đề tài muội than

ĐỀ TÀI

MUỘI THAN


1. KHÁI NIỆM CHUNG 3
2. SỬ DỤNG MUỘI TRONG CÔNG NGHIỆP 9
3. CÁC LOẠI MUỘI 11
4. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT MUỘI 18
5. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH
MUỘI 21
6. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT MUỘI 27
7. SẢN XUẤT MUỘI BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÒ 36
8. SẢN XUẤT MUỘI BẰNG CÁCH TÁCH CACBON TỪ NGỌN
LỬA TRÊN BỀ MẶT LẠNH 47
9. SẢN XUẤT MUỘI BẰNG CÁCH PHÂN HUỶ NHIỆT
NGUYÊN LIỆU KHÔNG CÓ MẶT KHÔNG KHÍ 50
1. KHÁI NIỆM CHUNG
Muội là sản phẩm dạng bột của sự cháy không hoàn toàn hay là sự
phân huỷ nhiệt của các chất hữu cơ, chủ yếu là hydrocacbon.
Khi nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử người ta khẳng định là
muội bao gồm các hạt có kích thước từ 9 - 600 mmm (90 ÷ 6000
Ã…)
(*)
. Các hạt kết hợp tạo thành chuỗi có nhánh lớn hay nhỏ. Các
chuỗi hay mạch như thế gọi là "cấu trúc" muội.
Hình dạng của hạt muội gần như hình cầu. Có nhiều loại muội có bề
mặt hạt nhẵn, nhưng cũng có loại muội bề mặt hạt nhám, điều đó tùy
thuộc vào sự cháy của các nguyên tử cacbon trên bề mặt hạt muội trong

quá trình hình thành muội.
Cấu trúc của hạt muội hiện được nghiên cứu chưa đầy đủ. Phần lớn
các nhà nghiên cứu cho rằng hạt muội là bộ khung vô trật tự của các
tinh thể riêng bệt, bao gồm từ 3 đến 5 mặt phẳng song song của mạng
lưới nguyên tử cacbon. Có loại muội, như muội axetylen, có 7 hay
nhiều hơn mặt phẳng lưới của nguyên tử cacbon. Trong mỗi một lớp
tinh thể, khoảng cách giữa các mặt phẳng lưới song song của các lớp
nguyên tử từ 3,45 đến 3,65 Ã….
Mặt phẳng lưới trong tinh thể có thể di chuyển vị trí một cách tương
đối so với mặt phẳng khác trong tinh thể đó. Điều đó làm tăng lên mức
độ vô trật tự của cấu trúc hạt muội so với cấu trúc của grafit.

Có nhiều tài liệu cho rằng bên trong hạt muội có một lưới nguyên tử
không song song nhau, gọi là lớp cá biệt và như thế trong chúng tồn
tại các mạch nguyên tử cacbon không hoàn toàn cùng hướng. Do vậy
hạt muội, xét theo mức độ cấu trúc có trật tự, thì nó chiếm vị trí trung
gian giữa cacbon vô định hình và grafit tinh thể.
Các tinh thể cacbon phân bố trong các hạt muội đều không có trật tự
với sự tạo ra trên bề mặt các góc cạnh khác nhau, do vậy mà bề mặt
hạt muội nói chung không đồng nhất. Trên bề mặt của chúng có thể
còn tồn tại các hoá trị tự do của các nguyên tử cacbon mạch nhánh
của các hydrocacbon (no và không no) và của các hợp chất chứa oxy,
lưu huỳnh.
Độ lớn của hạt muội cũng như bề mặt riêng và mức độ cấu trúc
(nghĩa là mức độ phân nhánh của chuỗi hạt muội) phụ thuộc vào điều
kiện tạo thành nó. Tính chất của muội được quyết định chủ yếu bởi
các đặc điểm này.
Cần chú ý rằng các hạt muội có đặc tính không đồng đều và trong
một mẫu muội luôn chứa các dạng hạt khác nhau và kích thước khác
nhau. Kích thước của hạt muội có thể xác định nhờ kính hiển vi điện

