Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu công nghệ sản xuất than hoạt tính từ trấu

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu công nghệ sản xuất than hoạt tính từ trấu, ứng dụng trong môi trường và công nghiệp. Tìm hiểu chi tiết tại đây.

• Tác giả: Buøi Xuân Hoà
• Người hướng dẫn: TS. Trònh Văn Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Sản Xuất Than Hoạt Tính Từ Trấu
• Loại tài liệu: luận văn thực số
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Danh mục các chữ viết tắt
• Danh mục các bảng
• Danh mục các hình vẽ và đồ thị
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ TRẤU VÀ THAN HOẠT TÍNH
• 1.1. Than hoạt tính
• 1.1.1. Định nghĩa – Phân loại
• 1.1.2. Cấu trúc của than hoạt tính
• 1.1.2.1. Cấu trúc tinh thể của than hoạt tính
• 1.1.2.2. Cấu trúc xốp của than hoạt tính
• 1.1.2.3. Cấu trúc hóa học của than hoạt tính
• 1.2. Nguyên liệu trấu – Sản lượng và Ứng dụng
• 1.2.1. Tình hình sản xuất lúa gạo
• 1.2.2. Các ứng dụng phổ biến của trấu
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH
• 2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình sản xuất than hoạt tính
• 2.1.1. Qui trình công nghệ sản xuất than hoạt tính
• 2.1.2. Quá trình than hóa
• 2.1.3. Quá trình hoạt hóa
• 2.1.3.1. Phương pháp hóa lý
• 2.1.3.2. Phương pháp hóa học
• 2.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ trấu
• 2.2.1. Nhu cầu than hoạt tính trong nước
• 2.2.2. Tình hình nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ trấu
• 2.2.2.1. Quá trình than hóa
• 2.2.2.2. Quá trình hoạt hóa trấu đã than hóa
• 2.3. Các phương pháp đánh giá chất lượng than hoạt tính
• 2.3.1. Các phương pháp đánh giá thông dụng
• 2.4. Tổng quan về quá trình hấp phụ
• 2.4.1. Giới thiệu về quá trình hấp phụ
• 2.4.2. Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt
• 2.4.3. Hấp phụ trong hỗn hợp lỏng – rắn
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ – NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Nguyên liệu – Hóa chất
• 3.2. Thiết bị – Tiến hành thí nghiệm
• 3.2.1. Trình tự nghiên cứu thực nghiệm
• 3.2.2. Thí nghiệm than hóa
• 3.2.2.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm
• 3.2.2.2. Tiến hành thí nghiệm
• 3.2.3. Thí nghiệm hoạt hóa
• 3.2.3.1. Hệ thống thiết bị thí nghiệm
• 3.2.3.2. Tiến hành thí nghiệm
• 3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 3.3.1. Phương pháp qui hoạch thực nghiệm
• 3.3.1.1. Phương án quay bậc 2 Box – Hunter
• 3.3.1.2. Tiêu chuẩn tối ưu của phương án – Nghiên cứu bề mặt đáp ứng
• 3.3.2. Khảo sát khả năng hấp phụ Xanh metylen trong pha lỏng của sản phẩm than hoạt tính
• 3.3.2.1. Chuẩn bị dung dịch chuẩn
• 3.3.2.2. Nghiên cứu đường động học hấp phụ Xanh metylen
• 3.3.2.3. Nghiên cứu đường cân bằng hấp phụ Xanh metylen
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM – BÀN LUẬN
• 4.1. Kết quả khảo sát nguồn nguyên liệu
• 4.2. Quá trình than hóa: hiện tượng – kết quả – bàn luận
• 4.2.1. Kết quả khảo sát chế độ than hóa
• 4.2.2. Bài toán qui hoạch thực nghiệm – Tối ưu quá trình than hóa
• 4.3. Quá trình hoạt hóa: hiện tượng – kết quả – bàn luận
• 4.3.1. Kết quả khảo sát chế độ hoạt hóa
• 4.3.2. Bài toán qui hoạch thực nghiệm – Tối ưu quá trình hoạt hóa
• 4.4. Quá trình hấp phụ Xanh metylen của than hoạt tính từ trấu
• 4.5. Bài toán tối ưu hóa quá trình hoạt hóa than trấu bằng hơi nước
• KẾT LUẬN
• KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về than hoạt tính và trấu

Than hoạt tính là một loại vật liệu carbon có cấu trúc xốp, được sản xuất từ các nguyên liệu hữu cơ như trấu. Trấu, một sản phẩm phụ của ngành nông nghiệp, thường bị bỏ phí hoặc xử lý không hiệu quả. Việc nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ trấu không chỉ giúp tận dụng nguồn nguyên liệu này mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Theo nghiên cứu, than hoạt tính có khả năng hấp phụ cao, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước và không khí. Điều này làm cho nó trở thành một giải pháp hiệu quả trong công nghệ xử lý môi trường. Việc sản xuất than hoạt tính từ trấu không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn giảm thiểu ô nhiễm từ việc xử lý chất thải nông nghiệp.

