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

Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu M ĐẦU Ơ nhiễm mơi trường vấn đề nóng, quan tâm tất quốc gia giới đặc biệt năm gần Việc sử dụng nhiên, nguyên vật liệu, phát thải chất gây ô nhiễm môi trường trước hết ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ người, tiếp suy thối mơi trường, biến đổi khí hậu gây thiệt hại lớn người tài sản cho nhiều quốc gia Benzen hợp chất gây độc người hệ sinh thái Benzen sử dụng rộng rãi đời sống người Sau trình sử dụng benzen phát tán ngồi mơi trường ba thành phần mơi trường khí, nước đất Do tồn chủ yếu dạng khí nên phương pháp xử lý benzen sử dụng chủ yếu phương pháp hấp phụ lên bề mặt vật thể rắn Các hợp chất thơng dụng như: than hoạt tính, rây phân tử, silicagel, nhơm hoạt tính Than hoạt tính vật liệu hấp phụ sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp khác khai thác, chế biến dầu mỏ, công nghiệp dệt, công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, xử lý mơi trường Ngồi cịn ngun liệu để sản xuất hộp lọc phòng độc dùng quân ngành kinh tế khác Hiện nay, việc sử dụng than hoạt tính vào mục đích xử lý mơi trường ngày phổ biến nhu cầu ngày tăng Tuy nhiên nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính chủ yếu từ nguồn nguyên liệu than đá hóa thạch nguồn nguyên liệu gỗ cứng ngày cạn kiệt việc khai thác gây ảnh hưởng tới môi trường, đặc biệt nguy gây biến cánh rừng khắp giới Do việc tìm nguồn nguyên liệu thay vấn đề quan tâm tập trung tập trung vào than tre từ đầu năm 1980 [26] Nguồn nguyên liệu than tre đặc biệt quan tâm với khả nguồn nguyên liệu thay tiềm nguyên nhân sau: + Các nghiên cứu ban đầu cho thấy tre có hàm lượng xenlulo (40% đến 50%), hemixenlulo (20% đến 30%) lignin (15% n 35%) ln hn g mm v tng Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu ng với gỗ cứng (thành phần tạo nên gỗ) Than sản xuất từ tre có bề mặt riêng lớn tương đương với than gỗ vận tốc hấp phụ cao + Tre lồi thực vật có vùng phân bố tương đối lớn giới với ước tính khoảng 22 triệu hecta có thời gian phát triển để thu hoạch ngắn từ năm [15] + Việc khai thác làm ảnh hưởng tới rừng mơi trường sinh thái Cho đến nay, tính chất vật lý hóa học gỗ từ tre nghiên cứu nhiều để phục vụ cho công tác sản xuất than hoạt tính, nhiên nghiên cứu bước đầu bao gồm nghiên cứu tổng quan loài tre số loài cụ thể [18, 23, 26] Do việc nghiên cứu tính chất điều kiện tối ưu để sản xuất than hoạt tính từ lồi tre cụ thể phục vụ cho mục đích cụ thể khác thiếu cần thiết Ở nước ta tre phân bố tương đối rộng miền nước Hiện việc nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ sản xuất than hoạt tính có chất lượng cao từ nguồn nguyên liệu nước hạn chế, nguyên liệu từ gáo dừa sử dụng nhiều có khả không đáp ứng nhu cầu tương lai Đặc biệt việc sản xuất than hoạt tính dùng cho mục đích hấp phụ hợp chất hữu từ khí thải cịn quan tâm Vì việc chọn đề tài: “Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung mơi hữu cơ” góp phần giải vấn đề đặt Mục tiêu đề tài là: + Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng trình điều chế than hoạt tính từ tre nhiệt độ, tác nhân thời gian hoạt hoá đến chất lượng than thành phẩm Trên sở xác định yếu tố tối ưu cho việc sản xuất than hoạt tính từ tre có chất lượng cao dùng mục đích xử lý mơi trường + Nghiên cứu động học động lực học hấp phụ benzen số yếu tố ảnh hưởng tới than điều chế để tạo điều kiện áp dụng vào thực t x lý mụi trng Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu CHNG TNG QUAN 1.1 Than hoạt tính cấu trúc tính chất 1.1.1 Một vài nét than hoạt tính Các nguyên liệu chứa bon điều chế cách đặc biệt nhằm loại bỏ chất có nhựa tạo lỗ xốp chúng gọi than hoạt tính Than hoạt tính có thành phần chủ yếu bon chiếm 85% đến 95%, thành phần lại hợp chất vô [3, 4] Than hoạt tính điều chế từ nguyên liệu đốt cháy cho ta bon Do nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính phong phú Ví dụ nguyên liệu có nguồn gốc động vật loại xương, thịt, da; loại có gốc thực vật loại cây, loại quả, sọ dừa, gỗ, mạt cưa; loại có nguồn gốc từ than mỏ than antraxit, than bùn, than nâu, than bán cốc, từ hợp chất hữu polime, lignin, dầu mỏ Than hoạt tính phát nghiên cứu vào thời gian cuối kỷ 18 Trong kỷ 19 than hoạt tính ứng dụng để lọc khí tẩy màu Trong Đại chiến Thế giới Lần thứ Nhất, lần than hoạt tính sử dụng làm vật liệu lọc độc mặt nạ phòng độc [3, 4] Ở nước ta than hoạt tính bắt đầu nghiên cứu từ năm 60 kỷ 20 Nghiên cứu Viện Hố học Cơng nghiệp với than hoạt tính từ antraxit, gáo dừa, bã mía, tiếp nghiên cứu Viện Hố học Cơng nghiệp Trung tâm Nghiên cứu Than hoạt tính, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các kết nghiên cứu triển khai quy mô pilot [3, 12] Hiện than hoạt tính sử dụng rộng rãi hầu khắp lĩnh vực khoa học, quân đời sống Tùy theo mục đích sử dụng, có số loại than hoạt tính sau: Than lọc khí - hơi, than tẩy màu, than lọc nước, than trao đổi ion,… dạng hạt dập, hạt ép hoc dng bt Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu 1.1.2 Cu trỳc ca than hot tính * Cấu trúc tinh thể Theo kết nghiên cứu Rơngen than hoạt tính cấu trúc vi tinh thể bon Các vi tinh thể liên kết với tạo thành lớp, lớp nguyên tử bon xếp thành hình cạnh Tuy nhiên than hoạt tính, lớp vi tinh thể xắp xếp khơng có trật tự cấu trúc mạng lưới tinh thể graphít * Phân bố lỗ xốp than hoạt tính [3, 5, 8, 12] Than hoạt tính đặc trưng cấu trúc xốp đa phân tán tạo nên kẽ hở (lỗ xốp) có kích thước phân bố theo thể tích lỗ theo kích thước Theo Dubinin cộng than hoạt tính chất hấp phụ xốp có bề mặt bên phát triển (600 m2/g đến 900 m2/g) Do than hoạt tính có khả hấp phụ cao Dựa vào kích thước vai trị q trình hấp phụ mà lỗ than hoạt tính phân loại sau: Lỗ nhỏ với bán kính r < đến A0 Lỗ bán nhỏ từ đến < 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 loại lỗ than hoạt tính sau: Thể tích lỗ nhỏ khoảng từ 0,2 đến 0,6 cm 3/g Lỗ nhỏ than đóng vai trị chủ yếu hấp phụ vật lý Sự hấp phụ lỗ nhỏ diễn theo chế lấp đầy thể tích khơng gian hấp phụ Lỗ trung tích từ 0,02 đến 0,15 cm 3/g, bề mặt riêng từ 20 đến 70 m 2/g Trên bề mặt lỗ trung xảy hấp phụ đơn đa phân tử, kết thúc lấp đầy thể tích lỗ theo chế ngưng tụ mao quản Lỗ bán nhỏ dạng chuyển tiếp lỗ nhỏ lỗ trung than hot tớnh Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu L ln than hot tớnh cú thể tích từ 0,2 đến 0,5 cm 3/g Lỗ lớn khơng có ngưng tụ mao quản Sự hấp phụ bề mặt lỗ lớn khơng có ý nghĩa thực tế diện tích bề mặt riêng nhỏ lỗ xốp Trong lỗ lớn trình hấp phụ đóng vai trị kênh vận chuyển mà theo chất bị hấp phụ thấm sâu vào lỗ trung lỗ bé Hệ thống lỗ có cấu trúc phân nhánh, lỗ trung nhánh lỗ lớn, lỗ nhỏ nhánh lỗ trung Khi hấp phụ khí – chất có kích thước phân tử nhỏ lỗ xốp nhỏ lỗ xốp nhỏ đóng vai trị hấp phụ chủ yếu Lỗ lớn lỗ trung kênh vận chuyển Trường hợp hấp phụ chất có kích thước phân tử lớn lỗ xốp nhỏ từ dung dịch lỗ trung đóng vai trị hấp phụ chủ yếu, lỗ bé hấp phụ hơn, lỗ lớn đóng vai trị kênh