Nghiên cứu điều chế và ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu cơ

Mục tiêu của đề tài là: + Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình điều chế than hoạt tính từtre như nhiệt độ, tác nhân và thời gian hoạt hoá đến chất lượng của than thànhphẩm.. C

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm môi trường đang là vấn đề nóng, được quan tâm bởi tất cả các quốcgia trên thế giới đặc biệt trong những năm gần đây Việc sử dụng nhiên, nguyên vậtliệu, sự phát thải các chất gây ô nhiễm ra môi trường trước hết ảnh hưởng trực tiếptới sức khoẻ con người, tiếp đó là sự suy thoái môi trường, biến đổi khí hậu đã gâythiệt hại rất lớn về con người và tài sản cho nhiều quốc gia

Benzen là hợp chất gây độc đối với con người và các hệ sinh thái Benzenđược sử dụng rất rộng rãi trong đời sống con người Sau quá trình sử dụng benzenphát tán ra ngoài môi trường trong cả ba thành phần môi trường khí, nước và đất

Do tồn tại chủ yếu ở dạng khí nên các phương pháp xử lý benzen được sử dụng chủyếu là phương pháp hấp phụ lên bề mặt các vật thể rắn Các hợp chất thông dụngnhư: than hoạt tính, rây phân tử, silicagel, nhôm hoạt tính

Than hoạt tính là một trong những vật liệu hấp phụ được sử dụng rộng rãitrong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như khai thác, chế biến dầu mỏ, côngnghiệp dệt, công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, xử lý môi trường Ngoài ra nó còn

là nguyên liệu chính để sản xuất hộp lọc phòng độc dùng trong quân sự và cácngành kinh tế khác nhau

Hiện nay, việc sử dụng than hoạt tính vào mục đích xử lý môi trường ngàycàng phổ biến và nhu cầu ngày càng tăng Tuy nhiên nguồn nguyên liệu để sản xuấtthan hoạt tính chủ yếu từ nguồn nguyên liệu than đá hóa thạch và nguồn nguyênliệu là gỗ cứng đang ngày càng cạn kiệt và việc khai thác gây ảnh hưởng tới môitrường, đặc biệt là nguy cơ gây biến mất các cánh rừng trên khắp thế giới Do đóviệc tìm một nguồn nguyên liệu thay thế đang là vấn đề được quan tâm và sự tậptrung này đang được tập trung vào than tre từ đầu những năm 1980 [26] Nguồnnguyên liệu than tre được đặc biệt quan tâm với khả năng là nguồn nguyên liệu thaythế tiềm năng do những nguyên nhân sau:

+ Các nghiên cứu ban đầu cho thấy tre có hàm lượng xenlulo (40% đến 50%),hemixenlulo (20% đến 30%) và lignin (15% đến 35%) lớn hơn gỗ mềm và tương

đương với gỗ cứng (thành phần tạo nên gỗ) Than sản xuất từ tre có bề mặt riênglớn tương đương với than gỗ và vận tốc hấp phụ cao.

+ Tre là loài thực vật có vùng phân bố tương đối lớn trên thế giới với ướctính khoảng 22 triệu hecta và có thời gian phát triển để có thể thu hoạch ngắn từ 4 -

8 năm [15]

+ Việc khai thác ít làm ảnh hưởng tới rừng và môi trường sinh thái

Cho đến nay, các tính chất vật lý và hóa học của gỗ từ tre đã được nghiêncứu rất nhiều để phục vụ cho công tác sản xuất than hoạt tính, tuy nhiên các nghiêncứu này chỉ bước đầu bao gồm các nghiên cứu tổng quan về các loài tre và một sốloài cụ thể [18, 23, 26] Do vậy việc nghiên cứu tính chất cũng như các điều kiện tối

ưu để sản xuất than hoạt tính từ những loài tre cụ thể phục vụ cho những mục đích

cụ thể khác nhau là còn thiếu và rất cần thiết

Ở nước ta tre được phân bố tương đối rộng ở cả 3 miền trong cả nước Hiệnnay việc nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất than hoạt tính có chất lượng cao

từ các nguồn nguyên liệu trong nước còn hạn chế, nguyên liệu từ gáo dừa hiện nayđang được sử dụng nhiều nhất và có khả năng sẽ không đáp ứng được nhu cầu trongtương lai Đặc biệt việc sản xuất than hoạt tính dùng cho mục đích hấp phụ các hợp

chất hữu cơ từ khí thải còn ít được quan tâm Vì vậy việc chọn đề tài: “Nghiên cứu điều chế và ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu cơ” sẽ góp

phần giải quyết những vấn đề đã đặt ra

Mục tiêu của đề tài là:

+ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng trong quá trình điều chế than hoạt tính từtre như nhiệt độ, tác nhân và thời gian hoạt hoá đến chất lượng của than thànhphẩm Trên cơ sở đó xác định được các yếu tố tối ưu cho việc sản xuất than hoạttính từ tre có chất lượng cao dùng trong mục đích xử lý môi trường

+ Nghiên cứu động học và động lực học hấp phụ hơi benzen và một số yếu

tố ảnh hưởng tới than được điều chế để tạo điều kiện áp dụng vào thực tế xử lý môitrường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Than hoạt tính cấu trúc và tính chất

1.1.1 Một vài nét về than hoạt tính

Các nguyên liệu chứa các bon được điều chế một cách đặc biệt nhằm loại bỏcác chất có nhựa và tạo ra các lỗ xốp trong chúng được gọi là than hoạt tính Thanhoạt tính có thành phần chủ yếu là các bon chiếm 85% đến 95%, thành phần còn lại

là các hợp chất vô cơ [3, 4]

Than hoạt tính được điều chế từ các nguyên liệu khi đốt cháy cho ta các bon

Do vậy nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính khá phong phú Ví dụ cácnguyên liệu có nguồn gốc động vật như các loại xương, thịt, da; các loại có gốcthực vật như các loại cây, các loại quả, sọ dừa, gỗ, mạt cưa; các loại có nguồn gốc

từ than mỏ như than antraxit, than bùn, than nâu, than bán cốc, hoặc từ các hợp chấthữu cơ như polime, lignin, dầu mỏ

Than hoạt tính đã được phát hiện và nghiên cứu vào thời gian cuối thế kỷ 18.Trong thế kỷ 19 than hoạt tính được ứng dụng để lọc sạch khí và tẩy màu TrongĐại chiến Thế giới Lần thứ Nhất, lần đầu tiên than hoạt tính đã được sử dụng làmvật liệu lọc độc trong mặt nạ phòng độc [3, 4]

