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

1 CHƯƠNG 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: tràm Cây tràm (melaleuca) loài thân gỗ vốn phân bố tự nhiên lồi trồng vùng đất phèn nặng, ngập nước Giá trị hệ sinh thái rừng tràm không lâm sản mà phải kể tới hệ thực vật, động vật đa dạng Bên cạnh hàng loạt chức sinh thái khác cung cấp dịch vụ cho môi trường sống bền vững thay Ở Việt Nam có hai loại tràm trồng phổ biến:  Tràm gió: nhỏ, thân bụi, cao 0.5 – (m), phân bố chủ yếu miền Bắc Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, nguyên liệu chủ yếu để cất tinh dầu  Tràm cừ: thân gỗ, cao – 20 m, phân bố chủ yếu vùng đất phèn, ngập úng Cà Mau, Long An, Đồng Tháp, Kiên Giang…, loại tràm cho gỗ  Tràm trà: 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 sông Cửu Long Long An, Cà Mau, Đồng Tháp, Kiên Giang, Tiền Giang,…với hàng ngàn hecta Tuy nhiên tràm trải qua nhiều thăng trầm diện tích, sản lượng giá bước vào chế kinh tế thị trường xu hội nhập phát triển tăng tốc đất nước Trong năm đầu tiên, tràm bán làm cọc xây dựng đem lại lợi nhuận lớn cho người dân khoảng 20 triệu VNĐ/ha tràm Nhưng sau, người dân dùng cọc bê tông xây dựng nên hàng ngàn hecta tràm khơng có nguồn ra, dẫn đến tình trạng tràm bị chặt phá nghiêm trọng Quản lý sử dụng bền vững hệ sinh thái rừng tràm đất nước thỏa mãn phần nhu cầu sử dụng lâm sản người dân, bảo vệ mơi trường mà cịn nâng cao giá trị thừa hưởng bảo tồn đa dạng sinh học cho hệ sau Hiện nay, diện tích rừng tràm đất phèn ngập bị thu hẹp nhanh chóng Long An, Cà Mau, Đồng Tháp…Chính vậy, cần phải có nghiên cứu tìm hướng cho tràm nhằm trì bảo tồn rừng tràm đất phèn ngập nước, mà giá trị to lớn khơng kinh tế mà môi trường với nhiều chức sinh thái thay c ỨNG DỤNG CÂY TRÀM [17, 19, 21]:  Cung cấp lâm sản, tinh dầu: sản phẩm thông thường tràm gỗ nhỏ, cừ cột, củi, tinh dầu tràm, dược liệu,… có giá trị kinh tế cao Gỗ tràm gồm tràm nội địa hay tràm ngoại dùng để sản xuất cừ cọc cho xây dựng Hiện nay, nhiều cơng trình nghiên cứu chứng minh gỗ tràm làm bột giấy tương đương với nguyên liệu bột giấy truyền thống Ngồi ra, tràm cịn có khả làm gỗ xẻ, ván dăm, ván sợi, chế biến than mặt hàng gia dụng khác Bên cạnh đó, sử dụng tinh dầu tràm hương liệu, mỹ phẩm hướng quan tâm  Cung cấp than đốt: nay, người dân thường đốt gỗ tràm thành than để phục vụ cho nhu cầu than nước xuất nước, nhu cầu gỗ tràm làm cọc xây dựng bị giảm nhiều Tuy nhiên, lợi nhuận thu từ nguồn than không cao tính hết chi phí lợi nhuận thu từ than đốt 1/3 so với việc bán gỗ tràm làm xây dựng  Chức phòng hộ, phòng chống bão lũ, hội tụ phù sa: năm gần đây, lũ liên tục ập xuống lưu vực sơng Mekong, có Việt Nam Các tỉnh đồng sông Cửu Long thường chịu 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 nhân dân ổn định Ngoài ra, khu rừng tràm đất phèn ngập nước ta nơi lắng tụ, giữ phù sa bồi tụ, tăng màu mỡ cho đất đai vùng Khơng có rừng tràm, khơng có trữ nước khổng lồ này, đất xói mịn, phù sa màu mỡ bị dòng lũ phăng biển, với cường độ tốc độ lớn  Rừng tràm góp phần cải thiện chất lượng nước cho cộng đồng: rừng tràm máy lọc nước tự nhiên khổng lồ, đóng vai trò quan trọng việc cải thiện chất lượng nước khơng cho nước phèn chỗ mà rửa phèn cho cánh đồng bị nhiễm phèn lân cận Nó giúp làm giảm độc hại cho nguồn nước thải từ khu nông nghiệp lân cận dồn về, tạo nguồn