CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.5 Than hoạt tính
1.5.1 Đặc điểm chung
Có rất nhiều định nghĩa về than hoạt tính, tuy nhiên có thể nói chung rằng, than hoạt tính là một dạng của car on đã đƣợc xử lý để mang lại một cấu trúc rất xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn.
Carbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lƣợng khoảng 85 – 95%. Bên cạnh đó than hoạt tính cịn chứa các ngun tố khác nhƣ hidro, nitơ, lƣu huỳnh và oxi. Các nguyên tử khác loại này đƣợc tạo ra từ nguồn nguyên liệu an đầu phần các nguyên tố trong than hoạt tính thƣờng là 88% C, 0.5% H, 0.5% N, 1%S, 6 – 7% O. Tuy nhiên hàm lƣợng oxy trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1 - 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu an đầu, cách điều chế. Than hoạt tính thƣờng có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0.2 đến 0.6cm3/g. Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2nm. Than hoạt tính chủ yếu đƣợc điều chế bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô chứa carbon ở nhiệt độ nhỏ hơn 10000C.
Hiện nay, than hoạt tính đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong hầu khắp mọi lĩnh vực khoa học, quân sự và đời sống. Tùy theo mục đích sử dụng, hiện có một số loại
37
than hoạt tính nhƣ sau: Than lọc khí - hơi, than tẩy màu, than lọc nƣớc, than trao đổi ion,…ở dạng hạt dập, hạt ép hoặc dạng bột.
1.5.2 Cấu trúc của than hoạt tính
Cấu trúc tinh thể
Theo các kết quả nghiên cứu của Rơngen thì than hoạt tính đƣợc cấu trúc bởi các vi tinh thể carbon. Các vi tinh thể này liên kết với nhau tạo thành các lớp, trong các lớp nguyên tử carbon xếp thành hình 6 cạnh. Tuy nhiên trong than hoạt tính, các lớp vi tinh thể sắp xếp khơng có trật tự nhƣ cấu trúc mạng lƣới tinh thể của graphít.
Hình 1.11Hình minh họa cấu trúc than hoạt tính. Phân bố lỗ xốp trong than hoạt tính Phân bố lỗ xốp trong than hoạt tính
Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể và với liên kết ngang bền giữa chúng, làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp khá phát triển. Chúng có tỷ trọng tƣơng đối thấp (nhỏ hơn 2g/cm3) và mức độ graphit hóa thấp. Theo Dubinin và Zaveria, than hoạt tính vi lỗ xốp đƣợc tạo ra khi mức độ đốt cháy (burn-off) nhỏ hơn 50% và than hoạt tính lỗ macro khi mức độ đốt cháy là lớn hơn 75% . Khi mức độ đốt cháy trong khoảng 50 – 75% sản phẩm có hỗn hợp cấu trúc lỗ xốp chứa tất cả các loại lỗ. Nói chung than hoạt tính có bề mặt riêng phát triển và thƣờng đƣợc đặc trƣng ằng cấu trúc nhiều đƣờng mao dẫn phân tán, tạo nên từ các lỗ với kích thƣớc và hình dạng khác nhau.
Than hoạt tính có lỗ xốp từ 1 nm đến vài nghìn nm. Du inin đề xuất một cách phân loại lỗ xốp đã đƣợc IUPAC chấp nhận. Sự phân loại này dựa trên chiều rộng của
38
chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạng ống. Các lỗ đƣợc chia thành 3 nhóm, lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn.
Bảng 1.6 Phân loại lỗ xốp Lỗ nhỏ Lỗ trung Lỗ lớn Lỗ nhỏ Lỗ trung Lỗ lớn Thể tích lỗ (cm3/g) 0.15 – 0.7 0.1 - 0.2 0.2 – 0.4 Diện tích bề mặt riêng
Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích bề mặt của than hoạt tính.
