Chương 1: Tổng quan Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và thảo luận LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 CHƢƠNG 1. Tổng quan về than hoạt tính (Activated carbon – AC) 1. Nguồn gốc và cấu trúc than hoạt tính Than hoạt tính là một dạng carbon đã được xử lý để mang lại một cấu trúc xốp hơn, do đó có diện tích bề mặt lớn làm khả năng hấp phụ rất tốt. Than hoạt tính có thể được sản xuất từ bất kỳ loại sinh khối nào, từ đủ loại chất hữu cơ thải ra trong quá trình trồng trọt và chế biến nông sản như vỏ bưởi, vỏ trấu, vỏ cà phê, vỏ dừa, vỏ đậu phộng, bã mía, vỏ hạt điều, lá cao su; rác thải hữu cơ đô thị; và các loại rác hữu cơ khác.
Hình ảnh than hoạt tính Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã được hoạt hóa đã được sử dụng từ nhiều thế kỉ trước. Người Ai Cập sử dụng than gỗ từ khoảng năm 1500 TCN để làm chất hấp phụ chữa bệnh. Người Hin du cổ ở Ấn Độ đã biết làm sạch nước uống bằng cách lọc qua than gỗ. Việc sản xuất than hoạt tính trong công nghiệp bắt đầu từ khoảng những năm 1900, được sử dụng để làm vật liệu tinh chế đường LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật bằng hơi nước hoặc CO2.
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. 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. Thành phần hóa học của than Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là cacbon, chiếm từ 85 đến 95% khối lượng. Phần còn lại là các nguyên tố khác như hydro, nitơ, lưu huỳnh, oxi,. có sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với cacbon trong quá trình hoạt hóa.
Tuy nhiên hàm lượng 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 thường 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. Phƣơng pháp chế tạo than hoạt tính Than hoạt tính chủ yếu được sản xuất bằng cách nhiệt phân nguyên liệu thô có chứa cacbon ở nhiệt độ dưới 1000°C.
Quy trình điều chế than hoạt tính được chia làm hai giai đoạn: than hóa và hoạt hóa. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Quá trình than hóa Quá trình than hóa được thực hiện ở nhiệt độ dưới 800°C trong môi trường yếm khí hoặc khí trơ. Ở quá trình này nguyên liệu được phân hủy nhờ nhiệt để đưa về dạng cacbon 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. Quá trình than hóa nguyên liệu được thực hiện bằng cách tăng nhiệt dần lên. Ban đầu nguyên liệu được sấy khô đều ở nhiệt độ dưới 170 o C, từ 170 ÷ 280°C nguyên liệu bị phân hủy theo những quá trình thu nhiệt, ở đây các hợp phần của nguyên liệu bị biến tính, giải phóng oxit cacbon, khí cacbonic, axit axetic,.Tiếp theo, từ 280 ÷ 380oC xảy ra sự phân hủy phát nhiệt giải phóng metanol, hắc ín,… Quá trình than hóa xem như kết thúc ở khoảng 400 ÷ 600°C. Quá trình hoạt hóa Sản phẩm của quá trình than hóa được mang đi hoạt hóa, mục đích của quá trình hoạt hóa là giải phóng độ xốp sơ cấp đã có sẵn trong than, đồng thời tạo thêm độ xốp thứ cấp làm than có hoạt tính cao.
Quá trình hoạt hóa được thực hiện ở nhiệt độ trên 800oC dùng tác nhân hơi nước trong môi trường không có oxi. Ứng dụng than hoạt tính Ngoài khả năng hấp phụ tốt thì than hoạt tính còn có các ưu điểm như: không độc hại, giá thành rẻ và sản xuất dễ dàng. Vì vậy, than hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống và cho nhiều ứng dụng. - Ứng dụng trong công nghiệp: một ứng dụng công nghiệp chính là xử lý kim loại cuối.
Nó được sử dụng rộng rãi trong tinh chế dung dịch mạ điện. Ví dụ, nó là kỹ thuật tinh chế chính trong việc loại bỏ những tạp chất hữu cơ từ dung dịch mạ. Nhiều chất hữu cơ được thêm vào dung dịch mạ để cải thiện tính bám dính và tăng tính chất như độ sáng, nhẵn, tính uốn. Sự truyền dòng điện trực tiếp và phản ứng điện hóa của oxi hóa anot và khử catot, những phụ gia hữu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 cơ sinh ra những sản phẩm phân hủy không mong muốn trong dung dịch.
Sự sinh ra quá nhiều của chúng có thể có hại cho chất lượng mạ và tính chất vật lý của kim loại. Sự xử lý bằng than hoạt tính loại bỏ những tạp chất như vậy và trả lại hiệu suất mạ về mức độ mong muốn. - Ứng dụng trong y tế: than hoạt tính được sử dụng để xử lý chất độc và được dùng qua đường miệng. Những viên hoặc nang than hoạt tính được sử dụng ở nhiều nước như một thuốc không cần kê toa bác sĩ để xử lý bệnh tiêu chảy, chứng khó tiêu và đầy hơi.
