ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH

BÁO CÁO ĐỒ ÁN HÓA HỌC

vectorstock.com/20554239

Ths Nguyễn Thanh Tú eBook Collection DẠY KÈM QUY NHƠN CHEMISTRY PHÁT TRIỂN NỘI DUNG

ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH SVTH : TRẦN THỊ PHƯƠNG ANH WORD VERSION | 2018 EDITION ORDER NOW / CHUYỂN GIAO QUA EMAIL TAILIEUCHUANTHAMKHAO@GMAIL.COM

Tài liệu chuẩn tham khảo Phát triển kênh bởi Ths Nguyễn Thanh Tú Đơn vị tài trợ / phát hành / chia sẻ học thuật : Nguyen Thanh Tu Group Hỗ trợ trực tuyến Fb www.facebook.com/DayKemQuyNhon Mobi/Zalo 0905779594

TRƯỜNG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH

GVHD SVTH MSSV Lớp

ĂN HÒA : ThS.NGUYỄN VĂN : TRẦN THỊ PHƯƠNG ANH : 2004160006 : 07DHHH2

Tp Hồ Chí Minh, 11/2018

LỜI MỞ ĐẦU Than hoạt tính từ lâu đã được chế tạo và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ ứng dụng trong cuộc sống hằng ngày đến các ứng dụng trong công nghiệp. Than hoạt tính với những đặc tính tuyệt vời của mình có thể làm sạch nước, không khí thậm chílà tham gia vào các quá trình tinh chế các chất hóa học hữu ích khác.

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại than hoạt tính khác nhau, sản xuất theo nhiều phương pháp và đi từ các nguồn nguyên liệu khác nhau như khí thiên nhiên, bã thải nông nghiệp hay than bùn,… Tuy nhiên đa dạng về mẫu mã, chủng loại nhưng những tính chất cơ bản của chúng không khác xa nhau.

Với mục đích hiểu rõ hơn về các loại than hoạt tính và những tính chất ưu việt của chúng.

Qua đồ án này, ta sẽ nắm được những khái niệm cơ bản về tính chất, phân loại, ứng dụng của than hoạt tính cũng như các phương pháp sản xuất than hoạt tính từ các phương pháp khác nhau. Trong quá trình thực hiện, do thời gian có hạn nên đồ án còn nhiều thiếu sót mong thầy và mọi người góp ý, bổ sung để đồ án được hoàn thiện hơn.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên thực hiện: Trần Thị Phương Anh

MSSV:2004160006

Nhận xét: ............................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... Điểm đánh giá: ...................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................

Ngày … tháng … năm2018 (Ký tên, ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ................................................................ 3 MỤC LỤC ........................................................................................................................... 4 DANH SÁCH BẢNG .......................................................................................................... 6 DANH SÁCH HÌNH ........................................................................................................... 7 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................. 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THAN HOẠT TÍNH .................................................... 10 1.1 Giới thiệu về than hoạt tính ...................................................................................... 10 1.1.1 Định nghĩa.......................................................................................................... 10 1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển ........................................................................ 11 1.2 Phân loại ................................................................................................................... 12 1.2.1 Phân loại theo Misec .......................................................................................... 12 1.2.2 Phân loại theo Meclenbua .................................................................................. 12 1.2.3 Phân loại theo Đu-bi-nin .................................................................................... 13 1.3 Cấu trúc mao quản của than hoạt tính ...................................................................... 14 1.4 Tái sinh than hoạt hóa ........................................................................................... 15 1.4.1 Tái sinh bằng nhiệt............................................................................................. 15 1.5 Tính chất vật lý......................................................................................................... 16 1.5.1 Kích thước hạt.................................................................................................... 16 1.5.2 Diện tích mặt riêng ............................................................................................ 17 1.5.3 Cấu trúc vật lý .................................................................................................... 18 1.5.4 Khối lượng riêng ................................................................................................ 18 1.6 Tính chất hóa học ..................................................................................................... 19 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT THAN HOẠT TÍNH ....................... 21 2.1 Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính........................................................................... 21 2.2 Thiết bị thí nghiệm ................................................................................................... 21 2.3 Phương pháp sản xuất than hoạt tính ....................................................................... 21 2.3.1 Quá trình than hóa.............................................................................................. 22

2.3.2 Quá trình hoạt hóa.............................................................................................. 23 2.3.2.1 Phương pháp hoạt hóa hóa học ................................................................... 26 2.3.2.1.1 Phương pháp và ảnh hưởng của sự ngâm tẩm .................................... 26 2.3.2.1.2 Hoạt hóa hóa học bởi H3PO4 .............................................................. 36 2.3.2.1.3 Kích hoạt hóa học: Sử dụng muối kim loại kiềm - K và Na .............. 42 2.3.2.2 Quá trình hoạt hóa (nhiệt hoặc vật lý) ......................................................... 47 2.3.2.2.1 Tỷ lệ phản ứng khí hóa ....................................................................... 48 2.3.2.2.2 Kích hoạt bởi CO2 và H2O: Sự ức chế bởi C (0) và C (H) ................. 51 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA THAN HOẠT TÍNH ................................................... 53 3.1 Trong công nghiệp ................................................................................................... 53 3.2 Trong y tế ................................................................................................................. 53 3.3 Trong hóa phân tích ................................................................................................. 53 3.4 Trong môi trường ..................................................................................................... 53 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 56

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1. 1-Thành phần nguyên tố một số loại than hoạt tính............................................. 19 Bảng 1. 2-Ảnh hưởng của việc loại bỏ axit cho 500C cuối cùng trên độ xốp của sản phẩm từ màu trắng ....................................................................................................................... 28

DANH SÁCH HÌNH Hình 1. 1-Một số hình ảnh về than hoạt tính ....................................................................... 9 Hình 1. 2-Cấu trúc mao quản của than .............................................................................. 13 Hình 2. 1-Một số nguyên liệu chế tạo than……….………………………………… 20 Hình 2. 2-Cấu trúc hóa học của cellulose,lignin và hemicellulose ................................... 25 Hình 2. 3-Cơ chế phản ứng cho sự chậm phát triển của cellulose thấm tẩm axit photphoric .......................................................................................................................... 26 Hình 2. 4- Cơ chế hình thành ester phosphate bằng cách phosphoryl hóa cellulose ........ 28 Hình 2. 5 ............................................................................................................................ 29 Hình 2. 6-Ảnh hưởng của dãy than lên nhiệt độ tiến hóa của hydro đối với phản ứng với NaOH, sử dụng than non, than bitum phụ và than antraxit ............................................... 32 Hình 2. 7-So sánh sự tiến hóa của hydro so với nhiệt độ cho than nâu và than nâu than hóa...................................................................................................................................... 34 Hình 2. 8- Sơ đồ cho thấy nồng độ (áp suất) của khí phản ứng (O2, CO2, H2O) thay đổi tương đối so với nội thất (Khu I) và ngoại thất (Vùng III) của mẫu carbon. .................... 37 Hình 2. 9-Biểu đồ cho biết tốc độ (log rate) của phản ứng oxy phân tử với carbon thay đổi theo nhiệt độ phản ứng (T-1) trong các Khu I-III của Hình 2.8 Vùng I là kiểm soát hóa học. .................................................................................................................................... 37

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Nuclear magnetic reasonance NMR Fourier transform infrared spectroscopy FTIR

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ THAN HOẠT TÍNH 1.1 Giới thiệu về than hoạt tính 1.1.1 Định nghĩa

như là một nguyên tố tuyệt vời của cuộc cách mạng khoa Gần đây, cacbon được xem nh học vật liệu. Từ cacbon chúng ta sẽ có được than hoạt tính, một chất hấp phụ xốp rất tốt, với các đặc tính tuyệt vời, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, Than hoạt tính là một thuật ngữ thường được sử dụng cho một nhóm các chất hấp phụ dạng tinh thể, có cấu trúc mau quản làm cho diện tích bề mặt khá lớn, khả năng hấp phụ tốt hơn.

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, nito, lưu huỳnh, oxi,… có sẵn trong nguyên liệu ban đầu hoặc mới liên kết với các cacbon trong quá trình hoạt hóa. Thành thường là: 88% C; 0.5% H; 0.5% N; 1% S và 6 đến 7% O. phần của than hoạt tính thông th Hàm lượng oxi có thể thay đổi từ 1 đến 20% tùy thuộc vào nguyên liệu và cách điều chế than hoạt tính.

Than hoạt tính có bề mặt khoảng 800 đến 1500 m2/g chủ yếu là do các lỗ nhỏ có bán kính dưới 2mm tạo ra, thể tích mau quản từ 0.2 đến 0.6 cm3/g.

Hình 1. 1-Một số hình ảnh về than hoạt tính Mỗi năm khoảng 150 nghìn tấn than hoạt tính dạng bột được sản xuấtcùng với khoảng 150 nghìn tấn than dạng hạt và 50 nghìn tấn dạng viên hoặc thanh.

Nhiều nguyên liệu khác nhau có thể được sử dụng như gỗ, nhựa, đá hay các vật liệu tổng hợp để sản xuất than hoạt tính mà không cần đưa chúng về dạng cacbon, đồng thời vẫn có được hiệu quả tương tự. Than hoạt tính sau khi sử dụng có thể được tái sinh (làm sạch hoặc giải hấp phụ) và có thể sử dụng hàng trăm, thậm chí hàng ngàn lần.

Hiện nay trên thị trường, than hoạt tính được bán dưới ba dạng: Than hoạt tính dạng bột Than hoạt tính dạng hạt Dạng than hoạt tính cải tiến (dưới áp suất cao), thường là viên 1.1.2 Lịch sử hình thành vàphát triển Than hoạt tính ở dạng than gỗ đã được hoạt hóa đã được sử dụng từ nhiều thế kỷ 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 tâm gỗ.

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 bằng cách than hóa hỗn hợp các nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật bằng hới nước hoặc CO2.

Than hoạt tính còn được sử dụng trong các mặt nạ phòng độc trong thế chiến thứ nhất.

Năm 1793 Ken-xơ đã dùng than gỗ để hút mùi hôi ở những vết thương có tính hoại tử.

Năm 1773 Silo đã quan sát và mô tả hiện tượng hấp phụ trên than gỗ.

Năm 1777 Phôn-ta-na đã đưa than nóng đỏ vào ống chứa khí úp ngược trên thủy ngân và nhận thấy phần lớn khí trong ống bị than hút mất.

Trong lĩnh vực dung dịch, năm 1875 Tơ-volo-vit đã thấy than gỗ có thể tẩy màu nhiều dung dịch.

Năm 1794 Lip-man cũng thấy than gỗ tẩy màu tốt các dung dịch đường mía và năm 1805 Gu-li-on đã dùng than gỗ để tẩy màu trong công nghiệp đường.

Sang đầu thế kỷ 20, vào năm 1922 Bi-si mới chế tạo thành công than tẩy màu.

Than được chế tạo bằng cách trộn than máu với potdineeg rửa và sấy.

Năm 1872 Han-xơ nghiên cứu khả năng than sọ dừa hấp thụ N2, H2, NH3 và HCN ở khoảng nhiệt độ từ 0 đến 700C thấy HCN được hấp thụ tốt hơn N2, H2, NH3. Ở nước ta từ những năm đầu thập kỷ 60 đã nghiên cứu một số than hoạt tính dùng cho mặt nạ phòng độc và phục vụ nhu cầu phát triển.

