Activated carbon

i BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TPHCM  NGUYỄN NGỌC NHƯ QUỲNH VẬT LIỆU LỌC THAN HOẠT TÍNH TRONG XỬ LÝ NƯỚC CẤP BÀI THU HOẠCH TPHCM – THÁNG 02/2016 i ii BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TPHCM  NGUYỄN NGỌC NHƯ QUỲNH VẬT LIỆU LỌC THAN HOẠT TÍNH TRONG XỬ LÝ NƯỚC CẤP BÀI THU HOẠCH Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Môn học: Vật liệu môi trường Lớp: 02 ĐH QTTB MSSV: 0250020074 TPHCM – THÁNG 02/2016 ii iii LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày lòng cảm ơn sâu sắc đến TS LÊ VĂN LỮ tận tình hướng dẫn giúp đỡ cho trình hoàn thành thu hoạch iii iv LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu thu hoạch trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực thu hoạch cảm ơn thơng tin trích dẫn thu hoạch rõ nguồn gốc iv v DANH MỤC CÁC HÌNH, BIỂU ĐỒ Hình Cấu trúc mao quản than hoạt tính Hình Mơ hình hấp phụ đơn lớp Langmuir đa lớp BET 20 v vi MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài Kết cấu đề tài NỘI DUNG Chương Tổng quan 1 Định nghĩa Lịch sử hình thành phát triển Chương Phân loại Phân loại theo Misec Phân loại Meclenbua Phân loại theo Đu-bi-nin Chương Cấu trúc mao quản Chương Tính chất vật lý Kích thước hạt Diện tích bề mặt riêng Cấu trúc vật lý Khối lượng riêng Chương Tính chất hóa học 10 Chương Nguyên liệu 11 Chương Phương pháp sản xuất 11 Q trình than hóa 12 Q trình hoạt hóa 12 Chương Tái sinh than hoạt tính 15 Chương Chỉ tiêu chất lượng 17 Chương 10 Cơ sở lý thuyết trình hấp phụ 17 vi vii Chương 11 Động học hấp phụ than hoạt tính 20 Chương 12 Ưu điểm nhược điểm than hoạt tính 21 Chương 13 Ứng dụng số lưu ý sử dụng than hoạt tính 22 Chương 14 Tiêu chuẩn Việt Nam vật liệu than hoạt tính 23 Quy định chung 24 Các tính chất than hoạt tính 24 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 vii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Than hoạt tính từ lâu chế tạo sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ ứng dụng sống hàng ngày đến ứng dụng cơng nghiệp Than hoạt tính với đặc tính tuyệt vời làm nước, khơng khí chí tham gia vào q trình tinh chế chất hóa học hữu ích khác Hiện thị trường có nhiều loại than hoạt tính khác nhau, sản xuất theo nhiều phương pháp từ nguồn nguyên liệu khác khí thiên nhiên, bã thải nơng nghiệp hay than bùn Tuy đa dạng mặt mẫu mã, chủng loại tính chất chúng khơng khác xa Với mục đích hiểu rõ loại than hoạt tính tính chất ưu việt chúng, định chọn đề tài “Vật liệu lọc than hoạt tính gáo dừa” làm đề tài thu hoạch Mục đích nghiên cứu đề tài Qua đồ án này, ta nắm khái niệm tính chất, phân loại, ứng dụng than hoạt tính, phương pháp sản xuất than hoạt tính từ nguyên liệu gáo dừa Trong trình thực hiện, thời gian có hạn nên đồ án nhiều thiếu sót, mong thầy bạn góp ý, bổ sung để thu hoạch hoàn thiện Kết cấu đề tài Đồ án có kết cấu gồm phần : mở đầu, nội dung kết luận Phần nội dung đặc biệt sâu vào định nghĩa, phân loại, tính chất vật lý hóa học, ứng dụng số tiêu chuẩn kỹ thuật sử dụng than hoạt tính lĩnh vực xử lý nước cấp Qua tơi hy vọng cung cấp nhìn tổng quát vật liệu than hoạt tính ứng dụng lọc nước cấp NỘI DUNG Chương Tổng quan Định nghĩa Gần đây, cacbon xem nguyên tố tuyệt vời cách mạng khoa học vật liệu Từ cacbon có than hoạt tính, chất hấp phụ xốp tốt, với đặc tính tuyệt vời, ứng dụng rộng rãi công nghiệp Than hoạt tính thuật ngữ thường sử dụng cho nhóm chất hấp phụ dạng