Đánh giá hiệu quả sử dụng và khả năng biến tính than hoạt tính có nguồn gốc từ gáo dừa trong việc xử lý toluen từ ngành công nghiệp sơn bằng phương pháp hấp phụ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
Đánh giá hiệu quả sử dụng và khả năng biến tính than hoạt
tính có nguồn gốc từ gáo dừa trong việc xử lý toluen từ ngành
công nghiệp sơn bằng phương pháp hấp phụ
NGUYỄN THỊ TRANG


Ngành Kỹ thuật hoá học
Chuyên ngành Quá trình – Thiết bị Cơng nghệ Hố học

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Trần Vũ Tùng Lâm

Bộ mơn:

Q trình – Thiết bị Cơng nghệ Hố và Thực
phẩm
Kỹ thuật Hố học

Viện:

HÀ NỘI, 8/2022


VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC
BỘ MƠN Q TRÌNH – THIẾT
BỊ CƠNG NGHỆ HĨA VÀ
THỰC PHẨM

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ

NGHIÊN CỨU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Nguyễn Thị Trang
Lớp: KTHH 03
I.

MSSV: 20175263
Khóa: 62

Đầu đề nghiên cứu

Đánh giá hiệu quả sử dụng và khả năng biến tính than hoạt tính có nguồn gốc
từ gáo dừa trong việc xử lý Toluen từ ngành công nghiệp sơn bằng phương
pháp hấp phụ.
II.
Nội dung các phần thuyết minh.
1) Lời mở đầu
2) Chương 1: Tổng quan
3) Chương 2: Thực nghiệm
4) Chương 3: Kết quả
5) Chương 4: Kết luận
6) Tài liệu tham khảo
III. Cán bộ hướng dẫn: TS. Trần Vũ Tùng Lâm
IV. Ngày giao nhiệm vụ: 17/03/2022

V.
Ngày phải hồn thành: 10/08/2022
Phê duyệt của Bộ mơn

Ngày tháng năm 2022
Người hướng dẫn
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cơ bộ mơn Q
Trình và Thiết bị đã đồng ý và hỗ trợ em thực hiện luận văn này tại bộ môn. Em
xin cảm ơn thầy Trần Vũ Tùng Lâm đã tin tưởng giao cho em đề tài này. Em cảm
ơn thầy vì đã ln giúp đỡ em những lúc em gặp khó khăn trong q trình thực
hiện thí nghiệm.
Em xin cảm ơn các cán bộ phịng thí nghiệm của Viện Kĩ thuật Hóa học –
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong quá trình
làm thực nghiệm.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các bạn, hiện đang nghiên cứu tại các phịng thí
nghiệm của bộ mơn Q Trình và Thiết Bị; Hoá Dầu; Silicat; PolymerComposite và Giấy đã nhiệt tình giúp đỡ em trong quá trình tìm tài liệu và làm
thực nghiệm.
Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên
Ký và ghi rõ họ tên


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................ 1
1.1

Giới thiệu chung về Toluene ...................................................................... 1
Một số tính chất và ứng dụng của Toluene ................................. 1
Nguồn phát thải và độc tính của Toluen ..................................... 2

1.2

Giới thiệu phương pháp hấp phụ ................................................................ 2
Khái niệm .................................................................................... 3
Hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học ............................................. 3
Cân bằng hấp phụ và hoạt độ hấp phụ ........................................ 4
Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt ....................................................... 4
Động học hấp phụ ....................................................................... 5

1.3

Vật liệu hấp phụ ......................................................................................... 7
Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt ............................................... 8
Cấu trúc hố học của cacbon hoạt tính[2] ................................... 9
Cấu trúc xốp của cacbon hoạt tính. ............................................. 9
Cấu trúc hố học của bề mặt than hoạt tính .............................. 10

1.4

Phương pháp chế tạo than hoạt tính ......................................................... 11
Than hố ngun liệu thực vật .................................................. 11
Hoạt hố than ngun liệu: ....................................................... 12