1.2 Phân loại 1.2.1 Phân loại theo Misec Có nhiều cách để phân loại than hoạt tính. Cách đơn giản nhất theo Misec là phân loại theo hình dáng bên ngoài của nó. Theo cách này than hoạt tính được phân thành 2 nhóm: Than bột Nhóm này gồm than tẩy màu và than y tế. Vì độ khuếch tán trong dung dịch nhỏ nên quá trình hấp phụ xảy ra trong dung dịch rất chậm. Để tăng cường độ thiết lập cân bằng hấp phụ than được nghiền thành bột mịn.

Than hạt Than hạt chủ yếu được dùng trong hấp phụ khí và hơi, vì vậy còn có tên gọi là than khí. Đôi khi than hạt cũng được dùng trong môi trường lỏng, đặc biệt là để lọc nước.

Than hạt có thể là dạng mảnh hoặc dạng trụ. Nguyên liệu được xay đến kích thước nhất định và hoạt hóa. Than hạt dạng trụ hoàn chỉnh được chế tạo theo quy trình phức tạp. Nguyên liệu được chuẩn bị ở dạng vữa, ép vữa thành sợi và cắt thành hạt rồi tiếp tục các bước sản xuất khác.

1.2.2 Phân loại theo Meclenbua Meclenbua phân loại than hoạt tính theo mục đích sử dụng và vì vậy than gồm nhiều loại: Than tẩy màu Đây là nhốm cơ bản, có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp để tẩy màu dung dịch. Ở đây, than hấp phụ chất bẩn có màu. Kích thước phân tử chất màu thay đổi trong phạm vi rộng từ dạng phân tử thông thường tới dạng lớn và tới các tiểu phân có độ phân tán keo.

Than tẩy màu dùng ở dạng bột mịn có kích thước hạt khoảng 80 ÷ 100 ߤm.

Than tẩy màu còn gồm than kiềm, than axit và than trung tính.

Than y tế Than có khả năng hấp phụ các chất tan phân tán dạng keo trong dịch dạ dày và ruột. Đây cũng là than tẩy màu, chỉ khác là có độ sạch cao. Trong quá trình sản xuất không nên dùng chất ẩm chứa nhiều cation độc như thiếc, đồng, thủy ngân,…

Than hấp phụ

Tùy vào chất lượng và mục đích sử dụng Than ngưng tụ: than được dùng để gôm hơi các chất hữu cơ trong không khí, chẳng hạn dùng để tách benzen khỏi các khí thiên nhiên nhằm quay vòng dung môi dễ bay hơi trở lại quy trình sản xuất. Than có hoạt tính cao, bền cơ học cao, trở lực lớp than đối với dòng khí nhỏ, khả năng lưu trữ chất hấp phụ thấp. Thường than được sản xuất dưới dạng viên định hình hay dạng mảnh đường kính từ 2 ÷ 8 mm, chiều dài khoảng 1.5 lần đường kính.

Than xúc tác: cũng là một dạng than khí, có độ xốp lớn, có thể dùng làm chất xúc tác trong tổng hợp nhiều chất vô cơ cũng như hữu cơ.

Than khí: than có khả năng hấp phụ chọn lọc khí và hơi. Có thể dùng than này đê tách các hợp phần khí bay hơi ra khỏi hỗn hợp của chúng. Than có ứng dụng rộng rãi trong công nghệ dầu mỏ để làm sạch các chất thơm, không khí,… để làm sạch nước.

Than được sản xuất dưới dạng mảnh hay hạt định hình với kích thước tùy thuộc vào mục đích sử dụng.

1.2.3 Phân loại theo Đu-bi-nin Đu-bi-nin đã dựa vào cấu trúc xốp để phân loại than hoạt tính. Chia than hoạt tính thành dạng thu hồi và dạng khí là không có ý nghĩa về đặc trưng cấu trúc. Theo ông chia than thành 3 dạng dưới đây là hợp lý: Than hoạt tính hấp phụ khí Dùng cho hấp phụ khí, hơi và các chất dễ bay hơi. Dạng than này thuộc chất hấp phụ có cấu trúc xốp nhỏ loại I. Đặc trưng cho cấu trúc của dạng than này là khi tăng thể tích hấp phụ trong lỗ xốp nhỏ làm dễ dàng cho sự hấp phụ đẳng nhiệt.

Than hoạt tính thu hồi Dùng hấp phụ các dung môi công nghiệp nhằm thu hồi đưa chúng trở lại chu trình sản xuất. Dạng than này thuộc chất hấp phụ có cấu trúc hỗn tạp. Dung tích hấp phụ lớn nhưng khả năng lưu giữu chất bị hấp phụ thấp, nhất là trong điều kiện khử hấp phụ bằng hơi quá nhiệt.

Than tẩy màu Than tẩy màu dùng để tẩy màu và lột sạch dung dịch, chất lỏng. Than chủ yếu thuộc chất hấp phụ có cấu trúc loại II. Than chứa tỷ lệ lớn lỗ có kích thước đủ lớn để hấp phụ các chất có phân tử màu và các tạp chất khác có mặt trong pha lỏng. Khi cần hấp phụ các chất có phân tử nhỏ khỏ dugn dịch thì dùng tan có trúc loại I.

Sự phân loại than hoạt tính giúp chúng ta có định hướng dễ dàng trong sản xuất và trong việc tìm loại than thích hợp cho mục đích sử dụng của mình. Than hoạt tính được nh có sản xuất từ các cơ sở khác nhau, tuy có nhãn hiệu và tên thành phần khác nhau, nhưng thể có tính chất hấp phụ giống nhau.

1.3 Cấu trúc mao quản của than hoạt tính Các mao quản tỏng than hoạt tính được chia thành 3 loại theo kích thước cua chúng:

hơ 1nm.

Mao quản micro (mao quản nhỏ): những mao quản có bán kính nhỏ hơn Mao quản mcso (mao quản trung): nh những mao quản có bán kính từ 1 ÷ 25 nm.

Mao quản macro (mao lớn): những mao quản có bán kính trên 25 nm.

Hình 1. 2-Cấu trúc mao quản của than Than hoạt tính có mao quản lớn thường được sử dụng để vận chuyển chất lỏng còn việc hấp phụ thường được sử dụng than hoạt tính có các mao quản vừa và nhỏ. Các mao quản được hình thành tỏng quá trình sản xuất, khi mà nguyên liệu được hoạt hóa. Các mao quản này không được tạo ra bằng phản ứng hóa học.

Than hoạt tính chế tạo từ than bùn có cả mao quản mcso và micro. Trong quá trình sản xuất có thể điều khiển được quá trình hình thành mao quản mcso – micro và tạo ra nhiều mao quản mcso cho than hoạt tính có nhiều ứng dụng. Than hoạt tính dạng bột có th ớc 1 chứa nhiều mao quản mcso. Than hoạt tính loại này có các mao quản msco kích thư ÷ 4 nm, cùng với các mao quản mcso lớn hơn, gần như dạng bột.

Than hoạt tính chế tạo từ than đá cũng có cả mao quả micro và mcso và cũng đa chức năng. Một trong những loại than phổ biến nhất trên thị trường có cỡ hạt khoảng 0.4 ÷ 1.4 mm. Một loại than mới được sử dụng và ngày càng được dùng nhiều có cỡ hạt nhỏ hơn, khoảng 0.4 ÷ 0.85 mm.

Than hoạt tính sản xuất từ vỏ dừa chỉ có cáu trúc mao quản micro, kích thước dưới 1 nm. Nhưng kahr năng hấp phụ than hoạt tính làm từ dừa cao gấp 2 ÷ 3 lần các loại than hoạt tính khác.

Than hoạt tính chế tạo bằng hoạt hóa hóa học có độ xốp cao hơn nhiều so với việc hoạt háo bằng hơi nước, tạo ra được nhiều mao quản micro và mcso.

1.4 Tái sinh than hoạt hóa Nếu loại bỏ hết các tạp chất trong than hoạt tính đã sử dụng thì chúng có thể được tái sinh và sử dụng lại. Sau khi tái sinh, than hoạt tính có thể phục hồi đến 80% hiệu quả sử dụng, mà trong thực tế là 100% vì ít khi sử dụng than hoạt tính đến hết giới hạn của nó.

Theo lý thuyết, việc này có thể được thực hiện nhiều lần theo ý muốn. Đối với các loại than hoạt tính mềm (than hoạt tính từ than bùn sẽ giảm chất lượng khi tái sinh) thì các hạt sẽ trở nên nhỏ hơn sau mỗi lần tái sinh. Còn với các loại than hoạt tính cứng hơn, như vỏ dừa hay than đá, sẽ vẫn giữ được chất lượng tốt và có thể tái sinh khoảng vài trăm lần.

Có 2 cách để tái sinh hoạt tính: Bằng nhiệt ( tái sinh nhiệt) Bằng hơi nước (tái sinh bằng hơi nước) 1.4.1 Tái sinh bằng nhiệt Tái sinh bằn nhiệt trong công nghiệp được thực hiên theo các bước sau: Than hoạt tính được sấy khô.

Sau đó gia nhiệt để cacbon hóa các tạp chất chứa trong các mao quản của than hoạt tính.

Than hoạt tính được hoạt hóa ở 700 – 10000C. Ở nhiệt độ này các tạp chất sẽ chuyển thành hơi và thoát ra khỏi than hoạt tính. Quá trình này được thực hiện trong môi trường yếm khí để đảm abro rằng than hoạt tính không bị đốt cháy. Bằng cách này, các mao quản sẽ được hình thành một lần nữa và than haojt tính được cải sinh.

Cách này ít khi được sử dụng cho những người chưng cất rượu tại gia. Ở một số vùng, tái sinh nhiệt được thực hiện cho các bước sau: Bắt đầu bằng việc đổ than hoạt tính vào sàng và rửa sạch với nước óng từ vòi. Nếu than hoạt tính có cỡ hạt 0.4 ÷ 0.85mm thì chúng sẽ chui qua qua được các lỗ sàng thông thường khi rửa. Bạn có thể sàng với các loại lưới tốt hơn hoặc bỏ qua hoàn toàn bước này.

Sau đó đun sôi than hoạt tính trong nước 10 ÷ 15 phút để hòa tan một vài rượu bậc cao (đã tái sinh được 15 ÷ 20%). Đun đến khi bay hơi. Đun lại nếu cần thiết.

Than hoạt tính sau đó được sấy khô. Sau khi than đã khô, nó được đặt vào lò sấy điện.

Bật lò ở 1400C hoặc 1500C và nun than hoạt tính trong khoảng 2 ÷ 3 giờ.

Tắt lò và đơi cho than hoạt tính nguội. bây giờ nó đã sẵn sàng đẻ tái sử dụng lại.

Các tạp chất khi bay hơi khỏi than hoạt tính trong quá trình đun than hoạt tính có mùi rất tệ. Đồng thời, việc tái sinh than hoạt tính trong lò điện rất nguy hiể vì nó có thể cháy.

Than hoạt tính làm từ gỗ và than bùn cháy ở 2000C còn than đá ở khoảng 4000C. Than đá vẫn có thể tái sinh trong lò khoảng 300 ÷ 3500C nếu muốn.