Ở nước ta than hoạt tính bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 60 của thế

kỷ 20 Nghiên cứu đầu tiên là ở Viện Hoá học Công nghiệp với than hoạt tính từantraxit, gáo dừa, bã mía, tiếp đó là các nghiên cứu của Viện Hoá học Công nghiệp

và Trung tâm Nghiên cứu Than hoạt tính, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Cáckết quả nghiên cứu đã được triển khai ở quy mô pilot [3, 12]

Hiện nay than hoạt tính đã được sử dụng rộng rãi trong hầu khắp mọi lĩnhvực khoa học, quân sự và đời sống Tùy theo mục đích sử dụng, hiện có một số loạithan hoạt tính như sau: Than lọc khí - hơi, than tẩy màu, than lọc nước, than trao đổiion,… ở dạng hạt dập, hạt ép hoặc dạng bột

1.1.2 Cấu trúc của than hoạt tính

* Cấu trúc tinh thể

Theo các kết quả nghiên cứu của Rơngen thì than hoạt tính được cấu trúc bởicác vi tinh thể các bon Các vi tinh thể này liên kết với nhau tạo thành các lớp, trongcác lớp nguyên tử các bon xếp thành hình 6 cạnh Tuy nhiên trong than hoạt tính,các lớp vi tinh thể xắp xếp không có trật tự như cấu trúc mạng lưới tinh thể củagraphít

* Phân bố lỗ xốp trong than hoạt tính [3, 5, 8, 12]

Than hoạt tính được đặc trưng bởi cấu trúc xốp đa phân tán tạo nên các kẽ hở(lỗ xốp) có kích thước và sự phân bố theo thể tích lỗ theo kích thước

Theo Dubinin và các cộng sự thì than hoạt tính là chất hấp phụ xốp có bề mặtbên trong phát triển (600 m2/g đến 900 m2/g) Do vậy than hoạt tính có khả nănghấp phụ rất cao Dựa vào kích thước và vai trò trong quá trình hấp phụ mà các lỗtrong than hoạt tính được phân loại như sau:

Lỗ nhỏ với bán kính r < 6 đến 7 A0

Lỗ bán nhỏ từ 6 đến 7 < r < 15 đến 16 A0

Lỗ trung từ 15 đến 16 < r < 1000 đến 2000 A0

Lỗ lớn r > 1000 đến 2000 A0

Sự phân bố thể tích của các loại lỗ trong than hoạt tính như sau:

Thể tích lỗ nhỏ khoảng từ 0,2 đến 0,6 cm3/g Lỗ nhỏ của than đóng vai tròchủ yếu trong hấp phụ vật lý Sự hấp phụ trong lỗ nhỏ diễn ra theo cơ chế lấp đầythể tích không gian hấp phụ

Lỗ trung có thể tích từ 0,02 đến 0,15 cm3/g, bề mặt riêng từ 20 đến 70 m2/g.Trên bề mặt lỗ trung xảy ra sự hấp phụ đơn và đa phân tử, kết thúc bằng sự lấp đầythể tích lỗ theo cơ chế ngưng tụ mao quản

Lỗ lớn trong than hoạt tính có thể tích từ 0,2 đến 0,5 cm3/g Lỗ lớn không có

sự ngưng tụ mao quản Sự hấp phụ trên bề mặt lỗ lớn không có ý nghĩa thực tế vìdiện tích bề mặt riêng nhỏ nhất trong các lỗ xốp Trong lỗ lớn quá trình hấp phụđóng vai trò là các kênh vận chuyển mà theo đó các chất bị hấp phụ thấm sâu vàotrong các lỗ trung và lỗ bé

Hệ thống lỗ có cấu trúc phân nhánh, lỗ trung là nhánh của lỗ lớn, lỗ nhỏ lànhánh của lỗ trung

Khi hấp phụ khí – hơi cũng như các chất có kích thước phân tử nhỏ hơn lỗxốp nhỏ thì lỗ xốp nhỏ đóng vai trò hấp phụ chủ yếu Lỗ lớn và lỗ trung là các kênhvận chuyển

Trường hợp hấp phụ các chất có kích thước phân tử lớn hơn lỗ xốp nhỏ từdung dịch thì lỗ trung đóng vai trò hấp phụ chủ yếu, lỗ bé hấp phụ kém hơn, lỗ lớnđóng vai trò là kênh vận chuyển

Ngoài ra lỗ lớn và lỗ trung còn làm nền để tẩm lên than hoạt tính các chấtphụ gia để phục vụ cho từng mục đích riêng biệt

Theo Dubinin và Serpinsky, khi hàm lượng oxy từ 2 đến 3% thì phần đượcphủ bởi đơn lớp oxy chiếm 4% diện tích bề mặt than hoạt tính Một số tác giả kháccho rằng hàm lượng oxy lớn (khoảng 12%) thì phần diện tích được phủ bởi đơn lớpoxy sẽ đạt từ 19 đến 20%

Khi hấp phụ oxy ở nhiệt độ thường trên bề mặt than hoạt tính tạo thành cácoxyt bề mặt mang tính bazơ Do sự hydrat hoá sẽ tạo thành các nhóm hydroxyl bề

mặt (– OH) Các oxyt bề mặt có tính axit được tạo thành do sự hấp phụ hoá học ởtrên than hoạt tính ở nhiệt độ cao hơn (350 – 4500C) Khi hydrat hoá sẽ tạo thànhcác nhóm cacboxyl bề mặt (– COOH).

Tính chất và nồng độ oxyt bề mặt có ảnh hưởng tới trạng thái hấp phụ củathan hoạt tính Các oxyt bề mặt mang tính axit tạo cho bề mặt than hoạt tính ưanước biểu hiện ở độ hấp phụ hơi nước cao ở P/Ps nhỏ

Các nghiên cứu về sự oxy hoá than hoạt tính cho thấy khi mức độ oxy hoátăng, hàm lượng các nhóm – OH, – COOH đều tăng và tính chất axit của bề mặtthan hoạt tính cũng tăng theo mức độ oxy hoá Ngoài các nhóm chức nêu trên, trên

bề mặt than hoạt tính oxy hoá còn chứa các nhóm chức kiểu phenol, lacton, quinon

Các nghiên cứu về nhiệt hấp phụ chỉ ra rằng trên than hoạt tính khi độ hấpphụ nhỏ, nhiệt hấp phụ vi phân rất lớn Khi độ hấp phụ tăng nhiệt hấp phụ giảm dần

và không đổi Điều đó chứng tỏ bề mặt của than hoạt tính không đồng nhất về mặtnăng lượng Kết quả này có thể thấy được giải thích do than hoạt tính có chứa các lỗxốp có kích thước khác nhau, do vậy có trường lực hấp phụ khác nhau và có chứacác tâm hấp phụ là các nhóm chức bề mặt [3, 8, 22]

