Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê trung nguyên, khảo sát khả năng hấp phụ và khả năng lọc bỏ chất điện li ra khỏi mẫu nước sinh hoạt từ nguồn nước máy tại quận cái răng cần thơ

Hiện nay, than hoạt tính được sử dụng rộng rãi và ứng dụng nhưmột chất hấp phụ để loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và cáctạp chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải công nghiệp và sinh ho

TÓM TẮT

Với hơn 3 tỉ cốc cà phê tiêu thụ mỗi ngày cà phê là loại nướcuống phổ biến nhất trên thế giới Hiện nay, diện tích canh tác cà phêlên đến hơn 11 triệu ha và được trồng ở hơn 80 quốc gia Việc sảnxuất và tiêu dùng cà phê trên thế giới đang ngày càng tăng và hàngnăm có tới hàng tấn bã cà phê được thải ra môi trường Chúng chỉđược xử lý bằng hình thức tiêu hủy đơn giản cùng với nhiều loại chấtthải khác gây ô nhiễm môi trường Bên cạnh đó bã cà phê có hàmlượng carbon khá cao (chiếm 53,78 %) là một trong những nguồnnguyên liệu lý tưởng để chế tạo than hoạt tính Nhằm tận dụngnguồn chất thải biến bã cà phê đã sử dụng thành vật liệu hấp phụmới với giá thành rẻ hứa hẹn sẽ giúp giảm thiểu hay thậm chí loại bỏcác chất độc hại trong môi trường, đảm bảo về vấn đề sử dụng nướcsạch và nâng cao chất lượng cuộc sống cho mọi người

Trong nghiên cứu này, than hoạt tính được chế tạo từ bã cà phêTrung Nguyên bằng phương pháp nung yếm khí có hoạt hóa bằngKOH Ngâm bã cà phê đã qua sử dụng trong dung dịch H3PO4 khuấy

từ có gia nhiệt ở 45 °C trong 12 giờ Sau đó, rửa bằng nước cất đếnkhi pH bằng 7 lọc lấy bã, bã thu được sấy khô ở nhiệt độ 60 °C trướckhi được chuyển sang giai đoạn hoạt hóa KOH mà ở đó hỗn hợp vẫnđược khuấy từ có gia nhiệt ở 45 °C trong 12 giờ, rửa bằng nước cấtđến khi pH bằng 7, lọc lấy bã, bã thu được sấy khô ở nhiệt độ 60 °C

và 110 °C Nung yếm khí ở các mức nhiệt độ 150 °C, 300 °C, 400 °C,

450 °C Nghiền và rây để thu than hoạt tính có kích thước đồng nhất

So sánh tỷ trọng của than hoạt tính từ bã cà phê (THTCP) vàthan hoạt tính thị trường (THTTT) Xác định đặc điểm hình thái bềmặt của vật liệu THTCP So sánh khả năng hấp phụ acid acetic củaTHTCP và THTTT, đánh giá khả năng hấp phụ của vật liệu dựa vàophương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich Từ đó, xácđịnh được dung lượng hấp phụ cực đại (qmax) và hằng số hấp phụ kcủa THTCP và THTTT

Sử dụng vật liệu THTCP để khảo sát khả năng lọc - khử chất điện

li ra khỏi mẫu nước sinh hoạt từ nguồn nước máy tại quận Cái Răng Cần Thơ Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụchất điện li Ca2+, Na+, Cl- của vật liệu THTCP và tìm được thời gian tối

-ưu Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu THTCP đến khả năng hấp phụ chất điện li Ca2+, Na+, Cl- của vật liệu THTCP và tìm được khối lượng vật liệu hấp phụ tối ưu

Các kết quả thực nghiệm khẳng định vật liệu hấp phụ mới được chế tạo từ bã cà phê Trung Nguyên có khả năng hấp phụ tương đối chất điện li trong môi trường nước máy tại quận Cái Răng - Cần Thơ Với ưu điểm tận dụng được nguồn nguyên liệu hấp phụ sẵn có, rẻ tiền và thân thiện với môi trường góp phần cải thiện nguồn nước máy sạch và chất lượng hơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1 GIỚI THIỆU 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3

1 GIỚI THIỆU VỀ THAN HOẠT TÍNH 3

1.1 Than hoạt tính và quá trình hoạt hóa 3

1.1.1Than hoạt tính 3

1.1.2Quá trình hoạt hóa 4

1.2 Tính chất của sợi carbon 6

1.2.1Tính chất lý - hóa của sợi carbon 6

1.2.2Tính chất hấp phụ của sợi carbon 6

1.2.3Tính trao đổi của sợi carbon 7

1.3 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính 8

1.4 Cấu trúc hóa học của bề mặt 9

1.5 Ứng dụng than hoạt tính 9

2 NHÓM CARBON - OXY TRÊN BỀ MẶT THAN HOẠT TÍNH 10

3 ẢNH HƯỞNG CỦA NHÓM BỀ MẶT CARBON - OXY LÊN TÍNH CHẤT HẤP PHỤ 13

3.1 Tính acid bề mặt của than 13

3.2 Sự hấp phụ từ các dung dịch 13

3.2 Cơ chế hấp phụ trong môi trường nước 15

4 TÂM HOẠT ĐỘNG TRÊN BỀ MẶT THAN 15

5 GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU BÃ CÀ PHÊ 18

5.1 Thành phần của bã cà phê 18

5.2 Độ bền nhiệt của bã cà phê 20

5.3 Các ứng dụng đã được nghiên cứu từ bã cà phê 20

6 VAI TRÒ CỦA NƯỚC 22

6.1 Vai trò của nước đối với sức khỏe con người 22

6.2 Vai trò của nước đối với con người trong nền kinh tế quốc dân 22 6.3 Sự ô nhiễm môi trường nước 23

6.3.1 Tình trạng ô nhiễm nước trên thế giới 23 6.3.2 Tình trạng ô nhiễm nước ở Việt Nam 24 7 CHẤT ĐIỆN LI 24

7.1 Khái niệm 24

7.2 Hiện trạng chất điện li trong nước sinh hoạt 24

7.3 Vai trò sinh học của chất điện li đối với cơ thể người 25

7.3.1 Vài nét về Natri 25 7.3.2 Vài nét về Canxi 25 7.3.3 Vài nét về Clo 26 8 QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ VÀ GIẢI HẤP PHỤ 26

8.1 Hiện tượng hấp phụ 26

8.1.1 Hấp phụ vật lý 26 8.1.2 Hấp phụ hóa học 26 8.1.3 Phân biệt giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học 27 8.1.4 Hấp phụ trao đổi ion 27 8.2 Hiện tượng giải hấp phụ 28

8.3 Hấp phụ trong môi trường nước 29

8.4 Cân bằng hấp phụ 29

8.5 Dung lượng hấp phụ cân bằng 30

8.6 Động học của quá trình hấp phụ 30

8.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ trong dung dịch 31

8.8 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt 31

8.8.1 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt của Langmuir 31 8.8.2 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt của Freundlich 32 9 THAN HOẠT TÍNH TRONG CÔNG NGHIỆP XỬ LÝ NƯỚC 33

9.1Các phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính 33

9.2Đánh giá khả năng hấp phụ chất điện li của than hoạt tính trong công nghiệp xử lý nước 34

9.3Cách chọn và sử dụng than hoạt tính để lọc nước 35

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 36

2 DANH MỤC THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 36

3 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH TỪ BÃ CÀ PHÊ 37

3.1Giai đoạn 1 39

3.2Giai đoạn 2 39

3.3Giai đoạn 3 40

3.4Giai đoạn 4 40

3.5Giai đoạn 5 40

4 PHƯƠNG PHÁP SO SÁNH TỶ TRỌNG THTCP VÀ THTTT 41

5 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC ĐIỂM HÌNH THÁI BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU THTCP 42

6 PHƯƠNG PHÁP SO SÁNH SỰ HẤP PHỤ ACID ACETIC CỦA THTCP VỚI THTTT 42

6.1Nguyên tắc chung 42

6.2Tiến hành thí nghiệm 42

7 PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LỌC - KHỬ CHẤT ĐIỆN LI RA KHỎI MẪU NƯỚC SINH HOẠT 43

7.1Phương pháp đo độ dẫn điện của các chất điện li trong mẫu nước sinh hoạt 43

7.2Phương pháp khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ chất điện li của vật liệu THTCP 44

7.3Phương pháp khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu THTCP đến khả năng hấp phụ chất điện li 44

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45

1 KẾT QUẢ CHẾ TẠO THAN HOẠT TÍNH TỪ BÃ CÀ PHÊ 45

2 KẾT QUẢ SO SÁNH TỶ TRỌNG CỦA VẬT LIỆU THTCP VÀ THTTT 45

3 KẾT QUẢ ĐẶC ĐIỂM HÌNH THÁI BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU THTCP 46

4 KẾT QUẢ SO SÁNH SỰ HẤP PHỤ ACID ACETIC CỦA VẬT LIỆU THTCP VỚI THTTT 47

5 KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CHẤT ĐIỆN LI RA KHỎI MẪU NƯỚC SINH HOẠT 51

5.1Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ chất điện li của vật liệu THTCP 51

5.2Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu THTCP đến khả năng hấp phụ chất điện li 53

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

1 KẾT LUẬN 57

2 KIẾN NGHỊ 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 61

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của sợi carbon 6Bảng 2.2 Bảng so sánh giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóahọc 26

Bảng 3.1 Danh mục thiết bị và dụng cụ sử dụng trong quá trình

35

Bảng 3.2 Danh mục hóa chất sử dụng trong quá trình nghiên cứu

36

Bảng 3.3 Các mẫu THTCP ở các nồng độ H3PO4 và KOH 40

Bảng 4.1 Kết quả khảo sát sự hấp phụ acid acetic bằng vật liệuTHTTT

46

Bảng 4.2 Kết quả khảo sát sự hấp phụ acid acetic bằng vật liệu

47

Bảng 4.3 Kết quả khảo sát sự hấp phụ acid acetic bằng vật liệu

48

Bảng 4.4 Các hằng số hấp phụ tính theo phương trình hấp phụ đẳngnhiệt Freundlich và Langmuir của vật liệu THTTT và THTCP 49

Bảng 4.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả nănghấp phụ tương đối chất điện li của vật liệu THTTT 50

Bảng 4.6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả nănghấp phụ tương đối chất điện li của vật liệu THTCP H60.K2 51

Bảng 4.7 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến khả nănghấp phụ tương đối chất điện li của vật liệu THTTT H50.KBH 51