Tái sinh bằng hơi nước Tái sinh bằng hơi nước là phương pháp thường sử dụng trong công nghiệp tinh chế cồn. Nó được thực hiên theo các bước sau: Lọc ngược dòng với nước nóng. Được thực hiện từ trên xuống. Trong các bộ lọc than hoạt tính luôn luôn thực hiện từ dưới lên.

Sau đó, hơi nước được cho đi qua than hoạt tính. Nó cũng được thực hiện từ trên xuống. Hơi nước ở 120 ÷ 1300C và than hoạt tính cũng được làm nóng đến nhiệt động tương tự. Tât cả các tạp chất và rượu tạp bay hơi khỏi các mao quản.

Cuối cùng than hoạt tính được rửa ngược và sẵn sàng sử dụng lại.

1.5 Tính chất vật lý Than hoạt tính được sản xuất và bán trên thị trường quốc tế rất đa dạng. Mỗi loại than đều có công dụng riêng biệt đáp ứng các nhu cầu công nghiệp cụ thể.

Tuy nhiên, xét về mặt vật lý và đặc trưng kỹ thuật thì chúng có những đặc điểm chung quyết định đến khả năng hấp thụ là: kích thước hạt; diện tích bề mặt riêng; cấu trúc vật lý; khối lượng riêng 1.5.1 Kích thước hạt Có nhiều phương pháp sản xuất than hoạt tính khác nhau nên các loại than hoạt tính có nhiều tính chất, hình dạng và kích thước hạt khác nhau. Trước khi đưa vào sử dụng cần xác định các thông số như kích thước hạt và diện tích bề mặt riêng của hạt than,… vì những thông số này là 1 trong những nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cảu than hoạt tính.

Người ta thường sử dụng hai phương pháp để xác định kích thước hạt than là: phương pháp hiển vi điện tử; phương pháp hấp phụ lên bề mặt.

Vì kích thước và diện tích bề mặt các hạt than khác nhau nên trong tính toán thường lấy giá trị trung bình.

Phương pháp xác định trược tiếp bằng kính hiển vi điện tử cho giá trị đường kính trung bình hạt than với các phương pháp sản xuất khác nhau. Ví dụ,than máng có đường kính trung bình là 100 ÷ 300A; than sản xuất bằng lòng có đường kính hạt trung bình là 180 ÷ 600A; than sản xuất bằng lò khí có đường kính hạt trung bình là 400 ÷ 800A. Phương pháp nhiệt phân cho than hoạt tính có đường kính hạt trung bình lớn nhất là 1400 ÷ 4000A. Người ta đã đưa ra công thức tính đường kính trung bình của hạt than hoạt tính như sau: =

∑∗ ∑

Trong đó: n – số hạt; d – đường kính hạt.

Kích thước hạt cũng được xác định bằng phương pháp gián tiếp nhờ phương pháp hấp phụ theo BET. 1.5.2 Diện tích mặt riêng Hai phương pháp thường dùng để xác định diện tích bề mặt riêng của than hoạt tính là: Phương pháp tính toán hình học; Phương pháp tính toán theo lượng chất lỏng phân tử thấp hoàn toàn trơ hóa học vớithan hoạt tính nhưng được hấp phụ lên bề mặt của than hoạt tính.

Theo phương pháp thứ nhất, các kích thước hình học của than hoạt tính được xác định bằng hính hiển vi điện tử. Nếu chấp nhận các hạt than hoạt tính ó dạng khối cầu và bề mặt các hạt than phẳng nhẵn tuyệt đối thì diện tích bề mặt riêng Sh được tính theo công thức:

Theo phương pháp thứ hai, diện tích bề mặt riêng được xác định theo lượng chất lỏng phân tử thấp hoàn toàn trơ hóa học với than hoạt tính nhưng hấp phụ lên bề mặt than hoạt tính. Trong số chất lỏng phân tử thấp, thường dùng là nito ở nhiệt độ sôi của nó hay

các dung dịch iot, phenol,… Diện tích riêng bề mặt được tính toán bằng phương pháp này gọi là diện tích hấp phụ riêng Sp. Giá trị Sp cho mỗi chất lỏng hấp phụ khác nhau thì khác nhau vì chất lỏng phân tử lượng lớn hơn thì khả năng hấp phụ kém hơn. Để đánh giá mức độ phẳng nhẵn bề mặt các cấu trúc than có thể sử dụng tỷ số giữa diện tích hấp phụ riêng và diện tích bề mặt hình học riêng. Tỷ số này càng lớn bề mặt tiếp xúc giữa hai pha càng cao.

1.5.3 Cấu trúc vật lý Cấu trúc của hoạt tính được đánh giá bằng mức độ phát triển của cấu rúc bậc nhất của nó. Mức độ phát triển cấu trúc này phụ thuộc vào phương pháp sản xuất và nguyên liệu đầu đưa vào để sản xuất than. Cấu trúc bậc nhất phát triển mạnh nhất trong than sản xuất bằng phương pháp lò. Liên kết hóa học C – C đảm bảo cho cấu trúc có độ bền cao. Số lượng các hạt than sơ khai có cấu trúc dao động từ vài hạt đối với than có cấu trúc thấp đến 600 hạt đối với than có cấu trúc cao.

Thười gian bảo quản, các cấu trúc bậc nhất của than hoạt tính tiếp xúc với nhau, liên kết lại với nhau tạo thành liên kết bậc hai của than hoạt tính. Mức độ bền vững của cấu trúc bậc hai phụ thuộc vào độ bền liên kết Vander Waals đến độ bền liên kết hydro có trong than. Cấu trúc bậc hai càng bền vững khi các hạt than có kích thước càng nhỏ, mức độ nhám bề mặt càng lớn và hàm lượng các nhóm chứa oxy trên bề mặt than càng cao.

Cấu trúc của than hoạt tính có thể xác định bằng kính hiển vi điện tử và có thể đánh giá gián tiếp qua lượng dầu được than haotj tính hấp thụ (trị số dầu của than). Trị số dầu của than hoạt tính là lượng dầu hay lượng chất lỏng không bốc hơi (ml), trơ hóa học với than hoạt tính được hấp phụ lên bề mặt của than hoạt tính tạo thành bột nhão. Theo lý thuyết, lượng dầu hấp phụ này Chính là khoảng không gian giữa các hạt than khi các hạt than này nằm sát với hạt kia. Nếu cấu trúc cảu than càng lớn mức đọ kết bỏ chặt chẽ của than giảm, lượng dầu cần thiết để trộn với than càng nhiều hơn. Như vậy, trị số dầu là địa lượng tổng hợp để đánh gái giá trị diện tích bề mặt riêng và mức độ cấu trúc của than hoạt tính.

1.5.4 Khối lượng riêng Khối lượng riêng của than hoạt tính là đại lượng phụ thuộc vào phương pháp xác định nó. Chẳng hạn, nếu nhưu dùng rượu, axeton để xác định khối lượng riêng của than hoạt tính thì rượu và axeton là các phân tử quá lớn, không len lỏi vào các khe, kẻ giữa các hạt và trên bề mặt than. Như vậy, thể tsich do các hạt than chiếm sẽ lớn và khối lượng riêng sẽ nhỏ hơn khối lượng riêng của than. Khối lượng riêng của than hoạt tính xác định

bằng phương pháp này dao động trong khoảng 1800 ÷ 1900 km/m3. Khi xác định khối lượng riêng của than hoạt tính trong heli lỏng, thu được gái trị từ 1900 ÷ 2000 kg/m3.

Than hoạt tính dạng bột là các hạt nằm sát bên nhau và ở các góc cạnh, các cung là không khí, vì thế khối lượng riêng của nó nhỏ hơn nhiều và dao động từ 80 ÷ 300 kg/m3, phụ thuộc vào mức độ phát triển cấu trúc của than. Than có cấu trúc càng lớn, khoảng trống giữa các cấu trúc càng nhiều và gái trị khối lượng riêng càng nhỏ.

1.6 Tính chất hóa học Phân tích cấu trúc và cấu tạo cảu than hoạt tính bằng tia Rơnghen cho thấy các hạt than hoạt tính có cấu trúc mạng phẳng, cấu tạo từ các vòng cacbon, vị trí săp xếp các nguyên tử cacbon trong vòng giống vị trí sắp xếp các nguyên tử cacbon trong benzen.

Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau bằng liên kết hóa học như sau: Khoảng 3 ÷ 7 mạng cacbon phẳng sắp xếp thành tưng lớp, mạng này lên mạng khác, nhưng không chồng khít và chính xác như nhau mà các nguyên tử cacbon ở các mạng khác nhau nằm lệch nhau tạo thành các tinh thể sơ khai của than hoạt tính. Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong cùng một mạng là 1.42A, khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon tương ứng ở hai mạng kề nhai là 3.6 ÷ 3.7A. Trong mỗi tinh thể sơ khai của than hoạt tính chứa khoảng 100 ÷ 200 nguyên tử cacbon. Các tinh thể sơ khai sắp xếp tự do và liên kết với nhau để tạo thành các hạt than đầu tiên. Số lượng các tinh thể sơ khai trong hạt than quyết định kích thước cảu hạt than, chẳng hạn than hoạt tính được sản xuất bằng phương pháp khếch tán MaxDG – 100 chứa khoảng 5000 ÷ 10000 tinh thể.

Trong quá trình sản xuất, do có sự va chạm, khuấy trộn, các hạt than sơ khai thường có dạng khối cầu hoặc gần cầu. Các khối cầu nằm bên trong hỗn hợp phản ứng lại liên kết với nahu nhằm tăng kích thước cảu hạt để giảm năng lượng tự do bề mặt và tạo thành các chuỗi. Hình dạng và kích thước của chuỗi phụ thuộc vào tính chất của từng loại than.

Các chuỗi hạt như vậy được gọi là cấu trúc hạt bậc nhất của than hoạt tính. Trong tinh thể khối của hạt than hoạt tính, các nguyên tử cacbon nằm ở mặt ngoài (cạnh hoặc mép) có mức độ hoạt động hóa học lớn, vì vậy, nó là trung tâm của các quá trình oxy hóa tạo cho bề mặt than hoạt tính hàng loạt các nhóm hoạt động hóa học khác nhau.

Ngoài cacbon, trong thành phần hóa học của than hoạt tính có hydro, lưu huỳnh, oxy và các chất khác. Các nguyên tử này được đưa vào than hoạt tính cùng với nguyên liệu đầu và trong quá tình oxy hóa. Sự có mặt của các hợp chất chứa oxy trên bề mặt than hoạt tính được chứng minh bằng phản ứng axit huyền phù trong nước của than hoạt tính.

Bảng 1. 1-Thành phần nguyên tố một số loại than hoạt tính Hàm lượng % Loại

Cacbon

Oxy

Hydro

Chất dễ bay hơi

Tăng cường máng

95.2

3.6

0.6

5

Bán tăng cường máng

99.2

0.4

0.3

1.2

Tăng cường lò

98.2

0.8

0.3

1.4

Nhìn chung, tùy vào từng loại than với các phương pháp sản xuất khác nhau, thành phần của chúng cũng khác nhau, nhưng nằm trong giới hạn cho phép:Cacbon: 80 ÷ 99.5%; Hydro: 0.3 ÷ 1.3%;Oxy: 0.5 ÷ 1.5%;Nito: 0.1 ÷ 0.7%;Lưu huỳnh: 0.1 ÷ 0.7%; Sự có mặt các nhóm phân cực trên bề mặt than hoạt tính là yếu tố quan trọng quyết định khả năng tác dụng hóa học, lý học của than hoạt tính với các nhóm phân cực; liên kết đôi có trong mạch đại phân tử. Dựa vào thành phần các nguyên tố hóa học của than hoạt tính có thể chọn loại than hoạt thích hợp cho từng loại

PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT THAN HOẠT CHƯƠNG 2: CÁC PH TÍNH 2.1Nguyên liệu chế tạo than hoạt tính

l ợng Nguồn nguyên liệu cho sản xuất than hoạt tính là những nguyên liệu có hàm lư cacbon cao nhưng lại chứa ít các thành phần vô cơ khác như gỗ, than non, than bùn, than đá,… Bên cạnh đó, rất nhiều loại chất thải nông nghiệp như vỏ trấu, vỏ dừa,… cũng có thể chuyển thành than hoạt tính bởi nguồn nguyên liệu này có sẵn, rẻ tiền, hàm lượng cacbon cao và các thành phần vô ccơ thấp.

