c) Nhận xét đối với sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do
1.1.3 Khả năng ứng dụng than hoạt tính trong thực tế
Trong y học dùng loại than hoạt tính có kích thước siêu mịn, được biết đến với tên carbo medicinalis – than dược, được ứng dụng trong lĩnh vực y tế để giải độc khi bị ngộ độc thực phẩm, để lọc máu cho người nghiện ma túy, được tạo ra thành cốm giúp hỗ trợ tiêu hóa.
1.1.3.2Trong mỹ phẩm
Than hoạt tính được sử dụng để làm trắng răng, tẩy các chất hữu cơ ố vàng khỏi răng. Than hoạt tính được dùng trong điều chế các loại tinh dầu và nước hoa bằng cách cho than hấp phụ mùi của loại tinh dầu đó, sau đó sẽ dùng dung môi thích hợp để thu lại mùi. Một số kem trị bã nhờn, sữa rửa mặt làm sạch lỗ chân lông có than hoạt tính trong thành phần nhằm làm trôi lớp sừng già, giúp làn da trắng sáng.
1.1.3.3Trong công nghiệp
Than hoạt tính được ứng dụng trong ngành công nghiệp đường để khử màu dung dịch làm đường trắng hơn. Nó cũng được ứng dụng để khử màu trong ngành công nghiệp nhuộm. Một số loại rượu được lọc qua than hoạt tính để loại bỏ những hương vị không mong muốn.
1.1.3.4Trong sinh hoạt
Than hoạt tính được dùng để sản xuất khẩu trang hay cao cấp hơn là các loại mặt nạ phòng độc, nó có trong các hệ thống lọc khi đặt ở nơi công cộng. Than có trong các hệ thống lọc nước, từ lọc nước uống đến nước sinh hoạt, thậm chí là lọc nước bể cá, nó tác dụng diệt khuẩn, làm sạch, tạo độ trong.
1.1.4 Cấu trúc than và các yếu tố ảnh hưởng[11]
Về mặt cấu trúc, than hoạt tính có ba đặc điểm quan trọng: cấu trúc vi tinh thể, cấu trúc mao quản và cấu trúc hóa học carbon trên bề mặt.
Nguyễn Quốc Trọng 8 Kỹ thuật hóa học K37
1.1.4.1Cấu trúc vi tinh thể[11]
Cấu trúc vi tinh thể được tạo ra trong quá trình than hóa, tuy nhiên cấu trúc vi tinh thể của than hoạt tính không giống cấu trúc của graphite.
Hình 1-1 So sánh cấu trúc của than hoạt tính và graphite
Hình 1 – 1 cho thấy các lớp tinh thể trong than hoạt tính có định hướng ngẫu nhiên không theo một trật tự hay còn gọi là cấu trúc lệch mạng. Nguyên nhân hình thành cấu trúc này có thể là do trong các lớp tinh thể có lẫn các nguyên tố khác hoặc do trong mạng tinh thể có các vết khuyết tật.
Dựa vào độ bền của các liên kết ngang giữa các lớp tinh thể, than hoạt tính
được chia thành hai dạng cấu trúc: dạng graphite và không graphite hóa. Dạng graphite hóa có các liên kết ngang yếu dẫn đến cấu trúc mao quản kém phát triển, còn dạng không graphite hóa các mặt tinh thể liên kết với nhau khá mạnh nên cấu trúc mao quản rất phát triển.
Nguyễn Quốc Trọng 9 Kỹ thuật hóa học K37
1.1.4.2Cấu trúc mao quản[9,11]
Nhờ các lớp vi tinh thể sắp xếp ngẫu nhiên và có các liên kết ngang bền vững đã tạo cho than hoạt tính một cấu trúc mao quản rất phát triển. Cấu trúc mao quản được tạo ra trong quá trình than hóa và được phát triển thêm trong quá trình hoạt hóa nhờ vào sự giải phóng các hợp chất hữu cơ và tạp chất tạo thành các lỗ rỗng. Phương pháp than hóa và bản chất nguyên liệu quyết định cấu trúc và sự phân bố mao quản. Quá trình hoạt hoá làm tăng đáng kể thể tích các mao quản.