tinh thể, có cấu trúc dạng mao quản làm cho diện tích bề mặt lớn, khả hấp phụ tốt Than hoạt tính có thành phần chủ yếu cacbon, chiếm từ 85 đến 95% khối lượng Phần lại nguyên tố khác hydro, nitơ, lưu huỳnh, oxi,… có sẵn nguyên liệu ban đầu liên kết với cacbon q trình hoạt hóa Thành phần than hoạt tính thơng thường là: 88% C; 0.5% H; 0.5% N; 1% S 6-7% O Hàm lượng oxi thay đổi từ đến 20% tùy thuộc vào nguyên liệu cách điều chế than hoạt tính Than hoạt tính có diện tích bề mặt khoảng 800 – 1500 m2/g chủ yếu lỗ nhỏ có bán kính nm tạo ra, thể tích mao quản từ 0.2 – 0.6 cm3/g Mỗi năm khoảng 150 nghìn than hoạt tính dạng bột sản xuất, với khoảng 150.000 than dạng hạt 50.000 dạng viên Nhiều nguyên liệu khác sử dụng gỗ, nhựa, đá hay vật liệu tổng hợp để sản xuất than hoạt tính mà khơng cần đưa chúng dạng cacbon, đồng thời có hiệu tương tự Than hoạt tính sau sử dụng tái sinh (làm giải hấp phụ) sử dụng hàng trăm, chí hàng ngàn lần Than hoạt tính sản xuất từ nguyên liệu tự nhiên cách than hóa xử lý tiếp Trong trình này, vài thành phần chuyển hóa thành khí bay khỏi ngun liệu ban đầu tạo thành lỗ trống xốp (mao quản) Hiện thị trường, than hoạt tính bán ba dạng: - Than hoạt tính dạng bột - Than hoạt tính dạng hạt - Dạng than hoạt tính cải tiến (dưới áp suất cao), thường viên Lịch sử hình thành phát triển Than hoạt tính dạng than gỗ hoạt hóa sử dụng từ nhiều kỉ trước: - Người Ai Cập sử dụng than gỗ từ khoảng năm 1500 TCN để làm chất hấp phụ chữa bệnh - Người Hin du cổ Ấn Độ biết làm nước uống cách lọc qua than gỗ Sản xuất than hoạt tính cơng nghiệp khoảng năm 1900, sử dụng để làm vật liệu tinh chế đường cách than hóa hỗn hợp nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật nước CO2 Than hoạt tính sử dụng mặt nạ phòng độc chiến thứ - Năm 1793 Ken-xơ dùng than gỗ để hút mùi vết thương có tính hoại tử - Năm 1773 Silo quan sát mô tả tượng hấp phụ than gỗ - Năm 1777 Phơn-tan-na đưa than nóng đỏ vào ống chứa khí úp ngược thủy ngân nhận thấy phần lớn khí ống bị than hút - Trong lĩnh vực dung dịch, năm 1785 Tô-vơlo-vit thấy than gỗ tẩy màu nhiều dung dịch - Năm 1794 Lip-man thấy than gỗ tẩy màu tốt dung dịch đường mía năm 1805 Gu-li-on dung than gỗ để tẩy màu công nghiệp đường - Sang đầu thể kỷ 20, vào năm 1922 Bi-si thành công việc chế tạo than tẩy màu -Than chế tạo cách trộn than máu với potdineeg rửa sấy - Năm 1872 Han-xơ nghiên cứu khả than sọ dừa hấp thụ N2, H2 ,NH3 HCN khoảng nhiệt độ từ 0-70°C thấy HCN hấp thụ tốt NH3, N2 , H2 - Ở nước ta từ năm đâu thập kỷ 60 nghiên cứu số than hoạt tính dung cho mặt nạ phòng độc phục vụ nhu cầu phát triển Chương Phân loại Phân loại theo Misec Có nhiều cách để phân loại than hoạt tính Cách đơn giản theo Misec phân loại theo hình dáng bên ngồi Theo cách than hoạt tính phân thành hai nhóm: a Than bột: Nhóm gồm than tẩy màu than y tế Vì độ khuếch tán dung dịch nhỏ nên trình hấp phụ xảy dung dịch chậm Để tăng cường độ thiết lập cân hấp phụ than nghiền thành bột mịn b Than hạt có mức độ hoạt động hóa học lớn, vậy, trung tâm q trình oxy hóa tạo cho bền mặt than hoạt tính hàng loạt nhóm hoạt động hóa học khác Ngồi cacbon, thành phần hóa học than hoạt tính có hydro, lưu huỳnh, oxy chất khác Các nguyên tử đưa vào than hoạt tính với nguyên liệu đầu q trình oxy hóa Sự có mặt hợp chất chứa oxy bề mặt than hoạt tính chứng minh phản ứng axit huyền phù nước than hoạt tính Nhìn chung, tùy vào loại than với phương pháp sản