Dubinin và Frunkin tiếp tục nghiên cứu chi tiết bề mặt than hoạt tính và bảnchất quá trình tác động của oxy Các tác giả này cho rằng oxy được hấp phụ lênthan theo hai cơ chế hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học

Rất nhiều các kết quả nghiên cứu cho thấy sự có mặt của các oxyt trên thankhông ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ vật lý các chất khí – hơi không phân cực.Trái lại khả năng hấp phụ các chất phân cực của than hoạt tính tăng lên rõ rệt nhờđặc tính axit của hợp chất bề mặt

Bruns và Maximov xác định: hợp chất có tính bazơ được than hấp phụ mạnhhơn đáng kể so với các hợp chất cơ tính axit và trung tính trên than có đặc tính axit.Các tác giả cũng cho biết đặc tính axit không ảnh hưởng tới sự hấp phụ hợp chấthữu cơ mạch hydrocacbon Tuy vậy trong dung dịch nước, tính ưa nước của than

Các oxyt bề mặt ảnh hưởng không đáng kể tới khả năng hấp phụ hơi benzennhưng làm dịch chuyển đường đẳng nhiệt hấp phụ về phía áp suất thấp.

1.1.3 Những quy luật hấp phụ trên than hoạt tính

Đặc trưng cho sự hấp phụ vật lý của than hoạt tính là cơ chế lấp đầy lỗ bé

Cơ chế này được mô tả bằng thuyết Polany – Dubinin Ngoài ra sự hấp phụ còn xảy

ra theo cơ chế ngưng tụ mao quản và hấp phụ bề mặt

1.1.3.1 Thuyết Polany – Dubinin [1, 4, 12]

Thuyết này cho rằng trên bề mặt chất hấp phụ bao giờ cũng chứa một trườnglực gọi là trường hấp phụ Độ lớn của trường được biểu thị bằng thế hấp phụ  Thếhấp phụ này tỷ lệ nghịch với lập phương khoảng cách từ bề mặt Trên bề mặt chấthấp phụ chứa nhiều mặt đẳng thế

Đại lượng hấp phụ không thay đổi khi đi xa bề mặt của thành lỗ bé, lượnghấp phụ tăng lên cho đến khi lỗ bé bị lấp đầy, khi đó thể tích không gian hấp phụđược tính:

trong đó:

a – đại lượng hấp phụ (mmol/g);

v – thể tích mmol của chất bị hấp phụ (cm 3 /mmol).

Polany đã đưa ra khái niệm thế hấp phụ, là công mang một mol hơi chất bịhấp phụ ở tướng thể tích ở áp suất P đến bề mặt chất hấp phụ tạo ra một màng nén.Thế hấp phụ được tính:

trong đó:

P s – áp suất hơi bão hoà của thiết bị hấp phụ (mmHg);

P – áp suất cân bằng hấp phụ (mmHg);

R – hằng số khí;

T – nhiệt độ tuyệt đối (K).

Đối với than hoạt tính phương trình (1.1) có dạng:

Thuyết lấp đầy lỗ bé của Dubinin có một số hạn chế nhất định Từ thựcnghiệm thấy rằng đường đẳng nhiệt Dubinin không tuyến tính ở vùng áp suất cao vàlệch về phía giá trị cao của trục tung Nguyên nhân là do khi ở áp suất cao sự hấpphụ còn xảy ra theo cơ chế ngưng tụ mao quản và sự hấp phụ trên mặt phẳng Ngoài

ra thuyết Dubinin không đề cập đến sự hấp phụ trong lỗ chuyển tiếp và trên bề mặt

mà hiện tượng này xảy ra trong thực tế của quá trình hấp phụ

 Sự hấp phụ bao giờ cũng tiến tới trạng thái cân bằng hấp phụ.

s m

P

P C

P P

P

P C a a

)1(11

m s

s

P

P C a

C C a P

P a

1

(1.13)

Phương trình 1.13 chỉ đúng trong khoảng giá trị P/Ps = 0,05 – 0,35 Đây là ápsuất diễn ra quá trình hấp phụ vật lý xảy ra trên bề mặt các lỗ xốp nhỏ do vậyphương trình này được sử dụng để tính bề mặt riêng của chất hấp phụ.

Tuy nhiên theo thuyết này thì nhờ các trung tâm hấp phụ và lực liên kết giữacác phân tử chất bị hấp phụ với nhau mà số lớp hấp phụ có thể là vô hạn Song thực

tế sự hấp phụ chỉ bao gồm một số lớp nhất định Ngoài ra trong thực tế bề mặt cácchất hấp phụ thường không đồng nhất về mặt năng lượng Đó là những hạn chế củathuyết BET

1.1.3.3 Hấp phụ ở áp suất cao – Phương trình Kelvin [1, 4, 12]

Khi áp suất tương đối lớn, sự hấp phụ xảy ra theo cơ chế ngưng tụ mao quảntrong các lỗ trung, lớp hấp phụ trên thành lỗ dầy lên, chạm vào nhau và khép kín lạithành mặt khum lõm của chất lỏng bị hấp phụ

Kelvin đã đưa ra phương trình mô tả cơ chế này như sau:

v P

P s , (1.14)trong đó:

P – áp suất cân bằng trên mặt khum lõm trong mao quản (mmHg);

P s – áp suất hơi bão hoà (mmHg);

Dấu (–) thể hiện áp suất hơi bão hoà của chất lỏng trên bề mặt lõm luôn luôn nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà của chất lỏng trên bề mặt phẳng.

Như vậy, theo phương trình thì khi r càng nhỏ thì sự giảm áp suất càng lớn

Do đó trong những mao quản hẹp thì sự ngưng tụ sẽ xảy ra ở áp suất thấp hơn sovới áp suất bão hoà Chính nguyên nhân này đã dẫn tới đường đẳng nhiệt hấp phụ

và giải hấp không đồng nhất và có vòng trễ, nhánh giải hấp phụ cao hơn nhánh hấpphụ ở tại các giá trị P/Ps tương ứng

Người ta ứng dụng phương trình Kelvin để nghiên cứu sự phân bố lỗ củachất hấp phụ xốp nói chung và của than hoạt tính nói riêng

1.1.3.4 Thuyết Langmuir [1, 3, 12]

Theo Langmuir thì trên bề mặt chất hấp phụ có những trung tâm hấp phụ gọi

là những điểm cơ bản Các điểm cơ bản này có khả năng hấp phụ chỉ duy nhất mộtphần tử chất bị hấp phụ và hình thành một lớp đơn phân tử chất bị hấp phụ Số điểm

cơ bản càng nhiều thì hoạt độ của chất hấp phụ càng cao

Langmuir đã đưa ra phương trình đẳng nhiệt hấp phụ như sau:

a =

h k

h k a







 1

0 , (1.15)

trong đó:

h – áp suất tương đối P/Ps;

a – đại lượng hấp phụ (mmol/g);

a m – Đại lượng hấp phụ tới hạn đơn lớp (mmol/g);

K – hệ số, là hàm của nhiệt độ.

