Nghiên cứu công nghệ sản xuất than hoạt tính từ cây tràm cừ

Khám phá luận văn thạc sĩ về công nghệ sản xuất than hoạt tính từ cây tràm cừ, ứng dụng và tiềm năng trong ngành công nghiệp hóa học.

• Tác giả: Đặng Thị Yến Nhi
• Người hướng dẫn: TS. Phan Đình Tuấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công nghệ Hóa học
• Đề tài: Nghiên Cứu Sản Xuất Than Hoạt Tính Từ Cây Tràm Cừ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: TP. HCM

Tóm tắt

I. Giới thiệu về than hoạt tính

Than hoạt tính (than hoạt tính) là một vật liệu có cấu trúc xốp, có khả năng hấp phụ cao, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và môi trường. Sản phẩm này được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, trong đó có cây tràm cừ (cây tràm cừ). Việc nghiên cứu quy trình sản xuất than hoạt tính từ cây tràm cừ là cần thiết nhằm khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên sẵn có, đồng thời đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về than hoạt tính trong các ngành công nghiệp. Nghiên cứu này không chỉ góp phần nâng cao giá trị kinh tế cho cây tràm cừ mà còn tạo ra sản phẩm có ứng dụng thực tiễn cao trong xử lý nước thải, không khí và trong các lĩnh vực khác như thực phẩm, dược phẩm.

1.1. Lịch sử và sự phát triển của than hoạt tính

Lịch sử hình thành và phát triển của than hoạt tính bắt đầu từ những năm 1773, khi người ta phát hiện ra khả năng hấp phụ màu của than từ cây tràm. Qua nhiều năm, các phương pháp sản xuất đã được cải tiến, từ nung nguyên liệu trong điều kiện thiếu không khí đến việc sử dụng hóa chất để hoạt hóa than. Hiện nay, than hoạt tính được sản xuất với nhiều phương pháp khác nhau như hoạt hóa hóa học bằng NaOH, hoạt hóa bằng hơi nước, mang lại hiệu quả kinh tế cao và chất lượng sản phẩm tốt. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất than hoạt tính từ cây tràm cừ không chỉ giúp nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

II. Quy trình sản xuất than hoạt tính

Quá trình sản xuất than hoạt tính từ cây tràm cừ bao gồm các bước chính như carbon hóa, hoạt hóa hóa học và hoạt hóa bằng hơi nước. Trong đó, carbon hóa là quá trình biến đổi cây tràm thành than dưới tác động của nhiệt độ cao. Sau đó, than sẽ được hoạt hóa bằng NaOH hoặc hơi nước để tăng cường diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ của sản phẩm. Kết quả nghiên cứu cho thấy, than hoạt tính sản xuất từ cây tràm cừ có diện tích bề mặt lên đến 2909 m2/g khi được hoạt hóa bằng NaOH ở nhiệt độ 700°C, cho thấy tiềm năng lớn trong việc ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp.

2.1. Quá trình carbon hóa

Quá trình carbon hóa diễn ra ở nhiệt độ 410°C trong 107 phút, cho ra than có hiệu suất đạt 29.7% và diện tích bề mặt 7 m2/g. Quá trình này là bước đầu tiên trong việc sản xuất than hoạt tính, quyết định chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Nghiên cứu cho thấy, việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian là rất quan trọng để đạt được sản phẩm có chất lượng tốt nhất.

2.2. Quá trình hoạt hóa

Quá trình hoạt hóa được thực hiện bằng hai phương pháp chính: hoạt hóa hóa học và hoạt hóa bằng hơi nước. Hoạt hóa hóa học sử dụng NaOH ở nhiệt độ 700°C trong 2 giờ, cho sản phẩm có diện tích bề mặt cao nhất là 2909 m2/g. Ngược lại, hoạt hóa bằng hơi nước ở nhiệt độ 900°C trong 3 giờ cũng cho ra sản phẩm có diện tích bề mặt lớn, đạt 1387 m2/g. Điều này cho thấy, cả hai phương pháp đều có ưu điểm riêng và có thể được áp dụng tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

III. Tính chất và ứng dụng của than hoạt tính

Than hoạt tính từ cây tràm cừ có nhiều tính chất vượt trội như khả năng hấp phụ cao, diện tích bề mặt lớn và cấu trúc xốp. Những tính chất này giúp than hoạt tính có thể được sử dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như xử lý nước thải, không khí, và trong ngành thực phẩm. Bên cạnh đó, than hoạt tính còn được ứng dụng trong lĩnh vực dược phẩm và công nghệ sinh học. Việc phát triển công nghệ sản xuất than hoạt tính từ cây tràm cừ không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững nguồn tài nguyên thiên nhiên.

