Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ mắc ca được hoạt hóa bằng NaOH

Nghiên cứu điều chế than hoạt tính từ vỏ mắc ca bằng tác nhân hóa học NaOH, mang lại tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước và không khí.

• Tác giả: Đoàn Nguyễn Hoàng Anh
• Người hướng dẫn: Th.S Trịnh Diệp Phương Danh
• Trường học: Trường Đại Học Thủ Dầu Một
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Môi Trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Chế Than Hoạt Tính Từ Vỏ Mắc Ca Bằng NaOH
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2017-2018
• Địa điểm: Bình Dương

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ mắc ca

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ mắc ca bằng NaOH đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực môi trường và công nghệ. Than hoạt tính là một vật liệu có khả năng hấp phụ cao, được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải và không khí. Vỏ mắc ca, một phế phẩm nông nghiệp, chứa nhiều thành phần hữu ích cho việc sản xuất than hoạt tính. Việc sử dụng NaOH làm tác nhân hoạt hóa giúp tối ưu hóa quá trình chế tạo, tạo ra sản phẩm có hiệu suất cao trong việc xử lý ô nhiễm.

1.1. Đặc điểm và thành phần của vỏ mắc ca

Vỏ mắc ca chứa hàm lượng carbon cao, từ 47-49%, cùng với các hợp chất hữu cơ khác. Điều này làm cho nó trở thành nguyên liệu lý tưởng để chế tạo than hoạt tính. Ngoài ra, vỏ mắc ca còn có hàm lượng tro thấp, chỉ khoảng 0.22%, giúp tăng cường hiệu suất hấp phụ của sản phẩm cuối cùng.

1.2. Tầm quan trọng của than hoạt tính trong xử lý ô nhiễm

Than hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải, đặc biệt là trong ngành dệt nhuộm. Khả năng hấp phụ của nó giúp loại bỏ các chất ô nhiễm như Methylene Blue, một loại phẩm màu độc hại. Việc phát triển than hoạt tính từ vỏ mắc ca không chỉ giúp giảm thiểu phế thải mà còn mang lại giá trị kinh tế cao.

II. Thách thức trong việc chế tạo than hoạt tính từ vỏ mắc ca

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc chế tạo than hoạt tính từ vỏ mắc ca cũng gặp phải một số thách thức. Đầu tiên, quy trình hoạt hóa bằng NaOH cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao nhất. Thứ hai, việc kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ và thời gian phản ứng cũng rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Cuối cùng, việc nghiên cứu khả năng hấp phụ của than hoạt tính cũng cần được thực hiện để đánh giá hiệu quả trong thực tế.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt hóa

Nhiệt độ và thời gian là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình hoạt hóa than hoạt tính. Nghiên cứu cho thấy, nhiệt độ tối ưu để hoạt hóa bằng NaOH là khoảng 600-800 độ C, trong khi thời gian phản ứng cần được điều chỉnh từ 1-3 giờ để đạt được hiệu suất tốt nhất.

2.2. Khó khăn trong việc kiểm soát chất lượng sản phẩm

Việc kiểm soát chất lượng của than hoạt tính sau khi chế tạo là một thách thức lớn. Các phương pháp phân tích như SEM và FT-IR cần được áp dụng để đánh giá cấu trúc và tính chất của sản phẩm, đảm bảo rằng nó đáp ứng được yêu cầu trong xử lý ô nhiễm.

III. Phương pháp chế tạo than hoạt tính từ vỏ mắc ca bằng NaOH

Quy trình chế tạo than hoạt tính từ vỏ mắc ca bằng NaOH bao gồm các bước chính như chuẩn bị nguyên liệu, hoạt hóa và phân tích sản phẩm. Đầu tiên, vỏ mắc ca được rửa sạch và sấy khô. Sau đó, nguyên liệu được trộn với NaOH và nung ở nhiệt độ cao. Cuối cùng, sản phẩm được rửa và sấy để loại bỏ tạp chất.