vận chuyển Ngoài lỗ lớn lỗ trung cịn làm để tẩm lên than hoạt tính chất phụ gia để phục vụ cho mục đích riêng biệt * Hợp chất bề mặt Trên bề mặt than hoạt tính ln có lượng oxy liên kết hoá học với nguyên tử bon, gia cơng tinh khiết than hoạt tính chứa từ đến 2% oxy Phức chất oxy với bon than hoạt tính gọi hợp chất bề mặt Tuỳ theo điều kiện phương pháp điều chế than hoạt tính mà lượng oxy tham gia hợp chất bề mặt thay đổi Theo Dubinin Serpinsky, hàm lượng oxy từ đến 3% phần phủ đơn lớp oxy chiếm 4% diện tích bề mặt than hoạt tính Một số tác giả khác cho hàm lượng oxy lớn (khoảng 12%) phần diện tích phủ đơn lớp oxy đạt từ 19 đến 20% Khi hấp phụ oxy nhiệt độ thường bề mặt than hoạt tính tạo thành oxyt bề mặt mang tính bazơ Do hydrat hố tạo thành nhóm hydroxyl b Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu mt ( OH) Cỏc oxyt b mt có tính axit tạo thành hấp phụ hố học than hoạt tính nhiệt độ cao (350 – 450 0C) Khi hydrat hoá tạo thành nhóm cacboxyl bề mặt (– COOH) Tính chất nồng độ oxyt bề mặt có ảnh hưởng tới trạng thái hấp phụ than hoạt tính Các oxyt bề mặt mang tính axit tạo cho bề mặt than hoạt tính ưa nước biểu độ hấp phụ nước cao P/Ps nhỏ Các nghiên cứu oxy hố than hoạt tính cho thấy mức độ oxy hố tăng, hàm lượng nhóm – OH, – COOH tăng tính chất axit bề mặt than hoạt tính tăng theo mức độ oxy hố Ngồi nhóm chức nêu trên, bề mặt than hoạt tính oxy hố cịn chứa nhóm chức kiểu phenol, lacton, quinon Các nghiên cứu nhiệt hấp phụ than hoạt tính độ hấp phụ nhỏ, nhiệt hấp phụ vi phân lớn Khi độ hấp phụ tăng nhiệt hấp phụ giảm dần khơng đổi Điều chứng tỏ bề mặt than hoạt tính khơng đồng mặt lượng Kết thấy giải thích than hoạt tính có chứa lỗ xốp có kích thước khác nhau, có trường lực hấp phụ khác có chứa tâm hấp phụ nhóm chức bề mặt [3, 8, 22] Dubinin Frunkin tiếp tục nghiên cứu chi tiết bề mặt than hoạt tính chất q trình tác động oxy Các tác giả cho oxy hấp phụ lên than theo hai chế hấp phụ vật lý hấp phụ hoá học Rất nhiều kết nghiên cứu cho thấy có mặt oxyt than không ảnh hưởng tới khả hấp phụ vật lý chất khí – khơng phân cực Trái lại khả hấp phụ chất phân cực than hoạt tính tăng lên rõ rệt nhờ đặc tính axit hợp chất bề mặt Bruns Maximov xác định: hợp chất có tính bazơ than hấp phụ mạnh đáng kể so với hợp chất tính axit trung tính than có đặc tính axit Các tác giả cho biết đặc tính axit khơng ảnh hưởng tới hấp phụ hợp chất hữu mạch hydrocacbon Tuy dung dịch nước, tính ưa nước than hoạt tính lại làm ảnh hưởng tới hấp phụ phân tử hu c trung ho v axit Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu Cỏc oxyt b mặt ảnh hưởng không đáng kể tới khả hấp phụ benzen làm dịch chuyển đường đẳng nhiệt hấp phụ phía áp suất thấp 1.1.3 Những quy luật hấp phụ than hoạt tính Đặc trưng cho hấp phụ vật lý than hoạt tính chế lấp đầy lỗ bé Cơ chế mơ tả thuyết Polany – Dubinin Ngồi hấp phụ xảy theo chế ngưng tụ mao quản hấp phụ bề mặt 1.1.3.1 Thuyết Polany – Dubinin [1, 4, 12] Thuyết cho bề mặt chất hấp phụ chứa trường lực gọi trường hấp phụ Độ lớn trường biểu thị hấp phụ ε Thế hấp phụ tỷ lệ nghịch với lập phương khoảng cách từ bề mặt Trên bề mặt chất hấp phụ chứa nhiều mặt đẳng Đại lượng hấp phụ không thay đổi xa bề mặt thành lỗ bé, lượng hấp phụ tăng lên lỗ bé bị lấp đầy, thể tích khơng gian hấp phụ tính: W = a × v, (1.1) đó: a – đại lượng hấp phụ (mmol/g); v – thể tích mmol chất bị hấp phụ (cm3/mmol) Polany đưa khái niệm hấp phụ, công mang mol chất bị hấp phụ tướng thể tích áp suất P đến bề mặt chất