3.1. Ứng dụng trong xử lý nước và không khí

Than hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước và không khí nhờ khả năng hấp phụ các chất độc hại. Trong xử lý nước, than hoạt tính có thể loại bỏ màu, mùi và các tạp chất, giúp nước đạt tiêu chuẩn an toàn cho sức khỏe. Trong xử lý không khí, than hoạt tính giúp hấp phụ các khí độc hại như SO2, Cl2, NH3, CO2, H2S, góp phần cải thiện chất lượng không khí và bảo vệ sức khỏe con người.

3.2. Ứng dụng trong ngành thực phẩm và dược phẩm

Trong ngành thực phẩm, than hoạt tính được sử dụng để loại bỏ các tạp chất, bảo vệ sản phẩm khỏi sự ô nhiễm. Trong dược phẩm, than hoạt tính giúp hấp phụ các chất độc hại, hỗ trợ trong quá trình điều trị các bệnh liên quan đến ngộ độc. Nhờ vào tính chất an toàn và hiệu quả, than hoạt tính từ cây tràm cừ đang ngày càng được ưa chuộng trong các ứng dụng này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---------------- ---oOo--- Tp. HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2007 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Đặng Thị Yến Nhi Giới tính : Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 02/06/1982 Nơi sinh : Đồng Nai Chuyên ngành : Công nghệ Hóa học Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH TỪ CÂY TRÀM CỪ. 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 1.

Nghiên cứu quá trình than hóa 2. Nghiên cứu quá trình hoạt hóa hóa học, tác nhân hoạt hóa NaOH. Nghiên cứu quá trình hoạt hóa bằng hơi nước, khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố khảo sát đến bề mặt riêng sản phẩm 4. Xác định các đặc trưng hóa ly cua sản phẩm 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 30/06/2006 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30/06/2007 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS.

PHAN ĐÌNH TUẤN Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) TS. PHAN ĐÌNH TUẤN LÔØI CAÛM ÔN Toâi xin göûi lôøi caûm ôn saâu saéc ñeán TS. Phan Ñình Tuaán ñaõ taän tình höôùng daãn, giuùp ñôõ toâi trong suoát thôøi gian thöïc hieän luaän vaên.

Toâi xin caûm ôn caùc thaày coâ trong hoäi ñoàng baûo veä luaän vaên ñaõ ñoïc vaø goùp yù quyù baùu cho luaän vaên. Toâi xin caûm ôn toå chöùc hôïp taùc quoác teá JICA ñaõ hoã trôï thieát bò, taøi chính trong suoát quaù trình thöïc hieän ñeà taøi. Xin chaân thaønh caûm ôn Thaïc só Nguyeãn Phaïm Baûo Quyønh, Thaïc só Park Yong Lee, Ñaïi hoïc Chonnam, Haøn Quoác cuøng caùc coâ chuù, anh chò ôû Vieän Coâng ngheä Xaï Hieám, Haø Noäi ñaõ giuùp ñôõ toâi trong quaù trình phaân tích maãu. Xin caûm ôn caùc anh chò, caùc baïn ôû trung taâm coâng ngheä Loïc Hoaù Daàu – tröôøng Ñaïi hoïc Baùch khoa Thaønh phoá Hoà Chí Minh ñaõ giuùp ñôõ toâi thöïc hieän ñeà taøi.