xuất khác nhau, thành phần chúng khác nhau, nằm giới hạn cho phép: - Cacbon: 80 ÷ 99.5%; - Hydro: 0.3 ÷ 1.3 %; - Oxy: 0.5 ÷ 1.5 %; - Nitơ: 0.1 ÷ 0.7 %; - Lưu huỳnh: 0.1 ÷ 0.7 %; Chương Nguyên liệu Nguồn nguyên liệu cho sản xuất than hoạt tính nguyên liệu có hàm lượng cacbon cao lại chứa thành phần vơ khác gỗ, than non, than bùn, than đá,… Bên cạnh đó, nhiều loại chất thải nông nghiệp vỏ trấu, vỏ dừa,… chuyển thành than hoạt tính nguồn nguyên liệu có sẵn, rẻ tiền, hàm lượng cacbon cao thành phần vô thấp Có thể phân chia nguyên liệu thành ba nhóm sau: - Từ than đá, than bùn - Từ thực vật: gỗ, bã mía, rơm rạ, vỏ quả, hạt - Từ động vât: xương , xúc tu loài động vât Chương Phương pháp sản xuất Than hoạt tính chủ yếu sản xuất cách nhiệt phân ngun liệu thơ có chứa cacbon nhiệt độ 1000°C Quá trình sản xuất gồm hai bước: - Than hóa nhiệt độ 800°C mơi trường yếm khí khí trơ 11 - Hoạt hóa sản phẩm q trình than hóa nhiệt độ khoảng 950 - 1000°C Q trình than hóa Q trình than hóa q trình phân hủy nhiệt ngun liệu để đưa nguyên liệu ban đầu dạng cacbon, đồng thời làm bay số chất hữu nhẹ tạo mao quản ban đầu Q trình than hóa thực ba pha rắn, lỏng, khí Than hóa pha rắn: Ngun liệu đầu phân tử lớn tổng hợp trình tự nhiên Phân hủy nguyên liệu đầu cách tăng nhiệt xử lý, giải phóng chất khí chất lỏng có khối lượng phân tử thấp Than hóa pha lỏng: Sử dụng nguyên liệu vòng thơm, hắc ín cho phép tạo thành cacbon dạng graphit khơng có mao quản, cần phản ứng tác động lên lớp graphit để tạo mao quản Than hóa pha khí: Ngun liệu ban đầu khí metan, propan benzen trộn với heli Quá trình than hóa thực áp suất tương đối thấp Nguyên tắc trình sản xuất than nguyên liệu thực vật dùng nhiệt phân hủy nguyên liệu điều kiện khơng có khơng khí Dưới rác dụng nhiệt từ nhiệt độ thường tới 170°C, vật liệu bị khơ đều; từ 170 ÷ 280°C, vật liệu bị phân hủy theo trình thu nhiệt, hợp phần nguyên liệu bị biến tính, giải phóng oxit cacbon, khí cacbonic, axit axetic,… Tiếp theo, từ 280 ÷ 380°C xảy phân hủy phát nhiệt giải phóng metanol, hắc ín,… Q trình cacbon hóa xem kết thúc khoảng 400 ÷ 600°C Quá trình hoạt hóa Q trinh hoạt hóa sản xuất than hoạt tính có ý nghĩa lớn, người ta tập trung nhiều cố gắng nghiên cứu khâu Việc nghiên cứu than hoạt tính ban đầu tập trung vào việc thiết lập mối quan hệ cấu trúc nguyên liệu sản phẩm Việc chọn nguyên liệu mặt dựa vào quy mô sản xuất, mặt khác dựa vào nguyên liệu thích hợp tự nhiên cho sản phẩm định Ví dụ xương động vật cho than tẩy màu, sọ dừa cho than rắn thích hợp để sản xuất than hấp phụ khí Thời gian sau công tác nghiên cứu sâu vào cấu trúc xốp than, người ta nhận thấy phương pháp than hóa khơng ảnh hưởng tới thành phần nguyên tố than ảnh hưởng rõ rệt lên cấu trúc xốp than, ảnh hưởng mạnh lên việc hình thành sản phẩm than hóa tạo thành hắc ín, than vơ định hình, từ ảnh hưởng lên q trình hoạt hóa ảnh hưởng lên tính chất than thành phẩm 12 Theo Ac-lếch-xep-ski, việc chọn nguyên liệu cho than hoạt tính dựa vào thành phần hợp chất hữu nguyên liệu Nguyên liệu tốt loại chứa hợp chất hữu bị phân hủy nhiệt độ không cao bị nhiệt phân không tạo cacbua no phân tử lơn, mà loại phân tử lại bị phân hủy nhiệt độ cao tạo cacbon graphit hóa Q trình nhiệt phân phải thực nhanh làm giảm thời gian tiếp xúc cacbon hình thành sản phẩm trình nhiệt phân Tiếp theo q trình than hóa q trình hoạt hóa Mục đích q trình hoạt hóa giải phóng độ xốp sơ cấp có sẵn than, đồng