hấp phụ tạo màng nén Thế hấp phụ tính: ε = 2,303 × R × T × lg(Ps/P), (1.2) đó: Ps – áp suất bão hoà thiết bị hấp phụ (mmHg); P – ỏp sut cõn bng hp ph (mmHg); Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu R số khí; T – nhiệt độ tuyệt đối (K) Đối với than hoạt tính phương trình (1.1) có dạng: W = W0 − kε , (1.3) đó: W0 – không gian hấp phụ tới hạn đơn lớp (cm3/g); k – số đặc trưng Nếu hai loại khác hấp phụ lên loại than hay chất hấp phụ xốp ta có quan hệ sau: k1 × ε12 = k2 × ε22 Hay ε1 k2 = = β = const ε2 k1 (1.4) β gọi hệ số tương đồng Như hấp phụ đại lượng không đổi với loại chất hấp phụ Thuyết áp dụng tốt cho chất hấp phụ có nhiệt độ sôi cao Theo Dubinin, trạng thái hấp phụ lỗ bé giống trạng thái lỏng, khơng gian lỗ bé có tượng chồng trường, chất hấp phụ bị nén Thuyết lấp đầy lỗ bé Dubinin có số hạn chế định Từ thực nghiệm thấy đường đẳng nhiệt Dubinin không tuyến tính vùng áp suất cao lệch phía giá trị cao trục tung Nguyên nhân áp suất cao hấp phụ xảy theo chế ngưng tụ mao quản hấp phụ mặt phẳng Ngồi thuyết Dubinin khơng đề cập đến hấp phụ lỗ chuyển tiếp bề mặt mà tượng xảy thc t ca quỏ trỡnh hp ph Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu 1.1.3.2 Thuyết hấp phụ BET [1, 3, 12] Brunamuer – Emmett – Teller đưa học thuyết họ dựa vào giả thuyết sau: • Bề mặt chất hấp phụ đồng mặt lượng hấp phụ xảy đơn lớp • Phân tử chất bị hấp phụ chất hấp phụ tương tác với lớp thứ nhất, lớp sau hình thành nhờ lực phân tử chất bị hấp phụ lớp với • Sự hấp phụ tiến tới trạng thái cân hấp phụ Phương trình BET có dạng: am × C × a= P Ps  P  P 1 −  × 1 + (C − 1) ×  Ps   Ps   , (1.11) đó: a – độ hấp phụ áp suất tương đối P/Ps (mmol/g); am – độ hấp phụ đơn lớp (mmol/g); C – số phụ thuộc nhiệt vi phân hấp phụ q nhiệt ngưng tụ λ C = exp q−λ , RT (1.12) Phương trình (1.11) chuyển dạng đường thẳng: P Ps  P a × 1 −  Ps Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trêng = C −1 P + × a m × C a m × C Ps (1.13) NguyÔn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu c¬” Phương trình 1.13 khoảng giá trị P/P s = 0,05 – 0,35 Đây áp suất diễn trình hấp phụ vật lý xảy bề mặt lỗ xốp nhỏ phương trình sử dụng để tính bề mặt riêng chất hấp phụ Tuy nhiên theo thuyết nhờ trung tâm hấp phụ lực liên kết phân tử chất bị hấp phụ với mà số lớp hấp phụ vơ hạn Song thực tế hấp phụ bao gồm số lớp định Ngoài thực tế bề mặt chất hấp phụ thường không đồng mặt lượng Đó hạn chế thuyết BET 1.1.3.3 Hấp phụ áp suất cao – Phương trình Kelvin [1, 4, 12] Khi áp suất tương đối lớn, hấp phụ xảy theo chế ngưng tụ mao quản lỗ trung, lớp hấp phụ thành lỗ dầy lên, chạm vào khép kín lại thành mặt khum lõm chất lỏng bị hấp phụ Kelvin đưa phương trình mơ tả chế sau:  2δ × v  P = Ps × exp − cos θ  ,  RT × r  (1.14) đó: P – áp suất cân mặt khum lõm mao quản (mmHg); Ps – áp suất bão hoà (mmHg); θ – góc thấm ướt chất lỏng chất hấp phụ (độ) ; δ – sức căng bề mặt chất lỏng (N/m); r – bán kính mao quản (m); R – số khí; T – nhiệt độ tuyệt đối (K); v – thể tích mol chất bị hp ph (cm3/g); Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 10 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu Hỡnh 3.7 ng hc hp ph benzen than hoạt tính điều chế Từ kết nghiên cứu thu cho thấy tốc độ hấp phụ benzen than hoạt tính chế tạo tương đối lớn, tương đương với than hoạt tính antraxit thấp than gáo dừa Trà Vinh không đáng kể Dung lượng hấp phụ than điều chế lớn Ở điều kiện thí nghiệm dung lượng hấp phụ than điều chế khoảng 3,5 mmol/g Tương đương với