3.1. Quy trình chuẩn bị nguyên liệu

Nguyên liệu vỏ mắc ca cần được rửa sạch để loại bỏ bụi bẩn và tạp chất. Sau đó, vỏ được sấy khô để giảm độ ẩm, giúp quá trình hoạt hóa diễn ra hiệu quả hơn. Việc chuẩn bị nguyên liệu đúng cách là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng của than hoạt tính.

3.2. Quy trình hoạt hóa bằng NaOH

Quá trình hoạt hóa diễn ra bằng cách trộn vỏ mắc ca với NaOH theo tỷ lệ nhất định, sau đó nung ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ và thời gian nung cần được điều chỉnh để tối ưu hóa cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính. Kết quả là sản phẩm có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ cao.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của than hoạt tính

Kết quả nghiên cứu cho thấy than hoạt tính từ vỏ mắc ca hoạt hóa bằng NaOH có khả năng hấp phụ Methylene Blue lên đến 97.59% tại pH 10.5. Điều này chứng tỏ rằng sản phẩm có hiệu suất xử lý ô nhiễm rất tốt. Than hoạt tính này không chỉ có tiềm năng trong xử lý nước thải mà còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như lọc khí và tẩy màu.

4.1. Hiệu suất hấp phụ của than hoạt tính

Nghiên cứu cho thấy, than hoạt tính từ vỏ mắc ca có khả năng hấp phụ cao, đạt hiệu suất 97.59% trong việc xử lý Methylene Blue. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của sản phẩm trong việc xử lý ô nhiễm nước thải.

4.2. Ứng dụng trong xử lý nước thải

Sản phẩm than hoạt tính có thể được ứng dụng trong các nhà máy xử lý nước thải, đặc biệt là trong ngành dệt nhuộm. Việc sử dụng than hoạt tính từ vỏ mắc ca không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tiết kiệm chi phí cho các nhà máy.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo than hoạt tính từ vỏ mắc ca bằng NaOH đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc sử dụng phế phẩm nông nghiệp. Kết quả nghiên cứu cho thấy sản phẩm có khả năng hấp phụ cao, hứa hẹn sẽ được ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình chế tạo và mở rộng ứng dụng của than hoạt tính trong các lĩnh vực khác.

5.1. Tiềm năng phát triển nghiên cứu

Nghiên cứu có thể được mở rộng để khám phá khả năng hấp phụ của than hoạt tính đối với các chất ô nhiễm khác. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo cũng cần được thực hiện để nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

5.2. Ứng dụng trong các lĩnh vực khác

Ngoài xử lý nước thải, than hoạt tính từ vỏ mắc ca còn có thể được ứng dụng trong lĩnh vực lọc khí, tẩy màu và nhiều ứng dụng khác trong công nghiệp. Điều này không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn tạo ra giá trị kinh tế từ phế phẩm nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về than hoạt tính 1.1 Khái niệm Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon chiếm 85% đến 95%, thành phần còn lại là các hợp chất vô cơ. Chúng được điều chế khi đốt các nguyên liệu cho ta cacbon. Do vậy nguồn nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính khá phong phú. Than hoạt tính được chế tạo từ những nguyên liệu giàu cacbon như các loại quả, các loại thực vật (gỗ, mùn cưa…), sọ dừa, gỗ, mạt cưa, các loại có nguồn gốc từ than mỏ như than antraxit, than bùn, than nâu, than bán cốc, hoặc từ các hợp chất hữu cơ như polime, lignin, dầu mỏ… Than hoạt tính có diện tích bề mặt rất lớn từ 500 – 2500 m2/g.