Bảng 4.8 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của của vật liệu THTTT đếnkhả năng hấp phụ tương đối chất điện li 53

Bảng 4.9 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của của vật liệu THTCP H60.K2đến khả năng hấp phụ tương đối chất điện li 53

Bảng 4.10 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của của vật liệu THTCP

H50.KBH đến khả năng hấp phụ tương đối chất điện li

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Cấu trúc than hoạt tính và mô phỏng khả năng lọc của than hoạt tính 3Hình 2.2 Bề mặt than hoạt tính đã được oxy hóa

12

Hình 2.3 Các nhóm carbon - oxy trên bề mặt than hoạt tính

13

Hình 2.4 Nguyên liệu bã cà phê Trung Nguyên

18

Hình 2.5 Công thức cấu tạo của Caffein

19

Hình 2.6 Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir q theo Ccb

31

Hình 2.7 Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Ccb/q theo Ccb

32

Hình 2.8 Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich log q theo log Ccb

Hình 3.1 Sơ đồ tóm tắt quy trình chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê Trung Nguyên

37

Hình 3.2 Nguyên liệu sạch 1

38

Hình 3.3 Nguyên liệu sạch 2

38

Hình 3.4 Mẫu than thô - NAC

39

Hình 3.5 Bình đo tỷ trọng 10 mL

40

Hình 3.6 Máy đo độ dẫn điện HANNA HI 2314

43

Hình 4.1 PAC

44

Hình 4.2 GAC

44

Hình 4.3 Đồ thị biểu diễn tỷ trọng của vật liệu THTCP và THTTT dưới dạng PAC và GAC

45

Hình 4.4 Phổ XRD của bề mặt vật liệu hấp phụ

45

Hình 4.5 Ảnh SEM của bề mặt vật liệu hấp phụ

46

Hình 4.6 Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich của quá trình hấp phụacid acetic bằng vật liệu THTTT và THTCP

Hình 4.7 Đồ thị hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir của quá trình hấp phụ

acid acetic bằng vật liệu THTTT và THTCP

49

Hình 4.8 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian đến độ hấp phụ tương đối

52

Hình 4.9 Đồ thị ảnh hưởng của khối lượng đến độ hấp phụ tương đối

54

DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu,

chữ viết

tắt

Ccb

Nồng độ tại thời điểm cân bằng

GAC Granular Activated

Carbon Than hoạt tính dạng hạtPAC Powdered Activated

Carbon Than hoạt tính dạng bột

IR Infrared Spectroscopy Quang phổ hồng ngoại

IUPAC

International Union of Pure and Applied Chemistry

Liên minh quốc tế về hóa học thuần túy và hóa học ứng dụng

SBAC Solid Block Activated

Carbon Than hoạt tính dạng khối

SEM Scanning Electron

Microscope

Phương pháp kính hiển vi điện

tử quétXRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ X-ray

BET Brunauner Emmett

Teller Diện tích bề mặt riêng

FTIR Fourier Transform

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1 GIỚI THIỆU

Trong thời đại công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, hiệntrạng tài nguyên thiên nhiên ở Việt Nam đang diễn ra theo chiềuhướng tiêu cực, ảnh hưởng không tốt đến nguồn nước sinh hoạt củacon người, đặc biệt ở tại các khu công nghiệp và thành thị Nước máyđang là nguồn nước sinh hoạt chính và được sử dụng phổ biến ở khuvực thành thị Tuy nhiên, trong quá trình xử lý nước máy vẫn cònchứa hàm lượng Clo, mùi, ion kim loại Na+, Ca2+ chưa đảm bảo antoàn và chất lượng

Bên cạnh đó Việt Nam là nước nông nghiệp có sản lượng cà phêxuất khẩu đứng thứ hai trên thế giới (sau Brazil) Theo số liệu của Bộnông nghiệp Hoa Kì (USDA) lượng cà phê xuất khẩu của Việt Namniên vụ 2011 - 2012 là 21,6 ngàn tấn Theo tổng cục thống kê 2011,tổng nhu cầu tiêu thụ cà phê trong nước là 60 ngàn tấn/năm, trong

đó cà phê hòa tan chiếm khoảng 19 ngàn tấn, cà phê rang xay cóthương hiệu chiếm 35 ngàn tấn, còn lại là cà phê rang xay không cóthương hiệu Năm 2014, Việt Nam là quốc gia nổi tiếng với cà phêRobusta, sản lượng xuất khẩu cà phê đạt 1,7 triệu tấn với mức tăngtrung bình mỗi năm khoảng 30,1 % về khối lượng và 30,9 % giá trị sovới cùng kỳ năm trước Đặc biệt, các quán cà phê rất phổ biến ở ViệtNam có mức tiêu thụ nội địa ngày một tăng, riêng năm 2014 là 96tấn cà phê Trong bối cảnh đó, cà phê Trung Nguyên được biết đếnnhư là thương hiệu được người uống cà phê lựa chọn đầu tiên tại ViệtNam

Xuất phát từ các số liệu thực tiễn trên, có thể nhận thấy lượng

bã cà phê thải ra hàng năm của nước ta rất lớn Trái cà phê sau khiđược thu hoạch hạt, chế biến và sử dụng, phần bã cà phê còn lại ítđược sử dụng, thải bỏ gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh,gây lãng phí một nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất thanhoạt tính Tận dụng nguồn nguyên liệu này để chế tạo than hoạt tính

sử dụng trong lĩnh vực xử lý môi trường là rất cần thiết và có ý nghĩakhoa học

Tuy nhiên, ứng dụng của nó trong xử lý nước chỉ dừng lại ở việcloại bỏ tạp chất hữu cơ và các thành phần không phân cực có hàm

lượng nhỏ trong nước Với hy vọng khai thác tiềm năng ứng dụng củavật liệu chế tạo từ bã cà phê Trung Nguyên trong việc xử lý nướcsinh hoạt, đặc biệt ở một lĩnh vực rất mới là loại bỏ cation và aniontrong nước sinh hoạt chứa chất điện li Đề tài được thực hiện với mục

đích: “Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê Trung

Nguyên, khảo sát khả năng hấp phụ và khả năng lọc bỏ chất điện li ra khỏi mẫu nước sinh hoạt từ nguồn nước máy tại quận Cái Răng - Cần Thơ”.

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê Trung Nguyênbằng phương pháp nung yếm khí có hoạt hóa bằng KOH

Khảo sát khả năng hấp phụ và khả năng lọc bỏ chất điện li rakhỏi mẫu nước sinh hoạt từ nguồn nước máy tại quận Cái Răng - CầnThơ

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: Bã cà phê Trung Nguyên trên thị trường.Mẫu nước nhân tạo chứa các chất điện li (Ca2+, Na+, Cl-) được pha

từ hóa chất gốc CaCl2.2H2O và NaCl

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ bã cà phê Trung Nguyênbằng phương pháp nung yếm khí có hoạt hóa bằng KOH

So sánh tỷ trọng của THTCP và THTTT Xác định đặc điểm hìnhthái bề mặt của vật liệu THTCP

So sánh khả năng hấp phụ acid acetic của THTCP và THTTT

Khảo sát khả năng lọc - khử chất điện li ra khỏi mẫu nước sinhhoạt từ nguồn nước máy tại quận Cái Răng - Cần Thơ: Khảo sát ảnhhưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ chất điện li Ca2+, Na+, Cl-của vật liệu THTCP và tìm được thời gian tối ưu Khảo sát ảnh hưởngcủa khối lượng vật liệu THTCP đến khả năng hấp phụ chất điện li

Ca2+, Na+, Cl- của vật liệu THTCP và tìm được khối lượng vật liệu hấpphụ tối ưu

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

1 GIỚI THIỆU VỀ THAN HOẠT TÍNH

1.1 Than hoạt tính và quá trình hoạt hóa

Than hoạt tính được biết đến lần đầu tiên là dùng để xử lý nướckhoảng hơn 2000 năm trước đây Tuy nhiên nó bắt đầu được thươngmại hóa từ thể kỷ XX Than hoạt tính được sử dụng chủ yếu đề làmmất màu đường và từ năm 1930 trở đi nó được dùng để làm mất mùi

và vị của nước

Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã hoạt hóa được sử dụng từnhiều thế kỷ trước Người Ai cập sử dụng than gỗ từ khoảng 1500trước công nguyên làm chất hấp phụ cho mục đích chữa bệnh NgườiHindu cổ ở Ấn độ làm sạch nước uống của họ bằng cách lọc qua than

gỗ Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từkhoảng năm 1900 và được sử dụng làm vật liệu tinh chế đường.Than hoạt tính này được sản xuất bằng cách than hóa hỗn hợp cácnguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật trong sự có mặt của hơi nướchoặc CO2 Than hoạt tính được sử dụng suốt chiến tranh thế giới thứnhất trong các mặt nạ phòng độc bảo vệ binh lính khỏi các khí độcnguy hiểm (Bansal R.C and Goyal M., 2005)

Than hoạt tính là một chất gồm chủ yếu là nguyên tố carbon ởdạng vô định hình, một phần nữa có dạng tinh thể vụn grafit Ngoài

carbon thì phần còn lại thường là tàn tro, mà chủ yếu là các kim loạikiềm và vụn cát Than hoạt tính có cấu trúc rất xốp nên diện tích bềmặt ngoài lớn do đó ứng dụng như một chất lý tưởng để lọc hút màu,mùi, ion kim loại nặng, chất điện li,…

Hình 2.1 Cấu trúc than hoạt tính và mô phỏng khả năng lọc của than

hoạt tínhThan hoạt tính là một loại vật liệu được sản xuất từ nguồnnguyên liệu chứa carbon như than tre, trúc, vỏ trấu, bã cà phê, xơdừa, gáo dừa Các nguyên liệu chính được sử dụng cho than hoạttính là chất hữu cơ có hàm lượng carbon cao Các nguyên liệu chứacarbon được chuyển thành than hoạt tính thông qua biến đổi về cấutrúc và phân hủy nhiệt trong lò nung và được hoạt hóa dưới áp suấtcao và nhiệt độ cao Sản phẩm cuối cùng là than hoạt tính có cấutrúc xơ rỗng và có diện tích bề mặt cực kỳ lớn cho mỗi đơn vị thểtích Một mạng lưới các lỗ chân lông siêu nhỏ trong cấu trúc xơ rỗng

sẽ hấp phụ và loại bỏ các chất ô nhiễm có trong nước

Hiện nay, than hoạt tính được sử dụng rộng rãi và ứng dụng nhưmột chất hấp phụ để loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và cáctạp chất hữu cơ, vô cơ trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt, thuhồi dung môi, làm sạch không khí, trong kiểm soát ô nhiễm khôngkhí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ, trong làm sạch nhiềuhóa chất, dược phẩm, thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí.Chúng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim đểthu hồi vàng, bạc và các kim loại khác, làm chất mang xúc tác.Chúng cũng được biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, được

Cấu trúc than hoạt tính

Mô tả khả năng lọc của than hoạt tính

Cấu trúc than hoạt tính Các hốc giữ lại chất cặn Các chất hóa học và vi khuẩn

sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số bệnh nhấtđịnh, ngoài ra còn được sử dụng trong các bệnh như mất nước, rốiloạn điện giải do tiêu chảy.