nước cho vùng hạ nguồn, trước đổ biển Nơi có rừng tràm chất lượng nước đất cải thiện  Rừng tràm nơi trú ngụ nhiều loài động, thực vật quý hiếm: rừng tràm đất phèn ngập nước hệ sinh thái phong phú đa dạng Đó nơi ẩn trú nhiều lồi thực vật động vật q d TÍNH CHẤT GỖ TRÀM CỪ [1]: Hình 1.2: gỗ tràm Tính chất lý:  Tỷ trọng: 0.75  Gỗ tràm chắc, nặng, có màu vàng nhạt, lõi màu xám hồng, vỏ xốp bong mãng  Do hàm lượng silic cao vào khoảng 0.2 – (%) nên gỗ tràm cứng  Hệ số co rút lớn nên dễ bị co rút, cong vênh Thành phần gỗ tràm: Bảng 1.1: thành phần gỗ tràm cừ [1] Thành phần Hàm lượng (%) Hemicellulose 14.21 Cellulose 47.92 Lignin 30.77 Resin 6.02 Tro 1.18 Ẩm 10.42 Thành phần gỗ lignin cellulose, hàm lượng cellulose cao, gỗ xốp Trong trình nhiệt phân, lignin cellulose thành phần tạo than Hàm lượng lignin cellulose gỗ tràm tương đối lớn Vấn đề nghiên cứu gỗ tràm làm than hoạt tính có nhiều triển vọng 1.1.2 THAN TRÀM [1]: a CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN TRÀM: Q trình than hóa: trình nhiệt phân nguyên liệu gỗ (thực vật) điều kiện khơng có khơng khí nhằm loại bỏ hợp chất bay thu than Các giai đoạn q trình than hóa: - Giai đoạn sấy (từ – 1500C): giai đoạn tách ẩm bề mặt vật liệu, gỗ khơ dần, ẩm ra, đặc trưng trình thu nhiệt - Quá trình nhiệt phân hemicellulose (150 – 2750C): giai đoạn tách ẩm nằm sâu lòng vật liệu, loại bỏ liên kết hoá học hemicellulose nước, đồng thời hemicellulose bị phân hủy theo q trình thu nhiệt giải phóng CO, CO2, methane, acid acetic, methanol… - Quá trình nhiệt phân cellulose lignin (275 – 4000C): cellulose, lignin bị phân hủy theo trình tỏa nhiệt - Giai đoạn luyện than (400 – 6000C): giai đoạn xếp nguyên tử cacbon tạo than tinh thể Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình than hóa: - Độ ẩm nguyên liệu - Kích thước nguyên liệu - Nhiệt độ q trình than hóa - Thời gian q trình than hóa b TÍNH CHẤT THAN TRÀM: Bảng 1.2: thành phần nguyên tố hóa học than tràm cừ [1] Tên nguyên tố Cacbon Hydro Oxy Nitơ Lưu huỳnh (%) (%) (%) (%) (%) 73,7 3,1 13,6 0,3 0,2 Cấu trúc mạng cacbon, nhóm chức bề mặt than hoạt tính phân bố kích thước lỗ xốp than hoạt tính phụ thuộc mạnh vào nguồn ngun liệu ban đầu Chính vậy, hy vọng sử dụng gỗ tràm sản xuất than hoạt tính thu than hoạt tính có tính chất tốt có khả ứng dựng xử lý chất thải cơng nghiệp 1.2 THAN HOẠT TÍNH [5, 8, 9, 14, 21]: 1.2.1 TỔNG QUAN VỀ THAN HOẠT TÍNH: Hình 1.3: than hoạt tính kích cỡ – mm 0.2 – 0.5 mm Than hoạt tính chất gồm chủ yếu nguyên tố cacbon vơ định hình, phần có dạng tinh thể vụn Phần lại tro kim loại kiềm vụn cát Vật liệu than chia thành hai loại: than graphit than không graphit Than không graphit tạo thành từ nguồn nguyên liệu chứa nhiều oxy Ngay từ đầu q trình than hóa, liên kết ngang mạng tinh thể phát triển mạnh tạo thành cấu trúc xốp Than graphit hình thành từ nguồn nguyên liệu có chứa nhiều hydro, tình than hóa liên kết ngang mạng tinh thể yếu cấu trúc xốp khơng phát triển Trong q trình hoạt hóa, dùng oxy khơng khí tác nhân hoạt hóa than mục đích tạo than hoạt tính có cấu trúc xốp tốt, nhiên cần điều chỉnh lượng oxy khơng khí cho phù hợp để tránh tượng than bị cháy Than hoạt tính cacbon cấu trúc xốp đặc biệt, có bề mặt riêng lớn khoảng từ 500 đến 3500 m2/g, có nhiều lỗ lớn nhỏ Dưới kính hiển vi hạt than giống tổ kiến Than hoạt tính chất hấp phụ mạnh ứng