Vì thế chúng là một chất lý tưởng dung để hấp phụ nhiều loại chất ô nhiễm [22]. Than hoạt tính đã được phát hiện và nghiên cứu vào thời gian cuối thế kỷ 18. Trong thế kỷ 19 than hoạt tính được ứng dụng để lọc sạch khí và tẩy màu. Trong Đại chiến Thế giới Lần thứ Nhất, lần đầu tiên than hoạt tính đã được sử dụng làm vật liệu lọc độc trong mặt nạ phòng độc [23].

Ở nước ta than hoạt tính bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ 20. Nghiên cứu đầu tiên là ở Viện Hoá học Công nghiệp với than hoạt tính từ antraxit, gáo dừa, bã mía, tiếp đó là các nghiên cứu của Viện Hoá học Công nghiệp và Trung tâm Nghiên cứu Than hoạt tính, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các kết quả nghiên cứu đã được triển khai ở quy mô pilot [24]. Hiện nay than hoạt tính đã được sử dụng rộng rãi trong hầu khắp mọi lĩnh vực khoa học, quân sự và đời sống.

Tùy theo mục đích sử dụng, hiện có một số loại than hoạt tính như sau: Than lọc khí - hơi, than tẩy màu, than lọc nước, than trao đổi ion,… ở dạng hạt dập, hạt ép hoặc dạng bột [23].2 Đặc điểm của than hoạt tính 1. Cấu trúc tinh thể Than hoạt tính có lỗ xốp từ 1 nm đến vài nghìn nm. Để phân loại chúng ta dựa trên chiều rộng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của lỗ xốp hình rãnh hay bán kính của lỗ. Chúng được chia là 3 nhóm: lỗ nhỏ, lỗ trung, lỗ lớn [25].S Trịnh Diệp Phương Danh SV: Đoàn Nguyễn Hoàng Anh 9 Lỗ nhỏ (Micropoes) có kích thước cỡ phân tử, bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 2nm.

Thể tích lỗ từ 0,15 – 0,7 cm3/g. Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích của than hoạt tính. Năng lượng được hấp thụ cao hơn nhiều so với lỗ trung và lỗ lớn vì sự nhân đôi của lực hấp phụ từ các vách đối diện nhau của vi lỗ. Cấu trúc vi lỗ có thể chia thành 2 cấu trúc là vi lỗ đặc trưng (bán kính hiệu dụng 0,6 – 0,7 nm) và siêu vi lỗ (bán kính hiệu dụng từ 0,7 – 1,6 nm) được xác định bằng công nghệ tia X hay hấp phụ khí [25].

Lỗ trung (Mesopre) hay còn gọi là lỗ vận chuyển, bán kính hiệu dụng từ 2 – 50 nm, thể tích vào khoảng 0,1 – 0,2 cm3/g. Diện tích bề mặt lỗ chiếm không quá 5% trên tổng diện tích than hoạt tính. Ngoài ra người ta có thể dùng phương pháp đặc biệt để tạo ra than hoạt tính có lỗ trung lớn hơn cụ thể là thể tích đạt 0,2 – 0,65 cm3/g và diện tích bề mặt đạt đến 200m2/g [25]. Bán kính hiệu dụng lớn hơn 50 nm (vào khoảng 500 – 2000 nm) và thể tích lỗ từ 0,2 – 0,4 cm3/g [25].

Vì cấu trúc tinh thể được chia làm 3 loại nên mỗi loại sẽ có một vai trò nhất định trọng quá trình hấp phụ của than [25]. Cấu trúc hoá học Hoạt tính hoá học của than bị tác động đáng kể bởi cấu trúc tinh thể. Bên cạnh cấu trúc lỗ xốp và tinh thể thì than hoạt tính còn có cấu trúc hoá học. Tuy khả năng hấp phụ của than hoạt tính phụ thuộc vào 2 cấu trúc tinh thể và lỗ xốp nhưng cũng bị ảnh hưởng không nhỏ bởi cấu trúc hoá học [26].