tử hoặc bằng các phương pháp khác.
Đường kính trung bình đại số của hạt muội d
n
được tính theo công
thức sau
ΣniDi
d
n
=
ΣN
trong đó: Sn
i
D
i
- tổng tích số của các hạt có kích thước giống nhau n
i

với đường kính D
i
;
Sn - tổng số hạt được đo.
Đường kính trung bình của hạt muội có thể xác định nhờ phép đo bề
mặt riêng của muội bằng phương pháp hấp phụ hơi, khí, bằng phương
pháp hấp phụ các chất từ dung dịch và bằng phương pháp so màu.
Nếu biết bề mặt riêng của muội là A thì đường kính trung bình của
hạt muội sẽ được tính theo công thức:
60000
d
A
=

ρ
d
A
- đường kính trung bình của hạt muội, Ã…;
ρ - mật độ tương đối của muội g/cm
3
;
A - bề mặt riêng, m
2
/g.
Đường kính trung bình hạt muội và bề mặt riêng ghi trong bảng 1.
Thành phần nguyên tố trung bình của các loại muội ghi trong bảng 2.
Bảng 1. Đường kính trung bình hạt muội và bề mặt riêng
Loại muội Đường kính trung
bình của hạt muội,
Ã…
Bề mặt riêng,
m
2
/g
Muội rãnh khí
- Dùng cho sơn và chất màu 9 ÷ 35 250 ÷ 100
- Dùng cho công nghệ cao su 32 ÷ 25 90 ÷ 110
Muội Antraxen 32 ÷ 39 85 ÷ 75
Muội Axetylen 35 ÷ 45 70 ÷ 60
Muội lò hoạt động
Loại SPF 35 75 ÷ 80
Loại SAF 18 ÷ 23 140 ÷ 130
Loại ISAF 25 ÷ 36 115 ÷ 105
Loại CRF 30 ÷ 35 80 ÷ 70

Loại ΠM - 70 và loại HAF 28 ÷ 35 85 ÷ 70
Muội lò nửa hoạt động
-ΠM - 50 và loại FEF 35 ÷ 40 50 ÷ 40
- ΠГ - 33, ΠГM - 33, ΠГM -
30 và loại GPF
70 ÷ 50 30 ÷ 40
Muội vòi phun 65 ÷ 80 35 ÷ 25
Muội đèn 150 ÷ 120 14 ÷ 18
Muội nhiệt phân nhẹ 140 ÷ 150 20 ÷ 16
Muội nhiệt phân 280 ÷ 320 10 ÷ 8
Bảng 2. Thành phần nguyên tố của các loại muội
Loại muội Hàm lượng các nguyên tố, % trọng lượng
C H O S
- Muội rãnh khí
- Dùng cho sơn và
chất màu
88,6 ÷
93,7
0,7 ÷
0,8
5,5 ÷
10,5
-
- Dùng cho cao su
94,5 ( 95

94,5 ÷
95
0,5 ÷
1,0

3 ÷ 4,5 0,0 ÷ 0,2
Muội antraxen 94,5 ÷
95,5
0,9 ÷
1,1
2,5 ÷
3,5
0,4 ÷ 0,6
Muội lò hoạt
động ΠM - 70
97,5 ÷
98,5
0,2 ÷
0,3
0,5 ÷
1,0
0,3÷ 0,9
Muội lò nửa hoạt
động

- ΠГ 50 và FEF 98,0 ÷ 0,4 ÷ 0,6 0,1
98,5 0,5
- ΠГM 33, ΠM 30 và
GPF
98,6 ÷
99,1
0,4 0,2 ÷
0,3
0,2 ÷ 0,5
Muội vòi phun 98,3 0,7 0,4 0,5

