Trong đề tài này chúng tôi chọn than hoạt tính làm chất mang, do than hoạt tính là chất có diện tích bề mặt, kích thƣớc lỗ lớn và có khả năng hấp phụ tốt, giá thành rẻ.
Than hoạt tính là một dạng của cacbon đã đƣợc xử lý để mang lại một cấu trúc rất xốp, do đó có diện tích bề mặt rất lớn. Than hoạt tính là chất hấp phụ quý và linh hoạt, đƣợc sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích nhƣ loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn và các tạp chất hữu cơ, vô cơ trong nƣớc thải công nghiệp và sinh hoạt, thu hồi dung môi, làm sạch không khí, trong kiểm soát ô nhiễm không khí từ khí thải công nghiệp và khí thải động cơ, trong làm sạch nhiều hóa chất, dƣợc phẩm, sản phẩm thực phẩm và nhiều ứng dụng trong pha khí. Chúng đƣợc sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng, bạc, và các
18
kim loại khác, làm chất mang xúc tác. Chúng cũng đƣợc biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học, đƣợc sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số bệnh nhất định.
a. Các đặc trưng, tính chất của than hoạt tính Trà Bắc
Cacbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lƣợng khoảng 85 – 95%. Bên cạnh đó than hoạt tính còn chứa các nguyên tố khác nhƣ hidro, nitơ, lƣu huỳnh và oxi. Các nguyên tử khác loại này đƣợc tạo ra từ nguồn nguyên liệu ban đầu hoặc liên kết với cacbon trong suốt quá trình hoạt hóa và các quá trình khác. Thành phần các nguyên tố trong than hoạt tính thƣờng là 88% C, 0.5% H, 0.5% N, 1%S, 6 – 7% O. Than hoạt tính thƣờng có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 1.000 đến 2.500 m2/g.
*Cấu trúc xốp của bề mặt 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/cm 3) và mức độ graphit hoá thấp.
Lỗ xốp của than hoạt tính có 3 loại, bao gồm lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn. Mỗi nhóm này thể hiện một vai trò nhất định trong quá trình hấp phụ. Lỗ nhỏ chiếm diện tích bề mặt và thể tích lớn, do đó đóng góp nhiều vào khả năng hấp phụ của than hoạt tính, miễn là kích thƣớc phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn để có thể 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.
Trong đề tài này, than hoạt tính Trà Bắc đƣợc sử dụng làm chất mang. Than hoạt tính của công ty cổ phần Trà Bắc đƣợc sản xuất từ than sọ dừa dạng hạt, theo phƣơng pháp vật lý, hoạt hóa bằng hơi nƣớc quá nhiệt từ 850oC đến 950 oC. Chất lƣợng sản phẩm đƣợc kiểm soát chặt chẽ trong quá trình hoạt hóa. Than hoạt tính sọ dừa đƣợc sử dụng chủ yếu để hấp phụ chất khí và chất lỏng trong các ngành công nghiệp: dầu mỏ, hóa chất, y dƣợc, luyện vàng, chế biến thực phẩm, lọc nƣớc, xử lý khí bị ô nhiễm…; có tác dụng tinh chế, khử mùi vị lạ, thu hồi các kim loại quý, làm chất xúc tác, mặt nạ phòng độc, đầu lọc thuốc lá…
* Đặc tính kĩ thuật của than hoạt tính Trà Bắc:
- Tỷ trọng: 520-550 kg/m3
- Hình dạng: Dạng hạt màu đen, hạt không định hình, khô, rời. - Cỡ hạt: 0,075 mm đến 4,75 mm
19
Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật than hoạt tính Trà Bắc
Thông số kĩ thuật Đơn vị Giá trị
Chỉ số iod mg/g 850 Độ hấp phụ CCl4 % 40 - 60 Benzene % 23 - 33 Methylene Blue ml/g 130 - 170 Chỉ số độ cứng % >=95 Độ tro % 2 - 5 Độ ẩm % =< 6 pH 7 – 8
b. Một số phương pháp hoạt hoá bề mặt của than hoạt tính
Đặc điểm quan trọng và thú vị nhất của than hoạt tính là bề mặt có thể biến tính thích hợp để thay đổi đặc điểm hấp phụ và làm cho than trở nên thích hợp hơn trong các ứng dụng đặc biệt. Sự biến tính bề mặt than hoạt tính có thể đƣợc thực hiện bằng sự tạo thành các dạng nhóm chức bề mặt khác nhau. Các nhóm chức này bao gồm các nhóm chức oxy - cacbon đƣợc tạo thành khi oxy hóa bề mặt than với các khí hoặc các dung dịch oxy hóa. Nhóm chức bề mặt cacbon - hydro tạo thành bằng quá trình xử lý than hoạt tính với khí hydro ở nhiệt độ cao. Nhóm chức cacbon - lƣu huỳnh bằng quá trình xử lý than hoạt tính với lƣu huỳnh nguyên tố, CS2, H2S, SO2. Cacbon - nitơ trong quá trình xử lý than hoạt tính với amoniac. Cacbon - halogen đƣợc tạo thành bằng quá trình xử lý than hoạt tính với halogen trong pha khí hoặc dung dịch. Vì các nhóm chức này đƣợc liên kết và đƣợc giữ ở cạnh và góc của lớp vòng thơm, và bởi vì thành phần các cạnh và góc này chủ yếu là bề mặt hấp phụ, nên ngƣời ta hi vọng khi biến tính, than hoạt tính sẽ thay đổi đặc trƣng hấp phụ và tƣơng tác hấp phụ của các than hoạt tính này. Thêm vào đó, sự biến tính bề mặt than cũng đƣợc thực hiện bằng quá trình khử khí và bằng việc mang kim loại lên bề mặt.
- Biến tính than hoạt tính bằng Nitơ
- Biến tính bề mặt than hoạt tính bằng Halogen - Biến tính bề mặt than bằng sự lƣu huỳnh hóa - Biến tính than hoạt tính bằng cách tẩm
20