dụng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp khác Tính chất hấp phụ dựa bề mặt riêng lớn, cấu trúc xốp, hoạt tính bề mặt cao 1.2.2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA THAN HOẠT TÍNH: a BỀ MẶT RIÊNG, KHẢ NĂNG HẤP PHỤ [14]: Diện tích bề mặt riêng tổng diện tích bên với kích thước mao quản khác bên ngồi tính đơn vị khối lượng Bề mặt riêng than hoạt tính hệ cấu trúc xơ rỗng mà chủ yếu thừa hưởng từ nguyên liệu, qua trình hoạt hóa nhiệt độ cao điều kiện thiếu khí Phần lớn vết rỗng có tính hấp phụ mạnh, đóng vai trị rãnh chuyển tải Thường bề mặt riêng than hoạt tính lớn khoảng 500 – 3500 m 2/g Chính than hoạt tính chất hấp phụ tốt, thấm hút thành phần đặc biệt kim loại nặng Khả hấp phụ than hoạt tính nồng độ cực đại chất bị hấp phụ đạt đơn vị khối lượng hay thể tích chất hấp phụ - than hoạt tính Bề mặt riêng phụ thuộc chủ yếu kích thước hạt nguyên tố cấu thành cấu trúc có trật tự chúng Vì vậy, bề mặt riêng cao chứa nhiều lỗ xốp độ phân tán cao, từ thể khả hấp phụ chất lên than hoạt tính Tuy nhiên, kích thước phân tử chất bị hấp phụ yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ chất lên than hoạt tính Bề mặt riêng yếu tố đánh giá khả hấp phụ than hoạt tính Bề mặt riêng lớn tạo nhiều vị trí hấp phụ bề mặt than Bên cạnh đó, thể tích kích thước vi mao quản yếu tố ảnh hưởng Bề mặt riêng than hoạt tính khả hấp phụ định vi mao quản, vị trí mao quản lớn mao quản chuyển tiếp quan trọng b CẤU TRÚC THAN HOẠT TÍNH [9]: Cấu trúc xốp: Đặc tính cấu trúc xốp than hoạt tính phụ thuộc vào nguyên liệu phương pháp hoạt hóa Người ta chia lỗ xốp thành loại:  Lỗ xốp bé (micropore): d < 20 (Ao), thể tích lỗ 0.15 - 0.7 (cm3/g) Diện tích bề mặt micropore tạo thành chiếm 95 % tổng diện tích bề mặt Sự hấp phụ micropore theo chế lấp đầy khơng có ngưng tụ mao quản Than hoạt tính có nhiều lỗ xốp micropore thích hợp cho hấp phụ khí  Lỗ xốp chuyển tiếp (mesopore): 20 (Ao) < d < 500 (Ao), thể tích lỗ 0.1 - 0.2 (cm3/g), chiếm % bề mặt carbon Lỗ xốp hấp phụ theo chế đơn đa lớp, có tượng ngưng tụ mao quản Lỗ xốp chuyển tiếp đường dẫn chất bị hấp phụ vào micropore  Lỗ xốp lớn (macropore): d > 500 (Ao) Hấp phụ khí lúc đầu xảy theo chế đơn đa lớp, không xảy tượng ngưng tụ mao quản Nó đường dẫn phân tử chất bị hấp phụ vào lỗ xốp chuyển tiếp lỗ xốp bé Cấu trúc xốp xắp xếp theo mơ hình: macropore mở trực tiếp bề mặt hạt than, tiếp nhánh mesopore nối từ macropore đến micropore Vì vậy, macropore đường dẫn đưa phân tử chất bị hấp phụ vào lỗ xốp nhỏ vị trí sâu bên than hoạt tính Như vậy, micropore lắp đầy áp suất tương đối P/Po thấp, xảy trước ngưng tụ mao quản Mặt khác, mesopore áp suất tương đối P/P0 cao xảy lắp đầy ngưng tụ mao quản Macropore vận chuyển nhanh chất có khả bị hấp phụ vào bên lỗ xốp nhỏ than Theo Dubinin Zaverina [9], than hoạt tính lỗ xốp nhỏ (micropore) hình thành độ đốt cháy nhỏ 50%, than hoạt tính lỗ xốp lớn (macropore) giới hạn độ đốt cháy lại phải lớn 75% Khi độ đốt cháy nằm khoảng 50 75% sản phẩm hỗn hợp micropore macropore Kích thước phân bố kích thước mao quản yếu tố quan trọng để lựa chọn loại than cho phù hợp với mục đích sử dụng Cấu trúc tinh thể: Cấu trúc graphite: Các nguyên tử carbon xắp xếp đỉnh lục giác đều, tạo thành lớp mạng phẳng song song với Khoảng cách nguyên tử (cạnh lục giác) 1.42 (Ao) Khoảng cách lớp mạng 3.35 (Ao) Hình 1.4: cấu trúc