Chương 1. Than hoạt tính cấu trúc và tính chất. Giới thiệu chung Các nguyên liệu chứa các bon được chế biến một cách đặc biệt nhằm loại bỏ các chất có nhựa và tạo ra các lỗ xốp trong chúng được gọi là than hoạt tính. Than hoạt tính có thành phần chủ yếu là các bon (8590%), phần còn lại (515%) là các chất vô cơ [4, 5].
Than hoạt tính được điều chế từ các vật liệu khi đốt cháy cho ta các bon. Do vậy nguồn nguyên liệu khá phong phú. Ví dụ các nguyên liệu có nguồn gốc động vật như các loại xương, thịt, da. Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật như các loại cây, các loại quả, sọ dừa, gỗ, mạt cưa, có nguồn gốc từ than mỏ như than antraxit, than bùn, than nâu, than bán cốc, hoặc từ các hợp chất hữu cơ polime, licnhin, dầu mỏ.
Than hoạt tính được phát hiện và nghiên cứu vào thời gian cuối thế kỷ XVIII. Trong thế kỷ XIX than hoạt tính được sử 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 [4, 5, 15]. Hiện nay than hoạt tính đã được sử dụng rộng rãi hầu khắp mọi lĩnh vực khoa học, quân sự và đời sống.
Tuỳ theo mục đích sử dụng, hiện có một số loại than hoạt như sau: than lọc khí hơi, than tẩy mầu, than lọc nước, than trao đổi ion. ở dạng hạt đập, hạt ép hoặc dạng bột. ở Việt Nam đã sử dụng than hoạt tính từ thời Pháp thuộc. Thời đó ở Việt Nam có 3 nhà máy đường, các nhà máy này đều sử dụng than hoạt tính để làm trắng đường.
Lúc đó Việt Nam chưa sản xuất được than hoạt tính, tất cả đều sử dụng than của Trung Quốc. Từ năm 1980 Việt Nam mới bắt đầu nghiên cứu chế tạo than hoạt tính. Công trình đầu tiên là của trường đại học Bách Khoa sản xuất than từ bã mía ở Việt Trì và ở Vạn Điểm. Cả hai công 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trình này đều chỉ hoạt động được một thời gian rồi hư hỏng.
Sau này đại học Bách Khoa cũng nghiên cứu chế tạo lò sản xuất than Gáo dừa ở Bến Tre nhưng cũng không thành công. Năm 1985, xí nghiệp than hoạt tính của nhà máy phân đạm Bắc Giang ra đời với hệ thống lò quay theo công nghệ của Đức. Xí nghiêp này sản xuất than tảy màu từ than gỗ. Cho đến nay gần như nghỉ không sản xuất vì nó không thân thiện với môi trường.
Năm 1990, một xí nghiệp than hoạt tính được xây dựng ở Trà Vinh với công nghệ lò Yên ngựa của Trung Quốc. Nguyên liệu là than Gáo dừa và hiện nay vẫn còn hoạt động. Năm 2005, một xí nghiệp than hoạt tính được xây dựng ở Bến Tre với công nghệ lò quay của Hàn Quốc. Xí nghiệp này cũng dùng nguyên liệu là than Gáo dừa và hiện nay vẫn đang hoạt động.
Hiện nay, Việt Nam hàng năm tiêu thụ khoảng 30000 tấn than hoạt tính, số than này nhập từ nước ngoài là chủ yếu. Như vậy, ở Việt Nam việc nghiên cứu chế tạo và sản xuất than hoạt tính vẫn còn chưa được quan tâm, và nguyên liệu được dùng chủ yếu là than Gáo dừa [7]. Tổng quan về than tre. Tre thuộc loại cây nhiệt đới được trồng chủ yếu tại các nước Đông Nam á, một số ít được trồng tại Nam Mỹ và Châu Phi.
Tre là nguồn tài nguyên thiên nhiên có thể tái tạo được, khác hoàn toàn với nguồn tài nguyên hoá thạch không thể tái tạo được như than, dầu mỏ, khí thiên nhiên [1, 15]. Trước đây, việc sản xuất than hoạt tính đều dựa vào nguyên liệu là gỗ. Rừng ngày càng cạn kiệt, gỗ ngày càng đắt và đặc biệt việc khai thác rừng lấy gỗ làm ảnh hưởng đến môi trường, làm cho khí hậu trái đất ngày càng thay đổi, bởi vậy nhiều nước đã tập trung nghiên cứu sử dụng các nguyên liệu khác để thay thế gỗ. Có hai hướng quan trọng: sử dụng than khoáng và than từ tre luồng.
Do việc trồng thu hoạch và tái sinh rừng tre luồng không làm ảnh hưởng đến môi 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trường mà lại kích thích trồng rừng và góp phần phát triển kinh tế, nên nhiều nước ở châu á đã đi vào sản xuất than từ tre luồng [7]. Việt Nam có nguồn nguyên liệu tre luồng rất dồi dào, đặc biệt là ở Thanh Hóa một tỉnh trồng tre nhiều nhất Việt Nam. Theo số liệu của Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Thanh Hóa thì hiện nay Thanh Hóa có diện tích trồng tre luồng khoảng 70000ha. Diện tích này tập trung ở 11 huyện miền núi với khoảng 1 triệu dân.
