong quá trình khử màu với hiệu suất cao Ngoài ra, Calgon Carbon và Chemviron Carbon là hai công ty đi tiên phong trong lĩnh vực tối ưu hóa kích thước hạt than

Hiện nay, ở các quốc gia phát triển, than hoạt tính được nghiên cứu ứng dụng

trong các lĩnh vực công nghệ như dược phẩm, y tế, quân sự Ở các nước đang phát triển thì than hoạt tính được nghiên cứu ứng dụng trong các lĩnh vực xử lý

môi trường như: xử lý nước thải, khí thải và khắc phục hậu quả chất thải độc hại

1.1.1.3 Phân loại [8,20]

a) Dạng bột (PAC)

Than hoạt tính dạng bột có kích thước nhỏ hơn lỗ trên rây 80 mesh, tức nhỏ hơn

177 , thường dùng để khử màu, khử mùi, lọc các chất béo tan trong nước Tuy nhiên do dễ bị rửa trôi nên trong các khu công nghiệp, nhà máy lớn chỉ được

dùng làm chất bổ trợ

b) Dạng hạt (GAC)

Than hoạt tính dạng hạt có kích thước từ 20 50 mesh, tương đương khoảng

297 841 , bền hơn dạng bột, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống lọc nước

gia đình Than hoạt tính dạng hạt còn được phát triển đặc biệt cho các nhà máy lọc dầu, nó được sử dụng như chất xúc tác hỗ trợ quá trình làm ngọt khí tự nhiên

Trang 23

c) Dạng khối (EAC)

Than hoạt tính dạng khối là loại than được ép lại thường là hình khối trụ có đường kính khoảng 0,8 45 , loại than này thường được dùng cho các ứng dụng trong pha khí như kiểm soát khí thải xe ô tô, giảm thiểu các chất bay hơi trong xăng nhiên liệu, loại bỏ khí carbon dioxide trong các kho lạnh

1.1.1.4 Các đặc trưng cơ bản [1]

a) Các đặc trưng cơ học

Độ cứng: được tính bằng lượng than hoạt tính mẫu còn lại trên sàng 0,500 mm

so với lượng than mẫu ban đầu

Độ bền chịu mài mòn: được tính bằng lượng than hoạt tính mẫu còn lại trên sàng 0,315 mm so với lượng than mẫu ban đầu

b) Các đặc trưng hóa lý

Chỉ số xanh methylene (MBI): là số milliliter (mL) dung dịch xanh methylene

có nồng độ 0,15 (1,5 ) bị mất màu bởi 0,1 g than hoạt tính

Chỉ số Iod: là số miligram (mg) iod trong dung dịch iod có nồng độ 0,2 N bị 1 g than hoạt tính hấp phụ

Diện tích bề mặt riêng: là diện tích bề mặt tính cho một đơn vị khối lượng (thường là 1 g), đó là tổng diện tích bề mặt bên trong mao quản và bên ngoài các hạt, thường được xác định bằng phép đo hấp phụ khí nitrogen (N2) ở nhiệt độ 77 K

1.1.2 Phương pháp chung để điều chế than hoạt tính [11]

Có nhiều quy trình khác nhau để điều chế than hoạt tính, thông thường đều phải trải qua hai giai đoạn cơ bản: than hóa nguyên liệu để tạo thành than và hoạt hóa than

để tạo thành than hoạt tính

1.1.2.1 Than hóa

Than hóa là quá trình dùng nhiệt để đốt cháy không hoàn toàn nguyên liệu thô nhằm phân hủy các chất hữu cơ dễ bay hơi trong đó để tạo các lỗ xốp cho than Các lỗ xốp này chính là tiền đề để bắt đầu quá trình hoạt hóa than

Trang 24

Quá trình than hóa nguyên liệu có thể thực hiện trong cả ba pha: pha rắn, pha lỏng và pha khí

