c) Nhận xét đối với sinh viên tham gia thực hiện đề tài (ghi rõ từng nội dung chính do
1.3.3 Các phương trình hấp phụ và các dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt
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.
Hình 2-7 Thiết bị so màu Kemtrak DCP007
Thiết bị so màu Kemtrak DCP007 là thiết bị phân tích màu sắc dựa trên
nguyên tắc hấp thu ánh sáng khả kiến truyền đến và biểu thị giá trị qua dãy màu chuẩn theo tiêu chuẩn ASTM D1500.
Nguyễn Quốc Trọng 27 Kỹ thuật hóa học K37
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Bảng 3-1 Thành phần hóa của trấu dùng thí nghiệm
Bảng 3-2 Quy ước kí hiệu mẫu than hoạt tính
Kí hiệu mẫu Điều kiện tác động
A Hoạt hóa với dung dịch NaOH 5 N
B Hoạt hóa với dung dịch NaOH 10 N
C Hoạt hóa với dung dịch NaOH 15 N
D Hoạt hóa với dung dịch NaOH 20 N
1 Than hóa ở điều kiện 400 - 30 phút 2 Than hóa ở điều kiện 400 - 35 phút 3 Than hóa ở điều kiện 400 - 40 phút 4 Than hóa ở điều kiện 400 - 45 phút 5 Than hóa ở điều kiện 450 - 30 phút 6 Than hóa ở điều kiện 450 - 35 phút 7 Than hóa ở điều kiện 450 - 40 phút 8 Than hóa ở điều kiện 450 - 45 phút 9 Than hóa ở điều kiện 500 - 30 phút 10 Than hóa ở điều kiện 500 - 35 phút 11 Than hóa ở điều kiện 500 - 40 phút 12 Than hóa ở điều kiện 500 - 45 phút 13 Than hóa ở điều kiện 550 - 30 phút 14 Than hóa ở điều kiện 550 - 35 phút 15 Than hóa ở điều kiện 550 - 40 phút 16 Than hóa ở điều kiện 550 - 45 phút
Thành phần Độ ẩm
Nguyễn Quốc Trọng 28 Kỹ thuật hóa học K37
3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian than hóa đến hiệu suất Bảng 3-3 Hiệu suất quá trình than hóa Bảng 3-3 Hiệu suất quá trình than hóa
Mẫu Khối lượng trấu (g) Khối lượng than (g) Hiệu suất (%)
1 50,00 19,91 39,82 2 50,00 19,56 39,12 3 50,00 19,12 38,24 4 50,00 18,81 37,62 5 50,00 18,55 37,10 6 50,00 18,06 36,12 7 50,00 18,16 36,32 8 50,00 18,11 36,22 9 45,00 15,97 35,49 10 45,00 15,53 34,91 11 45,00 15,64 34,76 12 45,00 16,38 36,40 13 45,00 16,11 35,80 14 56,00 18,99 33,91 15 56,00 18,56 33,14 16 56,00 17,97 32,09
Nguyễn Quốc Trọng 29 Kỹ thuật hóa học K37
Hình 3-1 Đồ thị biểu diễn hiệu suất quá trình than hóa
Nhận xét: hiệu suất quá trình than hóa trấu trong điều kiện nung yếm khí khá thấp, mẫu than 1 đạt hiệu suất cao nhất mẫu than 16 có hiệu suất thấp nhất Khi nung ở nhiệt độ càng cao và thời gian kéo dài thì hiệu suất
quá trình than hóa sẽ thấp vì khi nhiệt độ tăng thì sẽ làm tăng sự bay hơi của các hợp chất dễ bay hơi hay hơi nước trong trấu.