thời tạo thêm độ xốp thứ cấp làm than có hoạt tính cao Riêng hoạt hóa phân chia cách có điều kiện thành hai phương pháp: - Phương pháp hoạt hóa hóa học - Phương pháp hoạt hóa hóa lý Phương pháp hoạt hóa hóa lý dùng chất oxy hóa nước, dioxit cacbon làm tác nhân tác dụng với than nguyên liệu, mức độ hoạt hóa chưa cao (độ xốp kém) tác nhân hoạt hóa tác dụng với cacbon vơ định hình cacbua mạch cao nằm bề mặt than giải phóng độ xốp sơ cấp có sẵn than Tiếp theo chúng tác dụng với khung than làm chảy phần cacbon tinh thể tạo thêm độ xốp cho than Phương pháp cho suất cao, giá thành hạ, ăn mòn thiết bị Tác nhân hoạt hố thường dùng khí carbonic, nước oxy khơng khí Hoạt hố oxy khơng khí: Đây phản ứng tỏa nhiệt, cần phải cung cấp nhiệt ban đầu để khơi mào phản ứng Trên bề mặt than thường có số nhóm chức, điều thuận lợi cho việc điều chế than oxy hố Tùy mức độ hoạt hóa, thu sản phẩm có tính chất bề mặt phân bố mao quản khác để dùng xử lý khí, tẩy mầu trao đổi ion Q trình hoạt hố biểu diễn phương trình: Nhiệt độ hoạt hố gây ảnh hưởng đến chế phản ứng 13 Hoạt hoá nước: nhiệt độ đạt 7500C nước có tính oxy hố, phản ứng hoạt hố than nước xảy theo phương trình sau: Các phản ứng phụ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm hoạt hóa nước là: Hydro sinh ức chế trình phản ứng, phương pháp tạo than hoạt tính có mao quản nhỏ phát triển - Hoạt hoá CO2 : Phản ứng xảy nhiệt độ cao (trên 8500C) Phản ứng xảy theo hai chế: Hoạt hoá nước CO2 đòi hỏi phải cấp nhiệt liên tục phản ứng thu nhiệt Sản phẩm khí phản ứng CO2 H2 , hỗn hợp khí tận dụng lấy nhiệt cấp lại cho lò Vì thế, thiết kế xây dựng lò (lò n ngựa) khơng dùng nhiên liệu bên ngồi Hoạt hóa hóa học chủ yếu dùng cho than gỗ Nguyên liệu thường sử dụng gỗ trộn với chất hoạt hóa chất hút nước (thường dùng H3PO4 ZnCl2), thường nhiệt độ 500°C, có lên tới 800°C H3PO4 làm gỗ phình suốt trình, bảo đảm than khơng bị xẹp trở lại, làm cho than xốp chứa đầy H3PO4 Sau phải tiến hành rửa để thực bước Trong muối vơ chất có tác dụng hoạt hóa mạnh ZnCl2 chất khử hydrat hóa mạnh, đồng thời chất bảo vệ cho than không bị cháy Dạng muối phổ biến kẽm clorua làm bay dung dịch ZnCl2.4H2O tan mạnh nước, độ tan kẽm clorua nước 31,8 mol/lít 25°C Kẽm clorua bay dung dịch thu ZnCl2 khan có nhiệt độ nóng chảy 262°C nhiệt độ sôi 756°C Trong nước ZnCl2 thủy phân tạo môi trường axit: Zn2+ + H2 O = Zn(OH)2 + H+ 14 Do hút ẩm mạnh tạo muối axit dung dịch ZnCl2 đậm đặc có khả phân hủy vật liệu xenlulozơ, số kết việc nghiên cứu sử dụng ZnCl2 làm tác nhân hoạt thóa để chế tạo than hoạt tính Du-bi-nin Sê-mêno-va nghiên cứu tác dụng hoạt hóa muối ZnCl2; CaCl2 hỗn hợp hai muối nguyên liệu gỗ thông mộc Những sản phẩm chế tạo có hoạt tính cao hấp phụ benzen tẩy màu metyl xanh Khả hoạt hóa CaCl2 chế tạo than khí than tẩy màu thấp ZnCl2 Đáng ý tác dụng hoạt hóa hỗn hợp hai muối ZnCl2 CaCl2, việc thay phần ZnCl2 CaCl2 làm giảm hoạt tính hấp phụ benzen lại làm tăng hoạt tính hấp phụ màu Vậy dùng CaCl2 theo tỷ lệ thích hợp thay ZnCl2 chế tạo than hoạt tính tẩy màu Vai trò tác nhân làm thoát biến phân tử xenluloza, bẳng phản ứng khử nước, phản ứng oxy hóa tác nhân hóa học phá vỡ liên kết ngang, làm cho phân tử xenluloza khử đồng phân hóa, chí làm thay đổi chất hóa học xenluloza Tác nhân quan trọng tác nhân hóa học khử hydrat tạo điều kiện cho hợp chất hữu dễ dàng bị phân hủy tác dụng nhiệt, đồng thời ngăn cách trình nhiệt phân tạo sản phẩm