Diện tích bề mặt của lỗ này chiếm không quá 5% tổng diện tích bề mặt của than. Diện tích bề mặt rất nhỏ và khơng vƣợt q 0.5m2/g Bán kính 0.7 đến 1.6nm Bán kính hiệu dụng từ 2 đến 50 nm Bán kính hiệu dụng lớn hơn 50nm và thƣờng trong khoảng 500- 2000nm Ý nghĩa Lỗ nhỏ chiếm 1 diện tích bề mặt và thể tích lớn do đó đóng góp lớn vào khả năng hấp phụ của than hoạt tính, miễn là kích thƣớc phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để đi vào lỗ nhỏ. Lỗ nhỏ đƣợc lấp đầy ở áp suất hơi tƣơng đối thấp trƣớc khi bắt đầu ngƣng tụ mao quản.
Lỗ trung đƣợc lấp đầy ở áp suất hơi tƣơng đối cao với sự xảy ra ngƣng tụ mao quản. Lỗ lớn có thể cho phân tử chất bị hấp phụ di chuyển nhanh tới lỗ nhỏ hơn
Cấu trúc hóa học của bề mặt
Khả năng hấp phụ của than hoạt tính đƣợc quyết định bởi cấu trúc vật lý và lỗ xốp của chúng nhƣng cũng ị ảnh hƣởng mạnh bởi cấu trúc hóa học. Thành phần quyết định của lực hấp phụ lên bề mặt than là thành phần không tập trung của lực Van der Walls. Trong graphit, quá trình hấp phụ đƣợc quyết định chủ yếu bởi thành phần phân tán của lực London. Trong trƣờng hợp than hoạt tính, sự phức tạp của các cấu trúc vi tinh thể, do sự có mặt của các lớp graphit cháy khơng hồn tồn trong cấu
39
trúc, gây ra biến đổi về sự sắp xếp các electron trong khung carbon và kết quả là tạo ra các electron độc thân và hóa trị khơng ão hòa điều này ảnh hƣởng đến đặc điểm hấp phụ của than hoạt tính đặc biệt là đối với các hợp chất phân cực và có thể phân cực.
Hợp chất bề mặt
Trên bề mặt than hoạt tính ln có một lƣợng oxy liên kết hố học với nguyên tử carbon, ngay cả khi gia cơng tinh khiết nhất thì than hoạt tính cũng chứa từ 1 đến 2% oxy.
Theo Du inin và Serpinsky, khi hàm lƣợng oxy từ 2 đến 3% thì phần đƣợc phủ bởi đơn lớp oxy chiếm 4% diện tích bề mặt than hoạt tính. Một số tác giả khác cho rằng hàm lƣợng oxy lớn (khoảng 12%) thì phần diện tích đƣợc phủ bởi đơn lớp oxy sẽ đạt từ 19 đến 20%.
Các oxit bề mặt ảnh hƣởng không đáng kể tới khả năng hấp phụ hơi Benzen nhƣng làm dịch chuyển đƣờng đẳng nhiệt hấp phụ về phía áp suất thấp.
1.5.3 Cơ chế hấp phụ của than hoạt tính
Cơ chế làm việc của than hoạt tính bao gồm 2 giai đoạn là lọc thơ và hấp phụ. Ở giai đoạn đầu, các tạp chất, các chất hữu cơ kích thƣớc lớn đƣợc giữ lại trên bề mặt than do chúng lớn hơn đƣờng kính của lỗ xốp. Giai đoạn tiếp theo là giai đoạn hấp phụ, các phân tử hữu cơ nhỏ, các ion kim loại nặng đƣợc hấp phụ vào bề mặt hệ thống lỗ xốp của than. Những lỗ xốp có kích thƣớc macro (>50nm) có nhiệm vụ vận chuyển chất hấp phụ tới những lỗ xốp meso và micro. Ở những lỗ xốp micro cơ chế hấp thụ là lấp đầy, lực hấp phụ ở đây rất lớn do hiệu ứng nhân đơi của 2 thành ống. Cịn ở những lỗ xốp meso (2<d<50nm) thì cơ chế hấp phụ là ngƣng tụ mao quản.
40