Hàng năm khai thác được khoảng 20 triệu cây. Đến hết năm 2007 ở Thanh Hóa đã có 49 cơ sở sản xuất chế biến hàng mỹ nghệ, giải quyết công ăn việc làm cho hàng vạn lao động [6]. Mặc dù tre vẫn là nguồn tài nguyên thiên nhiên chưa được sử dụng nhiều, nhưng nếu được nghiên cứu chế tạo làm than hoạt tính thì phạm vi ứng dụng sẽ tăng lên một cách rõ rệt và rất ý nghĩa trong lĩnh vực xử lý môi trường.Theo kinh nghiệm dân gian, than được chế tạo từ tre có khả năng kháng khuẩn và khử mùi, bột than tre có thể dùng để nuôi gia súc và cải tạo đất đai. Để tận dụng nguồn nguyên liệu này làm vật liệu hấp phụ, 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 CNXL môi trường, và một số tác giả khác như: - Tác giả Phạm Thị Hà Phương (Đại học quốc gia Hà Nội) đã điều chế than tre trong phòng thí nghiệm tại viện Hóa học Quân sự. Tác giả than hóa hoạt hóa trong lò thí nghiệm 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% DOC của nước thải. Đây là một công trình nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam, 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tác giả đã bảo vệ khóa luận tốt nghiệp đại học tại trường đại học khoa học tự nhiên vào năm 2006.
- Tác giả Nguyễn Văn Sơn (đại học khoa học tự nhiên) [13] đã nghiên cứu điều chế than tre và ứng dụng than tre dạng hạt 2-5 ly để hấp phụ hơi hữu cơ (benzen, xylen, toluen. Tác giả đã thí nghiệm 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. - Tác giả Trần Quang Sáng (viện Hóa học Quân sự) [12] đã sử dụng than hoạt tính từ tre được điều chế trong phòng thí nghiệm để hấp phụ NH 4+ trong nước.
Công trình này đã thu được kết quả xử lý được 80% NH 4+ trong nước, và tác giả bảo vệ luận văn cao học đề tài này năm 2006. Nhiều nước châu á hiện đang nghiên cứu và sản xuất than hoạt tính từ tre như Trung Quốc, ấn Độ, Bănglađét, Mianma, Malaysia. và họ đã có sản phẩm bán ra thị trường. Sau đây là một số công trình: - Tác giả Ken S.T, Lan Johnp, Bauford và Gordon Mckay ở Hồng Kông đã nghiên cứu than hoạt tính từ tre bằng kích hoạt axit photphoric cho than có bề mặt riêng rất cao khoảng 1800m2/g [22].
- Tác giả Taopksi, Asada, Ohkubo, Kuniaki, Kawata, và Kikuo oikawa ở trường đại học Tổng hợp Nhật Bản đã sử dụng than hoạt tính từ tre để hấp phụ amoni trong nước thải chứa axit [24]. - Tác giả Kenji Hosokawa , Takashi minamit ở Nhật Bản đã nghiên cứu ứng dụng than hoạt tính từ tre trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm - Tác giả Fewu, RL Tseng ở ấn Độ đã nghiên cứu dùng than hoạt tính từ tre để xử lý thuốc nhuộm và phenol trong nước thải đệt nhuộm [18]. 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Asada , Sishihara ở Bănglađét đã nghiên cứu dùng than hoạt tính từ tre để làm sạch khí.
Các nghiên cứu về than tre hoạt tính còn ít và chưa cho thấy được hết các khả năng ứng dụng của than hoạt tính từ tre. Do đó, luận văn của tôi xin trình bày về việc nghiên cứu điều chế than tre cũng như ứng dụng than tre điều chế được để xử lý một số kim loại nặng trong nước thải mạ. Đây là vấn đề mới chưa có tác giả nào nghiên cứu trước đây và cũng có tính ứng dụng trong thực tiễn rất cao. Điều chế than hoạt tính Như đã biết nguồn nguyên liệu để điều chế than hoạt tính rất đa dạng và phong phú.
Công nghệ để điều chế than hoạt tính từ các nguồn nguyên liệu khác nhau cơ bản phải qua các công đoạn sau. Than hoá Mục đích của than hoá là dùng nhiệt để phân huỷ nguyên liệu đưa nó về dạng các bon, đồng thời làm bay hơi nước và 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. Đây là quá trình cháy để tạo các bon.
Vì vậy trong lò cần có một lượng không khí nhất định. Để tránh hiện tượng tro hoá người ta than hoá trong môi trường khí trơ, trong lò yếm khí hoặc chân không. Nhiệt độ than hoá 3505000C trong khoảng thời gian 35120 phút tuỳ vào nguyên liệu ban đầu. Nhiệt độ than hoá quá cao làm cho than bị trơ khó hoạt hoá.
Thời gian kéo dài lượng mất mát sẽ lớn, hiệu quả than hoá thấp [4, 5, 15]. Hoạt hoá Vì sao phải hoạt hóa? Ta biết rằng quá trình hấp phụ xảy ra trên một chất hấp phụ được quyết định bởi diện tích bề mặt riêng và tổng lỗ xốp mà trong 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đó vai trò của lỗ bé là chủ yếu. Như vậy phải làm thế nào đó để diện tích bề mặt riêng và độ xốp tăng lên. Hoạt hoá là quá trình bào mòn mạng lưới tinh thể các bon dưới tác dụng nhiệt và tác nhân hoạt hoá, tạo độ xốp cho than một hệ thống lỗ có kích thước khác nhau, ngoài ra còn tạo các tâm hoạt động trên bề mặt.