Trong khuôn khổ luận văn đã khảo sát hoạt hóa than sau khi tách SiO2 với hai nhóm hoạt hóa bằng phƣơng pháp vật lý và phƣơng pháp hóa học. Trong nhóm hoạt hóa bằng phƣơng pháp vật lý đã nghiên cứu hoạt hóa bằng khí CO2 và hơi nƣớc. Trong nhóm hoạt hóa bằng hóa học đã nghiên cứu phƣơng pháp hoạt hóa bằng muối cacbonat với hai muối cơ bản là Na2CO3 và K2CO3.
Khi so sánh giữa hai chất trong nhóm vật lý thấy khả năng tƣơng tác của CO2 với C so với hơi nƣớc đƣợc xem là kém hiệu quả hơn. Do kích thƣớc phân tử cồng kềnh, liên kết O=C=O bền vững. Ở dạng liên kết 180o có 2 khả năng xảy ra. Một là phân tử CO2 sẽ chui lọt vào lỗ xốp theo chiều dọc và nguyên tử O sẽ tác dụng trực tiếp vào đáy lỗ dần tạo thành các hốc nhỏ và sâu vào bên trong khối than. Hai là phân tử CO2 sẽ tƣơng tác với than theo chiều ngang, lấy các phân tử C ngay trên lớp
Nguyễn Văn Thành Page 66 bề mặt của than, có thể tạo các lỗ rộng hoặc chỉ tƣơng tác ngay trên bề mặt. Do phản ứng xảy ra hoàn toàn ngẫu nhiên nên cả hai phƣơng án đều có thể xảy ra, tuy nhiên khi một phân tử CO2 bay lên do lực Acsimet thì khả năng cao hơn khi mà sử dụng dòng CO2 với lƣu lƣợng lớn.
Khi so sánh hiệu quả giữa hai chất hoạt hóa bằng muối cacbonat thấy hoạt hóa bằng muối K2CO3 mang lại hiệu quả hoạt hóa cao hơn. Do áp suất phân ly của K2CO3 nhỏ hơn Na2CO3 nên dễ điều khiển phản ứng giữa CO2 với C hơn. Ngoài ra, ở 900 o
C hiệu quả xử lý bằng muối K2CO3 có thể do sự phù hợp kích thƣớc nguyên tử K với các tấm graphit. Hiệu suất thu hồi than với muối K2CO3 cũng cao hơn Na2CO3
Phƣơng pháp vật lý có ƣu điểm là dễ thực hiện, hơi nƣớc là nguyên liệu rẻ tiền nhƣng nhƣợc điểm là hiệu suất thu hồi than thấp (nhỏ hơn 50%) bề mặt than sau hoạt hóa bị bào mòn mạnh nên BET thƣờng không cao. Hiện nay, trên thế giới chủ yếu nghiên cứu phƣơng pháp hoạt hóa hóa học, do hiệu suất thu hồi cao, ổn định và đặc biệt cho BET cao. Đề tài đã lựa chọn các muối cacbonat làm chất hoạt hóa, vì đây là các hóa chất thân thiện với ngƣời sử dụng và môi trƣờng hơn các chất hoạt hóa nhƣ NaOH, ZnCl2….
Bảng 4.1. Tổng kết kết quả các phƣơng pháp hoạt hóa
Chất hoạt hóa Kết quả
Hơi H2O
-Giá trị BET lớn nhất đạt 1345 m2/g, với nhiệt độ hoạt hóa 850 oC, lƣu lƣợng 0,08 (l/ph), thời gian hoạt hóa 1 giờ
-Hiệu suất thu hồi thấp (nhỏ hơn 50 %)
-Bề mặt than hoạt hóa bị ăn mòn mạnh, không quan sát rõ phân bố lỗ xốp. Có quan sát thấy lỗ xốp có kích thƣớc nano nhƣng không nhiều so với xử lý bằng hóa học
CO2
-Giá trị BET lớn nhất đạt 1054 m2/g ở nhiệt độ 850 oC, lƣu lƣợng dòng khí 0,1 lít/phút, với thời gian 1 giờ
-Hiệu suất thu hồi thấp
Nguyễn Văn Thành Page 67 với tỷ lệ muối/than 13 %, giữ nhiệt trong 1 giờ
-Hiệu suất thu hồi thay đổi lớn trong các chế độ khảo sát, trong đó những mẫu hoạt hóa với tỷ lệ muối/than thấp nhiệt độ thấp thời gian hoạt hóa ngắn sẽ thu đƣợc hiệu suất cao. Trong khi mẫu hoạt hóa ở tỷ lệ muối/than cao, nhiệt độ cao và thời gian kéo dài có tỷ lệ thu hồi thấp nhƣng hiệu suất thu hồi than trong mọi trƣờng hợp khảo sát đều đạt từ 60 đến 70 %
-Với những mẫu có BET cao, hoạt hóa ở chế độ phù hợp khi quan sát FESEM sẽ thấy cấu trúc lỗ xốp nano, tuy phân bố không lớn nhƣ K2CO3 nhƣng so sánh với hơi nƣớc thấy tốt hơn rất nhiều. Các mẫu có BET giảm do sự ăn mòn bề bề mặt không quan sát thấy lỗ xốp có kích thƣớc nano
Muối K2CO3
-Giá trị BET lớn nhất thu đƣợc đạt 1595 m2/g ở nhiệt độ 900 oC, với tỷ lệ muối/than 10 %, giữ nhiệt trong 2 giờ
-Hiệu suất thu hồi về cơ bản ổn định (đều trên 70%).