Cuoái cuøng, toâi xin caûm ôn gia ñình vaø nhöõng ngöôøi thaân yeâu ñaõ luoân chia seõ, ñoäng vieân, giuùp ñôõ toâi hoaøn thaønh luaän vaên naøy. Hoà Chí Minh, thaùng 06 naêm 2007 Ñaëng Thò Yeán Nhi i TOÙM TAÉT Than hoaït tính laø chaát haáp phuï raén ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong coâng nghieäp vì tính choïn loïc cao, dung löôïng haáp phuï lôùn, toác ñoä haáp phuï nhanh… Vôùi luaän vaên naøy, chuùng toâi nghieân cöùu vaø ñöa ra cheá ñoä coâng ngheä hôïp lyù trong quaù trình saûn xuaát than hoaït tính laøm chaát haáp phuï, ñoàng thôøi söû duïng hieäu quaû nguoàn nguyeân lieäu goã traøm dö thöøa treân ñaát pheøn Vieät Nam. Keát quaû ñaït ñöôïc cuûa luaän vaên laø: 1. Keát quaû nghieân cöùu cho thaáy, goã traøm ñöôïc cacbon hoaù ôû ñieàu kieän 4100C, thôøi gian 107 phuùt, hieäu suaát quaù trình 29,7%, beà maët rieâng cuûa saûn phaåm than hoùa nhaän ñöôïc laø 7 m2/g.

Than goã traøm ñöôïc hoaït hoùa baèng NaOH ôû 7000C, thôøi gian 2 giôø, tyû leä mol NaOH:C laø 1.5:1 cho saûn phaåm than hoaït tính coù beà maët rieâng laø 2909m2/g. Quaù trình hoaït hoùa than goã traøm baèng hôi nöôùc ñöôïc thöïc hieän ôû 9000C, thôøi gian hoaït hoùa laø 3 h, toác ñoä doøng hôi nöôùc laø 1,125g hôi nöôùc/g C/h cho saûn phaåm than hoaït tính coù beà maët rieâng lôùn nhaát laø 1387 m2 /g vaø ñoä thieâu ñoát 71%. Nguyeân lieäu vaø saûn phaåm than hoaït tính ñöôïc xaùc ñònh beà maët rieâng theo phöông phaùp BET, haáp phuï N2 ôû -1960C taïi trung taâm phaân tích maãu tröôøng Ñaïi hoïc Kyonghee, Ñaïi hoïc Chonnam- Haøn Quoác vaø Vieän Coâng ngheä Xaï Hieám - Haø Noäi. Ñöôøng ñaúng nhieät haáp phuï/ giaûi haáp phuï nitô cho thaáy than hoaït tính ñöôïc saûn xuaát töø goã traøm coù mao quaûn beù phaùt trieån, laø chaát haáp phuï toát öùng duïng trong pha khí.

i ABSTRACT Activated carbon is one of the most technically important and most widely used adsorbent due to its high selectivity, large adsorptive capacity, fast adsorptive rate…The main aim of this study has been to investigate the production and characterization of activated carbon produced from Melaleuca wood on the sulfate acid soil at the Mekong Delta in Vietnam. Also, this respect may be regarded as a preliminary step for the probable benification of spending Melaleuca wood in the manufacture of activated carbons. The achieved results of the thesis are: 1. Melaleuca wood was carbonized at 4100C in 107 minutes to obtained charcoal with the yield of 29.7% and specific surface area of 7 m2/g.

The wood charcoal was activated by NaOH activating agent at 7000C for 2 hours with NaOH/C molar ratio of 1,5:1 had the highest BET area, 2909 m2/g. The steam activation was also performed, showing the highest BET area was 1387 m2/g at 9000C in 3.5 hours with the steam flow rate of 1.hr and the burn-off of the process was 70%. Products of activation were characterized by using BET and SEM and XRD techniques. N2 adsorption isotherms further indicated that the pores were almost micropous.

It is a good adsorbent to use in gas -application. iii MÔÛ ÑAÀU Caùc ngaønh coâng nghieäp hoùa hoïc, thöïc phaåm, döôïc phaåm söû duïng chaát haáp phuï raén ñeå taåy maøu, khöû muøi, taùch khí, thu hoài dung moâi höõu cô quyù, laøm khoâ, laøm xuùc taùc, chaát mang xuùc taùc…. Trong caùc chaát haáp phuï raén, cac bon hoaït tính chieám vò trí quan troïng nhaát, phaïm vi öùng duïng roäng raõi nhaát vì nhöõng öu ñieåm vöôït troäi cuûa noù: tính choïn loïc cao, dung löôïng haáp phuï lôùn, toác ñoä haáp phuï nhanh, … Trong quaân söï, noù laø nguyeân lieäu quan troïng ñeå cheá taïo maët naï phoøng hôi ñoäc. Ôû nöôùc ta hieän nay, cac bon hoaït tính chöa ñöôïc nghieân cöùu vaø saûn xuaát nhieàu, trong khi nhu caàu söû duïng ngaøy caøng taêng.