khơng bị cacbon hóa hắc ín Cơng nghệ chế tạo than hoạt tính theo phương pháp hoạt hóa hóa học gồm tẩm tác nhân hoạt hóa vào nguyên liệu sau nung nguyên liệt tẩm lò nung điều kiện khơng có khơng khí Độ đậm đặc dung dịch tẩm, tỷ lệ lượng chất dùng làm tác nhân hoạt hóa nguyên liệu, nhiệt độ nung thời gian nung cần xác định cho thích hợp với trường hợp Sau tham gia trình hoạt hóa tác nhân hoạt hóa lại tách khỏi sản phẩm quay vòng tham gia q trình sản xuất Thơng thường hoạt hóa hóa học thực nhiệt độ 400 ÷ 1000°C, ZnCl2 nhiệt độ tối ưu 500 ÷ 700°C Tỷ số khối lượng chất hoạt hóa hóa học lượng khơ vật liệu tẩm có ảnh hưởng lớn lên độ xốp than thành phẩm Có thể hình dung cụ thể thể tích muối vơ nằm vật liệu bị than hóa thể tích lỗ xốp muối để lại sau bị hòa tan để tách Độ tẩm coi thước đo mức độ hoạt hóa hóa học giống độ sém hoạt hóa hóa lý Chương Tái sinh than hoạt tính Nếu loại bỏ hết tạp chất than hoạt tính sử dụng chúng tái sinh sử dụng lại Sau tái sinh, than hoạt tính phục hồi đến 80% hiệu sử 15 dụng, mà thực tế 100% sử dụng than hoạt tính đến giới hạn Theo lý thuyết, việc thực nhiều lần theo ý muốn Đối với loại than hoạt tính mềm (than hoạt tính từ than bùn giảm chất lượng tái sinh) hạt trở nên nhỏ sau lần tái sinh Còn với loại than hoạt tính cứng hơn, vỏ dừa hay than đá, giữ chất lượng tốt tái sinh khoảng vài trăm lần Có cách để tái sinh than hoạt tính: - Bằng nhiệt (tái sinh nhiệt); - Bằng nước (tái sinh nước); Tái sinh nhiệt Tái sinh nhiệt công nghiệp thực theo bước sau: - Than hoạt tính sấy khơ - Sau gia nhiệt để cacbon hóa tạp chất chứa mao quản than hoạt tính - Than hoạt tính hoạt hóa khoảng 700 - 1000°C Ở nhiệt độ tạp chất chuyển thành khỏi than hoạt tính Q trình thực mơi trường yếm khí để đảm bảo than hoạt tính khơng bị đốt cháy Bằng cách này, mao quản hình thành lần than hoạt tính tái sinh Cách sử dụng cho người chưng cất rượu gia Ở số vùng, tái sinh nhiệt thực theo bước sau: - Bắt đầu việc đổ than hoạt tính vào sàng rửa với nước nóng từ vòi Nếu than hoạt tính có cỡ hạt 0.4 – 0.85 mm chúng chui qua lỗ sàng thông thường rửa Bạn sàng với loại lưới tốt bỏ qua hoàn toàn bước - Sau đun sơi than hoạt tính nước 10 – 15 phút để hòa tan mơt vài rượu bậc cao (đã tái sinh 15 – 20%) Đun đến bay Đun lại cần thiết - Than hoạt tính sau sấy khơ Sau than khơ, đặt vào lò sấy điện - Bật lò 140 °C 150°C nung than hoạt tính khoảng – - Tắt lò đợi cho than hoạt tính nguội Bây sẵn sàng để tái sử dụng lại 16 Các tạp chất bay khỏi than hoạt tính q trình đun nóng có mùi tệ Đồng thời, việc tái sinh than hoạt tính lò điện nguy hiểm cháy Than hoạt tính làm từ gỗ than bùn cháy khoảng 200°C than đá khoảng 400°C Than đá tái sinh lò điện khoảng 300 - 350°C muốn Tái sinh nước Tái sinh nước phương pháp thường sử dụng cơng nghiệp tinh chế cồn Nó thực theo bước sau: - Lọc ngược dòng với nước nóng Được thực từ xuống Trong lọc than hoạt tính ln ln thực từ lên - Sau đó, nước cho qua than hoạt tính Nó thực từ xuống Hơi nước 120 - 130°C than hoạt tính làm nóng đến nhiệt độ tương tự Tất tạp chất rượu tạp bay khỏi mao quản - Cuối than hoạt tính rửa ngược sẵn sàng sử dụng lại Chương Chỉ tiêu chất lượng Hệ số không đồng (coefficient of ununiformity) (UC) Tỉ số d60/d10, d60 d10 đường kính mắt sàng tương ứng có 60 % 10 % lượng vật liệu lọc lọt qua (tính theo khối lượng) xác định thành phần cấp phối cỡ hạt Đường kính hiệu dụng (effective diameter) (deff) Đường kính mắt sàng