-Khi quan sát FESEM thấy cấu trúc lỗ xốp có kích thƣớc nano ăn sâu vào trong hạt than.
Nguyễn Văn Thành Page 67
CHƢƠNG V. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận:
- Nghiên cứu đã khảo sát quy trình tách SiO2 từ than sau khi than hóa thu đƣợc chế độ tách tốt nhất tách đƣợc 96 % với tỷ lệ NaOH/than là 0,6 ở 133 o
C, nồng độ NaOH 6 M
-Nghiên cứu lý thuyết và khảo sát với 4 loại chất hoạt hóa: khí CO2, hơi nƣớc, muối Na2CO3 và K2CO3 trong đó tập trung nghiên cứu với hai muối cacbonat để từ đó tạo ra than có lỗ xốp nano với bề mặt riêng BET cao. Những kết quả chính với muối cacbonat tác giả xin đƣợc tổng kết gồm có :
+ Bằng việc nghiên cứu thay đổi điều kiện để tạo ra áp suất riêng phần của khí CO2 khác nhau tác giả đã tạo ra than hoạt tính có lỗ xốp kích thƣớc nano với với các thông số thích hợp sẽ thu đƣợc giá trị BET cao.
+Xử lý hoạt hóa than bằng muối Na2CO3 thu đƣợc kết quả tốt nhất là Na13.850.1 đạt 990 m2g-1, lỗ xốp có kích thƣớc lớn ( 0,1 m), phân bố không đều, các lỗ xốp xuất hiện cục bộ trên bề mặt hạt than.
+Các mẫu hoạt hóa với muối K2CO3 ở nhiệt độ 900 oC trong 1 giờ và 2 giờ đều mang lại hiệu quả xử lý cao. Mẫu có bề mặt riêng lớn nhất thu đƣợc là K10.900.2, bề mặt riêng đạt 1329 m2g-1. Lỗ xốp có kích thƣớc nano với chủ yếu là lỗ xốp loại trung bình (10÷40 nm) và lỗ xốp loại nhỏ ( 2 nm) và phân bố đều trên hạt than +Xử lý ở nhiệt độ 950 oC và thời gian giữ nhiệt 3 giờ không đem lại hiệu quả, bề mặt riêng và hiệu suất thu hồi than thấp hơn các nhiệt độ và thời gian thấp hơn khảo sát (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+Việc rửa mẫu sau hoạt hóa làm tăng bề mặt riêng. Cụ thể mẫu hoạt hóa bằng Na2CO3 là Na1.13 trƣớc khi rửa là 990 m2g-1 đã tăng lên 1005 m2g-1. Các mẫu hoạt hóa bằng K2CO3 tăng nhiều hơn cụ thể mẫu K10.900.1 trƣớc khi rửa là 1004 tăng lên 1298 m2g-1, mẫu K10.900.2 trƣớc khi rửa là 1329 m2g-1 sau khi rửa là 1595 m2g-
Nguyễn Văn Thành Page 68 +Ngoài ra việc nghiền nhỏ muối và khuấy trộn đều than với muối cũng mang lại hiệu quả xử lý cao hơn.
