Nghiên cứu khả năng hấp phụ ni (II) của than hoạt tính biến tính từ vỏ cà phê

Hiệu suất hấp phụ Ni II của các VLHP với nồng độ chất hoạt hóa HNO3 khác nhau .... Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt hóa HNO3 đến khả năng hấp phụ Ni II của VLHP.... T

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi

trường

HÀ NỘI, 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi

trường

Người hướng dẫn khoa học

Th.S ĐỖ THỦY TIÊN

HÀ NỘI, 2018

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn chân thành nhất, em xin gửi lời cảm ơn tới ThS ĐỗThủy Tiên - trường ĐH sư phạm Hà Nội 2 đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ

em hoàn thành bản khóa luận tốt nghiệp này

Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo trong khoa Hóahọc đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập dướimái trường ĐH Sư phạm Hà Nội 2

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn tạo mọiđiều kiện, động viên, giúp đỡ em trong quá trình học tập

Do điều kiện thời gian và trình độ còn hạn chế, nên bản thân khóa luậnnày không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý củathầy, cô giáo cũng như toàn thể các bạn để khóa luận của em có thể hoànthiện hơn

Hà Nội, tháng 5 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hằng

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bài khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứuthực sự của cá nhân em, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết,nghiên cứu khảo sát thực nghiệm dưới sự hướng dẫn khoa học của ThS.ĐỗThủy Tiên

Các số liệu và những kết quả đo được trong khóa luận là trung thực, do

cá nhân em tiến hành thí nghiệm

Hà Nội, tháng 5 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hằng

Tiêu chuẩn Việt NamVật liệu hấp phụ

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 : Một số đặc điểm của nguyên tố niken 3Bảng 1.2 : Một số hằng số vật lí của Niken 3Bảng 1.3 Giá trị giới hạn nồng độ của ion kim loại Ni2+ trong nước thải

công nghiệp 5Bảng 1.4 Một số đường đẳng nhiệt hấp phụ 9Bảng 1.5 Sự khác nhau về thành phần trong vỏ cà phê trồng tại tỉnh Đắk

Lắk và tỉnh Điện Biên 13Bảng 3.1 Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch Ni (II) với các

nồng độ khác nhau 22Bảng 3.2 Hiệu suất hấp phụ Ni (II) của các VLHP với nồng độ chất hoạt

hóa HNO3 khác nhau 23Bảng 3.3 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni

(II) của VLHP 27Bảng 3.4 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng

hấp phụ Ni (II) 28Bảng 3.5 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến khả

năng hấp phụ Ni (II) 29Bảng 3.6 Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Ni (II) ban đầu đến

hiệu suất hấp phụ của VLHP 31Bảng 3.7 Các thông số khảo sát sự hấp phụ Ni (II) của VLHP 32Bảng 3.8 So sánh một số chất hấp phụ được sử dụng để loại bỏ các ion

Ni(II) trong nước 34

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir 11Hình 3.1 Đồ thị đường chuẩn xác định nồng độ Ni (II) 22Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt hóa HNO3

đến khả năng hấp phụ Ni (II) của VLHP 23Hình 3.3 Kết quả phân tích trên phổ hồng IR của than chưa biến tính 24Hình 3.4 Kết quả phân tích trên phổ hồng ngoại IR của than biến tính

bằng HNO3 25Hình 3.5 Than chưa biến tính 26Hình 3.6 Than biến tính bằng HNO3 26Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni

(II) của VLHP 27Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng

hấp phụ Ni(II) 28Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến khả

năng hấp phụ Ni (II) 30Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ đầu Ni (II) đến hiệu

suất hấp phụ của VLHP 31Hình 3.11 Đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir của VLHP đối với

Ni(II) 33Hình 3.12 Sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb của VLHP đối với Ni (II) 33