Ở vùng áp suất thấp phương trình 1.15 có thể viết:

a = am  k  P (1.16)

Còn ở vùng áp suất cao thì:

a = am (1.17)Phương trình 1.16 cho ta thấy ở vùng áp suất thấp lượng chất bị hấp phụ phụthuộc tuyến tính vào áp suất Còn ở vùng áp suất cao thì đại lượng hấp phụ đạt giátrị không đổi và không phụ thuộc áp suất

1.1.3.5 Sự hấp phụ hơi nước trên than hoạt tính [3, 12]

Do có cấu trúc bề mặt không phân cực nên than hoạt tính là một chất kỵnước, nhưng thực tế cho thấy nó lại hấp phụ hơi nước rất mạnh Các nghiên cứu chothấy trên bề mặt than hoạt tính có chứa các nhóm chức mà thành phần có oxy.Trong quá trình hấp phụ hơi nước, các nhóm chức này là các tâm hoạt động Chínhcác nhóm chức này đã tạo khả năng hấp phụ hơi nước của than Hơi nước hấp phụlên than hoạt tính tạo thành nhiều lớp nhờ có cấu trúc liên kết hydro tạo ra giữa cácphân tử nước với nhau Các lớp phân tử nước hình thành dầy lên che phủ các tâmhoạt động vì vậy ngăn cản sự hấp phụ các chất khác Ngoài ra còn xảy ra sự ngưng

tụ hơi nước trong các lỗ trung làm giảm khả năng hấp phụ khí hơi trong lỗ bé củathan

Đường đẳng nhiệt hấp phụ hơi nước của than hoạt tính có dạng chữ “S” và

có vòng trễ Vòng trễ rộng và dựng đứng Quá trình hấp phụ có tính chất trung giangiữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học do có sự hình thành liên kết với các tâmhoạt động Đường đẳng nhiệt hấp phụ hơi nước tăng chậm và thoải hơn so với đẳngnhiệt hấp phụ các hơi hữu cơ

2 Gi¶i hÊp

1 HÊp phô

1

2 2

Hình 1.1 Dạng đường cong đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp

hơi benzen (a) và hơi nước (b) trên than hoạt tính.

Sự hấp phụ hơi nước ở vùng P/Ps nhỏ có thể mô tả bằng phương trình sau:

h c

h c a a

0

, (1.18)

trong đó:

a – độ hấp phụ ở áp suất tương đối h = P/P s (mmol/g);

a 0 – số tâm hấp phụ hơi nước sơ cấp trên bề mặt than (mmol/g);

c – hằng số.

Giá trị a0 được xác định theo phương trình sau:

h a a c a

1.1.4 Động lực học của quá trình hấp phụ trong cột [3, 12]

Trong thực tế xử lý khí, hơi thải, quá trình hấp phụ diễn ra trong điều kiệnđộng Đó là sự hấp phụ xảy ra dưới điều kiện dòng chảy (điều kiện động lực) Khí,

hơi chảy qua cột than với một tốc độ nhất định Quá trình hấp phụ kết thúc khi saucột xuất hiện nồng độ bằng nồng độ ban đầu.

Để đánh giá độ hoạt động động lực của than hoạt tính người ta đưa ra kháiniệm “khả năng làm việc” Khoảng thời gian tính từ khi cho hỗn hợp chất bị hấpphụ có nồng độ C0 chảy qua lớp than hoạt tính có tiết diện S, chiều dài L, với vậntốc v cho đến khi sau cột xuất hiện nồng độ chất ứng với ngưỡng cho phép gọi làthời gian làm việc của than

Silop đã đưa ra phương trình thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa thời gianlàm việc và độ dài tầng hấp phụ như trên Hình 1.2

to

0

C

A B

Lc Lo

Hình 1.2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thời gian làm việc

của than hoạt tính vào chiều dài lớp

Đồ thị 1.2 là sự mô tả quá trình hấp phụ động lực (đường cong OABC) quátrình gồm các giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: ứng với sự lọt qua tức thời của chất trên đoạn Lc – gọi là lớpchết Nồng độ đầu C0 phân bố đều trong lớp với tốc độ bằng tốc độ thẳng của dòngchảy

+ Giai đoạn 2: tiếp đó cho đến khi bão hoà lớp chính diện gọi là chu kỳ hìnhthành chính diện hấp phụ (đoạn L ) Nồng độ trong lớp giảm từ C đến C

+ Giai đoạn 3: tiếp theo là dòng hỗn hợp chảy qua cột với tốc độ không đổi(L > L0), sự hấp phụ là ổn định Kéo dài đoạn tuyến tính cắt trục hoành tại điểm A

ta có giá trị h0 – là tầng hấp phụ không sử dụng của cột

Silop đã chỉ ra rằng thời gian làm việc của tầng hấp phụ tỷ lệ thuận với chiềudài tầng hấp phụ L

t = k  L – t0, (1.20)trong đó:

t 0 – sự tổn thất thời gian làm việc (phút);

k – hệ số thời gian làm việc Hệ số k được tính

k =

0

0 0

c v

c a



, (1.21)

a

 (1.22)

1.1.4.3 Ảnh hưởng của độ ẩm tới khả năng làm việc của than hoạt tính

Như phần trên đã đề cập, than hoạt tính có khả năng hấp phụ hơi nước rấtmạnh, dù có bảo quản tốt đến đâu thì trong than thường chứa 2 – 3% ẩm Khi chothan hút nước đến bão hòa, có loại than hút được hơn 100% ẩm

Sự hấp phụ hơi nước của than hoạt tính gây ra sự hấp phụ cạnh tranh trên bềmặt than hoạt tính đối với các hơi, khí độc khác Vì lẽ đó mà làm giảm khả nănglàm việc của cột than hoạt tính

Để tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm tới khả năng làm việc của lớpthan hoạt tính người ta tiến hành thí nghiệm hấp phụ động lực với sự thay đổi của

độ ẩm của hỗn hợp khí, hơi Dubinin thấy rằng khi khí, hơi có độ ẩm cao, khả nănglàm việc của cột than giảm rất nhiều Hỗn hợp khí, hơi chứa 75% độ ẩm tương đốithì khả năng làm việc đối với clorua-etyl giảm đi 4 lần so với lúc độ ẩm bằngkhông Thí nghiệm hấp phụ benzen lên cột than hoạt tính có độ ẩm thay đổi cho kếtquả như trong Bảng 1.1 [13]

