c) Nhận xét đối với sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do
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.
Loại IV gồm một đoạn cong lõm nằm giữa hai đoạn cong lồi, đoạn lõm biểu thị vùng hấp phụ nhiều lớp, đoạn lồi phía trên ứng với hiện tượng ngưng tụ mao quản, đoạn lồi phía dưới biểu thị vùng hấp phụ một lớp.
Loại V có đặc trưng là sự tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ mạnh hơn tác dụng của lực hấp phụ.
Nguyễn Quốc Trọng 20 Kỹ thuật hóa học K37
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Phương tiện nghiên cứu 2.1.1 Nguyên liệu 2.1.1 Nguyên liệu Vỏ trấu Dung dịch NaOH 5 N, 10 N, 15 N, 20 N Dầu DO Đất sét trắng Nước cất
Hình 2-1 Nguyên liệu ban đầu 2.1.2 Dụng cụ, thiết bị
Lò nung Cốc nung
Cân phân tích 2 số Chày cối sứ
Cân phân tích 4 số Rây 80 mesh
Cân sấy ẩm Phễu
Nguyễn Quốc Trọng 21 Kỹ thuật hóa học K37
Máy đo pH Cốc thủy tinh
Bộ lọc chân không Bình tam giác
Máy đo kích cỡ hạt Ống đong
Hình 2-2 Thiết bị dùng trong thí nghiệm
Cân sấy ẩm
Lò nung Tủ sấy
Nguyễn Quốc Trọng 22 Kỹ thuật hóa học K37
2.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu[12,13,14,18,22]2.2.1 Quy trình điều chế than hoạt tính 2.2.1 Quy trình điều chế than hoạt tính
Hình 2-3 Quy trình điều chế than hoạt tính từ vỏ trấu 2.2.2 Mô tả quy trình
2.2.2.1Nguyên liệu và xử lý sơ bộ
Trấu được lấy từ Nhà máy xay xát lúa gạo Đức Thành, khu vực Thới Trinh A, phường Thới An, quận Ô Môn, thành phố Cần Thơ.
Trấu thô lấy về được sàng qua rây nhằm loại bỏ bớt các tạp chất như cỏ rác lẫn vào và được rửa sạch bằng nước để loại bỏ bụi bẩn rồi được phơi khô để sử dụng cho các công đoạn tiếp theo.
2.2.2.2Than hóa trấu
Trấu được cân trong cốc sứ rồi dùng đất sét trắng trám ngoài miệng cốc nhằm ngăn trấu tiếp xúc với không khí, tạo môi trường yếm khí khi nung, các mẫu than tạo ra trong thí nghiệm được nung ở nhiệt độ 400 – 450 – 500 – 550
kết hợp với các khoảng thời gian 30 – 35 – 40 – 45 phút.
Trấu thô Rửa sạch bụi, phơi khô 400 - 550 30 - 45 phút Than hóa Hoạt hóa NaOH 5 - 20 N Rửa nước cất Lọc than Sấy khô Than hoạt tính
Nguyễn Quốc Trọng 23 Kỹ thuật hóa học K37
2.2.2.3Hoạt hóa than
Các mẫu trấu sau khi được than hóa ở các điều kiện khác nhau sẽ được hoạt hóa bằng dung dịch NaOH ở các nồng độ 5 – 10 – 15 – 20 N ở nhiệt độ 60 70 trong 60 phút.
2.2.2.4Rửa – Lọc – Sấy
Sau khi kết thúc quá trình hoạt hóa, các mẫu than lúc này đã là than hoạt tính được rửa sạch nhiều lần với nước cất và được lọc qua máy lọc chân không để thu các hạt than, than sẽ được sấy khô trong tủ sấy ở nhiệt độ 50 trong khoảng 12 giờ rồi được bảo quản trong các túi zipper.
2.2.3 Các phương pháp phân tích
Tất cả các mẫu than hoạt tính dùng trong các thí nghiệm phân tích trước tiên được sàng qua rây 80 mesh.