+Xử lý hoạt hóa bằng muối Na2CO3 kém hơn so với K2CO3 do sự phân ly Na2CO3 mạnh hơn làm sát áp suất riêng phần của khí CO2 tăng (lớn hơn khi dùng muối K2CO3)dẫn đến các phản ứng lan trên bề mặt than làm mất mát than mà không đào sâu vào trong để tạo các lỗ xốp nên hiệu quả tăng bề mặt riêng không lớn bằng việc sử dụng K2CO3.
+Sử dụng chất hoạt hóa K2CO3 ở nhiệt độ 900 oC trong 2 giờ, tỷ lệ muối 10 % có thể tạo đƣợc than hoạt tính với cấu trúc nanô.
Kiến nghị:
-Nghiên cứu tỷ lệ CO/CO2 trong lò từ đó điều khiển tốc độ phản ứng hoạt hóa -Hoàn thiện nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính cho lọc khí và lọc nƣớc.
-Nghiên cứu hoạt hóa than với khối lƣợng than hoạt tính lớn hơn để có thể ứng dụng với khối lƣợng lớn trong sản xuất.
-Với than có bề mặt riêng trên 1000 m2/g ngoài ứng dụng lọc nƣớc có nghiên cứu ứng dụng trong y tế, trong tụ điện…
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hary Marsh, Francisco Rodriguez-Reinoso, Activated Carbon, Elsevier, 2006. [2] R.C Bansal, Goyal, Activated Carbon Adsorption, Taylor & Francis Group, USA, 2005.
[3] B. Viswanathan, P. Indra Neel and T. K. Varadarajan, Methods of Activation and Specific Applications of Carbon Materials, Nation centre for catalysis research department of chemistry, Indian institute of technology madras, chennai 600 036, February 2009.
[4] Qing Cao, Ke-Chang, Yong-Kang Lv, Wei-Ren Bao, Bioresource Technology 97 (2006)
[5] Jorge Laine, Alvaro Calafat, Carbon 29 (7) (1991) 949
[6] Nguyễn Văn Tƣ, Vũ Văn Khánh, Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến công nghệ chế tạo than thô từ trấu, Tạp chí KH&CN Kim loại, 45, 2012.
[7] Taik Nam Kim, Nguyễn Văn Tƣ, Nguyễn Ngọc Minh, Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ trấu Việt Nam, Tạp chí KH&CN Kim loại, 38, 2011.
[10].Bansal R.C., Goyal M., “Activated Carbon Adsorption”, Taylor & Francis Group, USA (2005).
[11] www.thanhoattinh.vn [12] www.bharabook.com
[13] Saini, Rajiv; Saini, Santosh, Sharma, Sugandha (2010). "Nanotechnology: The Future Medicine". Journal of Cutaneous and Aesthetic Surgery 3 (1): 32–33
[14] Yi-Jun Xu, Gisela Weinberg, Xi Liu, Olaf Timpe, and Dang Shen Su, Nanoarchitecturing of Activated Carbon: Facile strategy for chemical Functionalization of the surface of activated Carbon, Advanced Functional Materials 18 (2008), 3613-3619
[15] Nguyễn Đức Vận, Hóa học vô cơ tập 2, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội, năm 2001
[16] www.solvaychemicals.us, Heat of Formation of Trona from the Elements-Heat Effects of the Trona System
[17] Kiyoshi Okada, Nohuo Yamamoto, Yoshikazu Kameshima and Atsuo Yasumor, Journal of Colloid and Interface Science, 262, 2003.
[18] Chiung – Fen Chang, Ching – Yuan Chang, Wen – Tien Tsai, Jouranl of Colloid and Interface Science, 232 (2000) 45
[19] Junichi Hayashi, Atsuo Kazehaya, Katsuhiko Muroyama, A. Paul Watkinson, Carbon 28 (2000) 1873-1878
[20] www.ameco.com.vn
[21] www.cesti.gov.vn
[22] www.denho.info
[23] M. Endo, C. Kim, K. Nishimura, T. Fujino, K. Miyashita, Carbon 38 (2000) 183
[24] Mansooreh Soleimani, Tahereh Kaghazchi, Chinese Journal of Chemical Engineering 16 (1) (2008) 112
[25] F. Suarez-Garcia, A. Martinez-Alonso, J. M. D. Tascon, Journal of Analytica Applied Pyrolysis, 62 (2002) 93 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[26] J. D. Rocha, A. R. Coutinho and C. A. Luengo, Brazilian Journal of Chemical Engineering, 19 (2002) 127-132
PHỤ LỤC
1.Ứng dụng than hoạt tính làm chất hấp phụ
Than hoạt tính đóng một vai trò quan trọng trong công nghệ hấp phụ bởi các khả năng hấp phụ hầu hết các chất khí độc hại, các oxit, muối kim loại,… Khả năng này đƣợc phát hiện đầu tiên vào khoảng năm 1500 trƣớc công nguyên thời Ai Cập cổ đại, ngày nay chúng đƣợc sử dụng phổ biến trong các máy lọc nƣớc, khử mùi, thuốc khử độc trong y tế.