Muội đèn 99,0 0,5 0,1 0,3
Muội nhiệt phân
Muội axetylen
99,3 ÷
99,5
99,7 ÷
99,8
0,4 ÷
0,5
0,1
0,1
0,1
-
-
Khối lượng thể tích thực của các loại muội khác nhau nằm trong
phạm vi 1750 ÷ 2000 kg/m
3
, và khối lượng thể tích biểu kiến là 100
÷ 350 kg/m
3
. Điều đó có nghĩa là muội rất xốp và trong 1 m
3
muội
chỉ có 0,05 ÷ 0,2 m
3
cacbon, phần còn lại là thể tích của không khí.
2. SỬ DỤNG MUỘI TRONG CÔNG NGHIỆP
Muội được dùng chủ yếu trong công nghiệp cao su, đó là nguyên liệu
thứ hai sau cao su. Ngoài công nghiệp cao su ra, người ta còn dùng
muội trong công nghiệp dược, công nghiệp sơn chất dẻo, công

nghiệp in và các lĩnh vực khác.
Hơn 80% muội sản xuất ra được dùng trong công nghiệp cao su. Việc
đưa muội vào trong hỗn hợp cao su làm tăng độ bền cơ của sản phẩm
cao su, tất nhiên là làm tăng tuổi thọ làm việc của nó. Thí dụ độ bền
kéo của cao su tự nhiên không có muội là 200 kG/cm
2
, thì khi pha
thêm 30 ÷ 40 phần trăm muội thì độ bền kéo tăng lên đến 300
kG/cm
2
. Tương tự như vậy với cao su divinyl-stirol. Loại cao su này
không chứa muội có độ bền kéo là 14 kG/cm
2
, còn khi pha thêm 50
phần trăm muội thì độ bền kéo tăng lên đến 220 ÷ 240 kG/cm
2
,
nghĩa là 15 lần lớn hơn. Do đó muội được coi là chất làm tăng độ bền.
Cơ chế làm tăng độ bền của cao su pha muội (cũng như các chất độn
khác) hiện chưa được nghiên cứu đầy đủ. Nhưng người ta đã khẳng
định rằng khả năng tăng độ bền của cao su của muội phụ thuộc vào độ
lớn của hạt muội.
Đường kính trung bình của hạt muội càng nhỏ thì bề mặt riêng của
nó càng lớn và làm cho nó càng tăng tác dụng làm bền cao su.
Cơ chế của việc tăng cường độ bền cao su bằng muội có thể được
giải thích bằng khả năng chuyển cao su vào trạng thái liên kết (hấp
phụ hoặc tương tác hóa học) trong quá trình gia công.
Người ta cho rằng bình thường các phân tử cao su cuộn lại thành
dạng giống như hình cầu. Khi đưa muội vào thì phân tử cao su bị kéo
thẳng ra, tạo liên kết và tạo thành những tổ chức bền hơn.

Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra là khi đưa các hạt muội vào cao
su, sẽ hình thành các cấu trúc lưới và cấu trúc nhánh. Trong trường
hợp cao su chứa ít muội thì cấu trúc của muội trong cao su bị xa cách
nhau. Khi tăng hàm lượng muội trong cao su, cấu trúc muội thấm cao
su theo tất cả các hướng. Việc hình thành cấu trúc như thế kết hợp
với các mối liên kết bền giữa các hạt muội dẫn đến làm tăng độ bền
của tất cả hệ thống.
3. CÁC LOẠI MUỘI
Người ta có thể phân loại muội theo nguồn nguyên liệu tạo ra chúng:
- Các loại muội được sản xuất từ khí thiên nhiên và khí dầu mỏ.
- Các loại muội được sản xuất từ các nguyên liệu lỏng hoặc kết hợp
với khí đốt.
- Muội antraxen sản xuất từ hỗn hợp hơi hydrocacbon có nguồn gốc
từ than đá trong quá trình sản xuất cốc.
- Ngoài các loại muội kể trên, người ta còn sản xuất một lượng không
lớn muội axetylen và các loại muội đặc biệt dùng cho công nghiệp
sơn và các chất màu có chất lượng cao.
Mỗi một loại muội có các tính chất hoá lý nhất định. Tính chất hoá lý
quan trọng nhất của muội là mức độ phân tán, đặc tính cấu tạo của
muội (chuỗi) và thành phần nguyên tố của hạt muội.
Mức độ phân tán của muội thường được đặc trưng bởi giá trị đường
kính trung bình đại số của các hạt muội. Nhưng cũng cần phải chú ý
là muội từ các công nghệ sản xuất khác nhau có kích thước hạt muội
khác nhau.
Bề mặt riêng của muội cũng có liên hệ trực tiếp đến mức độ phân tán.
Kích thước hạt muội càng nhỏ thì bề mặt riêng của nó càng lớn.
Mức độ phân tán của muội ảnh hưởng mạnh nhất đến tính chất tăng
độ bền của cao su do lực tương tác của muội với cao su phụ thuộc
vào giá trị của bề mặt riêng của hạt muội.
Khi dùng muội trong công nghệ cao su thì tính chất tăng độ bền cao