Có thể phân chia nguyên liệu thành 3 nhóm sau: Từ than đá, than bùn.

ơm rạ, vỏ quả, hạt quả.

Từ thực vật: gỗ, bã mía, rơ

Hình 2. 1-Một số nguyên liệu chế tạo than 2.2 Thiết bị thí nghiệm Thiết bị than hóa và hoạt hóa là thiết bị tự chế tạo từ thép hợp kim và vật liệu chịu nhiệt có đường kính 200mm, chiều cao 200mm. Ngoài ra còn lò đốt, lò hơi, lò nung có cảm biến và bộ phận ổn định nhiệt độ tự đông. Cùng với những dụng cụ đo và phân tích khác nhau: đồng hồ, lưu lượng kế, nhiệt kế, máy so mẫu.

2.3 Phương pháp sản xuất 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 10000C. Quá trình sản xuất gồm có hai bước:

Than hóa ở nhiệt độ dưới 8000Ctrong môi trường yếm khí hoặc khí trơ.

Hoạt hóa sản phẩm của quá trình than hóa ở nhiệt độ 950 ÷ 10000C. 2.3.1 Quá trình than hóa Quá trình than hóa là quá trình phân hủy nhiệt nguyên liệu để đưa nguyên liệu ban đầu và dạng cacbon, đồng thời làm bay hơi một số chất hữu cơ nhẹ và tạo mao quản ban đầu. Quá trình than hóa có thể thực hiện trong cả 3 pha rắn, lỏng, khí.

Than hóa trong pha rắn: Nguyên liệu đầu là các phân tử lớn do sự tổng hợp hoặc các quá trình tự nhiên. Phân hủy nguyên liệu ban đầu bằng cách tăng nhiệt xử lý, gải phóng các chất khí và chất lỏng có khối lượng phân tử thấp.

Than hóa trong pha lỏng: sử dụng các nguyên liệu như vòng thơm, hắc ín cho phéo tạo thành cacbon dạng graphit không có mao quản, cần một phản ứng tác động lên các lớp gaphit để tạo ra mao quản.

Than hóa trong pha khí: Nguyên liệu ban đầu là các khí như metan, propan hoặc benzen trộn với heli. Quá trình than hóa thực hiện ở áp suất tương đối thấp.

Nguyên tắc của quá trình sản than nguyên liệu thực vật là dùng nhiệt phân hủy nguyên liệu trong điều kiện không có không khí. Dưới tác dụng của nhiệt độ thường tới 1700C, vật liệu bị khô đều; từ 170 ÷ 2800C, vật 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 ÷ 3800C xảy ra sự phân hủy phát nhiệt giải phóng metanol, hắc ín,… Quá trình cacbon hóa xem như kết thúc ở khoảng 400 ÷ 6000C. Quá trình than hóa Thông thường quá trình than hóa được thực hiện ở nhiệt độ cao. ở nhiệt độ cao trong môi trường kị khí các vật liệu giàu cacbon sẽ bị đề hydrat hóa tạo than có diện tích bề bề mặt riêng phát triển . Đặc điểm quán trọng của giai đoạn than hóa là phải đảm bảo môi trường kị khí hay hạn chế tối đa sự có mặt và lưu thông của oxy trong môi trường than hóa. Sự có mặt của oxi sẽ đốt cháy than thu được trong giai đoạn này. Để tạo môi trường trơ trong giai đoạn than hóa thông thường có các phương pháp phổ biến sau: Sử dụng khí nitơ: Thiết bị dùng để than hóa được thổi liên tục dòng khí nito. Sự có mặt của nito sẽ đuổi oxi ra khỏi thể tích phản ứng. Phương pháp này có ưu điểm là hạn chế được sự có mặt của oxi hiệu quả cao và thuận lợi cho quá trình hoạt hóa tiếp theo sau bằng CO2, hơi nước. nhược điểm của phương pháp này là tiêu tốn nito và đắt tiền.

Sử dụng cát (SiO2) hoặc là những hạt sỏi Đây là phương pháp đơn giản, rẻ tiền và dễ tiến hành. Cát được phủ lên trên nguyên liệu và chiếm các không gian trống trong cốc nung nhằm đuổi hết oxy và hạn chế lưu thông của oxy trong thể tích phả ứng. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là gây trở ngại cho việc hoạt hóa tiếp theo bằng CO2, hơi nước.

Sử dụng khí CO2 hoặc hơi nước Dùng khí CO2, hơi nước tương tự như như dùng khí nito, tuy nhiên CO2, hơi nước ngoài vai trò đuổi oxy nó còn là tác nhân hoạt hóa cho quá trình tạo lỗ xốp và phát triển bề mặt riêng của than. Trong công nghiệp thì phương pháp dùng hơi nước là phổ biến nhất bởi vì hơi nước là nguồn sẵn có, rẻ tiền không gây ô nhiễm môi trường.

2.3.2 Quá trình hoạt hóa Quá trình hoạt hóa trong sản xuất than hoạt tính có ý nghĩa rất lớn, vì vậy người ta đã tập trung nhiều cố gắng nghiên cứu khâu này. Việc nghiên cứu than hoạt tính ban đầu tập trung vào việc thiết lập mối quan hệ giữa cấu trúc nguyên liệu và sản phẩm. Việc chọn nguyên liệu một mặt dựa vào quy mô sản xuất, mặt khác dựa vào nguyên liệu thích hợp tự nhiên cho một sản phẩm nhất định. Ví dụ xương động vật cho than tẩy màu, sọ dừa cho than rắn chắc thích hợp để sản xuất than hấp phụ khí và hơi…

Thời gian về sau công tác nghiên cứu đi sâu vào cấu trúc xốp của than, người ta đã nhận thấy phương pháp than hóa tuy không ảnh hưởng tới thành phần nguyên tố của than nhưng ảnh hưởng rõ rệt lên cấu trúc xốp của than, ảnh hưởng mạnh lên việc hình thành các sản phẩm do than hóa tạo thành như hắc ín, than vô định hình,… từ đó ảnh hưởng lên quá trình hoạt hóa và ảnh hưởng lên tính chất than thành phần.

Theo Ac-lếch-xep-ski, việc chọn nguyên liệu cho than hoạt tính dựa vào thành phần các hợp chât hữu cơ nguyên liệu. Nguyên liệu tốt là các loại hợp chất hữu cơ bị phân hủy ở nhiệt độ không cao và khi bị nhiệt phân không tạo ra cacbua no phân tử lớn, mà loại phân tử này chỉ bị phân hủy ở nhiệt độ cao tạo ra cacbon graphit hóa.

Quá trình nhiệt phân phải được thực hiện nhanh giảm thời gian tiếp xúc giữa cacbon mới được hình thành và sản phẩm củ quá trình nhiệt phân. Tiếp theo quá trình than hóa là quá trình hoạt hóa. Mục đích của quá trình hoạt hóa là giải phodng độ xốp sơ cấp đã có sẵn trong than, đồng thời tạo thêm độ xốp thứ cấp làm than có hoạt tính cao.

Riêng về hoạt hóa có thể phân chia một cách có điều kiện thành hai phương pháp:Phương pháp hoạt hóa hóa học và phương pháp hoạt hóa lý học

2.3.2.1 Phương pháp hoạt hóa hóa học Các nguyên tử cacbon hoạt tính đã được sử dụng làm chất hấp phụ trong các ứng dụng mà ở đó các tạp chất, ở nồng độ thấp, phải được loại bỏ.Hấp phụ là phương pháp lý tưởng vì nó không đặc hiệu. Than hoạt tính phải có một lượng lớn micropore, với sự phân bố kích thước lỗ chân lông thích hợp, để hấp thụ các phân tử có kích thước khác nhau.

Ngoài ra, phải có một tỷ lệ đầy đủ mesopores để tạo điều kiện tiếp cận vớimicropores. Do đó, có thể hiểu được rằng nghiên cứu sâu rộng đã được thực hiện để cung cấp các phương pháp kích hoạt để phát triển các phân phối kích thước lỗ chân lông tối ưu để đáp ứng các yêu cầu công nghiệp rộng lớn. Khi các ứng dụng trở nên cụ thể hơn, cần có sự kiểm soát cụ thể hơn đối với các bản phân phối kích thước lỗ rỗng.

Than hoạt tính, với phân bố kích thước lỗ xốp và được kiểm soát, được chuẩn bị từ tiền chất carbon tổng hợp chủ yếu là loại polymer (polyimide, polyvinyl chlor, nhựa…) vàtiền chất thông thường hơn, chẳng hạn như lignocellulosic nguyên vật liệu.

Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng mesovà macroporosity trong than hoạt tính, được sản xuất từ vật liệu lignocellulosic, phản ánh kết cấu thực vật của tiền thân.Microporosity được phát triển bằng cách kích hoạt bằng khí (chủ yếu là hơi nước hoặc carbondioxide), bằng cách mở rộng độ rỗng thô sơ của than gỗ. Kể từ khi kích hoạt nhiệt, như vậycác biến như nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ sưởi ấm,… không ảnh hưởng đến sự phân bố kích thước microporeviệc sử dụng thay thế các hoạt hóa hóa học được kiểm soát tốt là điều thú vị bởi vì, ở đây, sự phát triển của độ rỗng là thay đổi đáng kể.

Hoạt động hóa học, sử dụng ZnCl2, H3PO4, thường được thực hiện ở 450-600 ° C. Ở nhiệt độ này, quá trình cacbon hóa không hoàn chỉnh, và do đó thành phần hóa học của than hoạt tính thu được (sau khi loại bỏ hóa chất bằng cách rửa) nằm giữa của con trỏ trước và than (cacbon không kích hoạt). Có một sự co lại về kích thước của tiền chất lignocellulosic trong quá trình carboniza-tion. Các nghiên cứu được thực hiện với vỏ hạnh nhân cho thấy rằng giảm cân khoảng 75% trọng lượng được đi kèm với một sự co khoảng 30% thể tích. Sự thay đổi kích thước cacbon hóa trong thời gian này rất quan trọng trong các hoạt hóa hóa học, vì thuốc thử phải được kết hợp vào bên trong của các hạt, nơi nó ức chế sự co lại dự kiến với nhiệt độ tăng lên. Điều này có nghĩa là thuốc thử có thể hoạt động như một mẫu cho việc tạo ra vi mô. Trong số nhiều thuốc thử được đề xuất để kích hoạt hóa học (kẽm clorua, axit photphoric, clorua nhôm, clorua magiê, kali

hydroxit, natri hydroxit, vv), được sử dụng phổ biến nhất, công nghiệp, là ZnCl2, H3PO4 và KOH. 2.3.2.1.2 Hoạt hóa hóa học bởi H3PO4 Về cơ bản, gỗ là một vật liệu hỗn hợp sợi ma trận phức tạp được hình thành từ các poly-mers tự nhiên trong đó khung xxơ bao gồm các sợi siêu nhỏ xenluloza tinh thể, đường kính 2-5 nm. Ma trận giữa các sợi nhỏ được cấu thành từ mosdy của hemicellulose, và lignin cung cấp vật liệu tăng cường củng cố thành tế bào xung quanh.

