Chương 1 TỔNG QUAN 1. Phương pháp chung điều chế than hoạt tính Nguyên lý chung để điều chế than hoạt tính gồm 2 quá trình: Than hóa và hoạt hóa. Than hóa là giai đoạn chuyển hóa nguyên liệu về dạng than, làm tăng hàm lượng cacbon và tạo bề mặt xốp ban đầu. Hoạt hóa (vật lý, hóa học) với mục đích phát triển lỗ xốp, tăng diện tích bề mặt than.
Hoạt hóa là giai đoạn khó thực hiện hơn và là giai đoạn quyết định chất lượng sản phẩm. Quá trình than hóa Thông thường quá trình than hóa được thực hiện ở nhiệt độ cao, trong môi trường kị khí, các vật liệu giàu cacbon sẽ bị đề hydrat hóa tạo than có diện tích bề mặt riêng phát triển. Quá trình than hóa đảm bảo hạn chế tối đa sự lưu thông của khí oxi, sự có mặt của oxi sẽ đốt cháy than thu được trong giai đoạn này. Để tạo môi trường trơ trong giai đoạn than hóa thông thường có các phương pháp phổ biến sau: Sử dụng khí nitơ, sử dụng cát (SiO2) hoặc những hạt sỏi, sử dụng khí CO2 hoặc hơi nước.
Quá trình hoạt hóa Hoạt hóa là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể cacbon dưới tác dụng của nhiệt và tác nhân hoạt hóa tạo độ xốp cho than bằng một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt. Có hai phương pháp hoạt hóa cơ bản là hoạt hóa vật lý và hoạt hóa hóa học. Mục đích của giai đoạn hoạt hóa là phát triển mạnh bề mặt riêng của than thu được sau giai đoạn than hóa. Hoạt hóa vật lý sử dụng tác nhân nhiệt độ để thay đổi cấu trúc bề mặt than, còn hoạt hóa hóa học dựa vào phản ứng hóa học của chất hoạt hóa với bề mặt than để thay đổi cấu trúc bề mặt than.
Hoạt hóa hóa học tiến hành sau giai đoạn than hóa. Dưới sự có mặt của các chất hoạt hóa, xảy ra phản ứng ăn mòn bề mặt than, kết quả làm tăng cấu trúc xốp của bề mặt than. Các chất hoạt hóa thường được dùng nhiều nhất là: CO2, H2O, KOH, NaOH, ZnCl2, H3PO4… Cơ sở chung để chọn chất hoạt hóa là chất đó là chất đó phải có khả năng xúc tác cho quá trình đehydrat hóa hoặc tương tác được với cacbon. Về cơ bản có thể phân chia chất hoạt hóa làm nhiều loại khác nhau như tác nhân hoạt hóa có tính axit ( H3PO4, 3 H2SO4, ZnCl2…) và tác nhân có tính bazơ ( KOH, NaOH, K2CO3…).
Trong quá trình hoạt hóa có thể xảy ra các phản ứng như sau: C + CO2 → 2CO C + H2O → CO + H2 C + KOH → K2CO3 + H2 Đặc điểm của phản ứng này là CO2 và H2O ăn mòn dần cacbon không chỉ trên bề mặt mà còn ở các khe, các rãnh, những chỗ khuyết tật của mạng lưới tinh thể, làm cho cacbon thu được có cấu trúc xốp và bề mặt riêng phát triển mạnh [26]. Qua quá trình tìm hiểu về các loại than tre trên thị trường hiện nay, nhận thấy có một số cơ sở sản xuất than hoạt tính từ tre theo quy trình như sau: Than hoạt tính làm từ tre được chế tạo bằng phương pháp sử dụng lò điện để than hóa từ nguyên liệu ban đầu là tre. Than tre được đối yếm khí bằng các lò điện hoặc lò đốt thủ công. Tre được cắt đoạn nguyên cây hoặc thanh dài 30-50cm tùy kích thước lò đốt, cho vào khay và cho vào lò điện.