* Một số ứng dụng than hoạt tính:
Thí nghiệm xác định BET
2. Tỷ lệ phần trăm khí CO và CO2 sinh ra trong quá trình hoạt tính
a) mẫu Na13.900.2
Nhiệt
độ Thời gian %CO %CO2 Tỷ lệ
340 15h23' 0 1.45 0 530 15h58' 0 1.24 0 600 16h10' 6.42 16.69 0.384661 635 16h24' 8.52 15.14 0.562748 670 16h36' 9.91 14.02 0.706847 700 16h46' 11.32 13.2 0.857576 737 17h01' 14.98 13.13 1.140899 760 17h11' 18.43 15.16 1.215699 783 22' 25.84 19.04 1.357143 800 30' 28.26 20.28 1.393491 820 43' 30.88 21.08 1.464896 835 52' 32.23 20.6 1.564563 850 18h02' 34.68 20.75 1.671325 860 10' 37.81 21.23 1.78097 870 19' 39.36 21.18 1.858357 876 25' 39.43 21.45 1.838228 884 31' 41.38 21.17 1.954653 890 43' 42.78 20.67 2.069666 902 48' 43.7 20.21 2.162296 910 57' 42.6 20.21 2.107867 19h05' đạt nhiệt độ 920 19h06 43.07 19.12 2.252615 12' 45.15 18.36 2.45915 20' 45.43 17.85 2.545098 26' 45.34 17.18 2.639115 34' 45.56 16.57 2.749547 48' 45.21 15.21 2.972387 54' 44.31 14.13 3.135881 20h 43.6 14 3.114286 13' 33.13 14.52 2.28168 23' 42.13 12.7 3.317323 43' 42 11 3.818182
b) Mẫu K10.900.2 Thời gian(phut) Nhiệt độ CO CO2 CO/CO2 14.34 405 0.01 0.52 0.019231 14.42 453 0.03 0.75 0.04 14.43 458 0.15 2.44 0.061475 14.48 488 0.33 4.38 0.075342 14.53 528 0.38 3.98 0.095477 14.58 580 1.24 10.33 0.120039 15.14 619 5.25 13.63 0.38518 15.24 653 8.7 13 0.669231 15.34 688 10.6 12.8 0.828125 15.44 722 13.15 12.76 1.030564 15.55 751 15.16 13.12 1.155488 16.05 779 17.99 14.28 1.259804 16.15 803 21.59 15.6 1.383974 16.25 823 24.8 17.43 1.422834 16.35 843 29.42 18.51 1.589411 16.43 859 32.89 19.15 1.717493 16.48 869 33.75 20 1.6875 16.53 878 36.31 19.79 1.834765 16.58 887 38.25 20.48 1.867676 17.04 897 40.8 20.77 1.964372 17h10 906 42.26 21.4 1.974766 17.14 911 43.65 21.53 2.027404 17.19 916 45.91 21.27 2.158439 17.24 920 47.07 21.21 2.219236 17.29 920 47.14 21.54 2.188487 17.34 920 48.37 21.04 2.298954 13.38 920 49.24 20.83 2.363898 sau 4 phut 920 49.63 20.83 2.382621 920 49.63 20.98 2.365586 920 49.73 20.54 2.42113 920 49.54 20.25 2.44642 920 49.53 20.68 2.395068 920 50.29 19.7 2.552792 920 50.22 19.06 2.634837 920 50.5 18.93 2.667723 920 49.13 18.75 2.620267 920 49.17 17.81 2.760809 920 49.33 17.33 2.846509 920 49.37 16.74 2.949223
920 49.35 16.13 3.059516 920 49.5 15.5 3.193548 920 50.25 14.96 3.358957 920 41.33 13.66 3.025622 920 37.4 10.5 3.561905 920 47.02 12.95 3.630888 920 43.58 8.42 5.175772 920 46.39 9.6 4.832292 920 22.15 5.12 4.326172 14h49p tắt lò 920 51.5 10.83 4.755309 920 53.7 11.07 4.850949