Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng trong chế tạo than hoạt tính từ sợi viscose

• Tác giả: Bùi Văn Tài
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hùng Phong
• Trường học: Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng trong quá trình chế tạo than hoạt tính dạng vải sợi từ nguyên liệu sợi viscose
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Về cấu trúc, tính chất của vải than hoạt tính
• 1.2. Công nghệ chế tạo vải than hoạt tính
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Vật tư, hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu động học và nhiệt động học
• 2.3.1. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng
• 2.3.2. Phương pháp khí hóa vải sợi đã than hóa
• 2.3.3. Phương pháp thực nghiệm chế tạo vải than hoạt tính
• 2.3.3.1. Quy trình thí nghiệm
• 2.3.3.2. Chuẩn bị mẫu vải thí nghiệm
• 2.3.3.3. Tẩm phụ gia lên bề mặt vải sợi viscose
• 2.3.3.4. Phương pháp nghiên cứu chế tạo vải than hóa
• 2.3.3.5. Phương pháp nghiên cứu hoạt hóa chế tạo vải than hoạt tính
• 2.3.4. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc và tính chất của vải than hoạt tính
• 2.3.4.1. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen
• 2.3.4.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM, EDX
• 2.3.4.3. Phổ hồng ngoại IR
• 2.3.4.4. Chương trình giải hấp phụ nhiệt TPD, TPR
• 2.3.4.5. Phương pháp đo khả năng hấp phụ hơi benzene, hơi nước
• 2.3.4.6. Phương pháp hấp phụ - giải hấp phụ N2 ở to = -196 oC
• 2.3.4.7. Phương pháp xác định tổng thể tích lỗ xốp
• 2.3.4.8. Phương pháp xác định phân bố kích thước lỗ xốp
• 2.3.4.9. Phương pháp xác định độ hấp phụ hơi nước trong điều kiện tĩnh
• 2.3.4.10. Độ bền kéo đứt
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu quá trình than hóa vải sợi viscose
• 3.1.1. Nghiên cứu đặc điểm động học của phản ứng than hóa vải sợi viscose
• 3.1.1.1. Đặc điểm đường cong TG của các mẫu vải sợi viscose
• 3.1.1.2. Đặc điểm động học của phản ứng than hóa vải sợi viscose không tẩm phụ gia và tẩm phụ gia
• 3.1.1.3. Các thông số nhiệt động học của phản ứng than hóa vải sợi viscose
• 3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình than hóa
• 3.2.1. Ảnh hưởng của các loại phụ gia
• 3.2.2. Ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia polyphophat ure
• 3.2.3. Ảnh hưởng của các chương trình nhiệt độ
• 3.2.4. Ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ, tốc độ nâng nhiệt
• 3.3. Chế tạo vải than hóa. Nghiên cứu quá trình hoạt hóa từ vải đã than hóa
• 3.3.1. Nghiên cứu đặc điểm động học quá trình khí hóa vải sợi đã than hóa
• 3.3.1.1. Động học của phản ứng giữa vải sợi đã than hóa và hơi nước
• 3.3.1.2. Động học của phản ứng giữa vải sợi đã than hóa tẩm phụ gia và hơi nước
• 3.3.1.3. So sánh tốc độ phản ứng khí hóa vải sợi đã than hóa
• 3.3.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt hóa
• 3.3.2.1. Ảnh hưởng của phụ gia tẩm polyphotphat ure
• 3.3.2.2. Ảnh hưởng của tác nhân hoạt hóa hơi nước
• 3.3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian hoạt hóa
• 3.3.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt hóa
• 3.3.3. Hoạt hóa chế tạo vải than hoạt tính
• 3.3.4. Hoạt hóa chế tạo mẫu vải than hoạt tính đối chứng
• 3.4. Nghiên cứu xác định cấu trúc, tính chất của vải than hoạt tính
• 3.4.1. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể của mẫu vải than hoạt tính
• 3.4.2. Nghiên cứu cấu trúc xốp của vải than hoạt tính
• 3.4.2.1. Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ benzen
• 3.4.2.2. Đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ nitơ
• 3.4.2.3. Tổng thể tích mao quản
• 3.4.2.4. Phân bố kích thước mao quản
• 3.4.3. Nghiên cứu tính chất bề mặt của vải than hoạt tính
• 3.4.3.1. Ảnh kính hiển vi điện tử quét
• 3.4.3.2. Phổ hồng ngoại
• 3.4.3.3. Phổ TPR và TPD của mẫu vải than hoạt tính
• 3.4.3.4. Đẳng nhiệt hấp phụ hơi nước của mẫu vải than hoạt tính
• 3.4.4. Đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của mẫu vải than hoạt tính
• KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vải than hoạt tính

Vải than hoạt tính là một dạng vật liệu carbon có cấu trúc dạng vải, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng hấp phụ và lọc. Vải này có ưu điểm vượt trội so với các dạng than hoạt tính khác như dạng hạt hoặc bột, bao gồm độ tro thấp, khối lượng riêng nhỏ, tốc độ hấp phụ nhanh và dung lượng hấp phụ cao. Sợi viscose là một trong những nguyên liệu chính được sử dụng để chế tạo vải than hoạt tính, nhờ vào tính chất dễ gia công và chi phí thấp. Vải than hoạt tính không chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực phòng chống vũ khí hủy diệt lớn (NBC) mà còn trong bảo hộ lao động và xử lý môi trường.