Tuy nhiên, nó không hiệu quả cho nhiều sự ngộ độc của axít hoặc kiềm mạnh, xianua, sắt, liti, arsen, methanol, ethanol hay ethylene glycol. - Ứng dụng hóa phân tích: than hoạt tính, hỗn hợp 50/50 khối lượng diatomit và than hoạt tính được sử dụng như pha tĩnh trong sắc khí áp suất thấp cho carbohydrate sử dụng dung dịch rượu (5 - 50 %) như pha động trong chuẩn bị và phân tích. - Ứng dụng môi trường: Sự hấp phụ cacbon có nhiều ứng dụng trong loại bỏ chất gây ô nhiễm từ không khí hay nước như: Làm sạch dầu tràn, lọc nước ngầm, lọc nước uống, làm sạch không khí, giữ tạp chất hữu cơ không bay hơi từ màu vẽ, lọc khô, bay hơi xăng và những quá trình khác. Tổng quan về vật liệu Fe3O4 1.
Vật liệu Fe3O4 dạng khối 1. Cấu trúc tinh thể Ở nhiệt độ phòng các tinh thể khối magnetit Fe3O4 (FeO.Fe2O3) có cấu trúc spinen đảo, trong đó các nguyên tử oxi tạo thành mạng tinh thể lập phương tâm mặt xếp chặt với các nguyên tử sắt, chiếm các vị trí nút ngoài. Công thức phân tử: FeO. Fe2O4 Mô hình ion: [Fe3+]A[ Fe3+Fe2+]B O42- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Các ion O2- hình thành nên mạng lập phương tâm mặt với hằng số mạng a = 8,398 A0.
Các ion Fe3+, Fe2+ có bán kính ion nhỏ hơn sẽ phân bố trong khoảng trống giữa các ion O2-. Các ion kim loại Fe2+ và Fe3+ sẽ nằm ở các lỗ hổng này và tạo nên hai dạng cấu trúc spinel của nhóm vật liệu ferít. Trong dạng thứ nhất, toàn bộ các ion Fe2+ nằm ở các vị trí A còn toàn bộ các ion Fe3+ nằm ở các vị trí B. Cấu trúc này đảm bảo hoá trị của các nguyên tử kim loại vì số ion oxy bao quanh các ion Fe3+ và Fe2+ có tỷ số 3/2 nên nó được gọi là cấu trúc spinel thuận.
Dạng thứ hai thường gặp hơn được gọi là cấu trúc spinel đảo [16]. Trong cấu trúc spinel đảo một nửa số ion Fe3+ cùng toàn bộ số ion Fe2+ nằm ở các vị trí B, một nửa số ion Fe3+ còn lại nằm ở các vị trí A. Oxít sắt từ Fe3O4 FeO.Fe2O3 là một ferít có cấu trúc spinel đảo điển hình. Fe ở vị trí tứ diện (A) Fe ở vị trí bát diện (B) Hình 1.
Cấu trúc tinh thể của Fe3O4 [16] Chính cấu trúc spinel đảo này đã quyết định tính chất từ của Fe3O4, đó là tính chất feri từ. Mô men từ của các ion kim loại trong hai phân mạng A và B phân bố phản song song điều này được giải thích nhờ sự phụ thuộc góc của tương tác siêu trao đổi: AÔB = 125°9΄, AÔA = 79°38΄, BÔB = 90° do đó tương tác phản sắt từ giữa A và B là mạnh nhất. Trong Fe3O4 bởi vì ion Fe3+ có mặt ở cả hai phân mạng với số lượng như nhau nên mô men từ chỉ do Fe2+ quyết định. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Tính chất vật lý Các tinh thể magnetite (Fe3O4) ở kích thước micro trong tự nhiên và tổng hợp thể hiện tính ánh kim và màu đen mờ (Hình 1. Mật độ của Fe3O4 là 5,18 g/cm3, nhẹ hơn một chút so với hematit màu nâu đỏ (α-Fe2O3; 5,26 g/cm3) và nặng hơn so với ferrihydrite màu vàng cam (α-FeOOH; 4,26 g/cm3); sắt nguyên chất (α-Fe) có mật độ 7,87 g/cm3. Ở nhiệt độ môi trường, các hạt từ tính thể hiện độ cứng 5,5, giống hệt với thủy tinh [17]. Hình ảnh của vật liệu Fe3O4 ở kích thước lớn Diện tích bề mặt hiệu dụng của Fe3O4 thay đổi theo phương pháp tổng hợp, tuy nhiên các hạt ở kích thước micro điển hình với đường kính gần 0,2 m có diện tích bề mặt khoảng 6 m2/g.
Các hạt Fe3O4 không xốp [17]. Tính chất nhiệt Điểm nóng chảy/sôi của oxit sắt từ được quan sát thấy tương ứng ở 1590 và 2623°C. Nhiệt lượng của nhiệt hạch, phân hủy và hóa hơi tương ứng là 138,16; 605,0 và 298,0 kJ/mol (ở 2623°C). Tính chất điện Như đã đề cập trước đó, các vị trí bát diện trong cấu trúc Fe3O4 có chứa các ion sắt Fe2+ và Fe3+.
Các electron phối hợp với các ion sắt này được định vị bằng nhiệt và di chuyển trong cấu trúc Fe3O4 gây ra sự trao đổi độ dẫn cao: từ - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.K giữa các vị trí tứ diện/bát diện và các vị trí bát diện/bát diện, tương ứng [17]. Nhiệt độ chuyển tiếp Verwey của Fe3O4 (VTT-Verwey transition temperature) (118 K) thể hiện sự sắp xếp có trật tự của các ion Fe 2+ và Fe3+ trên các vị trí bát diện, ức chế sự khử định vị electron khi nhiệt độ xuống dưới VTT [17]. Độ dẫn điện nằm trong khoảng từ 102 - 103 Ω-1cm-1 [17].