graphite Cấu trúc than hoạt tính: Cấu trúc than hoạt tính khơng hồn hảo graphite Nó biến dạng tinh thể carbon Trong cấu trúc có thiếu xót nguyên tử carbon, đồng thời có xen vào nhóm chức Dựa kết phân tích X-ray, Rile [9] đưa loại cấu trúc than hoạt tính:  Loại cấu trúc graphite: chúng có kích thước tương tự graphite, lớp mạng song song không định hướng cách hoàn toàn Cấu trúc graphite cấu trúc than hoạt tính graphite Hình 1.5: cấu trúc graphite cấu trúc than hoạt tính graphite  Loại cấu trúc non-grapite: mạng lưới không gian carbon hexangon xắp xếp hỗn độn Cấu trúc ổn định nhờ vào nguyên tử khác loại c NHÓM CHỨC BỀ MẶT [9, 10]: Hình 1.6: nhóm chức hố học bề mặt than hoạt tính 10 Thành phần than hoạt tính ngồi C, cịn có O H Q trình than hóa hoạt hóa tạo nên phức chất chứa nhóm oxy bề mặt Những nhóm chức bề mặt than hoạt tính hình thành là: nhóm carboxyl, carbonyl, nhóm rượu, nhóm lactone, nhóm phenlic hydroxyl,…tùy thuộc vào nguồn ngun liệu tác nhân hoạt hóa Sự hình thành nhóm chức chứa oxy bề mặt than hình thành theo hai hướng: - Một ln hình thành bề mặt than trống, tất hợp chất bề mặt hình thành mơi trường khí liên kết với oxy sau làm lạnh nhiệt độ thấp - Hai hình thành than xử lý với oxy nhiệt độ gần điểm bốc cháy Các oxyt bề mặt có ảnh hưởng mạnh đến tính chất phân cực bề mặt than, tạo nên tính ưa nước cho bề mặt vốn mang chất kỵ nước chất có độ phân cực lớn khác khơng khí Khả hấp phụ từ pha lỏng than hoạt tính chất có tính phân cực khác phụ thuộc nhóm chức bề mặt Hình 1.7: hình biểu diễn liên kết nhóm chức hố học than nước Sự tồn nhóm chức bề mặt ảnh hưởng lớn đến hoạt tính than hoạt tính Vì vậy, khẳng định khả ứng dụng than hoạt tính nhiều hay cần xác định nhóm chức bề mặt than hoạt tính d TÍNH PHÂN CỰC CỦA THAN HOẠT TÍNH [9]: 66  Dao động thể tích vi mao quản mao quản chuyển tiếp lớn 0.27 0.29 cm3/g  Dao động bán kính vi mao quản lớn 0.5Ao Kết khơng đồng có chênh lệch lớn hoạt hóa hóa học cần sai số lượng tác nhân đưa vào ảnh hưởng đến phá vỡ kẻ nứt than gỗ, làm than thu có hoạt tính Sự hình thành nhóm chức acid rượu bề mặt than định hoạt tính than Kết khảo sát mẫu than nhận thấy số lượng nhóm chức acid, rượu than tương đối đồng So với số liệu nghiên cứu giới [16] nhóm rượu 0.14 nhóm/nm2, nhóm acid 0.09 nhóm/nm ứng với bề mặt riêng 1020 m 2/g giá trị tương đối cao Những nhóm chức bề mặt than khẳng định hoạt tính than cụ thể qua số hấp phụ methylene blue iod 4.3.2 Hoạt hóa tác nhân NaOH: Lấy kết điều kiện tốt yếu tố ảnh hưởng đến q trình hoạt hóa KOH, khảo sát ổn định tính chất than hoạt tính ứng với tác nhân hoạt hóa NaOH Tiến hành: tương tự khảo sát với tác nhân KOH Kết quả: Bảng 4.20: kết khảo sát ổn định tính chất than hoạt tính Độ Bề thiêu mặt đốt riêng (%) (m 2/g) 44.85 2434 1.22 0.32 8.2 0.20 0.16 600 1803 10 54.56 2014 1.08 0.28 8.2 0.18 0.12 480 1524 11 58.24 2013 1.00 0.27 8.4 12 56.03 2358 1.19 0.26 8.1 13 52.65 1905 1.02 0.24 14 46.18 2139 1.05 0.16 Ký hiệu mẫu Số nhóm chức hóa Vmicro Vmeso Chỉ số hấp phụ RDA học (nhóm/nm2) (cm3/g) (cm3/g) (Ao) rượu Acid (mg/g) Methylene Iod blue 67 15 47.94 1880 0.95 0.23 8.2 16 53.97 2186 1.11 0.22 8.5 TB 51.80 2116 1.08 0.25 8.2 0.16 0.10 440 1537 0.18 0.13 507 1621 Trong đó: Vmicro, Vmeso: thể tích lỗ xốp vi mao quản mao quản chuyển tiếp RDA: bán kính lỗ xốp vi mao quản theo phương pháp DA TB: kết trung bình Nhận