Luận văn Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cácbon từ sợi Hydrat xenlulo

Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng Mở đầu Hiện nớc ta, qúa trình công nghiệp hoá, đại hoá đất nớc, ngành sản xuất kinh tế, công nông nghiệp phát triển mạnh mẽ Sự phát triển mạnh mẽ ngành sản xuất kinh té có nhiều tác động đến môi trờng dẫn đến thực trạng môi trờng bị ô nhiễm ngày nghiêm trọng Do vậy, vấn đề bảo vệ môi trờng cần phải đợc quan tâm nhiều Than hoạt tính có nhiều u điểm: tốc độ hấp phụ cao, khả hấp phụ lớn có khả tái sinh đợc sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nh: dân sự, quân sự, công nông nghiệp, y tế, bảo hộ lao động Trong lĩnh vực môi trờng than hoạt tính đợc sử dụng nhiều để xử lý khí thải, nớc thải cho nhiều kết tốt Hiện nay, hai dạng sử dụng phổ biến than hoạt tính dạng hạt than hoạt tính dạng bột, có dạng than hoạt tính thứ ba: than hoạt tính dạng sợi hay thờng gọi chất hấp phụ sợi cacbon hoạt tính Đến cuối kỷ thứ 19, giới có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo, khảo sát cấu trúc, tính chất nghiên cứu ứng dụng thực tế chất hấp phụ sơi cacbon hoạt tính (màng sợi cacbon hoạt tính, vải cacbon hoạt tính) Ngoài u điểm nh than hoạt tính dạng hạt, dạng bột, than hoạt tính dạng sợi có số u điểm vợt trội khác: nhẹ, mềm mại, mức độ cản trở dòng khí qua lớp vật liệu nhỏ Do than hoạt tính dạng sợi từ xuất đến đợc sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Việt Nam có nhiều công trình nghiên cứu điều chế sản xuất, nghiên cứu cấu trúc, tính chất than hoạt tính dạng hạt dạng bột từ nguồn nguyên liệu khác nhau: than mỏ, gáo dừa, bã mía, gỗ, mùn ca Tuy nhiên nội dung nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cacbon hoạt tính hạn chế đợc quan tâm Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng Do nội dung nghiên cứu xác lập điên kiện công nghệ xây dựng quy trình điều chế chất hấp phụ sợi cacbon vấn đề vừa có ý nghĩa khoa học có ý nghĩa thực tiễn Việt Nam Trên sở đề tài nghiên cứu khoá luận đợc xác định là: Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cácbon từ sợi Hydrat xenlulo Mục đích khoá luận: Xây dựng công nghệ chế tạo chất hấp phụ sợi cacbondùng lĩnh vực lọc độc xử lý môi trờng Để đạt đợc mục đích nêu trên, cần giải vấn đề sau: Nghiên cứu quy trình điều chế chất hấp phụ sợi cacbon Nghiên cứu ảnh hởng số yếu tố hoạt hoá qúa trình điều chế Đánh giá chất lợng chất hấp phụ sợi cácbon điều chế Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng Chơng Than hoạt tính chất hấp phụ sợi bon 1.1.Than hoạt tính, cấu trúc tính chất 1.1.1.Giới thiệu chung Các nguyên liệu chứa cácbon đợc chế biến cách đặc biệt nhằm loại chất có nhựa tạo độ xốp chúng đợc gọi than hoạt tính Than hoạt tính có thành phần chủ yếu cacbon (85 95%), phần lại(5-15%) tạp chất vô không hoạt động bề mặt hấp phụ.[1,2,7,10] Than hoạt tính đợc điều chế từ vật liệu đốt cháy cho ta cacbon Do vậy, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất than hoạt tính phong phú nh nguyên liệucó nguồn gốc từ thực vật: loại cây, hạt loại quả, sọ dừa, mạt ca; có nguồn gốc từ than mỏ: than antraxít, than bùn, than nâu, than cốc, than bán cốc; từ hợp chất vô cơ: monome, lignin, dầu mỏ, [2,7,10] Than hoạt tính đợc phát vào cuối kỷ 18 Từ nay, giới có nhiều công trình nghiên cứu điều chế, cấu trúc, tính chất lĩnh vực ứng dụng than hoạt tính.