Nội dung điển hình cho các chất sinh học của gỗ cứng là: 42-50% cellulose, 19-25% hemi-cellulose và 16-25% lignin.

Cấu trúc phân tử của cellulose, hemicellulose và lignin được trình bày trong Hình 2.2Các sợi nhỏ trong các thành tế bào được hình thành từ các chuỗi cellulose được liên kết và giữ lại với nhau bằng liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl trên các đơn vị glucose lặp lại. Các nhóm vi sợi nhỏ được kết nối bởi cellulose vô định hình (khoảng 1020% tổng cellulose) và hemicellulose, được bao quanh bởi lignin và một số hemicellulose. Khoảng cách giữa các sợi nhỏ có kích thước bằng một vài nm và có cùng kích thước với các vi mô và mesop lớn hơn.

Phản ứng ở nhiệt độ thấp <150 ° C Phản ứng của gỗ với axit photphoric bắt đầu ngay sau khi các thành phần được trộn lẫn. Chắc chắn, sau khi xử lý nhiệt đến 500C, có bằng chứng về sự thay đổi về mặt hóa

ư axít đầu tiên tấn công hemicellulose và lignin, có thể do tiếp học và thể chất. Có vẻ như n là cellulose tinh thể. Cellulose cận dễ dàng hơn với các polyme vô định hình này hơn dường như có khả năng chống thủy phân axit cao hơn so với các polysaccharides khác khi nhìn thấy tính toàn vẹn chung của cấu trúc tế bào sau phản ứng với H3PO4. Tác dụng chính của sự tấn công axit là thủy phân các liên kết glycosidic trong hemicellulose và cellulose và tách các liên kết aryl-ether trong chất gỗ. Những phản ứng này tiếp tục đi ngưng tụ. Các phản ứng chính dẫn đến giảm trọng lượng kèm với mất nước, suy thoái và ng phân tử, chủ yếu là hemicellulose và chất gỗ, phù hợp với khả năng hình thành hỗn hợp Hơn nữa, thủy phân được xúc tác axitliên kết ete trong ép đùn của gỗ và axit photphoric. H

chất gỗ dẫn đến sự hình thành xeton, như được quan sát bằng quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) và cộng hưởng từ hạt nhân 13C (13C NMR).

cellulose

Hình 2. 2-Cấu trúc hóa học của cellulose,lignin và hemicellulose

Các phản ứng phân cắt liên kết này thông qua các cơ chế ion giải thíchgiải phóng CO2, CO và CH4. Sự phát triển nhiệt độ thấp của CO2 và CO là phù hợp với việc giảm hàm lượng C = 0 được quan sát thấy, một phần, bởi các nhóm este và cacboxylic trong gỗ bố mẹ (chủ yếu có mặt trong hemicellulose và chất gỗ).

HemJcellulose Ligni

áng kể ở nhiệt độ tương tự cho thấy sự phân cắt của các chuỗi Sự giải phóng CH4 đáng bên béo là tương đối dễ thấy, và phù hợp với sự mất đi của đặc tính béo và sự gia tăng m. Các nghiên cứu khác cho thấy phản ứng của axit photphoric với tương ứng về độ thơm. xenluloza, ngay cả ở vùng có nhiệt thấp, sự chế tạo đáng kể giữa tinh thể và trong tinh thể

Hơn nữa, Pandey và Nair (1974) trương (Porter và RoUins, 1972; Pandey và Nair, 1974). H đã kiểm tra phản ứng của axit photphoric với bông ở nhiệt độ 10, 29 và 40 ° C trong 0,5 giờ sử dụngnồng độ axit photphoric được lựa chọn (nồng độ axit 0-81% với tỷ lệ cotton liên tục đến tỷ lệ rượu là 1: 100). Họ thấy rằng mức độ trùng hợp cellulose giảm với sự gia tăng nồng độ axit và nhiệt độ. Nghiên cứu này và nghiên cứu khác về công bố (Pandey và Nair, 1974) cho thấy rằng axit photphoric bắt đầu tương ng tác với cellulose ở nhiệt độ thấp tới 10 ° C, tạo ra sự sưng ở cả vùng tinh thể lẫn liên kết và gây ra sự phân hủy cellulose chuỗi polymer

Hình 2. 3-Cơ chế phản ứng cho sự chậm phát triển của cellulose thấm tẩm axit photphoric Phản ứng ở nhiệt độ trung bình> 150 <450 ° C Các phản ứng liên kết chéo hiện nay chiếm ưu thế hơn sự phân cắt liên kết và phản ứng khử trùng, như được chỉ ra bởi đỉnh phát triển của CO2 và CO ở 2000Cvà cực đại đầu tiên ở CH4 ở 2500C. Năng suất cao của carbon thu được bằng cách xử lý axit trên khoảng 3000C là do hoàn toàn liên kết chéo cấu trúc giữ lại các loài trọng lượng phân tử tương đối thấp trong giai đoạn rắn. Rõ ràng là có mối liên hệ trực tiếp giữa sự phát triển độ xốp và quá trình giãn nở cấu trúc. Phản ứng với axit photphoric cũng ổn định cấu trúc cellulose bằng cách ức chế sự hình thành của levo-glucosan, nếu không cung cấp một lộ áng kể cellulose thông qua sự phân hủy của nó thành các sản trình cho sự suy thoái đáng

phẩm dễ bay hơi. Sự hình thành các este photphat bằng phản ứng của cellulose với axit photphoric được thể hiện trong hình 6.22 minh họa thêm cách axit photphoric có thể được chèn vào giữa T <450 ° C: Sự hình thành các este photphat trên các chuỗi bên cellulose và liên kết chéo

Este có thể là dẫn xuất của các axit ortho-, pyro- và meta-phosphoric

T> 450 ° C: Loại bỏ H3PO4

Hình 2. 4- Cơ chế hình thành ester phosphate bằng cách phosphoryl hóa cellulose

chuỗi cellulose, phá vỡ các liên kết hydro hiện có, thay thế chúng bằng các liên kết hóa học khác, đồng thời tách các chuỗi và làm giãn cấu trúc. Việc bổ sung hoặc chèn các nhóm phosphate phân tách các loài hữu cơ và ảnh hưởng đến sự giãn nở của cấu trúc.

Bảng 1. 2-Ảnh hưởng của việc loại bỏ axit cho 500C cuối cùng trên độ xốp của sản phẩm từ màu trắng

Một sự khác biệt quan trọọng giữa việc kích hoạt axit photphoric (tạo ra carbon) và sự biến đổi hóa học của gỗ bằng axit photphoric (chất chống cháy) là trong trư tr ờng hợp ương mại), axit photphoric được loại bỏ sau phản ứng bằng thương mại (trường hợp thương cách lọc phục hồi thuốc thử và xử lý nhiệt sau đó tiếp tục. Vì lý do này, hàm lượng photpho của các nguyên tử thu hồi chỉ biểu thị lượng vật liệu còn lại hiện diện, hoặc kết hợp với cấu trúc hữu cơ, ở dạng phos-phate kim loại không hòa tan, hoặc bị bám vào vật lý. Ở 2800C, các cấu trúc được coi là các đơn vị polyaromatic nhỏ được kết nối chủ yếu bởi các cầu phosphat và polyphosphate, kể cả các liên kết polyethylene [(CH2) - ]. Khi

th ớc của nhiệt độ tăng lên, phản ứng co giãn và ngưng tụ dẫn đến tăng độ thơm và kích thư các đơn vị đa tinh thể, được kích hoạt bởi sự phân tán của các liên kết P-O-C. Giữa 350 nhưng ở 4300C trở lên, sự phân cắt liên tục của các liên kết và 5000C, than gỗ ổn định, như m(các lớp graphene chéo dẫn đến sự phát triển rộng lớn về kích thước của các đơn vị thơm(các "phôi").

Do đó, ó, axit photphoric dường như có thể hoạt động theo hai cách như một chất xúc tác axit trong việc thúc đẩy các phản ứng phân cắt liên kết và hình thành các liên kết chéo thông qua các quá trình như cyclization và condensation và liên kết phos-phate, chẳng hạn như phosphate và các este polyphosphate, phục vụ để kết nối và liên kết chéo các đoạn biopolymer. Điều này có thể được kiểm tra bằng cách loại bỏ (rửa trôi) axit phosphoric ví dụ từ một sản phẩm 2500C, và sau đó làm nóng đến 3000C (để được so sánh với không lọc). Bảng 2.1 cho thấy ảnh hưởng của việc loại bỏ axit đối với độ xốp tương đối của sản phẩm, sự hiện diện liên tục của axit photphoric duy trì tính vi mô, nhưng không phải là tính chất mesoporosity. H3PO4 thúc đẩy năng suất cao hơn.

Phản ứng ở nhiệt độ cao> 4500C Tại HTT> 4500C, cấu trúc bắt đầu co lại, được xác định bởi cả độ mờ tổng thể và độ dày của thành tế bào thứ cấp. Khối lượng micropore giảm dần với HTT> 3500C, không ảnh hưởng rõ ràng đến thể tích mesopore cho đến khoảng 5500C, khi nó bắt đầu giảm khá

Hình 2. 5 dốc. Giữa 4500C và 5500C, co giãn cấu trúc là

cung cấp bằng cách thu hẹp đường kính lỗ chân lông mà không gây ra sự dịch chuyển đáng kể trong phạm vi kích thước lỗ rỗng. Trên 5500C, sự sụt giảm mạnh về thể tích mesopore song song với sự co lại thứ cấp của thành tế bào. Giữa 4500C và 6500C, độ dày thành tế bào giảm khoảng 30% kích thước ban đầu, trong khi độ co tổng thể theo hướng xuyên tâm chỉ khoảng 11%. Sự co lại của cellulose tinh thể thay đổi phản chiếu sự giãn nở rộng lớn trước đây của nó. Cũng như sự giãn nở đã được giải thích bởi sự hình thành các liên kết phosphate cồng kềnh, sự đảo chiều của nó phù hợp với sự phân hủy của chúng, do chúng đạt tới giới hạn của độ bền nhiệt ở khoảng 4500C. Do các cầu phosphat được coi là tập trung cao hơn vào xenluloza thay đổi, nên việc phân hủy của chúng sẽ ảnh hưởngHình lớn nhất đến cấu Liên quan, tích HTT FTIRcho chocác thấy sự giảmcường 2.5 Năng suấttrúc củanày. carbon như một phân hàm của nguyên tử cacbon độ được 0 tạodải ra bằng axit photphoric, với 450 các dòng chảycónơi đãđáng đượckể loạikích bỏ trước của các do các este phosphatesotrên C. Cũng sựmà giaaxit tăng thướckhi 0 xử NMR), lý nhiệtbiểu 50 ° thị C cuối cùng sự sắp xếp lại cấu trúc đáng kể sẽ cụm thơm trên 450 C (ước tính 13C yêu cầu giảm sự liên kết chéo, như được tìm thấy trong các nghiên cứu về chất chống cháy . Đỉnh cao trong quá trình tiến hóa hydro ở 5500C là kết quả của sự ngưng tụ thơm.