d10 Chỉ số hấp phụ iốt (absorption coefficient Iodine) Lượng iốt (tính mg) hấp phụ g than hoạt tính nồng độ dư iốt mẫu lọc 0,02 N Chương 10 Cơ sở lý thuyết trình hấp phụ Than hoạt tính vật liệu rắn, đa mao quản (mao quản nhỏ, mao quản trung bình mao quản lớn), bề mặt than hoạt tính có chứa tâm hoạt tính vi tinh thể graphit biến dạng, nhóm chức oxy - carbon (axit, bazơ, trung hòa, ưa nước kỵ nước, ) Do đó, than hoạt tính vật liệu hấp phụ đa Về bản, than hoạt tính vật liệu hấp phụ kỵ nước (hydrophobic), biến tính bề mặt than hoạt tính nhóm C-OH, COOH, tính kỵ nước than hoạt 17 tính giảm tính ưa nước tăng lên Do than hoạt tính chất hấp phụ tốt cho chất hữu không phân cực phân cực yếu Mao quản nhỏ than hoạt tính “miền hấp phụ” tốt cho phân tử nhỏ (các hơi, khí VOC, benzen, toluen, xylen, ) Các mao quản trung bình “khơng gian” thu hút phân tử lớn (các hợp chất màu, thuốc nhuộm, chất hữu tự nhiên NOC - Natural Organic Compounds, ) Như vậy, than hoạt tính vật liệu hấp phụ có đặc trưng chủ yếu hydrophobic, đa năng: vừa hấp phụ tốt pha khí vừa hấp phụ hiệu pha lỏng; hấp phụ chọn lọc phân tử nhỏ hấp phụ chọn lọc phân tử lớn Tất nhiên, để đạt kết đó, người ta phải biết cách điều chỉnh (trong sản xuất biến tính) cấu trúc mao quản tính chất bề mặt than hoạt tính cách hợp lý Để khảo sát khả hấp phụ (nhiệt động học hấp phụ) tốc độ hấp phụ (động học hấp phụ), người ta cần phải dựa vào quy luật nhiệt động học phù hợp cho trình hấp phụ than hoạt tính Hấp phụ tượng gia tăng nồng độ chất bề mặt phân cách pha (khí - rắn lỏng - rắn) so với nồng độ pha thể tích (khí lỏng) Chất gia tăng nồng độ gọi chất bị hấp phụ (adsorbate), chất rắn có bề mặt phân cách gọi chất hấp phụ (adsorbent) Trong trình hấp phụ, chất hấp phụ chất bị hấp phụ tương tác với lực liên kết đặc thù Khi lực liên kết yếu, không làm thay đổi cấu trúc vỏ electron tiểu phân hấp phụ (phân tử, nguyên tử, ion, ) hấp phụ gọi hấp phụ vật lý Khi lực liên kết mạnh dẫn đến hình thành liên kết hóa học, hấp phụ gọi hấp phụ hóa học Dung lượng hấp phụ (adsorption capacity) đại lượng đặc trưng cho khả hấp phụ chất hấp phụ Trong đó, qe : dung lượng hấp phụ cân (mg/g) C0 : nồng độ chất bị hấp phụ (mg/l) Ce : nồng độ chất bị hấp phụ đạt trạng thái cân (mg/l) V: thể tích pha khí (hoặc lỏng) chứa chất bị hấp phụ (ml) 18 m: khối lượng chất hấp phụ Mối quan hệ dung lượng hấp phụ (q e ) với áp suất (pha khí) hay nồng độ (pha lỏng) chất bị hấp phụ (ở trạng thái cân hấp phụ), nhiệt độ không đổi (T = const), gọi phương trình đẳng nhiệt hấp phụ, thường gọi tắt đẳng nhiệt hấp phụ q e = f(P e ) T T= const q e = f(C e ) T T= const Mối quan hệ q e f(P e ) T , f(C e ) T phương trình gọi đẳng nhiệt hấp phụ Nó xây dựng sở lý thuyết, kinh nghiệm hay bán kinh nghiệm tùy thuộc vào tiền đề, giả thiết, chất hệ kinh nghiệm xử lý số liệu thực nghiệm Sau đẳng nhiệt hấp phụ thường sử dụng nghiên cứu hấp phụ than hoạt tính Đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Phương trình đẳng nhiệt Langmuir thiết lập vào năm 1918 nhà khoa học Mỹ Langmuir, dựa vào giả thiết sau: - Các tiểu phân bị hấp phụ (phân tử, nguyên tử ion) liên kết với bề mặt chất hấp phụ tâm hấp phụ xác định, cố định (localized sites) - Mỗi tâm hấp phụ liên kết với tiểu phân bị hấp phụ - Trạng thái lượng tiểu phân hấp phụ tâm hấp phụ khơng phụ thuộc vào có mặt hay khơng có mặt tiểu phân bị hấp phụ tâm bên cạnh Như vậy, mơ hình Langmuir giả thiết bề mặt hồn