Theo IUPAC, hệ mao quản của than hoạt tính có thể phân thành 3 loại chính: - Mao quản nhỏ (vi mao quản):
- Mao quản trung bình:
- Mao quản lớn:
với : đường kính mao quản.
Hình 1-3 Cấu trúc mao quản trong than hoạt tính
Cấu trúc mao quản của than hoạt tính có dạng nhánh cây, kích thước các mao quản được đặc trưng bởi cơ chế hấp phụ. Sự hấp phụ trong các mao quản nhỏ
diễn ra nhanh theo cơ chế điền đầy thể tích, sự hấp phụ trong các mao quản trung bình diễn ra chậm hơn theo cơ chế ngưng tụ, sự hấp phụ trong các mao quản lớn thường không đáng kể so với các loại mao quản khác, khi đó nó đóng vai trò như kênh vận chuyển.
Nguyễn Quốc Trọng 10 Kỹ thuật hóa học K37
1.1.4.3Cấu trúc hóa học carbon trên bề mặt[11]
Cấu trúc vi tinh thể và cấu trúc mao quản quyết định đến khả năng hấp phụ của than hoạt tính, nhưng cấu trúc hóa học cũng có tác động đáng kể. Carbon trên bề mặt than hoạt tính có thể kết hợp với các nguyên tử khác loại tạo thành các nhóm chức bề mặt như carbon – oxygen, carbon – hydrogen, carbon – nitrogen, carbon – halogen, carbon – sulfur,... hình thành các tính chất bề mặt đặc trưng, làm biến đổi đặc tính bề mặt cũng như đặc điểm của loại than hoạt tính.
1.2 Tổng quan về vỏ trấu[23,24]1.2.1 Nguồn gốc vỏ trấu 1.2.1 Nguồn gốc vỏ trấu
Lúa là một trong năm loại cây lương thực chính của thế giới, được trồng
nhiều thứ ba trên thế giới chỉ sau ngô và lúa mì.
Hình 1-4 Cây lúa và vỏ trấu
Trấu là lớp vỏ ngoài cùng bao bọc hạt gạo, chiếm khoảng 20 khối lượng hạt thóc, được cấu tạo từ những chất xơ và cellulose. Kích thước trung bình của vỏ trấu dài và rộng .
Lớp vỏ lụa có màu trắng đục hoặc đỏ nằm trong vỏ trấu và bao ngoài hạt gạo chiếm khoảng khối lượng hạt thóc, được cấu tạo từ những tế bào diệp lục, qua quá trình xay xát gạo gọi là cám.
Mầm hay còn gọi là phôi, tùy theo giống lúa và điều kiện canh tác mà có tỉ lệ lớn
nhỏ khác nhau, thường chỉ chiếm khoảng khối lượng hạt thóc. Mầm chứa nhiều chất dinh dưỡng như protid, lipid và đặc biệt là vitamine B1, loại vitamine có vai trò vô cùng quan trọng trong việc duy trì các hoạt động tương tác của tế bào trong cơ thể, nhất là việc sản xuất năng lượng.
Nguyễn Quốc Trọng 11 Kỹ thuật hóa học K37 Hạt gạo hay còn gọi là nội nhũ, là thành phần quan trọng nhất, chiếm đến 7 0 khối lượng hạt thóc, thành phần chủ yếu là glucid, hạt gạo càng trắng thì hàm lượng glucid càng cao.
Hình 1-5 Cấu tạo của hạt thóc
Trấu là phụ phẩm của quá trình xay xát gạo, để thu được trấu phải qua một quy trình sản xuất nông nghiệp.