Sự sụt giảm tương ứng về độ xốp cũng phù hợp với sự xuất hiện của sắp xếp lại cấu trúc chính, nơi mà kích thước và sự sắp xếp của các cụm tăng lên dẫn đến cấu trúc dày đặc hơn (và có thể là dị hướng). Trong cùng phạm vi nhiệt độ này, việc loại bỏ các nhóm chứa béo và oxy còn lại phù hợp với sự phát hiện thứ cấp quan sát CH4 và sự biến mất của các dải hấp thụ hồng ngoại do xeton và este.

Kết luận: Axít photphoric hoạt động như một chất xúc tác axit để thúc đẩy sự phân cắt liên kết và hình thành các liên kết chéo thông qua các phản ứng bão hòa và ngưng tụ, và kết hợp với các loài hữu cơ để hình thành các cầu phosphate và polyphosphate kết nối và liên kết chéo các đoạn biopolymer. Việc bổ sung (hoặc chèn) các nhóm phosphate làm tăng quá trình giãn nở.

2.3.2.1.3 Kích hoạt hóa học: Sử dụng muối kim loại kiềm - K và Na Việc sử dụng axit photphoric để chuẩn bị carbon hoạt tính có nguồn trong một khu vực khá khác nhau, cụ thể là sự chậm phát cháy. Tương tự như việc sử dụng các muối kim loại kiềm, chẳng hạn như các hydroxit và cacbonat kali và natri, để chuẩn bịthan hoạt tính, được liên kết với hai ngành công nghiệp với các tiêu thụ chính của carbon, cụ thể là

ngành công nghiệp sắt và thép và ngành công nghiệp nhôm. Nửa sau của thế kỷ trước đã có hai thay đổi lớn trong ngành sắt thép. Đầu tiên, có một sự mở rộng lớn trong sản xuất sắt trên khắp châu Âu, Mỹ và Viễn Đông. Khi sản xuất sắt dựa trên lò cao, phụ thuộc vào than cốc luyện thi hành như chất khử oxit sắt, nên có sự mở rộng về nhu cầu than và than để chế tạo than cốc luyện kim.

Mặc dùcác đặc trưng carbon hóa của các loại than này là rất quan trọng, nhưng cũng nhận ra rằng thành phần hóa học của chất khoáng (trở thành tro) phải được xem xét nghiêm túc trong việc phân tích. Các chất khoáng là nhiều hơn một chất pha loãng trơ của than cốc.

Nó đã trở thành thành lập mà than nhất định, với nội dung chất khoáng có chứa hàm lượng cao của kali và natri, cung cấp cokes luyện kim mà không hoạt động tốt trong lò cao. Kích thước than cốc đã được tìm thấy là giảm và nơi có một giường phản ứng được tạo thành từ các kích cỡ khác nhau của các miếng than cốc, sau đó độ thấm của lò vào vụ nổ không khí giảm và, như sản xuất sắt lỏng là một quá trình kiểm soát khuếch tán, sau đó hiệu quả của lò cao có thể rơi xuống mức không thể chấp nhận được. Câu hỏi cần được giải quyết tại thời điểm đó là làm thế nào mà kali và natri gây ra sự suy thoái than cốc. Để chuyển sang ngành công nghiệp nhôm, một câu hỏi tương tự đã được hỏi, mặc dù bối cảnh của câu hỏi là khác nhau. Nhôm được sản xuất bằng cách giảm điện phân của các oxit nhôm / florua ở nhiệt độ khoảng 10000C, nhỏ hơn mức tối đanhiệt độ của một lò cao (khoảng 13000C). Chất khử là chất anôt cacbon, là một khối cacbon nung có trọng lượng khoảng 1 tấn, được đưa vào tế bào điện phân. Theo thời gian, các cực dương này sẽ thất bại và rơi vào chất điện phân nóng chảy mà từ đó chúng sẽ phải được chiết xuất (một quy trình không được xem xét với ưu tiên trong ngành). Nguyên nhân chính của vấn đề này cuối cùng cũng liên quan đến sự hiện diện củanatri (ít hơn với kali) trong than cốc nung. Câu hỏi được giải quyết tại thời điểm đó là làm thế nào để natri gây suy thoái và làm suy yếu anôt cacbon.

Hóa học kích hoạt sử dụng muối kiềm Sự đồng hóa cacbon của tiền chất hữu cơnhư nhựa, than hoặc carbon với kali hydroxit hoặc kali cacbonat dẫn đến độ xốp tăng cường trong sản phẩm cacbon, một quá trình được gọi là kích hoạt hóa học. Điều này được thực hiện trên quy mô công nghiệp với sự gia nhiệt nhanh chóng của các hỗn hợp này đến khoảng 7500C dẫn đến chất nổloại bỏ kim loại. Kết quả là, các nguyên tử cacbon Amoco này là dạng kết bông, có mật độ cực thấp (> 0,01 gcm "^) với diện tích bề mặt rõ ràng cao tới 3000 m3g-1 và đã được hình

thành bởi sự phá hủy toàn bộ cấu trúc trong vật liệu cacbonat mẹ. Sau đó, Marsh và cộng sự (1984) đã nghiên cứu kích hoạt than cốc xanh và nung bằng hỗn hợp KOH rắn, tỷ lệ 4:

ưu ý rằng than màu xanh tạo ra nguyên tử cacbondiện tích bề 1, gia nhiệt đến 7500C và lưu mặt cao nhất. Các cấu trúc bên trong các than màu xanh lá cây (HTT <4000C) có thể ít ơn so với than nung graphit (vật liệu cực cứng). Một lần nữa, liên kết chặt chẽ với nhau hơn sự phá hủy cấu trúc của than cốc xanh đã được quan sát.

Những người Marsh (1987) đã xem xét các cơ chế kích hoạt có thể bằng kali và natri, nhưng không mô tả rõ ràng kali hoạt động như thế nào. Những người Chan (1993) làm nóng một loạt các nguyên tử cacbon với kali trong một trơbầu không khí, 773-1273 K, và báo cáo sự xuống cấp ít (sự bắt đầu) với các nguyên tử cacbon đẳng hướng (PC) và các ng các than luyện kim có khả năng ng graphitizability rất hạn chế cuộn kim được nung, nhưng th ớc có thể bị suy thoái đáng kể. Kết quả của nghiên cứu này cho thấy sự suy giảm kích thư liên quan đến sự không đồng nhất và các định hướng khác nhau của các thành phần dị ng như sự có mặt của chất khoáng. Do các yếu tố này giãn nở hướng trong cấu trúc, cũng (sưng) xảy ra theo hướng không thống nhất dẫn đến ứng suất cao và suy thoái. Những phát hiện này đưa ra các đề xuất cho các nghiên cứu sâu hơn về hoạt hóa hóa học, sử ưu ý rằng sự suy thoái chắc chắn không được một số ngành dụng KOH hoặc K2CO3, lưu ưng được hoan nghênh cho sản xuất than hoạt tính. công nghiệp mong muốn nhưng Tóm lại, sự xen kẽ bởi các nguyên tử kim loại kiềm, bắt nguồn từ sự giảm của hydroxit hoặc cacbonat, là giai đoạn đầu của quá trình suy thoái. Việc mở rộng quy trình này giới thiệu sự căng thẳng trong carbon rắn. Nhưng nó đòi hỏi phải nung nóng thêm để đẩy kim loại ra khỏi hệ thống xen kẽ, sức sống của quá trình này xác định độ xốp của carbon cuối cùng.

Con đường phản ứng để tạo ra các nguyên tử cacbon hoạt hóa hóa học (KOH,

Hình 2. 6-Ảnh hưởng của dãy than lên nhiệt độ tiến hóa của hydro đối với phản ứng với NaOH, sử dụng

NaOH), bao gồm việc xen vào và loại bỏ các kim loại kiềm này khỏi các cấu trúc carbon.

Các cơ chế dẫn từ hydroxide đến kim loại là những phản ứng nhiệt độ cao, diễn ra trong giai đoạn rắn, nơi mà sự kiểm soát khuếch tán trên tỷ lệ chiếm ưu thế. Điều được biết là thú vị bởi vì nó có thể liên quan đến việc phân tích ức chế hydro trong quá trình l ý rằng kích hoạt bằng hơi nước. Sau này sử dụng một loại than antraxit Tây Ban Nha, lưu hơn NaOH để kích hoạt và ngâm tẩm từ dung dịch nước có KOH làm nhiều hơnhiệu quả hơ

nhưng không hiệu quả đối với hệ thống NaOH. Tăng T tốc độ hiệu quả hơn trộn vật lý, như dòng chảy của nitrogen trong quá trình kích hoạt tăng cường tốc độ hình thành than hoạt tính cho thấy sự kiểm soát khuếch tán của tốc độ phản ứng. Những người Lillo-Rodenas (2004) đã thực hiện một nghiên cứu chi tiết về động học kích hoạt, sử dụngNaOH với

than antraxit Tây Ban Nha. Quan sát cần thiết cho phản ứng kích hoạt này là sự xuất hiện thước nhỏ hơn, có tăng ng cường vi mô và của các hạt vật liệu ban đầu thành các kích th mesoporosity, có tổn thất carbon, ddưới 700 ° C sản phẩm khí duy nhất là hydro, trên 800 ° C carbon dioxide và carbon monox-ide xuất hiện dưới dạng các sản phẩm khí và một sản phẩm rắn Na2C03 được hình thành. Sự tiến hóa của hydro chỉ ra rằng khi xếp hạng than tăng lên, do đó các bề mặt trở nên ít phản ứng với NaOH, chất gỗ thô gây ra sự tiến hóa của hydro thấp tới 3000C. Về cacbon hóa đến 7500C, phản ứng đã giảm khi quá trình phát triển hydro không bắt đầu cho đến 4500C, tỷ lệ tổng thể của việc sản xuất hydro bằng than antraxit chỉ chiếmkhoảng 10% lượng chất gỗ cacbon hóa. Lillo-Rodenas và

h một chút cộng sự (2003) báo cáo rằng nhiệt độ của sự phát triển của CO2 và CO cao hơn so với lưu ý cho sự phân hủy của bề mặtcác tổ hợp ôxy hình thành từ oxy phân tử . Do đó, bất kỳ cơ chế kích hoạt hóa học được đề xuất nào cũng phải giải thích quá trình phòng ngừa, mất carbon, tạo ra hydro và oxit carbon và tạo thành sô đa.

Các phức oxy bề mặt được hình thành từ hydroxit; chúng được loại bỏ, nhiệt, từ bề mặt dưới dạng CO2, sau đó được hấp thụ bởi NaOH dư, trong một phản ứng khí rắn để tạo thành cacbonat. Tuy nhiên, có nhiều khả năng mọi thứ diễn ra thông qua một loạt các

Hình 2. 7-So sánh sự tiến hóa của hydro so với nhiệt độ cho than nâu và than nâu than hóa phản ứng bề mặt. Sự ổn định nhiệt khá cao của các thí nghiệm oxy bề mặt theo báo cáo của những người Lillo-Rodenas (2003), có thể là kết quả của việc loại bỏ các hợp chất oxy bề mặt ít ổn định hơn khỏi bề mặt carbon.