1.5

Biến tính bề mặt than hoạt tính bằng dung dịch axit, bazo ...................... 13

1.6

Cấu trúc của đề tài .................................................................................... 14

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM ........................................................................ 15
2.1

Thiết bị và hoá chất nghiên cứu ............................................................... 15
Sơ đồ thiết bị hấp phụ hơi Toluen ............................................. 15
Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ................................................. 17
Hố chất và ngun liệu ............................................................ 17

2.2

Quy trình thực nghiệm chế tạo vật liệu .................................................... 18
Làm sạch than hoạt tính ............................................................ 18
Biến tính vật liệu ....................................................................... 18
Phương pháp nghiên cứu .......................................................... 20

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ .................................................................................... 23
3.1

Khảo sát khả năng hấp phụ hơi Toluen trên than hoạt tính ..................... 23


3.2

Nghiên cứu mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ phù hợp với q trình ............. 27

Mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir : .................................. 28
Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich : ............................................... 28

3.3

Nghiên cứu mơ hình động học hấp phụ phù hợp với quá trình ............... 30
Động học biểu kiến bậc 1.......................................................... 30
Động học biểu kiến bậc 2.......................................................... 31

3.4
Nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng dung dịch NaOH ; H2SO4 trong
các điều kiện khác nhau. ...................................................................................... 32
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ dung dịch biến tính tới khả
năng hấp phụ của than hoạt tính................................................................... 33
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch biến tính đến khả
năng hấp phụ hơi trên than hoạt tính. ........................................................... 37
3.5
Khảo sát khả năng hấp phụ hơi Toluen trên than hoạt tính dạng vải ở các
nhiệt độ khác nhau. .............................................................................................. 40
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN .................................................................................. 43
4.1

Kết luận .................................................................................................... 43

4.2

Hướng phát triển của đồ án trong tương lai ............................................. 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………..45

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tiêu chí phân biệt hấp phụ hoá học và hấp phụ vật lý .......................... 4
Bảng 1.2. Thành phần hố học của than hoạt tính[6] ............................................ 8
Bảng 3.1 Hoạt độ hấp phụ đo được ở nhiệt độ suc khí 5℃ ................................. 23
Bảng 3.2 Hoạt độ hấp phụ đo được ở nhiệt độ suc khí 10℃ ............................... 24
Bảng 3.3 Hoạt độ hấp phụ đo được ở nhiệt độ sục khí 15℃ ............................... 24
Bảng 3.4. Hoạt độ hấp phụ đo được ở nhiệt độ sục khí 20℃ .............................. 24
Bảng 3.5 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A0 .......................... 33
Bảng 3.6 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian ở mẫu A11............................ 34
Bảng 3.7 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A12 ........................ 34
Bảng 3.8 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A21 ........................ 36
Bảng 3.9 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A22 ........................ 36
Bảng 3.10 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A13 ...................... 38
Bảng 3.11 Hoạt độ hấp phụ thay đổi theo thời gian của mẫu A23 ...................... 39
Bảng 3.12 Hoạt độ hấp phụ của mẫu số 02 ở 5℃ ................................................ 40
Bảng 3.13 Hoạt độ hấp phụ của mẫu số 02 ở 10℃ .............................................. 40
Bảng 3.14 Hoạt độ hấp phụ của mẫu số 02 ở 15℃ .............................................. 41
Bảng 3.15 Hoạt độ hấp phụ của mẫu số 02 ở 20℃ .............................................. 41


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mơ tả q trình hấp phụ lên bề mặt xốp[3] ............................................. 6
Hình 1.2 Than hoạt tính dạng hạt (hình a); dạng vải (hình b); dạng bột (hình c);
dạng viên, viên nén (hình d) [7] ............................................................................. 9
Hình 1.3 Cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính [8] ................................................... 10
Hình 1.4 Nhóm chức bề mặt than hoạt tính[9] .................................................... 11
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm .................................................................... 15
Hình 2.2 Hệ thống hấp phụ tại phịng thí nghiệm ................................................ 17
Hình 2.3 Than hoạt tính dạng hạt(hình a); dạng vải (hình b) .............................. 18

