Nghiên cứu công nghệ sản xuất than hoạt tính từ cây tràm cừ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đặng Thị Yến Nhi Giới tính : Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 02/06/1982 Nơi sinh : Đồng Nai Chuyên ngành : Công nghệ Hóa học Khố (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH TỪ CÂY TRÀM CỪ 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu q trình than hóa Nghiên cứu q trình hoạt hóa hóa học, tác nhân hoạt hóa NaOH Nghiên cứu q trình hoạt hóa nước, khảo sát ảnh hưởng yếu tố khảo sát đến bề mặt riêng sản phẩm Xác định đặc trưng hóa ly cua sản phẩm 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 30/06/2006 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2007 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN ĐÌNH TUẤN Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TS PHAN ĐÌNH TUẤN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Phan Đình Tuấn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt thời gian thực luận văn Tôi xin cảm ơn thầy cô hội đồng bảo vệ luận văn đọc góp ý quý báu cho luận văn Tôi xin cảm ơn tổ chức hợp tác quốc tế JICA hỗ trợ thiết bị, tài suốt trình thực đề tài Xin chân thành cảm ơn Thạc só Nguyễn Phạm Bảo Quỳnh, Thạc só Park Yong Lee, Đại học Chonnam, Hàn Quốc cô chú, anh chị Viện Công nghệ Xạ Hiếm, Hà Nội giúp đỡ trình phân tích mẫu Xin cảm ơn anh chị, bạn trung tâm công nghệ Lọc Hoá Dầu – trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh giúp đỡ thực đề tài Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình người thân yêu chia sẽ, động viên, giúp đỡ hoàn thành luận văn Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2007 Đặng Thị Yến Nhi i TÓM TẮT Than hoạt tính chất hấp phụ rắn ứng dụng rộng rãi công nghiệp tính chọn lọc cao, dung lượng hấp phụ lớn, tốc độ hấp phụ nhanh… Với luận văn này, nghiên cứu đưa chế độ công nghệ hợp lý trình sản xuất than hoạt tính làm chất hấp phụ, đồng thời sử dụng hiệu nguồn nguyên liệu gỗ tràm dư thừa đất phèn Việt Nam Kết đạt luận văn là: Kết nghiên cứu cho thấy, gỗ tràm cacbon hoá điều kiện 4100C, thời gian 107 phút, hiệu suất trình 29,7%, bề mặt riêng sản phẩm than hóa nhận m2/g Than gỗ tràm hoạt hóa NaOH 7000C, thời gian giờ, tỷ lệ mol NaOH:C 1.5:1 cho sản phẩm than hoạt tính có bề mặt riêng 2909m2/g Quá trình hoạt hóa than gỗ tràm nước thực 9000C, thời gian hoạt hóa h, tốc độ dòng nước 1,125g nước/g C/h cho sản phẩm than hoạt tính có bề mặt riêng lớn 1387 m2 /g độ thiêu đốt 71% Nguyên liệu sản phẩm than hoạt tính xác định bề mặt riêng theo phương pháp BET, hấp phụ N2 -1960C trung tâm phân tích mẫu trường Đại học Kyonghee, Đại học Chonnam- Hàn Quốc Viện Công nghệ Xạ Hiếm - Hà Nội Đường đẳng nhiệt hấp phụ/ giải hấp phụ nitơ cho thấy than hoạt tính sản xuất từ gỗ tràm có mao quản bé phát triển, chất hấp phụ tốt ứng dụng pha khí i ABSTRACT Activated carbon is one of the most technically important and most widely used adsorbent due to its high selectivity, large adsorptive capacity, fast adsorptive rate…The main aim of this study has been to investigate the production and characterization of activated carbon produced from Melaleuca wood on the sulfate acid soil at the Mekong Delta in Vietnam Also, this