Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong sản xuất than hoạt tính từ vỏ hạt điều

• Tác giả: Võ Thị Diễm Kiều
• Người hướng dẫn: TS. Lý Cẩm Hùng
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Cải Tiến Quá Trình Than Hóa Để Sản Xuất Than Hoạt Tính Từ Vỏ Hạt Điều
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LV
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Than hoạt tính
• 1.2. Đặc điểm của than hoạt tính
• 1.3. Ứng dụng của than hoạt tính
• 1.4. Công nghệ sản xuất than hoạt tính
• 1.4.1. Quá trình than hóa
• 1.4.1.1. Sử dụng khí nitơ
• 1.4.1.2. Sử dụng cát (SiO2) hoặc là những hạt sỏi
• 1.4.2. Quá trình hoạt hóa
• 1.4.2.1. Phương pháp hoạt hóa vật lý
• 1.4.2.2. Phương pháp hoạt hóa hóa học
• 2. LÝ THUYẾT VỀ HẤP PHỤ
• 2.1. Các khái niệm và phân loại hấp phụ
• 2.2. Hấp phụ vật lý
• 2.3. Hấp phụ hóa học
• 2.4. Các dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt
• 2.5. Vỏ hạt điều và tình hình nghiên cứu điều chế than hoạt tính
• 2.5.1. Vỏ hạt điều
• 2.5.2. Tình hình nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều
• 2.5.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2.5.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Đối tượng nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị phục vụ nghiên cứu
• 3.2. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp điều chế than hoạt tính
• 3.3. Cơ sở lý thuyết quá trình nhiệt phân của vỏ hạt điều
• 4. NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN GIAI ĐOẠN THAN HÓA TRONG QUY TRÌNH ĐIỀU CHẾ THAN HOẠT TÍNH
• 4.1. Các phương pháp xác định và cách tiến hành
• 4.1.1. Xác định hàm lượng chất dễ bay hơi, hàm lượng cacbon, hàm lượng tro
• 4.1.2. Xác định hiệu suất trong quá trình than hóa và hoạt hóa
• 4.1.3. Xác định chỉ số Iot
• 4.1.4. Xác định chỉ số Methylen blue
• 4.1.5. Xác định nhóm chức, diện tích bề mặt riêng và hình thái bề mặt
• 4.2. Quá trình than hóa của quy trình sản xuất than hoạt tính trước đây
• 4.3. Quá trình cải tiến giai đoạn than hóa
• 4.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ T2
• 4.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt
• 4.4. Quá trình hoạt hóa
• 4.4.1. Đối với mẫu BBC
• 4.4.2. Đối với mẫu CC6
• 4.4.3. Đối với mẫu CC3
• 4.4.4. So sánh và đánh giá các mẫu đã hoạt hóa
• 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Quy trình sản xuất than hoạt tính dựa vào phương pháp hoạt hóa hơi nước trước đây
• 5.2. Quy trình sản xuất than hoạt tính cải tiến giai đoạn than hóa
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
• DANH SÁCH CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

I. Giới thiệu về than hoạt tính

Than hoạt tính là một vật liệu dạng cacbon đã được xử lý để tạo ra cấu trúc xốp, mang lại diện tích bề mặt lớn. Thành phần chính của than hoạt tính là cacbon, chiếm khoảng 85-95%, cùng với các nguyên tố khác như hidro, nitơ, lưu huỳnh và oxi. Cấu trúc xốp của than hoạt tính được hình thành trong quá trình carbon hóa và hoạt hóa, tạo ra các lỗ trống trong mạng tinh thể. Diện tích bề mặt và thể tích lỗ mao quản là những thông số quan trọng để đánh giá chất lượng của than hoạt tính. Cấu trúc hóa học của than hoạt tính cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ, với các nhóm chức như carboxyl và hydroxyl đóng vai trò quan trọng trong tính chất bề mặt. Việc hiểu rõ về cấu trúc và tính chất của than hoạt tính là cần thiết để cải tiến quy trình sản xuất.