xét: Kiểm tra ổn định kết thí nghiệm ứng với điều kiện hoạt hóa tốt nhất, thí nghiệm cho thấy:  Dao động bề mặt riêng lớn 554 m 2/g  Dao động thể tích vi mao quản mao quản chuyển tiếp lớn 0.27 0.16 cm3/g  Dao động bán kính vi mao quản lớn 0.5Ao Cũng tương tự tác nhân KOH, với tác nhân NaOH, kết không đồng thao tác thí nghiệm làm giảm lượng NaOH hoạt hóa oxy khơng khí vào tạo oxit kim loại làm giảm hiệu hoạt hóa Ưu điểm tác nhân NaOH phá vỡ cấu trúc mạnh, khả hình thành vi mao quản KOH Chính vậy, nhóm chức acid bề mặt than tương đương với tác nhân hạt hóa KOH số hấp phụ methylene blue iod than hoạt hóa NaOH than hoạt hóa KOH nhiều 4.4 SO SÁNH CÁC TÍNH CHẤT CỦA THAN HOẠT TÍNH: Đường đẳng nhiệt hấp phụ: 68 1400 1200 A - KOH 1000 VNitơ (cm3/g) D - KOH A - LQ 800 D - LQ A - LD 600 D - LD A - NaOH 400 D - NaOH 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 P/Po Hình 4.10: đường đẳng nhiệt hấp phụ giải hấp phụ nitơ mẫu than vật lý hóa học đo máy Novawin 2200 Trong đó: A: đường hấp phụ đẳng nhiệt D: đường giải hấp phụ đẳng nhiệt LQ: than hoạt hóa lị quay LD: than hoạt hóa lị đứng Q trình hấp phụ đẳng nhiệt mẫu than hoạt hóa nhiều phương pháp khác giống có tượng “trễ” q trình giải hấp khí nitơ Những mẫu than hoạt hóa phương pháp vật lý có khả hấp phụ khí nitơ thấp so với than hoạt hóa hóa học Độ dốc đường hấp phụ đẳng nhiệt khoảng 0.005 < P/Po< 0.1 mẫu than hoạt tính hoạt hóa KOH cao so với mẩu lại Điều chứng tỉ tác nhân KOH phát triển vi mao quản tốt 69 0.22 0.2 0.18 Thể tích lỗ xốp (cm 3/Ao /g) 0.16 0.14 Hóa học 0.12 Hóa học Vật lý 0.1 Vật lý 0.08 0.06 0.04 0.02 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Bán kính lỗ xốp (Ao ) Hình 4.11: phân bố kích thước mao quản mẫu than hoạt hóa phương pháp vật lý hóa học theo lý thuyết DA đo máy Novawin2200 Nhận thấy than hoạt tính từ nguyên liệu than tràm cừ có lỗ xốp tập trung vi mao quản Đường kính vi mao quản tập trung nhiều với phương pháp hoạt hóa hóa học khoảng 16 – 17 Ao, hoạt hóa phương pháp vật lý có đường kính mao quản nhỏ khoảng 14 – 15 Ao Đường kính mao quản yếu tố quan trọng để lựa chọn loại than hoạt tính để xử lý chất thải, hấp phụ mùi, màu,… Đôi bề mặt riêng than hoạt tính cao kích thước phân tử chất bị hấp phụ khơng phù hợp kích thước mao quản than hiệu suất hấp phụ khơng cao Vì vậy, biết phân bố kích thước mao quản sử dụng than hoạt tính hợp lý việc ứng dụng xử lý chất thải Các tính chất than hoạt tính: Bảng 4.21: bảng so sánh tính chất than hoạt tính 70 Bề mặt Loại than Độ thiêu riêng đốt (%) (m2/g) Vmicro Vmeso Chỉ số hấp phụ RDA (cm3/g) (cm3/g) (Ao) (mg/g) Methylene Iod Blue Vật 58.04 989 0.50 0.23 7.2 306 1303 lý 71.1 1184 0.63 0.26 7.9 320 1245 Hóa 50.38 2800 1.4 0.38 8.5 560 1697 học 51.8 2116 1.08 0.25 8.2 507 1621 Trong đó: Vmicro, Vmeso: thể tích lỗ xốp vi mao quản mao quản chuyển tiếp RDA: bán kính lỗ xốp vi mao quản theo phương pháp DA Mẫu vật lý 1: mẫu ứng với kết trung bình thí nghiệm lặp điểm tốt q trình hoạt hóa vật lý lò đứng Mẫu vật lý 2: mẫu ứng với kết mẫu thí nghiệm ứng với điều kiện lựa chọn tốt trình hoạt hóa vật lý liên tục lị quay Mẫu hóa học 1, 2: mẫu ứng với kết trung bình thí nghiệm lặp điểm tốt q trình hoạt hóa hóa học KOH NaOH 1.6 1.4 1.2 V (cm 3/g) Vmicro 0.8 Vmeso 0.6 0.4 0.2 0 20 40 60 80 Độ thiê u đốt (%) Hình 4.12: đồ thị biểu diễn mối quan hệ độ thiêu đốt thể tích