1.1.3.1. Cỏc nguyờn liệu chớnh dựng để sản xuất THT
THT là một loại vật liệu carbon cú cấu trỳc mao quản, cú diện tớch bề mặt riờng cao và cú tớnh năng hấp phụ tốt. Nguồn nguyờn liệu để chế tạo THT khỏ đa dạng và phong phỳ: nguyờn liệu cú nguồn gốc từ thực vật như cỏc loại gỗ cõy, cỏc loại quả, sọ dừa, gỗ, mạt cưa, tre, luồng; nguyờn liệu cú nguồn gốc động vật như cỏc loại xương, thịt, da hay mỏu hoặc cỏc nguyờn liệu cú nguồn gốc húa thạch như than antraxit, than bựn, than nõu, than bỏn cốc, lignhin, dầu mỏ...[11], [14], [25], [40], [44], [46], [48], [50], [78].
1.1.3.2. Cỏc phương phỏp điều chế THT và THT siờu mịn
Để điều chế THT từ cỏc nguồn nguyờn liệu khỏc nhau cơ bản phải qua cỏc giai đoạn sau:
Than hoỏ: là quỏ trỡnh đốt chỏy khụng hoàn toàn, nhằm phõn hủy cỏc chất hữu cơ dễ bay hơi trong nguyờn liệu. Cỏc mao quản của THT được hỡnh thành chủ yếu trong giai đoạn này do sự bay hơi, phõn hủy của cỏc chất dễ bay hơi dưới 5000C để lại cỏc lỗ hổng. Kớch thước mao quản phụ thuộc rất nhiều vào bản chất nguyờn liệu ban đầu.
Để trỏnh hiện tượng tro hoỏ, quỏ trỡnh than hoỏ phải được thực hiện trong mụi trường khớ trơ, trong lũ yếm khớ hoặc chõn khụng. Cỏc điều kiện
cụng nghệ của quỏ trỡnh than húa là: nhiệt độ 3505000C; thời gian 35120 phỳt tuỳ vào nguyờn liệu ban đầu và cấu trỳc của lũ. Nhiệt độ than hoỏ quỏ cao làm cho than bị trơ khú hoạt hoỏ; Thời gian than húa kộo dài lượng mất mỏt sẽ lớn, hiệu quả than hoỏ thấp [6], [11], [31], [76], [78].
Hoạt hoỏ: hoạt hoỏ là quỏ trỡnh hoàn thiện mạng lưới tinh thể carbon dưới tỏc dụng nhiệt và tỏc nhõn hoạt hoỏ, tạo độ rỗng cho than bằng một hệ thống mao quản cú kớch thước khỏc nhau, ngoài ra cũn tạo ra cỏc tõm hoạt động trờn bề mặt THT.
Quỏ trỡnh hoạt hoỏ bao gồm cỏc phản ứng hoỏ học khụng hoàn toàn của carbon với tỏc nhõn hoạt hoỏ. Cú hai phương phỏp hoạt hoỏ chớnh như sau:
a/ Phương phỏp hoạt húa bằng húa chất
Đõy là phương phỏp được sử dụng đầu tiờn để hoạt hoỏ THT, cho đến nay vẫn cũn được sử dụng. Bản chất của phương phỏp là dựng cỏc hợp chất hoỏ học dễ phõn hủy, như: ZnCl2, K2CO3, Na2CO3, K2SO4, H3PO4...vv, tẩm
hoặc trộn với than, và gia nhiệt đến nhiệt độ phõn hủy. Cỏc chất khớ bay hơi thoỏt ra để lại cỏc chỗ khuyết tật trờn bề mặt và trong tinh thể carbon, hoặc bào mũn cỏc mao quản nhỏ thành cỏc mao quản lớn cú kớch thước mao quản lớn hơn, hoặc cỏc húa chất xen vào giữa cỏc lớp tinh thể tạo ra cỏc mao quản nhỏ [6], [21], [49], [78], [83], [87]. Theo phương phỏp này thường sau khi hoạt húa THT sẽ cũn dư lại cỏc hợp chất húa học trờn bề mặt, nờn THT cú thể mang tớnh axit hoặc bazơ tựy thuộc vào loại húa chất dựng trong quỏ trỡnh hoạt húa.
b/ Phương phỏp hoạt húa bằng khớ, hơi
Phương phỏp này cho năng suất cao, giỏ thành hạ, ớt ăn mũn thiết bị. Tỏc nhõn hoạt hoỏ thường dựng là khớ carbonic, hơi nước và oxy khụng khớ.