Theo Eric P L., (2010) than hoạt tính thường có diện tích bề mặtnằm trong khoảng 300 - 3000 m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2 - 0,6

cm3/g Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ xốp nhỏ cóbán kính nhỏ hơn 2 nm Bề mặt riêng rất lớn này là hệ quả của cấutrúc xơ rỗng mà chủ yếu là do thừa hưởng từ nguyên liệu hữu cơxuất xứ, qua quá trình sấy ở nhiệt độ cao trong điều kiện yếm khí.Phần lớn các vết rỗng - nứt vi mạch, đều có tính hấp thụ rất mạnh vàchúng đóng vai trò các rãnh chuyển tải Thuộc tính làm tăng ý nghĩacủa than hoạt tính còn ở phương diện nó là chất không độc (kể cảmột khi đã ăn phải nó), than hoạt tính được tạo từ gỗ và than đáthường có giá thành thấp, từ xơ dừa, vỏ trái cây thì giá thành cao vàchất lượng hơn (Trịnh Xuân Đại, 2013)

Carbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lượngkhoảng 85 - 95 % Bên cạnh đó than hoạt tính còn chứa các nguyên

tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh và oxy Các nguyên tố khác loạinày được tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu hoặc liên kết vớicarbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác Thànhphần các nguyên tố trong than hoạt tính thường là 88 % C, 0,5 % H,0,5 % N, 1 % S, 6 - 7 % O Tuy nhiên, nguyên tố oxy trong than hoạttính có thể thay đổi từ 1 - 20 % phụ thuộc vào nguồn nguyên liệuban đầu, cách điều chế

Than hoạt tính chủ yếu được điều chế bằng cách nhiệt phânnguyên liệu thô chứa carbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 1000 °C

Năm 2005, Bansal R.C và Goyal M đưa ra quá trình điều chếgồm 2 bước: Than hóa ở nhiệt độ dưới 800 °C trong môi trường trơ

và hoạt hóa sản phẩm đã được than hóa ở nhiệt độ khoảng 950

-1000 °C

Xuất phát từ nguyên liệu khác nhau, phương pháp điều chế thanhoạt tính cũng khác nhau Nhìn chung, than hoạt tính được sản xuấttheo hai giai đoạn: Than hóa và hoạt hóa

Quá trình than hóa là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đưa

nó về dạng carbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ

tạo lỗ xốp ban đầu cho than, chính lỗ xốp này là đối tượng cho quátrình hoạt hóa than và bước đầu của sự hình thành các hệ thống maoquản (Nguyễn Tiến Minh, 2017).

Trong giai đoạn than hóa, để tránh nguyên liệu bị cháy tạothành tro, cần phải tạo môi trường trơ trong lò nung nhằm hạn chế

sự có mặt và lưu thông của O2 Quá trình than hóa chủ yếu được chếtạo phương pháp nhiệt phân ở nhiệt độ từ 850 - 950 °C trong điềukiện yếm khí, để tăng cường khả năng hấp phụ của than người ta cóthể hoạt hóa than bằng hơi nước, khí CO2, kẽm clorua hoặc acid

H2SO4 đậm đặc sẽ tạo lỗ xốp ban đầu cho than, chính lỗ xốp này làđối tượng cho quá trình hoạt hóa than và bước đầu của sự hình thànhcác hệ thống mao quản

Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể carbon dướitác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa, tạo độ xốp cho than bằngmột hệ thống lỗ có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâmhoạt động trên bề mặt Quá trình hoạt hóa tạo nên những lỗ nhỏ li tilàm cho than có khả năng hấp phụ và giữ các tạp chất tốt hơn rấtnhiều so với than ban đầu Từ các nguyên liệu có diện tích bề mặtkhoảng 10 - 15 m2/g, sau quá trình hoạt hóa, than đạt diện tích bềmặt lớn hơn cả ngàn lần, trung bình 700 - 1200 m2/g (Trịnh Xuân Đại,2013)

Sự hoạt hóa thường xảy ra ở nhiệt độ 500 °C, nhưng đôi khi lêntới 800 °C Acid phosphoric làm cho vật liệu phình ra và mở cấu trúccellulose của vật liệu Trong suốt quá trình hoạt hóa H3PO4 hoạt độngnhư một chất ổn định và đảm bảo rằng than không bị xẹp trở lại, làmcho than rất xốp và chứa đầy H3PO4 Sau đó than được rửa và tiếptục bước sản xuất tiếp theo (Bansal R.C and Goyal M., 2005)

Sau khi xử lý nguyên liệu bằng H3PO4 65 % ở 480 oC thì diện tích

bề mặt của than hoạt tính là 1350 m2/g (Gómez-Serrano V., 2005;Rosas J.M., 2009; Vernersson T., 2002)

Tất cả các nguyên liệu chứa carbon đều có thể chuyển thànhthan hoạt tính, tất nhiên sản phẩm thu được sẽ có sự khác nhau phụthuộc vào bản chất của nguyên liệu được sử dụng, bản chất của tácnhân hoạt hóa và điều kiện hoạt hóa Trong quá trình hoạt hóa hầuhết các nguyên tố khác trong nguyên liệu tạo thành sản phẩm khí vàbay hơi bởi nhiệt phân hủy nguyên liệu ban đầu Các nguyên tử

carbon sẽ nhóm lại với nhau thành các lớp thơm, liên kết với nhaumột cách ngẫu nhiên Sự sắp xếp của các lớp thơm này không tuântheo qui luật do đó để lại các chỗ trống giữa các lớp Các chỗ trốngnày tăng lên thành lỗ xốp làm than hoạt tính thành chất hấp phụtuyệt vời.

1.2 Tính chất của sợi carbon

2003)

 Tính chất vật lý của sợi carbon

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của sợi carbon

ở nhiệt độ phòng, các dung dịch nói trên không gây thay đổi với sợicarbon sau một năm thử nghiệm

 Độ bền nhiệt

Trong môi trường khí trơ, độ bền và môđun đàn hồi của sợicarbon môđun cao không giảm cho đến 1500 °C Ở môi trườngkhông khí, sợi carbon bền ở nhiệt độ 300 đến 400 °C (nhiệt độ bắtđầu oxy hóa)

 Tính dẫn điện

Độ dẫn điện của sợi carbon phụ thuộc vào chế độ xử lý nhiệt vàcác nguyên tố được cho thêm vào thành phần của chúng, dao động

từ bán dẫn đến dẫn điện

1998 và Trần Nguyễn Giao Hy, 2001)

Theo cấu trúc của sợi carbon, chúng có chứa các lỗ xốp Các lỗxốp trong sợi carbon có dạng hình kim, định hướng dọc theo trục củasợi

Trong sợi carbon chiếm khoảng 66 % thể tích riêng thuộc loạiđại xốp và khoảng 33 % thể tích riêng thuộc loại siêu xốp có bánkính trung bình 0,29 - 0,68 nm (Ngô Trần Vĩnh Nghi và Nguyễn TấnHưng, 2011)

Các lỗ xốp có đường kính lớn có khả năng hấp phụ, nhưng diệntích bề mặt riêng khá nhỏ (0,5 - 2,2 m2/g), còn các lỗ siêu vi xốp lạiquá bé không có khả năng hấp phụ Vậy sợi carbon thông thườngkhông thích hợp dùng làm vật liệu hấp phụ (Nguyễn Hữu Phú, 1998)

Để thu được carbon có tính hấp phụ, người ta thay đổi cấu trúc

lỗ xốp và tăng diện tích bề mặt của sợi bằng cách hoạt hóa trongmôi trường có tính oxy hóa và nhiệt độ cao, hoặc kết hợp với việctẩm hay thêm vào thành phần cấu trúc của sợi các nguyên tố như:các muối kim loại, các nhóm chức acid, base… để cho tổ chức xốpchuyển tiếp chiếm ưu thế - có nghĩa là tạo ra một dạng sợi carbonmới có thể có tính chất khác hẳn so với sợi carbon thông thường

Theo các tài liệu nghiên cứu, người ta thu được sợi carbon traođổi ion bằng cách nhiệt phân các sợi polime tổng hợp và sợi polimethiên nhiên tạo các sản phẩm có dạng sợi, và có nguyên tử C linhđộng, có hóa trị dư nằm trên bề mặt và len vào giữa mạng tinh thể.Các nguyên tử này có khuynh hướng liên kết dễ dàng với các nguyên

tố như oxy, lưu huỳnh, clo, brom, iod tạo thành các phức chất bềmặt Các nhóm chức bề mặt này có thể là các nhóm chứa oxy như:cacboxyl, carbonil, phenolhydroxyl, lacton, quinon, sunfo nếu sợicarbon được xử lý với các tác nhân oxy hóa (Lương Thị Kim Nga,2003)

Các môi trường oxy hóa pha khí chủ yếu tạo thành các nhómhydroxyl và carbonil trên bề mặt sợi Còn đối với môi trường oxy hóa

pha lỏng chủ yếu tạo thành các nhóm chức cacboxyl Các nhóm oxy

bề mặt đóng vai trò quan trọng tạo nên các tính hóa lý, các tính chất

bề mặt của sợi carbon (Trần Nguyễn Giao Hy, 2001 và Lương Thị KimNga, 2003)

Các nghiên cứu tia X đối với than hoạt tính và sợi carbon hoạttính cho thấy các nguyên tử O kết nối với các nguyên tử C linh độngchủ yếu là tại các rìa của các khe hở giữa các nhân thơm Do đó cáckhe này tạo thành bề mặt hấp phụ nên liên kết O - H giữa các khenày đóng vai trò quyết định lên tính acid bề mặt và dung lượng traođổi ion của sợi carbon hoạt tính

Người ta thấy rằng trong trường hợp hấp phụ các ion vô cơ trongdung dịch nước bằng sợi carbon, bản chất và số lượng của các phức

bề mặt (chứ không phải diện tích bề mặt hay lỗ xốp) của các chấthấp phụ đóng vai trò quyết định đối với bản chất của quá trình hấpphụ và lượng chất bị hấp phụ (Nguyễn Tấn Hưng, Ngô Trần VĩnhNghi, 2011)