micro meso 71 Theo lý thuyết độ thiếu đốt ảnh hưởng lớn đến hình micropore mesopre Thể tích vi mao quản chiếm phần lớn độ thiêu đốt thấp Đại lượng bị ảnh hưởng độ thiêu đốt nhiều độ bền học Khi độ thiêu đốt thay đổi, cấu trúc xốp cacbon thay đổi Nhìn chung, độ thiêu đốt tăng, kích thước lỗ xốp mở rộng, bề mặt riêng độ bền học giảm Trên thử so sánh mối quan hệ lý thuyết với than hoạt tính hoạt hóa từ phương pháp khác nhau, cho kết độ thiêu đốt cao thể tích vi mao quản giảm Do cấu trúc than hoạt tính chủ yếu vi mao quản nên thay đổi thể tích mesopore khơng nhận thấy thay đổi rõ rệt 3000 2500 2000 Vật lý Vật lý 1500 Hoá học Hoá học 1000 500 Bề mặt riêng (m2/g) Methylene Blue (mg/g) Iod (mg/g) Hình 4.13: đồ thị biểu diễn tính chất than hoạt tính khác Than hoạt tính có bề mặt riêng cao đồng thời cho số hấp phụ methylene blue iod cao Chính vậy, dựa vào kết bề mặt riêng để đánh giá khả hấp phụ than hoạt tính, hiệu suất hấp phụ phải phụ thuộc vào phân bố kích thước mao quản chất bị hấp phụ trình bày phần Than hoạt hóa vật lý vừa đơn giản, tốn thu bề mặt riêng dao động khoảng 1000 – 1200 m2/g, có số hấp phụ methylene blue iod khả quan, thấp than hoạt hóa hóa học ứng dụng xử 72 lý chất thải Trong bề mặt riêng than hoạt hóa phương pháp hóa học cao từ 2000 – 3000 m2/g tốn kém, độc hại cho số hấp phụ methylene blue iod cao Tùy theo mục đích sử dụng lựa chọn loại than hoạt tính thích hợp Thị trường than hoạt tính nước có số hấp phụ methylene blue 260 – 340 mg/g số iod 650 – 850 mg/g [20], than hoạt tính giới có số hấp phụ methylene blue 180 – 230 mg/g.phút số iod 1000 mg/g.phút [16] Từ nhận thấy tính chất than hoạt tính sản xuất từ than tràm cừ tốt, khả quan Có thể sử dụng để xử lý chất thải như: nước thải dệt nhuộm, loại khí, tinh chế biogas, … 1.6 1.4 1.2 Vật lý Vật lý 0.8 Hoá học Hoá học 0.6 0.4 0.2 Vmicro (cm3/g) Vmeso (cm3/g) Hình 4.14: đồ thị biểu diễn thể tích micropore mesopore than hoạt tính khác Đồ thị chứng tỏ cấu trúc lỗ xốp than hoạt tính chủ yếu vi mao quản, chiếm khoảng 70 % tổng thể tích mao quản Sự phân bố thể tích micropore mesopore hợp lý Trong trình hấp phụ, mesopore ln đóng vai trị mao quản chuyển tiếp đưa chất bị hấp phụ vào micropore Nếu mesopore khả hấp phụ than hoạt tính giảm đáng kể 73 Thể tích vi mao quản q trình hoạt hóa KOH nhiều nhất, NaOH tác nhân phá hủy cấu trúc mạnh vi mao quản khơng hình thành nhiều tác nhân KOH Những kết nghiên cứu giới cho kết tương tự [9] Đối với trình hoạt hóa vật lý lị quay, đảo trộn mạnh q trình hoạt hóa làm cho nước tiếp xúc nhiều, xâm nhập vào sâu bên than làm tăng trình hình thành vi mao quản nên kết mẫu vật lý tích vi mao quản tốt mẫu vật lý Bên cạnh đó, q trình hoạt hóa lị quay có tham gia hoạt hóa oxy khơng khí nên sản phẩm có khuynh hướng tạo cấu trúc non – graphite hoạt tính tốt Từ kết thể tích micropore mesopore chứng tỏ than hoạt tính ứng dụng để xử lý chất thải cơng nghiệp Kết đo SEM than hoạt tính ứng với hoạt hóa vật lý hố học: Hình 4.15: kết mẫu đo SEM ứng với than hoạt tính hoạt hóa hố học 74 Hình 4.16: kết mẫu đo SEM ứng với than hoạt tính hoạt hóa vật lý 4.5 ỨNG DỤNG THAN HOẠT TÍNH HẤP PHỤ KHÍ H 2S: Tiến hành: - Cân lượng muối Na2S.9H2O cho vào bình chứa sẵn dung dịch H2SO4 cho đạt nồng độ khí H2S hấp phụ: 850, 1700, 2550, 3400, 4250 (ppm) - Chọn loại than hoạt tính hoạt hóa vật lý hóa học có bề mặt