II. Cấu tạo của than hoạt tính:
4. Cẩu trúc bề mặt:
• Ngoài thành phần chính là cacbon. Trên bề mặt than hoạt tính luôn luôn có một lượng oxy liên kết hóa học với nguyên tử cacbon, phức chất của oxy trên than hoạt tính được gọi là các hợp chất bề mặt (hay các nhóm chức bề mặt). Tùy theo nguyên liệu xuất phát dùng để tạo nên than hoạt tính và quá trình hoạt hóa than mà tính chất và hàm lượng các nhóm chức có thể thay dổi.
• Bề mặt nguyên thủy của than hoạt tính không phân cực nên có ái lực mạnh với hợp chất hữu cơ không phân cực và có ái lực yếu đối với hợp chất hữu cơ phân cực. Nhưng các oxit bề mặt vẫn mang bản chảa kị nước của than. Chúng quyết định khả năng hấp phụ hơi nước và các chất có độ phân cực lớn khác trong không khí, khả năng hấp phụ từ pha lỏng của than hoạt tính đối với các chất có tính phân cực khác nhau cũng phụ thuộc váo nhóm chức bề mặt.
• Các nhóm chức bề mặt bao gồm hai loại: loại mang tính chất bazơ và loại mang tính chất axit. Chúng thể hiện ở khả năng biến đổi pH của dung dịch.
- Khi hấp phụ oxy ở nhiệt độ thường, trên bề mặt than hoạt tính sẽ tạo thành các oxít bề mặt mang tính bazơ, do sự hydrat hóa các oxít này sẽ tạo ra các nhóm hydroxit bề mặt - OH.
- Khi hấp phụ hóa học oxy ở nhiệt độ cao hơn (350oC – 450oC), trên bề mặt than hoạt tính sẽ tạo thành các oxít bề mặt có tính axit, khi hydrat
hóa sẽ tạo ra các nhóm cacboxylic bề mặt - COOH.
- Nếu nhiệt độ trong khoảng 300oC – 500oC, oxy không khí tác dụng với cacbon bề mặt than tương đối nhanh tạo thành các oxit có đặc tính axit. Nếu nhiệt độ dưới 300oC và trên 500oC thì tốc độ tạo oxit có đặc tính oxit rất nhỏ.
Ví dụ: khi hoạt hóa than với CO2 ở nhiệt độ cao trong chất hấp phụ sẽ xuất hiện nhóm chức bazơ, còn khi hoạt hóa than với O2 ở nhiệt độ thấp sẽ tạo ra nhiều nhóm chức axit hơn. Nhưng nói chung các nhóm chức thuộc cả hai loại đều cùng có trên một loại than.
• Oxy được hấp phụ lên than theo hai cơ chế hấp phụ hóa học và vật lý: - Hấp phụ vật lý (là do nguyên tử trên bề mặt vật rắn chưa bão hòa về lực hút, lực tương tác được sử dụng là lực giữa các phân tử). Xảy ra ở nhiệt độ 0oC – 100oC , trong pha khí không thấy có mặt các oxit của cacbon. Vì là hấp phụ vật lý nên ở nhiệt độ càng thấp sự hấp phụ càng tốt và cấu tạo electron của các phân tử bị hấp phụ thay đổi rất ít.
- Hấp phụ hóa học (các phân tử chất bị hấp phụ liên kết chặt chẽ với chất hấp phụ năng lượng liên kết cỡ 80 – 400 (KJ/mol) tương ứng với năng lượng liên kết hóa học thông thường nên có thể xem quá trình hấp phụ hóa học là phản ứng hóa học giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ) xảy ra ở nhiệt độ trên 200oC , trên bề mặt than có tạo thành các hợp chất có đặc tính axit, trong pha khí có mặt các oxit của cacbon. Như vậy trên bề mặt than hoạt tính có chứa các nhóm chức - OH, - COOH, ngoài ra còn chứa các nhóm chức kiểu phenol, lacton, quinon …