Haøng naêm phaûi nhaäp ngoaïi moät löôïng lôùn caùc loaïi than ñeå phuïc vuï saûn xuaát. Trong khi ñoù nöôùc ta laïi coù nhieàu nguyeân lieäu toát coù theå söû duïng ñeå saûn xuaát cac bon hoaït tính: pheá lieäu daïng goã töø caùc nhaø maùy laâm saûn, caùc pheá phaåm töø noâng nghieäp: voû quaû, rôm, baõ mía… Ñoàng baèng soâng Cöûu Long laø vuøng coù dieän tích ñaát ngaäp pheøn lôùn nhaát caû nöôùc (khoaûng 1,6 trieäu hecta). Traøm laø caây troàng truyeàn thoáng laâu nay ôû vuøng naøy, coù khaû naêng chòu pheøn cao cuõng nhö aùp löïc nöôùc maïnh, khaùng ñöôïc saâu beänh, coân truøng, chòu ñöôïc ñoäc tính cuûa nhoâm…. Vì vaäy, goã traøm laø taøi nguyeân sinh hoïc raát noåi troäi cuûa röøng thöù caáp vuøng ñaàm laày than buøn.

Goã traøm cöùng, chaéc, chòu löïc toát ñöôïc söû duïng laøm cöø, vaät lieäu xaây duïng, ñoát than, ñoùng baøn gheá, laøm haøng raøo, boät giaáy…. Tuy nhieân, trong nhöõng naêm gaàn ñaây, tình hình thò tröôøng tieâu thuï dieãn bieán phöùc taïp, kyõ thuaät xaây döïng thay ñoåi. Trong nhöõng coâng trình lôùn thay vì duøng goã traøm, ngöôøi ta chuyeån sang duøng cöø baèng beâ toâng roài chaát ñoát thay ñoåi chuyeån töø cuûi sang ga hay ñieän ñaõ laøm cho traøm daàn daàn maát ñi öu theá voán coù khieán ñôøi soáng ngöôøi daân troàng traøm iii gaëp nhieàu khoù khaên. Chæ tính rieâng trong naêm 2005, coù hôn 10.000 ha goã traøm ôû giai ñoaïn khai thaùc nhöng khoâng tìm ñöôïc ñaàu ra.