Ta cần thực hiện quá trình than hóa trong điều kiện yếm khí để hạn chế hiện tượng tro hóa Thông số chính của quá trình than hóa là nhiệt độ nung và thời gian lưu nhiệt, tùy thuộc vào loại nguyên liệu ban đầu và cấu trúc lò nung Nhiệt độ nung quá cao sẽ làm than bị trơ dẫn đến quá trình hoạt hóa kém hiệu quả, thời gian lưu nhiệt quá dài sẽ làm hiệu suất tạo than thấp

1.1.2.2 Hoạt hóa

Hoạt hóa là quá trình làm mòn mạng lưới tinh thể carbon dưới tác dụng của nhiệt độ và tác chất hoạt hóa, tạo cho than có các lỗ xốp bằng một hệ thống mao quản với các kích thước khác nhau và tạo tâm hoạt động trên bề mặt than

Có hai phương pháp hoạt hóa chính: hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học

a) Hoạt hóa vật lý

Hoạt hóa vật lý là quá trình dùng các tác nhân như oxygen, hơi nước, carbon dioxide tác dụng với than để phát triển các lỗ xốp có sẵn trong than, làm tăng

độ xốp Phương pháp này thường được sử dụng cho quy mô công nghiệp

b) Hoạt hóa hóa học

Hoạt hóa hóa học là phương pháp được sử dụng để hoạt hóa than hoạt tính từ thời xưa, đến nay vẫn được sử dụng Đây là quá trình dùng các hợp chất hóa học

dễ phân hủy như zinc chloride (ZnCl2), phosphoric acid (H3PO4), potassium sulfate (K2SO4), sodium carbonate (Na2CO3), sodium hydroxide (NaOH), trộn với than rồi gia nhiệt đến nhiệt độ thích hợp trong khoảng thời gian thích hợp tùy vào mục đích

sử dụng của than hoạt tính và điều kiện của phòng thí nghiệm Các hợp chất sau khi thấm vào than sẽ làm cấu trúc than phình to ra và khi bị phân hủy chúng sẽ thoát ra khỏi bề mặt than để lại các vết nứt, các khuyết tật – đây chính yếu tố quyết định đến tính hấp phụ của than hoạt tính Theo phương pháp này, than hoạt tính có thể mang tính acid hoặc base tùy vào loại hóa chất sử dụng

Trang 25

1.1.3 Khả năng ứng dụng than hoạt tính trong thực tế [16,19]

1.1.3.1 Trong y học

Trong y học dùng loại than hoạt tính có kích thước siêu mịn, được biết đến với tên carbo medicinalis – than dược, được ứng dụng trong lĩnh vực y tế để giải độc

khi bị ngộ độc thực phẩm, để lọc máu cho người nghiện ma túy, được tạo ra thành cốm

giúp hỗ trợ tiêu hóa

1.1.3.2 Trong mỹ phẩm

Than hoạt tính được sử dụng để làm trắng răng, tẩy các chất hữu cơ ố vàng khỏi

răng Than hoạt tính được dùng trong điều chế các loại tinh dầu và nước hoa bằng cách

cho than hấp phụ mùi của loại tinh dầu đó, sau đó sẽ dùng dung môi thích hợp để thu lại mùi Một số kem trị bã nhờn, sữa rửa mặt làm sạch lỗ chân lông có than hoạt tính trong thành phần nhằm làm trôi lớp sừng già, giúp làn da trắng sáng

1.1.3.3 Trong công nghiệp

Than hoạt tính được ứng dụng trong ngành công nghiệp đường để khử màu

dung dịch làm đường trắng hơn Nó cũng được ứng dụng để khử màu trong ngành công nghiệp nhuộm Một số loại rượu được lọc qua than hoạt tính để loại bỏ

những hương vị không mong muốn

1.1.3.4 Trong sinh hoạt

Than hoạt tính được dùng để sản xuất khẩu trang hay cao cấp hơn là các loại

mặt nạ phòng độc, nó có trong các hệ thống lọc khi đặt ở nơi công cộng Than có trong