tồn đồng khơng có (hoặc bỏ qua) tương tác ngang tiểu phân bị hấp phụ Đẳng nhiệt hấp phụ BET Trong nhiều trường hợp, hấp phụ xảy không theo quy luật Langmuir tạo đơn lớp phân tử hấp phụ, mà tạo vài lớp hấp phụ (đa lớp) phân tử, nghĩa phân tử chồng chất lên nhau: 19 Hình Mơ hình hấp phụ đơn lớp Langmuir đa lớp BET Để mô tả hấp phụ đa lớp, mô hình đẳng nhiệt hấp phụ BET đề nghị tác giả Brunauer, Emmett Teller Các ông xây dựng mơ hình dựa giả thuyết sau: - Bề mặt chất hấp phụ đồng mặt lượng hấp phụ xảy đơn lớp Sau đơn lớp hấp phụ hoàn thành, hấp phụ xẩy theo chế đa lớp (mơ hình b – hình 2) - 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 Chương 11 Động học hấp phụ than hoạt tính Các tham số động học hấp phụ quan trọng nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính Q trình hấp phụ thường xảy với tốc độ nhanh (nếu bề mặt phẳng hệ mao quản rộng) Song hấp phụ trình phức tạp, bị ảnh hưởng nhiều yếu tố: khuếch tán, chất cấu trúc xốp, thành phần hóa học chất bị hấp phụ, Chất hấp phụ than hoạt tính thường có bề mặt riêng lớn, mao quản nhỏ nên phân tử chất hấp phụ thường bị cản trở chuyển chất (khuếch tán) từ pha khí pha lỏng đến bề mặt than hoạt tính Vì thơng số động học thực (intrisic adsorptive parameter) khó xác định Do đó, người ta thường ứng dụng phương trình động học hình thức để mơ tả tốt số liệu số liệu thực nghiệm động học hấp phụ nhận xác định số tốc độ biểu kiến Có nhiều mơ hình động học hấp phụ áp dụng mơ hình Weber - Morris, mơ hình Elovich, phương trình Ritchie, mơ hình động học biểu kiến bậc Lagergren bậc sử dụng nhiều nghiên cứu động học hấp phụ than hoạt tính 20 Lagergren cho rằng: tốc độ hấp phụ chất tan, dung dịch lên bề mặt chất hấp phụ mao quản, phụ thuộc bậc với độ chưa che phủ chất hấp phụ: Trong đó: 𝜃 - phần bề mặt bị hấp phụ q i - dung lượng hấp phụ cấu tử i thời điểm t q e - dung lượng hấp phụ cân cấu tử i k - số tốc độ hấp phụ bậc d t - biến thiên thời gian vô nhỏ Người ta cho rằng, tốc độ hấp phụ bậc tỉ lệ bậc với bề mặt tự (1- 𝜃), nghĩa tâm hấp phụ hấp phụ tiểu phân (phân tử, nguyên tử, ion, ) chất bị hấp phụ Mơ hình thích hợp với hấp phụ xảy mao quản hẹp Theo mơ hình động học này, tốc độ hấp phụ phụ thuộc bậc vào độ chưa che phủ bề mặt chất hấp phụ: Trong đó: k2 - số tốc độ hấp phụ bậc (các ký hiệu ý nghĩa đại lượng khác phương trình trên) Mơ hình tương ứng với hấp phụ than hoạt tính có đường kính lớn so với tiểu phân chất bị hấp phụ Chương 12 Ưu điểm nhược điểm than hoạt tính 21 - Than hoạt tính dạng khối (Solid Block Activated Carbon – SBAC): Là cấu trúc than tốt lọc nước hiệu sử dụng rộng rãi Khi dòng nước chảy qua khối than hoạt tính vững chắc, tạp chất bẩn bị giữ lại dòng nước qua Khối than hoạt tính bảo đảm rắn chắc, độ bền sử dụng cao tăng hiệu suất toàn hệ thống lọc - Than hoạt tính dạng hạt (Granular Activated Carbon – GAC): cấu thành từ hạt than nhỏ bền dạng bột, GAC sử dụng rộng rãi hệ thống lọc nước máy hay xử lý nước gia đình Than hoạt tính dạng bột lọc mùi, xử lý nước nhiễm bẩn… hiệu lọc phụ thuộc nhiều vào tốc độ dòng nước, tốc độ dòng nước lớn mà khơng có cách hãm hiệu khơng cao - Than hoạt tính dang bột (Powdered Activated Carbon – PAC): Thường sử dụng để lọc mùi, lọc số chất màu chất béo hòa tan nước Tuy nhiên tính chất dễ bị rửa trơi khơng ổn định, nên than hoạt tính dạng bột chủ yếu sử dụng dạng bổ trợ hệ thống lọc nước công nghiệp lớn Than hoạt tính có tác dụng với lượng nước