respect may be regarded as a preliminary step for the probable benification of spending Melaleuca wood in the manufacture of activated carbons The achieved results of the thesis are: Melaleuca wood was carbonized at 4100C in 107 minutes to obtained charcoal with the yield of 29.7% and specific surface area of m2/g The wood charcoal was activated by NaOH activating agent at 7000C for hours with NaOH/C molar ratio of 1,5:1 had the highest BET area, 2909 m2/g The steam activation was also performed, showing the highest BET area was 1387 m2/g at 9000C in 3.5 hours with the steam flow rate of 1.125 g steam/g charcoal.hr and the burn-off of the process was 70% Products of activation were characterized by using BET and SEM and XRD techniques N2 adsorption isotherms further indicated that the pores were almost micropous It is a good adsorbent to use in gas -application iii MỞ ĐẦU Các ngành công nghiệp hóa học, thực phẩm, dược phẩm sử dụng chất hấp phụ rắn để tẩy màu, khử mùi, tách khí, thu hồi dung môi hữu quý, làm khô, làm xúc tác, chất mang xúc tác… Trong chất hấp phụ rắn, cac bon hoạt tính chiếm vị trí quan trọng nhất, phạm vi ứng dụng rộng rãi ưu điểm vượt trội nó: tính chọn lọc cao, dung lượng hấp phụ lớn, tốc độ hấp phụ nhanh, … Trong quân sự, nguyên liệu quan trọng để chế tạo mặt nạ phòng độc nước ta nay, cac bon hoạt tính chưa nghiên cứu sản xuất nhiều, nhu cầu sử dụng ngày tăng Hàng năm phải nhập ngoại lượng lớn loại than để phục vụ sản xuất Trong nước ta lại có nhiều nguyên liệu tốt sử dụng để sản xuất cac bon hoạt tính: phế liệu dạng gỗ từ nhà máy lâm sản, phế phẩm từ nông nghiệp: vỏ quả, rơm, bã mía… Đồng sông Cửu Long vùng có diện tích đất ngập phèn lớn nước (khoảng 1,6 triệu hecta) Tràm trồng truyền thống lâu vùng này, có khả chịu phèn cao áp lực nước mạnh, kháng sâu bệnh, côn trùng, chịu độc tính nhôm… Vì vậy, gỗ tràm tài nguyên sinh học trội rừng thứ cấp vùng đầm lầy than bùn Gỗ tràm cứng, chắc, chịu lực tốt sử dụng làm cừ, vật liệu xây dụng, đốt than, đóng bàn ghế, làm hàng rào, bột giấy… Tuy nhiên, năm gần đây, tình hình thị trường tiêu thụ diễn biến phức tạp, kỹ thuật xây dựng thay đổi Trong công trình lớn thay dùng gỗ tràm, người ta chuyển sang dùng cừ bê tông chất đốt thay đổi chuyển từ củi sang ga hay điện làm cho tràm ưu vốn có khiến đời sống người dân trồng tràm iii gặp nhiều khó khăn Chỉ tính riêng năm 2005, có 10.000 gỗ tràm giai đoạn khai thác không tìm đầu Với nguồn nguyên liệu dồi dào, việc nghiên cứu sản xuất ứng dụng than hoạt tính nước ta điều thực cần thiết Với mong muốn góp phần nhanh chóng đưa than hoạt tính từ gỗ tràm vào ứng dụng ngành công nghiệp nước ta, luận văn này, trình bày số kết nghiên cứu chế độ công nghệ trình sản xuất than hoạt tính tính chất sản phẩm điều chế ii MỤC LỤC Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ đồ thị MỞ ĐẦU PHẦN 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG I: NGUYÊN LIỆU GỖ TRÀM VÀ THAN HOẠT TÍNH 1.1 Than hoạt tính 1.1.1 Lịch sử hình thành phát triển loại than hoạt tính 1.1.2 Tính chất đặc trưng than hoạt tính 1.1.2.1 Cấu trúc xốp 1.1.2.2 Cấu trúc tinh thể 1.1.2.3 Cấu trúc hoá học 1.2 Nguyên liệu tràm 1.2.1 Tràm Việt Nam 1.2.2 Ngồn gốc, phân bố, đặc tính