II. Quy trình sản xuất than hoạt tính

Quy trình sản xuất than hoạt tính bao gồm hai giai đoạn chính: than hóa và hoạt hóa. Quá trình than hóa diễn ra trong môi trường không có oxy, thường sử dụng khí nitơ hoặc cát để đuổi oxy ra khỏi thể tích phản ứng. Giai đoạn hoạt hóa giúp phát triển lỗ xốp và tăng diện tích bề mặt của than. Có hai phương pháp hoạt hóa chính: hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học. Hoạt hóa vật lý thường sử dụng hơi nước hoặc CO2, trong khi hoạt hóa hóa học sử dụng các tác nhân như KOH hoặc H3PO4. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất của than hoạt tính. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

III. Cải tiến quá trình than hóa từ vỏ hạt điều

Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa từ vỏ hạt điều tập trung vào việc kiểm soát tốc độ chuyển hóa của hemicellulose và cellulose. Quá trình than hóa được chia thành ba giai đoạn với các tốc độ gia nhiệt khác nhau, giúp tối ưu hóa hiệu suất sản xuất than hoạt tính. Hơi nước được sử dụng làm tác nhân hoạt hóa ở nhiệt độ 850°C, cho phép tạo ra sản phẩm than hoạt tính có chất lượng tốt hơn so với các nghiên cứu trước đó. Kết quả cho thấy diện tích bề mặt riêng đạt 1170 m2/g, cho thấy sự kiểm soát hiệu quả trong quá trình sản xuất. Điều này không chỉ nâng cao chất lượng than hoạt tính mà còn mở ra cơ hội cho việc sản xuất quy mô công nghiệp.

IV. Ứng dụng và giá trị thực tiễn của than hoạt tính

Than hoạt tính từ vỏ hạt điều có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như dược phẩm, lọc nước và xử lý môi trường. Việc sản xuất than hoạt tính từ nguyên liệu rẻ tiền như vỏ hạt điều không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế cao mà còn góp phần giảm ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu này không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm từ vỏ hạt điều mà còn nâng cao giá trị kinh tế của nguyên liệu này. Sản phẩm than hoạt tính chất lượng cao có thể cạnh tranh trên thị trường, mở ra cơ hội cho các doanh nghiệp trong ngành công nghiệp chế biến và sản xuất than hoạt tính.

Tổng quan nghiên cứu

Việc tận dụng phế phẩm nông nghiệp để sản xuất than hoạt tính ngày càng được quan tâm do tiềm năng kinh tế và môi trường. Vỏ hạt điều, chiếm khoảng 50% khối lượng hạt điều, là nguồn nguyên liệu dồi dào sau khi ép lấy dầu nhưng hiện đang bị bỏ phí hoặc sử dụng làm nhiên liệu đốt, gây ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu cải tiến quá trình than hóa trong quy trình điều chế than hoạt tính từ vỏ hạt điều nhằm nâng cao chất lượng than hoạt tính, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm và tăng giá trị kinh tế cho ngành điều.

Mục tiêu chính của luận văn là kiểm soát tốc độ chuyển hóa của hemicellulose và cellulose trong quá trình than hóa để tạo ra than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng lớn, phù hợp cho các ứng dụng trong dược phẩm, lọc nước và công nghiệp. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7/2015 đến tháng 1/2016 tại phòng thí nghiệm của Viện Hàn Lâm Trung Quốc, sử dụng nguyên liệu vỏ hạt điều lấy từ nhà máy sản xuất nhân hạt điều tại Bình Phước.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải tiến quy trình than hóa với ba giai đoạn gia nhiệt khác nhau nhằm kiểm soát hiệu quả sự phân hủy các thành phần cấu tạo chính của vỏ hạt điều. Kết quả thu được than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng đạt 1170 m²/g, vượt trội so với các nghiên cứu trước đó (diện tích bề mặt thường dưới 1000 m²/g). Điều này không chỉ nâng cao hiệu quả kinh tế mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do xử lý phế phẩm vỏ hạt điều.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết nhiệt phân sinh khối: Quá trình nhiệt phân vỏ hạt điều diễn ra qua các giai đoạn phân hủy hemicellulose (200-270°C), cellulose (270-450°C) và lignin (>450°C). Việc kiểm soát nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc lỗ xốp và thành phần hóa học của than hoạt tính.

• Lý thuyết hấp phụ BET: Được sử dụng để xác định diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính dựa trên sự hấp phụ vật lý đa lớp của khí nitrogen trên bề mặt vật liệu.

• Mô hình hấp phụ Langmuir và Freundlich: Giúp phân tích đặc tính hấp phụ của than hoạt tính, từ đó đánh giá hiệu quả hấp phụ các chất ô nhiễm.

Các khái niệm chính bao gồm: than hóa (carbonization), hoạt hóa (activation), diện tích bề mặt riêng, thể tích lỗ xốp, chỉ số Methylen blue, chỉ số Iot, và nhóm chức bề mặt (carboxyl, phenolic, hydroxyl).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu vỏ hạt điều sau khi ép dầu lấy từ nhà máy tại Bình Phước. Các mẫu than hóa và than hoạt tính được phân tích bằng các thiết bị hiện đại như máy phân tích nhiệt trọng lực (TGA-DTG), máy đo diện tích bề mặt BET, phổ FTIR, máy UV-VIS.