1.3 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính

Với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và liên kết ngangbền làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển.Cấu trúc bề mặt này được tạo ra trong quá trình than hóa và pháttriển hơn trong quá trình hoạt hóa Quá trình hoạt hóa làm tăng thểtích và làm rộng đường kính lỗ Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗcủa chúng được quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu ban đầu

và phương pháp than hóa Sự mở rộng của các lỗ đã tồn tại và sự tạothành các lỗ lớn bằng sự đốt cháy các vách ngăn giữa các lỗ cạnhnhau được diễn ra Điều này làm cho các lỗ trống có chức năng vậnchuyển và các lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thể tích vi lỗ Thanhoạt tính có lỗ xốp từ 1nm đến vài nghìn nm

Năm 1982 Dubinin, M M., đề xuất cách phân loại lỗ xốp đã đượcHiệp hội Hóa học quốc tế (IUPAC) chấp nhận Sự phân loại này dựatrên chiều rộng của chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành củamột lỗ xốp hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạng ống Các lỗ đượcchia thành 3 nhóm: Lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn

- Lỗ nhỏ (Micropores) có kích thước cỡ phân tử, đường kính nhỏhơn 2 nm Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầythể tích lỗ và không xảy ra sự ngưng tụ mao quản Năng lượng hấp

phụ trong các lỗ này lớn hơn rất nhiều so với lỗ trung hay bề mặtkhông xốp vì sự nhân đôi của lực hấp phụ từ các vách đối diện nhaucủa vi lỗ Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95 % tổng diệntích bề mặt của than hoạt tính

- Lỗ trung (Mesopore) hay còn gọi lỗ vận chuyển có đường kính

từ 2 - 50 nm, thể tích từ 0,1 - 0,2 cm3/g Diện tích bề mặt của lỗ nàychiếm không quá 5 % tổng diện tích bề mặt của than Diện tích bềmặt đạt 200 m2/g Các lỗ này đặc trưng bằng sự ngưng tụ mao quảncủa chất hấp phụ với sự tạo thành mặt khum của chất lỏng bị hấpphụ

- Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấpphụ của than hoạt tính vì diện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá0,5 m2/g Chúng có đường kính lớn hơn 50 nm và thường trongkhoảng 500 - 2000 nm Hoạt động như một kênh cho chất bị hấp phụvào trong lỗ nhỏ và lỗ trung Các lỗ lớn không được lấp đầy bằng sựngưng tụ mao quản

Do đó, cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính có 3 loại bao gồm lỗ xốpnhỏ, lỗ xốp trung và lỗ xốp lớn Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò nhấtđịnh trong quá trình hấp phụ Lỗ xốp nhỏ chiếm diện tích bề mặt và thểtích lớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp phụ của than hoạt tính,miễn là kích thước phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để đi vào

lỗ xốp nhỏ Lỗ xốp nhỏ được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối thấp trướckhi bắt đầu ngưng tụ mao quản Mặt khác, lỗ xốp trung được lấp đầy ở

áp suất hơi tương đối cao với sự xảy ra ngưng tụ mao quản Lỗ xốp lớn

có thể cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh tới lỗ xốp nhỏ hơn(Bansal R.C and Goyal M., 2005)

1.4 Cấu trúc hóa học của bề mặt

Cấu trúc tinh thể của than có tác động đáng kể đến hoạt tínhhóa học Tuy nhiên, hoạt tính hóa học của các tâm ở mặt tinh thể cơ

sở ít hơn nhiều so với tâm ở cạnh hay ở các vị trí khuyết Do đó,carbon được grafit hóa cao với bề mặt đồng nhất chứa chủ yếu mặt

cơ sở ít hoạt động hơn carbon vô định hình Khả năng hấp phụ củathan hoạt tính được quyết định bởi cấu trúc vật lý và lỗ xốp củachúng, nhưng cũng bị ảnh hưởng mạnh bởi cấu trúc hóa học Thànhphần quyết định của lực hấp phụ lên bề mặt than là thành phần

không tập trung của lực Van der Walls (Nguyễn Thị Thanh Hải,2016).

Than hoạt tính hầu hết được liên kết với một lượng xác định oxy

và hydro Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguyên liệuban đầu và trở thành một phần cấu trúc hóa học là kết quả của quátrình than hóa không hoàn hảo hoặc trở thành liên kết hóa học với bềmặt trong quá trình hoạt hóa hoặc trong các quá trình xử lý sau đó.Nghiên cứu nhiễu xạ tia X cho thấy rằng các nguyên tử khác loạihoặc các phân tử được liên kết với cạnh hoặc góc của các lớp thơmhoặc với các nguyên tử carbon ở các vị trí khuyết làm tăng các hợpchất carbon - oxy, carbon - hydro, carbon - nitrơ, carbon - lưu huỳnh,carbon - halogen trên bề mặt, chúng được biết đến như là các nhóm

bề mặt hoặc các phức bề mặt Các nguyên tử khác loại này có thểsát nhập trong lớp carbon tạo ra hệ thống các vòng khác loại Do cáccạnh này chứa các tâm hấp phụ chính, sự có mặt của các hợp chất

bề mặt hay các loại phân tử làm biến đổi đặc tính bề mặt và đặcđiểm của than hoạt tính (Bansal R C and Goyal M., 2005)

1.5 Ứng dụng than hoạt tính

Lọc không khí: Ứng dụng lọc khí ở những nơi đông người nhưvăn phòng, bệnh viện, phòng thí nghiệm, nhà hàng và máy chế biếnthực phẩm, những nơi cần khí tự do sạch Dùng để hạn chế khí ônhiễm môi trường từ khí thải của các hoạt động công nghiệp như:sản xuất thuốc súng, nhựa, chất dẻo tổng hợp, thuộc da, trong côngnghiệp cao su, công nghiệp sơn, vecni, tơ sợi, chất dẻo kết dính.Thực tế than hoạt tính có khả năng hấp phụ tối đa các khí độc gâyhại cho môi trường và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe như:

SO2, NH3, CO2, H2S, CH4, H2…

Trong y dược: Than hoạt tính được ứng dụng trên cột lọc để hấpphụ Clo, các ion kim loại và các chất hữu cơ đồng thời khử mùi nướcmáy, là bước tiền xử lý của một hệ thống thẩm thấu ngược Thanhoạt tính được dùng trong quá trình trị bệnh khó thở, trong hệ tiêuhóa khử vi khuẩn, rất dễ được hấp phụ và hấp phụ rất nhanh bằngthan hoạt tính bởi vì trọng lượng phân tử cao Sử dụng than hoạt tínhcòn là một trong nhiều biện pháp khá hữu hiệu với bệnh nhân gút(Gout), than hoạt tính có tác dụng hút chất độc từ trong cơ thể ra.Than hoạt tính còn được dùng để tẩy trùng, chống tiêu chảy, hấp

phụ các độc tố sau khi bị ngộ độc thức ăn được sử dụng để xử lýchất độc và sự dùng quá liều qua đường miệng Tuy nhiên, nó khônghiệu quả cho nhiều sự ngộ độc của acid hoặc kiềm mạnh, xianua,sắt, liti, arsen, methanol, ethanol hay ethylene glicol.

Trong xử lý nước: Tẩy các chất bẩn vi lượng Than hoạt tính là vật liệuhấp phụ đa năng, không làm thay đổi các tính chất hóa lý của nước và sửdụng trong lọc nước thường có 3 loại phổ biến:

- Than hoạt tính dang bột (Powdered Activated Carbon - PAC):Thường được sử dụng để lọc mùi, lọc một số chất màu và cả chấtbéo hòa tan trong nước Tuy nhiên do tính chất dễ bị rửa trôi vàkhông ổn định, nên than hoạt tính dạng bột chủ yếu được sử dụngdưới dạng bổ trợ ở các hệ thống lọc nước công nghiệp lớn

- Than hoạt tính dạng hạt (Granular Activated Carbon - GAC):Được cấu thành từ những hạt than nhỏ và bền hơn dạng bột, GACđược sử dụng rộng rãi trong hệ thống lọc nước máy hay xử lý nướcgia đình Than hoạt tính dạng hạt có thể lọc mùi, xử lý nước nhiễmbẩn… nhưng hiệu quả lọc phụ thuộc khá nhiều vào tốc độ dòngnước, nếu tốc độ dòng nước quá lớn mà không có cách hãm thì hiệuquả sẽ không cao

Than hoạt tính dạng khối (Solid Block Activated Carbon SBAC): Là cấu trúc than tốt nhất và lọc nước hiệu quả nhất đang sửdụng rộng rãi hiện nay Khi dòng nước chảy qua khối than hoạt tínhvững chắc, các tạp chất bẩn sẽ bị giữ lại và dòng nước đi qua sạch

-sẽ Khối than hoạt tính cũng bảo đảm được sự rắn chắc, độ bền sửdụng cao và tăng hiệu suất của toàn bộ hệ thống lọc

Trong công nghiệp hóa học: Than hoạt tính đóng vai trò làmchất xúc tác và chất tải cho các chất xúc tác khác Ngoài ra, nó đượcdùng để làm vật liệu hấp phụ cho các sản phẩm công nghiệp nhưđầu lọc thuốc lá, chất khử mùi hôi, khử màu chất lỏng, hấp phụ dungmôi, vật liệu nhồi đệm cao cấp,…

Ngoài ra, than hoạt tính còn có tác dụng ngăn chặn các bức xạđiện từ độc hại do máy tính, màn hình và các thiết bị ngoại vi sinh raảnh hưởng đến người sử dụng

Nhóm carbon - oxy bề mặt là những nhóm quan trọng nhất ảnhhưởng đến đặc trưng bề mặt như tính ưa nước, độ phân cực, tính

acid, và đặc điểm hóa lý như khả năng xúc tác, dẫn điện và khả năngphản ứng của các vật liệu này Thực tế, oxy đã kết hợp thường đượcbiết là yếu tố làm cho than trở nên hữu ích và hiệu quả trong một sốlĩnh vực ứng dụng nhất định Ví dụ, oxy có tác động quan trọng đếnkhả năng hấp phụ nước, các khí… làm ảnh hưởng đến sự hấp phụchất điện phân, ảnh hưởng lên độ nhớt của grafit cũng như lên tínhchất của than Trong trường hợp của sợi carbon, nhóm bề mặt quyếtđịnh khả năng bám dính của nó vào chất nền là nhựa và sau đó làđặc điểm vật liệu composite Theo Kipling, các nguyên tử oxy vàhydro là những thành phần cần thiết của than hoạt tính với đặc điểmhấp phụ tốt và bề mặt của vật liệu này được nghiên cứu như một bềmặt hydrocarbon biến đổi ở một số tính chất bằng nguyên tử oxy(Bansal R.C and Goyal M., 2005).