định Sau lọc khối lượng nước theo định nhà sản xuất, than không khả hấp phụ (no/ bão hòa) Hiệu suất lọc tùy thuộc chủ yếu vào yếu tố: 1) Tính chất vật lý than hoạt tính, kết cấu, kích thước, mật độ lỗ, diện tích tiếp xúc; 2) Tính chất lý hóa loại tạp chất cần loại bỏ; 3) Thời gian tiếp xúc nước với than hoạt tính lâu, việc hấp thụ tốt Chương 13 Ứng dụng số lưu ý sử dụng than hoạt tính Than hoạt tính dạng bột PAC S-PAC sử dụng rộng rãi xử lý nước ăn uống việc ô nhiễm nguồn nước ngầm lan rộng khó kiểm sốt Vì vậy, tất thiết bị xử lý nước, từ thiết bị nhỏ lẻ đến nhà máy nước phải sử dụng than hoạt tính Than hoạt tính dùng để hấp phụ chất phóng xạ mơi trường khí, mơi trường nước, biết qua số cơng trình nghiên cứu, đạt hiệu suất lên đến 90% Trong sản xuất chế biến thuốc bảo vệ thực vật, tính ưu việt than hoạt tính hấp phụ mạnh chất hữu loại này, nên than hoạt tính sử dụng hệ thống xử lý loại nước thải cho mục đích 22 Sử dụng than hoạt tính siêu mịn làm làm chất mang, chất phân tán hoá chất bảo vệ thực vật, cách hấp phụ lên than đem sử dụng làm tăng hiệu đáng kể tính phân tán tốt, phân huỷ chậm thuốc bảo vệ thực vật than Xử lý nước mặt biết đến với cơng nghệ sử dụng than hoạt tính dạng bột mịn, siêu mịn kết hợp với chất sa lắng, đơng tụ Theo nghiên cứu MacLeod tác động than hoạt tính dạng bột phèn áp dụng để xử lý nước mặt thành nước sinh hoạt Cơng trình áp dụng nhà máy xử lý nước sinh hoạt Manatee County Theo số cơng trình nghiên cứu, than hoạt tính bột mịn, siêu mịn dùng làm chất hấp phụ chất gây ô nhiễm hữu NOM (Natural Organic Matter); loại bỏ hợp chất Geomin, MIB (2-methylisoborneol) sản phẩm phân hủy sinh học chất hữu nước; hấp phụ số vi khuẩn, virut có nước vv Một số lưu ý sử dụng Khơng có trường hợp bất trắc xảy sử dụng loại sản phẩm Khi sử dụng bảo quản phải để nơi khơ ráo, thống khí, tránh xa nguồn gây cháy, tránh để ánh nắng trực tiếp dột nước Than hoạt tính dễ bị nén lại thành khối áp lực khơng khí bên bao, đồng thời áp lực than hoạt tính vỡ mở bao Phải dùng trang để tránh hít nhiều bụi than bụi than chứa 1% oxít Nếu hít phải bụi than thời gian dài với hàm lượng cao dẫn đến suy hơ hấp Khi công nhân vào làm việc nơi chứa than hoạt tính phải thận trọng hàm lượng oxygen nơi thấp than hoạt tính giải phóng oxygen khỏi nơi Khi bị than hoạt tính rơi vào mắt, rửa mắt nước sạch, tránh chà xát hỏi ý kiến Bác sĩ Chương 14 Tiêu chuẩn Việt Nam vật liệu than hoạt tính TCVN 9068:2012 chuyển đổi từ TCXDVN 310:2004 theo quy định khoản Điều 69 Luật Tiêu chuẩn Quy chuẩn kỹ thuật điểm a khoản Điều Nghị định số 127/2007/NĐ-CP ngày 1/8/2007 Chính phủ quy định chi tiết thi hành số điều Luật Tiêu chuẩn Quy chuẩn kỹ thuật TCVN 9068:2012 Viện Vật liệu xây dựng - Bộ Xây dựng biên soạn, Bộ Xây dựng đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học Công nghệ công bố 23 Quy định chung - Giá trị deff giới hạn cỡ hạt than hoạt tính dạng hạt phải đáp ứng yêu cầu thiết kế bể lọc - Độ ẩm nhỏ % tính theo trọng lượng Các tính chất than hoạt tính - Chỉ số hấp phụ iốt lớn 500 mg/ g than hoạt tính - Dung trọng lớn 0,36 g/ cm3 - Độ vỡ vụn nhỏ 25 % 750 lần va đập 15 nhỏ 50 % 1500 lần va đập 30 - Độ mài mòn: Phần trăm cỡ hạt trung bình giữ lại lớn 70 % theo thí nghiệm khuấy mài mòn theo thí nghiệm mài mòn Ro-Tap - Nếu khơng có quy định thiết kế đặc biệt khác, UC than hoạt tính dạng hạt nhỏ 2,1 - Các tạp chất than hoạt tính phải đáp ứng yêu cầu sau: + Chì (Pb)