Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất than hoạt tính từ gỗ trám và khả năng ứng dụng trong xử lý chất thải công nghiệp

TÍNH CHẤT THAN TRÀM: Bảng 1.2: thành phần các nguyên tố hóa học than tràm cừ [1] Tên nguyên tố Cacbon % Hydro % Oxy % Nitơ % Lưu huỳnh % Cấu trúc mạng cacbon, các nhóm chức trên bề mặt

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TRÀM VÀ THAN TRÀM:

1.1.1 TRÀM:

a ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI CÂY TRÀM [17, 21]:

Hình 1.1: cây tràm Cây tràm (melaleuca) là loài cây thân gỗ vốn phân bố tự nhiên và là loài cây trồng chính trên vùng đất phèn nặng, ngập nước Giá trị của hệ sinh thái rừng tràm không chỉ là lâm sản mà phải kể tới cả một hệ thực vật, động vật đa dạng Bên cạnh

đó là hàng loạt chức năng sinh thái khác cung cấp dịch vụ cho môi trường sống bền vững không có gì có thể thay thế được

Ở Việt Nam có hai loại tràm được trồng phổ biến:

 Tràm gió: cây nhỏ, thân bụi, cao 0.5 – 2 (m), phân bố chủ yếu ở miền Bắc Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, là nguyên liệu chủ yếu để cất tinh dầu

 Tràm cừ: cây thân gỗ, cao 5 – 20 m, phân bố chủ yếu ở vùng đất phèn, ngập úng như Cà Mau, Long An, Đồng Tháp, Kiên Giang…, là loại tràm cho gỗ

 Tràm trà: đây là loại tràm cho tinh dầu

b TÌNH HÌNH TRỒNG TRÀM Ở VIỆT NAM [18]:

Cây tràm có duyên phận gắn bó lâu đời với vùng đất phèn nặng Đồng bằng sông Cửu Long như Long An, Cà Mau, Đồng Tháp, Kiên Giang, Tiền Giang,…với hàng ngàn hecta Tuy nhiên cây tràm trải qua nhiều thăng trầm về diện tích, sản lượng và nhất là giá cả khi bước vào cơ chế kinh tế thị trường trong xu thế hội nhập

và phát triển tăng tốc của đất nước Trong những năm đầu tiên, cây tràm được bán làm cọc xây dựng đem lại lợi nhuận rất lớn cho người dân khoảng 20 triệu VNĐ/ha tràm Nhưng về sau, người dân dùng cọc bê tông trong xây dựng nên hàng ngàn hecta tràm không có nguồn ra, dẫn đến tình trạng cây tràm bị chặt phá nghiêm trọng

Quản lý và sử dụng bền vững hệ sinh thái rừng tràm trên đất nước không những thỏa mãn một phần nhu cầu sử dụng lâm sản của người dân, bảo vệ môi trường mà còn nâng cao giá trị thừa hưởng và bảo tồn đa dạng sinh học cho thế hệ sau Hiện nay, diện tích rừng tràm trên đất phèn ngập đang bị thu hẹp nhanh chóng như ở Long An, Cà Mau, Đồng Tháp…Chính vì vậy, cần phải có những nghiên cứu tìm hướng ra cho cây tràm nhằm duy trì và bảo tồn rừng tràm trên đất phèn ngập nước, mà những giá trị to lớn của nó không chỉ về kinh tế mà cả về môi trường với nhiều chức năng sinh thái không thể nào thay thế được

c ỨNG DỤNG CÂY TRÀM [17, 19, 21]:

 Cung cấp lâm sản, tinh dầu: những sản phẩm thông thường của tràm là

gỗ nhỏ, cừ cột, củi, tinh dầu tràm, dược liệu,… đều có giá trị kinh tế cao Gỗ tràm gồm tràm nội địa hay tràm ngoại có thể dùng để sản xuất cừ cọc cho xây dựng Hiện nay, nhiều công trình nghiên cứu đã chứng minh gỗ tràm có thể làm bột giấy tương đương với nguyên liệu bột giấy truyền thống Ngoài ra, tràm còn có khả năng làm gỗ xẻ, ván dăm, ván sợi, chế biến than và những mặt hàng gia dụng khác Bên cạnh đó, sử dụng tinh dầu tràm trong hương liệu, mỹ phẩm là những hướng đang được quan tâm

 Cung cấp than đốt: hiện nay, người dân thường đốt gỗ tràm thành than

để phục vụ cho nhu cầu than trong nước và xuất khẩu ra các nước, do nhu cầu gỗ tràm làm cọc xây dựng bị giảm nhiều Tuy nhiên, lợi nhuận thu được từ nguồn than

không cao nếu tính hết các chi phí thì lợi nhuận thu được từ than đốt chỉ bằng 1/3 so với việc bán gỗ tràm làm xây dựng

 Chức năng phòng hộ, phòng chống bão lũ, hội tụ phù sa: những năm

gần đây, lũ liên tục ập xuống trên lưu vực sông Mekong, trong đó có Việt Nam Các tỉnh ở đồng bằng sông Cửu Long thường chịu những trận lũ bất thường, không theo quy luật, gây tổn hại nhiều Cây tràm che chắn, góp phần ngăn bão lũ làm cho đời sống của nhân dân ổn định Ngoài ra, những khu rừng tràm trên đất phèn ngập nước của ta là nơi lắng tụ, giữ phù sa bồi tụ, tăng màu mỡ cho đất đai trong vùng Không

có rừng tràm, không có những ô trữ nước khổng lồ này, đất xói mòn, phù sa màu

mỡ sẽ bị dòng lũ cuốn phăng ra biển, với cường độ và tốc độ lớn

 Rừng tràm góp phần cải thiện chất lượng nước cho cộng đồng: rừng

tràm là chiếc máy lọc nước tự nhiên khổng lồ, nó đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng nước không chỉ cho nước phèn tại chỗ mà nó có thể rửa phèn cho những cánh đồng bị nhiễm phèn lân cận Nó có thể giúp làm giảm độc hại cho nguồn nước thải từ các khu nông nghiệp lân cận dồn về, tạo ra nguồn nước sạch cho vùng hạ nguồn, trước khi đổ ra biển Nơi có rừng tràm chất lượng nước và đất dần dần được cải thiện

 Rừng tràm là nơi trú ngụ của nhiều loài động, thực vật quý hiếm:

rừng tràm trên đất phèn ngập nước là một hệ sinh thái phong phú và đa dạng Đó là nơi ẩn trú của nhiều loài thực vật và động vật quý hiếm

d TÍNH CHẤT GỖ TRÀM CỪ [1]:

Hình 1.2: gỗ tràm

Tính chất cơ lý:

 Tỷ trọng: 0.75

 Gỗ tràm chắc, nặng, có màu vàng nhạt, lõi màu xám hồng, vỏ xốp bong

ra từng mãng

 Do hàm lượng silic cao vào khoảng 0.2 – 1 (%) nên gỗ tràm cứng

 Hệ số co rút lớn nên dễ bị co rút, cong vênh

Thành phần chính của gỗ là lignin và cellulose, hàm lượng cellulose càng cao,

gỗ càng xốp Trong quá trình nhiệt phân, lignin và cellulose là thành phần chính tạo

ra than

Hàm lượng lignin và cellulose của gỗ tràm tương đối lớn Vấn đề nghiên cứu

gỗ tràm làm than hoạt tính có rất nhiều triển vọng

1.1.2 THAN TRÀM [1]:

a CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN TRÀM:

Quá trình than hóa: là quá trình nhiệt phân nguyên liệu gỗ (thực vật) trong điều kiện không có không khí nhằm loại bỏ các hợp chất bay hơi thu than

Các giai đoạn của quá trình than hóa:

- Giai đoạn sấy (từ 0 – 1500C): giai đoạn tách ẩm trên bề mặt vật liệu, gỗ khô dần, hơi ẩm thoát ra, đặc trưng là quá trình thu nhiệt

- Quá trình nhiệt phân hemicellulose (150 – 2750C): giai đoạn tách ẩm nằm sâu trong lòng vật liệu, loại bỏ liên kết hoá học giữa hemicellulose và nước, đồng thời hemicellulose bị phân hủy theo quá trình thu nhiệt giải phóng CO, CO2, methane, acid acetic, methanol…

- Quá trình nhiệt phân cellulose và lignin (275 – 4000C): cellulose, lignin bị phân hủy theo những quá trình tỏa nhiệt

- Giai đoạn luyện than (400 – 6000C): giai đoạn sắp xếp các nguyên tử cacbon tạo than tinh thể

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình than hóa:

- Độ ẩm của nguyên liệu

- Kích thước của nguyên liệu

- Nhiệt độ của quá trình than hóa

- Thời gian của quá trình than hóa

b TÍNH CHẤT THAN TRÀM:

Bảng 1.2: thành phần các nguyên tố hóa học than tràm cừ [1]

Tên nguyên tố Cacbon

(%)

Hydro (%)

Oxy (%)

Nitơ (%)

Lưu huỳnh (%)

Cấu trúc mạng cacbon, các nhóm chức trên bề mặt than hoạt tính và sự phân

bố kích thước lỗ xốp của than hoạt tính phụ thuộc mạnh vào nguồn nguyên liệu ban đầu Chính vì vậy, hy vọng sử dụng gỗ tràm sản xuất than hoạt tính sẽ thu được than hoạt tính có những tính chất tốt có khả năng ứng dựng trong xử lý các chất thải công nghiệp

1.2 THAN HOẠT TÍNH [5, 8, 9, 14, 21]:

1.2.1 TỔNG QUAN VỀ THAN HOẠT TÍNH:

có chứa nhiều hydro, trong quá tình than hóa các liên kết ngang trong mạng tinh thể yếu và do đó cấu trúc xốp không phát triển Trong quá trình hoạt hóa, có thể dùng oxy không khí tác nhân hoạt hóa than mục đích tạo ra than hoạt tính có cấu trúc xốp tốt, tuy nhiên cần điều chỉnh lượng oxy không khí cho phù hợp để tránh hiện tượng than bị cháy

Than hoạt tính là cacbon cấu trúc xốp đặc biệt, có bề mặt riêng lớn khoảng từ

500 đến 3500 m2/g, có rất nhiều lỗ lớn nhỏ Dưới kính hiển vi một hạt than giống như một tổ kiến

Than hoạt tính là một chất hấp phụ mạnh ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau Tính chất hấp phụ được dựa trên bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp,

Bề mặt riêng của than hoạt tính là hệ quả của cấu trúc xơ rỗng mà chủ yếu do thừa hưởng từ nguyên liệu, qua quá trình hoạt hóa ở nhiệt độ cao trong điều kiện thiếu khí Phần lớn các vết rỗng đều có tính hấp phụ rất mạnh, đóng vai trò các rãnh chuyển tải Thường thì bề mặt riêng của than hoạt tính rất lớn khoảng 500 – 3500

m2/g Chính vì vậy than hoạt tính là một chất hấp phụ rất tốt, có thể thấm hút các thành phần đặc biệt như kim loại nặng

Khả năng hấp phụ của than hoạt tính là nồng độ cực đại của chất bị hấp phụ có thể đạt được trên một đơn vị khối lượng hay thể tích chất hấp phụ - than hoạt tính

Bề mặt riêng phụ thuộc chủ yếu kích thước các hạt nguyên tố cấu thành và cấu trúc có trật tự của chúng Vì vậy, bề mặt riêng cao sẽ chứa nhiều lỗ xốp và độ phân tán cao, từ đó sẽ thể hiện khả năng hấp phụ của một chất lên than hoạt tính Tuy nhiên, kích thước phân tử chất bị hấp phụ cũng là yếu tố ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ chất đó lên than hoạt tính

Bề mặt riêng là yếu tố đầu tiên đánh giá khả năng hấp phụ của than hoạt tính

Bề mặt riêng càng lớn càng tạo ra nhiều vị trí hấp phụ trên bề mặt than Bên cạnh

đó, thể tích và kích thước vi mao quản cũng là những yếu tố ảnh hưởng Bề mặt riêng của than hoạt tính và khả năng hấp phụ được quyết định bởi vi mao quản, nhưng vị trí của mao quản lớn và mao quản chuyển tiếp cũng quan trọng

b CẤU TRÚC THAN HOẠT TÍNH [9]:

 Lỗ xốp chuyển tiếp (mesopore): 20 (Ao

) < d < 500 (Ao), thể tích lỗ 0.1 - 0.2 (cm3/g), chiếm 5 % bề mặt carbon Lỗ xốp này hấp phụ theo cơ chế đơn và

đa lớp, có hiện tượng ngưng tụ mao quản Lỗ xốp chuyển tiếp như là đường dẫn các chất bị hấp phụ vào micropore

 Lỗ xốp lớn (macropore): d > 500 (Ao) Hấp phụ khí lúc đầu xảy ra theo

cơ chế đơn và đa lớp, không xảy ra hiện tượng ngưng tụ mao quản Nó là đường dẫn phân tử chất bị hấp phụ vào lỗ xốp chuyển tiếp và lỗ xốp bé Cấu trúc xốp được xắp xếp theo mô hình: macropore mở trực tiếp ra bề mặt ngoài của hạt than, tiếp đó nhánh mesopore nối từ macropore đến micropore Vì vậy, macropore là đường dẫn chính đưa các phân tử chất bị hấp phụ vào các lỗ xốp nhỏ hơn ở vị trí sâu bên trong của than hoạt tính

Như vậy, micropore được lắp đầy ở áp suất tương đối P/Po thấp, xảy ra trước

sự ngưng tụ mao quản Mặt khác, mesopore ở áp suất tương đối P/P0 cao xảy ra sự lắp đầy bằng ngưng tụ mao quản Macropore vận chuyển nhanh những chất có khả năng bị hấp phụ vào bên trong những lỗ xốp nhỏ hơn của than

Theo Dubinin và Zaverina [9], than hoạt tính lỗ xốp rất nhỏ (micropore) được hình thành khi độ đốt cháy nhỏ hơn 50%, than hoạt tính lỗ xốp lớn (macropore) thì giới hạn độ đốt cháy lại phải lớn hơn 75% Khi độ đốt cháy nằm trong khoảng 50 - 75% thì sản phẩm là hỗn hợp của micropore và macropore