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về nguyên tố niken 3

1.1.1 Tính chất vật lý, hóa học của niken 3

1.1.2 Công dụng của niken 4

1.1.3 Ảnh hưởng của niken 4

1.1.4 Các phương pháp xử lí kim loại nặng trong nước 5

1.2 Phương pháp hấp phụ 6

1.2.1 Các khái niệm 6

1.2.2 Cân bằng hấp phụ - các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ 8

1.3 Giới thiệu vỏ cà phê 11

1.4 Than hoạt tính (AC) và cấu trúc bề mặt của AC 13

1.4.1 Giới thiệu về than hoạt tính 13

1.4.2 Các phương pháp sản xuất than hoạt tính 13

1.4.3 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính 15

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 17

2.1 Đối tượng nghiên cứu 17

2.2 Hóa chất và dụng cụ 17

2.2.1 Hóa chất 17

2.2.2 Thiết bị nghiên cứu và dụng cụ 17

2.3 Phương pháp nghiên cứu 18

2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu 18

2.3.2 Phương pháp phân tích 18

2.3.3 Phương pháp thực nghiệm 18

2.3.3.1 Xây dựng đường chuẩn Ni (II) 18

2.3.3.2 Thực nghiệm chế tạo vật liệu hấp phụ từ vỏ cà phê 19

2.3.3.3 Thực nghiệm khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Ni(II) của VLHP 20

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22

3.1 Kết quả xây dựng đường chuẩn xác định Ni (II) 22

3.2 Kết quả đánh giá khả năng hấp phụ Ni (II) của các vật liệu hấp phụ 22

3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt hóa HNO 3 đến khả năng hấp phụ Ni(II) 22

3.2.2 Kết quả đánh giá cấu trúc bề mặt của vật liệu hấp phụ 24

3.3 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ Ni(II) của VLHP 26

3.3.1 Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Ni (II) của VLHP 26

3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian khuấy đến khả năng hấp phụ Ni (II) của VLHP 27

3.3.3 Ảnh hưởng của liều lượng VLHP đến khả năng hấp phụ Ni (II) 29

3.3.4 Ảnh hưởng của nồng độ Ni (II) ban đầu đến khả năng hấp phụ của VLHP 30

3.4 Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ 32

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

Khóa luận tốt

nghiệp Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa

Nguyễn Thị Hằng – K40B Sư phạm Hóa

Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về phương pháp xử lý cácnguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng như phương pháp kết tủa, trao đổi ion,phương pháp sinh học, phương pháp hóa học ,…các phương pháp này thườngkhá tốn kém hoặc có thể đưa vào môi trường những chất ô nhiễm khác Trong

đó phương pháp hấp phụ có ưu điểm xử lý nhanh và cho kết quả rất khả thi[12] Than hoạt tính (AC) với khả năng hấp phụ lớn là vật liệu rất cần thiếtcho ứng dụng để thanh lọc trong các ngành công nghiệp khác nhau và trong

xử lý nước thải [1] Tuy nhiên giá của các loại AC là rất đắt tiền do hầu hếtcác sản phẩm AC có nguồn gốc chung từ các nguyên liệu tự nhiên tốn kémnhư gỗ hoặc than Do đó việc tận dụng phụ phẩm nông nghiệp như bã chè[16], vỏ cà phê [29], bã mía [7], vỏ trấu [18] ,… đang được các nhà khoa họcquan tâm bởi tính kinh tế cũng như hiệu quả mà nó mang lại Một trong cácnguồn phụ phẩm nông nghiệp có khối lượng lớn ở nước ta là vỏ cà phê vớithành phần chính là xenlulozo, hemixenlulozo, lignin rất thích hợp cho việcnghiên cứu biến đổi tạo ra các vật liệu hấp phụ kim loại nặng trong nướctrong đó có niken

Từ những lý do trên, em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu khả năng hấp phụ

Ni (II) của than hoạt tính biến tính từ vỏ cà phê”.

 Nội dung nghiên cứu

- Chế tạo các vật liệu hấp phụ từ vỏ cà phê

- Đánh giá cấu trúc bề mặt của VLHP thông qua IR và SEM

- Đánh giá khả năng hấp phụ Ni (II) của VLHP chế tạo được, khảo sátcác yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ (pH, thời gian, khối lượng,…)

- Xác định dung lượng của VLHP

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Điều chế được VLHP từ vỏ cà phê để ứng dụng làm vật liệu hấp phụ cácion kim loại nặng, những ion kim loại gây ô nhiễm môi trường

Về mặt kinh tế thì đây là phế liệu nông nghiệp sẵn có và tiềm năng ởViệt Nam, là một dạng vật liệu hấp phụ đặc biệt và giá thành hợp lý, phù hợpvới điều kiện kinh tế của Việt Nam