3.2 Ảnh hưởng của nồng độ NaOH hoạt hóa đến hiệu suất Bảng 3-4 Hiệu suất quá trình hoạt hóa Bảng 3-4 Hiệu suất quá trình hoạt hóa Mẫu Khối lượng trước
hoạt hóa (g)
Khối lượng sau
hoạt hóa (g) Hiệu suất (%)
A1 6,00 5,52 92,00 A2 6,00 5,39 89,83 A3 6,00 5,21 86,83 A4 6,00 5,23 87,17 A5 6,00 5,08 84,67 A6 6,00 5,01 83,50 A7 6,00 4,89 81,50 A8 6,00 4,80 80,00 A9 6,00 4,87 81,17 A10 6,00 4,83 80,50 30 32 34 36 38 40 42 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 % MẪU
Nguyễn Quốc Trọng 30 Kỹ thuật hóa học K37
A11 6,00 4,77 79,50
A12 6,00 4,72 78,67
A13 6,00 3,91 65,17
A14 6,00 4,04 67,33
A15 6,00 3,73 62,17
A16 6,00 3,40 56,67
B1 3,00 2,04 68,00
B2 3,00 2,01 67,00
B3 3,00 2,09 69,67
B4 3,00 2,03 67,67
B5 3,00 2,04 68,00
B6 3,00 2,11 70,33
B7 3,00 2,08 69,33
B8 3,00 2,03 67,67
B9 3,00 1,76 58,67
B10 3,00 1,80 60,00
B11 3,00 1,78 59,33
B12 3,00 1,81 60,33
B13 3,00 1,62 54,00
B14 3,00 1,65 55,00
B15 3,00 1,65 55,00
B16 3,00 1,57 52,33
C1 6,00 3,91 65,17
C2 6,00 3,60 60,00
C3 6,00 3,61 60,17
C4 6,00 3,52 58,67
C5 6,00 3,59 59,83
Nguyễn Quốc Trọng 31 Kỹ thuật hóa học K37 C6 6,00 3,80 63,33 C7 6,00 3,64 60,67 C8 6,00 3,39 56,50 C9 6,00 3,44 57,33 C10 6,00 4,11 68,50 C11 6,00 3,76 62,67 C12 6,00 3,56 59,33 C13 6,00 2,66 44,33 C14 6,00 2,78 46,33 C15 6,00 2,72 45,33 C16 6,00 2,86 47,67 D1 15,00 9,89 65,93 D2 15,00 9,07 60,47 D3 15,00 8,76 58,40 D4 15,00 9,04 60,27 D5 15,00 7,50 50,00 D6 15,00 8,53 56,87 D7 15,00 7,77 51,80 D8 15,00 7,94 52,33 D9 15,00 7,23 48,20 D10 15,00 7,75 51,67 D11 15,00 6,37 42,47 D12 15,00 5,43 36,20 D13 15,00 4,57 30,47 D14 15,00 4,51 30,07 D15 15,00 4,37 29,13 D16 15,00 4,29 28,60
32
Hình 3-2 Đồ thị biểu diễn hiệu suất quá trình hoạt hóa
Nhận xét: hiệu suất quá trình than hóa trấu với dung dịch NaOH ở nồng độ 5 N khá cao, mẫu A1 đạt , khi nồng độ NaOH được tăng lên thì hiệu suất quá trình nhìn chung có xu hướng giảm, mẫu D16 có hiệu suất thấp, chỉ đạt . Khi nồng độ NaOH càng cao thì hàm lượng SiO2 trong trấu được hòa tan càng nhiều làm giảm khối lượng, dẫn đến làm giảm hiệu suất quá trình.
20 30 40 50 60 70 80 90 100 % MẪU
33
3.3 Khảo sát các tính chất của than hoạt tính[12,17,20,21]3.3.1 Kích thước hạt 3.3.1 Kích thước hạt
Than hoạt tính dạng bột đạt yêu cầu khi được lọt qua rây 80 mesh, tương đương với kích thước nhỏ hơn 177 .
Hình 3-3 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu A1 và A2
Hình 3-4 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu A3 và A4
Hình 3-5 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu A5 và A6
34
Hình 3-7 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu A9 và A10
Hình 3-8 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu A11 và A12
Hình 3-9 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu A13 và A14
35
Hình 3-11 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu B1 và B2
Hình 3-12 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu B3 và B4
Hình 3-13 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu B5 và B6
37
Hình 3-19 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu C1 và C2
Hình 3-20 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu C3 và C4
Hình 3-21 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu C5 và C6
38
Hình 3-23 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu C9 và C10
Hình 3-24 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu C11 và C12
Hình 3-25 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu C13 và C14
39
Hình 3-27 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu D1 và D2
Hình 3-28 Đồ thị biểu diễn kích cỡ hạt trong mẫu D3 và D4