Kích thước và sự phân bố kích thước mao quản là yếu tố rất quan trọng để lựa chọn loại than cho phù hợp với mục đích sử dụng

Cấu trúc tinh thể:

Cấu trúc của graphite:

Các nguyên tử carbon xắp xếp trên các đỉnh của lục giác đều, tạo thành các lớp mạng phẳng song song với nhau Khoảng cách giữa các nguyên tử (cạnh của lục giác) là 1.42 (Ao) Khoảng cách giữa các lớp mạng là 3.35 (Ao)

Hình 1.4: cấu trúc graphite

Cấu trúc của than hoạt tính:

Cấu trúc của than hoạt tính không hoàn hảo như của graphite Nó là sự biến dạng của tinh thể carbon Trong cấu trúc có sự thiếu xót của các nguyên tử carbon, đồng thời cũng có sự xen vào của các nhóm chức

Dựa trên kết quả phân tích X-ray, Rile [9] đưa ra 2 loại cấu trúc của than hoạt tính:

 Loại cấu trúc graphite: chúng có 2 kích thước tương tự graphite, nhưng

những lớp mạng song song không định hướng một cách hoàn toàn

Cấu trúc graphite cấu trúc than hoạt tính graphite

Hình 1.5: cấu trúc graphite và cấu trúc than hoạt tính graphite

 Loại cấu trúc non-grapite: mạng lưới không gian của carbon hexangon xắp xếp hỗn độn Cấu trúc này ổn định nhờ vào các nguyên tử khác loại

c NHÓM CHỨC BỀ MẶT [9, 10]:

Hình 1.6: nhóm chức hoá học trên bề mặt than hoạt tính

Thành phần của than hoạt tính ngoài C, còn có O và H Quá trình than hóa và hoạt hóa tạo nên phức chất chứa nhóm oxy trên bề mặt

Những nhóm chức bề mặt than hoạt tính có thể hình thành là: nhóm carboxyl, carbonyl, nhóm rượu, nhóm lactone, nhóm phenlic hydroxyl,…tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu và tác nhân hoạt hóa

Sự hình thành các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt than được hình thành theo hai hướng:

- Một là luôn được hình thành khi bề mặt than trống, tất cả hợp chất bề mặt hình thành trong môi trường khí quyển và liên kết với oxy sau khi làm lạnh ở nhiệt

Hình 1.7: hình biểu diễn sự liên kết giữa nhóm chức hoá học trên than và nước

Sự tồn tại các nhóm chức bề mặt ảnh hưởng lớn đến hoạt tính của than hoạt tính Vì vậy, có thể khẳng định khả năng ứng dụng của than hoạt tính nhiều hay ít cần xác định các nhóm chức trên bề mặt của than hoạt tính

d TÍNH PHÂN CỰC CỦA THAN HOẠT TÍNH [9]:

Tính chất phân cực của than hoạt tính là do các phức chất oxy có tính phân cực phân bố trên bề mặt than tạo nên tính ưa nước và các chất có độ phân cực lớn khác trong không khí Do đó, các nhóm chức bề mặt ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ của than hoạt tính đối với các chất có độ phân cực khác nhau

Do sự ảnh hưởng giữa nhóm chức acid bề mặt và những phân tử phân cực có nguồn gốc từ quá trình xử lý nhiệt cao của quá trình oxy hóa than Kế đến là do sự ảnh hưởng giữa bề mặt riêng phụ thuộc giữa phần khảo sát và sự định hướng của phân tử chất hấp phụ, giải thích này được cho là đáng tin cậy trong trường hợp than hoạt tính có cấu trúc vi mao quản nhiều

Sự tương đồng giữa các chất có độ phân cực tương tự, chất ưa nước càng ít có

xu hướng chuyển đến bề mặt chất hấp phụ ít phân cực để hấp phụ và ngược lại

1.2.3 ỨNG DỤNG CỦA THAN HOẠT TÍNH [21]:

Than hoạt tính có nhiều ý nghĩa, vai trò trong cuộc sống nhờ vào các tính chất như sau: đó là chất không độc kể cả khi ăn phải nó, giá thành rẻ, dùng các nguồn nguyên liệu thải ra từ nông nghiệp để sản xuất Sau khi đã dùng để hấp phụ các chất

dễ thu lại các chất thải, nếu như hấp phụ các chất là kim loại nặng thì việc thu hồi lại chúng cũng rất dễ dàng bằng cách đốt

Tùy theo mục đích sử dụng than hoạt tính có nhiều kích cỡ khác nhau Than hoạt tính là chất hấp phụ được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp

Than hoạt tính có nhiều ứng dụng:

 Trong lĩnh vực y tế: than hoạt tính dùng để hấp phụ các độc tố sau khi bị ngộ độc thức ăn

 Trong công nghiệp hóa chất: than hoạt tính là chất mang cho các chất xúc tác khác nhau

 Trong kỹ thuật: là thành phần của lọc khí trong đầu lọc thuốc lá, tủ mát

và máy điều hòa nhiệt độ

 Trong môi trường: xử lý nước tẩy các chất bẩn vi lượng, lọc các khí độc trong môi trường và xử lý kim loại nặng

 Ngoài ra còn có tác dụng cực tốt trong phòng tránh các loại tia đất

Ở nước ta hiện nay, lượng than hoạt tính cần dùng trong công nghiệp rất lớn và ngày càng tăng như ngành bột ngột khoảng 500 tấn/năm, ngành đường 400 tấn/năm, ngành dầu thực vật 100 tấn/năm… Chưa kể đến nhu cầu than hoạt tính xuất khẩu Chính vì vậy, than hoạt tính có giá trị kinh tế rất cao

1.3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH VÀ CÁC VẤN ĐỀ TỒN TẠI:

1.3.1 CÁC HƯỚNG ĐÃ NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH [1, 7, 8, 15]:

Công nghệ sản xuất than hoạt tính đã có từ lâu trên thế giới vào khoảng cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 Có rất nhiều nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ nhiều loại nguyên liệu khác nhau, nhưng chủ yếu là dùng từ các chất thải ra trong quá trình sản xuất nông nghiệp như sau: mùn cưa, sọ dừa, trấu, …

 Trên thế giới: vài công trình nghiên cứu than hoạt tính như sau:

- Hạt oliu: theo [7] hoạt hóa vật lý than từ hạt oliu ở 940 (0C) với tác nhân hoạt hóa là CO2 – H2O trong 3 (h) thu được bề mặt riêng 1155 (m2/g); hoạt hóa hóa học bằng KOH thu được bề mặt riêng là 3049 (m2/g)

- Từ biomas như: rơm rạ, bã mía, hạt trái cây, vỏ hạc, lúa mì Vài kết quả như sau: than hoạt tính từ rơm rạ với hoạt hóa vật lý thu được bề mặt riêng là 400 (m2/g), hoạt hóa hóa học là 650 (m2/g) Than hoạt tính từ lúa mì có bề mặt riêng là

 Ở Việt Nam:

- Từ sọ dừa: nguồn nguyên liệu rẻ tiền, thu được bề mặt riêng khoảng 631

m2/g, loại than này đã được xuất khẩu

- Từ trấu: trấu là nguồn nguyên liệu dồi dào và rẻ tiền từ nông nghiệp, hoạt hóa thu được bề mặt riêng khoảng 216.1 – 445.5 m2/g [5]

- Từ gỗ tràm: hoạt hóa than tràm bằng hơi nước thu được bề mặt riêng là 1829

m2/g, hoạt hóa hóa học bằng NaOH đạt được bề mặt riêng 2909 m2/g [1] Tuy nhiên, các kết quả thu được trong các thí nghiệm không ổn định, chất lượng còn chưa tốt

1.3.2 CÁC VẤN ĐỀ TỒN TẠI:

Tuy nhiên các đề tài nghiên cứu trên còn tồn tại một số các vấn đề như sau:

 Các kết quả đo được chưa thật ổn định trong các lần thí nghiệm

 Bề mặt riêng thu được chưa đủ lớn

 Quá trình chưa được thực hiện liên tục

 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất than hoạt tính chưa được nghiên cứu đầy đủ

 Chưa hạn chế được lượng hóa chất dùng và thải ra làm ô nhiễm môi trường

Chính vì vậy, trong khuôn khổ đề tài này chúng tôi nghiên cứu quá trình sản xuất than hoạt tính từ nguồn nguyên liệu có rất nhiều tại nước ta đặc biệt là tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long là gỗ tràm:

 Khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình hoạt hóa bằng phương pháp vật lý và quá trình hoạt hóa bằng phương pháp hóa học

 Kiểm tra sự ổn định ứng với điều kiện đã khảo sát ở trên

 Khảo sát quá trình hoạt hóa vật lý liên tục bằng thiết bị lò quay

 So sánh các tính chất than hoạt tính từ các quá trình hoạt hóa khác nhau

 Khả năng ứng dụng than trong xử lý khí H2S

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA THAN:

2.1.1 VAI TRÒ CỦA QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA THAN [9, 13]:

Quá trình hoạt hóa: là quá trình hoạt hóa than là quá trình phản ứng xảy ra giữa than và tác nhân hoạt hóa dưới điều kiện nhiệt độ cao

Quá trình hoạt hóa là khâu quan trọng nhất trong quá trình điều chế than hoạt tính, nó quyết định cấu trúc xốp, đặc tính cơ lý, tính chất hấp phụ của than

Mục đích của quá trình này là giải phóng độ xốp sơ cấp trong than đồng thời tác nhân hoạt hóa tác dụng với khung than làm cháy một phần tinh thể than tạo độ xốp thứ cấp cho than

Sự hoạt hóa sẽ bao gồm các giai đoạn sau đây:

- Chuyển các tác nhân hoạt hóa qua màng khí bao quanh phân tử

- Khuyếch tác trong các lỗ phân tử

- Phản ứng trên bề mặt các lỗ

Phân chia theo tác nhân hoạt hóa thì có hai loại hoạt hóa là: hoạt hóa vật lý

và hoạt hóa hóa học Nếu tác nhân hoạt hóa là vật lý quá trình xảy ra theo cơ chế khí hóa, ngược lại nếu tác nhân hoạt hóa là hóa học quá trình xảy ra theo cơ chế hóa học bình thường

2.1.2 HOẠT HÓA VẬT LÝ:

Bản chất phương pháp là dùng khí, hơi để oxy hóa than ở nhiệt độ cao Tác nhân hoạt hóa phổ biến là CO2, hơi nước, không khí…

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt hóa vật lý

- Tác nhân hoạt hóa

- Nồng độ tác nhân (tốc độ hơi nước, CO2… )

- Thời gian hoạt hóa

- Nhiệt độ hoạt hoá

- Áp suất riêng phần để điều chỉnh lượng oxy như mong muốn

- Lượng khí H2 và CO để ức chế phản ứng khí hóa

- Những hợp chất vô cơ trong than

- Cấu trúc của than nguyên liệu

Các phản ứng hoạt hóa ứng với tác nhân hoạt hóa:

Phương trình tốc độ phản ứng ứng với tác nhân hoạt hóa:

CO2:

2 2

3 2

1

CO

P k P k P k r

3 2

1

O H

p k p k p k r

 Độ thiêu đốt < 50 %: than hoạt tính thu được micropore

 Độ thiêu đốt > 70 %: than hoạt tính thu được macropore

 Độ thiêu đốt 50 - 70 %: thu được hỗn hợp micropore và macropore Trong đó độ thiêu đốt là phần trăm khối lượng nguyên liệu giảm trong suốt quá trình hoạt hóa

Ưu, nhược điểm:

Ưu: tác nhân hoạt hóa rẻ, ít gây ăn mòn thiết bị, không gây ô nhiễm, có thể thực hiện với năng suất lớn…

Nhược: diện tích bề mặt than hoạt tính không cao

2.1.3 HOẠT HÓA HÓA HỌC:

Bản chất phương pháp là dùng hóa chất như: kiềm, các loại muối, tẩm với than, hoạt hóa ở nhiệt độ cao trong một khoảng thời gian nhất định

Đặc điểm quan trọng của hoạt hóa hóa học là có thể thay đổi được các điều kiện thí nghiệm dễ dàng Từ đó, các thông số quan trọng của than hoạt tính như: thể tích vi mao quản, sự phân bố lỗ xốp hợp lý, từ đó đưa các phân tử bị hấp phụ vào vùng vi mao quản có thể thay đổi cho thích hợp dựa vào các điều kiện thí nghiệm, điều mà hoạt hóa vật lý không làm được

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt hóa hóa học như:

- Nhiệt độ hoạt hóa

- Thời gian hoạt hóa

- Loại tác nhân hoạt hóa và nồng độ tác nhân

- Môi trường hoạt hóa

Tác nhân hoạt hóa: có rất nhiều tác nhân hoạt hóa được sử dụng để phá huỷ cấu trúc than tạo than hoạt tính như: muối clorua, KOH, NaOH, H3PO4, ZnCl2… Tùy vào nguyên liệu, tác nhân hoạt hóa sẽ thu được than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng khác nhau

Cơ chế quá trình hoạt hóa là các tác nhân hoạt hóa sẽ xâm nhập vào mạng lưới carbon làm mất cân bằng giữa các lực tương tác trong hệ gây nên sự nứt nẻ mạng và tạo lỗ xốp cho than hoạt tính

Phương trình phản ứng với các tác nhân hoạt hóa:

KOH: C + 6KOH  2K + 2K2CO3 + 3H2 NaOH: C + 6NaOH  2Na + 2Na2CO3 + H2

K2CO3 và Na2CO3 tạo thành K2O, Na2O và CO2

Cả NaOH và KOH đều là những tác nhân hoạt hoá mạnh và có hiệu quả cao NaOH là tác nhân phá hủy cấu trúc than mạnh Tuy nhiên KOH lại phát triển mao quản bé tốt hơn

Điều kiện thực hiện quá trình: trong môi trường không có không khí, vì oxy không khí thực hiện quá trình oxy hoá than và kim loại natri tạo thành oxyt do đó làm giảm hiệu quả quá trình hoạt hóa