su được dùng làm cơ sở chính để phân loại muội. Theo đó có thể chia
muội làm 3 loại:
- Loại hoạt tính
- Loại nửa hoạt tính
- Loại kém hoạt tính.
Loại muội hoạt tính liên kết với cao su divinyl-styren có giới hạn bền
kéo lớn hơn 200 kG/cm
2
, loại muội nửa hoạt tính có giới hạn bền kéo
140 ÷ 180 kG/cm
2
và loại kém hoạt tính có giới hạn bền nhỏ hơn
140 kG/cm
2
.
Mức độ phân tán của muội có ảnh hưởng đến màu sắc, khả năng
nhuộm màu và độ phủ khi dùng muội làm bột màu. Muội phân tán cao
có màu đen hơn và có khả năng nhuộm màu đen cao hơn. Tính chất hoá
lý của một loại muội của Liên Xô (cũ) ghi trong bảng 3.
Bảng 3. Một số tính chất hoá lý của các loại muội
Chất bốc, %
Loại
muội
Đường
kính trung
bình hạt,
mmm
Bề mặt
riêng,
m2/g

Độ pH củ
a
nước rửa
qua muội

Độ pH
của nướ
c
rửa qua
muội
đến
105
o
C

đến
800
o
C

Độ
hút
ẩm, %

Độ hấp
phụ dầu,
cm
3
/g
Muội

rãnh khí


- Cho
công
nghệ
sơn và
chất
14÷16 180÷150

3 4 15 6 1,1÷1,3
màu
- Cho
công
nghệ
cao su
25÷35 125÷85 3,5÷4,5

2,5 6¸8 5 0,85÷0,9

Muội lò
hoạt
động

ΠM-70 30÷36 80÷70 8÷9 1 1,6 3 1
Muội
antraxen

34÷38 90÷80 3,5÷4,5

2,5 6¸7 4 0,95÷1,0

Muội
axetylen

40÷45 70÷65 7÷7,5 0,3 0,5 0,4 2,4
Muội lò
nửa
hoạt
động

ΠM-50 40÷45 60÷65 8÷9 0,3 0,9 1 1÷1,2
Muội
khí lò

ΠГM-
33, ΠГ-
33
60÷70 38÷33 8,5÷9 0,1 1,2 0,4 0,65
ΠГM-
30
50÷60 40÷30 8÷9 0,1 1 0,4 1÷1,2
Muội
vòi
phun
80÷100 32÷20 8÷5 0,1 2 0,3 1,2÷1,3
Muội
đèn
120÷140