riêng tương ứng 1403 2930 m 2/g - Dùng phương pháp khối lượng xác định lượng chất khí hấp phụ - Mẫu trắng: tương tự không cho muối vào Kết quả: Than vật lý bề mặt riêng 1404 m2/g Bảng 4.22: kết hấp phụ khí H2S than vật lý lò quay Nồng độ H2 S (ppm) 850 1700 2550 3400 m th (g) mcột hấp phụ (g) 1.478 1.063 1.145 1.012 81.016 79.549 80.245 81.05 mcb (g) qe (mg/g) 81.295 79.847 80.596 81.383 188.7686 280.3387 306.5502 329.0514 Mẫu trắng (mg/g) 57.798 qe (mg/g) 130.971 222.541 248.752 271.253 75 4250 0.975 80.078 80.43 361.0256 303.228 Trong đó: - m th: khối lượng than hoạt tính hấp phụ (g) - m cột hấp phụ: khối lượng toàn cột than hoạt tính hấp phụ (g) - m cb: khối lượng cân (g) - qe: khả hấp phụ khí H2S cực đại (mg/g) 350 300 q e (m g /g ) 250 200 150 100 50 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 C (ppm ) Hình 4.17: kết hấp phụ khí H2S than hoạt hóa vật lý lị quay Than hóa học 2930 m2/g Bảng 4.23: kết hấp phụ khí H2S than hoạt hóa hóa học KOH Nồng độ H2 S m th (g) 850 1700 2550 3400 4250 1.106 1.025 1.065 1.075 1.111 mcột hấp phụ (g) 80.106 79.875 80.123 80.098 79.995 mcb (g) qe (mg/g) 80.475 80.322 80.623 80.621 80.556 333.6347 436.0976 469.4836 486.5116 504.9505 Mẫu trắng (mg/g) qe (mg/g) 90.663 242.972 345.435 378.821 395.849 414.287 Trong đó: - m th: khối lượng than hoạt tính hấp phụ (g) - m cột hấp phụ: khối lượng toàn cột than hoạt tính hấp phụ (g) - m cb: khối lượng cân (g) 76 - qe: độ hấp phụ khí H2S (mg/g) 450 400 350 qe (mg/g) 300 250 200 150 100 50 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 C (ppm) Hình 4.18: kết hấp phụ khí H2S than hoạt hóa hóa học KOH Nhận xét: Bề mặt riêng cao khả hấp phụ khí H2S tốt, điều lý giải phân bố mao quản chuyển tiếp vi mao quản hợp lý Khí H2S bị mao quản chuyển tiếp giữ chuyển vào vi mao quản Thể tích vi mao quản nhiều, giữ phần lớn lượng khí H2S qua bề mặt than hoạt tính Theo lý thuyết khả hấp phụ khí H2S than hoạt tính cao, kết thí nghiệm cho thấy khả hấp phụ khí H2S cao Chúng tơi khảo sát ứng với vài nồng độ khí H2S để xem khả ứng dụng xử lý chất thải than hoạt tính tù nguồn nguyên liệu than tràm cừ Những kết khảo sát tương đối khả hấp phụ than hoạt tính cịn phụ thuộc vào yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng 77 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN: 5.1.1 HOẠT HÓA VẬT LÝ: a HOẠT HĨA BẰNG LỊ ĐỨNG:  Nhiệt độ hoạt hóa: 875 (0C)  Thời gian hoạt hóa: (h)  Tỷ lệ mol nước/mol C.h: 0.8 Ứng với kết khảo sát ảnh hưởng yếu tố đến q trình hoạt hóa, kết thực nghiệm thu kết than hoạt tính từ thiết bị hoạt hóa lị đứng có hoạt tính:  Bề mặt riêng: 989 m 2/g  Thể tích vi mao quản: 0.50 (cm 3/g)  Thể tích mao quản chuyển tiếp: 0.23 (cm3/g)  Bán kính vi mao quản: 7.2 (Ao)  Nhóm chức rượu, acid: 0.18; 0.16 (nhóm/nm2)  Chỉ số hấp phụ methylene blue: 306 (mg/g)  Chỉ số hấp phụ Iod: 1303 (mg/g) b HOẠT HÓA BẰNG LỊ QUAY:  Nhiệt độ hoạt hóa: 550 (oC)  Thời gian hoạt hóa: (h)  Tỷ lệ mol nước/mol C.h: 0.032  Bề mặt riêng: 1184 (m2/g) Ứng với kết khảo sát ảnh hưởng yếu tố đến q trình hoạt hóa, kết thực nghiệm thu kết than hoạt tính từ thiết bị hoạt hóa lị đứng có hoạt tính:  Thể tích vi mao quản: 0.63 (cm 3/g)  Thể tích mao quản chuyển tiếp: 0.26 (cm3/g)  Bán kính vi mao quản: 7.9 (Ao) 78  Chỉ số hấp phụ methylene blue: 320 (mg/g)  Chỉ số hấp phụ Iod: 1245 (mg/g) 5.1.2 HOẠT HÓA HÓA HỌC: Kết