Ưu, nhược điểm:

Ưu:

- Tạo được than hoạt tính có bề mặt riêng lớn (1200 – 3000 m2/g), hoạt tính cao, mao quản tạo thành có kích thước đồng đều nhau, có thể điều khiển trong khoảng hẹp nếu muốn

- Nhiệt độ hoạt hoá thấp

- Thời gian hoạt hoá ngắn

- Hiệu suất sản phẩm cao

- Thao tác phức tạp, phải rửa sản phẩm sau khi hoạt hóa

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ [2]:

2.2.1 Định nghĩa:

Hấp phụ là thuật ngữ dùng để miêu tả hiện tượng các nguyên tử, phân tử trong chất lỏng, khí bị giữ lại trên bề mặt chất rắn Chất rắn mà ở trên bề mặt xảy ra sự

hấp phụ được gọi là chất hấp phụ, chất khí hay lỏng bị thu hút và giữ lại trên bề mặt

cuả chất hấp phụ được gọi là chất bị hấp phụ

Hấp phụ là quá trình tự xảy ra và luôn kèm theo sự giảm năng lượng tự do và tăng entropy của hệ, do đó làm giảm enthalpy

Hấp phụ được dùng cho các hỗn hợp có nồng độ thấp, để làm khô khí và lỏng, phân tách các hỗn hợp hydrocacbon, hấp phụ màu, mùi, làm sạch khí và nước thải

Bề mặt chất rắn có khuynh hướng hấp dẫn các cấu tử trong pha khí và pha lỏng bao quanh nó Các cấu tử này thường được giữ thành một lớp hay nhiều lớp trên bề mặt chất rắn

Như vậy quá trình hấp phụ là quá trình hút chọn lựa các cấu tử trên pha khí hay pha lỏng trên bề mặt chất rắn

Hấp phụ thường gặp là quá trình hấp phụ vật lý, là quá trình thuận nghịch, quá trình ngược gọi là giải hấp phụ dùng để hoàn nguyên tác nhân

2.2.2 Phân loại:

Hấp phụ vật lý: hấp phụ của lực hút tĩnh điện van der Waals, là hiện tượng tương tác thuận nghịch của các lực hút giữa các phân tử của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Đặc điểm của hấp phụ này là ít có tính chọn lọc và nhiệt hấp phụ vật lý khoảng 2 – 10 Kcal/mol

Hấp phụ hóa học: là kết quả của sự tương tác hóa học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Nhiệt phát ra trong hấp phụ hóa học thường lớn cỡ nhiệt phản ứng Quá trình thường không thuận nghịch, có tính chọn lọc cao Nhiệt hấp phụ vào khoảng 10 – 200 kcal/mol

Tuy nhiên, giữa hai loại hấp phụ này không có ranh giới rõ rệt Thông thường các chất bị hấp phụ trên bề mặt do các lực vật lý sau đó liên kết với các chất hấp phụ bởi các lực hóa học

2.2.3 Đường đẳng nhiệt hấp phụ:

Có 5 dạng đường hấp phụ quan trọng nhất:

Hình 2.1: năm loại đường đẳng nhiệt hấp phụ theo Brunauer S

Loại I: là hấp phụ đơn lớp theo phương trình Langmuir J, gần giá trị p0 độ hấp phụ gần như không tăng, cho các chất hấp phụ chứa mao quản bé

Loại II: thường thấy trong hấp phụ tạo thành nhiều lớp phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ rắn, thường gặp ở chất hấp phụ không xốp

Loại III: đặc trưng cho sự hấp phụ mà nhiệt hấp phụ của nó bằng hay thấp hơn nhiệt của chất bị hấp phụ

Loại IV, V: tương ứng với sự hấp phụ II, III trong đó có kèm theo sự ngưng tụ mao quản, thường gặp ở chất hấp phụ xốp

Quá trình hấp phụ tại thời điểm cân bằng là một hàm theo nhiệt độ, áp suất Chính vì vậy tùy vào điều kiện hấp phụ chúng ta có quá trình hấp phụ đẳng nhiệt, đẳng áp hay đẳng tĩnh

Trong đó đẳng nhiệt hấp phụ là phương pháp sử dụng rộng rãi, từ đó có thể xác định khả năng hấp phụ của chất hấp phụ, bề mặt hấp phụ, thể tích lỗ xốp, sự phân bố kích thước lỗ xốp dựa vào các lý thuyết bên dưới

Hình 2.2: đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp của hai loại chất hấp phụ khác nhau

[14]

Hình 2.3: phân bố 1ỗ xốp ứng với hấp và giải hấp của hai vật liệu ở trên [14] Trong đó:

- P0: áp suất hơi bão hòa của khí bị hấp phụ

- P: áp suất hấp phụ, áp suất cân bằng của chất khí trên bề mặt hấp phụ Đây là đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp của hai chất hấp phụ khác nhau Thực chất đường giải hấp là sự ngưng tụ mao quản, sự không trùng lắp hai đường gọi là hiện tượng “trễ” Khi áp suất tăng gần đến áp suất hơi bảo hòa thì đường đẳng nhiệt hấp phụ dốc đứng Do kết quả của sự hấp phụ hình thành trên thành mao quản

hẹp, vì vậy nếu chất bị hấp phụ dính ướt thành mao quản của chất hấp phụ thì sẽ tạo thành mặt cong lõm trong các mao quản hẹp Điều này làm cho áp suất hơi cân bằng trên mặt cong lõm nhỏ hơn áp suất hơi bảo hòa, sự chênh lệch áp suất này càng nhiều thì bán kính mao quản của vật liệu càng nhỏ

Đẳng nhiệt hấp phụ là phương pháp sử dụng rộng rãi đại diện cho tốc độ cân bằng của quá trình hấp phụ Nó xác định khả năng hấp phụ cuả chất hấp phụ, diện tích bề mặt hấp phụ, thể tích của lỗ xốp, sự phân bố cấu trúc xốp và một vài thông

số của quá trình đẳng nhiệt hấp phụ

2.2.4 Cân bằng hấp phụ:

Phương trình động học quá trình hấp phụ:

) (

- qt: lượng chất bị hấp phụ được hấp phụ trong thời gian t

- qe: lượng chất bị hấp phụ được hấp phụ cực đại

- k1: hằng số cân bằng

- t: thời gian hấp phụ

Quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ luôn luôn xảy ra đồng thời (cân bằng động) Nếu tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp, ta nói quá trình hấp phụ đạt cân bằng Sự cân bằng của quá trình hấp phụ rất quan trọng vì nó thể hiện khả năng hấp phụ của chất hấp phụ

Sự cân bằng hấp phụ phụ thuộc vào:

- Áp suất của chất khí bị hấp phụ hay nồng độ chất lỏng bị hấp phụ

- Bản chất tương tác bề mặt của chất hấp phụ và giải hấp

- Nhiệt độ hấp phụ, đặc trưng kích thước mao quản

Trong điều kiện công nghiệp tốc độ hấp phụ của chất hấp phụ cần phải cao, nên quá trình tiến hành gần với cân bằng Vì vậy, biên dạng nồng độ của các dạng đường đẳng nhiệt khác nhau Khi đường đẳng nhiệt lồi thì tiến hành hấp phụ là có lợi nhất, khi đường cong lõm sẽ ít có lợi hơn