sinh thái tràm 1.2.3 Tình hình trồng tràm Việt Nam 10 1.2.4 Đặc tính lý ứng dụng tràm 11 CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH 2.1 Cơ sở lý thuyết trình nhiệt phân 13 2.1.1 Quá trình nhiệt phân 13 2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình nhiệt phân 14 ii 2.2 Quá trình hoạt hóa 2.2.1 Quá trình hoạt hóa hóa học 15 16 2.2.1.1 Cơ chế trình hoạt hóa hóa học 16 2.2.1.2 Tác nhân hoạt hóa 16 2.2.1.3 Ưu, nhược điểm trình hoạt hóa hoá học 18 2.2.2 Quá trình hoạt hóa hóa lý 18 2.2.3 Tình hình sản xuất sử dụng gỗ tràm Việt Nam 23 CHƯƠNG III QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA THAN HOẠT TÍNH 3.1 Quá trình hấp phụ 25 3.1.1 Hấp phụ vật lý 25 3.1.2 Hấp phụ hóa học 25 3.2 Phương pháp xác định tính chất than hoạt tính 26 3.2.1 Phương pháp nén thủy ngân 27 3.2.2 Hiện tượng ngưng tụ mao quản 28 3.2.3 Hiện tượng hấp phụ mao quản bé 30 3.2.3.1 Phương trìn BET 30 3.2.3.2 Phương trình D – R 31 PHẦN THỰC NGHIỆM CHƯƠNG IV THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1 Xác định thành phần hóa học gỗ tràm 33 4.1.1 Chuẩn bị nguyên liệu 33 4.1.2 Xử lý hóa học 33 4.2 Quá trình cacbon hóa 34 ii 4.2.1 Thiết bị 35 4.2.2 Phương pháp nghiên cứu 35 4.2.3 Xác định tính chất than nguyên liệu sản phẩm 36 4.3 Quá trình hoạt hóa 36 4.3.1 Hoạt hóa NaOH 37 4.3.2 Hoạt hóa nước 38 PHẦN III KẾT QUẢ CHƯƠNG V KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM – BÀN LUẬN 5.1 Kết khảo sát tình than hóa 40 5.1.1 Thành phần hóa học gỗ tràm 40 5.1.2 Quá trình than hóa 40 5.2 Quá trình hoạt hóa hóa học 46 5.2.1 nh hưởng nhiệt độ 46 5.2.2 nh hưởng thời gian 47 5.2.3 Anh hưởng tỷ lệ mol NaOH: C 48 5.3 Quá trình hoạt hóa nước 50 5.3.1 nh hưởng nhiệt độ 54 5.3.2 nh hưởng thời gian hoạt hóa 56 5.3.3 nh hưởng độ thiêu đốt 58 5.3.4 nh hưởng thời gian đến hiệu suất trình hoạt hóa 61 5.4 Đường đẳng nhiệt hấp phụ mẫu hoạt hóa 63 KẾT LUẬN 68 KIẾN NGHỊ 69 TÀI LIÊU THAM KHẢO 70 ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT B.E.T: Brunauer – Emmett – teller SBET: Diện tích bề mặt riêng xác định theo phương pháp BET SEM: Kính hiển vi điện tử queùt D- R: Dubinin – Raduskhevich BJH: Barrett – Joyner - Halenda 211.62 as,BET 921.05 C 2489.1 Total pore volume (p/p0=0.990) 0.3876 [cm3 g-1] Average pore diameter 1.6831 [nm] p/p0 No [cm3(STP) g-1] [m2 g-1] Vm p/Va(p0-p) p/p0 No p/Va(p0-p) 0.00035919 0.000014127 14 0.081499 0.00037157 0.00047907 8.4555E-06 15 0.1093 0.00050552 0.00039918 4.5393E-06 16 0.1351 0.00064678 0.0003993 3.6557E-06 17 0.161 0.00082679 0.1864 0.00098292 0.00039938 3.0469E-06 18 0.00047921 3.1228E-06 19 0.2119 0.0011489 0.0012781 0.000007295 20 0.2372 0.0013244 0.0035549 0.000018833 21 0.2625 0.0015115 0.0052319 0.000027065 22 0.2878 0.0017111 0.019254 0.000093218 23 0.3131 0.0019251 11 0.028293 0.00013522 24 0.3619 0.0023865 12 0.040346 0.00019156 25 0.4069 0.0028777 13 0.05263 0.0002398 26 0.4573 0.0035238 p/V(P0-P) 10 0.0007 0.0006 0.0005 0.0004 0.0003 0.0002 0.0001 y = 0.0048x - 1E-05 R2 = 0.9978 0.05 0.1 P/P0 0.15 BJH Plot Plot data Desorption branch Vp 0.041554 dp,peak(Area) 3.77 ap 42.127 p/p0 No dp/nm dVp/ddp [cm3 g-1] [nm] [m2 g-1] ΣVp/cm3 g-1 Σap/m2 g-1 0.99 185.28 0.015942 0.00027734 0.0059874 0.989 