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về nguyên tố niken

1.1.1 Tính chất vật lý, hóa học của niken

[rNiken là kim loại có ánh kim, màu trắng bạc, bề mặt bóng láng Đặctính cơ học: cứng, dễ dát mỏng và dễ uốn, dễ kéo sợi Trong thiên nhiênniken có

5 đồng vị bền: 58Ni (67,7%) ,60Ni ,61Ni ,62Ni ,64 Ni Số oxi hóa phổ biến củaniken là + 2, mặc dù 0, +1, và +3 của phức niken cũng được quan sát

Trong tự nhiên, niken xuất hiện ở dạng hợp chất với l ư u hu ỳ n h t rong

k h o á n g c h ấ t m illerit, với a s e n t rong k h o á n g c h ấ t n iccolit, và với asen cùng

lưu huỳnh trong quặng niken.

Cl2, Br2 vì có màng oxit bảo vệ Khi đun nóng nó phản ứng mãnh liệt nhất là

khi niken được chia nhỏ Niken tinh khiết bền với không khí và nước, người

ta dùng niken để mạ ngoài các đồ bằng kim loại

1.1.2 Công dụng của Niken

Niken có nhiều tính năng đặc biệt Niken cứng nhưng lại dẻo, dễ cán kéo

và rèn nên dễ gia công thành nhiều dạng khác nhau: tấm mỏng, băng, ống.Những hợp kim của nó với một số kim loại khác dùng trong kỹ thuật lại lànhững hợp kim rất cứng, vì vậy người ta thường đưa vào thép để tăng độcứng, độ bền nhiệt, chống ăn mòn cho các loại thép hợp kim đặc biệt [3]

Do tính chất khó bị oxi hóa nên niken được dùng trong công nghiệp mạ

để bảo vệ các kim loại dễ bị gỉ sét Một số lượng lớn niken dùng để chế tạo ắcquy kiềm có dung lượng cao và bền vững Ngoài ra, hợp kim chứa 6%- 8%niken (18%-20% crom) là thép không gỉ cao cấp, bền ăn mòn trong các môitrường xâm thực mạnh Vì vậy, chúng được dùng trong nhiều ngành côngnghiệp: chế tạo máy, hàng không, tên lửa, chế tạo ô tô, thiết bị y tế, xâydựng,… Trong đời sống hàng ngày, hợp kim niken được dùng trong nhiềulàm dụng cụ gia đình, bộ đồ bếp

1.1.3 Ảnh hưởng của Niken

Niken được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp hóa chất, luyệnkim, xi mạ, điện tử, Niken vào cơ thể chủ yếu qua con đường hô hấp, nógây ra các triệu chứng khó chịu, buồn nôn, đau đầu, nếu tiếp xúc nhiều sẽ ảnhhưởng đến phổi, hệ thần kinh trung ương, gan, thận , còn nếu da tiếp xúc lâudài với niken sẽ gây hiện tượng viêm da, xuất hiện dị ứng,… [8,13,15,18].Hợp chất nikencacbonyl có độc tính cao (hơn khí CO 100 lần) Những nghiêncứu đã cho thấy độc tính đặc biệt cao của nikencacbonyl thể hiện dưới dạnghạt nhỏ, mịn lắng đọng trong phổi Ở điều kiện ẩm của dịch phổi gây kíchứng sưng huyết và phù nề phổi

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chứa niken (II) [1] QCVN 40:2011/BTNMT quy định nồng độ của niken (II) trong nước thải công nghiệp như sau:

Bảng 1.3 Giá trị giới hạn nồng độ của ion kim loại Ni 2+

trong nước thải công nghiệp

1.1.4 Các phương pháp xử lí kim loại nặng trong nước

 Phương pháp sinh học:

- Hấp thụ sinh học

- Chuyển hóa sinh học

- Phương pháp bãi lau sậy

- Các quá trình sử dụng enzyme khác

 Phương pháp kết tủa:

- Quá trình oxi hóa khử

- Quá trình kết tủa hiđroxit

- Quá trình kết tủa sunfit

- Quá trình photphat hóa

 Quá trình điện hóa:

- Kết tủa điện hóa

- Thẩm tách điện hóa

- Đông tụ điện hóa

- Trao đổi ion điện hóa

 Hấp phụ và trao đổi ion:

- Hấp phụ (vật lý, hóa học)

- Trao đổi ion

 Phương pháp màng: thẩm thấu ngược và lọc Nano (10-9m),

là chất bị hấp phụ; pha mang là hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ

Hấp phụ là một quá trình tỏa nhiệt Ngược với sự hấp phụ là quá trình đi

ra khỏi bề mặt chất hấp phụ của các phần tử bị hấp phụ Tùy theo bản chất lựctương tác giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ người ta phânbiệt thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học [2]

Hấp phụ vật lý

Hấp phụ vật lý là quá trình hấp phụ gây ra bởi lực Vander Walls giữaphân tử chất bị hấp phụ và bề mặt chất hấp phụ (bao gồm cả ba loại lực: cảmứng, định hướng, khuếch tán) liên kết này yếu dễ bị phá vỡ.

Hấp phụ hóa học

Hấp phụ hóa học được gây ra bởi lực liên kết hóa học ( liên kết cộng hóatrị, lực ion, lực liên kết phối trí) giữa bề mặt chất hấp phụ và phần tử chất bịhấp phụ, liên kết này bền, khó bị phá vỡ Nhiệt lượng tỏa ra khi hấp phụ hóahọc thường lớn hơn 22 kcal/mol

Trong thực tế sự phân biệt giữa hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý chỉ làtương đối vì ranh giới giữa chúng không rõ rệt Một số trường hợp tồn tại cảquá trình hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học Ở vùng nhiệt độ thấp xảy ra quátrình hấp phụ vật lý, khi tăng nhiệt độ khả năng hấp phụ vật lý giảm và khảnăng hấp phụ hóa học tăng lên [9], [11]

 Đặc điểm chung của hấp phụ trong môi trường nước [2]

Hấp phụ trong môi trường nước là hấp phụ hỗn hợp, vì trong hệ có ítnhất ba thành phần gây tương tác là: nước - chất hấp phụ - chất bị hấp phụ

Do sự có mặt của nước nên trong hệ sẽ xảy ra quá trình hấp phụ cạnh tranh và

có chọn lọc giữa chất bị hấp phụ và nước tạo ra các cặp hấp phụ là: chất bịhấp phụ - chất hấp phụ; nước - chất hấp phụ, cặp nào có tương tác mạnh hơnthì hấp phụ xảy ra với cặp đó

Tính chọn lọc của các cặp hấp phụ phụ thuộc vào các yếu tố: độ tan củachất bị hấp phụ trong nước, tính ưa nước hoặc kị nước của chất hấp phụ, mứcđộ kị nước của chất bị hấp phụ trong nước Vì vậy, khả năng hấp phụ của chấthấp phụ đối với chất bị hấp phụ trước tiên phụ thuộc vào tính tương đồng

về độ phân cực giữa chúng: chất bị hấp phụ không phân cực được hấp phụtốt trên chất hấp phụ không phân cực và ngược lại Hấp phụ trong môi trườngnước còn bị ảnh hưởng nhiều bởi pH của dung dịch, độ xốp, sự phân bố lỗxốp, diện tích bề mặt, kích thước mao quản cũng ảnh hưởng tới sự hấp phụ

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ

Quá trình hấp phụ về cơ bản ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: Khối lượngphân tử, cấu trúc phân tử, loại và số lượng các nhóm chức, hàm lượng tro vàcác hợp chất dễ bay hơi, diện tích bề mặt riêng, số lượng vi lỗ có trong vậtliệu, pH của môi trường hấp phụ và pH của vật liệu, liều lượng vật liệu hấpphụ,thời gian hấp phụ, nồng độ chất hấp phụ

1.2.2 Cân bằng hấp phụ - các phương trình đẳng nhiệt hấp phụ

 Cân bằng hấp phụ

Hấp phụ vật lý là một quá trình thuận nghịch Các phần tử chất bị hấpphụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược phamang (hỗn hợp tiếp xúc với chất hấp phụ) Theo thời gian, lượng chất bị hấpphụ tích tụ trên bề mặt chất hấp phụ càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược trởlại pha mang càng lớn Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ (quá trìnhthuận) bằng tốc độ giải hấp phụ (quá trình nghịch) thì quá trình hấp phụ đạttrạng thái cân bằng [9], [11]