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn hoạt độ hấp phụ theo thời gian ở 5℃ ......................... 25
Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn hoạt độ hấp phụ theo thời gian ở 10℃ ....................... 25
Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn hoạt độ hấp phụ theo thời gian ở 15℃ ....................... 26
Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn hoạt độ hấp phụ theo thời gian ở 20℃ ....................... 26
Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa P/qe và P ........................................ 28
Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ln(qe) và ln(P)................................ 29
Hình 3.7 Đường đẳng nhiệt Hấp phụ Langmuir .................................................. 30
Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ln(qe – qt) và t ................................ 31
Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa t/qt và t ........................................... 32
Hình 3.10 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của các mẫu A0; A11; A12 ......... 35
Hình 3.11 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của các mẫu A0; A21; A22 ......... 37
Hình 3.12 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ các mẫu A0; A12; A13 ................ 38
Hình 3.13 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của các mẫu A0; A22; A23 ......... 39
Hình 3.14 Biểu đồ so sánh khả năng hấp phụ của mẫu số 01 và mẫu số 02........ 42


LỜI MỞ ĐẦU
Toluen, hay còn gọi là methylbenzene hay phenylmethan, là một chất lỏng
trong suốt, khơng hồ tan trong nước. Toluen là một hydrocacbon thơm được sử
dụng rộng rãi làm dung mơi trong cơng nghiệp. Nó chủ yếu được dùng làm dung
mơi hồ tan nhiều loại vật liệu như sơn, các loại nhựa tạo màng cho sơn, mực in,
cao su, chất kết dính, Vv.
Bên cạnh những ứng dụng quan trọng trong cơng nghiệp, Toluen cũng có
những tác động nguy hiểm đối với con người. Tiếp xúc với Toluen có thể gây ra
những triệu chứng như đau đầu, chóng mặt, buồn nôn lẫn lộn, mất ý thức, hôn
mê, ,….. Tiếp xúc với Toluen trong thời gian dài sẽ gây ảnh hưởng đến gan, thận
và hệ thần kinh trung ương. Vì vậy chúng ta cần có những biện pháp để giải
quyết vấn đề này nhằm đảm bảo sức khoẻ cho mọi người đặc biệt là người lao
động trong lĩnh vực sản xuất sơn, nhựa, mực in.
Hiện nay, có rất nhiều phương pháp để xử lý hơi Toluen, ví dụ như phương

pháp oxy hoá nhiệt, hấp phụ, hấp thụ và màng lọc sinh học,…. Trong đó hấp phụ
hơi được sử dụng rộng rãi nhất bởi đây là phương pháp có khả năng xử lý khí cao
với chi phí thấp với các vật liệu hấp phụ đa dạng như than hoạt tính, nhơm oxit,
silicagel, vv. Trong đó than hoạt tính được sử dụng rộng rãi trong thực tế do diện
tích bề mặt lớn, hệ thống lỗ vi mao quản phát triển, khả năng hoàn nguyên cao và
giá thành rẻ. Tuy nhiên, than hoạt tính bán trên thị trường được sử dụng đại trà
cho việc loại bỏ khí bẩn nói chung và chưa được tối ưu hóa cho việc hấp phụ
Toluen.
Vì vậy trong khn khổ luận văn này, em đã chọn và thực hiện đề tài
“Đánh giá hiệu quả sử dụng và khả năng biến tính than hoạt tính có nguồn
gốc từ gáo dừa trong việc xử lý Toluen từ ngành công nghiệp sơn bằng
phương pháp hấp phụ” với hy vọng vật liệu này được ứng dụng để kiểm soát,
xử lý hơi Toluen phát thải trong các q trình cơng nghiệp.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung về Toluen
Toluen được phát hiện bởi P.S.Pelletie và P.Walter vào năm 1937 khi hai
ơng điều chế khí than nhựa từ thơng. Vì thế, cái tên Toluen bắt nguồn từ tên
Toluol, viết tắt là “TOL”, là tên nhựa của cây Balsam ở vùng Nam Mỹ. Danh
pháp IUPAC của nó là Metylbenzen.
Một số tính chất và ứng dụng của Toluen
Toluen là chất lỏng thơm, trong suốt khơng màu, có độ nhớt thấp. Ít tan
trong nước, nhẹ hơn nước và nổi trên mặt nước, độ hoà tan trong nước của nó ở
160℃ là 0.047g/100ml, cịn ở 150℃ là 0.04g/100ml. Toluen có thể tan hồn tồn
trong các dung môi hữu cơ như rượu, cồn, este, xeton, phenol,ete,…. Toluen
cũng là dung mơi hồ tan nhiều loại vật liệu rất tốt như: sơn, các loại nhựa tạo
màng cho sơn, mực in, chất hố học, cao su, chất kết dính, chất béo, dầu, nhựa
thông, lưu huỳnh, photpho và iot.
Một số thông số của Toluen[1]]