Sự phức tạp của các cấu trúc vi tinh thể, do sự có mặt của các lớp graphit cháy không hoàn toàn trong cấu trúc, gây ra biến đổi về sự sắp xếp các electron trong khung cacbon và kết quả là tạo các electron độc thân và hoá trị không bão hoà điều này ảnh hưởng đến đặc điểm hấp phụ của than hoạt tính đặc biệt là đối với các hợp chất phân cực và có thể phân cực [26]. Than hoạt tính hầu hết được liên kết với một lượng oxy và hydro có thể xác định. Có một số trường hợp than đã hấp phụ các loại phân tử xác định như nitrobenzen, phenol. Hợp chất bề mặt Trên bề mặt than hoạt tính luôn có một lượng oxy liên kết hoá học với nguyên tử cacbon, ngay cả khi gia công tinh khiết nhất thì than hoạt tính cũng chứa từ 1 đến 2% GVHD: Th.S Trịnh Diệp Phương Danh SV: Đoàn Nguyễn Hoàng Anh 10 oxy.

Phức chất của oxy cộng với cacbon trên than hoạt tính được gọi là các hợp chất bề mặt. Tuỳ theo điều kiện và phương pháp điều chế than hoạt tính mà lượng oxy tham gia hợp chất bề mặt có thể thay đổi [27]. Theo Dubinin và Serpinsky, khi hàm lượng oxy đạt từ 2 đến 3% thì phần được phủ bởi đơn lớp oxy chiếm 4% diện tích bề mặt than hoạt tính. Một số khác cho rằng hàm lượng oxy lớn (khoảng 12%) thì phần diện tích được phủ bởi đơn lớp oxy sẽ đạt từ 19 đến 20% [27].

Bruns và Maximov xác định: hợp chất có tính bazơ được than hấp phụ mạnh hơn đáng kể so với các hợp chất cơ tính axit và trung tính. Các tác giả cũng cho biết đặc tính axit không ảnh hưởng tới sự hấp phụ hợp chất hữu cơ mạch hydrocacbon. Tuy vậy trong dung dịch nước, tính ưa nước của than hoạt tính lại làm ảnh hưởng tới sự hấp phụ các phân tử hữu cơ trung hoà và axit [27].3 Quy luật hấp phụ trên than hoạt tính Đặc trưng cho sự hấp phụ vật lý của than hoạt tính là cơ chế lấp đầy lỗ bé. Cơ chế này được mô tả bằng thuyết Polany - Dubinin.

Ngoài ra sự hấp phụ còn xảy ra theo cơ chế ngưng tụ mao quản và hấp phụ bề mặt [23].1 Thuyết Polany – Dubinin Thuyết này cho rằng trên bề mặt chất hấp phụ bao giờ cũng chứa một trường lực gọi là trường hấp phụ. Độ lớn của trường được biểu thị bằng thế hấp phụ . Thế hấp phụ này tỷ lệ nghịch với lập phương khoảng cách từ bề mặt. Trên bề mặt chất hấp phụ chứa nhiều mặt đẳng thế [23].

Đại lượng hấp phụ không thay đổi khi đi xa bề mặt của thành lỗ bé, lượng hấp phụ tăng lên cho đến khi lỗ bé bị lấp đầy, khi đó thể tích không gian hấp phụ được tính [23]: W=av (1.1) Trong đó: a – đại lượng hấp phụ (mmol/g); v – thể tích mmol của chất bị hấp phụ (cm3/mmol). Polany đã đưa ra khái niệm thế hấp phụ, là công mang một mol hơi chất bị hấp phụ ở tướng thể tích ở áp suất P đến bề mặt chất hấp phụ tạo ra một màng nén [28]. Thế hấp phụ được tính:  = 2,303  R  T  lg(Ps/P) (1.S Trịnh Diệp Phương Danh SV: Đoàn Nguyễn Hoàng Anh 11 Trong đó: Ps – áp suất hơi bão hoà của thiết bị hấp phụ (mmHg) P – áp suất cân bằng hấp phụ (mmHg) R – hằng số khí T – nhiệt độ tuyệt đối (K) Đối với than hoạt tính phương trình (1.3) Trong đó: W0 – không gian hấp phụ tới hạn đơn lớp (cm3/g); k – hằng số đặc trưng Nếu hai loại hơi khác nhau cùng hấp phụ lên một loại than hay một chất hấp phụ xốp nào đó thì ta có quan hệ như sau: k1  12 = k2  22 Hay 𝜀1 𝑘 = √𝑘2 = 𝛽 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (1.4) 𝜀2 1  được gọi là hệ số tương đồng. Như vậy thế hấp phụ là một đại lượng không đổi với một loại chất hấp phụ.