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của độ ẩm hỗn hợp khí, hơi đến khả năng làm việc

của than hoạt tính đối với benzen (nồng độ benzen là 18 mg/l)

Một vấn đề khoa học còn tồn tại là tìm một quan hệ toán học có tính tổngquát để biểu thị ảnh hưởng của độ ẩm đến khả năng làm việc của than hoạt tính

1.1.5 Điều chế than hoạt tính

Như đã biết, nguồn nguyên liệu để điều chế than họat tính rất đa dạng vàphong phú Công nghệ để nhận được than hoạt tính từ các nguồn nguyên liệu khácnhau cơ bản phải trải qua các công đoạn sau:

1.1.5.1 Than hoá

Mục đích của than hoá là dùng nhiệt để phân huỷ nguyên liệu đưa nó vềdạng các bon đồng thời làm bay hơi một số hợp chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban đầucho than Chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hoá than

Đây là quá trình cháy để tạo các bon Vì vậy trong lò cần có một lượngkhông khí nhất định Để tránh hiện tượng tro hoá người ta than hoá trong môitrường khí trơ, trong lò yếm khí hoặc chân không Nhiệt độ than hoá 350 – 5000C

trong khoảng thời gian 30 – 45 phút tuỳ thuộc vào nguyên liệu ban đầu Nhiệt độthan hoá quá cao làm cho than bị trơ khó hoạt hoá Thời gian kéo dài lượng mất mát

sẽ lớn, hiệu quả than hoá thấp [3, 13]

1.1.5.2 Hoạt hoá

Hoạt hoá là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể các bon dưới tác dụng củanhiệt và tác nhân hoạt hoá, tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kích thướckhác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt

Quá trình hoạt hoá là phản ứng hoá học không hoàn toàn của các bon với tácnhân hoạt hoá Có hai phương pháp hoạt hoá chính như sau:

* Phương pháp vật lý hay còn gọi là phương pháp khí – hơi

Phương pháp này cho năng suất cao, giá thành hạ, ít ăn mòn thiết bị Tácnhân hoạt hoá thường dùng là khí cacbonic, hơi nước và oxi không khí

+ Hoạt hoá bằng oxi không khí

Đây là phản ứng phát nhiệt nhưng cần phải cung cấp nhiệt ban đầu Bề mặtthan thường tạo thành một số nhóm chức, điều này thuận lợi cho việc điều chế thanoxy hóa Sản phẩm than hoạt tính có nhiều lỗ to và lỗ trung, sử dụng tẩy màu vàtrao đổi ion tốt

Quá trình hoạt hoá có thể biểu diễn bằng phương trình:

Cn + O2  CO + Cn-1 + Q (thiếu oxy)

Cn + O2  CO2 + Cn-1 + Q (thừa oxy)Ngoài ra nhiệt độ hoạt hoá cũng ảnh hưởng đến cơ chế phản ứng:

Cn + O2  2CO + Cn-1 ở 800 - 9000C

Cn + O2  CO2 + Cn-1 ở dưới 6000CNói chung phương pháp hoạt hoá bằng oxy cho than có chất lượng khôngcao

+ Hoạt hoá bằng hơi nước

Khi nhiệt độ trên 7500C hơi nước có tính oxy hoá, phản ứng hoạt hoá xảy ranhư sau:

Cn + H2O  CO + Cn-1 + H2 – QPhản ứng khó khảo sát vì xẩy ra ở nhiệt độ cao và tạo nhiều sản phẩm phụkhác, ví dụ:

C + H2O  CO + H2

CO + C(O)  CO2 + CHydro sinh ra ức chế quá trình phản ứng, than thu được có lỗ bé phát triển.+ Hoạt hoá bằng CO2

Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao (trên 8500C) Phản ứng xảy ra theo hai cơchế

A: C + CO2  CO + C(O)

C(O)  CO

CO + C  C(CO)B: C + CO2  CO + C(O)

C(O)  CO

Hoạt hoá bằng hơi nước và CO2 đòi hỏi phản ứng cấp nhiệt liên tục vì đó làphản ứng thu nhiệt [3, 8].

1.2 Ô nhiễm benzen và các phương pháp xử lý

1.2.1 Nguồn gốc, ô nhiễm môi trường và độc tính của benzen

Benzen được điều chế chủ yếu từ quá trình trưng cất than đá và dầu mỏ.Benzen được ứng dụng rộng rãi trong đời sống do đó nguồn gốc phát thải benzenvào môi trường cũng rất đa dạng,

Nguồn gây ô nhiễm môi trường có thể từ nguồn tự nhiên hoặc các hoạt độngsinh hoạt và công nghiệp của con người Tuy nhiên benzen phát tán ra môi trườngchủ yếu từ các hoạt động của con người Benzen được phát tán ra ngoài môi trường

từ các quá trình đốt cháy xăng dầu, từ chất thải chứa benzen, bốc hơi từ các trạmxăng dầu, bốc hơi từ các quá trình sản xuất công nghiệp có sử dụng benzen nhưcông nghiệp sơn, thuốc bảo vệ thực vật, dược liệu Khói thuốc lá là một nguồn phátthải benzen tương đối lớn Theo số liệu điều tra thì ở Mỹ 50% có tiếp xúc vớibenzen có nguồn gốc từ khói thuốc lá [15]

Benzen phát tán trong cả 3 thành phần môi trường đất, nước và không khí.Benzen được phát tán vào trong không khí bởi các nguyên nhân đã nêu trên Khivào môi trường không khí chúng có xâm nhập vào đất hoặc nước thông qua quátrình mưa hoặc cuốn theo bụi Trong môi trường đất, benzen có thể xâm nhập docác chất thải chứa benzen, do rò rỉ nhiên liệu từ các kho chứa

Benzen xâm nhập vào cơ thể nguời chủ yếu qua đường hô hấp Một phầnnhỏ có thể xâm nhập qua đường tiêu hóa do ăn, uống vào thực phẩm có chứabenzen Ngoài ra benzen có thể xâm nhập vào cơ thể thông qua tiếp xúc qua da Khitiếp xúc qua da benzen sẽ đi vào máu và phát tán khắp nơi trong cơ thể Chúng sẽtích tụ tạm thời ở tủy và mô mỡ

Bảng 1.2 Liều lượng gây độc qua đường hô hấp [15, 20]