khảo sát ảnh hưởng yếu tố đến q trình hoạt hóa:  Nhiệt độ hoạt hóa: 750 (oC)  Thời gian hoạt hóa: (h)  Tỷ lệ mol KOH/mol C: 1:1 Từ kết khảo sát trên, hoạt tính than hoạt tính ứng với hai loại tác nhân KOH NaOH sau: a HOẠT HÓA BẰNG KOH:  Bề mặt riêng: 2800 (m2/g)  Thể tích vi mao quản: 1.4 (cm3/g)  Thể tích mao quản chuyển tiếp: 0.38 (cm3/g)  Bán kính vi mao quản: 8.5 (Ao)  Nhóm chức rượu, acid: 0.17; 0.13 (nhóm/nm2)  Chỉ số hấp phụ methylene blue: 560 (mg/g)  Chỉ số hấp phụ Iod: 1697 (mg/g) b HOẠT HÓA BẰNG NaOH:  Bề mặt riêng: 2116 (m2/g)  Thể tích vi mao quản: 1.08 (cm 3/g)  Thể tích mao quản chuyển tiếp: 0.25 (cm3/g)  Bán kính vi mao quản: 8.2 (Ao)  Nhóm chức rượu, acid: 0.18; 0.13 (nhóm/nm2)  Chỉ số hấp phụ methylene blue: 507 (mg/g)  Chỉ số hấp phụ Iod: 1621 (mg/g) Qua kết khảo sát thực nghiệm, than hoạt tính từ nguồn nguyên liệu gỗ tràm có kết tốt so với than hoạt tính thị trường Sự phân bố thể tích vi mao quản mao quản chuyển tiếp hợp lý, mao quản chuyển tiếp đóng vai trị vận chuyển chiếm 25 – 30 % vừa đủ so với thể tích vi mao quản đóng vai trị 79 hấp phụ chất Đặc biệt, số hấp phụ methylene blue iod đạt giá trị than thương mại 5.1.3 KHẢ NĂNG HẤP PHỤ KHÍ H 2S:  Than hoạt tính có bề mặt riêng 1404 m 2/g: ứng với nồng độ khí H2S 850, 1700, 2550, 3400, 4250 (ppm), khả hấp phụ than hoạt tính 131, 222, 249, 271, 303 (mg/g)  Than hoạt tính có bề mặt riêng 2930 m 2/g: ứng với nồng độ khí H2S 850, 1700, 2550, 3400, 4250 (ppm), khả hấp phụ than hoạt tính 243, 345, 378, 395, 414 (mg/g) Qua thực nghiệm sơ bộ, than hoạt tính có tính chất tốt có khả hấp phụ khí H2S tốt Tuy nhiên thời gian khơng cho phép nên chúng tơi chưa khảo sát cách hồn chỉnh q trình Chỉ kết luận than hoạt tính từ than tràm có hoạt tính hấp phụ khí H2S 5.2 NHẬN XÉT CHUNG: Mặc dù tràm cừ có vai trị sinh thái quan trọng với đồng sông Cửu Long, diện tích tràm dồi dào, chiếm tất diện tích khu vực Vì vậy, việc khai thác tràm cừ đôi với kế hoạch trồng hợp lý vừa để đảm bảo cân sinh thái vừa giải thu nhập cho người dân Hiện nay, nhu cầu sử dụng than hoạt tính lớn tình hình cơng nghiệp phát triển Trong nhu cầu nước khơng đáp ứng được, vậy, lượng lớn than hoạt tính phải nhập với giá cao Cho nên, thị trường than hoạt tính tiềm năm tới Những kết khảo sát, đo nhận thấy than hoạt tính từ gỗ tràm cừ có bề mặt riêng cao, tính chất khả quan Đặc biệt hai số than hoạt tính quan trọng iod methylene blue đáp ứng nhu cầu than hoạt tính thị trường 80 5.3 KIẾN NGHỊ:  Khảo sát hoàn chỉnh yếu tố ảnh hưởng đến q trình hoạt hóa lị quay nhằm đạt than hoạt tính có chất lượng hiệu suất q trình cao, tốn lượng  Nghiên cứu tạo nén viên cho than hoạt tính  Nghiên cứu khả ứng dụng than hoạt tính để xử lý chất thải như: nước thải dệt nhuộm, kim loại, màu, mùi,…  Nghiên cứu thu hồi khí từ q trình hoạt hóa để làm nhiên liệu ... cầu than hoạt tính xuất Chính vậy, than hoạt tính có giá trị kinh tế 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... đến hoạt tính than hoạt tính Vì vậy, khẳng định khả ứng dụng than hoạt tính nhiều hay cần xác định nhóm chức bề mặt than hoạt tính d TÍNH PHÂN CỰC CỦA THAN HOẠT TÍNH [9]: 11 Tính chất phân cực than. .. hoạt tính phụ thuộc mạnh vào nguồn ngun liệu ban đầu Chính vậy, hy vọng sử dụng gỗ tràm sản xuất than hoạt tính thu than hoạt tính có tính chất tốt có khả ứng dựng xử lý chất thải cơng nghiệp