-

Khối lượng phân tử

: 92.14 g/mol

-

Tỷ trọng

: 0.8669 g/cm3

-

Nhiệt độ nóng chảy

: -93℃

-

Nhiệt độ sơi

: 110.6℃

-

Độ nhớt ở 20℃

: 0.590 cP

Toluen là hợp chất thuộc dãy đồng đẳng của Benzen có cơng thức phân tử
là C7H8 do đó tính chất hố học của Toluen tương tự như Benzen. Toluen tham
gia các phản ứng hoá học sau: phản ứng cộng, phản ứng thế, phản ứng oxi hoá.
Là một hydrocacbon thơm có khả năng tham gia phản ứng thế ái điện tử. Do có
nhóm metyl mà hoạt tính của Toluen lớn gấp 25 lần so với Benzen.
Đối với nghành cơng nghiệp hố chất thì Toluen là một trong những chất
được sử dụng rộng rãi do những tính chất hố học và tính chất vật lý của nó.
Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến nhất:
-

Dùng làm chất tẩy rửa, dùng trong sơn xe hơi, xe máy, sơn các đồ đặc
trong nhà.
Được sử dụng làm chất tẩy rửa sản xuất keo dán, các sản phẩm cùng loại,
dùng trong keo dán cao su và xi măng cao su vì có khả năng hoà tan tốt.
Làm phụ gia cho các nhiên liệu như chất cải thiện chỉ số octane của xăng
dầu. Khi thêm chỉ một lượng tương đối nhỏ hoá chất Toluen vào xăng dầu
sẽ làm tăng đáng kể chỉ số octane của nhiên liệu.

1


-

Dùng để sản xuất thuốc nhuộm và điều chế thuốc nổ TNT. Ngồi ra, dung
mơi này cịn được sử dụng trong y học, sản xuất mực in hay sản xuất nước
hoa.

Nguồn phát thải và độc tính của Toluen
Toluen là các dung mơi thơm phổ biến được tìm thấy trong keo, mực,
thuốc nhuộm, sơn mài, thuốc tẩy,…và được tiêu thụ nhiều nhất trong nghành sản

xuất sơn. Đối với nghành sản xuất sơn thì nguồn phát thải hơi Toluen đến từ các
cơng đoạn ủ, nghiền, pha sơn trong dây chuyền sản xuất.
Toluen được xếp vào nhóm các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi với áp suất hơi
bão hoà tại 25℃ là 3762,191(Pa). Tiếp xúc nghề nghiệp với Toluen có thể gây
bệnh nhiễm độc cấp tính và mãn tính.