163.19 0.020817 0.00083465 0.019648 0.987 139.99 0.028563 0.0013957 0.035679 0.985 119.52 0.039822 0.0022437 0.064059 0.982 103.54 0.05349 0.0028137 0.086078 0.98 90.216 0.069381 0.0039237 0.1353 0.976 76.493 0.035617 0.0043314 0.1566 0.972 66.471 0.047941 0.0047436 0.1814 0.968 58.098 0.063947 0.0052647 0.2173 10 0.963 50.377 0.08684 0.0058981 0.2676 11 0.957 43.571 0.1187 0.0066478 0.3364 12 0.95 37.442 0.091822 0.0071934 0.3947 13 0.941 32.276 0.07034 0.0075021 0.433 14 0.932 28.069 0.095702 0.0078874 0.4879 15 0.921 24.405 0.1302 0.0083173 0.5583 16 0.909 21.296 0.1758 0.0088301 0.6546 17 0.895 18.507 0.117 0.0091415 0.722 18 0.878 16.058 0.151 0.0094791 0.806 19 0.859 14.001 0.1936 0.0098429 0.91 20 0.838 12.239 0.194 0.010162 1.0143 21 0.814 10.704 0.2626 0.010536 1.154 22 0.787 9.3609 0.3548 0.010984 1.3455 23 0.756 8.1914 0.4157 0.011431 1.5639 24 0.722 7.1815 0.4719 0.011877 1.812 25 0.684 6.297 0.505 0.012293 2.0767 26 0.642 5.5239 0.9605 0.012986 2.5781 27 0.596 4.8531 1.2955 0.01379 3.241 28 0.547 4.2723 1.9469 0.014843 4.2269 29 0.495 3.7673 15.277 0.022008 11.834 30 0.441 3.326 9.5373 0.025953 16.578 31 0.385 2.4425 11.527 0.041554 42.127 BJH-Plot 18 12 10 100 d p 1000 / nm DES SPECIFIC SURFACE AREA [Adsorption / desorption isotherm] File Name AC 2-9.1.DAT Date of measurement 6/1/2007 Time of measurement 46:12:55 COMMENT1 AC -9.1 DEGAS CONDITION 300C AND 3hr COMMENT2 COMMENT3 COMMENT4 Serial number 190 Version Sample weight 5.48E-02 Standard volume 8.955 Dead volume 16.017 Equilibrium time 60 Adsorptive N2 Apparatus temperature [g] [cm3] [cm3 g-1] [sec] [C] Adsorption temperature pi /kPa No 77 pe /kPa [K] Va/cm3(STP) pe2 /kPa g-1 ADS -0.0040543 25.991 -0.0040543 59.19 0.0040543 92.335 0.077032 125.31 0.1095 140.8 0.3852 149.61 0.6527 157.41 1.9582 165.14 3.061 168.26 10 4.3543 170.66 11 5.4652 172.28 12 8.3965 174.82 13 11.089 176.39 14 13.716 177.53 15 16.311 178.51 16 18.921 179.27 17 21.484 179.94 18 24.075 180.51 19 26.653 181.03 20 29.248 181.54 21 31.77 181.96 22 36.817 182.66 23 41.451 183.21 24 46.58 183.77 25 51.688 184.28 26 56.781 184.75 27 61.857 185.25 28 66.969 185.73 29 72.061 186.22 30 77.158 186.71 31 82.222 187.27 32 87.306 187.86 33 92.365 188.6 34 97.243 189.7 35 99.59 191.01 36 101.07 193.69 99.521 191.58 96.59 190.15 91.121 189.25 85.943 188.88 80.758 188.63 75.69 188.49 70.573 188.31 65.465 188.19 DES 60.369 187.98 10 55.277 187.82 11 50.188 187.55 12 45.368 185.74 13 40.126 184.54 14 34.993 183.8 15 29.884 183.11 16 27.444 182.74 17 24.91 182.32 18 22.372 181.85 19 19.834 181.31 20 17.316 180.68 21 14.79 179.95 22 12.289 179.07 23 9.7871 177.98 Adsorption / desorption isotherm Va /cm 3(STP) g-1 240 160 80 0 0.5 p /p ADS DES Starting point End point Slore 0.0066652 Intercept 2.2136E-06 Correlation coefficient Vm 149.98 as,BET 750.07 C [cm3(STP) g-1] [m2 g-1] 3012 Total pore volume (p/p0=0.990) 0.2738 [cm3 g-1] Average pore diameter 1.6775 [nm] p/p0 p/Va(p0-p) 0.029975 0.0002016 0.00003967 3.9086E-07 10 0.042656 0.0002863 0.00075366 6.0261E-06 11 0.053544 0.00035974 0.0010713 8.3769E-06 12 0.08227 0.00056134 0.0037705 0.000027614 13 0.1087 0.00075684 0.1344 0.000957 0.1599 0.0011664 No 0.00639 0.000045524 