- Hoạt hoỏ bằng oxy khụng khớ: Đõy là phản ứng tỏa nhiệt, nhưng cần phải cung cấp nhiệt ban đầu để khơi mào phản ứng. Trờn bề mặt than thường cú một số nhúm chức, điều này thuận lợi cho việc điều chế than oxy hoỏ. Tựy mức độ hoạt húa, cú thể thu được sản phẩm cú tớnh chất bề mặt và phõn bố mao quản khỏc nhau để dựng trong xử lý khớ, tẩy mầu hoặc trao đổi ion ...
Quỏ trỡnh hoạt hoỏ cú thể được biểu diễn bằng phương trỡnh:
Nhiệt độ hoạt hoỏ cũng ảnh hưởng đến cơ chế phản ứng:
- Hoạt hoỏ bằng hơi nước: khi nhiệt độ đạt trờn 7500C hơi nước cú tớnh oxy hoỏ, phản ứng hoạt hoỏ than bằng hơi nước xảy ra theo phương trỡnh sau:
Cỏc phản ứng phụ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm khi hoạt húa bằng hơi nước là:
Hydro sinh ra sẽ ức chế quỏ trỡnh phản ứng, vỡ vậy phương phỏp này tạo ra THT cú mao quản nhỏ phỏt triển.
- Hoạt hoỏ bằng CO2: Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao (trờn 8500C). Phản ứng xảy ra theo hai cơ chế:
A:
Cn + O2 CO + Cn-1 + Q (thiếu oxy)
Cn + O2 CO2 + Cn-1 + Q (thừa oxy)
Cn + O2 CO + Cn-2 ở 8009000 C Cn + O2 CO2 + Cn-1 ở < 6000C Cn + H2O CO + Cn-1 + H2 - Q (Q= 31000 cal/mol) C + CO2 CO + C(O) C(O) CO C + H2O CO + H2 CO + C(O) CO2 + C
B:
Hoạt hoỏ bằng hơi nước và CO2 đũi hỏi phải cấp nhiệt liờn tục vỡ đú là phản ứng thu nhiệt. Sản phẩm khớ của phản ứng là CO2 và H2, hỗn hợp khớ này cú thể tận dụng lấy nhiệt cấp lại cho lũ. Vỡ thế, cú thể thiết kế xõy dựng lũ (lũ yờn ngựa) khụng dựng nhiờn liệu bờn ngoài.
c/ Phương phỏp điều chế than hoạt tớnh dạng siờu mịn
Để điều chế THT cú kớch thước nhỏ, người ta thường nghiền mịn THT được điều chế từ nguyờn liệu ban đầu là thực vật như gỏo dừa, gỗ, tre, nứa. Phương phỏp nghiền bi khụ kết hợp với hệ thống lọc thổi qua xyclon được ỏp dụng chủ yếu trong cụng nghệ chế tạo THT dạng bột. Phương phỏp này dựa trờn nguyờn tắc vừa nghiền, vừa thổi qua hệ xyclon và mỏy lọc điện. Phương phỏp này cú thể chế tạo được THT cú kớch thước đạt: 0,1 - 20 àm [31], [37], [47], [77].
Phương phỏp nghiền bi ướt được sử dụng nhiều ở Nhật Bản, mụi trường phõn tỏn, chống kết dớnh lại trong quỏ trỡnh nghiền là nước. Huyền phự THT thu được, sau đú được phủ lờn một lớp giấy thấm nước và phơi hoặc sấy khụ. Lớp THT trờn giấy được cho vào mỏy nghiền bi khụ nghiền lại, phương phỏp này cú thể tạo được THT cú kớch thước từ 0,1 - 20 àm [45], [83], [84], [85].
Cũng cú thể kết hợp phương phỏp nghiền bi với sa lắng, kết tủa tự nhiờn để thu được THT dạng mịn bằng cỏch vừa nghiền, vừa thổi cho dũng khớ mang than qua cỏc buồng chứa cỏc giàn lưới lọc cú phễu hứng. Với phương phỏp này, người ta thu được THT cú kớch thước từ 0,1 - 50 àm [77], [84].
Theo cụng bố [17], người ta đó sử dụng phương phỏp điều chế THT siờu mịn từ sợi bụng polime (cú kớch thước: 0,1 - 0,5àm) được xe lại thành sợi to