-

-

Nhiễm độc cấp tính có các triệu chứng sau đây:
Đau đầu, chóng mặt, buồn nơn, nơn, mất ý thức, hơn mê, mất trí nhớ;
Giảm sức nghe;
Viêm phổi;
Bỏng, viêm kết mạc, giác mạc, mù màu;
Viêm gan nhiễm độc;
Viên cầu thận
Tổn thương tim mạch: gây loạn nhịp tim như ngoại tâm thu[2]
Nhiễm độc mãn tính: dựa vào nồng độ toluen trong môi trường lao động
vượt quá giới hạn tiếp xúc ca làm việc theo tiêu chuẩn vệ sinh cho phép.
Bệnh vẫn có thể xuất hiện sau khi tiếp xúc 1 tháng và có thể phát bệnh sau
khi đã ngừng tiếp xúc sau 15 năm.
Bệnh lý não mãn tính ( do nhiễm độc dung mơi hữu cơ trong đó bao gồm
cả Toluen và xylen): trầm cảm, dễ cáu giận, giảm sự tập trung chú ý, giảm
trí nhớ, giảm tập trung, mất năng lực trí tuệ nghiêm trọng.
Tổn thượng tim mạch, tổn thương ống thận[2]

1.2 Giới thiệu phương pháp hấp phụ

Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý khí thải phổ biến, ví dụ như:
phương pháp hấp thụ, hấp phụ, phương pháp sinh học, phương pháp ướt, phương
pháp thiêu đốt, phương pháp ngưng tụ. Dựa vào tính chất và thành phần của khí
thải thốt ra mà ta lựa chọn phương pháp xử lý khí sao cho hiệu quả nhất. Trong
khuôn khổ đồ án này, với đối tượng là Toluen có trong khí thải cần phải được
loại bỏ thì phương pháp xử lý phù hợp nhất là phương pháp hấp phụ khí. Đây là
phương pháp có khả năng làm sạch khí cao, hiệu quả xử lý trên 90%, giá thành
xử lý thấp do vật liệu hấp phụ có khả năng hồn ngun, tiết kiệm được chi phí
xử lý cho nhà máy. Vì vậy trong phần này em tập trung giới thiệu về phương
pháp hấp phụ.

2


Khái niệm
Hấp phụ là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bề
mặt một chất rắn xốp hoặc là sự gia tăng nồng độ của chất này trên bề mặt chất
khác. Chất khí hay hơi được gọi là chất bị hấp phụ, chất rắn xốp dùng để hút khí
hay hơi gọi là chất hấp phụ và những khí khơng bị hấp phụ gọi là khí trơ. Q
trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp hay nhả hấp phụ.
Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất hấp
phụ và chất bị hấp phụ. Thông thường quá trình hấp phụ là quá trình toả nhiệt.
Tuỳ theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp
phụ vật lý và hấp phụ hoá học.
Hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học
a) Hấp phụ vật lý:
Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân (nguyên tử, phân
tử, các ion,…) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu. Đó là
tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định
hướng. Lực liên kết này yếu nên dễ bị phá vỡ.

Trong hấp phụ vật lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ
khơng hình thành các liên kết hố học mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên bề
mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ. Ở hấp phụ vật lý, nhiệt
hấp phụ khơng lớn.
b) Hấp phụ hố học:
Hấp phụ hố học xảy ra do lực hút tồn tại ở trên và gần sát bề mặt trong
các mao quản. Các lực hoá trị gây nên hấp phụ hoá học tạo ra các hợp chất khá
bền trên bề mặt. Do đó, hấp phụ hố học thường là q trình bất thuận nghịch.
Hấp phụ hố học có nhiệt hấp phụ lớn.
Ranh giới giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hố học rất khó để phân đinh,
trong một số trường hợp có thể xảy ra song song tuỳ thuộc tính chất bề mặt của
chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, vào điều kiện q trình (nhiệt độ, áp suất,….).
Ta có thể phân biệt hấp phụ hoá học và vật lý dựa vào các tiêu chí được nêu
trong Bảng 1.1

3


Bảng 1.1. Tiêu chí phân biệt hấp phụ hố học và hấp phụ vật lý
Tiêu chí
Nhiệt hấp phụ
Lượng chất bị hấp phụ
Sự chọn lọc hấp phụ
Sự phụ thuộc của nhiệt
độ
Lực tương tác