dung lượng hấp phụ than antraxit 3.3.2 Kết nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới khả hấp phụ benzen 3.3.2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ tới khả hấp phụ Kết thí nghiệm ảnh hưởng nhiệt độ tới khả hấp phụ benzen than trình bày Bảng 3.12 Hình 3.8 Bảng 3.12 Kết thử nghiệm ảnh hưởng nhiệt độ tới khả hấp phụ benzen Nhiệt độ (0C) a (mmol/g) 25 30 40 50 60 3,35 3,24 2,82 2,31 2,1 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 59 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu Hỡnh 3.8 Sự phụ thuộc nhiệt độ vào khả hấp phụ benzen than điều chế Rõ ràng khả hấp phụ benzen than hoạt tính điều chế giảm dần tăng nhiệt độ Điều giải thích nhiệt độ tăng làm tăng thể tích áp suất hỗn hợp khí – Tuy nhiên gia tăng áp suất nhỏ nhiều so với gia tăng thể tích, tốc độ bay benzen tăng nhanh mức độ gia tăng độ gia tăng áp suất tương đối P/Ps dẫn tới dung lượng hấp phụ benzen than hoạt tính điều chế giảm dần Kết thí nghiệm cho thấy giảm khả hấp phụ benzen theo chiều tăng nhiệt độ suy giảm lớn nhiệt độ tăng tới 40 đến 500C Sự suy giảm độ hấp phụ có ý nghĩa lớn kỹ thuật xử lý khí phương pháp hấp phụ than hoạt tính Để làm tăng dung lượng hấp phụ benzen khí thải cần làm giảm nhiệt độ dịng khí thải tới khoảng nhiệt độ < 50 0C trước thực q trình hấp phụ than hoạt tính 3.3.2.2 Ảnh hưởng độ tro tới khả hấp phụ Kết xác định độ tro mẫu than trình bày Bảng 3.13 Bảng 3.13 Kết xác định tro ca than c iu ch Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 60 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu STT Trng lượng than (g) Trọng lượng tro (g) % tro 1,134 0,039 3,4 1,145 0,040 3,5 1,167 0,044 3,8 Kết cho thấy hàm lượng tro than điều chế tương đối thấp (3 đến 4%) tương đương với than hoạt tính gáo dừa Trà Vinh Điều cho thấy than điều chế thuận lợi cho việc hấp phụ hợp chất hữu không phân cực [17] Sau xử lý than với axit HCl 1,5 N, hàm lượng tro lại 0,1 % Kết hấp phụ benzen loại than đưa Bảng 3.14 Bảng 3.14 Kết độ hấp phụ mẫu than Mẫu nghiên cứu Độ hấp phụ a (mmol/g) Mẫu chưa khử tro Mẫu khử tro 3,55 3,62 3,41 3,57 3,47 3,45 Như vậy, độ tro ảnh hưởng không đáng kể tới độ hấp phụ benzen than hoạt tính điều chế Do đó, khơng phải yếu tố định kỹ thuật xử lý benzen 3.4 Động lực học hấp phụ benzen 3.4.1 Động lực học hấp phụ benzen cột Để đánh giá khả làm việc than điều chế benzen điều kiện thực tế, đồng thời xây dựng phương trình tốn học mơ tả mối quan hệ thời gian làm việc độ dày tầng hấp phụ, tiến hành thí nghiệm điều kiện độ ẩm tương đối 70% (độ ẩm khơng khí phịng thí nghiệm) Kết thí nghiệm trình bày Bng 3.15 v trờn Hỡnh 3.9 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 61 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu Bng 3.15 Kt phụ thuộc thời gian làm việc vào chiều dài lớp than Độ dài tầng hấp phụ (cm) Thời gian phát (phút) 36 68 89 110 142 T (phút) C 140 120 100 80 60 40 20 to Lc 20 B A L (cm) 40 ho 60 Lo 80 Hình 3.9 Sự phụ thuộc thời gian làm việc than vào chiều dài lớp Từ đồ thị xác định đặc trưng theo đường thực nghiệm Silop sau: h0 = 0,6 cm ; L0 = 1,2 cm ; t0 = 9,3 phút Kết cho thấy điều kiện thí nghiệm than có lớp chết (L c) nhỏ, gần không đáng kể Thí nghiệm độ dài cột hấp phụ 1cm iu kin ó cho cú Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 62 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu thi gian lm việc lớn Lớp không làm việc L0 = 1,2 cm tương đối ngắn tương đương với thí nghiệm tương tự than gáo dừa Khi áp dụng phương