Hình 1-6 Quy trình tạo ra trấu
Làm đất Chọn thóc giống Gieo hạt Ươm mạ
Cấy Chăm bón
Gặt Xay xát
Nguyễn Quốc Trọng 12 Kỹ thuật hóa học K37
1.2.2 Hiện trạng vỏ trấu tại nước ta
Từ xa xưa, ở Việt Nam nói riêng và các nước phương Đông nói chung thì nông nghiệp là ngành quan trọng hàng đầu, gạo được xem là loại lương thực chính. Trấu thu được khi xay lúa là phụ phẩm và được sử dụng chủ yếu làm phân ủ hay chất đốt. Gần đây, do sự phát triển nhanh chóng của ngành sản xuất nhiên liệu và phân bón hóa học nên việc tận dụng trấu giảm đi đáng kể. Sau mỗi vụ lúa, hàng trăm hàng ngàn tấn trấu không được sử dụng hoặc bị vứt bỏ dưới các sông ngòi, kênh rạch gây ô nhiễm trầm trọng nguồn nước.
Hình 1-7 Ô nhiễm vỏ trấu trên sông 1.2.3 Các ứng dụng của vỏ trấu
1.2.3.1Sử dụng làm chất đốt
Ưu điểm của trấu là kích thước nhỏ, rỗng bên trong, các hạt rời rạc nhau tạo diện tích tiếp xúc lớn khi cháy. Nhược điểm là vỏ trấu chiếm diện tích, phải có kho, bãi chứa rộng. Đây là nguồn nguyên liệu rẻ tiền lại rất dồi dào ở nước ta – đất nước được xem là cái nôi của nền văn minh lúa nước.
Vỏ trấu được sử dụng làm chất đốt trong sinh hoạt, đặc biệt ở vùng nông thôn có các loại lò được thiết kế riêng để sử dụng trấu làm chất đốt.
Nguyễn Quốc Trọng 13 Kỹ thuật hóa học K37
Hình 1-8 Lò đốt vỏ trấu trong sinh hoạt
Trong sản xuất, vỏ trấu được sử dụng ở các làng nghề thủ công nghiệp như gạch ngói nung, gốm mỹ nghệ,...
Hình 1-9 Lò đốt vỏ trấu trong thủ công nghiệp 1.2.3.2Ép thành củi trấu
Ưu điểm khi sử dụng củi trấu là tiết kiệm được diện tích kho bãi, dễ dàng vận chuyển hơn so với trấu nguyên liệu. Khi ép trấu thành củi thì có thể sử dụng cho các loại lò đốt truyền thống mà giá thành thì rẻ hơn so với các loại than. Củi trấu được ép thành dạng viên hay thanh, kích thước đa dạng tùy vào loại buồng đốt nhằm phù hợp mục đích sử dụng.
Nguyễn Quốc Trọng 14 Kỹ thuật hóa học K37
Hình 1-10 Củi trấu nén dạng khối 1.2.3.3Tạo các sản phẩm mỹ nghệ
Vỏ trấu được nghiền nhuyễn thành bột, trộn với keo và các chất phụ gia kết dính, đưa vào khuôn ép ở nhiệt độ và áp suất quy định để tạo thành những sản phẩm mỹ nghệ có giá thành rẻ hơn so với các sản phẩm gỗ. Ngoài ra, vỏ trấu cũng được sử dụng để làm tranh.
Hình 1-11 Sản phẩm mỹ nghệ từ vỏ trấu 1.2.3.4Các ứng dụng khác
Vỏ trấu còn được ứng dụng rất nhiều trong đời sống như dùng để hút ẩm kho thóc, vỏ trấu được cho vào các túi lọc khi lấy nước vào ao nuôi trồng thủy sản nhờ có độ nhám nên sẽ giữ lại các bụi bẩn trong nước. Trấu chứa nhiều silic oxide nên silic oxide thường được tách ra và thu hồi để điều chế sodium silicate dùng làm phụ gia trong xi măng. Vỏ trấu bổ sung chất dinh dưỡng cho đất, nhờ độ xốp cao nên giúp cây trồng mọc rễ nhanh và phát triển ổn định. Gần đây, vỏ trấu được ứng dụng
vào các nghiên cứu vật liệu nano dùng sản xuất sơn chống cháy, sơn nano,
sơn kháng khuẩn, sơn tự làm sạch và sơn chống đạn.