- Dung lượng hấp phụ cân bằng: biểu thị khối lượng chất bị hấp phụ trênmột đơn vị khối lượng chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng trong điều kiện xácđịnh về nồng độ và nhiệt độ [11]

Dung lượng hấp phụ được tính theo công thức:

( C o −C

cb ) V

Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)

Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)

- Dung lượng hấp phụ bão hòa: là dung lượng ở trạng thái cân bằng.

- Hiệu suất hấp phụ

Hiệu suất hấp phụ là tỷ số giữa nồng độ dung dịch bị hấp phụ và nồng độdung dịch ban đầu

Co: nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l)

Ccb: nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l)

hòa của chất bị hấp phụ ở trạng thái lỏng tinh khiết trong cùng nhiệt độ Các

ký hiệu KL, k, a, n là các hằng số

Trong đề tài này, em nghiên cứu cân bằng hấp phụ của VLHP với ionkim loại nặng Ni2+ trong môi trường nước theo mô hình đường đẳng nhiệt hấpphụ Langmuir

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên cácgiả thuyết:

- Tiểu phân bị hấp phụ liên kết với bề mặt tại những trung tâm xác định

- Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một tiểu phân

- Bề mặt chất hấp phụ là đồng nhất, nghĩa là năng lượng hấp phụ trêncác tiểu phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểuphân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir nêu ở Bảng 1.4 được xâydựng cho hệ hấp phụ rắn - khí Tuy nhiên, phương trình trên cũng có thể ápdụng cho hấp phụ trong môi trường nước Khi đó phương trình Langmuirđược biểu diễn như sau:

Ccb : nồng độ chất bị hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng hấp phụ (mg/l)

Phương trình Langmuir chỉ ra hai tính chất đặc trưng của hệ:

- Trong vùng nồng độ nhỏ: b.Ccb << 1 thì q = ���� b Ccb mô tả vùng hấp phụ tuyến tính

- Trong vùng nồng độ cao: b.Ccb >> 1 thì q = ��𝑚 mô tả vùng hấp phụ

bão hòa

Khi nồng độ chất bị hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳngnhiệt biểu diễn là một đoạn cong Để xác định các hằng số trong phương trìnhđẳng nhiệt hấp phụ Langmuir, đưa phương trình (1.3) về dạng phương trìnhđường thẳng:

c b

1.3 Giới thiệu vỏ cà phê

Hiện nay, cà phê đang là mặt hàng nông sản đạt giá trị xuất khẩu lớnnhất của nước ta Nó đã được trồng rộng rãi ở các tỉnh Điện Biên, Sơn La,Quảng Trị, Bình Phước, Đồng Nai, Bà Rịa Vũng Tàu và 5 tỉnh Tây nguyên

Tổng diện tích cà phê cả nước là 614,545 ha, trong đó Tây Nguyên chiếm tỷ

lệ khoảng 92% (Cục Trồng trọt, 2012) Đắk Lắk là tỉnh có diện tích trồng càphê lớn nhất cả nước Theo báo cáo của Sở Nông nghiệp và Phát triển Nôngthôn tỉnh Đắk Lắk, sản lượng cà phê thành phẩm thu được hàng năm khoảng

là 460,000 tấn, với tỷ lệ vỏ cà phê chiếm 40% thì hàng năm sẽ thải ra gần200,000 tấn vỏ khô cà phê [14] Sau mỗi vụ thu hoạch, phơi khô, các nông hộtập trung xay xát vất vỏ cà phê bừa bãi ra ven đường, gò đồi, hoặc chất thànhđống đốt gây ô nhiễm môi trường xung quanh Chính vì vậy việc tận dụng vỏ

cà phê để chế tạo AC là một hướng nghiên cứu mới có nhiều triển vọng vềmặt kinh tế cũng như ứng dụng cải thiện môi trường

Thành phần chính của vỏ cà phê là Gluxit gồm xenlulozo,hemixenlulozo, lignin và một số hợp chất khác Sự kết hợp giữa xenlulozo vàhemixenlulozo có chứa nhiều nhóm –OH, thuận lợi cho khả năng hấp phụthông qua liên kết hidro