• Phương pháp phân tích: Nghiên cứu tiến hành cải tiến giai đoạn than hóa bằng cách chia quá trình gia nhiệt thành ba giai đoạn với tốc độ gia nhiệt khác nhau (10°C/phút, 2°C/phút, 10°C/phút) và nhiệt độ chuyển tiếp T1 (200-270°C) và T2 (300-380°C) được khảo sát. Giai đoạn hoạt hóa sử dụng hơi nước ở 850°C với thời gian 30, 60, 90 phút.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mỗi thí nghiệm sử dụng 100 g nguyên liệu cho than hóa và 5 g than hóa cho hoạt hóa. Các điều kiện thí nghiệm được phân bố theo bảng thiết kế thí nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 6 tháng, từ tháng 7/2015 đến tháng 1/2016, bao gồm các bước chuẩn bị nguyên liệu, tiến hành than hóa, hoạt hóa, phân tích và đánh giá sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Kiểm soát nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt trong than hóa ảnh hưởng lớn đến chất lượng than hoạt tính: Khi nhiệt độ chuyển tiếp T1 được chọn là 200°C và T2 là 340°C với tốc độ gia nhiệt 2°C/phút, than hoạt tính thu được có diện tích bề mặt riêng đạt 1170 m²/g, cao hơn 20-30% so với các quy trình than hóa truyền thống (khoảng 900 m²/g).

2. Hiệu suất than hóa và hoạt hóa: Hiệu suất than hóa đạt khoảng 45-50%, trong khi hiệu suất hoạt hóa dao động từ 60-70% tùy thuộc vào thời gian hoạt hóa hơi nước. Thời gian hoạt hóa 60 phút cho hiệu suất và diện tích bề mặt tối ưu.

3. Chỉ số Methylen blue và Iot tăng rõ rệt: Than hoạt tính cải tiến có chỉ số Methylen blue đạt 250 mg/g, tăng 40% so với than hoạt tính sản xuất theo quy trình cũ (khoảng 180 mg/g). Chỉ số Iot cũng tăng từ 800 mg/g lên 1100 mg/g, chứng tỏ khả năng hấp phụ các phân tử lớn và nhỏ đều được cải thiện.

4. Phân tích nhóm chức và cấu trúc bề mặt: Phổ FTIR cho thấy sự gia tăng các nhóm chức oxy như carboxyl và phenolic trên bề mặt than hoạt tính cải tiến, góp phần tăng tính phân cực và khả năng hấp phụ. Hình ảnh SEM minh họa cấu trúc lỗ xốp phát triển đồng đều, kích thước lỗ xốp micropore chiếm ưu thế.

Thảo luận kết quả

Việc chia quá trình than hóa thành ba giai đoạn với tốc độ gia nhiệt được kiểm soát giúp kiểm soát hiệu quả sự phân hủy hemicellulose và cellulose, từ đó tạo ra cấu trúc lỗ xốp tối ưu cho than hoạt tính. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng tốc độ gia nhiệt cố định 10°C/phút, phương pháp cải tiến này làm tăng diện tích bề mặt riêng lên khoảng 30%, đồng thời cải thiện chỉ số hấp phụ.

Kết quả phù hợp với lý thuyết nhiệt phân sinh khối, khi kiểm soát nhiệt độ trong vùng phân hủy hemicellulose và cellulose giúp hạn chế sự phá hủy cấu trúc cacbon, tạo điều kiện cho sự phát triển lỗ xốp trong giai đoạn hoạt hóa bằng hơi nước. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, than hoạt tính từ vỏ hạt điều cải tiến có chất lượng tương đương hoặc vượt trội so với than hoạt tính từ các nguyên liệu lignocellulose khác như tre, trấu, mùn cưa.

Việc sử dụng hơi nước làm tác nhân hoạt hóa ở 850°C vừa đảm bảo hiệu quả tạo lỗ xốp vừa giảm thiểu chi phí và ô nhiễm so với các tác nhân hóa học như KOH hay NaOH. Các biểu đồ phân tích BET và FTIR minh họa rõ sự phát triển cấu trúc xốp và nhóm chức bề mặt, góp phần giải thích cơ chế tăng cường khả năng hấp phụ của than hoạt tính.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình than hóa cải tiến trong sản xuất công nghiệp: Khuyến nghị các nhà máy sản xuất than hoạt tính từ vỏ hạt điều áp dụng quy trình than hóa ba giai đoạn với tốc độ gia nhiệt kiểm soát để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng để điều chỉnh thiết bị và quy trình.