Mặc dù việc xác định số lượng và bản chất của các nhóm hóahọc bề mặt này bắt đầu từ hơn 50 năm trước, bản chất chính xác củanhóm chức vẫn còn chưa được chứng minh đầy đủ Những chứng cứ

đã được đưa ra từ các nghiên cứu khác nhau sử dụng các công nghệkhác nhau vì bề mặt carbon là rất phức tạp và khó mô phỏng Cácnhóm chức bề mặt không thể được xử lý như các chất hữu cơ thôngthường vì chúng tương tác khác nhau trong môi trường khác nhau.Phổ eletron cho phân tích hóa học cho thấy sự chuyển đổi bất thuậnnghịch của chức bề mặt xảy ra khi các phương pháp hóa học hữu cơ

cổ điển được sử dụng để xác định và chứng minh chúng Do đó,người ta mong rằng việc áp dụng của nhiều công nghệ tinh vi hơnnhư phổ FTIR, XPS, NMR và nghiên cứu lượng vết phóng xạ sẽ gópphần quan trọng để hiểu biết chính xác hơn về các nhóm hóa học bềmặt này

Than hoạt tính có nhiều xu hướng mở rộng lớp oxy đã được hấpphụ hóa học này và nhiều phản ứng của chúng xảy ra do xu hướngnày Ví dụ, than hoạt tính có thể phân hủy các khí oxy hóa như ozone

và oxyt của nitơ Chúng cũng phân hủy dung dich muối bạc, halogen,sắt (III) clorua, KMnO4, amonipersunfat, acid nitric,… Trong mỗitrường hợp, có sự hấp phụ hóa học oxy và sự tạo thành hợp chấtcarbon - oxy bề mặt Than hoạt tính cũng có thể được oxy hóa bằngnhiệt trong không khí, CO2 hoặc oxy Bản chất và lượng nhóm oxy -carbon bề mặt tạo thành từ các sự oxy hóa khác nhau phụ thuộc vào

bản chất bề mặt than và cách tạo ra nó, diện tích bề mặt của nó,bản chất chất oxy hóa và nhiệt độ quá trình.

Phản ứng của than hoạt tính với oxy ở nhiệt độ dưới 400 °C chủyếu tạo ra sự hấp phụ hóa học oxy và tạo thành hợp chất carbon -oxy bề mặt, khi ở nhiệt độ trên 400 °C sự phân hủy hợp chất bề mặt

và khí hóa carbon là các phản ứng trội hơn hẳn

Dạng nhóm carbon - oxy bề mặt (acid, base, trung hòa) đã đượcxác định, các nhóm acid bề mặt là rất đặc trưng và được tạo thànhkhi than được xử lý với oxy ở nhiệt độ trên 400 °C hoặc bằng phảnứng với dung dịch oxy hóa ở nhiệt độ phòng Các nhóm chức này ítbền nhiệt và phân hủy khi xử lý nhiệt trong chân không hoặc trongmôi trường khí trơ ở nhiệt độ từ 350 - 750 °C và giải phóng CO2 Cácnhóm chức acid bề mặt này làm cho bề mặt than ưa nước và phâncực, các nhóm này là carboxylic, lacton, phenol (Bansal R.C andGoyal M., 2005)

Nhóm oxy base trên bề mặt ít đặc trưng hơn và được tạo ra khimột bề mặt than không còn bất kỳ nhóm oxy bề mặt nào khi xử lýnhiệt trong chân không hoặc trong môi trường trơ ở nhiệt độ 1000 °Csau đó làm nguội ở nhiệt độ phòng, được tiếp xúc với khí oxy Garten

và Weiss đề xuất cấu trúc dạng pyron cho nhóm chức base, nhómchức này cũng được biết như cấu trúc chromene Cấu trúc này cóvòng chứa oxy với nhóm hoạt hóa - CH2 , - CHR Theo Voll và Boehm,các nguyên tử oxy trong cấu trúc kiểu pyron được định vị trong haivòng khác nhau của lớp grafit

Tuy nhiên, cấu trúc của các nhóm oxy base trên bề mặt cũngđang còn tranh cãi Các nhóm oxy trung hòa trên bề mặt được tạo ra

do quá trình hấp phụ hóa học không thuận nghịch oxy ở các tâmkhông bão hòa dạng etylen có mặt trên bề mặt than Các hợp chất

bề mặt bị phân hủy thành CO2 khi xử lý nhiệt Các nhóm trung hòatrên bề mặt bền hơn so với các nhóm acid và bắt đầu phân hủy trongkhoảng nhiệt độ 500 - 600 °C và bị loại bỏ hoàn toàn ở 950 °C Mộtdạng của bề mặt than hoạt tính đã được oxy hóa được công bố bởiTarkovskya ở hình dưới đây

Hình 2.2 Bề mặt than hoạt tính đã được oxy hóaNhiều nỗ lực của rất nhiều nhà nghiên cứu để xác định và địnhlượng các nhóm carbon - oxy bề mặt sử dụng các phương pháp vật

lý, hóa học và hóa lý để giải hấp lớp oxyd, trung hòa với kiềm, chuẩn

độ điện thế, phương pháp phổ như phố IR, X - ray Các nghiên cứunày đã chỉ ra sự tồn tại của vài nhóm chức, quan trọng hơn cả là cácnhóm carboxyl, lacton, phenol, quinon và hydroquinon

Hình 2.3 Các nhóm carbon - oxy trên bề mặt than hoạt tính

3 ẢNH HƯỞNG CỦA NHÓM BỀ MẶT CARBON - OXY LÊN TÍNH CHẤT HẤP PHỤ

3.1 Tính acid bề mặt của than

Tính acid bề mặt của than hoạt tính và muội than là đối tượngban đầu của một số lượng lớn các nghiên cứu do tầm quan trọng của

nó trong việc xác định một vài phản ứng phân hủy, phản ứng xúctác, và các tính chất hấp phụ của những vật liệu này Trong trườnghợp của muội than, Wiegand đã sử dụng tính acid bề mặt để phânloại các họ của muội than chúng có tính acid mạnh hoặc có tính chấtkiềm hoặc acid yếu Tính acid bề mặt của than được đo bởi khả nănghấp phụ base của nó (hoặc sự trung hòa base), khả năng này đượctính bằng lượng cation kiềm đã trao đổi cho các ion hidro được cungcấp bởi các oxyt acid trên bề mặt than Tính acid bề mặt là do cấutrúc hóa học của carbon - oxy bề mặt đã được công nhận nhưcacboxyl hay lacton Các cấu trúc hóa học bề mặt này tạo ra CO2trong quá trình xử lý nhiệt trong chân không hay trong môi trườngtrơ ở nhiệt độ 300 - 750 °C (Marsh H and Rodriguez-Reinoso F.,2006)

Khả năng trung hòa base của than giảm khi hút chân khônghoặc loại khí bằng cách tăng nhiệt độ một cách từ từ, và giảm tại bất

kỳ nhiệt độ nào, tương ứng với lượng CO2 được tạo ra tại nhiệt độ đó.Hơn nữa, khi nhiệt độ vượt cao quá, khả năng trung hòa basecủa than giảm, cũng ở nhiệt độ cao có sự giải phóng CO2 từ bề mặtthan Do đó, tính acid bề mặt của than phụ thuộc vào sự có mặt củanhóm hóa học bề mặt carbon - oxy

3.2 Sự hấp phụ từ các dung dịch

Sự hấp phụ những hợp chất hữu cơ và vô cơ từ các dung dịchcủa chúng cũng cho thấy khả năng hấp phụ của than bị ảnh hưởngbởi việc có mặt của các nhóm oxy - carbon

Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu sự hấp phụ của một vài thuốcnhuộm cation và anion trên than chì cũng như các loại muội thankhác nhau, đã thấy rằng sự hấp phụ đó, mặc dù được xác định bởidiện tích mặt của carbon, vẫn bị ảnh hưởng mạnh bởi sự hiện diệncủa các oxyt có tính acid trên bề mặt Khả năng hấp phụ những chấtnhuộm cation tăng cùng với sự tăng số lượng của nhóm oxy bề mặttrong quá trình ôxi hóa than và giảm khi những oxyt bề mặt này bị

loại bỏ trong quá trình giải hấp bằng nhiệt trong chân không Trongtrường hợp của những thuốc nhuộm anion, sự hấp phụ giảm theomức độ ôxi hóa, độ giảm này tùy thuộc vào sự tăng về số lượng củacác nhóm acid bề mặt Goyal và những cộng sự cũng đã nghiên cứu

sự ảnh hưởng của các nhóm oxy - carbon tới khả năng hấp phụ mộtvài ion kim loại như Cr (III), Cr (VI), Co (II), Cu (II) và Ni (II) trên mộtvài carbon hoạt tính có sự khác nhau về diện tích bề mặt và khácnhau về số nhóm chức oxy - carbon trên bề mặt (Bansal R.C andGoyal M., 2005)

Những nhà khoa học này đã tìm ra rằng sự hấp phụ này khôngchỉ liên quan đến diện tích bề mặt, mà còn phụ thuộc vào số lượngcủa các nhóm oxy và có thể là một vài nhóm oxyt acid khác Sự hấpphụ cation tăng đối với trường hợp than đã thực hiện quá trình oxyhóa và giảm trong quá trình loại khí, kết quả này được giải thích làquá trình oxy hóa tạo thành các nhóm acid bề mặt mà sự ion hóatrong nước có thể tạo ra ion H+, chuyển trực tiếp vào pha lỏng, để lại

bề mặt than có các tâm tích điện, ở đó sự hấp phụ các cation có thểxảy ra Khi các tâm tích điện âm được loại trừ bằng loại khí, thì bềmặt than sẽ giảm xu hướng hấp phụ cation (Ngô Trần Vĩnh Nghi vàNguyễn Tuấn Hưng, 2011)

Sự hấp phụ của những hợp chất hữu cơ như phenol và para nitrophenol cũng bị ảnh hưởng bởi những nhóm oxy - carbon này.Mặc dù sự có mặt của những nhóm oxy acid làm giảm đi sự hấp phụphenol, nhưng sự có mặt của những nhóm quinon lại làm tăng cườngkhả năng hấp phụ Tính chất và khả năng hấp phụ của than tùythuộc vào bản chất cấu trúc than và sự có mặt nhóm carbon - oxy bềmặt

-Sự hấp phụ các cation như Zn2+, Fe2+, Cu2+… trong dung dịchphụ thuộc vào sự có mặt của các nhóm carbon - oxy bề mặt do cáccation này còn nhiều obitan trống nên nó có thể nhận các electron từcác nhóm carbon - oxy bề mặt và tạo thành liên kết giữa cation vàcác nhóm carbon - oxy bề mặt

Trong dung dịch nước, các cation bị hydrat hóa và tạo thành lớpmàng hydrat bao quanh cation Do đó, sự hấp phụ các cation cònphụ thuộc vào tính cạnh tranh giữa liên kết hydrat và liên kết với các

nhóm carbon - oxy bề mặt, đòi hỏi ái lực liên kết bề mặt đủ mạnh đểphá vỡ lớp màng hydrat.