2.2.5 Các phương trình hấp phụ đẳng nhiệt:

a Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich:

Freundlich đưa ra phương trình thực nghiệm để mô tả dạng nhánh parabon của

Đây là thuyết hấp phụ đơn phân tử của khí trên chất hấp phụ rắn

Phương trình được xây dựng dựa trên các giả thuyết sau:

 Mỗi trung tâm chỉ hấp phụ một phân tử vì vậy bề mặt tạo nên một lớp

hấp phụ đơn phân tử

 Những tiểu phân bị hấp phụ liên kết với những trung tâm hấp phụ xác

định trên bề mặt chất hấp phụ

 Các tiểu phân bị hấp phụ không tương tác lẫn nhau

 Bề mặt hấp phụ là đồng nhất nghĩa là năng lượng hấp phụ trên tất cả

các tâm là như nhau

Khi độ hấp phụ biểu diễn qua thể tích của chất khí bị hấp phụ thì phương trình

có dạng

m

m v

P Kv

P: áp suất hấp phụ (mmHg)

V: thể tích hấp phụ (cm3/g)

c Phương trình hấp phụ BET:

Các thuyết trên chỉ thích ứng trong một số trường hợp, thì thuyết BET do ba

nhà khoa học đề xuất được xem là thuyết đầu tiên mô tả thành công quá trình hấp phụ đẳng nhiệt

Phương trình BET được xây dựng dựa trên những giả thuyết như sau:

 Hấp phụ vật lý tạo thành nhiều lớp phân tử Lớp đầu tiên được coi là lớp hấp phụ, các lớp tiếp theo là lớp ngưng tụ

 Các phân tử chất bị hấp phụ chỉ tương tác với các phân tử lớp trước và sau nó mà không tương tác với phần tử bên cạnh

Phương trình BET có dạng:

0 0

11

)

P C V C C V P P V P

m m







 Trong đó:

- V: Thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất P

- Vm: Thể tích khí bị hấp phụ trong lớp đơn phân tử

- P: áp suất hấp phụ

- P0: áp suất hơi bão hoà của khí

- C = exp(q1 – q2)/RT: thừa số năng lượng- q1: nhiệt hấp phụ của lớp thứ nhất; q2: nhiệt hấp phụ từ lớp thứ hai trở đi, có giá trị bằng nhiệt ngưng tụ của phân tử chất bị hấp phụ

2.2.6 Các loại chất hấp phụ và đặc trưng cơ bản:

Đặc điểm quan trọng nhất của chất hấp phụ rắn là độ xốp, độ xốp thể tích biễu diễn bằng tỷ số giữa tổng thể tích lỗ hổng với tổng thể tích của hệ phân tán

Dựa vào độ xốp ta phân các chất hấp phụ thành các loại: các chất không xốp

và các chất hấp phụ xốp

 Các chất hấp phụ không xốp: bề mặt riêng thường rất nhỏ, là kết cấu chặt

có lỗ hổng

 Các chất hấp phụ xốp: là chất hấp phụ có bề mặt riêng lớn, mạng không gian có chứa các lỗ hổng nhỏ

Than hoạt tính thuộc loại chất hấp phụ xốp

2.3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC TÍNH CHẤT THAN HOẠT TÍNH [2, 9, 10, 14]:

Phương trình BET được dùng để xác định diện tích bề mặt bằng cách đo thể tích chất bị hấp phụ ở các áp suất tương đối khác nhau P/P0 Dựng đồ thị sự phụ

thuộc của

)(P0 P

trong khoảng tuyến tính, từ hệ số góc của phương trình

và điểm cắt với trục tung ta tìm được Vm Bề mặt riêng của chất hấp phụ được xác định theo phương trình:

0

400

 Phương pháp dùng mao quản thủy ngân: phương pháp xác định dựa trên cơ sở thủy ngân không thấm ướt nhiều chất rắn Dưới tác dụng của áp suất, thủy ngân có khả năng chui vào mao quản Áp suất nén càng lớn thì vùng mao quản

có kích thước nhỏ sẽ được lấp đầy Bề mặt riêng được xác định với sự thừa nhận lỗ xốp hình trụ

p

1 2

Công thức gần đúng:

r nV

S 

Trong đó:

: sức căng bề mặt của thủy ngân ( = 485 dyne/cm)

: góc thấm ướt giữa thủy ngân và than hoạt tính

n: thừa số hình dạng mao quản

V: thể tích mao quản (cm3/g)

S: diện tích bề mặt (m2/g)

Phương pháp này giới hạn trong việc xác định mao quản có bán kính lớn hơn 30A0 do trong thực tế không thể tạo được một áp suất quá lớn vì khi đó cấu trúc than không còn giữ lại hình dạng ban đầu nữa

 Phương pháp thể tích: dựa trên nguyên tắc xác định thể tích khí ở một

áp suất xác định nhằm đánh giá lượng khí bị hấp phụ trên chất hấp phụ

 Phương pháp sắc kí khí, dùng tia X: dựa trên nguyên tắc chất bị hấp phụ sẽ giảm nồng độ qua sự hấp phụ, ghi lại thế và vẽ sắc kí đồ ở dạng các peak bị hấp phụ

 Phương pháp dùng kính hiển vi điện tử: quan sát trực tiếp đối tượng nghiên cứu

2.3.2 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC MAO QUẢN THAN HOẠT TÍNH:

a Phương pháp DH để xác định kích thước, thể tích mao quản chuyển tiếp:

Phương pháp được xây dựng bởi hai ông Dollimore và Heal

r V



p p p

r A L

Mối quan hệ giữa tổng thể tích lỗ xốp Vp1 và thể tích mao quản bên trong Vkđược biểu diễn như phương trình:

2 1 2 1 1

k p k p

r r V

Khi áp suất tương đối được chuyển từ (P/P0)1 sang (P/P0)2 một thể tích V1được hấp phụ trên bề mặt Thể tích V1 ở đây không những là những mao quản lớn của quá trình ngưng tụ mà còn giảm bề dày của lớp hấp phụ một khoảng t1 Như vậy sự thay đổi bề dày trung bình là t1/2

Tổng thể tích của mao quản đầu tiên là:

2

1 1 1 1

2 (

t r r V

V

k p

) 2

2 2 2

k p

t r r

Từ giá trị Vtn sẽ tính được phân bố của những mao quản lớn trong vùng mesopore

b Phương trình DR để xác định kích thước và thể tích kích thước vi mao quản:

Phương pháp DR do hai ông Dubinin và RadushKevich xây dựng thường được áp dụng cho các hệ vi mao quản (micropore) Lý thuyết lấp đầy vi mao quản của Dubinin dựa trên thuyết thế năng hấp phụ của Polanyi Thuyết này cho rằng ở

bề mặt chất hấp phụ bao giờ cũng tồn tại một lực hút hay thế năng hấp phụ Thế năng hấp phụ cực đại ở sát thành mao quản và tác dụng trong không gian thể tích nhất định gọi là thể tích hấp phụ cực đại của chất hấp phụ và không phụ thuộc nhiệt