Quá trình kích hoạt, sử dụng ví dụ NaOH, quá trình quan trọngliên tiếp, đó là: giảm hydroxit thành kim loại tự do; sự xâm nhập của kim loại tự do vào lưới (giữa các lớp

graphene) của carbon; việc mở rộng các lớp graphene cấu trúc bằng natri xen kẽ; nhanh chóng, "nổ", phá hủy triệt để của sự xen vào giữa với tăng nhiệt độ nhiệt độ mà lực lượng ngoài các lớp graphene để tạo ra các microporosity. Mức độ nghiêm trọng của quá trình này là một chức năng của tỷ lệ sưởi ấm và hàm lượng kiềm;kích hoạt vật lý phát sinh từ quá trình oxy hóa bởi oxy của hydroxit cũng như sự phân đoạn xúc tác từ các cụm nguyên tử natri di động có lẽ cả từ các nguyên tử carbon cạnh và các nguyên tử cacbon Nhiệt độ phản ứng (0C) trong mặt phẳng.

Sự hình thành carbon dioxide, của carbon monoxide, của khí hydro là các sản phẩm phản ứng phụ và không có vai trò trong cơ chế kích hoạt để tạo ra độ xốp tăng cường.

Những người Shimada (2004), sử dụng các ống nano nhiều vách, có thể quan sát trực tiếp bằng kính hiển vi, sự khí hóa cacbon từ bên trong các lớp graphene (mặt phẳng cơ bản), do đó xác nhận khả năng loại bỏ các nguyên tử cacbon từ bề mặt khác biệt với một cạnh nguyên tử cacbon.

Thực tế là natri (với kali) được mô tả trong tài liệu như một chất xúc tác oxy hóa / khử oxy hóa hiệu quả cho phản ứng khí hóa và có thể đẩy nhanh việc loại bỏ các oxit bề mặt carbon. Điều này sẽ xảy ra xung quanh các vị trí của các nguyên tử natri hoặc các cụm nguyên tử natri và loại bỏ các nguyên tử carbon có ưu thế như vậy từ một khu vực như vậy có thể dẫn đến sự xâm nhập kênh và rỗ và sự mở rộng vi mô dẫn đến sự phát triển củamesoporosity, phụ thuộc vào kích thước của các cụm nguyên tử natri.

Năng lượng tự do hình thành các oxit bề mặt của carbon (phản ứng tỏa nhiệt) vượt quá sự hình thành mêtan (phản ứng nhiệt) và do đó có thể giả định rằng các oxit carbon được hình thành ưu tiên cho bất kỳ sự hình thành mêtan ở nhiệt độ thấp hơn 7000C. Trong điều kiện khá khắc nghiệt, vật liệu cacbon có thể bị phân hủy hoàn toàn bởi kali hydroxit để tạo ra một loại carbon flocculent với hàm lượng caokhả năng hấp phụ

(>5000m3g-1). Trong điều kiện nhẹ hơn, so sánh với việc sử dụng kali hydroxit, không có kích hoạt đáng kể xảy ra. Một lý do cho điều này có thể là kích thước lớn hơn của ion cacbonat —C032- ngăn cản sự xâm nhập vào vi môcủa chất phản ứng ban đầu. Do tính chất ion của dung dịch, hoặc bất cứ điều gì, các ion kali không thể khuếch tán vào độ xốp mà không có các ion cacbonat (hoặc bicacbon) đi kèm. Khi các cơ chế kích hoạt yêu cầu sự hiện diện của cả hai loại kali cũng như ôxy thì không thể kích hoạt đáng kể mặc dù một số có thể xảy ra trên bề mặt bên ngoài. Mặc dù kali cacbonat có thểkhuếch tán vào sự vi mô của carbon, sự hình thành các phức oxy bề mặt (COm) từ ion cacbonat không phải là một phản ứng có lợi trong các điều kiện này.

Trong dung dịch nước, ion natri nhỏ hơn một chút so với ion kali và do đó không có tác dụng loại trừ kích thước. Do đó, natri hydroxit sẽ xuất hiện để có thể xâm nhập vào độ xốp ban đầu của CR cũng như kali hydroxit.

Kết luận: Các muối kiềm không phản ứng với tiền chất - chúng phản ứng với carbon do quá trình cacbon hóa. Chúng có hiệu quả như nhau trong việc làm nóng carbon bằng muối kim loại kiềm. Hai cơ chế dường như đang hoạt động. Thứ nhất, các nguyên tử oxy của hỗn hợp hydroxit hoặc cacbonat của natri hoặc kali tạo ra khí CO để tạo ra COx để tạo ra độ xốp. Khí hóa này có thể được xúc tác bởi kim loại kiềm Hai, sự giảm lượng muối kim loại kiềm, bằng cacbon, tạo ra các nguyên tử kim loại natri hoặc kali xen kẽ vào cấu trúc carbon để mở rộng mạng. Các đặc tính của độ xốp phát triển liên quan đến tốc độ gia nhiệt của hệ thống thí nghiệm, làm nóng nhanh chóng cho một loại bột có độ xốp cao, tỷ lệ muối thành cacbon cũng là một yếu tố quan trọng.

2.3.2.2 Quá trình hoạt hóa (nhiệt hoặc vật lý) Khí hóa than chủ yếu được thực hiện ở 800-1000 ° C với carbon dioxide, hơi nước hoặc hỗn hợp cả hai. Như đã nói ở trên, oxy thường không được sử dụng như một tác nhân kích hoạt vì phản ứng carbon-oxy tỏa nhiệt cao và điều này làm cho phản ứng không thể kiểm soát trừ khi áp suất một phần cực thấp của oxy phân tử được sử dụng.

Các phản ứng của carbon với carbon dioxide và hơi nước là sức nóng và dễ kiểm soát: C + CO2→ 2CO C + H2O → CO + H2

AH = +159kJmol-1 AH = +117kJmol-1

Cả hai phản ứng đều quan trọng, ngay cả khi kích hoạt bằng hơi nước, bởi vì ở nhiệt độ cao được sử dụng để kích hoạt, phản ứng chuyển dịch khí nước, xúc tác bởi bề mặt của carbon, ở trạng thái cân bằng: CO + H2O → CO2 + H2

AH = -4 1 kJmol-1

Đặc tính nhiệt của các phản ứng khí hóa với carbon dioxide và hơi nước tạo điều kiện kiểm soát chính xác các điều kiện thí nghiệm trong lò, nhưng nó cũng cần thiết cho việc sử dụng nhiệt trực tiếp để duy trì nhiệt độ phản ứng. Nguồn cung cấp nhiệt được tạo ra bằng cách đưa lượng không khí được kiểm soát vào lò để đốt khí thiên nhiên (khi được thêm vào) và khí sinh ra trong quá trình kích hoạt (CO và H2): ଵ

CO + O2 → CO2 ଶ

ଵ

H 2 + 02 → H 2 O ଶ

AH = -285kJmol-1 AH = -238kJmol-1

Quá trình đốt cháy của hai chất ức chế không chỉ làm giảm nồng độ của chúng mà còn làm tăng áp suất riêng của hai tác nhân kích hoạt.

Phân tích các phản ứng liên quan đến việc kích hoạt nhiệt cho thấy rằng, độc lập với tác nhân kích hoạt được sử dụng, có sự đốt cháy cacbon, theo phản ứng sau đây: C + O2→ CO2

AH = -406kJmol-1

Trong một số ngành công nghiệp than hoạt tính, nguồn cung cấp nhiệt được đảm bảo bằng cách giới thiệu hỗn hợp khí thải và hơi nước (như tác nhân kích hoạt), và do đó có hoạt tính kết hợp bằng khí cacbon dioxide và hơi nước. Trong các ngành công nghiệp khác, nguồn cung cấp nhiệt được đảm bảo bằng cách giới thiệu các loại khí phát triển trong quá trình cacbon hóa thành lò kích hoạt để thay thế cho khí thiên nhiên. Khi đốt cháy một số carbon không thể tránh được, điều này làm giảm năng suất đối với phản ứng được thực hiện trong lò nung nóng gián tiếp.

2.3.2.2.1 Tỷ lệ phản ứng khí hóa Kiểm soát khuếch tán tỷ lệ phản ứng của khí hóa Kiểm soát quá trình kiểm soát tốc độ khí hóa, như trong quá trình kích hoạt nhiệt, có tầm quan trọng quan trọng và nhận thức về vùng phản ứng đang diễn ra là rất quan trọng.

Những cân nhắc này đều áp dụng cho các phản ứng củacarbon với oxy phân tử, carbon dioxide và hơi nước.

Cần phải nhấn mạnh rằng nếu các điều kiện oxy hóa carbon không phải là nghiên cứu thú vị (ví dụ ở áp suất khoảng 100 Pa trở xuống) thì giới hạn năng lượng và chuyển khối lượng có nghĩa là các hiệu ứng này kiểm soát hoặc ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học

Áp suất bắt đầu u oxi hóa Bề mặt cacbon

Cacbon bên trong

Đường (tốc độ phản ứng)

Hình 2. 8- Sơ đồ cho thấy nồng độ (áp suất) của khí phản ứng (O2, CO2, H2O) thay đổi tương đối so với nội thất (Khu I) và ngoại thất (Vùng III) của mẫu carbon.

Nhiệt độ phản ứng (K-1) Hình 2. 9-Biểu đồ cho biết tốc độ (log rate) của phản ứng oxy phân tử với carbon thay đổi theo nhiệt độ phản ứng (T-1) trong các Khu I-III của Hình 2.8 Vùng I là kiểm soát hóa học.

và diễn giải động học trở nên khó khăn. Thật thuận tiện, ở giai đoạn này, để thảo luận về các impucations của những phát biểu này.

Khi một phản ứng không đồng nhất diễn ra trong Vùng-I, quá trình điều chỉnh tỷ lệ là giai đoạn chậm của trình tự hóa học của phản ứng. Đó là, có xác suất bằng nhau của phản ứng xảy ra ở bên ngoài của bề mặt như có trong độ rỗng bên trong. Trong Zone-II, nơi các điều kiện hỗn hợp hoạt động, tất cả các khí phản ứng tới bề mặt carbon đã phản ứng trước khi nó đạt đến trung tâm của cácbon cụ thể. Vì vậy, một phần bên ngoài của carbon đã phản ứng. Trong Zone-Ill, các điều kiện phản ứng quá khắc nghiệt đến nỗi tất cả các phản ứng xảy ra ở bề mặt bên ngoài. Do đó, tỷ lệ phản ứng (khí hóa) được kiểm soát tỷ lệ khuếch tán của các chất phản ứng lên bề mặt và tốc độ khuếch tán của các sản phẩm cách xa bề mặt.