2.2.3.1Kích thước hạt[18]
Phương pháp này nhằm xác định sự phân bố cỡ hạt trong mẫu than hoạt tính, các mẫu than được đo kích cỡ bằng máy MICROTRAC S3500.
MICROTRAC S3500 phân tích kích thước hạt bằng công nghệ Tri – Laser.
Công nghệ Tri – Laser cho phép đo tán xạ ánh sáng gần như toàn bộ ở các góc quang phổ (từ 0 160 ) thông qua ba tia laser và hai đầu dò.
Nguyễn Quốc Trọng 24 Kỹ thuật hóa học K37
2.2.3.2Diện tích bề mặt riêng[22]
Phương pháp này nhằm xác định diện tích bề mặt riêng của các mẫu than hoạt tính, diện tích bề mặt riêng hay còn được gọi là tỷ diện được đo bằng dụng cụ đo tỷ diện Blaine tại Nhà máy xi măng Holcim Hòn Chông, xã Bình An, huyện Kiên Lương, tỉnh Kiên Giang.
Nguyên tắc là dùng phương pháp thẩm thấu khí nhằm xác định thời gian để một lượng không khí nhất định lưu thông qua một lớp than hoạt tính được nén chặt
trong buồng đo bằng thép không gỉ. Trong điều kiện thí nghiệm, diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính tỉ lệ với căn bậc hai của thời gian lượng không khí lưu thông qua lượng than trong buồng đo.
Hình 2-5 Mô tả nguyên lý hoạt động dụng cụ đo tỷ diện Blaine 2.2.3.3Khối lượng riêng[14]
Phương pháp này nhằm xác định khối lượng riêng của mẫu than hoạt tính. Cho một lượng than hoạt tính đã sấy khô vào một ống đong, hút một lượng nước cất chính xác bằng pipette và xác định vạch nước dâng lên trong ống đong.
Nguyễn Quốc Trọng 25 Kỹ thuật hóa học K37 Khối lượng riêng được xác định theo công thức
Trong đó: : khối lượng than hoạt tính (g) V: thể tích than hoạt tính (mL)
2.2.3.4Hàm lượng tro[13]
Phương pháp này nhằm xác định tổng hàm lượng tro có trong mẫu than hoạt tính. Nguyên tắc cân khoảng 0,20 g mẫu cho vào chén sứ và nung ở nhiệt độ
trong 4 giờ đến khối lượng không đổi và cân phần tro màu trắng còn lại. Hàm lượng tro được xác định theo công thức
Trong đó: : khối lượng của chén và tro (g) : khối lượng của chén (g) : khối lượng mẫu than (g)
2.2.3.5Độ ẩm
Phương pháp này nhằm xác định hàm lượng nước có trong mẫu than hoạt tính, các mẫu than được sàng qua rây 80 mesh trước khi cho lên cân sấy ẩm sấy ở 105 .
Cân sấy ẩm sử dụng đèn halogen để làm bay hơi nước đến khi khô mẫu hoàn toàn, thời gian sấy phụ thuộc vào lượng nước trong mẫu.
Nguyễn Quốc Trọng 26 Kỹ thuật hóa học K37
2.2.4 Tiến hành hấp phụ màu sắc dầu DO[12]
Dầu DO được cung cấp bởi Công ty Cổ phần Lọc Hóa dầu Nam Việt có màu vàng do được ngưng tụ từ condensate, condensate hay còn gọi khí ngưng tụ - một sản phẩm trung gian giữa dầu và khí, được đặc trưng bởi màu vàng rơm.
Lần lượt cân 0,50 g các mẫu than hoạt tính cho các lọ thủy tinh rồi dùng pipette hút 15 mL dầu DO cho vào, tất cả các mẫu được đậy kín nhằm tránh bay hơi, lắc đều để các hạt than phân tán đều trong lọ và ngâm trong khoảng thời gian 5 tuần.
Các mẫu dầu sau khi xử lý với than hoạt tính được tiến hành đo màu bằng thiết bị so màu Kemtrak DCP007 của công ty lọc hóa dầu Nam Việt.