18÷14 8 0,1 1,6 0,3 1,0
Muội
nhiệt
phân
190÷210

11÷10 8 0,1 1 1,4 0,3
Có một số loại muội, trong quá trình hình thành các hạt muội đã liên
kết thành chuỗi hoặc thành các cấu trúc phân nhánh phức tạp hơn.
Có hai dạng cấu trúc muội:
Loại thứ nhất: Rất bền, trong đó các hạt muội liên kết với nhau bởi
liên kết hoá trị các mạch chuỗi của muội khó bị phá hủy.
Loại thứ hai: Các hạt muội liên kết với nhau bởi các lực hấp phụ, loại
này kém bền hơn loại thứ nhất.
Mức độ phức tạp của cấu trúc muội phụ thuộc chủ yếu vào phương
pháp sản xuất muội, và trong một mức độ nào đó, phụ thuộc vào tính
chất của nguyên liệu sản xuất.
Muội sản xuất từ hydrocacbon, đặc biệt từ các loại dầu có nguồn gốc
than đá, có cấu trúc phức tạp hơn muội từ khí thiên nhiên. Muội phân
huỷ nhiệt không tạo thành mạch chuỗi, nó chỉ có ít hạt dạng liên kết
(từ 2 - 3 hạt liên kết nhau).
Các hạt muội đi từ axetylen có các cấu trúc phức tạp nhất. Cấu trúc
muội càng phức tạp thì càng xốp và càng khó nén chặt nó.
Độ dẫn nhiệt của muội cũng liên quan đến cấu trúc muội. Muội có
cấu trúc càng phát triển và phức tạp thì độ dẫn điện càng cao.
Độ dẫn điện của muội cũng phụ thuộc vào độ phân tán và hàm lượng
các chất bốc của nó. Muội phân tán cao có độ dẫn điện lớn. Tăng
hàm lượng chất bốc sẽ làm giảm độ dẫn điện của muội.
Độ hấp phụ dầu của muội tăng lên khi tăng tính phức tạp của cấu trúc.
Độ hấp phụ dầu được xác định bởi lượng dầu khoáng hay dầu lanh

(tính theo cm
3
) được hấp phụ đối với 1g muội thí nghiệm.
Nhiều tính chất của hỗn hợp cao su và cao su lưu hoá có liên quan
đến cấu trúc của muội. Muội có cấu trúc phát triển cao làm cho hỗn
hợp cao su kém dẻo và cao su lưu hoá có modun
(*)
cao hơn, đồng
thời độ cứng và tính dẫn điện lớn hơn, độ giãn dài nhỏ hơn khi kéo
đứt.
Các loại muội sản xuất bằng các phương pháp và nguyên liệu khác
nhau có tính chất bề mặt khác nhau.
Người ta đánh giá tính chất bề mặt của muội theo chỉ tiêu pH, đặc
trưng cho nồng độ ion hydro trong hỗn hợp muội với nước
(**)
. Khi
pH < 7, muội có tính axit. Khi pH > 7 muội có tính kiềm.
Muội có bề mặt nhám có tính axit. Trong thành phần của muội này
có đến 5% oxy (xem bảng 2). Phân tử oxy liên kết bền với bề mặt hạt
muội, bởi vậy người ta cho rằng oxy tham gia vào tương tác hoá học
với cacbon và tạo ra các hợp chất khác nhau trên bề mặt hạt muội.
Hydro và lưu huỳnh cũng chứa trong muội và ở bề mặt lớp muội.
Phần lớn các loại muội có tính kiềm.
Tính kiềm của muội được giải thích bởi sự có mặt của các chất
khoáng (tro) có trong muội. Tro hấp phụ trên bề mặt muội trong quá
trình sản xuất.
Trị số pH càng thấp (càng axit) thì muội càng dễ hút ẩm hơn và do
đó các chất bốc và hơi ẩm trong chúng cũng lớn hơn.
Muội có tính axit hấp phụ các chất tăng tốc cao su và chính điều đó
làm chậm quá trình lưu hoá cao su. Trái lại muội có tính kiềm làm