[1,7,10] Việt Nam, việc điều chế sản xuất ứng dụng than hoạt tính đợc quan tâm nghiên cứu từ năm 60 kỷ 20 Trong lĩnh vực này, quan nghiên cứu Viện Hóa học quân với sản phẩm than hoạt tính đợc điều chế từ nhiều nguyên liệu khác nh bã mía, mùn ca, than antraxít, gáo dừa, xenlulô[2,7] Tiếp quan khác: Viện Hóa Học Công Nghiệp, Trung tâm nghiên cứu sản xuất than hoạt tính trờng đại học Bách khoa Hà Nội.[10] Ban đầu việc nghiên cứu sản xuất mức độ nhỏ chủ yếu phục vụ nhu cầu chuyên ngành riêng Song nay, nhu cầu than hoạt tính ngày nhiều việc nghiên cứu điều chế sản xuất than hoạt tính không ngừng phát triển với qui mô lớn nhằm đáp Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng ứng đợc nhu cầu thiết yếu xã hội [1] Cho đến nay, than hoạt tính đợc sử dụng hầu khắp lĩnh vực: khoa học, quân sự, sản xuất, đời sống, y tế, xử lý môi trờng, Hiện than hoạt tính đợc sử dụng ba dạng: than hoạt tính dạng hạt, than hoạt tính dạng bột than hoạt tính dạng sợi Về chủng loại, có số loại than hoạt tính sau: thanlọc hơi, khí; than lọc nớc; than tẩy màu; than trao đổi ion[10]; than làm để tẩm xúc tác, phụ gia [4,5,6] 1.1.2.Cấu trúc than hoạt tính a.Cấu trúc tinh thể Theo nghiên cứu Rơnghen[8,10,16,17,19] than hoạt tính gồm vi tinh thể cacbon Các vi tinh thể đợc cấu tạo từ vùng cacbon sáu cạnh xếp tạo thành lớp mạng Tuy nhiên, so với cấu trúc mạng lới tinh thể graphide vòng cacbon cạnh than hoạt tính xếp trật tự b.Cấu trúc xốp Theo Dubinin cộng [2,7,10,15] , than hoạt tính chất hấp phụ xốp có diện tích bề mặt phát triển cao từ 600 900m2/g Do vậy, than hoạt tính có khả hấp phụ tơng đối cao Hệ lỗ xốp than hoạt tính có kích thớc khác nhau, có khả chế hấp phụ xảy lỗ xốp khác Dựa vào khác đó, ngời ta phân loại hệ lỗ xốp than hoạt tính nh sau[2,7,10]: Lỗ nhỏ với bán kính Lỗ bán nhỏ Lỗ trung Lỗ lớn r< 6-7A 6-7 < r < 15-16A 15-16 < r < 1000-2000A r > 1000-2000A Lỗ nhỏ than hoạt tính đóng vai trò chủ yếu hấp phụ vật lý, thể tích lỗ nhỏ khoảng 0.2-0.3 cm3/g Sự hấp phụ lỗ nhỏ diễn theo chế lấp đầy thể tích không gian chất hấp phụ Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng Lỗ bán nhỏ dạng chuyển tiếp lỗ nhỏ lỗ trung Lỗ bán nhỏ có giảm dần đặc trng lỗ nhỏ đồng thời tăng dần tính chất riêng lỗ trung Lỗ trung tích lỗ từ 0.05-0.15cm 3/g, diện tích bề mặt riêng từ 20-50m2/g Trên bề mặt lỗ chung xảy hấp phụ đơn đa phân tử, kết thúc thể tích lỗ đợc lấp đầy theo chế ngng tụ mao quản Lỗ lớn tích lỗ từ 0.2-0.5cm3/g, diện tích bề mặt riêng từ 0.22m2/g Do r > 1000-2000A, lỗ lớn tốc độ hấp phụ vô nhỏ Vì vậy, lỗ lớn khả hấp phụ Than hoạt tính có cấu trúc lỗ phân nhánh Trong đó, lỗ nhỏ nhánh lỗ trung lỗ trung nhánh lỗ lớn Lỗ lớn lỗ trung giữ vai trò động mạch vận chuyển chất trình hấp phụ Ngoài ra, chúng để tẩm chất phụ gia lên than hoạt tính [10] c Cấu trúc bề mặt Theo nghiên cứu cấu trúc Rơnghen [2,10,19], kết hợp với kết phân tích nguyên tố than hoạt tính khử cho thấy than hoạt tính chứa ôxi Sự có mặt ôxi than hoạt tính đợc xác định ôxi liên kết hóa học với nguyên tố cacbon than hoạt tính tạo phức chất ôxi-cacbon than hoạt tính Các phức chất ôxi-cacbon đợc gọi hợp chất bề mặt Theo nghiên cứu bề mặt than hoạt tính [2,10], hấp phụ hóa học ôxi nhiệt độ thờng, bề mặt than hoạt tính tạo thành ôxít bề mặt mang tính chất bazơ Do hydrat hóa tao thành nhóm hyđrôxít bề mặt OH Các ôxít bề mặt có tính axít đợc