II. Quy trình sản xuất than hoạt tính từ trấu

Quy trình sản xuất than hoạt tính từ trấu bao gồm hai giai đoạn chính: than hóa và hoạt hóa. Trong giai đoạn than hóa, trấu được xử lý ở nhiệt độ khoảng 470°C trong khoảng 40 phút. Sau đó, sản phẩm than hóa sẽ được hoạt hóa bằng hơi nước quá nhiệt ở nhiệt độ 760°C trong 2 giờ. Quá trình này giúp tạo ra cấu trúc xốp cho than hoạt tính, tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ. Kết quả cho thấy sản phẩm thu được có diện tích bề mặt riêng (SBET) đạt 335 m²/g và khả năng hấp phụ xanh metylen là 143 mg/g. Điều này chứng tỏ rằng quy trình sản xuất này có thể tạo ra than hoạt tính chất lượng cao từ trấu.

III. Ứng dụng của than hoạt tính trong công nghệ hóa học

Than hoạt tính được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghệ hóa học. Với khả năng hấp phụ mạnh, nó được sử dụng để xử lý nước thải, loại bỏ các chất ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước. Ngoài ra, than hoạt tính còn được sử dụng trong ngành thực phẩm để loại bỏ mùi và màu trong các sản phẩm. Việc sản xuất than hoạt tính từ trấu không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong các ngành công nghiệp. Điều này cho thấy giá trị thực tiễn của nghiên cứu này trong việc phát triển công nghệ xanh và bền vững.

IV. Tính chất và khả năng hấp phụ của than hoạt tính

Tính chất của than hoạt tính phụ thuộc vào cấu trúc xốp và diện tích bề mặt của nó. Các nghiên cứu cho thấy rằng than hoạt tính từ trấu có khả năng hấp phụ cao đối với các chất ô nhiễm như màu, mùi và các hợp chất hữu cơ. Khả năng hấp phụ này được xác định thông qua các phương pháp phân tích hóa học, cho thấy rằng sản phẩm có thể đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng cao. Việc tối ưu hóa quy trình sản xuất không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất, từ đó tạo ra một sản phẩm có giá trị kinh tế cao và thân thiện với môi trường.

V. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu sản xuất than hoạt tính từ trấu đã chỉ ra rằng đây là một giải pháp hiệu quả cho việc xử lý chất thải nông nghiệp và sản xuất vật liệu có giá trị. Kết quả cho thấy rằng quy trình sản xuất có thể được tối ưu hóa để nâng cao chất lượng sản phẩm. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng than hoạt tính trong các lĩnh vực khác nhau, từ xử lý nước thải đến sản xuất thực phẩm. Điều này không chỉ giúp phát triển công nghệ xanh mà còn góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia có ngành nông nghiệp lúa nước phát triển mạnh mẽ với sản lượng lúa cả nước đạt mức dự báo 34 đến 35 triệu tấn mỗi năm, kéo theo lượng phụ phẩm trấu thải ra môi trường khoảng 15,5 đến 16,2 triệu tấn. Phần lớn nguồn trấu này chỉ được sử dụng làm chất đốt hiệu suất thấp hoặc thải trực tiếp ra môi trường với giá trị thương mại chỉ dao động từ 150 đến 500 đồng/kg. Trong khi đó, nhu cầu tiêu thụ than hoạt tính công nghiệp trong nước lên đến hàng nghìn tấn mỗi năm, riêng ngành sản xuất bột ngọt cần khoảng 500 tấn/năm, ngành mía đường tiêu thụ 400 tấn/năm và ngành dầu thực vật dùng khoảng 100 tấn/năm. Đa phần các doanh nghiệp phải nhập khẩu than hoạt tính với chi phí rất cao, dao động từ 1.000 đến 2.000 USD/tấn đối với các dòng sản phẩm của Nhật Bản hay Trung Quốc.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh đã tập trung giải quyết bài toán tái chế phụ phẩm trấu thành than hoạt tính chất lượng cao bằng phương pháp hoạt hóa hơi nước. Mục tiêu cụ thể là nghiên cứu chế độ nhiệt phân than hóa, xác định các thông số công nghệ tối ưu cho quá trình hoạt hóa và mô hình hóa toán học các yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ. Nghiên cứu xác lập chế độ tối ưu giúp tạo ra than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng $S_{BET}$ đạt $335\text{ m}^2/\text{g}$ và khả năng hấp phụ chất màu xanh metylen đạt $143\text{ mg/g}$ than, mang lại giải pháp công nghệ kinh tế và bảo vệ môi trường bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết biến tính cấu trúc vật liệu carbon và công nghệ hấp phụ dị thể rắn – lỏng. Khung lý thuyết trọng tâm bao gồm:

• Lý thuyết cấu trúc tinh thể carbon không graphit hóa: Than hoạt tính hình thành từ sinh khối thực vật có cấu trúc mạng lục giác không hoàn chỉnh, các tinh thể carbon định hướng ngẫu nhiên tạo ra các khe rỗng và mạng mao quản phát triển với kích thước trung bình tinh thể khoảng $30 \times 9\text{ \AA}$. Khi nung nhiệt phân ở nhiệt độ dưới 1.000°C, vật liệu duy trì độ xốp sơ cấp bền vững mà không bị graphit hóa.
• Cơ chế phản ứng hoạt hóa hóa lý bằng hơi nước quá nhiệt: Dựa trên chuỗi phản ứng khí hóa carbon trên bề mặt phân chia pha: $\text{C} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2$. Quá trình gồm các bước hấp phụ hơi nước, tạo phức chất trung gian bề mặt $\text{C}_x\text{O}_y$, phân hủy nhiệt giải phóng khí $\text{CO}$ và $\text{H}_2$, giúp làm sạch hắc ín bám dính và đục rỗng cấu trúc mao quản.
• Mô hình cân bằng và động học hấp phụ: Khảo sát dung lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt rắn theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir (hấp phụ đơn lớp đồng nhất) và Freundlich (hấp phụ đa lớp không đồng nhất), kết hợp phương trình động học bậc nhất Langergren để đánh giá tốc độ khuếch tán phân tử chất màu vào hệ mao quản.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp thực nghiệm phân tích hóa lý và phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu hóa toán học:

• Quy mô và phương pháp chọn mẫu: Nguồn trấu nguyên liệu được thu gom đồng nhất từ các nhà máy xay xát lớn tại khu vực phía Nam. Mẫu được rửa sạch tạp chất cơ học, sấy khô về độ ẩm dưới 10%, kiểm tra thành phần hữu cơ (cellulose chiếm khoảng 32,11%, tro khoáng chiếm khoảng 15,05% với hàm lượng $\text{SiO}_2$ trên 96%). Cỡ mẫu cho mỗi mẻ thí nghiệm nhiệt phân và hoạt hóa được chuẩn hóa ở mức khối lượng cố định để đảm bảo tính lặp lại.
• Phương pháp phân tích và bố trí thí nghiệm: Sử dụng phương án quy hoạch thực nghiệm quay bậc hai trực giao Box – Hunter với số yếu tố khảo sát $k=2$ cho quá trình than hóa (nhiệt độ, thời gian) và $k=3$ cho quá trình hoạt hóa (nhiệt độ hoạt hóa, thời gian hoạt hóa, lưu lượng hơi nước). Phương pháp này được lựa chọn vì giúp giảm thiểu số lượng thí nghiệm cần thiết, đánh giá chính xác tương tác phi tuyến giữa các thông số công nghệ và xây dựng phương trình hàm hồi quy bậc hai tối ưu.
• Kỹ thuật đo lường: Xác định diện tích bề mặt riêng theo phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt nitơ Brunauer – Emmett – Teller ($S_{BET}$), chụp ảnh cấu trúc vi mô qua kính hiển vi điện tử quét SEM, và đo quang phổ UV-Vis để đánh giá dung lượng hấp phụ xanh metylen trong pha lỏng theo thời gian thực nghiệm từ tháng 1 đến tháng 10 năm 2005.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã xác định được các quy luật biến thiên cấu trúc và điều kiện công nghệ sản xuất than hoạt tính tối ưu:

• Tối ưu hóa giai đoạn than hóa sơ cấp: Khi nhiệt độ tăng từ 200°C lên 400°C, khối lượng trấu giảm mạnh do quá trình thoát chất bốc, nước ngưng và hắc ín. Điều kiện than hóa tối ưu được xác định ở nhiệt độ 470°C trong thời gian 40 phút. Ở chế độ này, than trấu giữ được bộ khung carbon bền vững, độ xốp sơ cấp mở tối đa và hạn chế tình trạng cháy tro hóa.
• Tối ưu hóa chế độ hoạt hóa bằng hơi nước: Hoạt hóa than trấu ở nhiệt độ 760°C với lượng hơi nước quá nhiệt cung cấp là 600 mg/g than.giờ trong thời gian 120 phút mang lại chất lượng than cao nhất. Nhiệt độ vượt quá 800°C khiến quá trình khí hóa carbon diễn ra mãnh liệt làm sập thành mao quản và giảm hiệu suất thu hồi sản phẩm xuống dưới 25%.
• Chất lượng sản phẩm than hoạt tính: Sản phẩm than trấu thu được có diện tích bề mặt riêng $S_{BET}$ đạt $335\text{ m}^2/\text{g}$ và dung lượng hấp phụ xanh metylen đạt $143\text{ mg/g}$ than. Hiệu suất khử màu trong dung dịch đạt trên 85% sau 60 phút tiếp xúc đầu tiên.
• Mô hình hóa động học và đẳng nhiệt: Quá trình hấp phụ chất màu xanh metylen tuân theo mô hình động học bậc nhất Langergren với hệ số tương quan tuyến tính $R^2 > 0,98$. Đường cân bằng hấp phụ biểu diễn tương thích cao với cả hai mô hình đẳng nhiệt Freundlich và Langmuir, chứng minh hệ thống mao quản của than trấu phân bố đa dạng từ vi mao quản đến mao quản trung bình.