Xenlulozo là polisaccarit cao phân tử do các mắt xích glucozơ [C6H7O2(OH)3]n liên kết với nhau bằng liên kết ��-1,4-glucozit.Phân tử khối của xenlulozo rất lớn khoảng từ 100000-250000 đ.v.c

��-Hemixenlulozo là polisaccarat giống như xenlulozo nhưng có sốmắt xích nhỏ hơn và thường bao gồm nhiều loại mắt xích có chứa nhómaxetyl và metyl

Lignin là hợp chất cao phân tử, là loại polime được tạo bởi các mắt xíchphenylpropan Lignin giữ vai trò kết nối giữa xenlulozo vàhemixenlulozo, làm tăng độ bền cơ học của tế bào, tăng khả năng chống thấmnước, ngăn độc tố và các vi sinh vật bên ngoài

Bảng 1.5 Sự khác nhau về thành phần trong vỏ cà phê trồng

tại tỉnh Đắk Lắk và tỉnh Điện Biên [10]

1.4 Than hoạt tính (AC) và cấu trúc bề mặt của AC

1.4.1 Giới thiệu về than hoạt tính

AC là một dạng của cacbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc rấtxốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn

Cacbon là thành phần chủ yếu của AC với hàm lượng khoảng 85-95%.Bên cạnh đó AC còn chứa các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh

và oxi Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguồn nguyên liệu banđầu hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trìnhkhác Thành phần các nguyên tố trong AC thường là 88% C, 0,5% H, 6-7%

O, 0,5% N, 1% S Tuy nhiên hàm lượng oxy trong AC có thể thay đổi từ 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế AC thường

1-có diện tích

bề mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2- 0,6cm3/g[19] Diện tích bề mặt AC chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2nm

1.4.2 Các phương pháp sản xuất than hoạt tính

AC chủ yếu được điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô chứacacbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 10000C Điều chế than hoạt tính gồm 2 quátrình: than hóa và hoạt hóa Than hóa là giai đoạn chuyển hóa nguyên liệu vềdạng than, làm tăng hàm lượng cacbon và tạo bề mặt xốp ban đầu Hoạt hóa(vật lý, hóa học) với mục đích phát triển lỗ xốp, tăng diện tích bề mặt củathan Hoạt hóa là giai đoạn khó thực hiện hơn và là giai đoạn quyết định chấtlượng sản phẩm

 Quá trình than hóa

Quá trình than hóa là dùng nhiệt để phân hủy nguyên liệu, đưa nó vềdạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp banđầu cho than, chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hóa than Quátrình than hóa có thể xảy ra trong pha rắn, lỏng và khí [25]

 Quá trình hoạt hóa

Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưới tác dụngcủa nhiệt và tác nhân hoạt hóa, tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ cókích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt [28].Mục đích của giai đoạn hoạt hóa là phát triển mạnh bề mặt riêng của than thuđược sau giai đoạn than hóa Quá trình hoạt hóa được chia làm hoạt hóa vật lý

và hoạt hóa hóa học

Hoạt hóa vật lý: sử dụng tác nhân nhiệt độ để thay đổi cấu trúc bềmặt của than (có thể sử dụng hơi nước hoặc khí CO2 làm tác nhân hoạt hóa)

Hoạt hóa hóa học : dựa vào phản ứng hóa học của chất hoạt hóa với

bề mặt than để thay đổi cấu trúc bề mặt than Dưới sự có mặt của các chấthoạt hóa xảy ra phản ứng ăn mòn bề mặt than, kết quả làm tăng cấu trúc xốpcủa bề mặt than Phương pháp này thường dùng các hợp chất dễ phân hủynhư: HNO3, H3PO4, KOH, NaOH,… tẩm hoặc trộn với than và gia nhiệt đếnnhiệt độ phân hủy Axit nitric làm cho gỗ nở ra và mở cấu trúc xenlulozo của