> 200 Siêu cấp tính, tử vong – chết sau vài phút

> 60 Cấp tính, có thể tử vong – chết sau vài phút hôn mê, co giật

20 – 30 Cấp tính (hôn mê sau 20 đến 30 phút) – kích thích thần kinh,

suy sụp, trụy tim

10 Bán cấp tính – sau vài giờ cảm giác chóng mặt, nhức đầu,

Phương pháp đốt được áp dụng với các kỹ thuật: đốt trực tiếp, đốt trongbuồng đốt và đốt có sử dụng xúc tác

Phản ứng cháy trong quá trình đốt benzen xảy ra như sau:

C6H6 + 7,5 O2  6 CO2 + 3H2O (500 – 700oC)

C6H6 + 7,5 O2  6 CO2 + 3H2O (xúc tác Pt/Al2O3; 260 – 460oC)

1.2.1.2 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp xử lý hơi benzen được sử dụng chủ yếu là phương pháp hấpphụ benzen từ pha lỏng hay khí lên bề mặt vật thể rắn Các chất hấp phụ thông dụngnhư: than hoạt tính, rây phân tử, silicagel, nhôm hoạt tính Mỗi chất hấp phụ cónhững ưu, nhược điểm về kỹ thuật và kinh tế khác nhau do vậy, tùy từng điều kiện

cơ trong nước

và không khí

Tách các chất

ô nhiễm cónguồn gốchữu cơ

Giá rẻ nhấtdùng trong xử

Khử nước,phân riêngkhông khí

Phân riêngdựa trên phâncực, hình học

Năng suất thấphơn các loạichất hấp phụkhác

Silica gel Chất hấp phụ

háo nước,năng suất cao

Làm khô dòngkhí, táchhydrocacbon

tính

Chất hấp phụháo nước,năng suất cao

Làm khô dòngkhí

Năng suất caohơn ZMS

Kém hiệu quảhơn ZMS khitách nướctrong dòng khí

1.2.1.3 Phương pháp vi sinh [16, 28]

Benzen là một chất khó phân hủy sinh học Các nghiên cứu trước đây đã chỉ

ra rằng thời gian bán phân hủy của benzen trong môi trường nước có thể kéo dài từvài ngày đến hàng trăm ngày tùy điều kiện môi trường diễn ra quá trình phân hủy

Trong môi trường hiếu khí benzen dễ dàng bị phân hủy tạo ra một chuỗi cácsản phẩm trung gian và bị khoáng hóa đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O.Trong môi trường kỵ khí, các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng, ở những điềukiện nhất định benzen mới có khả năng bị phân hủy sinh học Sự có mặt của vikhuẩn sinh metan, một số hợp chất nhường điện tử: sun phát, nitrat và sắt (III) sẽthúc đẩy quá trình phân hủy benzen trong môi trường kỵ khí Tuy nhiên, quá trìnhphân hủy diễn ra phức tạp và những chủng vi khuẩn đặc thù đến nay vẫn chưa đượcxác định

Các phản ứng cho nhận điện tử trong quá trình phân hủy benzen trong điềukiện kỵ khí diễn ra như sau:

+ Trong môi trường tồn tại vi khuẩn sinh metan

4C6H6 + 27H2O  9HCO3¯ + 15CH4 + 9H+

+ Trong môi trường tồn tại ion sun phát

4C6H6 + 15SO42- + 12H2O  24HCO3¯ + 15HS¯ + 9H+

+ Trong môi trường tồn tại ion nitrat

C6H6 + 15NO3¯ + 3H2O  6HCO3¯ + 15NO2¯ + 6H+

C6H6 + 6NO3  6HCO3 + 3N2

+ Trong môi trường tồn tại ion sắt III

C6H6 + 30Fe3+ + 18H2O  6HCO3¯ + 30Fe2+ + 36H+

Quá trình phân hủy benzen diễn ra theo một chuỗi các phản ứng và tạo ra cáchợp chất trung gian: phenol, benzoate, xyclohexdiene, catechol Ban đầu các liênkết đôi được phá vỡ sau đó là mở vòng và tạo ra các chuỗi các bon mạch thẳng

1.2.1.4 Phương pháp oxi hóa cấp tiến [25]

Ôxi hóa cấp tiến (AOPs - Advanced Oxidation Processes) là những phươngpháp tạo ra một lượng lớn các chất trung gian có hoạt tính cao, trong đó quan trọngnhất là các gốc hydroxyl có khả năng ôxi hóa hầu hết các chất ô nhiễm hữu cơ

Trong các phương pháp oxi hóa cấp tiến thì thì quá trình Fenton và các quátrình kiểu Fenton (Fenton- like processes) được biết đến là phương pháp hiệu quả

và không đắt cho quá trình xử lý nước bị ô nhiễm bởi các tác nhân khó hoặc không

có khả năng phân hủy sinh học Phương pháp Fenton cổ điển là công trình nghiêncứu của J.H Fenton được công bố vào năm 1894 trong tạp chí hội hóa học Mỹ.Trong phương pháp này tổ hợp H2O2 và muối sắt Fe+2 được sử dụng làm tác nhânôxi hóa rất hiệu quả cho nhiều đối tượng các hợp chất hữu cơ và được mang tên tácnhân Fenton

Phương pháp Fenton có thể oxi hóa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinhhọc tới các sản phẩm cuối cùng là CO2, nước và các ion vô cơ khác hoặc có thể oxihóa các hợp chất cao phân tử thành những hợp chất hữu cơ đơn giản hơn thuận lợicho quá trình phân hủy bởi vi sinh vật

CHC (cao phân tử) + •HO  CHC (thấp phân tử) +CO2 + H2O + OH

-Cho đến nay, cơ chế hình thành gốc •HO và cơ chế của phản ứng vẫn cònđang tranh cãi thậm chí còn có những giả thuyết trái ngược nhau Tuy nhiên một sốphản ứng chính xảy ra trong quá trình Fenton có thể được tổng hợp lại bao gồm:

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Với mục đích điều chế vật liệu hấp phụ khí, hơi từ nguyên liệu trong nước,ứng dụng cho các ngành công nghiệp khác nhau và xử lý môi trường Dựa trên cơ

sở tổng kết các tài liệu tham khảo về phương pháp điều chế, khả năng sử dụng cùngvới những điều kiện thực tế của Việt Nam, luận văn đã chọn đối tượng nghiên cứu

là than hoạt tính được điều chế từ nguyên liệu tre Tre được lựa chọn là tre Vầu, có

tên khoa học là Bambusa nutans.