Thảo luận kết quả

Cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính từ trấu hình thành thông qua hai giai đoạn biến đổi nhiệt học. Giai đoạn than hóa loại bỏ các liên kết hydro, hydroxyl của mạch cellulose và hemicellulose, tạo tiền đề giải phóng không gian nội tại. Khi hoạt hóa bằng hơi nước ở 760°C, tác nhân oxy hóa tấn công vào các vị trí carbon vô định hình bị che lấp, mở rộng các mao quản trung bình có kích thước từ 15 đến 1.000 Å.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua đồ thị hàm đáp ứng bề mặt ba chiều (3D Response Surface) mô tả mối quan hệ giữa nhiệt độ hoạt hóa và lưu lượng hơi nước đối với dung lượng hấp phụ xanh metylen. Đồ thị cho thấy vùng cực đại thể hiện rõ sự cân bằng giữa tốc độ phản ứng hóa học trên bề mặt và tốc độ khuếch tán của phân tử hơi nước vào sâu trong hạt than.

Thông số công nghệ	Giai đoạn than hóa	Giai đoạn hoạt hóa	Sản phẩm đạt được
Nhiệt độ tối ưu	470°C	760°C	Diện tích $S_{BET} = 335\text{ m}^2/\text{g}$
Thời gian duy trì	40 phút	120 phút	Hấp phụ xanh metylen: $143\text{ mg/g}$
Tác nhân tham gia	Môi trường thiếu oxy	Hơi nước quá nhiệt ($600\text{ mg/g.h}$)	Phân bố mao quản: Trung bình – lớn

Sự hiện diện của hàm lượng tro khoáng vô cơ cao (khoảng 15%, trong đó $\text{SiO}2$ chiếm trên 96%) là đặc thù lớn nhất của trấu. Lớp màng silica đóng vai trò chất chống cháy tự nhiên giúp giữ vững khung vỏ trấu nhưng đồng thời che chắn một phần diện tích tiếp xúc bên trong. So sánh với than hoạt tính gáo dừa có $S{BET}$ thường vượt trên $800\text{ m}^2/\text{g}$, than trấu có bề mặt riêng trung bình nhưng lại sở hữu tỷ lệ mao quản trung bình vượt trội, rất thuận lợi cho việc giữ giữ các phân tử hữu cơ cồng kềnh như phẩm nhuộm công nghiệp dệt may.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm, nghiên cứu đề xuất 4 giải pháp ứng dụng và phát triển công nghệ trong giai đoạn tới:

• Tích hợp công đoạn ngâm chiết kiềm khử silica: Các cơ sở sản xuất cần triển khai bước tiền xử lý hoặc rửa sản phẩm bằng dung dịch $\text{NaOH}$ loãng nhằm hòa tan lớp $\text{SiO}2$. Giải pháp này giúp giải phóng hoàn toàn các lỗ xốp bị bít kín, nâng diện tích bề mặt riêng $S{BET}$ từ $335\text{ m}^2/\text{g}$ lên trên $650\text{ m}^2/\text{g}$, hoàn thành thử nghiệm trong vòng 6 đến 12 tháng.
• Chế tạo lò phản ứng tầng sôi hoạt hóa liên tục: Doanh nghiệp cơ khí hóa chất phối hợp cùng viện nghiên cứu thiết kế lò nung tầng sôi hoạt hóa liên tục công suất 50 đến 100 kg/giờ thay thế cho lò mẻ tĩnh. Mục tiêu giảm 25% thời gian phản ứng và tiết kiệm 30% chi phí điện trở gia nhiệt trong vòng 18 tháng.
• Ứng dụng vào hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm cục bộ: Ban quản lý các khu công nghiệp may mặc triển khai lắp đặt tháp hấp phụ sử dụng than trấu để khử màu nước thải dệt nhuộm, hướng đến chỉ tiêu giảm nồng độ COD trên 75% và độ màu trên 90% với chi phí vật liệu chỉ bằng 40% so với than thương phẩm nhập khẩu.
• Tận dụng nhiệt sinh khối khép kín: Doanh nghiệp chế biến lúa gạo xây dựng hệ thống thu hồi nhiệt từ buồng đốt than hóa để cấp nhiệt trực tiếp cho cụm tạo hơi nước quá nhiệt, đảm bảo chỉ số tiêu hao năng lượng giảm 35% trong lộ trình 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và dữ liệu thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư Công nghệ Hóa học và Quá trình – Thiết bị: Tham khảo chi tiết sơ đồ nguyên lý hệ thống nhiệt phân, phương pháp tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và kỹ thuật cấp hơi nước quá nhiệt ở dải nhiệt độ 700–800°C cho các thiết bị phản ứng pha rắn – khí.
• Doanh nghiệp chế biến nông sản và sản xuất lúa gạo: Nắm bắt quy trình công nghệ tái chế phụ phẩm vỏ trấu tại chỗ thành sản phẩm có giá trị gia tăng cao, giúp giải quyết triệt để vấn đề chất thải rắn nông nghiệp và mở rộng nguồn doanh thu.
• Đơn vị vận hành hệ thống xử lý môi trường công nghiệp: Tiếp cận phương án sử dụng vật liệu hấp phụ giá rẻ để tẩy màu nước thải dệt nhuộm, lọc kim loại nặng hoặc khử mùi trong các phân xưởng sản xuất thực phẩm.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành vật liệu: Kế thừa phương pháp luận quy hoạch thực nghiệm Box – Hunter trong tối ưu hóa phản ứng hóa lý, mô hình hóa động học hấp phụ pha lỏng và các phương pháp đo lường đặc tính diện tích bề mặt BET.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao phương pháp hoạt hóa bằng hơi nước lại được ưu tiên hơn hoạt hóa hóa học? Phương pháp hoạt hóa hơi nước tạo ra sản phẩm than sạch, không bị lẫn tồn dư các hóa chất ăn mòn độc hại như $\text{ZnCl}_2$ hay $\text{H}_3\text{PO}_4$. Nhờ vậy, thiết bị phản ứng không bị gỉ sét, giảm chi phí rửa sạch vật liệu sau xử lý và an toàn cho việc xử lý nước sinh hoạt.