tạo thành hấp phụ hóa học ôxi than hoạt tính nhiệt độ cao hơn(300-450C) Khi hydrat hóa tạo thành nhóm cacbonyl bề mặt- COOH Các ôxít bề mặt mang tính axít tạo cho bề mặt than hoạt tính có tính a nớc biểu độ hấp phụ nớc cao P/Ps nhỏ Các nghiên cứu với ôxi hóa than hoạt tính cho thấy: mức độ ôxi hóa tăng, hàm lợng nhóm OH, - COOH tăng, tính axít bề Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng mặt than hoạt tính tăng theo mức dộ ôxi hóa Mặt khác, bề mặt than hoạt tính chứa nhóm chức kiểu phenol Lăcton, quinon, Các nghiên cứu nhiệt hấp phụ [2,10] rằng: than hoạt tính, độ hấp phụ nhỏ, nhiệt hấp phụ lớn, độ hấp phụ tăng, nhiệt hấp phụ giảm dần không đổi Điều chứng tỏ bề mặt than hoạt tính không đồng mặt lợng.kết đợc giải thích than hoạt tính có chứa lỗ xốp có kích thớc khác than hoạt tính chứa tâm hấp phụ nhóm chc bề mặt 1.1.3.Các qui luật hấp phụ than hoạt tính Thuyết hấp phụ BET Brunauer - Emmer -Taylor (BET) đa học thuyết họ dựa vào giả thiết sau [7,11,16,19]: Bề mặt chất hấp phụ đồng mặt lợng hấp phụ xảy đơn lớp Phân tử chất bị hấp phụ chất hấp phụ tơng tác với lớp thứ nhât, lớp sau đợc hình thành nhờ lực phân tử chất bị hấp phụ lớp với Sự hấp phụ tiến tới trạng thái cân hấp phụ Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng Phơng trình BET có dạng: a am C P Ps p C P ps Ps (1.1) ( ) Trong đó: a-Lợng chất bị hấp phụ áp suất tơng đối P/Ps am- Lợng chất bị hấp phụ bề mặt than bị phủ lớp đơn phân tử p - áp suất cân chất bị hấp phụ nhiệt độ T Ps- áp suất bão hoà chất bị hấp phụ nhiệt độ T C exp q R.T (1.2) Trong đó: C - số hấp phụ, phụ thuộc nhiệt vi phân hấp phụ q nhiệt ngng tụ : R- số khí T- nhiệt độ tuyệt đối Phơng trình BET chuyển phơng trình dạng đờng thẳng nh sau: (1.3) (h - áp h (C 1)h a (1 h) a m C amC suất tơng đối P/Ps) Dạng đờng thẳng phơng trình BET khoảng giá trị 0.05[...]... vấn đề nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cac bon ở Việt Nam còn ít đợc quan tâm Vì vậy việc nghiên cứu xác lập các điều kiện công nghệ của quy trình điều chế chất hấp phụ sợi cac bon là cần thiết Trên cơ sở đó phạm vi nghiên cứu của khoá luận này sẽ là: nghiên cứu ảnh hởng của một số yếu tố hoạt hoá trong quá trình điều chế và xác lập quy trình điều chế chất hấp phụ sợi các bon 1.3 Tính chất và... dạng sử dụng mới của than hoạt tính( than hoạt tính dạng sợi) , đồng thời muốn tận dụng nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật nh: gỗ, than đá, than bùn và vỏ quả, ở Việt Nam và phát huy u thế hấp phụ của sợi cacbon hoạt tính, đối tợng nghiên cứu của khóa luận là: Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cacbon từ sợi hydrat xenlulo 2.2.Phơng pháp nghiên cứu 2.2.1.Phơng pháp xác định khối lợng riêng biểu kiến... xảy ra mãnh liệt Vì vậy chất lợng mẫu nghiên cứu thu đợc có chất lợng kém biểu hiện ở độ hấp phụ nhỏ, độ thiêu đốt thấp Do vậy, kết hợp quá trình thực nghiệm với những kết quả thu đợc cho thấy trong quá trình hoạt hoá mẫu nghiên cứu sử dụng chế độ hoạt hoá có lu lợng hơi nớc v =2,65 ml/phút là thích hợp nhất 3.2.4 Xây dựng quy trình điều chế chất hấp phụ sợi cacbon Sợi hydrat xenlulo Thông qua quá trình... bảng trên ta xây dựng đờng hấp phụ và giải hấp phụ đẳng nhiệt của mẫu chế thử với C6H6 Đờng đẳng nhiệt hấp phụ hơi benzen trên mẫu vải cácbon hoạt tính (Mẫu 26) Hình 10: Đờng đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ của mẫu chế thử với C6H6 a(mmol/g) 7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 hấp phụ Giải hấp phụ 1 0.5 P/Po 0 0 0.2 0.4 310.6 0.8 1 1.2 Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng Từ đồ thị trên cho thấy... t < 600 C) 1.2.3 Điều chế than hoạt tính dạng sợi (chất hấp phụ sợi cacbon) Về một nguyên tắc quá trình điều chế than hoạt tính dạng sợi cũng tơng tự quá trình điều chế than hoạt tính dạng bột hay dạng hạt Nguồn nguyên liệu để sản xuất chất hấp phụ sợi cac bon cũng rất phong phú Các vật liệu có nguồn gốc hữu cơ hoặc vô cơ, nhân tạo và tự nhiên để ở dạng sợi hoặc có thể kéo đợc thành sợi đều có thể dùng... mẫu (P/Ps = 0) M: Trọng lợng phân tử chất bị hấp phụ (với C6H6 M = 78,12) Kết quả xác định độ hấp phụ và giải hấp phụ đẳng nhiệt của mẫu chế thử với C6H6 trình bày trong bảng dới đây: Bảng 5: Kết quả xác định độ hấp phụ và giải hấp phụ đẳng nhiệt của mẫu chế thử với C6H6 a(mmol/g) hơi nớc P/Po 0,01 0,03 0,05 0,1 0,175 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Hấp phụ Giải hấp phụ 0,29 0,45 0,59 1,13 1,63 1,85 3,12... 3.3.1 Xây dựng đờng cong thực nghiệm hấp phụ - giải hấp phụ đẳng nhiệt C6H6 áp dụng công thức tính độ hấp phụ kết hợp với những kết quả thực nghiệm từ phơng pháp cần hấp phụ Rubinstein ta xác định sự phụ thuộc của độ hấp phụ đẳng nhiệt C 6H6 của mẫu chế thử với các giá trị áp suất tơng đối P/Ps tơng ứng Công thức tính độ hấp phụ a l i 1000 l 0 M (2.1) Trong đó: a: Độ hấp phụ (mmol/g) li: Độ giãn lò xo thạch... triển hệ thống lỗ xốp trong mẫu nghiên cứu cũng khác nhau; Điều này ảnh hởng đến các thông số kỹ thuật của mẫu nghiên cứu Từ kết quả thực nghiệm cho thấy mẫu nghiên cứu đợc hoạt hoá trong điều kiện nhiệt độ t0C = 8400C có chất lợng tốt và ổn định hơn ở điều kiện nhiệt độ khác, điều này thể hiện qua các thông số kỹ thuật đặc biệt là khả năng hấp thụ C6H6 của mẫu nghiên cứu đã khảo sát Kết quả này này... và lỗ lớn vì vậy, mẫu nghiên cứu thu đợc có khả năng hút nớc tốt song khả năng hấp phụ kém so với mẫu nghiên cứu đợc hoạt hoá ở nhiệt độ t0C=8400C Nh vậy thông qua quá trình thực nghiệm kết hợp với những kết quả thu đợc cho thấy điều kiện nhiệt độ thích hợp cho quá trình hoạt hoá: chất hấp phụ sợi cac bon là t0 = 8400C hoạt hoá ở nhiệt độ này mẫu nghiên cứu thu đợc có độ hấp phụ cao, các thông số kỹ... mmol/g Điều này có thể đợc giải thích nh sau: Khi 0,175 < P/Ps < 0,99 do cơ chế hấp phụ bề mặt và ngng tụ mao quản nên độ hấp phụ tăng và có sự tạo thành vòng trễ khi giải hấp phụ Sự tăng độ hấp phụ khi 0,175 < P/Ps < 0,99 chậm ( từ 6,23 - 7,32 ) điều đó chứng tỏ lỗ lớn và lỗ trung của mẫu chế thử phát triển không chậm Từ các giá trị a0, as xác định trên đồ thị 5 và giá trị tổng thể tích lỗ của mẫu chế ... Trên sở đề tài nghiên cứu khoá luận đợc xác định là: Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cácbon từ sợi Hydrat xenlulo Mục đích khoá luận: Xây dựng công nghệ chế tạo chất hấp phụ sợi cacbondùng... vấn đề sau: Nghiên cứu quy trình điều chế chất hấp phụ sợi cacbon Nghiên cứu ảnh hởng số yếu tố hoạt hoá qúa trình điều chế Đánh giá chất lợng chất hấp phụ sợi cácbon điều chế Khoá luận tốt nghiệp... từ thực vật nh: gỗ, than đá, than bùn vỏ quả, Việt Nam phát huy u hấp phụ sợi cacbon hoạt tính, đối tợng nghiên cứu khóa luận là: Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cacbon từ sợi hydrat xenlulo