2.2 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu bao gồm các vấn đề sau:

 Điều chế than hoạt tính từ nguyên liệu là tre;

Sử dụng nguyên liệu có sẵn là tre, xác định các điều kiện than hóa và hoạthóa tối ưu trong quá trình điều chế than hoạt tính bằng phương pháp kế hoạch hóathực nghiệm;

 Đánh giá các chỉ tiêu và tính chất đặc trưng của mẫu than đãđược điều chế bao gồm:

+ Tỷ trọng;

+ Độ bền hạt;

+ Cấu trúc xốp;

+ Khả năng hấp phụ vật lý;

+ Bề mặt riêng và một vài chỉ tiêu khác;

 Khảo sát khả năng hấp phụ hơi benzen của than đã được điềuchế tiến tới sử dụng than để giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường không khígây nên bởi benzen và đồng đẳng:

+ Nghiên cứu động học và động lực học hấp phụ benzen của than;

+ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của than đối vớibenzen như: kích thước hạt, độ tro của than;

+ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng làm việc của than đối vớibenzen trong điều kiện động lực học như: độ ẩm, tốc độ dòng khí mang;

+ So sánh chất lượng than đã được điều chế với than gáo dừa Trà Vinh vàthan antraxit có sẵn trên thị trường

2.3 Các phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp điều chế than hoạt tính từ tre

2.3.1.1 Phương pháp than hóa

Tre được sử dụng có độ tuổi từ 4 – 8 năm, được lấy từ Hòa Bình, tre đượccắt nhỏ thành mảnh có kích thước 3 – 4 cm để chuẩn bị cho quá trình than hóa

Quá trình than hóa được thực hiện ở dải nhiệt độ từ 300 – 4500C trong lònung yếm khí Thời gian than hóa đối với mỗi nhiệt độ tương ứng được thực hiện ởdải nhiệt độ từ 20 đến 40 phút để có thể xác định được thời gian và nhiệt độ thanhóa thích hợp

Hiệu suất than hóa được xác định như sau [11]:

trong đó: m 1 – trọng lượng tre được đưa vào lò (g);

m 2 – trọng lượng than thu được sau khi đốt (g).

2.3.1.2 Phương pháp hoạt hóa [2, 4, 12]

Sản phẩm sau khi than hóa được đập nhỏ với kích thước 5 – 10 mm và tiếnhành hoạt hóa trong lò quay nằm ngang SRJK – 5 – 9S của Trung Quốc Tốc độquay 4 vòng/phút, tác nhân hoạt hóa được lựa chọn là hơi nước

5 2

độ dòng diện được điều chỉnh bằng biến áp 6 Đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộcgiữa tốc độ hơi nước vào cường độ dòng điện được xây dựng trước khi hoạt hóa

Hình 2.1 Thiết bị tạo hơi nước

1 – Bình quả lê; 2 – Phễu; 3 – ống chữ U đựng nước;

4 – Lò điện; 5 – Ampe; 6 – Biến áp.

2.3.1.3 Phương pháp nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình điều chế than

Để xác định được điều kiện hoạt hóa tối ưu cho quá trình điều chế than đồngthời đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố hoạt hóa Luận văn đã tiến hành các thínghiệm độc lập với sự thay đổi của các điều kiện hoạt hóa: nhiệt độ, tốc độ hơinước, thời gian hoạt hóa

Thiết lập các thí nghiệm sau:

+ Thí nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ tới chất lượng than hoạt tính:

Dải nhiệt độ hoạt hóa: 800 đến 10000C;

Cỡ hạt: 5 đến 10 mm;

Lưu lượng dòng hơi nước: 2,5 l/phút;

Thời gian hoạt hóa: 4 giờ

+ Thí nghiệm ảnh hưởng của lưu lượng dòng hơi nước tới chất lượng thanhoạt tính:

Nhiệt độ hoạt hóa: 9500C;

Cỡ hạt: 5 đến 10 mm;

Lưu lượng dòng hơi nước thay đổi từ: 1,5 đến 3,5 l/phút;

Thời gian hoạt hóa: 4 giờ

+ Thí nghiệm ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa:

Nhiệt độ hoạt hóa: 950 0C;

Cỡ hạt: 5 đến 10 mm;

Lưu lượng dòng hơi nước: 2,5 l/phút;

Thời gian hoạt hóa: 2 đến 6 giờ

+ Thí nghiệm ảnh hưởng của kích thước hạt:

Nhiệt độ hoạt hóa: 950 0C;

Cỡ hạt: 5, 10, 15, 20 mm;

Lưu lượng dòng hơi nước: 2,5 l/phút;

Thời gian hoạt hóa: 4 giờ

Sản phẩm sau hoạt hóa được đem sàng lấy cỡ hạt 2 mm và xác định dunglượng hấp phụ hơi benzen trên cân hấp phụ động Mac – Bell ở nhiệt độ phòng

2.3.2 Phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm [7, 10]

Phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm là phương pháp nghiên cứu trongquy hoạch thực nghiệm sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm hiện đại Quy hoạchthực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm từ

giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng, trong điềukiện đã hoặc chưa hiểu biết đầy đủ về cơ chế của đối tượng

Luận văn sử dụng phương pháp kế hoạch hóa thực nghiệm để tìm các giá trịtối ưu cho quá trình hoạt hoá Các bước giải bài toán mô hình hoá thực nghiệm nhưsau [7]:

Bước 1: Lập bảng quy hoạch thực nghiệm

* Chọn thông số đầu vào là:

Z1 – nhiệt độ hoạt hóa (0C);

Z2 – thời gian hoạt hóa (giờ);

Z3 – tốc độ dòng hơi nước (lít/phút)

* Thông số đầu ra là:

+ Hàm Y1 – diện tích bề mặt riêng (m2/g)

+ Hàm Y2 – khả năng hấp phụ benzen của than (mmol/g).

* Số hạng của phương trình hồi quy được tính theo công thức [7]:

X 1 , X 2 , X 3 – các nhân tố ảnh hưởng;

b – hệ số của phương trình;

* Lập kế hoạch thực nghiệm với các biến trên.

Bước 2: Làm thí nghiệm theo bảng quy hoạch thực nghiệm

Làm thực nghiệm theo kế hoạch đã xác định Lặp lại các thí nghiệm 2 lần và lấy kết quả trung bình Để tránh sai số hệ thống thì tiến hành thực nghiệm theo thứ

tự sau: 2, 5, 8, 1, 3, 7, 4, 6 và 5, 4, 6, 1, 7, 8, 3, 2

Bước 3: tính các hệ số hồi quy

i

i i

Z Z X



0





* Tính toán hệ số hồi quy ta sử dụng công thức sau:







N u

uj ju iu

Y uj – là kết quả thu được ở thí nghiệm trên.