Hàm lượng $\text{SiO}_2$ cao trong vỏ trấu có tác động như thế nào đến chất lượng than? Hàm lượng silica chiếm trên 96% lượng tro giúp ổn định cấu trúc hạt trấu trong môi trường nhiệt độ cao trên 700°C. Tuy nhiên, nó làm giới hạn diện tích bề mặt riêng của than ở mức trung bình ($335\text{ m}^2/\text{g}$) do chiếm chỗ một phần thể tích mao quản của carbon.

Thời gian hoạt hóa 120 phút ảnh hưởng như thế nào đến độ xốp của than trấu? Thời gian hoạt hóa 120 phút ở 760°C là ngưỡng tối ưu để mở rộng hệ mao quản trung bình mà không gây cháy hỏng cấu trúc. Nếu kéo dài quá 150 phút, hiện tượng bào mòn quá mức sẽ làm đứt gãy thành mao quản, làm giảm diện tích hấp phụ thực tế của vật liệu.

Than hoạt tính từ vỏ trấu có thể tái sinh để sử dụng lại nhiều lần không? Than trấu có kích thước mao quản trung bình từ 15 đến 1.000 Å và thành mỏng nên khả năng chịu lực cơ học thấp hơn than gáo dừa. Do đó, sản phẩm phù hợp nhất cho mục đích sử dụng một lần để tẩy màu nước thải dệt nhuộm hoặc khử mùi công nghiệp với chi phí rẻ.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box – Hunter mang lại ưu điểm gì cho đề tài? Phương pháp Box – Hunter thiết lập ma trận thực nghiệm quay trực giao bậc hai, giúp đánh giá đồng thời tác động đơn lẻ và tương tác qua lại giữa các yếu tố công nghệ. Qua đó, tác giả xây dựng được phương trình toán học mô tả chính xác điểm cực trị với số lần làm thí nghiệm ít nhất.

Kết luận

• Xác lập thành công quy trình công nghệ 2 giai đoạn sản xuất than hoạt tính từ phế phẩm vỏ trấu nông nghiệp tại Việt Nam bằng tác nhân hoạt hóa hơi nước quá nhiệt thân thiện môi trường.
• Xác định chính xác bộ thông số công nghệ tối ưu: Than hóa sơ cấp ở 470°C trong 40 phút; Hoạt hóa bằng hơi nước ở 760°C trong 120 phút với lưu lượng cấp hơi 600 mg/g than.giờ.
• Sản phẩm đạt diện tích bề mặt riêng $S_{BET} = 335\text{ m}^2/\text{g}$ và dung lượng hấp phụ xanh metylen $143\text{ mg/g}$ than, đáp ứng tốt tiêu chuẩn tẩy màu công nghiệp.
• Ứng dụng hiệu quả phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box – Hunter để xây dựng phương trình toán học dự báo chính xác động học và cân bằng hấp phụ pha lỏng.
• Định hướng phát triển giai đoạn tiếp theo cần tập trung chuyển đổi quy trình sang lò nung tầng sôi liên tục và tích hợp bước khử tro silica nhằm nâng cao hơn nữa phẩm cấp sản phẩm. Quý độc giả, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác các công thức và số liệu thực nghiệm trong luận văn để ứng dụng vào sản xuất thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Ñaïi Hoïc Quoác Gia Tp. Hoà Chí Minh TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA. BUØI XUAÂN HOØA NGHIEÂN CÖÙU COÂNG NGHEÄ SAÛN XUAÁT THAN HOAÏT TÍNH TÖØ TRAÁU Chuyeân ngaønh: QUAÙ TRÌNH VAØ THIEÁT BÒ COÂNG NGHEÄ HOÙA HOÏC Maõ soá ngaønh: 2.08 LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ TP. HOÀ CHÍ MINH, thaùng 10 naêm 2005 COÂNG TRÌNH ÑÖÔÏC HOAØN THAØNH TAÏI TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA ÑAÏI HOÏC QUOÁC GIA TP HOÀ CHÍ MINH Caùn boä höôùng daãn khoa hoïc: TS.

