MỞ ĐẦU Hiện nay, tình hình ô nhiễm nguồn nƣớc nói chung và nguồn nƣớc sinh hoạt nói riêng bởi asen và amoni là vấn đề mà toàn xã hội quan tâm khi nhu cầu về chất lƣợng cuộc sống ngày càng cao. Theo các nghiên cứu gần đây hàm lƣợng asen cũng nhƣ amoni xác định đƣợc trong các nguồn nƣớc vƣợt chỉ tiêu cho phép đến 6 lần hoặc cao hơn. Điều này ảnh hƣởng nghiêm trọng đến trực tiếp sức khoẻ của con ngƣời. Chúng gây ra rất nhiều loại bệnh nguy hiểm nhƣ ung thƣ da, ung thƣ bàng quang, ung thƣ gan và các bệnh về hô hấp.
Đây là vấn đề đáng báo động đang đƣợc quan tâm đặc biệt. Vì vậy việc loại bỏ amoni và asen ra khỏi các nguồn nƣớc ăn uống và sinh hoạt xuống dƣới ngƣỡng cho phép đã đƣợc nghiên cứu và đạt đƣợc nhiều thành công đáng kể. Nhiều loại vật liệu cũng đã đƣợc phát hiện để ứng dụng trong lĩnh vực này. Trong đó than hoạt tính cũng đƣợc đề cập nhƣ một loại vật liệu tiềm năng để ứng dụng và xử lý các loại chất độc hại này.
Than hoạt tính từ lâu đã đƣợc sử dụng để làm sạch nƣớc. Tuy nhiên ứng dụng của nó trong xử lý nƣớc mới chỉ dừng lại ở việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ và một số các thành phần không phân cực có hàm lƣợng nhỏ trong nƣớc. Với mục đích khai thác tiềm năng ứng dụng của than hoạt tính trong việc xử lý nƣớc sinh hoạt. Đặc biệt một lĩnh vực còn rất mới đó là dùng than hoạt tính loại bỏ các cation và anion trong nƣớc.
Đồng thời trên cơ sở đó có thể so sánh đƣợc khả năng hấp phụ với các chất hữu cơ ít phân cực đại diện là xanh metylen. Vì vậy chúng tôi đã chọn và thực hiện đề tài “ Nghiên cứu biến tính than hoạt tính làm vật liệu hấp phụ xử lý amoni và kim loại nặng trong nƣớc”. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt 1.
Than hoạt tính Than hoạt tính là chất hấp phụ quí và linh hoạt. Chúng đƣợc sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích nhƣ loại bỏ màu, mùi, vị không mong muốn. Chúng dùng để loại bỏ các tạp chất vô cơ, hữu cơ trong nƣớc thải công nghiệp, sinh hoạt hoặc trong việc thu hồi dung môi, làm sạch không khí. ngoài ra chúng đƣợc sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực luyện kim để thu hồi vàng, bạc và các kim loại khác.
Đôi khi sử dụng chúng nhƣ những chất mang xúc tác. Chúng cũng đƣợc biết đến trong nhiều ứng dụng trong y học : sử dụng để loại bỏ các độc tố và vi khuẩn của một số bệnh nhất định. Nhƣ vậy than hoạt tính có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Nó đƣợc sử dụng rộng rãi trong sản xuất cũng nhƣ trong các lĩnh vực đời sống thƣờng ngày để nhằm nâng cao sức khỏe cho con ngƣời cũng nhƣ nhằm phát triển nền kinh tế quốc dân.
Ứng dụng của than hoạt tính trong đời sống 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 hiđro, 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 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Tuy nhiên hàm lƣợng oxi trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1 - 20% phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu và cách điều chế. Than hoạt tính thƣờng có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến 1500 m2/g và thể tích lỗ xốp từ 0,2 đến 0,6 cm3/g. Diện tích bề mặt than hoạt tính chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2 nm tạo thành. Cấu trúc xốp của bề mặt than hoạt tính Than hoạt tính với sự sắp xếp ngẫu nhiên của các vi tinh thể làm cho than hoạt tính có một cấu trúc lỗ xốp tƣơng đối lớn.
Chúng có tỷ trọng tƣơng đối thấp (nhỏ hơn 2 g/cm3) và mức độ graphit hóa thấp. Cấu trúc bề mặt này đƣợc tạo ra trong quá trình than hóa và phát triển hơn trong quá trình hoạt hóa. Quá trình hoạt hóa làm tăng thể tích và làm rộng đƣờng kính lỗ của than. Cấu trúc lỗ và sự phân bố cấu trúc lỗ của chúng đƣợc quyết định chủ yếu từ bản chất nguyên liệu ban đầu và phƣơng pháp than hóa.
Sự hoạt hóa cũng loại bỏ cacbon không phải trong cấu trúc và làm lộ ra các tinh thể dƣới sự hoạt động của các tác nhân hoạt hóa làm cho số lƣợng cấu trúc vi lỗ xốp tăng lên. Trong pha sau cùng của phản ứng, sự mở rộng đƣờng kính của các lỗ và sự tạo thành các lỗ lớn bằng sự đốt cháy các vách ngăn giữa các lỗ cạnh nhau đƣợc diễn ra. Điều này làm cho đƣờng kính các lỗ tăng lên giúp khả năng hấp phụ các chất đƣợc tốt hơn. Theo Dubinin và Zaveria, 2005, [16] 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 bằng cấu trúc nhiều đƣờng mao dẫn phân tán. Chúng tạo nên từ các lỗ với kích thƣớc và hình dạng khác nhau. Ngƣời ta khó có thể đƣa ra thông tin chính xác về hình dạng của lỗ xốp.
