Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về than hoạt tính 1.1 Đặc điểm, tính chất Than hoạt tính là một trong những vật liệu hấp phụ được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như khai thác chế biến dầu mỏ, công nghiệp dệt, công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, xử lý môi trường. Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là carbon. Trên bề mặt than hoạt tính luôn có một lượng oxy liên kết hóa học với nguyên tử carbon tạo thành hợp chất oxyd bề mặt. Ngay khi gia công tinh khiết nhất, lượng oxy cũng chiếm 1- 2%.
Than hoạt tính được đặc trưng bởi sự đa dạng của cấu trúc lỗ xốp. Các lỗ xốp được phân chia thành 3 nhóm chính gồm nhóm lỗ nhỏ (d < 2 nm), nhóm lỗ vừa (2 ≤ d < 50 nm) và nhóm lỗ lớn (d ≥ 50 nm) [5]. Nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính rất phong phú như gáo dừa, mạt cưa, than bùn, than cốc, dầu mỏ.Than hoạt tính được chế tạo theo hai quá trình chính là quá trình than hoá và quá trình hoạt hóa than. Mục đích của than hoá là dùng nhiệt phân huỷ nguyên liệu trong điều kiện yếm khí để đưa nó về dạng carbon, đồng thời làm bay hơi một số hợp chất hữu cơ nhẹ tạo lỗ xốp ban đầu cho than.
Chính lỗ xốp này là đối tượng cho quá trình hoạt hoá than. Nhiệt độ than hoá từ 350- 500℃ trong khoảng thời gian từ 30 đến 45 phút tuỳ thuộc vào tính chất nguyên liệu ban đầu. Khi chưa hoạt hóa, trong than có chứa các vi tinh thể sắp xếp theo các hướng khác nhau. Sự sắp xếp như vậy tạo ra vô số khe hở giữa các tinh thể.
Hoạt hoá than là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể carbon dưới tác dụng của tác nhân hoạt hoá, tạo ra độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau.2 Các phương pháp hoạt hóa than Phương pháp hoạt hóa hóa học 3 Đây là phương pháp đầu tiên được sử dụng để điều chế than hoạt tính. Bản chất của phương pháp hóa học là sử dụng các chất hoạt hóa như muối, acid để bào mòn bề mặt và mạng lưới tinh thể của carbon. Để đưa các hợp chất hoạt hóa vào than người ta dùng hai phương pháp + Trộn bột than với chất hoạt hóa rồi ép hạt sau đó gia nhiệt. + Ngâm bột than vào dung dịch bảo hòa các chất trên sau đó lọc bỏ dung dịch, làm khô và nhiệt phân.
Dùng nước rửa sạch các chất, sấy khô. Qúa trình nhiệt phân của phương pháp hóa học thường được tiến hành ở nhiệt độ 600–800℃. Sau khi nhiệt phân thường phải thu hồi các chất vô cơ còn thừa trong quá trình hoạt hóa vì vậy nhược điểm của phương pháp hóa học là gây ăn mòn thiết bị, tính kinh tế thấp, ngày nay ít được sử dụng [10]. Phương pháp hoạt hóa vật lý Trong phương pháp này tác nhân hoạt hóa thường được sử dụng là các chất khí, hơi nước, oxy không khí, CO2.Phản ứng hoạt hóa là phản ứng thu nhiệt vì vậy phải cung cấp nhiệt liên tục trong quá trình hoạt hóa.
Phương pháp này ngày nay được sử dụng rộng rãi hơn do năng suất cao hơn, hạn chế ăn mòn thiết bị và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn [10].3 Một số ứng dụng của than hoạt tính Lọc nước: than hoạt tính có tác dụng lọc tốt các tạp chất có trong nước bao gồm thuốc trừ sâu, chất thải công nghiệp và cả các ion kim loại nặng. Vì vậy, việc ứng dụng than hoạt tính làm vật liệu lọc nước giếng khoan, nước máy ngày càng phổ biến trên toàn thế giới. Khử mùi, lọc không khí: khử mùi, hút ẩm không khí là những tác dụng của than hoạt tính rất được ưa chuộng hiện nay. Ưu điểm của phương pháp này so với việc sử dụng các sản phẩm tạo mùi hương là không chứa hóa chất độc hại, than hoạt tính chỉ hút và loại bỏ các chất gây mùi để tạo ra một không gian trong lành.
4 Trong lĩnh vực y tế: than hoạt tính được sử dụng để hỗ trợ điều trị các ca ngộ độc bia rượu, chất độc, uống thuốc quá liều.Một số loại thuốc được điều chế từ than hoạt tính như Carbogast điều trị đau dạ dày và ruột, Carbotrim điều trị nhiễm khuẩn và ngộ độc thực phẩm. Bên cạnh đó, than hoạt tính còn có tác dụng làm giảm bớt tình trạng đầy hơi bằng cách hấp phụ và thải các chất làm đầy bụng, độc tố ra khỏi cơ thể. Ngoài ra, than hoạt tính còn là nguyên liệu sản xuất khẩu trang y tế, mặt nạ phòng độc. để ngăn ngừa sự lây lan của dịch Covid-19 và các nghiệp vụ quân sự.
Trong lĩnh vực công nông nghiệp: than hoạt tính được sử dụng để cải tạo đất trồng với tác dụng trung hòa pH và loại bỏ các nguồn bệnh trong đất đặc biệt là xử lý đất bị nhiễm mặn, đất có nhiều thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật tồn dư. Ngành công nghiệp khai thác khoáng sản sử dụng than hoạt tính để hấp thụ các ion kim loại quý như vàng, bạc.sau đó tách chúng bằng phương pháp nung chảy hoặc phương pháp khuấy mang lại hiệu quả cao. Ngoài ra, một lượng lớn than hoạt tính còn được dùng để làm chất độn trong sản xuất cao su [1]. Một số lĩnh vực ứng dụng của than hoạt tính 5 1.2 Tổng quan về bạc và nano bạc Bạc (tiếng Latinh là Argentum) được phát hiện cách đây khoảng 6000 năm.