1.1. Cấu trúc của vải than hoạt tính

Cấu trúc của vải than hoạt tính bao gồm các vi tinh thể graphit và hệ thống lỗ xốp phức tạp. Các vi tinh thể này được sắp xếp một cách ngẫu nhiên, tạo ra một mạng lưới mao quản với kích thước đa dạng. Hệ thống lỗ xốp này là yếu tố quyết định khả năng hấp phụ của vật liệu. Các nhóm chức bề mặt như hydroxyl, carboxyl, và carbonyl cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng hấp phụ các chất độc hại.

1.2. Tính chất của vải than hoạt tính

Vải than hoạt tính sở hữu các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, bao gồm khả năng hấp phụ cao, độ bền cơ học tốt và tính dẫn điện. Khả năng hấp phụ của vải được đánh giá thông qua các thí nghiệm đẳng nhiệt hấp phụ hơi benzene và nitơ. Ngoài ra, vải còn có khả năng lọc cơ học, loại bỏ các hạt bụi thô như bụi phóng xạ và vi sinh vật trong không khí.

II. Công nghệ chế tạo vải than hoạt tính

Quy trình chế tạo vải than hoạt tính từ sợi viscose bao gồm hai giai đoạn chính: than hóa và hoạt hóa. Giai đoạn than hóa liên quan đến việc chuyển đổi sợi viscose thành sợi carbon thông qua quá trình nhiệt phân trong môi trường khí trơ. Giai đoạn hoạt hóa tiếp theo nhằm tạo ra hệ thống lỗ xốp và tăng cường khả năng hấp phụ của vật liệu. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này bao gồm nhiệt độ, thời gian, và loại phụ gia sử dụng.

2.1. Quá trình than hóa

Quá trình than hóa được thực hiện bằng cách nung sợi viscose trong môi trường khí trơ ở nhiệt độ từ 400°C đến 950°C. Các phụ gia như polyphosphat ure được sử dụng để tăng cường hiệu quả của quá trình này. Nhiệt độ và thời gian than hóa là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của sợi carbon thu được. Kết quả nghiên cứu cho thấy, nhiệt độ tối ưu cho quá trình than hóa là khoảng 600°C đến 800°C.

2.2. Quá trình hoạt hóa

Hoạt hóa là giai đoạn quan trọng để tạo ra hệ thống lỗ xốp trong vải than hoạt tính. Quá trình này có thể được thực hiện bằng phương pháp vật lý (sử dụng hơi nước hoặc CO2) hoặc phương pháp hóa học (sử dụng các chất hóa học như KOH hoặc H3PO4). Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc sử dụng hơi nước quá nhiệt ở nhiệt độ từ 700°C đến 900°C mang lại hiệu quả cao nhất trong việc tạo ra các lỗ xốp có kích thước đa dạng.

III. Ứng dụng của vải than hoạt tính

Vải than hoạt tính được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ phòng chống vũ khí hủy diệt lớn (NBC) đến bảo hộ lao động và xử lý môi trường. Với khả năng hấp phụ cao và tốc độ hấp phụ nhanh, vải than hoạt tính là vật liệu lý tưởng để chế tạo các thiết bị lọc khí độc, khẩu trang, và quần áo bảo hộ. Ngoài ra, vật liệu này còn được sử dụng trong công nghiệp điện hóa và xử lý nước thải.

3.1. Ứng dụng trong phòng chống vũ khí NBC

Trong lĩnh vực phòng chống vũ khí hủy diệt lớn (NBC), vải than hoạt tính được sử dụng để chế tạo các thiết bị lọc khí độc và quần áo bảo hộ. Với khả năng hấp phụ các chất độc hóa học và phóng xạ, vải than hoạt tính giúp bảo vệ người sử dụng khỏi các tác nhân nguy hiểm.

3.2. Ứng dụng trong xử lý môi trường

Vải than hoạt tính cũng được sử dụng rộng rãi trong xử lý môi trường, đặc biệt là trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm trong không khí và nước. Với hệ thống lỗ xốp đa dạng, vật liệu này có khả năng hấp phụ các chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) và kim loại nặng, góp phần cải thiện chất lượng môi trường.