tăng nhanh quá trình lưu hoá. Do vậy trị số pH của muội đặc trưng
cho ảnh hưởng của nó đến quá trình lưu hoá cao su. Bảng 4 ghi mối
liên quan của các chỉ tiêu cơ lý của cao su lưu hoá vào các tính chất
của muội.
4. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT MUỘI
Phương pháp công nghiệp sản xuất muội dựa trên cơ sở phân huỷ các
hydrocacbon dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Muội hình thành trong
ngọn lửa nguyên liệu đang cháy ở điều kiện thiếu không khí hoặc khi
phân huỷ nhiệt nguyên liệu trong điều kiện không có không khí.
Sản xuất muội bằng cách đốt nguyên liệu trong điều kiện thiếu không
khí, chủ yếu theo hai phương pháp
Phương pháp 1: Đây là phương pháp phổ biến nhất. Người ta đốt
nguyên liệu trong lò đặc biệt. Muội được hình thành trong ngọn lửa
nhiệt độ cao trong thời gian rất ngắn (khoảng 6 giây) cùng với các
sản phẩm khí. Sau đó hỗn hợp muội khí được làm lạnh và muội được
tách khỏi khí trong thiết bị chuyên dùng.
Phương pháp 2: Người ta đốt nguyên liệu nhờ đèn có khe hẹp đặt
trong các thiết bị kim loại. Ngọn lửa phẳng của nguyên liệu cháy tiếp
xúc với bề mặt lạnh của kim loại di chuyển. Thời gian tiếp xúc của
ngọn lửa với bề mặt này không đáng kể. Muội kết tụ trên bề mặt kim
loại nhanh chóng được tách ra khỏi vùng tạo muội.
Ở cả hai phương pháp này sự hình thành muội xảy ra trong ngọn lửa
của nguyên liệu cháy, nghĩa là quá trình này có một phần nguyên liệu
cháy tạo nhiệt độ cần thiết để phân hủy phần nguyên liệu còn lại.
Trong những năm gần đây, có một phương pháp tạo muội phổ biến
được sử dụng, trong đó nhiệt cần thiết để phân huỷ nguyên liệu
không phải là do đốt cháy một phần nguyên liệu mà bằng cách đốt
trực tiếp một nhiên liệu khác. Nhiên liệu thuận lợi nhất là khí thiên
nhiên và khí cracking trong công nghệ chế biến dầu mỏ.
Cũng có khi người ta dùng cả nguyên liệu lỏng. Thiết bị phản ứng

(hay lò) để sản xuất muội trong trường hợp đó có hai vùng. Ở vùng
thứ nhất người ta đốt khí hay nhiên liệu lỏng với lượng dư oxy không
lớn, còn vùng thứ hai là vùng đốt khí cháy để gia nhiệt.
Cũng có khi người ta gia nhiệt và bốc hơi nguyên liệu lỏng để đưa
vào vùng phản ứng. Phương pháp này có hiệu suất muội nhận được
cao hơn khi đốt nguyên liệu với mục đích gia nhiệt kết hợp với nhận
muội. Ngoài ra phương pháp này dễ điều khiển và cho phép nhận
muội có các tính chất khác nhau.
Phân huỷ nhiệt nguyên liệu không có mặt của không khí được thực
hiện bằng các phương pháp khác nhau. Có một vài loại muội nhận
được bằng cách phân huỷ hydrocacbon dạng hơi và dạng khí trong lò
phản ứng bằng cách gia nhiệt hơi (khí) đến nhiệt độ cao.
Thí dụ việc chuyển axetylen (một chất khi phân hủy thì tỏa nhiệt)
thành cacbon (muội) và hydro được thực hiện trong thiết bị phản ứng
bằng cách gia nhiệt nguyên liệu đến nhiệt độ cần thiết.
Cho đến nay tên của muội thường được gọi theo phương pháp sản
xuất loại muội đó. Thí dụ muội “rãnhâ

€ là muội được sản xuất
bằng cách lắng đọng muội trên bề mặt kim loại có các rãnh (kênh)
mà ở đó muội tích tụ. Còn muội “lòâ

€ , muội “nhiệtâ

€ ,
muội “vòi phunâ

€ cũng được gọi tên theo phương pháp sản xuất
chúng. Muội “đènâ


€ trước đây được chế tạo bằng cách đốt dầu
trong đèn. Hiện nay loại muội như thế được sản xuất trong lò nhưng
tên gọi của nó vẫn được giữ như cũ. Ngoài ra tên gọi của một vài loại
muội còn phản ánh cả phương pháp sản xuất và cả nguyên liệu khởi
đầu của nó. Thí dụ muội “khí rãnhâ