3.2 Cơ chế hấp phụ trong môi trường nước

Xét tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ trong môitrường nước, xảy ra ít nhất 3 cặp tương tác (Ngô Trần Vĩnh Nghi vàNguyễn Tuấn Hưng, 2011):

- Chất hấp phụ - chất bị hấp phụ

- Chất hấp phụ - dung môi nước

- Chất bị hấp phụ - dung môi nước

Có thể coi đây là một sự cạnh tranh tương tác của lực các phân

tử, lực nào tương tác mạnh hơn sẽ đóng vai trò quyết định Nước làchất phân cực mạnh Nếu chất hấp phụ và chất bị hấp phụ khôngphân cực thì hệ có lực tương tác cao do chúng trái dấu nên đẩy nhau

và lượng chất bị hấp phụ ít nên bị chèn ép

Cơ chế này cho phép hiểu vì sao để hấp phụ chất hữu cơ trongnước người ta thường sử dụng than hoạt tính Nếu chất hấp phụ và bịhấp phụ cùng phân cực thì tương tác giữa chúng với nước tốt hơndẫn tới giảm tương tác giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.Silicagel, nhôm oxyt hấp phụ rượu, hợp chất amin tốt hơn nhiều sovới benzen trong khi than hoạt tính thì ngược lại do độ phân cực của

bề mặt các chất hấp phụ lớn Sự hấp phụ trong môi trường nước phụthuộc vào sự có mặt của các nhóm carbon - oxy bề mặt Vì nó ảnhhưởng tới sự hấp phụ của các hợp chất phân cực hoặc hơi phân cực

Than hoạt tính có cấu trúc gồm nhiều lớp của những hệ vòngthơm ngưng tụ đính với nhau trong những lớp không phân cực.Những lớp này có những kích thước giới hạn, do đó tạo thành cácgóc Bên cạnh đó, những lớp này có những chố khuyết, biến dị vàogián đoạn Những nguyên tử carbon ở những vị trí này có những cặpelectron không ghép đôi và những hóa trị thừa ra, có thế năng caohơn Do đó, những nguyên tử carbon này có hoạt tính cao, tạo thànhnhững tâm hoạt động

Rất nhiều nghiên cứu tập trung vào tìm hiểu số lượng và bảnchất của các tâm hoạt động này vì những tâm hoạt động này quyếtđịnh độ hoạt động của bề mặt, những phản ứng bề mặt và khả năngxúc tác của than hoạt tính Bởi vì xu hướng carbon hấp phụ hóa học

oxy lớn hơn các chất khác nên nhiều nghiên cứu đã kết luận tâmhoạt động này là từ sự hấp phụ hóa học oxy.

Giả thiết đầu tiên là than hoạt tính gắn với nhiều loại khác nhaunhững tâm hoạt động, từ nghiên cứu của Rideal và Wright sự oxyhóa bề mặt than với khí oxy, họ thấy 3 loại tâm hoạt động khác nhau

đã tương tác khác nhau ở những áp suất khác nhau và cho thấy tốc

độ hấp phụ hóa học khác nhau oxy ở 200 °C Allardice khi nghiêncứu động học của hấp phụ hóa học oxy trên than chì ở nhiệt độ giữakhoảng 25 °C và 300 °C dưới áp suất 100 đến 700 torr, thấy một quátrình hấp phụ có 2 bước mà ông cho rằng đó có sự hiện diện của 2loại tâm hoạt động khác nhau Dietz và Mc Farlane trong khi nghiêncứu sự hấp phụ hóa học oxy trên than hoạt tính có bề mặt lớn ở nhiệt

độ giữa 100 °C và 300 °C và áp suất oxy là bậc của 100 millitor,quan sát thấy một quá trình hấp phụ ban đầu nhanh và sau đó làmột quá trình hấp phụ chậm hơn nhiều (Trịnh Xuân Đại, 2013)

Carpenter và những đồng nghiệp đã oxy hóa rất nhiều loại than

ở những nhiệt độ khác nhau, nhận thấy hấp phụ hóa học oxy chỉtuân theo phương trình Elovich trong thời gian 5 phút đầu tiên Khithời gian oxy hóa tăng lên, lượng oxy hấp phụ hóa học vượt quálượng được tính từ phương trình Elovich Việc này có thể là do sự tạothành của những tâm hấp phụ mới bởi quá trình giải hấp oxy khi CO2,

CO và hơi nước được giải phóng Lussow và các đồng nghiệp nghiêncứu động học quá trình hấp phụ của oxy trên một mặt graphon hoạthóa tới những mức độ đốt cháy trong khoảng 0 - 35 % ở khoảngnhiệt độ 450 °C đến 675 °C Lượng oxy hấp phụ hóa học tăng khámạnh ở nhiệt độ trên 400 °C, lớn hơn gần 2 hoặc 3 lần Người tacũng thấy rằng khi áp suất oxy tăng từ 0,5 - 700 torr, lượng oxy hấpphụ hóa học gần như tăng gấp đôi Những kết quả này chỉ ra sự tồntại của nhiều hơn một loại vùng năng lượng hoạt hóa (Trịnh XuânĐại, 2013)

Ở những nghiên cứu sau này, Walker và các cộng sự khi nghiêncứu tốc độ hấp phụ hóa học của oxy trên graphon hoạt hóa, với 14,4

% bị đốt cháy ở nhiệt độ trong khoảng 300 - 625 °C với áp suất oxy

là 0,5 torr, quan sát thấy 2 tốc độ hấp phụ khác nhau, một trên vàmột dưới 250 °C Hơn nữa còn có sự tăng nhanh lượng oxy bão hòa ởnhiệt độ trên 250 °C hay trong khoảng thời gian dài hơn Điều này

chỉ ra sự có mặt của 2 loại tâm hoạt động khác nhau ở năng lượnghoạt hóa của chúng Năng lượng hoạt hóa của quá trình hấp phụ ởnhững tâm tương đối hoạt đông hơn được tìm ra là khoảng 30 kJ/Mol(Trịnh Xuân Đại, 2013).

Bansal R.C., Goyal M (2005), nghiên cứu động học của quá trìnhhấp phụ hóa học của hydro trên cùng mẫu graphon với áp suất oxy

và nhiệt độ hấp phụ Tốc độ hấp phụ hóa học của hydro là rất thấp

so với oxy Chỉ 4 loại tâm hoạt động được tìm ra khi nhiệt độ hấp phụ

là 600 °C Những thí nghiệm hấp phụ hóa học hydro không thể thựchiện được ở nhiệt độ cao vì mặt graphon bị đốt cháy sinh ra khí cóthể làm nhiễu phép đo động học

Puri và các đồng nghiệp và Bansal đã thu được những chứng cứkhá thuyết phục cho sự tồn tại của những tâm hoạt động hoàn toànkhác nhau, chúng được gọi là tâm chưa bão hòa Những tâm này cóthể được xác định bởi sự tương tác của than với dung dịch hòa tanbrom trong KBr Những tâm này được tạo ra khi những nhóm oxy -carbon tạo ra CO2 bị loại khỏi bề mặt than bằng sự loại khí ở nhiệt độtrong khoảng 350 °C đến 750 °C Một mol tâm không bão hòa đượctạo ra bằng việc loại bỏ 2 mol oxy hấp phụ hóa học dạng CO2 (TrịnhXuân Đại, 2013)

Nồng độ của những tâm hoạt động trên bề mặt than hoạt tínhđược đo theo ngôn ngữ diện tích mặt phẳng họat động (ASA) ASA,theo các nhà khoa học, là một chỉ số của độ hoạt động hóa học của

bề mặt than, quyết định khả năng xúc tác và phản ứng bề mặt củathan ASA được xác định từ lượng oxy hấp phụ hóa học ở 300 °Ctrong 24 giờ ở áp suất oxy ban đầu là 0,5 torr Giả sử rằng một phân

tử oxy được hấp phụ hóa học tại mỗi nguyên tử carbon, mà mỗinguyên tử carbon chiếm diện tích 0,083 nm, lượng oxy hấp phụ hóahọc có thể được chuyển đổi sang ASA Các nhà khoa học này đã hoạthóa graphon với những mức độ đốt cháy khác nhau để tạo ra mộtlượng tương ứng ASA và thấy rằng ASA tăng cùng với độ đốt cháy và

có thể liên hệ độ hoạt động của graphon với oxy Tuy nhiên, ngàynay người ta đã tìm ra rằng than có gắn với vài loại nhóm tâm hoạtđộng, mỗi nhóm lại gắn với một lượng phụ thuộc năng lượng hoạthóa Tóm lại, cần thu được dữ liệu từ những điều kiện thích hợp để cóthể chắc chắn rằng những sự hoạt động của bề mặt không phải là

không chịu ảnh hưởng bởi phản ứng trên những vùng ít hoạt độnghơn Hoffman khi nghiên cứu sự hấp phụ hóa học một vàihydrocarbon như propylen, ethylen, propan và methan trên graphonhoạt động, nhận thấy rằng độ hấp phụ của mỗi hydrocarbon tăngứng với các graphon có mức độ đốt cháy nhiều hơn, do tăng ASA củagraphon Tuy nhiên, ASA ở những hydrocarbon này nhỏ hơn nhiềukhi so với ASA bởi oxy ở mọi mức độ đốt cháy Hơn nữa, propylen cóASA lớn hơn ethylen, methan và n-butan Điều này có thể do kích cỡlớn hơn của những phân tử hydrocarbon này, khi được hấp phụ trênmột tâm hoạt động như là đã che những tâm bên cạnh, làm chúngkhông thể tham gia hấp phụ hóa học Do vậy, ASA có ý nghĩa duynhất liên quan đến sự hấp phụ hóa học của những thành phần riêngbiệt Dentzer nghiên cứu khả năng hấp phụ và giải hấp các phức bạcdiamin từ dung dịch amoni trên grafit được hoạt hóa với những mức