trình Silop (cơng thức 1.20), xây dựng phương trình mơ tả mối liên hệ độ dài cột thời gian làm việc điều kiện thí nghiệm sau: t = 24,3 × L – 9,3 Kết thí nghiệm cho thấy tốc độ hấp phụ than điều chế tương đương với than gáo dừa dung lượng hấp phụ thấp Điều thể chiều dài (L0) thời gian làm việc (t0) cột tương đương với than gáo dừa điều kiện thí nghiệm 3.4.2 Ảnh hưởng độ ẩm tốc độ dòng đến thời gian làm việc cột than Để đánh giá ảnh hưởng yếu tố điều kiện động lực tới thời gian làm việc cột than thí nghiệm tiến hành với thay đổi yếu tố độ ẩm tương đối tốc độ dịng khác Kết thí nghiệm thời gian làm việc cột than dày cm với điều kiện khác độ ẩm tốc độ dòng đưa Bảng 3.16 Bảng 3.16 Ảnh hưởng độ ẩm tốc độ dòng đến thời gian làm việc than Độ ẩm (%) 40 60 70 80 Thời gian làm việc (phút) 51 44 36 27 Tốc độ (l/phút) 0,5 0,25 Thời gian làm việc (phút) 17 36 68 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 63 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu c¬” (a) (b) Lưu lượng (l/phút) Hình 3.10 Ảnh hưởng độ ẩm (a) lưu lượng (b) dòng tới thời gian làm việc cột than Từ kết thí nghiệm thấy rằng: + Trong dải độ ẩm nghiên cứu, ảnh hưởng độ ẩm dòng tới thời gian làm việc cột than tương đối lớn Khi độ ẩm tăng từ 40 lên 60% (tăng 20%) thời gian làm việc cột than giảm 13,7% Trong khi độ ẩm tăng từ 60% lên 80% (tăng 20%), thời gian làm việc cột than giảm 38,6% Khi độ ẩm dòng hỗn hợp khí - cao, ảnh hưởng đến thời gian làm việc lớn việc giảm độ ẩm dòng trước hấp phụ benzen việc làm cần thiết Độ ẩm ảnh hưởng tới thời gian làm việc hấp phụ cạnh tranh nước benzen lên than hoạt tính Do kỹ thuật xử lý cần ý tới yếu t ny Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 64 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu + Kh nng lm vic ca ct than giảm theo tăng tốc độ dòng Sự phụ thuộc đại lượng tuyến tính với Điều giải thích dòng tiếp xúc với bề mặt than hoạt tính chưa bị hấp phụ hồn tồn dịng tràn qua làm hiệu suất trình hấp phụ thấp tốc độ dòng cao hiệu suất hấp phụ thấp dẫn tới lượng hấp phụ benzen lượng than thấp dần tốc độ dòng tăng lên thi gian lm vic ngn i Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 65 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu KT LUN V KHUYẾN NGHỊ KẾT LUẬN Đã xác định yếu tố tối ưu cho q trình hoạt hóa than tre để điều chế than hoạt tính đảm bảo yêu cầu kinh tế kỹ thuật: nhiệt độ hoạt hoá 900 0C, thời gian hoạt hoá lưu lượng dịng nước cho q trình hoạt hố 3,5lít/phút Than hoạt tính điều chế có diện tích bề mặt riêng theo BET 575,96 m2/g tương đương với than hoạt tính antraxit Thể tích lỗ bé lỗ trung phát triển 0,21 0,142 cm 3/g cho thấy than điều chế phù hợp ứng dụng lĩnh vực hấp phụ hơi, khí Chất lượng than tre hoạt tính điều chế có chất lượng tương đương với than nghiên cứu sản xuất: tổng diện tích lỗ nhỏ diện tích bề mặt riêng lớn than antraxit thấp không đáng kể so với than gáo dừa Trà Vinh Tổng thể tích lỗ trung lớn tương đương với loại than tốc độ hấp phụ tương đương Than điều chế có độ tro từ đến 4% tương đương với đột tro than gáo dừa thấp nhiều so với than antraxit Kết nghiên cứu cho thấy độ tro ảnh hưởng tới khả hấp phụ than Trong nhiệt độ dòng ảnh hưởng lớn tới khả hấp phụ than Độ hấp phụ than giảm từ 3,35 xuống 2,1 mmol/g nhiệt độ tăng từ 25 lên 600C Kết nghiên cứu động lực học cho thấy độ ẩm tốc độ dòng ảnh hưởng lớn tới thời gian làm việc cột than điều chế Khi độ ẩm tăng từ 40 – 80% thời gian làm việc giảm 51% (giảm từ 51 phút xuống 