€ , muội “khí lòâ

€ , v.v
Cần chú ý là đã nhiều lần người ta thử nghiệm điều chế muội bằng
cách nghiền than gỗ, than bùn, than cốc và các chất khác chứa nhiều
cacbon. Nhưng ngay cả khi nghiền mịn nhất, các chất này cũng
không thể trở thành muội. Thất bại này là do các vật liệu đem sử
dụng có cấu tạo vô định hình hoặc tinh thể, còn muội, về mặt cấu tạo,
chiếm vị trí trung gian giữa cacbon vô định hình và grafit tinh thể
nên không thể nghiền đơn thuần mà chế tạo được muội.
5. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH
MUỘI
5.1. Sự cháy và ngọn lửa và quá trình tạo muội
Sự cháy là quá trình kết hợp các chất với oxy kèm theo nhiệt toả ra
và hình thành ngọn lửa. Khi bắt đầu quá trình cháy, các chất cháy cần
phải được gia nhiệt đến nhiệt độ bén lửa
(*)
. Quá trình bắt đầu cháy có
thể liên tục ở điều kiện nếu nhiệt thoát từ phản ứng cháy vẫn duy trì
được nhiệt độ của ngọn lửa. Khi giảm nhiệt độ xuống dưới nhiệt độ
bén lửa thì sự cháy sẽ chấm dứt.
Hiện tại cơ chế quá trình cháy chưa được nghiên cứu đầy đủ. Người
ta giả định rằng khi cháy xảy ra quá trình đứt mạch phân tử các chất
cháy, sau đó các mảnh phân tử đó kết hợp với oxy.

Theo lý thuyết của Viện sĩ Nga N. N. Semenov, khi chất cháy ở dạng
khí, ở thời điểm đầu tiên của phản ứng cháy, năng lượng cháy tập
trung vào các mảnh phân tử hay gốc tự do xuất phát từ phản ứng, làm
cho các mảnh phân tử hay gốc tự do đó được hoạt hoá, nghĩa là
chúng có dư thừa năng lượng và dễ dàng tham gia phản ứng. Các
phản ứng liên tiếp làm hình thành quá trình tạo chuỗi. Nếu các gốc tự
do bị mất năng lượng trước khi tham gia phản ứng thì chuỗi ngừng
phát triển (và quá trình tạo muội cũng ngừng lại). Ngược lại nếu các
gốc tự do có dư thừa năng lượng thì chuỗi phản ứng tiếp tục tạo
nhánh.
Hydrocacbon lỏng và rắn khi cháy chuyển thành trạng thái hơi. Ngọn
lửa (hình 4) bao gồm ba phần. Phần bên trong ngọn lửa là vùng
hydrocacbon lỏng (hay rắn) chuyển thành trạng thái hơi. ở phần này,
do ảnh hưởng của nhiệt độ cao làm đứt mạch các phân tử của chất
cháy. Phần giữa ngọn lửa chứa các gốc hydrocacbon, các hạt cacbon
và hydro. Các hạt cacbon bị nung đỏ làm cho phần này của ngọn lửa
có màu. ở phần ngoài ngọn lửa xảy ra sự tương tác của oxy với các
sản phẩm phân huỷ nhiệt của chất cháy (cacbon, hydro) và tạo thành
CO
2
, hơi nước:
C + O
2
® CO
2