Thuyết này áp dụng tốt cho những chất hấp phụ có nhiệt độ sôi cao. Theo Dubinin, trạng thái hơi hấp phụ trong lỗ bé giống trạng thái lỏng, vì trong không gian của lỗ bé có hiện tượng chồng trường, hơi chất hấp phụ bị nén [24]. Thuyết lấp đầy lỗ bé của Dubinin có một số hạn chế nhất định. Từ thực nghiệm thấy rằng đường đẳng nhiệt Dubinin không tuyến tính ở vùng áp suất cao và lệch về phía giá trị cao của trục tung.

Nguyên nhân là do khi ở áp suất cao sự hấp phụ còn xảy ra theo cơ chế ngưng tụ mao quản và sự hấp phụ trên mặt phẳng. Ngoài ra thuyết Dubinin không đề cập đến sự hấp phụ trong lỗ chuyển tiếp và trên bề mặt mà hiện tượng này xảy ra trong thực tế của quá trình hấp phụ [24].2 Hấp phụ ở áp suất cao – Phương trình Kelvin Khi áp suất tương đối lớn, sự hấp phụ xảy ra theo cơ chế ngưng tụ mao quản trong các lỗ trung, lớp hấp phụ trên thành lỗ dầy lên, chạm vào nhau và khép kín lại thành mặt khum lõm của chất lỏng bị hấp phụ [23], [24], [27].S Trịnh Diệp Phương Danh SV: Đoàn Nguyễn Hoàng Anh 12 Kelvin đã đưa ra phương trình mô tả cơ chế này như sau: 2𝛿×𝑣 𝑃 = 𝑃𝑠 × 𝑒𝑠𝑝 (− 𝑅𝑇×𝑟 cos 𝜃) (1.5) Trong đó: P – áp suất cân bằng trên mặt khum lõm trong mao quản (mmHg) Ps – áp suất hơi bão hoà (mmHg)  – góc thấm ướt giữa chất lỏng và chất hấp phụ (độ)  – sức căng bề mặt của chất lỏng (N/m) r – bán kính mao quản (m) R – hằng số khí T – nhiệt độ tuyệt đối (K) v – thể tích mol chất bị hấp phụ (cm3/g) Dấu (–) thể hiện áp suất hơi bão hoà của chất lỏng trên bề mặt lõm luôn luôn nhỏ hơn áp suất hơi bão hoà của chất lỏng trên bề mặt phẳng. Như vậy, theo phương trình thì khi r càng nhỏ thì sự giảm áp suất càng lớn. Do đó trong những mao quản hẹp thì sự ngưng tụ sẽ xảy ra ở áp suất thấp hơn so với áp suất bão hoà.

Chính nguyên nhân này đã dẫn tới đường đẳng nhiệt hấp phụ và giải hấp không đồng nhất và có vòng trễ, nhánh giải hấp phụ cao hơn nhánh hấp phụ ở tại các giá trị P/Ps tương ứng. Người ta ứng dụng phương trình Kelvin để nghiên cứu sự phân bố lỗ của chất hấp phụ xốp nói chung và của than hoạt tính nói riêng.