các hệ thống lọc nước, từ lọc nước uống đến nước sinh hoạt, thậm chí là lọc nước

bể cá, nó tác dụng diệt khuẩn, làm sạch, tạo độ trong

1.1.4 Cấu trúc than và các yếu tố ảnh hưởng [11]

Về mặt cấu trúc, than hoạt tính có ba đặc điểm quan trọng: cấu trúc vi tinh thể,

cấu trúc mao quản và cấu trúc hóa học carbon trên bề mặt

Trang 26

1.1.4.1 Cấu trúc vi tinh thể [11]

Cấu trúc vi tinh thể được tạo ra trong quá trình than hóa, tuy nhiên cấu trúc

vi tinh thể của than hoạt tính không giống cấu trúc của graphite

Hình 1-1 So sánh cấu trúc của than hoạt tính và graphite

Hình 1 – 1 cho thấy các lớp tinh thể trong than hoạt tính có định hướng ngẫu nhiên không theo một trật tự hay còn gọi là cấu trúc lệch mạng Nguyên nhân

hình thành cấu trúc này có thể là do trong các lớp tinh thể có lẫn các nguyên tố khác

hoặc do trong mạng tinh thể có các vết khuyết tật

Dựa vào độ bền của các liên kết ngang giữa các lớp tinh thể, than hoạt tính

được chia thành hai dạng cấu trúc: dạng graphite và không graphite hóa Dạng graphite hóa có các liên kết ngang yếu dẫn đến cấu trúc mao quản kém phát triển, còn dạng không graphite hóa các mặt tinh thể liên kết với nhau khá mạnh nên cấu trúc mao quản rất phát triển

Hình 1-2 Cấu trúc graphite hóa và không graphite hóa của than hoạt tính

Trang 27

1.1.4.2 Cấu trúc mao quản [9,11]

Nhờ các lớp vi tinh thể sắp xếp ngẫu nhiên và có các liên kết ngang bền vững

đã tạo cho than hoạt tính một cấu trúc mao quản rất phát triển Cấu trúc mao quản

được tạo ra trong quá trình than hóa và được phát triển thêm trong quá trình hoạt hóa

nhờ vào sự giải phóng các hợp chất hữu cơ và tạp chất tạo thành các lỗ rỗng

Phương pháp than hóa và bản chất nguyên liệu quyết định cấu trúc và sự phân bố

mao quản Quá trình hoạt hoá làm tăng đáng kể thể tích các mao quản

Theo IUPAC, hệ mao quản của than hoạt tính có thể phân thành 3 loại chính:

- Mao quản nhỏ (vi mao quản):

- Mao quản trung bình:

- Mao quản lớn:

với : đường kính mao quản

Hình 1-3 Cấu trúc mao quản trong than hoạt tính

Cấu trúc mao quản của than hoạt tính có dạng nhánh cây, kích thước các mao quản được đặc trưng bởi cơ chế hấp phụ Sự hấp phụ trong các mao quản nhỏ

diễn ra nhanh theo cơ chế điền đầy thể tích, sự hấp phụ trong các mao quản trung bình

diễn ra chậm hơn theo cơ chế ngưng tụ, sự hấp phụ trong các mao quản lớn thường không đáng kể so với các loại mao quản khác, khi đó nó đóng vai trò như

kênh vận chuyển

Trang 28

1.1.4.3 Cấu trúc hóa học carbon trên bề mặt [11]

Cấu trúc vi tinh thể và cấu trúc mao quản quyết định đến khả năng hấp phụ của

than hoạt tính, nhưng cấu trúc hóa học cũng có tác động đáng kể Carbon trên bề mặt

than hoạt tính có thể kết hợp với các nguyên tử khác loại tạo thành các nhóm chức

bề mặt như carbon – oxygen, carbon – hydrogen, carbon – nitrogen, carbon – halogen,

carbon – sulfur, hình thành các tính chất bề mặt đặc trưng, làm biến đổi đặc tính