27 phút) Trong dải độ ẩm nghiên cứu thời gian làm việc gim tuyn tớnh vi s tng m Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 66 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu dũng thời gian làm việc cột than giảm tuyến tính với tăng tốc độ dịng Phương trình mơ tả phụ thuộc thời gian làm việc vào chiều dài lớp than điều kiện nhiệt độ phòng 250C, tốc độ dòng l/phút nồng độ benzen 18 mg/l là: t = 24,3 x L – 9,3 KHUYẾN NGHỊ Do thời gian hạn chế nên nghiên cứu tập chung tính chất than điều chế Các nghiên cứu cần tiến hành với yếu tố sau: + Nghiên cứu tính chất nguyên liệu điều chế than hoạt tính từ tre đồng thời so sánh với nguyên liệu khác; + Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng tới khả làm việc cột than điều kiện động lực học Xây dựng phương trình tốn học mơ tả liên hệ toán học thời gian làm việc với yếu tố ảnh hưởng như: nhiệt độ dòng hơi, độ ẩm dịng khí, hơi, kích thước than hoạt tính; + Nghiên cứu khả làm việc than điều chế với hợp chất khí, khác để tạo sở áp dụng vào thực tế xử lý môi trường; + Nghiên cứu phương pháp tái sinh than hoạt tính sau sử dụng đồng thời đánh giá hiệu kinh tế để có lựa chọn thích hợp vic sn xut v tỏi s dng than Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 67 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu TI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Cát (2002), Hấp phụ trao đổi ion kỹ thuật xử lý nước nước thải, Nhà Xuất Thống kê, Hà Nội Trần Ngọc Chấn (2001), Ơ nhiễm khơng khí xử lý khí thải, Nhà Xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Lê Huy Du (1984), Khảo sát ảnh hưởng yếu tố hoạt hoá trình điều chế than hoạt tính dạng viên dùng cho mặt nạ phịng độc, Luận án phó tiến sỹ Hố Học, Hà Nội Lê Huy Du cộng (8/1981), Nghiên cứu than hoạt tính ép viên dùng mặt nạ phịng độc, Báo cáo hội nghị Hố học tồn quốc lần thứ nhất, Hà nội Nguyễn Đình Hịa (1997), Điều chế than hoạt tính từ gáo dừa để hấp phụ hợp chất phenol nước, Luận văn Thạc sỹ, Hà Nội Bùi Đăng Hòa (2008), Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất than hoạt tính từ tre luồng Thanh Hóa, Báo cáo kết đề tài nghiên cứu khoa học, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam Lê Đức Ngọc (2001), Giáo trình xử lý số liệu kế hoạch hoá thực nghiệm, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Hùng Phong (1995), Nghiên cứu số yếu tố ảnh hưởng đến khả bảo vệ khí độc vật liệu lọc sở than hoạt tính tẩm phụ gia dùng mặt nạ phịng độc, Luận án phó tiến sỹ Hố Học, Hà Nội Nguyễn Hữu Phú (1998), Giáo trình hấp phụ xúc tác bề mặt vật liệu vô mao quản, Nhà Xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 10 Rumsixki I.Z (1972), Phương pháp toán học xử lý kết thực nghiệm, Nhà Xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội; Trang 5-39, 70-74, 152-176 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 68 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu c¬” 11 Trần Quang Sáng (2006), Nghiên cứu điều chế than tre ứng dụng xử lý amoni nước, Luận văn Thạc sỹ, Hà Nội 12 Phạm Ngọc Thanh (1987) Nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ phế liệu thực vật, Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 13 Phạm Ngọc Thanh (1986) Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ nguyên liệu nước, Luận án phó tiến sỹ, Hà Nội 14 Trung tâm khoa học công nghệ kỹ thuật Quân (2004), Báo cáo tổng kết hội nghị khoa học môi trường lần thứ nhất, Hà Nội 15 Agency for Toxic Substances and Disease Registry, United