Nguyễn Quốc Trọng 15 Kỹ thuật hóa học K37
1.3 Tổng quan về hấp phụ[2,4,5,6,7,10] 1.3.1 Các khái niệm
1.3.1.1Sự hấp phụ[5,6,7]
Hấp phụ là một hiện tượng bề mặt, nó là sự ngưng kết các chất trên bề mặt phân chia các pha (khí – rắn, lỏng – rắn, khí – lỏng, lỏng – lỏng). Chất có bề mặt mà trên đó xảy ra sự hấp phụ gọi là chất hấp phụ, còn chất được tích lũy ở bề mặt phân chia pha gọi là chất bị hấp phụ.
Diện tích bề mặt tính tính với 1 g chất hấp phụ gọi là diện tích bề mặt riêng của nó. Chất hấp phụ càng mạnh khi diện tích bề mặt riêng của nó càng lớn, đặc biệt là đối với loại vật liệu có hệ thống mao quản phát triển như than hoạt tính, zeolite, silicagel,...
Ngược lại với quá trình hấp phụ là quá trình giải hấp phụ, khi đó các chất bị hấp phụ có xu hướng rời bỏ bề mặt của chất hấp phụ.
1.3.1.2Phân loại hấp phụ[5,10] a) Hấp phụ vật lý
Hấp phụ vật lý xảy ra do lực hút Van der Waals giữa các phân tử chất hấp phụ và bị hấp phụ, lực liên kết hydro,... đây là những lực yếu nên liên kết hình thành dễ bị phá vỡ. Hấp phụ vật lý luôn luôn là quá trình thuận nghịch, nó hoàn toàn tuân theo nguyên lý về chuyển dịch cân bằng của Le Chatelier. Hấp phụ vật lý dễ xảy ra quá trình giải hấp phụ do có hiệu ứng nhiệt nhỏ.
b) Hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học xảy ra do lực liên kết hóa học giữa các phân tử, trong đó có những lực hóa trị mạnh như liên kết công hóa trị, lực liên kết ion, liên kết phối trí,... chúng liên kết với nhau tạo thành những hợp chất bề mặt mới. Hấp phụ hóa học thường không thuận nghịch do năng lượng liên kết lớn, khó bị phá vỡ. Hấp phụ hóa học được xem là cơ sở cho các quá trình xúc tác dị thể, trong xúc tác dị thể các lực liên kết này không được yếu quá cũng không được bền quá, nếu yếu quá thì không đủ để hình thành các liên kết mới với chất xúc tác, còn nếu bền quá chất xúc tác sẽ trở thành một sản phẩm bền vững không còn là tác nhân trung gian nữa.
Nguyễn Quốc Trọng 16 Kỹ thuật hóa học K37
1.3.2 Cân bằng hấp phụ[4]
Hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các chất bị hấp phụ khi đã được liên kết trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể bị giải hấp phụ ngược lại. Theo thời gian, đến khi
tốc độ giải hấp phụ bằng với tốc độ hấp phụ ban đầu thì ta nói hệ hấp phụ đạt trạng thái cân bằng.
Một hệ hấp phụ ở trạng thái cân bằng thì lượng chất bị hấp phụ là một hàm của nhiệt độ, áp suất hay nồng độ của chất bị hấp phụ
Trong đó: : tải trọng hấp phụ cân bằng : nhiệt độ
: áp suất
: nồng độ chất bị hấp phụ
1.3.2.1Tải trọng hấp phụ cân bằng
Tải trọng hấp phụ cân bằng là khối lượng chất bị hấp phụ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ khi hệ ở trạng thái cân bằng với nhiệt độ và nồng độ xác định.