bề mặt cũng như đặc điểm của loại than hoạt tính

1.2 Tổng quan về vỏ trấu [23,24]

1.2.1 Nguồn gốc vỏ trấu

Lúa là một trong năm loại cây lương thực chính của thế giới, được trồng

nhiều thứ ba trên thế giới chỉ sau ngô và lúa mì

Hình 1-4 Cây lúa và vỏ trấu

Trấu là lớp vỏ ngoài cùng bao bọc hạt gạo, chiếm khoảng 20 khối lượng

hạt thóc, được cấu tạo từ những chất xơ và cellulose Kích thước trung bình của

vỏ trấu dài và rộng

Lớp vỏ lụa có màu trắng đục hoặc đỏ nằm trong vỏ trấu và bao ngoài hạt gạo

chiếm khoảng khối lượng hạt thóc, được cấu tạo từ những tế bào diệp lục,

qua quá trình xay xát gạo gọi là cám

Mầm hay còn gọi là phôi, tùy theo giống lúa và điều kiện canh tác mà có tỉ lệ lớn

nhỏ khác nhau, thường chỉ chiếm khoảng khối lượng hạt thóc Mầm chứa nhiều chất dinh dưỡng như protid, lipid và đặc biệt là vitamine B1, loại vitamine có vai trò vô cùng quan trọng trong việc duy trì các hoạt động tương tác

của tế bào trong cơ thể, nhất là việc sản xuất năng lượng

Trang 29

Hạt gạo hay còn gọi là nội nhũ, là thành phần quan trọng nhất, chiếm đến 7 0 khối lượng hạt thóc, thành phần chủ yếu là glucid, hạt gạo càng trắng thì hàm lượng glucid càng cao

Hình 1-5 Cấu tạo của hạt thóc

Trấu là phụ phẩm của quá trình xay xát gạo, để thu được trấu phải qua một quy trình sản xuất nông nghiệp

Hình 1-6 Quy trình tạo ra trấu

Cấy Chăm bón

Gặt Xay xát

Trang 30

1.2.2 Hiện trạng vỏ trấu tại nước ta

Từ xa xưa, ở Việt Nam nói riêng và các nước phương Đông nói chung thì nông nghiệp là ngành quan trọng hàng đầu, gạo được xem là loại lương thực chính Trấu thu được khi xay lúa là phụ phẩm và được sử dụng chủ yếu làm phân ủ hay chất đốt Gần đây, do sự phát triển nhanh chóng của ngành sản xuất nhiên liệu và phân bón hóa học nên việc tận dụng trấu giảm đi đáng kể Sau mỗi vụ lúa, hàng trăm hàng ngàn tấn trấu không được sử dụng hoặc bị vứt bỏ dưới các sông ngòi, kênh rạch gây ô nhiễm trầm trọng nguồn nước

Hình 1-7 Ô nhiễm vỏ trấu trên sông

1.2.3 Các ứng dụng của vỏ trấu

1.2.3.1 Sử dụng làm chất đốt

Ưu điểm của trấu là kích thước nhỏ, rỗng bên trong, các hạt rời rạc nhau tạo diện tích tiếp xúc lớn khi cháy Nhược điểm là vỏ trấu chiếm diện tích, phải có kho, bãi chứa rộng Đây là nguồn nguyên liệu rẻ tiền lại rất dồi dào ở nước ta – đất nước được xem là cái nôi của nền văn minh lúa nước

Vỏ trấu được sử dụng làm chất đốt trong sinh hoạt, đặc biệt ở vùng nông thôn

có các loại lò được thiết kế riêng để sử dụng trấu làm chất đốt

Trang 31

Hình 1-8 Lò đốt vỏ trấu trong sinh hoạt

Trong sản xuất, vỏ trấu được sử dụng ở các làng nghề thủ công nghiệp như

Trang 32

Hình 1-10 Củi trấu nén dạng khối

1.2.3.3 Tạo các sản phẩm mỹ nghệ

Vỏ trấu được nghiền nhuyễn thành bột, trộn với keo và các chất phụ gia kết dính,

đưa vào khuôn ép ở nhiệt độ và áp suất quy định để tạo thành những sản phẩm

mỹ nghệ có giá thành rẻ hơn so với các sản phẩm gỗ Ngoài ra, vỏ trấu cũng được

sử dụng để làm tranh

Hình 1-11 Sản phẩm mỹ nghệ từ vỏ trấu

1.2.3.4 Các ứng dụng khác

Vỏ trấu còn được ứng dụng rất nhiều trong đời sống như dùng để hút ẩm

kho thóc, vỏ trấu được cho vào các túi lọc khi lấy nước vào ao nuôi trồng thủy sản