độ cháy khác nhau và thấy rằng lượng bạc hấp phụ tăng khi mức độđốt cháy tăng Một quan hệ tuyến tính giữa lượng bạc bị hấp phụ vàASA như được xác định bằng phương pháp Walker Điều này có thể

do những tương tác khử của bạc diamin với những tâm họat độngtrên than tạo ra bạc kim loại bị hấp phụ trên những tâm hoạt động(Trịnh Xuân Đại, 2013)

Bansal R.C., Goyal M (2005), cho rằng sự tồn tại những tâmhoạt động này là do sự khác nhau trong sự sắp xếp không gian củanhững nguyên tử carbon bề mặt Khi bề mặt than có các phân tử khí

đi vào, những phức hoạt động được tạo ra giữa những nguyên tử khí

và những nguyên tử carbon trên 2 bề mặt có thể có cấu hình thếnăng khác nhau, phụ thuộc vào khoảng cách giữa những nguyên tửcarbon, tạo ra sự phụ thuộc của năng lượng hoạt hóa của quá trìnhhấp phụ hóa học

Sherman và Eyring đã tính toán lý thuyết năng lượng hoạt độngcủa hấp phụ hóa học hydro trên mặt than và tìm ra giá trị phụ thuộcvào khoảng cách C - C Một phép so sánh những giá trị lý thuyết củaSherman và Eyring và giá trị thực nghiệm thu được bởi Bansal đãđược đưa ra Sự thống nhất giữa giá trị thực nghiệm và lí thuyết đãcho thấy một điều rằng khoảng cách C có tác động như các loại tâmhoạt động khác nhau trên đó sự hấp phụ hóa học có thể xảy ra(Trịnh Xuân Đại, 2013)

5 GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU BÃ CÀ PHÊ

Theo nghiên cứu được thực hiện năm 2005, có khoảng 75 %quốc gia sản xuất cà phê trên thế giới, trong đó Việt Nam được xếphàng thứ hai về lĩnh vực này chỉ sau Brazil (D D’haeze, J Deckers, D.Raes, T.A Phong, H.V Loi, 2005) Ở Việt Nam, hàng ngày, một lượnglớn bã cà phê từ các gia đình, nhà hàng, quán cà phê thải ra môitrường và có rất ít công trình nghiên cứu để tận dụng nguồn sinhkhối rất dồi dào này

Hình 2.4 Nguyên liệu bã cà phê Trung Nguyên

5.1 Thành phần của bã cà phê

Theo Sikka et al., (1985), thành phần hóa học của bã cà phê có

thể thay đổi tùy thuộc vào quy trình chế biến hạt cà phê bao gồm:96,32 % vật chất khô; 12,55 % protein thô; 15,57 % béo thô; 44,37

% xơ thô; 60,8 % xơ acid; 68,67 % xơ trung tính và 3,7 % tro Trongthực tế, tỷ lệ carbon: nitơ của bã cà phê là 11:1 đây là tỷ lệ lý tưởngcho nguồn dinh dưỡng đất và cây trồng Vì cà phê được trích trongnước nên các hợp chất kỵ nước như: dầu, chất béo, acid béo,triacylglycerin vẫn còn trong bã cà phê (Wong và Wang, 1991)

Cà phê là một phức hợp được tạo bởi nhiều thành phần hóa học

có đặc điểm rất riêng biệt như caffein, nhóm antioxydant, nhómditerpene… Sự góp mặt của các thành phần chính là lý do chính

khiến hương vị và dưỡng chất trong hạt cà phê vô cùng dồi dào vàphong phú.

Caffein (1,3,7-trimethylpurine-2,6-dione C8H10N4O2) là thànhphần có tác dụng mạnh nhất trong các sản phẩm cà phê dù chỉchiếm khoảng 1 - 5 % thành phần của cà phê Hàm lượng caffein của

cà phê Robusta (cà phê vối 2,0 + 3,5 %) thường gấp đôi so với càphê Arabica (cà phê chè 1,2 + 1,5 %) và đây được coi là tác nhângây ra vị đắng của hạt cà phê

Hình 2.5 Công thức cấu tạo của caffeinTrigonellin (1-methylpyridinium-3-carboxylate C7H7NO2) là mộttrong những thành phần quan trọng tạo nên hương vị trong quá trìnhrang Khi nhiệt độ trên 160 °C, trigonellin phản ứng dần trong điềukiện nhiệt độ cao để tạo thành khí CO2, nước và phức hợp các chấttạo mùi thơm thuộc nhóm pyridine Hàm lượng trigonellin được tìmthấy trong cà phê Arabica là khoảng 1 % và trong cà phê Robusta làkhoảng 0,7 %

Antioxidants là một nhóm hợp chất chống oxy hóa góp mặttrong rất nhiều nơi Những loại antioxidant dễ tìm thấy nhất làascorbic acid, tocopherol và carotenoid Ngoài ra còn tìm thấy rấtnhiều dạng hợp chất chống oxy hóa từ antioxidant trong cà phê nhưchlorogenic acid và melanoidin - những hợp chất có khả năng tăngcường sức để kháng của cơ thể

Các chất béo: Các chất béo chủ yếu tạo thành dầu cà phê làtrigliceride và diterpene là dạng este của acid bão hòa nhất làpanmitic, behenic, arachidic Các hợp chất thuộc nhóm diterpenenhư cafestol (C20H28O3) và kahweol (C20H26O3) là những hợp chất đượctìm thấy nhiều nhất trong dầu cà phê

Các acid: Đại diện quan trọng nhất của nhóm acid là các loạiacid chlorogenic.

- Bengis và Anderson (1934) lần đầu tiên nghiên cứu về thànhphần gliceride của dầu hạt cà phê đã kết luận có chứa 40 % acid béobão hòa (capric, palmitic, daturic và carnaubic acid) trong khi acidbéo không bão hòa gồm oleic acid 2 % và linoleic acid 50 %

- Nghiên cứu của Khan và Brown (1953) cho thấy, acid linoleic vàacid palmitic là hai loại acid béo chính ở hầu hết các loại cà phê

- Nguyễn Hồng Hương và ctv., (2010) kết luận thành phần acidbéo trong hạt cà phê gồm hai acid béo no là acid palmitic và acidstearic (lần lượt 32,34 % và 7,58 %), hai acid béo không no chủ yếu

là oleic và linoleic (lần lượt 12,22 % và 42,13 %)

Cacbohydrate có phân từ khối nhỏ, tan trong nước và 80 % tantrong ethanol chủ yêu là mono, đi và oligosaccharide Cácpolisaccharide chính là mantose, galactose và acid galacturonic.Polisacchanride dự trữ nằm trong lớp vỏ tế bào gồm những sợicellulose kết chặt như lignin, pectin và hernicellulose Các hợp chấtthuộc nhóm Carbohydrate, điển hình là đường glucose C6H12O6, cấutạo nên trên 50 % tổng khối lượng khô của hạt cà phê Hợp chấtquan trọng nhất thuộc nhóm Carbohydrate trong cà phê là đườngđôi sucrose C12H22O11 (phức hợp giữa đường glucose và fructose) Tỷ

lệ sucrose được tìm thấy trong cà phê Arabica là khoảng 6 - 9 % vàtrong cà phê Robusta là khoảng 3 - 7 % Trong quá trình rang, hầunhư toàn bộ lượng đường sucrose đều tham gia phản ứng Maillard đểtạo màu nâu cho hạt cà phê và các hương vị phức tạp khác

Các chất khoáng: Hàm lượng chất khoáng trong cà phê khoảng

3 - 5 %, chủ yếu là canxi, natri, kali, nitơ, magie, phospho, clo Ngoài

ra còn thấy nhôm, sắt, đồng, iod, lưu huỳnh ,…những chất này ảnhhưởng không tốt đến mùi vị cà phê

Bọc quanh bã hạt cà phê là một phần nhớt nhầy Thành phầnchủ yếu của nó là protein, đường và pectin Phần nhớt này rất khó bịphân hủy

5.2 Độ bền nhiệt của bã cà phê

Theo báo cáo kết quả của một nhóm nghiên cứu đến từ ViệnKhoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan (UNIST), phía Nam Hàn Quốcđược đăng tải trên tạp chí Nanotechnology Trong quá trình thử

nghiệm, nhóm nghiên cứu đã tiến hành ngâm bã cà phê đã qua sửdụng (loại cà phê được dùng là cà phê Columbia rang sẫm và nghiềnmịn) trong dung dịch kali hydroxyt Sau đó, họ đun nóng hỗn hợptrên đến nhiệt độ 65 °C và khuấy đều hỗn hợp trong vòng 24 giờ.Tiếp đến, hỗn hợp thu được được sấy khô trong lò ở nhiệt độ 100 °Ctrước khi được chuyển sang lò khí argon mà ở đó, hỗn hợp được nungnóng lên đến mức nhiệt từ 700 - 900 °C nhằm mục đích kích hoạtcác đặc tính hấp thụ carbon.

5.3 Các ứng dụng đã được nghiên cứu từ bã cà phê

Chuyển hóa bã cà phê thành phân hữu cơ dùng để bón cây Dochứa hàm lượng chất dinh dưỡng cao nên người ta có thể sử dụng bã

cà phê như một chất bón cây rất hữu hiệu Nghiên cứu được các nhàkhoa học công bố trên trang web đối thoại (Dialogue) cho biết trongthành phần của chúng chứa nhiều canxi, phospho, nitơ cũng như cácchất khoáng khác giúp ích cho sự phát triển của cây

Bã cà phê là cơ chất thích hợp để nuôi trồng nấm Linh chi Khốilượng tươi quả thể nấm Linh chi thu được trên cơ chất chứa 100 % bã

cà phê là 31,7 g, cao hơn nhiều so với nấm Linh chi trồng trên môitrường đối chứng trong điều kiện thí nghiệm (Chu Thị Bích Phượng vàctv., 2012)

Dùng làm thuốc diệt sên và ốc sên rất hữu hiệu vừa được RobertHollingsworth thuộc Viện nghiên cứu của Canh Nông tại Hawaii đãnhận thấy chỉ cần 1 - 2 % chất caffein có thể tận diệt ốc sên và sêntrong vòng 2 ngày

Ngăn côn trùng như ruồi, muỗi, thiêu thân bay vào nhà

Bã cà phê còn là một chất tẩy rửa tuyệt vời

Bã cà phê là nguyên liệu chính để sản xuất một số loại mỹphẩm, có tác dụng làm sáng da, chống lão hóa, ngăn ngừa nếp nhăn,loại bỏ rạn da và giúp tẩy tế bào chết

Tại Hoa Kỳ, bã cà phê đã được đem tái chế thành những khúccủi đốt lò sưởi với tên gọi là Java Khi đốt loại củi này thì lượng khí COthải ra thấp hơn đến 85 % so với bất cứ loại củi nào khác và lượngtro bụi lan vào không khí cũng ít hơn đến 96 %

Tại Nhật Bản, một nhóm các nhà khoa học ở Trường Đại họcBách khoa Fukui đã sử dụng bã cà phê và rỉ đường làm nguyên liệusản xuất xốp poliuretan (PU) và composit trên nền poliuretan Các

miếng xốp mềm bằng PU có khả năng phân hủy sinh học, được sửdụng trong gia đình và nhiều ngành công nghiệp.