Trong đó: : tải trọng hấp phụ cân bằng
: nồng độ dung dịch ban đầu của chất bị hấp phụ
: nồng độ dung dịch cân bằng của chất bị hấp phụ
: thể tích dung dịch chất bị hấp phụ
: khối lượng chất bị hấp phụ
Ngoài ra, ta có thể biểu diễn tải trọng hấp phụ theo khối lượng chất hấp phụ trên một đơn vị diện tích bề mặt chất hấp phụ.
Nguyễn Quốc Trọng 17 Kỹ thuật hóa học K37
1.3.2.2Hiệu suất hấp phụ
Hiệu suất hấp phụ là phần trăm tỉ số giữa nồng độ dung dịch đã bị hấp phụ với nồng độ dung dịch ban đầu của chất bị hấp phụ.
1.3.3 Các phương trình hấp phụ và các dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt 1.3.3.1Các phương trình hấp phụ[10] 1.3.3.1Các phương trình hấp phụ[10]
a) Phương trình Langmuir
Phương trình này được thiết lập từ các giả thiết sau:
- Những tiểu phân bị hấp phụ liên kết với những trung tâm hấp phụ xác định trên bề mặt chất hấp phụ.
- Một tâm hấp phụ chỉ có thể liên kết với một tiểu phân bị hấp phụ. - Các tiểu phân bị hấp phụ không tương tác lẫn nhau.
- Bề mặt hấp phụ là đồng nhất, năng lượng hấp phụ trên các tâm là như nhau. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:
Trong đó: : tải trọng hấp phụ cân bằng
: tải trọng hấp phụ cực đại
: nồng độ dung dịch cân bằng của chất bị hấp phụ : hằng số cân bằng hấp phụ
Phương trình Langmuir được tuyến tính như sau:
( ) hoặc
Nguyễn Quốc Trọng 18 Kỹ thuật hóa học K37
b) Phương trình Freundrich
Trên một khoảng có nồng độ nhỏ và đặc biệt với dung dịch loãng, đường đẳng nhiệt cho quá trình hấp phụ có thể được mô tả theo biểu thức thực nghiệm
Freundich
Trong đó: : tải trọng hấp phụ cân bằng
: nồng độ dung dịch cân bằng của chất bị hấp phụ : các hằng số thực nghiệm
Phương trình Langmuir được tuyến tính như sau:
1.3.3.2Các đường hấp phụ đẳng nhiệt[2]
Năm 1940, Stephen Brunauer (1903 – 1986), William Edwards Deming (1900 – 1993) và Edward Teller (1908 – 2003) phân các đường hấp phụ đẳng nhiệt thành năm loại dựa trên các kết quả phân tích số liệu thực nghiệm.
q
V
p0/p
I q II q
q
q
p0/p p0/p
p0/p
p0/p
III
IV
Hình 1-12 Các dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt
Nguyễn Quốc Trọng 19 Kỹ thuật hóa học K37
Loại I là dạng hấp phụ đơn lớp, chỉ chứa các mao quản nhỏ, tuân theo phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, Freundrich.
Loại II là dạng hấp phụ lên các vật rắn không xốp, thường thấy trong hấp phụ vật lý, trên bề mặt của chất hấp phụ rắn thường có nhiều lớp phân tử chất bị hấp phụ.
Loại III cũng là dạng hấp phụ lên các vật rắn không xốp, có đặc trưng là nhiệt hấp phụ bằng hoặc thấp hơn nhiệt ngưng tụ của chất bị hấp phụ.
Loại IV và V giống với sự hấp phụ loại II và III nhưng có kèm hiện tượng ngưng tụ mao quản.