Đậy kín cửa lò và đốt ở 400 - 5000C, khi nào hết khói trắng bay ra là được (khoảng 30-40 phút). Sau khi than hóa lấy sản phẩm làm nguội bằng nước hoặc trong thùng kín, tránh để than cháy khi có mặt oxy. Than hóa được đập vỡ tự nhiên, kích thước khoảng 5x5 mm và được sàng loại bỏ hạt dưới 3mm. Các hạt bé sau khi hoạt hóa sẽ thành bụi.
Cho 400g vật liệu vào lò nung, khi lò đạt 7000C bắt đầu dẫn hơi nước vào lò tốc độ 3mL/phút đến 9000C bắt đầu tính thời gian hoạt hóa. Quá trình tiến hành trong thời gian từ 5h [33]. Một số kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp phụ từ thân tre Để tận dụng nguồn nguyên liệu này làm TTT, một số đơn vị đã sản xuất thử nghiệm than tre dưới sự giúp đỡ từ phía đối tác nước ngoài, sau đó lượng than này được xuất khẩu sang cho phía đối tác Nhật Bản, Hàn Quốc. Trước đây, than tre cũng đã được một số đơn vị khoa học nghiên cứu như Phân viện phòng chống vũ khí NBC, Trung tâm công nghệ xử lý môi trường và một số tác giả khác như: - Tác giả Phạm Thị Hà Phương đã điều chế và dùng than hoạt tính để xử lý nước thải sản xuất mây tre.
Than hoạt tính từ tre được nghiêm cứu có thể làm giảm 80% COD của nước thải [7]. - Tác giả Nguyễn Văn Sơn đã nghiên cứu điều chế than tre và ứng dụng than tre dạng hạt 2-5 mm để hấp phụ hơi hữu cơ (benzen, xylen, toluen. Tác giả đã 4 nghiên cứu xác định thời gian bảo vệ của cột than tre (tiêu chuẩn quốc tế) theo benzen trên thiết bị thực nghiệm của Nga với chiều cao 5cm trong cột đường kính 2,5cm là 40 đến 60 phút. Đây là nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam trong việc dùng than hoạt tính từ tre hấp phụ xử lý khí thải chứa dung môi hữu cơ [11].
- Tác giả Trần Quang Sáng đã sử dụng than hoạt tính từ tre được điều chế để hấp phụ NH4+ trong nước. Công trình này đã thu được kết quả xử lý 80% NH4+ trong nước [10]. Các nhà khoa học ở nhiều nước trên thế giới hiện đang nghiên cứu và sản xuất than hoạt tính từ tre như: Nhóm tác giả ở Nhật Bản T. Katoh Xong, Đã chế tạo, nghiên cứu khả năng kiểm soát độ ẩm của than hoạt tính từ tre với tác nhân K2CO3.
Kết quả nghiên cứu cho thấy diện tích bề mặt của than tăng lên rất nhiều khoảng 2175m2/g cao gấp 2,5 lần và thể tích lỗ xốp tăng gấp 3 lần so với than tre điều chế được khi không có tác nhân hoạt hóa [26]. Nhóm tác giả Rui Wang, Yoshimasa Amano, Motoi Machid đã nghiên cứu đặc tính giải hấp của than hoạt tính từ gốc tre cho diện tích bề mặt tương đối lớn S = 1430 m2/g và thể tích lỗ rỗng V = 0,2cm3/g [27]. Khái quát về metylen xanh 1. Giới thiệu chung về metylen xanh Metylen xanh (MB) là một loại thuốc nhuộm bazơ cation, nó được sử dụng phổ biến trong ngành nhuộm vải, nilon, da, gỗ, sản xuất mực in; trong xây dựng dùng để kiểm nghiệm chất lượng bê tông cả vữa, làm chất chỉ thị và thuốc trong y học.