nhờ có độ nhám nên sẽ giữ lại các bụi bẩn trong nước Trấu chứa nhiều silic oxide nên

silic oxide thường được tách ra và thu hồi để điều chế sodium silicate dùng làm

phụ gia trong xi măng Vỏ trấu bổ sung chất dinh dưỡng cho đất, nhờ độ xốp cao nên

giúp cây trồng mọc rễ nhanh và phát triển ổn định Gần đây, vỏ trấu được ứng dụng

vào các nghiên cứu vật liệu nano dùng sản xuất sơn chống cháy, sơn nano, sơn kháng khuẩn, sơn tự làm sạch và sơn chống đạn

Trang 33

Ngược lại với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ, khi đó các chất

bị hấp phụ có xu hướng rời bỏ bề mặt của chất hấp phụ

1.3.1.2 Phân loại hấp phụ [5,10]

a) Hấp phụ vật lý

Hấp phụ vật lý xảy ra do lực hút Van der Waals giữa các phân tử chất hấp phụ và

bị hấp phụ, lực liên kết hydro, đây là những lực yếu nên liên kết hình thành dễ bị phá vỡ Hấp phụ vật lý luôn luôn là quá trình thuận nghịch, nó hoàn toàn tuân theo nguyên lý về chuyển dịch cân bằng của Le Chatelier Hấp phụ vật lý dễ xảy ra quá trình giải hấp phụ do có hiệu ứng nhiệt nhỏ

b) Hấp phụ hóa học

Hấp phụ hóa học xảy ra do lực liên kết hóa học giữa các phân tử, trong đó

có những lực hóa trị mạnh như liên kết công hóa trị, lực liên kết ion, liên kết phối trí, chúng liên kết với nhau tạo thành những hợp chất bề mặt mới Hấp phụ hóa học thường không thuận nghịch do năng lượng liên kết lớn, khó bị phá vỡ Hấp phụ hóa học được xem là cơ sở cho các quá trình xúc tác dị thể, trong xúc tác dị thể các lực liên kết này không được yếu quá cũng không được bền quá, nếu yếu quá thì không đủ để hình thành các liên kết mới với chất xúc tác, còn nếu bền quá chất xúc tác

sẽ trở thành một sản phẩm bền vững không còn là tác nhân trung gian nữa

Trang 34

1.3.2 Cân bằng hấp phụ [4]

Hấp phụ là một quá trình thuận nghịch Các chất bị hấp phụ khi đã được liên kết

trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể bị giải hấp phụ ngược lại Theo thời gian, đến khi

tốc độ giải hấp phụ bằng với tốc độ hấp phụ ban đầu thì ta nói hệ hấp phụ đạt trạng thái cân bằng

Một hệ hấp phụ ở trạng thái cân bằng thì lượng chất bị hấp phụ là một hàm

của nhiệt độ, áp suất hay nồng độ của chất bị hấp phụ

Trong đó: : tải trọng hấp phụ cân bằng

: nhiệt độ : áp suất : nồng độ chất bị hấp phụ

1.3.2.1 Tải trọng hấp phụ cân bằng

Tải trọng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị

khối lượng chất hấp phụ khi hệ ở trạng thái cân bằng với nhiệt độ và nồng độ xác định

: nồng độ dung dịch ban đầu của chất bị hấp phụ

: nồng độ dung dịch cân bằng của chất bị hấp phụ : thể tích dung dịch chất bị hấp phụ

: khối lượng chất bị hấp phụ Ngoài ra, ta có thể biểu diễn tải trọng hấp phụ theo khối lượng chất hấp phụ

trên một đơn vị diện tích bề mặt chất hấp phụ

Với : diện tích bề mặt riêng của chất hấp phụ

Trang 35

Phương trình này được thiết lập từ các giả thiết sau:

- Những tiểu phân bị hấp phụ liên kết với những trung tâm hấp phụ xác định trên bề mặt chất hấp phụ

- Một tâm hấp phụ chỉ có thể liên kết với một tiểu phân bị hấp phụ

- Các tiểu phân bị hấp phụ không tương tác lẫn nhau

- Bề mặt hấp phụ là đồng nhất, năng lượng hấp phụ trên các tâm là như nhau

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:

: tải trọng hấp phụ cực đại : nồng độ dung dịch cân bằng của chất bị hấp phụ : hằng số cân bằng hấp phụ

Phương trình Langmuir được tuyến tính như sau:

(

) hoặc

Trang 36

: nồng độ dung dịch cân bằng của chất bị hấp phụ : các hằng số thực nghiệm

Phương trình Langmuir được tuyến tính như sau:

1.3.3.2 Các đường hấp phụ đẳng nhiệt [2]

Năm 1940, Stephen Brunauer (1903 – 1986), William Edwards Deming (1900 –

1993) và Edward Teller (1908 – 2003) phân các đường hấp phụ đẳng nhiệt thành

năm loại dựa trên các kết quả phân tích số liệu thực nghiệm

Trang 37

Loại I là dạng hấp phụ đơn lớp, chỉ chứa các mao quản nhỏ, tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, Freundrich

Loại II là dạng hấp phụ lên các vật rắn không xốp, thường thấy trong hấp phụ vật lý, trên bề mặt của chất hấp phụ rắn thường có nhiều lớp phân tử chất bị hấp phụ

Loại III cũng là dạng hấp phụ lên các vật rắn không xốp, có đặc trưng là nhiệt hấp phụ bằng hoặc thấp hơn nhiệt ngưng tụ của chất bị hấp phụ

Loại IV và V giống với sự hấp phụ loại II và III nhưng có kèm hiện tượng ngưng tụ mao quản

Loại IV gồm một đoạn cong lõm nằm giữa hai đoạn cong lồi, đoạn lõm biểu thị vùng hấp phụ nhiều lớp, đoạn lồi phía trên ứng với hiện tượng ngưng tụ mao quản, đoạn lồi phía dưới biểu thị vùng hấp phụ một lớp

Loại V có đặc trưng là sự tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ mạnh hơn tác dụng của lực hấp phụ

Trang 38

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương tiện nghiên cứu

Trang 39

Hình 2-2 Thiết bị dùng trong thí nghiệm

Cân sấy ẩm

Tủ sấy

Trang 40

2.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu [12,13,14,18,22]

2.2.1 Quy trình điều chế than hoạt tính

Hình 2-3 Quy trình điều chế than hoạt tính từ vỏ trấu

2.2.2 Mô tả quy trình

2.2.2.1 Nguyên liệu và xử lý sơ bộ

Trấu được lấy từ Nhà máy xay xát lúa gạo Đức Thành, khu vực Thới Trinh A,

phường Thới An, quận Ô Môn, thành phố Cần Thơ

Trấu thô lấy về được sàng qua rây nhằm loại bỏ bớt các tạp chất như cỏ rác lẫn vào và được rửa sạch bằng nước để loại bỏ bụi bẩn rồi được phơi khô để sử dụng

cho các công đoạn tiếp theo

2.2.2.2 Than hóa trấu

Trấu được cân trong cốc sứ rồi dùng đất sét trắng trám ngoài miệng cốc nhằm ngăn trấu tiếp xúc với không khí, tạo môi trường yếm khí khi nung, các mẫu than tạo ra trong thí nghiệm được nung ở nhiệt độ 400 – 450 – 500 – 550

kết hợp với các khoảng thời gian 30 – 35 – 40 – 45 phút

Trấu thô Rửa sạch bụi, phơi khô 400 - 550

Sấy khô

Than hoạt tính

Định dạng
Số trang	118
Dung lượng	7,42 MB