Bạc nằm ở ô thứ 47 trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học, thuộc phân nhóm IB (kim loại chuyển tiếp), chu kì 5, có cấu hình electron lớp ngoài cùng là [Kr]4d105s1. Trạng thái oxi hóa ổn định nhất của bạc là +1. Bạc có màu trắng, mềm, dẻo, dễ uốn, tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao nhất trong tất cả các kim loại. Bạc là kim loại quý có giá trị lâu dài, được sử dụng làm đồng tiền xu, đồ trang sức, chén đũa và các đồ dùng trong gia đình.
Bạc và các hợp chất của bạc thể hiện tính độc đối với vi khuẩn, virut, tảo, nấm. Tuy nhiên, khác với các kim loại nặng khác (như chì, thủy ngân) bạc không gây độc tính với con người ở liều lượng tương đối cao (theo Tổ chức bảo vệ môi trường Mỹ, cơ thể con người có thể nhận liên tục 0,3 ÷ 0,4 mg Ag+ mỗi ngày trong suốt cuộc đời mà không bị ảnh hưởng đến sức khỏe) do đó bạc được ứng dụng để thay thế thuốc kháng sinh nhằm diệt nấm mốc, virut, vi khuẩn và các ứng dụng điều trị khác trong y học. Nhiều loại băng gạc chứa bạc được thương mại hóa và sử dụng rộng rãi để điều trị vết thương. Gần đây, các kết quả nghiên cứu về tính khử trùng của bạc đã khẳng định bạc ở kích thước nano có hiệu quả sát khuẩn cao hơn bạc ở kích thước micro nhiều lần.
Điều này đã thúc đẩy nhiều hướng nghiên cứu chế tạo và sử dụng nano bạc trong y tế và những lĩnh vực khác của đời sống [5][33]. Trước tình hình vi khuẩn đề kháng kháng sinh đáng báo động, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu để tìm ra các tác nhân kháng khuẩn mới trong đó nano bạc được xem là một tác nhân kháng khuẩn đầy tiềm năng. Nano bạc có một số ưu điểm nổi bật nhờ diện tích bề mặt lớn, tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, có khả năng khử khuẩn, chống nấm, khử mùi, phát xạ tia hồng ngoại, có khả năng phân tán ổn định trong các loại dung môi khác nhau, độ 6 bền hóa học cao, không bị biến đổi dưới tác dụng của ánh sáng và các tác nhân oxy hóa khử thông thường. Nhờ vào những thành tựu lớn lao của công nghệ nano mà ngày nay nano bạc đã trở thành vật liệu được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học - sản xuất như y học, nông nghiệp, công nghiệp, môi trường.1 Các phương pháp tổng hợp nano bạc Về cơ bản, có hai phương pháp chính để tổng hợp các hạt nano bạc là phương pháp đi từ trên xuống (top-down) như tổng hợp vật lý và phương pháp đi từ dưới lên (bottom-up) như tổng hợp hóa học và tổng hợp xanh (Hình 1.
Các phương pháp tổng hợp nano Tổng hợp vật lý Bao gồm các phương pháp sử dụng các tác nhân vật lý (tia laser, tia gamma, nhiệt, siêu âm.) để chế tạo các hạt nano. Dưới tác dụng của chùm tia năng lượng cao, các ion trong dung dịch bị khử thành các nguyên tử, sau đó các nguyên tử này kết hợp với nhau tạo nên các hạt nano. Các tác nhân vật lý 7 này cũng có thể được sử dụng để chế tạo các hạt nano từ vật liệu khối. Khi các vật liệu khối trong môi trường lỏng được chiếu bởi một chùm tia laser năng lượng cao, các đám vật chất (phân tử, nguyên tử hoặc ion) bị bật ra khỏi bề mặt vật liệu và phân tán vào môi trường lỏng, sau đó kết hợp lại với nhau tạo thành các hạt nano.
Các hạt nano này được phân tán ổn định trong dung dịch nhờ các chất hoạt hóa bề mặt. Động học quá trình chế tạo các hạt nano đã được chỉ ra thông qua việc nghiên cứu sự tác động của tia laser lên các vật liệu khác nhau như Cu, Ag, Au, Ti, Fe, Pt. Kết quả cho thấy, tia laser năng lượng cao đã làm nguyên tử hóa và ion hóa cục bộ trên bề mặt vật liệu, tạo ra trạng thái plasma và làm phân tán vật chất vào môi trường lỏng [8][16][30]. Nhóm các phương pháp vật lý cho sản phẩm có độ tinh sạch cao, không cần sử dụng các chất khử độc hại, có thể điều khiển kích thước hạt thông qua việc điều chỉnh các thông số của các tác nhân vật lý, tuy nhiên phương pháp này thường sử dụng các thiết bị chế tạo chuyên dụng, phức tạp, đắt tiền.
Tổng hợp hóa học Nhóm phương pháp này sử dụng các hợp chất hóa học khử các ion kim loại từ muối kim loại để tạo ra các hạt nano. Các chất khử như trisodium citrate Na3C6H5O7, sodium borohydride NaBH4, citric acid C6H8O7.thường được sử dụng trong các phương pháp hóa học. Khi chất khử được trộn với các tiền chất của các kim loại như AgNO3, phản ứng hóa học xảy ra khử các ion thành các nguyên tử, các nguyên tử này kết hợp lại với nhau hình thành nên các hạt nano [5].