14 0.019175 0.00013041 15 16 0.1856 0.0013904 21 0.3116 0.0027215 17 0.2107 0.001623 22 0.3611 0.0033877 18 0.236 0.0018721 23 0.4066 0.0040958 24 0.4568 0.0050134 0.2612 0.002137 20 0.2867 0.0024224 P/V(p0-p) 19 0.0014 0.0012 0.001 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 y = 0.0076x - 6E-05 R2 = 0.999 0.05 0.1 0.15 0.2 P/P0 BJH plot Plot data Desorption branch Vp 0.024152 dp,peak(Area) 3.77 ap 20.935 p/p0 No dp/nm dVp/ddp [cm3 g-1] [nm] [m2 g-1] ΣVp/cm3 g-1 Σap/m2 g-1 0.99 185.28 0.016077 0.00027968 0.0060381 0.989 163.19 0.020993 0.00084171 0.019814 0.987 139.99 0.028804 0.0014075 0.035981 0.985 119.52 0.040159 0.0022627 0.064601 0.982 103.54 0.053943 0.0028375 0.086806 0.98 90.216 0.062634 0.0038396 0.1312 0.976 76.493 0.036825 0.0042611 0.1533 0.972 66.471 0.049564 0.0046872 0.1789 0.968 58.098 0.06611 0.0052259 0.216 10 0.963 50.377 0.089774 0.0058808 0.268 11 0.957 43.571 0.1227 0.0066558 0.3392 12 0.95 37.442 0.065013 0.0070421 0.3804 13 0.941 32.276 0.057267 0.0072934 0.4116 14 0.932 28.069 0.078011 0.0076075 0.4563 15 0.921 24.405 0.1062 0.0079582 0.5138 16 0.909 21.296 0.1436 0.0083772 0.5925 17 0.895 18.507 0.089579 0.0086157 0.6441 18 0.878 16.058 0.1169 0.0088769 0.7091 19 0.859 14.001 0.1371 0.0091345 0.7827 20 0.838 12.239 0.1091 0.0093139 0.8414 21 0.814 10.704 0.1309 0.0095004 0.911 22 0.787 9.3609 0.083189 0.0096054 0.9559 23 0.756 8.1914 0.1456 0.0097622 1.0325 24 0.722 7.1815 0.1727 0.0099251 1.1232 25 0.684 6.297 0.025849 0.0099464 1.1368 26 0.642 5.5239 0.1909 0.010084 1.2364 27 0.596 4.8531 0.3426 0.010297 1.4117 28 0.547 4.2723 0.7718 0.010714 1.8026 29 0.495 3.7673 7.3164 0.014145 5.4458 30 0.441 3.326 4.9909 0.01621 7.9285 31 0.385 2.4425 5.8682 0.024152 20.935 BJH-Plot dVp /ddp 10 100 d p /nm DES 1000 Ảnh SEM mẫu AC 2- 9.5 900-5-3 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Phan Dinh Tuan, Dang Thi Yen Nhi, Study on activated carbon production from Vietnamese melaleuca cajuputi, Journal of Science and Technology, Vol.45, No.1B, 2007, 443 - 449 TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Đặng Thị Yến Nhi Ngày, tháng, năm sinh: 02/06/1982 Nơi sinh: Long Khánh – Đồng Nai Địa liên lạc: 171/5G Trần Kế Xương, F.7, Q Phú Nhuận, Tp.HCM Điện thoại: 0919 22 00 23 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - 09/2000 – 01/2005: Học đại học khoá 2000, chuyên ngành: Công nghệ Hoá hữu cơ, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM - 09/2005 – 07/2007: Học cao học khóa 2005, chuyên ngành: Quá trình & Thiết bị công nghệ Hoá học, trường Đại học Bách khoa Tp.HCM ... tượng nghiên cứu từ gáo dừa Đầu năm 1997, dây chuyền sản xuất than hoạt tính liên doanh với Trung Quốc lắp đặt Trà Vinh – gọi nhà máy sản xuất than hoạt tính Trà Bắc Than hoạt tính sản xuất từ gáo... thuyền… • Hoa tràm: có khả thu hút cao loài ong nguồn cung cấp mật ong quý Chương I - Gỗ Tràm Than hoạt tính 15 CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CACBON HOẠT TÍNH Than hoạt tính sản xuất từ nguồn nguyên... nhanh chóng đưa than hoạt tính từ gỗ tràm vào ứng dụng ngành công nghiệp nước ta, luận văn này, trình bày số kết nghiên cứu chế độ công nghệ trình sản xuất than hoạt tính tính chất sản phẩm điều