Than hoạt tính là một thuật ngữ thường được sử dụng cho một nhóm các chất hấp phụ dạng tinh thể, có cấu trúc dạng mao quản làm cho diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ tốt hơn. Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon, chiếm từ 85 đến 95% khối lượng. Phần còn lại là các nguyên tố khác như hydro, nitơ, lưu huỳnh, oxi,… có sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong quá trình hoạt hóa.
Trang 21
Thành phần của than hoạt tính thông thường là: 88% C; 0,5% H; 0,5% N; 1% S và 6- 7% O. Hàm lượng oxi có thể thay đổi từ 1 đến 20% tùy thuộc vào nguyên liệu và cách điều chế than hoạt tính.
Than hoạt tính có diện tích bề mặt khoảng 800 – 1500 m2/g chủ yếu là do các lỗ nhỏ có bán kính dưới 2 nm tạo ra, thể tích mao quản từ 0,2 – 0,6 cm3/g. Mỗi năm khoảng 150 nghìn tấn than hoạt tính dạng bột được sản xuất, cùng với khoảng 150.000 tấn than dạng hạt và 50.000 tấn dạng viên hoặc thanh.
Mao quản trong than hoạt tính
- Micropore (mao quản nhỏ): những mao quản có bán kính nhỏ hơn 2 nm. - Mesopore (mao quản trung): những mao quản có bán kính từ 2-50 nm. - Macropore (mao quản lớn): những mao quản có bán kình trên 50 nm.
Than hoạt tính có mao quản lớn thường được sử dụng để vận chuyển chất lỏng còn việc hấp phụ thường sử dụng than hoạt tính có các mao quản vừa và nhỏ. Than hoạt tính chế tạo từ than bùn có cả mao quản trung và nhỏ. Trong quá trình sản xuất có thể điều khiển được quá trình hình thành mao quản trung–nhỏ và tạo ra nhiều mao quản trung cho than hoạt tính có nhiều ứng dụng. Than hoạt tính dạng bột có chứa nhiều mao quản trung. Than hoạt tính loại này có các mao quản trung kích thước 1-4 nm, cùng với các mao quản trung lớn hơn, gần như là dạng bột.
Than hoạt tính chế tạo từ than đá cũng có cả mao quản nhỏ và trung. Một trong những loại than phổ biến nhất trên thị trường có cỡ hạt khoảng 0,4-1,4 mm.
Một loại than mới được sử dụng và ngày càng được dùng nhiều có cỡ hạt nhỏ hơn, khoảng 0,40 – 0,85 mm.
Than hoạt tính sản xuất từ vỏ dừa chỉ có cấu trúc mao quản nhỏ, kích thước dưới 1 nm. Than hoạt tính chế tạo bằng hoạt hóa hóa học có độ xốp cao hơn nhiều so với việc hoạt hóa bằng hơi nước, tạo ra được nhiều mao quản nhỏ và trung.
Kích thước hạt
Trang 22 - Phương pháp hiển vi điện tử;
- Phương pháp hấp phụ lên bề mặt;
Vì kích thước và diện tích bề mặt các hạt than khác nhau nên trong tính toán thường lấy giá trị trung bình.
Phương pháp xác định trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử cho giá trị đường kính trung bình hạt than với các phương pháp sản xuất khác nhau. Người ta đã đưa ra công thức tính đường kính trung bình của hạt than hoạt tính như sau:
Dn = n*dn Trong đó: n – số hạt;
d – đường kính hạt.
Kích thước hạt cũng được xác định bằng phương pháp gián tiếp nhờ phương pháp hấp phụ theo B.E.T.
Diện tích bề mặt riêng
Hai phương pháp thường dùng để xác định diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính là:
- Phương pháp tính toán hình học;
- Phương pháp tính toán theo lượng chất lỏng phân tử thấp hoàn toàn trơ hóa học với than hoạt tính nhưng được hấp phụ lên bề mặt của than hoạt tính;
Theo phương pháp thứ nhất, các kích thước hình học của than hoạt tính được xác định bằng kính hiển vi điện tử. Nếu chấp nhận các hạt than hoạt tính có dạng khối cầu và bề mặc các hạt than phẳng nhẵn tuyệt đối thì diện tích bề mặt riêng Sh được tính theo công thức:
Sh = 6ρ.DA
Trong đó: ρ – khối lượng riêng của than hoạt tính; DA – đường kính bề mặt trung bình hạt than;
DA = n.d3n .d2 Trong đó: n – số hạt;
Trang 23
Diện tích bề mặt riêng xác định theo phương pháp này gọi là diện tích bề mặt hình học riêng (Sh ).
Theo phương pháp thứ hai, diện tích bề mặt riêng được xác định theo lượng chất lỏng phân tử thấp hoàn toàn trơ hóa học với than hoạt tính nhưng hấp phụ lên bề mặt than hoạt tính. Trong số chất lỏng phân tử thấp, thường dùng là nitơ ở nhiệt độ sôi của nó hay các dung dịch iot, phenol,… Diện tích riêng bề mặt được tính toán bằng phương pháp này gọi là diện tích hấp phụ riêng Sp. Giá trị Sp cho mỗi chất lỏng hấp phụ khác nhau thì khác nhau vì chất lỏng phân tử lượng lớn hơn thì khả năng hấp phụ kém hơn. Để đánh giá mức độ phẳng nhẵn bề mặt các cấu trúc than có thể sử dụng tỷ số giữa diện tích hấp phụ riêng và diện tích bề mặt hình học riêng. Tỷ số này càng lớn bề mặt tiếp xúc giữa hai pha càng cao.