States Public Health Service, “Toxicological Profile for Benzene”, Draft for Public Comment, 2005 16 Ahmad, Sabzali, Mitra Gholami and M A Sadati (2009), “Enhancement of benzene biodegradation by variation of culture medium constituents”, Department of Environmental Health, Medical Science Isfahan University, Isfahan, Iran 17 B.H Hameed, A.T.M Din, A L Ahmad (2006), “Adsorption of methylene blue onto Bamboo-based activated carbon”, Kinetics and equilibrium studies, University Science Malaysia 18 Byoung Chul Kim, Young Han Kim and Takuji Yamamoto (2008), Adsorption charecteristic of bamboo activated carbon, Korean J.Chem.Eng, pp 1140 -1144 19 Diamadopoulos E, Samars P, Sakellaropoulos G.P (1980), The effect of activated carbon properties on the adsorption of toxic substances International Conference of Industrier Waste water Treatment and Disposal, Nicosia, Cyprus 20 Department of Environmental toxicology, University of California (1994), “draft final report for intermedia transfer factors for contaminants found at hazardous waste sites benzen”, Risk Science Program, pp III – VIII Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 69 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu c¬” 21 Forest Research Institute Malaysia (FRIM), “Production of activated carbon from bamboo using chemical and steam activations”, Project no 03-05-10-SF0058, pp 153-156 22 Gregg S.J Sing K.S (1982), Adsorption, surface area, and porosity, Academy Press, London, pp 52-74 23 Harry Marsh, Francisco Rodriguez, Reinoso, August 2006, Activated carbon 24 Jiang Shenxue (2004), Training Manual of Bamboo Charcoal for Producers and Consumers, Bamboo Engineering Research Center, Nanjing Forestry University 25 J MacAdam, S.A Parsons, P Hillis (2006), “Treatment of a pesticide contaminated surface water with Fenton’s”, School of Water Sciences, Cranfield University 26 Keith K.H Choy, John P.Barford, Gordon M cKey (2005), “Production of activated carbon from bamboo scaffolding waste – process design, evaluation and sensitivity analysis”, Chemical engineering jounal, volume 109, issues 1-3, Hong Kong University of Science and Technology, pp 147-165 27 Ken S.T.Lau1, John.P.Barford and gordon McKay (2004), Prepetion of hight sureface area activated carbon from chemical activation with bamboo constructure waste and phosphoric acid, Department of chemical engineering, Hongkong university of Science and technology 28 N Tan, W van Doesburg and F Stams (2002), “Anaerobic Biodegradation of Benzene in Contaminated Soils”, Wageningen University 29 Takashi Asada, Shigehisa ishiara, Takeshi Yamane, Akemi Toba, Akifumi Yamada, Kikuo Oikawa (2002), Science of bamboo charcoal: “Study on carbonizing temperature of bamboo Charcoal and removal capability of harmful gases”, Journal of health Science, Volume 48, pp 473 - 479 30 Taylor and Francis group (2005), Activated carbon absorption, CRC Press, pp 373 442 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 70 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu PHụ LụC nh 1: Thit b DPC5 Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 71 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu nh 2: Lũ hot hoỏ nh 3: Tre sau than hoỏ Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 72 Nguyễn Văn Sơn Nghiên cứu điều chế ứng dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ dung môi hữu nh 4: Than hot tớnh c iu ch Luận văn Thạc sĩ Khoa học Môi trờng 73 Nguyễn Văn Sơn