TRÒNH VAÊN DUÕNG ThS. CAO THÒ NHUNG Caùn boä chaám nhaän xeùt 1: Caùn boä chaám nhaän xeùt 2: Luaän vaên thaïc só ñöôïc baûo veä taïi HOÄI ÑOÀNG CHAÁM BAÛO VEÄ LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA, ngaøy. naêm 2005 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC BAÙCH KHOA COÄNG HOØA XAÕ HOÄI CHUÛ NGHÓA VIEÄT NAM PHOØNG ÑAØO TAÏO SÑH ÑOÄC LAÄP – TÖÏ DO – HAÏNH PHUÙC ----------------------------- ---------------------------------------------- Tp. HCM, ngaøy 10 thaùng 10 naêm 2005 NHIEÄM VUÏ LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ Hoï teân hoïc vieân : BUØI XUAÂN HOØA Phaùi : Nam Ngaøy sinh : 25 / 11 / 1980 Nôi sinh : HAØ TÓNH Chuyeân ngaønh : QUAÙ TRÌNH VAØ THIEÁT BÒ CNHH MSHV : 00503120 I- TEÂN ÑEÀ TAØI : NGHIEÂN CÖÙU COÂNG NGHEÄ SAÛN XUAÁT THAN HOAÏT TÍNH TÖØ TRAÁU II- NHIEÄM VUÏ VAØ NOÄI DUNG : 1.

Nghieân cöùu quaù trình than hoùa nguyeân lieäu traáu; xaùc ñònh ñieàu kieän than hoùa toái öu baèng phöông phaùp qui hoaïch thöïc nghieäm. Nghieân cöùu quaù trình hoaït hoùa than traáu; xaùc ñònh ñieàu kieän hoaït hoùa toái öu baèng phöông phaùp qui hoaïch thöïc nghieäm. III- NGAØY GIAO NHIEÄM VUÏ : IV- NGAØY HOAØN THAØNH NHIEÄM VUÏ : 10 / 10 / 2005 V- HOÏ VAØ TEÂN CAÙN BOÄ HÖÔÙNG DAÃN : TS. TRÒNH VAÊN DUÕNG ThS.

CAO THÒ NHUNG CAÙN BOÄ HÖÔÙNG DAÃN CHUÛ NHIEÄM NGAØNH BOÄ MOÂN QLYÙ CHUYEÂN NGAØNH Noäi dung vaø ñeà cöông luaän vaên thaïc só ñaõ ñöôïc Hoäi Ñoàng Chuyeân Ngaønh thoâng qua. Ngaøy 10 thaùng 10 naêm 2005 PHOØNG ÑAØO TAÏO SÑH KHOA QUAÛN LYÙ NGAØNH LÔØI CAÙM ÔN Ñaàu tieân, vôùi vieäc hoaøn thaønh Luaän Vaên naøy, toâi xin caùm ôn Thaày Trònh Vaên Duõng ñaõ nhieät tình, taän taâm höôùng daãn toâi thöïc hieän ñöôïc Ñeà taøi moät caùch toát nhaát cuõng nhö vaø ñaõ taïo ñieàu kieän, giuùp ñôõ toâi raát nhieàu trong quaù trình thöïc hieän. Beân caïnh ñoù, toâi cuõng xin caùm ôn Coâ Cao Thò Nhung ñaõ höôùng daãn toâi trong thôøi gian qua. Ñoàng thôøi, toâi cuõng xin chaân thaønh caùm ôn caùc Quyù thaày coâ, ñoàng nghieäp ñang coâng taùc taïi Tröôøng ÑHBC Toân Ñöùc Thaéng, Tröôøng ÑH Baùch Khoa Tp.

HCM ñaõ taïo moïi ñieàu kieän toát nhaát ñeå toâi coù theå taäp trung thöïc hieän Luaän vaên naøy. Theâm vaøo ñoù, toâi cuõng xin ñöôïc göûi lôøi caùm ôn gia ñình, caùc baïn hoïc vieân Cao hoïc K14 khoa Coâng ngheä Hoùa hoïc cuøng caùc baïn sinh vieân ÑHBK ñaõ giuùp ñôõ, ñoäng vieân toâi raát nhieàu trong quaù trình thöïc hieän Luaän vaên naøy. Xin chaân thaønh caùm ôn. Taùc giaû TOÙM TAÉT Traáu laø moät saûn phaåm phuï cuûa ngaønh saûn xuaát noâng nghieäp coù giaù trò thaáp tuy ñöôïc söû duïng trong moät soá ngaønh nhöng giaù trò khoâng ñaùng keå.

Muïc tieâu cuûa ñeà taøi laø nghieân cöùu coâng ngheä saûn xuaát than hoaït tính töø traáu baèng caùch söû duïng hôi nöôùc hoaït hoùa. Ñieàu kieän coâng ngheä saûn xuaát thu ñöôïc nhö sau: traáu ñöôïc laøm saïch roài than hoùa ôû ñieàu kieän nhieät ñoä khoaûng 4700C trong 40 phuùt sau ñoù seõ tieán haønh ngay quaù trình hoaït hoùa vôùi nhieät ñoä hoaït hoùa laø 7600C, vôùi löôïng hôi nöôùc quaù nhieät cung caáp laø 600 mg/g than.giôø vaø thôøi gian hoaït hoùa trong 2 giôø. Saûn phaåm than hoaït tính thu ñöôïc coù chaát löôïng trung bình (dieän tích beà maët SBET = 335 m2/g, khaû naêng haáp phuï xanh metylen 143 mg/g than). ABSTRACT Rice husk – a low-value agriculture by-product – has been used in some manufacturing areas but not valuable.