Đây là một chất được tổng hợp cách đây 120 năm [4]. MB là một hợp chất hóa học thơm dị vòng có công thức phân tử là: C16H18N3SCl. Công thức cấu tạo như sau: Hình 1. Công thức cấu tạo của MB 5 Khối lượng mol: 319,85 g/mol; Nhiệt độ nóng chảy: 100 - 110 °C; Độ tan trong nước: 43.
MB là một chất màu thuộc họ thiozin, phân ly dưới dạng cation MB+ là C16H18N3S+: N (H3C)2N S N(CH3)2 Hình 1. Công thức cấu tạo của MB+ 1. Dạng tồn tại của MB trong tự nhiên MB nguyên chất 100% có dạng bột hoặc tinh thể. Khi tồn tại dưới dạng ngậm nước (C16H18N3SCl.3H2O) trong điều kiện tự nhiên, khối lượng mol của MB là 373,9 g/mol [13].
Trong nước MB hấp thụ vào các vật chất lơ lửng, bùn đáy ao và không có khả năng bay hơi ra môi trường nước ở bề mặt nước. Nếu MB vào không khí nó sẽ tồn tại ở cả dạng hơi và dạng bụi lơ lửng. MB là một chất tinh thể màu xanh lục, có ánh kim, tan nhiều trong nước, etanol; không tan trong xylen và axit oleic. MB là một chất có thể bị oxi hóa hoặc bị khử và mỗi phân tử của nó bị oxi hóa hoặc khử khoảng 100 lần/giây [14].
Ảnh hưởng của pH đến sự thay đổi màu của MB - Dung dịch 1% có pH = 3 - 4,5. - pH làm đổi màu MB: Trong môi trường axit, MB có màu xanh lục; trong môi trường bazơ (pH = 9,1 - 14) có màu xanh thẫm. Do trong môi trường axit thì đôi eletron tự do trên N sẽ nhận proton H+ dẫn đến hiện tượng cộng hưởng với vòng benzen bị mất, làm cho bước sóng xuống thấp từ màu xanh thành màu xanh lục; khi ở môi trường bazo thì OH- sẽ giải phóng proton dẫn đến hình thành màu xanh ban đầu. Đây là một quá trình thuận nghịch cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của pH [15].
Độc tính của MB Mặc dù không được liệt vào các nhóm hóa chất gây độc hại cao, nhưng MB có thể gây tổn thương tạm thời cho da và mắt trên con người và cả động vật. MB là một chất có hoạt tính sinh học và nếu được tiêm không phù hợp, nó có thể dẫn đến 6 một số biến chứng sức khỏe bao gồm cả rối loạn tiêu hoá. Nếu dùng một lượng lớn MB có thể gây ra thiếu máu và một số triệu chứng ở đường tiêu hóa khi uống hoặc tiêm vào tĩnh mạch liều cao. Ngoài ra người bệnh có thể thấy buồn nôn, nôn, đau bụng, chóng mặt đau đầu, sốt hạ huyết áp, đau vùng trước tim, kích ứng bàng quang, da có màu xanh [32].
MB là một chất gây ức chế MAO (monoamine oxidase) như fruazolidone (Furoxone), isocarboxazid (Marplan), phenelzine (Nardil),…cực mạnh và trong con người nó gây ra serotonin có khả năng gây tử vong. Đã có một số trường hợp tử vong ở người do độc tính serotonin. Những người phụ nữ có thai và cho con bú, người bệnh có chức năng thận yếu nên thận trọng khi sử dụng MB bởi vì dùng MB một thời gian kéo dài có thể dẫn đến thiếu máu do tăng phá hủy hồng cầu và gây tan máu đặc biệt ở trẻ nhỏ và người mắc bệnh thiếu glucose.1: Độc tính của MB đối với con người [32] Liều lượng (mg/kg) Biểu hiện 2-4 Bong vảy da ở trẻ sơ sinh, và chứng tan máu. 7 Buồn nôn, nôn, đau bụng, đau ngực, sốt và hội chứng tan máu 7,5 Sốt cao và có thể bị lú lẫn 20 Hạ huyết áp 80 Da có màu xanh (tương tự chứng xanh tím ) 1.