Bước 4: đánh giá tính có nghĩa của hệ số hồi quy

Kiểm tra các hệ số có nghĩa của phương trình hồi qui theo chuẩn số Student

Hệ số hồi quy được cho là có nghĩa nếu thoả mãn bất đẳng thức sau [7]:

ti tính > ti bảng(p, f)với

N u u bi





2 2

1

vµ

N

Y Y

Y

N 1

2)(

Để đánh giá sự phù hợp của phương trình hồi quy ta sử dụng bất đẳng thứcFischer [7]:

Ftính < Fbảng (p, f1, f2)

Với:

f 1 = N – n – 1 và f 2 = N(m – 1)

2 2

o

phuhop tinh

n N

m

Trong đó: N – số thực nghiệm;

n – số lần lặp lại của thực nghiệm;

n – số lượng nhân tố ảnh hưởng;

u

Yˆ – kết quả thực nghiệm thứ u sau khi đã loại bỏ những hệ số không có nghĩa;

u

Y – giá trị trung bình của m lần thực nghiệm thứ u.

Nếu Ftính < Fbảng thì sai khác giữa lý thuyết và thực nghiệm là không đáng tincậy nên mô hình mô tả đúng thực nghiệm

2.3.3 Các phương pháp xác định các chỉ tiêu, tính chất đặc trưng của than

2.3.3.1 Chọn kích thước hạt

Kích thước hạt than được chọn bằng phương pháp sàng trên hệ 2 sàng cókích thước xác định Phần than ở trên sàng thứ nhất và dưới sàng thứ hai được loại

bỏ Hệ sàng được lắp trên thiết bị sàng lệch tâm

Thiết bị sàng lệch tâm được mô tả trên Hình 2.2

3

2 1

Hình 2.2 Sơ đồ thiết bị sàng lệch tâm

1 – Mô tơ; 2 – Mâm quay; 3 – Các lớp sàng; 4 – Bộ chuyền lực.

m

(2.10)

2.3.3.3 Xác định độ hút nước của than [3, 5]

Độ hút nước của than là tỷ số giữa lượng nước được chứa trong thể tích xốpcủa than trên trọng lượng của mẫu than Xác định trọng lượng của 38 cm3 than hoạttính rồi cho nước ngập than và đun sôi 15 phút Đem lọc hút chân không ở áp suất

âm 60 mmHg trong thời gian 5 phút Cân lượng than đã hút nước Độ hút nướcđược tính bằng:

%H2O = 100 %

1

1 2





m

m m

(2.11)

trong đó: m 1 – trọng lượng than trước khi hút nước (mg);

m 2 – trọng lượng than sau khi hút nước (mg).

Độ hút nước của than cho biết định tính tổng thể tích lỗ của than.

Thiết bị độ hút nước được trình bày trên Hình 2.3

Hình 2.3 Thiết bị đo độ hút nước của than

1 – Phễu đựng nước; 2 – Bình chân không; 3 – Áp kế thủy ngân;

4 – Van điều chỉnh áp suất; 5 – Bơm chân không.

2.3.3.4 Xác định độ bền hạt [3, 5, 12,13]

Độ bền hạt của than hoạt tính được xác định trên nguyên tắc bào mòn hạtthan bằng sự va chạm với các quả cầu thép trong trống quay bằng kim loại đặt nằmngang và quay với vận tốc không đổi trong thời gian 5 phút Sau khi ngừng quaythan được sàng bụi bằng sàng có kích thước quy định Độ bền hạt được tính theocông thức:

trong đó: m 1 – trọng lượng than ban đầu (mg);

m 2 – trọng lượng than sau khi sàng bụi (mg).

2.3.3.5 Xác định độ tro của than [5].

Độ tro của than thể hiện hàm lượng các hợp phần vô cơ trong than và đượcxác định bằng cách nung một lượng than xác định ở nhiệt độ 850oC ở trong không

K2 K1 K3 4 53

2 1

khí cho đến khi than cháy hết còn lại tro trắng Cân trọng lượng tro, độ tro đượctính:

2.3.3.6 Xác định khả năng hấp phụ vật lý của than [3, 5, 11]

Khả năng hấp phụ vật lý của than hoạt tính với benzen được xác định theophương pháp Rubinsteiu trên cân hấp phụ động Mac – Bell với lò so thạch anh Sơ

đồ thiết bị được vẽ trên Hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý cân hấp phụ động Mac - Bell

1 – Bộ làm khô, sạch không khí; 2 – Lưu lượng kế không khí V 1 ; 3 – Lưu lượng kế chất bị hấp phụ V 2 ; 4 – Bình bay hơi chứa chất bị hấp phụ; 5 – Thiết bị ổn nhiệt;

6 – Buồng hỗn hợp; 7 – Buồng hấp phụ; 8 – Lò xo thạch anh; 9 – Giỏ đựng mẫu;

10 – Máy đo độ giãn lò xo.

Bản chất của phương pháp là dùng dòng khí khô, sạch sục vào bình bay hơiđựng chất bị hấp phụ là C6H6 lỏng, một dòng dùng để pha loãng Tốc độ của haidòng được đo bằng hai lưu lượng kế V1, V2 Áp suất tương đối P/Ps của dòng hỗn

Không khí

10

9 8

7 6

4

5 3

trong đó:

V 1 – lưu lượng dòng khí dùng pha loãng (lít/phút);

V 2 – lưu lượng dòng khí sục qua bình bay hơi (lít/phút);

P a – áp suất khí quyển (mmHg);

P s – áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ ở nhiệt độ thí nghiệm (mmHg);

P – áp suất hơi của chất bị hấp phụ (mmHg).

Độ hấp phụ của than ở các giá trị áp suất hơi tương đối P/Ps được xác địnhthông qua độ co giãn lò xo thạch anh treo mẫu chất hấp phụ Thiết bị quang học(10) đo độ giãn lò xo chính xác tới 0,01mm

Độ hấp phụ được tính theo công thức:

l 1 – độ giãn của lò xo đo lượng mẫu đưa vào (mm);

l 2 – độ giãn của lò xo do lượng chất bị hấp phụ khi cân bằng (mm);

M – trọng lượng phân tử chất bị hấp phụ (mg).

Dựng đường đẳng nhiệt chất bị hấp phụ và giải hấp phụ a = f(P/Ps) Đồ thị códạng Hình 2.5

) 1 (

2 1 1

a

s s

P

P V

V

V P

P







2 Gi¶i hÊp 1 2

a s

0

a

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 P/Ps

Hình 2.5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ benzen

trên than hoạt tính.

Vtr = (as – a0).v (2.17)Thể tích lỗ lớn:

Vl = V – Vb – Vtr (2.18)trong đó:

a 0 – độ hấp phụ ứng với điểm bắt đầu vòng trễ (mmol/g);

a s – độ hấp phụ ứng với điểm cuối vòng trễ (mmol/g);