Our thesis's objective is research in manufacture technology of activate carbon from rice husk with activated agent is overheated steam. These achieved technical conditions are: after washing and drying material (rice husk) is carbonized at 4700C in our equipment about 40 minutes; then, the carbonized product is immediately activated by overheated steam at 7600C in 2 hour with vapor rate is 600 mg vapor/g rice husk coal. Our activate carbon product has medium quality (specific surface area SBET = 335 m2/g; the amount of Methylene blue adsorbed is 143 mg/g). MUÏC LUÏC Muïc luïc Trang Danh muïc caùc chöõ vieát taét Danh muïc caùc baûng Danh muïc caùc hình veõ vaø ñoà thò MÔÛ ÑAÀU 1 PHAÀN 1: TOÅNG QUAN TAØI LIEÄU 3 CHÖÔNG 1: GIÔÙI THIEÄU VEÀ TRAÁU VAØ THAN HOAÏT TÍNH 3 1.

Than hoaït tính 3 1. Ñònh nghóa – Phaân loaïi 3 1. Caáu truùc cuûa than hoaït tính 4 1. Caáu truùc tinh theå cuûa than hoaït tính 4 1.

Caáu truùc xoáp cuûa than hoaït tính 7 1. Caáu truùc hoùa hoïc cuûa than hoaït tính 9 1. Nguyeân lieäu traáu – Saûn löôïng vaø ÖÙng duïng 11 1. Tình hình saûn xuaát luùa gaïo 11 1.

Caùc öùng duïng phoå bieán cuûa traáu 16 CHÖÔNG 2: COÂNG NGHEÄ SAÛN XUAÁT THAN HOAÏT TÍNH 22 2. Cô sôû lyù thuyeát cuûa quaù trình saûn xuaát than hoaït tính 22 2. Qui trình coâng ngheä saûn xuaát than hoaït tính 22 2. Quaù trình than hoùa 22 2.

Quaù trình hoaït hoùa 25 2. Phöông phaùp hoùa lyù 26 2. Phöông phaùp hoùa hoïc 31 2. Tình hình nghieân cöùu saûn xuaát than hoaït tính töø traáu 33 2.

Nhu caàu than hoaït tính trong nöôùc 33 2. Tình hình nghieân cöùu saûn xuaát than hoaït tính töø traáu 34 2. Quaù trình than hoùa 34 2. Quaù trình hoaït hoùa traáu ñaõ than hoùa 36 2.

Caùc phöông phaùp ñaùnh giaù chaát löôïng than hoaït tính 38 2. Caùc phöông phaùp ñaùnh giaù thoâng duïng 38 2. Toång quan veà quaù trình haáp phuï 40 2. Giôùi thieäu veà quaù trình haáp phuï 40 2.

Phöông trình haáp phuï ñaúng nhieät 43 2. Haáp phuï trong hoãn hôïp loûng – raén 47 PHAÀN 2: NGHIEÂN CÖÙU THÖÏC NGHIEÄM 54 CHÖÔNG 3. THIEÁT BÒ – NGUYEÂN LIEÄU, HOÙA CHAÁT – PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU 54 3. Nguyeân lieäu – Hoùa chaát 54 3.

Thieát bò – Tieán haønh thí nghieäm 55 3. Trình töï nghieân cöùu thöïc nghieäm 55 3. Thí nghieäm than hoùa 55 3. Heä thoáng thieát bò thí nghieäm 55 3.

Tieán haønh thí nghieäm 56 3. Thí nghieäm hoaït hoùa 57 3. Heä thoáng thieát bò thí nghieäm 57 3. Tieán haønh thí nghieäm 58 3.

Phöông phaùp nghieân cöùu 59 3. Phöông phaùp qui hoaïch thöïc nghieäm 59 3. Phöông aùn quay baäc 2 Box – Hunter 59 3. Tieâu chuaån toái öu cuûa phöông aùn – Nghieân cöùu beà maët ñaùp öùng 62 3.

Khaûo saùt khaû naêng haáp phuï Xanh metylen trong pha loûng cuûa saûn phaåm than hoaït tính 63 3. Chuaån bò dung dòch chuaån 63 3. Nghieân cöùu ñöôøng ñoäng hoïc haáp phuï Xanh metylen 64 3. Nghieân cöùu ñöôøng caân baèng haáp phuï Xanh metylen 64 CHÖÔNG 4.

KEÁT QUAÛ THÖÏC NGHIEÄM – BAØN LUAÄN 65 4. Keát quaû khaûo saùt nguoàn nguyeân lieäu 65 4. Quaù trình than hoùa: hieän töôïng – keát quaû – baøn luaän 66 4. Keát quaû khaûo saùt cheá ñoä than hoùa 66 4.

Baøi toaùn qui hoaïch thöïc nghieäm – Toái öu quaù trình than hoùa 68 4. Quaù trình hoaït hoùa: hieän töôïng – keát quaû – baøn luaän 71 4. Keát quaû khaûo saùt cheá ñoä hoaït hoùa 71 4. Baøi toaùn qui hoaïch thöïc nghieäm – Toái öu quaù trình hoaït hoùa 73 4.