Trên thế giới đã có những nghiên cứu để điều chế than hoạt tính

từ bã cà phê Chẳng hạn như nghiên cứu của Namane A., và cáccộng sự ở khoa Môi trường, Trường Cao đẳng Quốc gia An-giê-ri vềkhả năng hấp phụ của than hoạt tính sản xuất từ bã cà phê với tácnhân hoạt hóa là ZnCl2 và H3PO4 Nghiên cứu của Hirata M., KawasakiN., Nakamura T., Matsumoto K., Kabayama M., Tamura T andTanaza S về điều chế than hoạt tính từ bã cà phê trong điều kiện visóng

Các nhà khoa học tại trường đại học Bath của Anh mới nghiêncứu thành công một phương pháp để “biến” bã cà phê thành dầudiesel sinh học có thể dùng chạy động cơ ôtô So với dầu diesel sảnxuất từ dầu mỏ hay các nhiên liệu có nguồn gốc hóa thạch khác, việc

sử dụng diesel sinh học cho ôtô sẽ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môitrường, lại tiết kiệm đáng kể chi phí Không những vậy, nhiêu liệuđược tái chế từ bãi cà phê còn có thể được bảo quản lâu hơn do cóchứa số lượng lớn chất chống oxy hóa

Một chiết xuất khác có trong bã cà phê có tên là acidchlorogenic, có tính chất chống oxy hoá, chống ung thư và các tínhchất bảo vệ hệ thần kinh

Nước tham gia vào thành phần cấu trúc sinh quyển, điều hòacác yếu tố khí hậu, đất đai và sinh vật Nước còn đáp ứng những nhucầu đa dạng của con người trong sinh hoạt hằng ngày, tưới tiêu chonông nghiệp, sản xuất công nghiệp, sản xuất điện năng và tạo ra

nhiều cảnh quan đẹp.

6.1 Vai trò của nước đối với sức khỏe con người

Nước là một trong những thành phần cơ bản của sự sống Nướcrất cần thiết cho hoạt động sống của con người cũng như các sinhvật khác Nước chiếm 74 % trọng lượng trẻ sơ sinh, 55 % đến 60 %

cơ thể nam trưởng thành, 50 % cơ thể nữ trưởng thành Nước cầnthiết cho sự tăng trưởng và duy trì cơ thể bởi nó liên quan đến nhiềuquá trình sinh hoạt quan trọng Muốn tiêu hóa, hấp thu sử dụng tốtlương thực, thực phẩm đều cần có nước

Theo nghiên cứu của viện dinh dưỡng quốc gia: khoảng 80 %thành phần mô não được cấu tạo bởi nước, việc thường xuyên thiếunước làm giảm sút tinh thần, khả năng tập trung kém và đôi khi mấttrí nhớ.

Ngoài ra, nước còn có nhiệm vụ thanh lọc và giải phóng nhữngđộc tố xâm nhập vào cơ thể qua đường tiêu hóa và hô hấp một cáchhiệu quả Nhiều nghiên cứu cũng cho thấy: Nước là thành phần chủyếu của lớp sụn và chất hoạt dịch, khi bộ phận này được cung cấp đủnước, sự va chạm trực tiếp sẽ giảm đi, từ đó giảm nguy cơ viêmkhớp Uống đủ nước làm cho hệ thống bài tiết được hoạt độngthường xuyên, bài thải những độc tố trong cơ thể, có thể ngăn ngừa

sự tồn đọng lâu dài của những độc tố gây bệnh ung thư: Uống nướcnhiều hằng ngày giúp làm loãng và gia tăng lượng nước tiểu bài tiếtcũng như góp phần thúc đẩy sự lưu thông toàn cơ thể, từ đó ngănngừa hình thành của các loại sỏi: đường tiết niệu, bàng quang, niệuquản (Báo cáo Khoa học Môi trường, 2009)

6.2 Vai trò của nước đối với con người trong nền kinh tế quốc dân

Cũng như không khí và ánh sáng, nước không thể thiếu đượctrong đời sống con người Trong quá trình hình thành sự sống trênTrái đất thì nước và môi trương nước đóng vai trò quan trọng Nướctham gia vào vai trò tái sinh thế giới hữu cơ (tham gia quá trìnhquang hợp) Trong quá trình trao đổi chất nước đóng vai trò trungtâm Những phản ứng lý hóa học diễn ra với sự tham gia bắt buộccủa nước Nước là dung môi của nhiều chất và đóng vai trò dẫnđường cho các muối đi vào cơ thể

Trong khu dân cư, nước phục vụ cho mục đích sinh hoạt, nângcao chất lượng cuộc sống của người dân

Nước dùng cho nhu cầu sản xuất công nghiệp rất lớn Nước dùng

để làm nguội các động cơ, làm quay các tubin, là dung môi làm tancác hóa chất màu và các phản ứng hóa học Nước sạch góp mộtphần tạo ra các sản phẩm chất lượng, an toàn vệ sinh Mỗi ngànhcông nghiêp, mỗi loại hình sản xuất và mỗi công nghệ yêu cầu mộtlượng nước, loại nước khác nhau Nếu không có nước thì toàn bộ các

hệ thống sản xuất công nghiệp đều ngừng hoạt động và không tồntại

Nước đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong sản xuất nôngnghiệp Đối với cây trồng nước là nhu cầu thiết yếu, có vai trò điềutiết các chế độ nhiệt, ánh sáng, chất dinh dưỡng, vi sinh vật, độthoáng khí trong đất,… Tóm lại, nước có vai trò cực kỳ quan trọng,

do đó bảo vệ nguồn nước là rất cần thiết cho cuộc sống con người(Báo cáo Khoa học Môi trường, 2009)

6.3 Sự ô nhiễm môi trường nước

Ô nhiễm nước đang là vấn đề đáng báo động trên thế giới hiệnnay Đặc biệt là các nước phát triển, cùng với sự phát triển của cáckhu công nghiệp, nhà máy… đã thải ra môi trường hàng loạt cácchất thải độc hại, làm cho nguồn nước ở đây bị ô nhiễm trầm trọng.Năm 2000, vụ tai nạn hầm mỏ xảy ra tại công ty Aurul (Rumani)

đã thải ra 50 - 100 tấn xyanua và kim loại nặng (Đồng) vào dòngsông gần Baia Mare (thuộc vùng Đông Bắc) Sự nhiễm độc này đãkhiến các loài thủy sản ở đây chết hàng loạt, tổn hại đến hệ thực vật

và làm bẩn nguồn nước sách, ảnh hưởng đến cuộc sống của 2,5 triệungười

Năm 1984, Bhopal (Ấn Độ) là nơi xảy ra một tai nạn kinh hoàngkhi nhà máy sản xuất thuốc trừ sâu Union Carbide India, thải rangoài môi trường 40 tấn izoxianat và metila Theo viện Blacksmith,chính lượng khí độc hại này đã gây ảnh hưởng không nhỏ đến sứckhỏe của hàng trăm nhìn người dân và khiến 15 ngàn người tử vong.Nằm tại khu vực chính giữa đất nước Trung Quốc, dòng sôngHuai dài 1978 km được coi như nơi ô nhiễm nhất của nước này docác chất thải công nghiệp, động vật và nông nghiệp Mức độ mắc cácbệnh cao bất thường của cộng đồng dân cư sống gần lưu vực sông

đã khiến chính phủ phải xếp nguồn nước của con sông ở mức độ ônhiễm độc hại nhất Tuy nhiên, chính phủ Trung Quốc hiện đangcùng với Ngân hàng thế giới nổ lực giải quyết tình trạng này

Tại Marilao (Philipine) hệ thống các sông gần vùng ngoại ô tỉnhBulacan là nơi lưu thông hàng hóa cho các khu vực thuộc da, tinhchế kim loại, đúc chì Các chất ô nhiễm gây ra các vấn đề sức khỏecho cư dân trong vùng và xa hơn nó còn gây hại tới ngành đánh bắttại vịnh Manille

Hiện nay, Việt Nam đang phải đối mặt với thách thức lớn về tìnhtrạng ô nhiễm nguồn nước, đặc biệt là tại các khi công nghiệp và đôthị Tại các thành phố lớn, lượng nước chưa qua xử lý của hàng trăm

cơ sở sản xuất công nghiệp xả thẳng ra môi trường là nguyên nhânchính gây ô nhiễm môi trường nguồn nước

Ở khu vực nông thôn, tình trạng ô nhiễm nguồn nước cũngkhông ngừng gia tăng Theo thống kê, có 76 % số dân đang sinhsống ở nông thôn, là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chấtthải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đấthoặc rửa trôi làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu cơ

và vi sinh vật ngày càng cao (Báo cáo Khoa học Môi trường, 2009).Bên cạnh đó, việc lạm dụng các chất bảo vệ thực vật trong sản xuấtnông nghiệp dẫn đến các nguồn nước ở sông, hồ, kênh, mương bị ônhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và sứckhoẻ của con người Ngoài ra ô nhiễm nguồn nước đang gây tổn thấtlớn cho các ngành sản xuất kinh doanh, nông nghiệp, nuôi trồngthuỷ sản,… (http://tapchimoitruong.vn) Tình hình ô nhiễm môitrường nước ở nước ta đang ở mức báo động Nguyên nhân chủ yếu

là do ý thức con người quá kém Các hành động xả rác bừa bãi xuốngkhu vực sông, suối, ao, hồ,… đã làm nặng thêm tình trạng ô nhiễmmôi trường nước hiện nay

H2S, HF, H2SO3 và các base yếu như Mg(OH)2, Bi(OH)3

7.2 Hiện trạng chất điện li trong nước sinh hoạt

Nước sinh hoạt (nước máy) có chứa nhiều cation canxi (Ca2+) vàmagie (Mg2+) còn gọi là nước cứng Đánh giá độ cứng của nước bằng