gỗ Kết quả là than xốp hơn và chứa đầy axit nitric

Tất cả các nguyên liệu chứa cacbon đều có thể chuyển thành than hoạttính, tất nhiên sản phẩm thu được sẽ có sự khác nhau phụ thuộc vào bản chấtcủa nguyên liệu được sử dụng, bản chất của tác nhân hoạt hóa và điều kiệnhoạt hóa Trong quá trình hoạt hóa hầu hết các nguyên tố khác trong nguyênliệu tạo thành sản phẩm khí và bay hơi bởi nhiệt phân hủy nguyên liệu banđầu Các nguyên tử cacbon sẽ nhóm lại với nhau thành các lớp thơm liên kết

với nhau một 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 trống này tănglên thành lỗ xốp làm than hoạt tính thành chất hấp phụ tuyệt vời.

1.4.3 Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính

[19]

AC với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngangbền giữa chúng, làm cho AC có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển Quá trìnhhoạt hóa làm tăng thể tích và làm rộng đường kính lỗ Cấu trúc lỗ và sự phân

bố cấu trúc lỗ của chúng được quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu banđầu và phương pháp than hóa Sự hoạt hóa cũng loại bỏ cacbon không phảitrong cấu trúc, làm lộ ra các tinh thể dưới sự hoạt động của các tác nhân hoạthóa và cho phép phát triển cấu trúc vi lỗ xốp Trong pha sau cùng của phảnứng, sự mở rộng của các lỗ tồn tại và sự tạo thành các lỗ lớn bằng sự đốt cháycác vách ngăn giữa các lỗ cạnh nhau được diễn ra Điều này làm cho các lỗtrống có chức năng vận chuyển và các lỗ lớn tăng lên, dẫn đến làm giảm thểtích vi lỗ

Theo Dubinin và Zaveria, AC vi lỗ xốp được tạo ra khi mức độ đốt cháy(burn-off) nhỏ hơn 50% và AC lỗ macro khi mức độ đốt cháy là lớn hơn75% Khi mức độ đốt cháy trong khoảng 50-75% sản phẩm có hỗn hợp cấutrúc lỗ xốp chứa tất cả các loại lỗ

AC có lỗ xốp từ 1 nm đến vài nghìn nm Dubinin đề xuất một cách phânloại lỗ xốp đã được IUPAC chấp nhận Sự phân loại này dựa trên chiều rộngcủa chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnhhoặc bán kính của lỗ dạng ống Các lỗ được chia thành 3 nhóm: lỗ nhỏ, lỗtrung và lỗ lớn

- Lỗ nhỏ (Micropores): có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụngnhỏ hơn 2nm Sự hấp phụ trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể 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 mặt không xốp vì sự nhân đôicủa lực hấp phụ từ các vách đối diện nhau của vi lỗ Nói chung chúng có thểtích lỗ từ 0,15-0,7cm3/g Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổngdiện tích bề mặt của than hoạt tính.

- Lỗ trung (Mesopore) hay còn gọi là lỗ vận chuyển có bán kính hiệudụng từ 2-50nm, thể tích của chúng thường từ 0,1-0,2cm3/g Diện tích bề mặtcủa lỗ này chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than Các lỗ nàyđặc trưng bằng sự ngưng tụ mao quản của chất hấp phụ với sự tạo thành mặtkhum của chất lỏng bị hấp phụ

- Lỗ lớn (Macropore) không có nhiều ý nghĩa trong quá trình hấp phụcủa than hoạt tính bởi vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ và không vượt quá0,5m2/g, với thể tích lỗ từ 0,2-0,4cm3/g Chúng hoạt động như một kênh chochất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung Các lỗ lớn không được lấp đầybằng sự ngưng tụ mao quản Do đó, cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính có baloại bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn Mỗi nhóm này thể hiện một vai trònhất định trong quá trình hấp phụ Lỗ nhỏ chiếm diện tích bề mặt và thể tíchlớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp phụ của than hoạt tính, miễn là kíchthước phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để đi vào lỗ nhỏ Lỗ nhỏđược lấp đầy ở áp suất hơi tương đối thấp trước khi bắt đầu ngưng tụ maoquản Mặt khác, lỗ trung được lấp đầy ở áp suất hơi tương đối cao với sự xảy

ra ngưng tụ mao quản Lỗ lớn có thể cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyểnnhanh tới lỗ nhỏ hơn