2. Sử dụng hơi nước làm tác nhân hoạt hóa chính: Ưu tiên sử dụng hơi nước thay vì các tác nhân hóa học nhằm giảm chi phí, hạn chế ăn mòn thiết bị và ô nhiễm môi trường. Thời gian hoạt hóa tối ưu là 60 phút ở 850°C.

3. Phát triển sản phẩm than hoạt tính ứng dụng trong lọc nước và dược phẩm: Đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính chất lượng cao trong xử lý nước sạch, hấp phụ các chất độc hại và làm nguyên liệu trong ngành dược phẩm. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ môi trường trong 1-2 năm tới.

4. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành nhà máy than hoạt tính về quy trình cải tiến, kiểm soát nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt. Thời gian đào tạo dự kiến 3-6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về quy trình sản xuất than hoạt tính từ nguyên liệu sinh khối, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất than hoạt tính và vật liệu lọc: Thông tin về quy trình cải tiến than hóa và hoạt hóa giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

3. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Nghiên cứu góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm từ phế phẩm nông nghiệp, hỗ trợ xây dựng chính sách thúc đẩy sử dụng vật liệu thân thiện môi trường.

4. Ngành công nghiệp dược phẩm và xử lý nước: Than hoạt tính chất lượng cao từ vỏ hạt điều có thể ứng dụng trong lọc nước, hấp phụ độc tố, hỗ trợ phát triển sản phẩm thân thiện và hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Quá trình than hóa cải tiến có điểm khác biệt gì so với quy trình truyền thống?
   Quá trình than hóa cải tiến chia làm ba giai đoạn với tốc độ gia nhiệt khác nhau nhằm kiểm soát sự phân hủy hemicellulose và cellulose, giúp tạo cấu trúc lỗ xốp tối ưu hơn. Điều này làm tăng diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính lên đến 1170 m²/g, cao hơn khoảng 30% so với quy trình truyền thống.

2. Tại sao sử dụng hơi nước làm tác nhân hoạt hóa thay vì KOH hay NaOH?
   Hơi nước là tác nhân hoạt hóa vật lý, có ưu điểm chi phí thấp, không gây ăn mòn thiết bị và ô nhiễm môi trường. Trong khi đó, KOH và NaOH là tác nhân hóa học có thể làm tăng chi phí và gây ăn mòn thiết bị, đồng thời cần xử lý chất thải hóa học.

3. Chỉ số Methylen blue và Iot phản ánh điều gì về than hoạt tính?
   Chỉ số Methylen blue thể hiện khả năng hấp phụ các phân tử lớn, còn chỉ số Iot phản ánh khả năng hấp phụ các phân tử nhỏ. Than hoạt tính cải tiến có chỉ số Methylen blue đạt 250 mg/g và chỉ số Iot 1100 mg/g, cho thấy khả năng hấp phụ đa dạng và hiệu quả.

4. Quy trình cải tiến có thể áp dụng cho các nguyên liệu sinh khối khác không?
   Có thể áp dụng nguyên tắc kiểm soát nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt trong than hóa cho các nguyên liệu lignocellulose khác như trấu, tre, mùn cưa để tối ưu cấu trúc lỗ xốp và nâng cao chất lượng than hoạt tính.

5. Thời gian hoạt hóa tối ưu là bao lâu?
   Thời gian hoạt hóa bằng hơi nước ở 850°C tối ưu là 60 phút, cân bằng giữa hiệu suất sản phẩm và diện tích bề mặt riêng. Thời gian ngắn hơn hoặc dài hơn đều làm giảm hiệu quả hoặc tăng chi phí.

Kết luận

• Luận văn đã thành công trong việc cải tiến quy trình than hóa bằng cách kiểm soát nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt trong ba giai đoạn, giúp tăng diện tích bề mặt riêng than hoạt tính lên 1170 m²/g.
• Sử dụng hơi nước làm tác nhân hoạt hóa ở 850°C trong 60 phút tạo ra than hoạt tính có chỉ số hấp phụ Methylen blue và Iot cao, phù hợp cho các ứng dụng lọc nước và dược phẩm.
• Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao giá trị kinh tế của phế phẩm vỏ hạt điều, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
• Quy trình cải tiến có thể được áp dụng trong sản xuất công nghiệp với chi phí hợp lý và hiệu quả cao.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm chuyển giao công nghệ, đào tạo nhân lực và nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính trong các lĩnh vực môi trường và y tế.

Hành động tiếp theo là triển khai quy trình cải tiến tại quy mô nhà máy và mở rộng nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính chất lượng cao từ vỏ hạt điều.