Hình 2.8 và 2.9 minh họa những hiện tượng này. Hình 2.8 cho thấy cấu hình ôxy liên quan đến hình học của carbon rắn có thể không thay đổi ở trung tâm của carbon (kiểm soát hóa học tỷ lệ) hoặc có thể giảm xuống 0 ở mặt bên của carbon khuếch tán, hoặc kiểm soát chuyển khối lượng của tỷ lệ). Hình 2.9 minh họa cách năng lượng kích hoạt của phản ứng tương ứng thay đổi khi tốc độ kiểm soát sự thay đổi giai đoạn dần dần từ một hóa chất đến một quá trình vật lý.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ phản ứng khí hóa Nếu không có chi tiết hóa, một số yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ khí hóa carbon bằng khí oxy hóa (trong khu vực kiểm soát hóa học) như sau: nhiệt độ phản ứng; áp suất cục bộ của khí phản ứn;hydrogen và carbon monoxide ức chế phản ứng khí hóa; nhiều hợp chất vô cơ trong carbon hoạt động như chất xúc tác tích cực cho oxi hóa. Một số chất xúc tác tiêu cực, ví dụ phốt pho, cũng được biết đến. Ảnh hưởng của một số chất xúc tác bị giảm bởi hơi nước trong pha khí. Hiệu ứng Synergetic có thể hoạt động; cơ cấu carbon đang được nghiên cứu.

Xúc tác phản ứng khí hóa Khi nghiên cứu năng lượng kích hoạt, để sử dụng nguyên tử cacbon, đó là các nguyên tử cacbon có mức tạp chất của một vài ppm. Graphite như được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân và các graphit điện của ngành công nghiệp thép khá tinh khiết.

Các nguyên tử than hoạt tính thông thường, từ gỗ, từ than đá, từ đai ốc và đá trái cây, tất cả chứa tới một vài phần trăm chất vô cơ bản địa (tạp chất). Những com-pound vô cơ này không trơ trong quá trình kích hoạt nhiệt, nhưng ảnh hưởng đến sự phát triển lỗ chân lông. Có thể có lợi thế để đạt được từ những hiệu ứng này. Tất cả các phản ứng oxy hóa

carbon liên quan đến oxy phân tử, carbon dioxide, hơi nước và oxit nitơ được xúc tác bởi vật liệu vô cơ chứa trong carbon. Không chỉ là động học hóa học của các phản ứng thay đổi bởi quá trình xúc tác, nhưng động học địa hình (dị hướng phản ứng) cũng bị thay đổi.

Vật liệu vô cơ xúc tác chứa trong các nguyên tử cacbon không thể được xác định chính xác. Có tồn tại hàng trăm hợp chất vô cơ, nếu có trong cacbon ban đầu, nguyên nhânxúc tác ở nhiệt độ phản ứng. Để chính xác hơn, đó là sản phẩm "phân hủy" (tro) của các hợp chất vô cơ được xúc tác. Tác dụng sinh lực gây ra bởi hỗn hợp của vật liệu xúc tác bị nghi ngờ nhưng không được nghiên cứu một cách có hệ thống.

Trong số các vật liệu vô cơ đó là các muối, oxit và kim loại của loạt kim loại kiềm, kim loại đất kiềm và kim loại chuyển tiếp đặc biệt hiệu quả làm chất xúc tác. Hiệu quả của một chất xúc tác phụ thuộc vào kích thước của hạt chất xúc tác và chế độ phân hủy trong carbon. Do đó, có thể đánh giá một tuyên bố trước đó rằng rất khó để nghiên cứu phản ứng khí cacbonic không bị xúc tác theo một cách nào đó. Việc chuẩn bị nguyên tử cacbon phảitrong điều kiện nghiêm ngặt như phòng thí nghiệm vô trùng hoặc phòng thí nghiệm hóa học vô tuyến. Hiện nay, nó được chấp nhận rằng chất xúc tác hoạt động ở vị trí tiếp xúc với cacbon. Không có tác dụng cảm ứng để sản xuất xúc tác ở một vị trí cách khoảng cách từ cacbonhạt.

Carbon dioxide hoặc hơi nước, tiếp cận bề mặt của chất xúc tác, phân tách thành các hạt di động có chứa oxy nguyên tử, chúng di chuyển đến bề mặt carbon để hình thành các oxit cacbon. Cơ chế này chỉ cung cấp khí cacbon hóa tại điểm tiếp xúc giữa bề mặt chất xúc tác và carbon Về cơ bản, chất xúc tác hoạt động như một chất mang ôxy với oxy phân tử, hoặc carbon dioxide hoặc hơi nước phân ly ưu tiên trên bề mặt chất xúc tác, kết quả"nguyên tử oxy hóa học" (trên bề mặt chất xúc tác như M (0)) là di động và di chuyển hoặc khuếch tán với giao diện chất xúc tác cacbon. Tốc độ tăng cường phản ứng khí hóa xúc tác là do tốc độ hình thành oxy hóa học tăng lên, như là một nguyên tử oxy, so với tốc độ hình thành phức tạp từ pha khí. Hiện tượng này có liên quan đáng kể trong quá trình kích hoạt nhiệt của các nguyên tử cacbon, sử dụng khí cacbonic hoặc hơi nước.

Cũng như ảnh hưởng, đáng kể, tỷ lệ khí hóa, các chất xúc tác vô cơ hình thành carbon cũng thúc đẩy sự hình thành CO2 trong khí sản phẩm.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ phản ứng khí hóa Nếu không có chi tiết chi tiết, một số yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ khí hóa củacarbon bằng khí oxy hóa (trong khu vực kiểm soát hóa học) như sau: nhiệt độ phản ứng; áp suất

cục bộ của khí phản ứng; hydrogen và carbon monoxide ức chế phản ứng khí hóa; nhiều hợp chất vô cơ trong carbon hoạt động như chất xúc tác tích cực cho oxi-dation; cơ cấu carbon đang được nghiên cứu.

Cacbon được sử dụng phải được mô tả đầy đủ và nếu có thể, nên là 'tự chế' .

2.3.2.2.2 Kích hoạt bởi CO2 và H2O: Sự ức chế bởi C (0) và C (H) Kích hoạt nhiệt các nguyên tử cacbon bằng khí hóa bằng cách sử dụng carbon dioxide hoặc hơi nước là phương pháp phổ biến nhất để chuẩn bị than hoạt tính. Các phương trình cân bằng hóa học cho những phản ứng này rất đơn giản.Các cơ chế không đơn giản như vậy: C + CO2→ 2CO C + H2→ CO + H2 Những nghiên cứu sớm về những phản ứng này sớm chỉ ra rằng các nguyên tử cacbon hoạt hóa từ hai phản ứng này khá khác nhau, cho thấy rằng các nguyên tử cacbon bị loại bỏ bởi hai phân tử khí hóa này không phải là các nguyên tử cacbon có thể so sánh được. Vấn đề trở nên phức tạp hơn khi các nhà động học báo cáo trình tự phản ứng đa tầng với khả năng chậm phát triển của tốc độ khí hóa bởi các loài hấp phụ và phản ứng ngược.

Những người Bansal (1974) đã tóm tắt những phát hiện sớm về phản ứng liên quan đến hydro, quan sát thấy sự hấp phụ của oxy ức chế sự hấp phụ của hydro, và một quá trình hydro hóa trước bề mặt carbon sẽ làm giảm sự hình thành các phức oxy bề mặt. Với các bề mặt carbon sạch (outgassed tại 1273K) nó đã được kết luận rằng chemisorption oxy và hydro diễn ra trên cùng một trang web (được gọi là các trang web hoạt động)với sự hóa học của hydro có năng lượng kích hoạt lớn hơn. Các phức hợp cacbon-hydrogen tương đối ổn định và đòi hỏi nhiệt độ cao (> 1500K) để loại bỏ(là một loại khí được phát triển trong quá trình graphitization). Ở độ bao phủ hydro thấp, một nguyên tử hydro hấp phụ ngăn cản sự hấp phụ của hai nguyên tử oxy, hiệu ứng này giảm khi tăng hydro hóa bề mặt cho đến khi hydro hóa có ít tác dụng hơn đối với sự hấp thụ oxy. Tương tự như vậy, sự hấp phụ trước ôxy đã hạn chế nghiêm trọng sự hấp thụ hydro, ở áp suất hydro thấp, cho thấy rằng các trang web tương tự như quảng cáo đã được tham gia.

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA THAN HOẠT TÍNH Than hoạt tính được sử dụng trong tinh chế khí, thức uống không chứa caffein, tinh chế quặng vàng, chiết kim loại, làm tinh khiết nước, y tế, xử lý chất thải, lọc không khí trong mặt nạ phòng độc và khẩu trang.

3.1 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 kền sáng. Nhiều chất hữu cơ đựoc thêm vào dung dịch mạ để cải thiện tính bám dính và tăng tính chất như độ sáng, nhẵn, tính uốn v.v... Sự truyền dòng điện trực tiếp và phản ứng điện hóa của oxi hóa anot và khử catot, những phụ gia hữu 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.

3.2 Trong y tế Than hoạt tính được sử dụng để xử lý chất độc và sự dùng quá liệu 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 acid hoặc kiềm mạnh, xianua, sắt, liti, arsen, methanol, ethanol hay ethylene glycol. Ứng dụng gián tiếp (ví dụ cho vào phổi) dẫn đến sặc hệ hô hấp, có thể gây chết người nếu không đựoc xử lý y tế ngay lập tức.

3.3 Trong hóa phân tích Than hoạt tính, hỗn hợp 50/50 khối lượng diatomit và than hoạt tính đựoc sử dụng như pha tĩnh trong sắc khí áp suất thấp cho carbohydrate sử dụng dung dịch rượu (550%) như pha động trong đinh chuẩn chuẩn bị và phân tích.

3.4 Trong 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.

•

Trong suốt đầu sự bổ sung của Luật nước uống an toàn 1974 ở Mỹ, EPA đã phát triển một điều luật đề xuất yêu cầu những hệ thống xử lý nước uống sử dụng than hoạt tính dạng hạt. Nhưng do giá quá cao, điều luật gọi là luật GAC gặp những phản đối mạnh mẽ trong cả nước từ công nghiệp cung cấp nước, bao gồm nhà máy nước lớn nhất ở California, nên luật đã bị bãi bỏ.

Than hoạt tính cũng được dùng để đo nồng độ Radon trong không khí.

Trong y tế (Carbo medicinalis – than dược): để tẩy trùng và các độc tố sau khi bị ngộ độc thức ăn...

•

Trong kỹ thuật, than hoạt tính là một thành phần lọc khí (trong đầu lọc thuốc lá, miếng hoạt tính trong khẩu trang); tấm khử mùi trong tủ lạnh và máy điều hòa nhiệt độ...

•

Trong xử lý nước (hoặc lọc nước trong gia đình): để tẩy các chất bẩn vi lượng, diệt khuẩn và khử mùi....v.v.v.

•

•

Tác dụng tốt trong phòng tránh tác hại của tia đất.

KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu về than hoạt tính thấy được than hoạt tính có rất nhiều đặc tính ưu việt, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp cũng như trong cuộc sống hằng ngày. Tuy nhiên, hiện nay trên thị trường có rất nhều loại than, để có thể sử dụng hiệu quả than hoạt tính cũng như phù hợp với mục đích sử dụng, cần phải nghiên cứu và lựa chọn thật kỹ loại than hoạt tính phù hợp, cho hiệu quả quá trình cao nhất và gái thành phù hợp nhất.

Có rất nhiều phương pháp để sản xuất than hoạt tính đi từ các nguồn nguyên liệu khác nhau nhưng chưa có một đột phá về tính chất nào được tạo ra. Việc tiêp tục nghiên cứu, tìm tòi để phát triển, nâng cao các tính chất của than hoạt tính hơn nữa là một yêu cầu được đặt ra hiện nay và trong tương lai.

TÀI LIỆU THAM KHẢO