2

0

lg lg

nhận được đường thẳng mà tung độ gốc

xác định VS suy ra thể tích vi mao quản

Đối với tất cả các loại than hoạt tính, phương trình D-R hoàn toàn phù hợp trong vùng áp suất bé hơn 0,1 tương ứng với quá trình hấp phụ trong vùng vi mao quản

c Phương pháp DA để xác định phân bố kích thước vi mao quản micropore:

Với những vật liệu có thể tích vùng micropore, phương pháp DA do hai ông Dubinin và RadushKevich xây dựng được sử dụng rất nhiều để xác định sự phân bố

lỗ xốp của vật liệu ở vùng micropore Phương trình mô tả sự hấp phụ trong vùng micropore như sau:

] ) ln (

0

n

E P P RT W

- E: năng lượng hoạt hóa

- n: giá trị không thứ nguyên (n = 13)

Phương trình DA đòi hỏi thông số n & E có thể tính toán lặp với đường cong không tuyến tính ở áp suất thấp trong vùng micropore như phương trình vi phân:

] ) ( exp[

) ( 3 )

(

3 )

1 3 (

r E k r

E k n dr

Hình 2.4: đồ thị phân bố kích thước lỗ xốp trong vùng vi mao quản

2.3.3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC NHÓM CHỨC BỀ MẶT THAN:

Dùng phương pháp Boehm để định lượng nhóm chức Oxy có trên bề mặt than hoạt tính Cơ sở của phương pháp này là dùng NaOH để xác định hai nhóm -OH và -COOH, với Na2CO3 chỉ có thể phản ứng với nhóm -COOH Cho từng loại hóa chất trên vào một lượng than nhất định, khuấy đều trong khoảng thời gian nhất định khoảng 48 tiếng đồng hồ, sau đó dùng dung dịch HCl chuẩn độ lại dung dịch sau phản ứng cho đến khi đạt cân bằng

Vì vậy, số nhóm chức -OH trên than hoạt tính được xác định từ lượng NaOH

đã phản ứng trừ đi lượng Na2CO3 từ kết quả chuẩn độ ngược bằng HCl

Số nhóm chức được tính bằng công thức sau:

3

10 ).

.(

] /

W k T T C g meq

Trong đó:

- C: nồng độ đương lượng của dung dịch HCl chuẩn độ (N)

- Tb: thể tích HCl nồng độ C (N) dùng để chuẩn độ ứng với mẫu trắng không có than (ml)

- T: thể tích HCl nồng độ C (N) dùng để chuẩn độ khi có than (ml)

- W: khối lượng than hoạt tính (g)

- k: hệ số thể tích chuẩn độ

Tiếp theo để tính số lượng nhóm chức trên đơn vị thể tích bề mặt than hoạt tính, dùng công thức sau:

18 2

10 ] /

1

[

S N M

SO2, hơi thuỷ ngân, Clo,… Trong đó, than hoạt tính hấp phụ tốt NOx, H2S, hơi thuỷ ngân Trong đó, những hợp chất sulfua có thể được than hoạt tính hấp phụ rất mạnh Hiện nay, để xử lý H2S và CS2 bằng phương pháp hấp phụ than hoạt tính được sử dụng rất nhiều

Theo [14], quá trình hấp phụ khí H2S diễn ra ở tầng than hoạt tính có kích thước lỗ xốp từ 30 – 80 A0 trong vùng mao quản chuyển tiếp H2S đuợc hấp phụ và oxy hóa trên bề mặt than hoạt tính bởi các nhóm chức trên bề mặt than thành nguyên tử sulfur, sẽ bị giữ lại trong vùng mao quảo chuyển tiếp Trong vùng vi mao quản, CS2 sẽ bị hấp phụ cho đến khi than hoạt tính bão hòa Khí H2S sẽ bị oxy hóa ngay khi khí qua lớp than hoạt tính, kế đó quá trình hấp phụ CS2 diễn ra liền sau Phản ứng oxy hóa H2S trên bề mặt than:

H2S + 0.5 O2  0.5 S2 + H2O

Tuy nhiên, tùy thuộc vào điều kiện và các nhóm chức trên bề mặt than hoạt tính có thể diễn ra những sản phẩm không muốn như SO2, H2SO4 Phản ứng oxy hóa này phụ thuộc vào nồng độ H2S và nhóm chức oxy trên bề mặt than hoạt tính Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi chỉ phân tích và nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính trong xử lý khí thải công nghiệp, cụ thể là khí H2S Khí H2S là thành phần tạp chất chủ yếu trong biogas, việc loại bỏ được khí H2S sẽ góp phần quan trọng việc tinh chế biogas

CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ & PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT THAN TRÀM:

Nguyên liệu nghiên cứu là than tràm cừ, có nguồn gốc từ Tiền Giang Than thô được nghiền, rây phân loại kích thước:

 Kích thước hạt 0.2 – 0.5 (mm): dùng hoạt hóa hóa học

 Kích thước hạt 2 – 5 (mm): dùng hoạt hóa vật lý

Khối lượng mẫu trước khi sấy: 50 (g)

Khối lượng mẫu sau khi sấy: 42.8 (g)

3.1.2 XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG TRO:

Phương pháp:

Than nghiền nhỏ cho vào tủ sấy đến khối lượng không đổi Xác định khối lượng sau sấy và đem nung ở 6000C, cho đến khi than cháy hết Xác đinh lại khối lượng

Thực nghiệm:

Khối lượng mẫu trước khi nung: 2.568 (g)

Khối lượng mẫu sau khi nung: 0.132 (g)

3.2 QUÁ TRÌNH HOẠT HÓA THAN:

 Bơm pittông có lưu lượng nhỏ dùng để bơm nước vào lò

 Lò nung dạng trụ đứng Than được cho vào lò tạo thành một lớp cố

định Nước được bơm vào ống dẫn Ống dẫn dạng xoắn quanh ống trụ Điện trở đặt

phía ngoài của ống trụ và ống xoắn Hơi nước qua lưới phân phối, sục từ dưới lên

khí bôm

9 8 7 6

3 4

Hình 3.1: mô hình lò nung hoạt hóa vật lý gián đoạn

 Lò quay: đây là thiết bị hoạt hóa liên tục, ưu điểm chính của nó là

tăng khả năng tiếp xúc giữa vật liệu và các tác nhân hoạt hóa do khả năng khuấy

trộn Nguyên lý hoạt động cơ bản của lò là dùng gas để gia nhiệt trong lò, nhập liệu

và dòng khí nóng đi xuôi chiều với nhau Điều chỉnh quạt để lượng gió trong lò vừa

đủ để duy trì nhiệt độ cần hoạt hóa đồng thời không dư để than bị cháy Đầu vào

gồm 4 đường: nhập liệu, hơi nước, gas và gió, ống nhòm Đầu ra ống khói thoát khí

và than được qua dàn ống xoắn làm nguội

Hình 3.2: thiết bị lò quay hoạt hóa liên tục

6: bình đun nước thành hơi nước

7: quạt hút gió vào trong lò

Hình 3.4: phần đầu ra của thiết bị lò quay

Hoạch định thí nghiệm:

Hoạt hóa bằng lò đứng:

Khối lượng than/1 lần hoạt hóa: 250 (g)

 Tiến hành thí nghiệm ở các điều kiện:

- Cố định thời gian 2 (h), tỷ lệ 0.8 mol hơi nước/mol C.h; thay đổi nhiệt độ: 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000 (oC) Xác định được nhiệt độ tốt nhất

- Cố định nhiệt độ (nhiệt độ tốt nhất từ thí nghiệm trước), tỷ lệ 0.8 mol hơi nước/mol C.h; thay đổi thời gian: 2, 3, 4, 5, 6 (h) Xác định thời gian tốt nhất

- Cố định nhiệt độ, thời gian (giá trị tốt nhất từ những thí nghiệm trước); thay đổi tỷ lệ mol hơi nước/mol C.h: 0.56; 0.8; 1.08

 Các mục tiêu cần xác định để đánh giá chất lượng than:

Hình 3.5: phần bên trong lò quay

3

1

1: ống khói 2: ống xoắn làm nguội than 3: máng đựng than hoạt tính

 Thí nghiệm lặp ở điểm tối ưu:

Tiến hành thí nghiệm ở điều kiện nhiệt độ, thời gian, và tỷ lệ mol hơi nước/mol C.h đã xác định ở những thí nghiệm trên là tốt nhất

Số thí nghiệm: 8

Các mục tiêu cần xác định để đánh giá chất lượng than:

- Bề mặt riêng

- Độ thiêu đốt

- Bán kính và thể tích vi mao quản (micropore)

- Thể tích mao quản chuyển tiếp (mesopore)

- Nhóm chức trên bề mặt than

- Chỉ số methylene blue, iod

Hoạt hóa bằng lò quay:

 Khảo sát tốc độ nhập liệu:

Thay đổi các giá trị tần số bộ biến tầng của bộ môtơ điều khiển trục xoắn vít nhập liệu ứng với 1 kg than, ghi nhận lại thời gian vừa hết than

 Khảo sát thời gian lưu của lò:

- Cố định 1 góc nghiêng lò quay trong suốt quá trình làm thí nghiệm

- Thay đổi các giá trị tần số bộ biến tầng của môtơ điều khiển tốc độ quay của lò Đổ than vào phễu nhập liệu, bấm đồng hồ bấm giây, ghi nhận thời gian than vừa bắt đầu ra khỏi trục xoắn làm nguội than

 Khảo sát nhiệt độ ở các vị trí lò:

- Tiến hành hoạt hóa than bình thường, duy trì nhiệt độ cần khảo sát Sau

đó, cho đầu dò nhiệt độ vào theo đường ống nhòm, đo nhiệt độ tại các vị trí đầu, giữa, và cuối lò So với giá trị nhiệt độ đọc tại bảng điều khiển – là nhiệt độ gió ra tại ống khói

 Khảo sát lưu lượng gió trong lò:

- Dùng thiết bị anemometer đo vận tốc gió ở ống khói ra của lò ở 30 (0C) ứng với các nấc của van gió mỗi nấc cách nhau 5 (cm) Tính toán lưu lượng gió ứng với nhiệt độ 550 (0C), thời gian lưu 1.5 (h)

 Tiến hành các thí nghiệm ở các điều kiện:

- Cố định nhiệt độ 550 (0C), thời gian 1.5 (h); thay đổi tỷ lệ mol hơi nước/mol C.h: 0.023; 0.032; 0.048 Xác định được tỷ lệ mol mol hơi nước/mol C.h tốt nhất

- Cố định tỷ lệ mol hơi nước/mol C.h (tốt nhất từ thí nghiệm trước), thời gian 1.5 (h); thay đổi nhiệt độ: 450, 500, 550, 600, 650 (oC) Xác định nhiệt độ tốt nhất

- Cố định tỷ lệ mol hơi nước/mol C.h, nhiệt độ (giá trị tốt nhất từ những thí nghiệm trước); thay đổi thời gian (h): 1, 1.5, 2, 2.5

 Các mục tiêu cần xác định:

- Bề mặt riêng

- Độ thiêu đốt

- Chỉ số methylene blue, iod

- Thể tích và kích thước vi mao quản ứng với mẫu ở điều kiện tốt nhất

Quy trình hoạt hóa vật lý:

Hình 3.6: sơ đồ quy trình công nghệ quá trình hoạt hoá vật lý bằng lò đứng

Nghiền, phân loại kích thước, sấy Than gỗ

Nghiền, phân loại kích thước, sấy

Hoạt hóa Than gỗ

Nghiền, phân loại kích thước, sấy

Hơi nước,

nhiệt độ, thời

gian

Hình 3.7: sơ đồ quy trình công nghệ quá trình hoạt hoá vật lý bằng lò quay

3.2.2 HOẠT HÓA HÓA HỌC:

Nghiền, phân loại kích thước, sấy Than gỗ

Nghiền, phân loại kích thước, sấy

Hoạt hóa Than gỗ

Nghiền, phân loại kích thước, sấy

Không khí

Ống xoắn làm nguội than hoạt tính Hơi nước

Nhiệt độ

Thời gian lưu

 Rây

 Tủ sấy

 Cân phân tích

 Chén đựng mẫu làm bằng sắt

 Lò nung được gia nhiệt bằng điện trở

 Thiết bị lọc hút chân không

Khối lượng than/1 lần hoạt hóa: 80 (g)

 Tiến hành thí nghiệm ở các điều kiện:

- Cố định nhiệt độ 8000C, thời gian 4h; thay đổi tỷ lệ mol KOH/C: 0.25, 0.5, 1.0, 1.5, 2 Xác định được tỷ lệ mol KOH/C tốt nhất

- Cố định tỷ lệ mol KOH/C (tốt nhất từ thí nghiệm trước), thời gian 4h; thay đổi nhiệt độ: 600, 650, 700, 750, 800, 850 (oC) Xác định nhiệt độ tốt nhất

- Cố định tỷ lệ mol KOH/C, nhiệt độ (giá trị tốt nhất từ những thí nghiệm trước); thay đổi thời gian (h): 1, 2, 3, 4

 Các mục tiêu cần xác định để đánh giá chất lượng than:

- Bề mặt riêng

- Độ thiêu đốt

 Thí nghiệm lặp ở điểm tối ưu:

Tiến hành thí nghiệm ở điều kiện nhiệt độ, thời gian, và tỷ lệ mol tác nhân hoạt hóa/C đã xác định ở những thí nghiệm trên là tốt nhất ứng với hai tác nhân hoạt hóa là KOH và NaOH

Số thí nghiệm: 8

Các mục tiêu cần xác định để đánh giá chất lượng than:

- Bề mặt riêng

- Độ thiêu đốt

- Bán kính và thể tích vi mao quản (micropore)

- Thể tích mao quản chuyển tiếp (mesopore)

- Nhóm chức trên bề mặt than

- Chỉ số methylene blue, iod

Quy trình hoạt hóa hóa học:

Rửa, lọc, sấy Than gỗ

Nghiền, phân loại kích

thước

Hoạt hóa Trộn Sấy