Vôùi nguoàn nguyeân lieäu doài daøo, vieäc nghieân cöùu saûn xuaát vaø öùng duïng than hoaït tính ôû nöôùc ta laø ñieàu raát hieän thöïc vaø caàn thieát. Vôùi mong muoán goùp phaàn nhanh choùng ñöa than hoaït tính töø goã traøm vaøo öùng duïng trong caùc ngaønh coâng nghieäp nöôùc ta, trong baûn luaän vaên naøy, chuùng toâi trình baøy moät soá keát quaû nghieân cöùu veà cheá ñoä coâng ngheä trong quaù trình saûn xuaát than hoaït tính vaø caùc tính chaát cuûa saûn phaåm ñieàu cheá ñöôïc. ii MUÏC LUÏC Muïc luïc Danh muïc chöõ vieát taét Danh muïc caùc baûng Danh muïc caùc hình veõ vaø ñoà thò MÔÛ ÑAÀU PHAÀN 1: TOÅNG QUAN CHÖÔNG I: NGUYEÂN LIEÄU GOÃ TRAØM VAØ THAN HOAÏT TÍNH 1.1 Than hoaït tính 1 1.1 Lòch söû hình thaønh vaø phaùt trieån caùc loaïi than hoaït tính 1 1.2 Tính chaát ñaëc tröng cuûa than hoaït tính 3 1.1 Caáu truùc xoáp 3 1.2 Caáu truùc tinh theå 5 1.3 Caáu truùc hoaù hoïc 6 1.2 Nguyeân lieäu traøm 1.1 Traøm Vieät Nam 8 1.2 Ngoàn goác, phaân boá, ñaëc tính sinh thaùi cuûa caây traøm 8 1.3 Tình hình troàng traøm ôû Vieät Nam 10 1.4 Ñaëc tính cô lyù vaø öùng duïng cuûa caây traøm 11 CHÖÔNG II: COÂNG NGHEÄ SAÛN XUAÁT THAN HOAÏT TÍNH 2.1 Cô sôû lyù thuyeát quaù trình nhieät phaân 13 2.1 Quaù trình nhieät phaân 13 2.2 Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán quaù trình nhieät phaân 14 ii 2.2 Quaù trình hoaït hoùa 15 2.1 Quaù trình hoaït hoùa hoùa hoïc 16 2.1 Cô cheá quaù trình hoaït hoùa hoùa hoïc 16 2.2 Taùc nhaân hoaït hoùa 16 2.3 Öu, nhöôïc ñieåm quaù trình hoaït hoùa hoaù hoïc 18 2.2 Quaù trình hoaït hoùa hoùa lyù 18 2.3 Tình hình saûn xuaát vaø söû duïng goã traøm ôû Vieät Nam 23 CHÖÔNG III QUAÙ TRÌNH HAÁP PHUÏ VAØ CAÙC PHÖÔNG PHAÙP XAÙC ÑÒNH ÑAËC TRÖNG VAÄT LYÙ CUÛA THAN HOAÏT TÍNH 3.1 Quaù trình haáp phuï 25 3.1 Haáp phuï vaät lyù 25 3.2 Haáp phuï hoùa hoïc 25 3.2 Phöông phaùp xaùc ñònh tính chaát than hoaït tính 26 3.1 Phöông phaùp neùn thuûy ngaân 27 3.2 Hieän töôïng ngöng tuï mao quaûn 28 3.3 Hieän töôïng haáp phuï ñoái vôùi mao quaûn beù 30 3.1 Phöông trìn BET 30 3.2 Phöông trình D – R 31 PHAÀN 2 THÖÏC NGHIEÄM CHÖÔNG IV THIEÁT BÒ VAØ PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU 4.1 Xaùc ñònh thaønh phaàn hoùa hoïc cuûa goã traøm 33 4.1 Chuaån bò nguyeân lieäu 33 4.2 Xöû lyù hoùa hoïc 33 4.2 Quaù trình cacbon hoùa 34 ii 4.2 Phöông phaùp nghieân cöùu 35 4.3 Xaùc ñònh tính chaát than nguyeân lieäu vaø saûn phaåm 36 4.3 Quaù trình hoaït hoùa 36 4.1 Hoaït hoùa baèng NaOH 37 4.2 Hoaït hoùa baèng hôi nöôùc 38 PHAÀN III KEÁT QUAÛ CHÖÔNG V KEÁT QUAÛ THÖÏC NGHIEÄM – BAØN LUAÄN 5.1 Keát quaû khaûo saùt quaù tình than hoùa 40 5.1 Thaønh phaàn hoùa hoïc cuûa goã traøm 40 5.2 Quaù trình than hoùa 40 5.2 Quaù trình hoaït hoùa hoùa hoïc 46 5.1 Aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä 46 5.2 Aûnh höôûng cuûa thôøi gian 47 5.3 Anh höôûng cuûa tyû leä mol NaOH: C 48 5.3 Quaù trình hoaït hoùa baèng hôi nöôùc 50 5.1 Aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä 54 5.2 Aûnh höôûng cuûa thôøi gian hoaït hoùa 56 5.3 Aûnh höôûng cuûa ñoä thieâu ñoát 58 5.4 Aûnh höôûng cuûa thôøi gian ñeán hieäu suaát quaù trình hoaït hoùa 61 5.4 Ñöôøng ñaúng nhieät haáp phuï caùc maãu hoaït hoùa 63 KEÁT LUAÄN 68 KIEÁN NGHÒ 69 TAØI LIEÂU THAM KHAÛO 70 ii DANH MUÏC CAÙC CHÖÕ VIEÁT TAÉT B.