Quaù trình haáp phuï Xanh metylen cuûa than hoaït tính töø traáu 75 4. Baøi toaùn toái öu hoùa quaù trình hoaït hoùa than traáu baèng hôi nöôùc 84 KEÁT LUAÄN 89 KIEÁN NGHÒ NHÖÕNG NGHIEÂN CÖÙU TIEÁP THEO 90 DANH MUÏC COÂNG TRÌNH COÂNG BOÁ CUÛA TAÙC GIAÛ 91 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 92 PHUÏ LUÏC DANH MUÏC CAÙC CHÖÕ VIEÁT TAÉT B.: Brunauer – Emmett – Teller SBET: Dieän tích beà maët rieâng xaùc ñònh theo phöông phaùp B. EPDT: Etylen-Popylen-Diene-Tepolymer SEM: Kính hieån vi ñieän töû queùt TYT: thöïc nghieäm yeáu toá toaøn phaàn TYP: thöïc nghieäm yeáu toá töøng phaàn DANH MUÏC CAÙC BAÛNG Baûng 1. Saûn löôïng luùa gaïo vaø traáu treân theá giôùi naêm 2002.

Moät soá thoáng keâ veà saûn xuaát luùa gaïo ôû Vieät Nam nhöõng naêm gaàn ñaây. Thaønh phaàn cô baûn cuûa traáu. Caùc nguoàn naêng löôïng sinh hoïc chuû yeáu ôû Vieät Nam (2002). Cô hoäi söû duïng vaø tieàm naêng cuûa traáu thoùc.

Khaû naêng haáp phuï thuoác nhuoäm (mg/g) cuûa than hoaït tính töø traáu. So saùnh caùc chæ tieâu cuûa traáu nguyeân lieäu vôùi traáu Thaùi Lan. Caùc thoâng soá khaûo saùt toái öu quaù trình than hoùa. Sô ñoà boá trí thí nghieäm theo phöông aùn quay tröïc giao Box – Hunter.

Khaû naêng haáp phuï vaø hieäu suaát hoaït hoùa theo nhieät ñoä hoaït hoùa. Khaû naêng haáp phuï vaø hieäu suaát hoaït hoùa theo thôøi gian hoaït hoùa. Caùc thoâng soá khaûo saùt toái öu quaù trình hoaït hoùa than traáu. Ma traän maõ hoùa caùc thí nghieäm cuûa quaù trình hoaït hoùa.

Caùc giaù trò cuûa phöông trình Langergren bieåu dieãn ñoäng hoïc baäc nhaát cuûa quaù trình haáp phuï Xanh Methylene cuûa caùc maãu than hoaït tính. Keát quaû tính toaùn moâ hình hoùa ñaúng nhieät haáp phuï Xanh Methylene theo phöông trình Freundlich. Keát quaû tính toaùn moâ hình hoùa ñaúng nhieät haáp phuï Xanh Metylen theo phöông trình Langmuir. Sô ñoà boá trí thí nghieäm theo phöông aùn quay tröïc giao Box – Hunter.

Keát quaû ño dieän tích beà maët SBET cuûa moät soá maãu than hoaït tính DANH MUÏC CAÙC HÌNH VEÕ VAØ ÑOÀ THÒ Hình 1. Caáu truùc tinh theå cuûa than hoaït tính. Caáu truùc than khoâng Graphit hoùa. Caáu truùc than Graphit hoùa.

Caây luùa – Haït luùa. Haït gaïo – Voû traáu. Quaù trình xay xaùt luùa. Sô ñoà moâ taû öùng duïng cuûa traáu trong saûn xuaát.

Qui trình saûn xuaát than hoaït tính Hình 2. Caáu truùc loã lôùn Hình 2. Caáu truùc loã trung Hình 2. Caáu truùc loã nhoû Hình 2.

Hình SEM beà maët (a) vaø maët caét (b) cuûa traáu nguyeân thuûy Hình 2. Hình chuïp SEM cuûa traáu nhieät phaân ôû 3500C Hình 2. Hình chuïp SEM cuûa traáu nhieät phaân ôû 8500C Hình 2. Ñöôøng haáp phuï ñaúng nhieät Freundlich Hình 2.

Ñöôøng haáp phuï ñaúng nhieät L – R Hình 3. Coâng thöùc caáu taïo Xanh Metylen Hình 3. Qui trình saûn xuaát than hoaït tính töø traáu Hình 3.3 Sô ñoà heä thoáng thieát bò thí nghieäm than hoùa traáu nguyeân lieäu Hình 3. Sô ñoà heä thoáng thieát bò thí nghieäm hoaït hoùa traáu Hình 3.

Phöông aùn phaân boá thí nghieäm toái öu quaù trình than hoùa traáu cuûa Luaän vaên vôùi n = 2, k =2 Hình 3. Phöông aùn phaân boá thí nghieäm toái öu quaù trình hoaït hoùa than traáu cuûa Luaän vaên vôùi n = 2, k =3 Hình 4. Moái quan heä phuï thuoäc giöõa hieäu suaát vaø thôøi gian than hoùa taïi caùc vuøng nhieät ñoä gia nhieät khaùc nhau Hình 4. Moái quan heä phuï thuoäc giöõa hieäu suaát vaø nhieät ñoä than hoùa taïi caùc vuøng nhieät ñoä khaùc nhau Hình 4.

Ñoà thò ñöôøng chuaån cuûa dung dòch Xanh Metylen Hình 4.