Tuy nhiên có vài phƣơng pháp đƣợc sử dụng để xác định hình dạng của lỗ : phƣơng pháp BET. các phƣơng pháp này đã xác định cấu trúc của than thƣờng thƣờng có dạng mao dẫn mở cả hai đầu hoặc có một đầu kín hoặc than có dạng rãnh, dạng chữ V và nhiều dạng khác. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Than hoạt tính có đƣờng kính lỗ xốp từ 1 nm đến vài nghìn nm. Theo tác giả Dubinin, ngƣời đã đề xuất một cách phân loại lỗ xốp và đã đƣợc IUPAC chấp nhận.
Nguyên tắc phân loại của ông dựa trên chiều rộng của chúng. Thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ xốp hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạng hình ống. Trong đó các lỗ đƣợc chia thành 3 nhóm : lỗ nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn. Do đó cấu trúc 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 1 diện tích bề mặt và thể tích lớn do đó đóng góp phần lớn vào khả năng hấp phụ của than hoạt tính. Miễn là kích thƣớc phân tử của chất bị hấp phụ không quá lớn. Lỗ nhỏ đƣợc lấp đầy ở áp suất hơi tƣơng đối thấp trƣớc khi bắt đầu ngƣng tụ mao quản.
Trong khi đó 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. Hình ảnh SEM chụp cấu trúc than cacbon hóa từ tre [15] 1. Nhóm cacbon-oxi trên bề mặt than hoạt tính Nhóm cacbon–oxi bề mặt là những nhóm quan trọng nhất.
Nhóm này ảnh hƣởng đến đặc trƣng bề mặt nhƣ tính ƣa nƣớc, độ phân cực, tính axit và đặc điểm hóa lý nhƣ : khả năng xúc tác, dẫn điện và khả năng phản ứng của các vật liệu này. Thực tế oxi thƣờng đƣợc biết là yếu tố làm cho than trở nên hữu ích và hiệu quả 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trong một số lĩnh vực ứng dụng nhất định. Ví dụ nhƣ oxi có tác động quan trọng đến khả năng hấp phụ nƣớc, các khí. làm ảnh hƣởng đến sự hấp phụ các chất điện phân, ảnh hƣởng lên độ nhớt của graphit cũng nhƣ lên tính chất của than.
Trong trƣờng hợp của sợi cacbon, nhóm bề mặt quyết định khả năng bám dính của nó vào chất nền là nhựa và sau đó là đặc điểm vật liệu composite. Theo Kipling thì các nguyên tử oxi và hiđro là những thành phần cần thiết của than hoạt tính với đặc điểm hấp phụ tốt. Bề mặt của vật liệu này đƣợc nghiên cứu nhƣ một bề mặt hiđrocacbon biến đổi ở một số tính chất của nguyên tử oxi. Mặc dù việc xác định số lƣợng và bản chất của các nhóm chức hóa học trên bề mặt của than đã bắt đầu từ hơn 50 năm trƣớc.
Nhƣng bản chất chính xác của nhóm chức vẫn còn chƣa đƣợc chứng minh đầy đủ. Tuy nhiên cũng có những chứng cứ đã đƣợc đƣa ra từ các phƣơng pháp nghiên cứu khác nhau. Vì vậy có thể thấy rằng bề mặt cacbon là rất phức tạp và khó mô phỏng. Các nhóm chức bề mặt không thể đƣợc xử lý nhƣ các chất hữu cơ thông thƣờng vì chúng tƣơng tác khác nhau trong môi trƣờng khác nhau.
Phổ electron cho phân tích hóa học cho thấy sự chuyển đổi bất thuận nghịch của nhóm chức bề mặt xảy ra khi các phƣơng pháp hóa học hữu cơ cổ điển đƣợc sử dụng để xác định và chứng minh chúng. Do đó ngƣời ta mong rằng việc áp dụng của nhiều công nghệ tinh vi hơn nhƣ phổ FTIR, XPS, NMR và nghiên cứu lƣợng vết phóng xạ sẽ góp phần quan trọng để hiểu biết chính xác hơn về các nhóm hóa học bề mặt này. Than hoạt tính có nhiều xu hƣớng mở rộng lớp oxi đã đƣợc hấp thụ hóa học này và có nhiều các phản ứng của chúng xảy ra do xu hƣớng này. Ví dụ : than hoạt tính có thể phân hủy các khí có tính oxi hóa nhƣ ozon và oxit của nitơ.
Chúng cũng phân hủy dung dịch muối bạc, halogen, sắt (III) clorua, KMnO4, axit nitric…Trong mỗi trƣờng hợp, có sự hấp phụ hóa học oxi và sự tạo thành hợp chất cacbon–oxi bề mặt. Than hoạt tính cũng có thể đƣợc oxi hóa bằng nhiệt trong không khí, CO2 hoặc oxi. Bản chất và lƣợng nhóm cacbon-oxi bề mặt tạo thành từ các sự oxi hóa khác nhau phụ thuộc vào bản chất bề mặt than và cách tạo ra nó. Ngoài ra còn phụ thuộc vào diện tích bề mặt của nó, bản chất của chất oxi hóa và nhiệt độ quá trình oxi hóa.
11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.