4H + O
2
® H
2

O
Do ảnh hưởng của nhiệt thoát ra từ phản ứng này, các chất cháy tiếp
tục bị phân huỷ và tham gia vào phản ứng với oxy, làm cho nhiệt độ
của các sản phẩm quá trình cháy tăng đến nhiệt độ cao.
Để đốt cháy hoàn toàn 1 kg cacbon cần 1,87 m
3
oxy hay 8,91 m
3

không khí, để đốt cháy hoàn toàn 1 kg hydro cần 5,55 m
3
oxy hay
26,47 m
3
không khí. Thông thường để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu
cần đưa vào vùng cháy một lượng không khí lớn hơn lý thuyết do
không phải tất cả lượng không khí tham gia vào phản ứng cháy. Khi
thiếu không khí thì xảy ra quá trình cháy không hoàn toàn; khi đó
cacbon tạo thành không chỉ CO
2
mà cả CO. Trong trường hợp đó,
lượng oxy cần thiết nhỏ hơn 2 lần so với nhu cầu oxy để cháy hoàn
toàn.
Nếu ít ôxy hoặc không khí hơn nữa trong quá trình cháy thì một phần
cacbon (và cả hydro) sẽ không phản ứng hoàn toàn mà chúng thoát ra
khỏi vùng cháy cùng với các sản phẩm của quá trình cháy và tạo
thành các hạt muội.
Mối quan hệ của việc tiêu hao không khí đối với nguyên liệu phụ
thuộc vào nhiệt độ của quá trình, hiệu suất muội và các tính chất chủ
yếu của muội (mức độ phân tán - bề mặt riêng của muội) như trình

bày ở bảng 5.
Số liệu ở bảng 5 cho thấy khi tăng lượng không khí nhiệt độ của quá
trình sẽ tăng đồng thời tăng độ phân tán của muội. Tỷ lệ cần thiết
giữa không khí và nhiên liệu thường được xác định theo thực nghiệm
để có các loại muội mong muốn.
Bảng 5. Phụ thuộc lượng không khí khi đốt nguyên liệu và tính
chất của muội
Tiêu hao không khí
m
3
/kg nguyên liệu
Nhiệt độ,
o
C Bề mặt riêng của
muội, m
2
/g
2,3 1150 16
2,8 1190 20
3,3 1250 30
3,5 1275 35
3,6 1300 40
3,7 1330 50
3,9 1375 70
4,1 1425 80
4,2 1450 90
4,3 1500 100
5.2. Quá trình hình thành muội khi phân hủy các hydrocacbon
Hydrocacbon là nguyên liệu thuận lợi để nhận muội do chúng rất
giàu cacbon (metan chứa 75% cacbon và 25% hydro, các

hydrocacbon thơm nhiều nhân như antraxen, phenantren có hàm
lượng cacbon cao hơn, trên 90%).
Khí thiên nhiên dùng làm nguyên liệu để sản xuất muội rãnh khí,
muội khí lò và muội nhiệt phân; từ axetylen người ta nhận được các
loại muội axetylen khác nhau; muội đèn, muội vòi phun tạo thành khi
cháy hỗn hợp các loại hydrocacbon lỏng khác nhau; muội antraxen
nhận bằng cách đốt hỗn hợp hơi của hydrocacbon lỏng, rắn nhóm
antraxen cùng với khí cốc.
Để phân huỷ hydrocacbon thành muội đòi hỏi phải có nhiệt độ cao.
Phần lớn hydrocacbon bị phá huỷ kèm theo quá trình thu nhiệt, trừ
axetylen và một vài hydrocacbon thơm khi phân huỷ lại toả nhiệt.
Để tạo ra các mạng lưới tinh thể grafit đòi hỏi phải có thời gian tiếp
xúc các hạt cacbon (vài giờ) và nhiệt độ cao hơn 3000
o
C, nhưng khi
điều chế muội, nhiệt độ trong vùng phản ứng thường không lớn hơn
1500
o
C
(*)
, còn thời gian lưu muội trong thiết bị phản ứng rất nhỏ (vài
giây hoặc một vài phần của giây) do vậy quá trình grafit hoá đã
không kịp xảy ra.
Sau khi đứt mạch các phân tử nguyên liệu, do tác động của nhiệt độ
cao các gốc tự do của hydrocacbon nhận được sẽ kết hợp với nhau
tạo thành cấu trúc 6 cạnh như mạng lưới tinh thể kiểu grafit.