1.3.1 Than hoạt tính
Việc sử dụng than (cacbon) đã được biết đến từ rất lâu. Nguồn gốc của nó không thể tìm thấy trong tài liệu nào. Việc dùng than hoa để lọc nước uống đã được tổ tiên người Hindu ở Ấn Độ áp dụng, than gỗ được sử dụng như chất hấp phụ thuốc và làm sạch được người Ai Cập biết đến trước năm 1500 trước Công nguyên.
Ngành công nghiệp sản xuất cacbon hoạt tính hiện đại được thành lập từ năm 1990-1991 để thay thế cho than-xương (bone-char) dùng trong làm trắng đường. Than hoạt tính dạng bột (PAC) lần đầu tiên được sản xuất thương mại (từ gỗ) ở châu Âu từ đầu thế kỷ 19 và đã được sử dụng rộng dãi trong ngành công
25
nghiệp sản xuất đường. Than hoạt tính dùng để xử lý nước được báo cáo lần đầu tiên ở Mỹ vào năm 1930.
Than hoạt tính là dạng thô của gra-phit với cấu trúc ngẫu nhiên và vô định hình với nhiều lỗ (khoảng trống) với kích thước khác nhau từ những vết nứt nhìn thấy được đến những vết chỉ với kích thước của phân tử. Than hoạt tính được sản xuất từ than dừa, than gỗ, chất gỗ li-nhin, than cốc, than xương, than bùn, mùn cưa, than đen, vỏ trấu, mía, hạt đào, cá, phế phẩm phân bón, phế phẩm lốp cao su,…. Gỗ (130000 tấn/năm), than (100000 tấn/năm), li-nhin (50000 tấn/năm), vỏ dừa (35000 tấn/năm) và than bùn (35000 tấn/năm) là những nguyên liệu được dùng phổ biến nhất [4].
Bề mặt hóa học của Cacbon đã được xem xét. Bề mặt này phụ thuộc vào điều kiện hoạt hóa và nhiệt độ. Sự hoạt hóa làm cải tiến cấu trúc xơ rỗng. Các vi
cấu trúc rỗng này làm tăng diện tích tiếp xúc lên tới 2000 m2/g. Theo phân loại
của Steenberg thì có cacbon được hoạt hóa bằng axit và cacbon được hoạt hóa bằng ba-zơ. Nhóm hoạt hóa bằng axit hấp phụ các ion kim loại. Diện tích bề mặt lớn có thể không phải là yếu tố tiên quyết cho sự hấp phụ của cacbon hoạt tính. Diện tích bề mặt lớn không đồng nghĩa với khả năng hấp phụ lớn.
Sự hấp phụ các ion kim loại trên cacbon phức tạp hơn hấp phụ các chất hữu cơ vì việc loại các ion này ảnh hưởng đến giải pháp loại asen. Khả năng hấp phụ phụ thuộc vào các thuộc tính của cacbon hoạt tính, thuộc tính của các chất hoạt hóa, pH, nhiệt độ, độ mạnh của ion, … Rất nhiều cacbon hoạt tính được sản xuất thương mại nhưng chỉ rất ít trong số chúng có thể chọn để loại bỏ các kim loại nặng. Và chúng cũng rất đắt. Bất chấp tính đa dụng của cacbon trong việc xử lý nước, giá thành của nó vẫn còn đắt, và đòi hỏi một số lượng lớn cacbon hoạt tính. Các nguyên liệu cải tiến và tương đương đã được tìm kiếm. Các nguyên liệu thay thế này phải sẵn có, rẻ và trên hết là phải dễ sản xuất nhằm đáp ứng khả năng thay thế.
26
Eguez và Cho [4] đã nghiên cứu sự hấp phụ As(III) và As(V) ở than hoa hoạt tính trong điều kiện pH và nhiệt độ khác nhau. Khả năng hấp phụ As (III) trên cacbon là không đổi trong điều kiện pH từ 0.16-3.5. Tuy nhiên, với As (V) thì khả năng hấp phụ tốt nhất ở điều kiện pH=2.35 (trong dải pH từ 0.86-6.33). Nhiệt lượng dành cho hấp phụ As (III) dao động từ 4-0.75 kcal/mol và cho As (V) là từ 4-2 kcal/mol với điều kiện diện tích tiếp xúc tăng dần. Điều này chỉ ra rằng hấp phụ vật lý xảy ra vì lực Van der Waals yếu. Than hoa hoạt tính hấp phụ 2.5% (tổng khối lượng than -wt) As(V) và 1.2wt.% As(III) (dựa trên trọng lượng
của cacbon) ở điều kiện nồng độ cân bằng 2.2×10-2 M cho cả As(III) và As(V).
Ba loại than hoạt tính với thành phần tro khác nhau đã được nghiên cứu khả năng hấp phụ As: than vỏ dừa với 3% tro, cacbon từ than bùn với 5% tro, cacbon từ than đá với 5-6% tro. Than có hàm lượng tro càng nhiều thì khả năng hấp phụ As (V) càng lớn. Than được tiền xử lý cùng với Cu (II) làm tăng khả năng hấp phụ As. Độ pH tối ưu để hấp phụ As với than tiền xử lý với Cu là xấp xỉ 6. As trong các muối kim loại không tan tạo thành các asenat cùng với Cu. Đồng thời thì As cũng bị hấp phụ bởi cacbon. As được tách ra bằng các axit mạnh hoặc alkaline [4].
As được hấp phụ trên than hoạt tính được xử lý cùng với Cu và Ag. Sự kết hợp của than hoạt tính dạng bột và than cuộn thép loại bỏ asen trong nước. Khả năng hấp phụ của dạng cuộn thép là do các tương tác electron hóa học của các gốc As và sắt.
Các loại than hoạt tính được sản xuất bằng cách cacbon hóa ở nền nhiệt
tăng chậm và hiếm khí dưới 6000 C. Việc này loại bỏ các chất dễ bay hơi. Tiếp
theo là công đoạn hoạt hóa vật lý hoặc hóa học. Xử lý cùng với các phần tử oxi-
hóa (hơi nước, CO2, hoặc O2) ở nhiệt độ thích hợp hoặc với các phần tử hoạt hóa
(ZnCl2, H2PO4, H2SO4, KOH, K2S, KCNS, …) sẽ hoàn thiện quá trình hoạt hóa.
Các phần tử hoạt hóa hóa học có thể tạo ra các liên kết chéo và từ đó hình thành thể cứng, dễ bay hơi khi còn lượng nhỏ ở nhiệt độ cao. Ưu điểm của hoạt hóa hóa
27
học là hoạt hóa hóa học ở nhiệt độ thấp đem lại kết quả tổng thể cao hơn vì không cần quá trình đốt than. Quá trình hậu hoạt hóa sẽ loại bỏ các thành phần thừa (có thể được tái sử dụng) [4].