Hấp phụ hố học
40÷ 800 kJ/mol
Đơn lớp

Có tính chọn lọc cao
Thường xảy ra ở nhiệt
độ cao
Lực liên kết hoá trị

Năng lượng hoạt hoá Lớn
hấp phụ

Hấp phụ vật lý
Nhỏ hơn 20 kJ/mol
Đa lớp
Khơng có tính chọn lọc
Thường được tiến hành ở
nhiệt độ thấp
Lực liên kết Van Der Walls
Gần như bằng không

Cân bằng hấp phụ và hoạt độ hấp phụ
a) Cân bằng hấp phụ
Quá trình hấp phụ là một quá trình thuận nghịch. Các phân tử chất bị hấp
phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha
mang. Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì
tốc độ di chuyển ngược lại pha mang càng lớn. Đến một thời điểm nào đó, tốc độ
hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng.
Một hệ hấp phụ khi đạt trạng thái cân bằng, lượng chất bị hấp phụ là một
hàm của nhiệt độ, áp suất hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ:
q = f(T,P,C)
b) Hoạt độ hấp phụ
Hoạt độ hấp phụ cân bằng là đại lượng biểu thị khối lượng của chất bị hấp
phụ trên một đơn vị khối lượng của chất hấp phụ tại trạng thái cân bằng, ở một

nồng độ và nhiệt độ xác định. Được đo bằng g/g; kg/kg; mol/g,…
Mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt
Các mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt có ý nghĩa và vai trị quan trọng trong
việc đánh giá hiệu quả của một mô hình hấp phụ. Nó mơ tả mối quan hệ giữa thể
tích, chất bị hấp phụ và áp suất cân bằng của pha hơi.
 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir: Khi thiết lập phương trình
hấp phụ, Langmuir đưa ra các giả định sau:
- Bề mặt đồng nhất về năng lượng.
- Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử.
- Sự hấp phụ là thuận nghịch, có đạt được cân bằng hấp phụ.
- Tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ có thể bỏ qua
Theo Langmuir, trên bề mặt chất hấp phụ rắn có vùng lực hố trị chưa bão
hồ vì vậy tại đây sẽ hình thành trung tâm hấp phụ. Giả định lực hấp phụ có bán
kính tác dụng nhỏ, là lực có bản chất gần giống với lực hoá trị, nên mỗi trung
tâm chỉ giữ một phân tử chất bị hấp phụ và trên bề mặt tạo ra một lớp đơn phân
4


tử chất bị hấp phụ. Các phân tử chất bị hấp phụ này chỉ tương tác với bề mặt chất
hấp phụ, chứ không tương tác đến các phân tử khác.
Thuyết hấp phụ Langmuir được mơ tả bởi phương trình:
q = qmax.
trong đó: q: hoạt độ hấp phụ ở thời điểm nào đó (mg/g)
qmax: hoạt độ hấp phụ cực đại (mg/g)
P: áp suất khí (Pa); k: hằng số (Pa-1)
 Phương trình Freundlich
Thuyết Freundlich mơ tả q trình hấp phụ hồn tồn dựa trên thực
nghiệm. Phương trình Freundlich được viết như sau:

q = k.P1/n

trong đó: q: hoạt độ hấp phụ (mg/g)
p: áp suất khí cân bằng trên chất hấp phụ (Pa)
k,n: là các hằng số.
Động học hấp phụ
a) Một số khái niệm
- Tốc độ phản ứng hoá học: được đo bằng độ biến thiên nồng độ của các
chất phản ứng (hay sản phẩm phản ứng) trong một đơn vị thời gian.
- Bậc phản ứng: Mô tả sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ của
các chất phản ứng. Nghĩa là ở nhiệt độ không đổi, tốc độ của phản ứng tỷ
lệ với tích của nồng độ các chất phản ứng.
- Với phản ứng tổng quát: a1A1 + a2A2 + …..⟶ b1B1 + b2B2 + …..
Tốc độ phản ứng: v = k.(CA1)n1.(CA2)n1…..
Trong đó: n1, n2 là bậc riêng phần đối với chất A1, A2
n = n1 + n2 + …. là bậc toàn phần (bậc chung) của phản ứng.
Như vậy, bậc phản ứng là tổng các số mũ của các thừa số nồng độ trong
phương trình tốc độ phản ứng.
b) Các mơ hình động học hấp phụ
Động học hấp phụ xảy ra theo các giai đoạn nối tiếp nhau như sau:

5


Hình 1.1 Mơ tả q trình hấp phụ lên bề mặt xốp[3]

Q trình hấp phụ từ pha (lỏng hoặc khí) lên bề mặt xốp của chất hấp phụ
phải trải qua ba giai đoạn.
Giai đoạn 1: Chuyển chất từ lòng pha lỏng/khí đến bề mặt ngồi của chất hấp
phụ. Trong dịng lỏng/khí, chất bị hấp phụ được chuyển dần đến gần bề mặt của
chất hấp phụ nhờ cơ chế đối lưu hoặc khuếch tán.
Giai đoạn 2: Chất bị hấp phụ di chuyển vào bề mặt mao quản nhờ cơ chế khuếch

tán phân tử đối với mao quản lớn, khuếch tán Knudsen đối với mao quản nhỏ.
Giai đoạn 3: Quá trình hấp phụ làm bão hồ dần từng phần khơng gian hấp phụ,
đồng thời làm giảm độ tự do của các phân tử bị hấp phụ, nên luôn kèm theo sự
toả nhiệt.[4]
Trong tất cả các giai đoạn trên, tốc độ hấp phụ sẽ được quyết định bởi quá
trình khuếch tán ở giai đoạn 2 và giai đoạn 3.
Các mơ hình động học được sử dụng để nghiên cứu cơ chế và các giai
đoạn kiểm sốt tốc độ của q trình hấp phụ. Trong đề tài nghiên cứu này, em sử
dụng hai mô hình động học phổ biến để nghiên cứu động học sự hấp phụ hơi, đó
là: biểu kiến bậc nhất, biểu kiến bậc hai.
 Phương trình động học biểu kiến bậc nhất:
Phương trình tốc độ biểu kiến bậc nhất được đề nghị đầu tiên bởi
Lagergren, biểu diễn dưới dạng:

6


Trong đó: k1 là hằng số tốc độ bậc nhất biểu kiến (phút-1)
qt là dung lượng hấp phụ của chất hấp phụ tại thời điểm t (mg/g)
qe là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)
 Phương trình động học biểu kiến bậc hai
Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai biểu diễn các yếu tố ảnh
hưởng đến dung lượng hấp phụ của pha rắn. Mô hình này phù hợp với giả thuyết
cho rằng hấp phụ hoá học là bước kiểm soát tốc độ, biểu diễn dưới dạng:

Trong đó: k2 là hằng số tốc độ bậc hai biểu kiến (g/mg.phút)
qt là dung lượng hấp phụ của chất hấp phụ tại thời điểm t (mg/g)
qe là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)[5]
1.3 Vật liệu hấp phụ
Các chất hấp phụ cần đạt các yêu cầu cơ bản:

-

Có bề mặt riêng lớn.
Có các mao quản đủ lớn để các phân tử hấp phụ đến được bề mặt, nhưng
cũng cần đủ nhỏ để loại các phân tử xâm nhập, có tính chọn lọc
Có thể hồn ngun dễ dàng
Bền năng lực hấp phụ nghĩa là kéo dài thời gian làm việc.
Đủ bền cơ để chịu được rung động và va đập.[4]

Điểm chung của các chất hấp phụ được dùng trong cơng nghiệp đều xốp,
có bề mặt riêng lớn, từ khoảng trăm mét vng đến gần 2000m2 tính trên 1g.
Ngày nay có rất nhiều loại vật liệu hấp phụ như than hoạt tính, silicagen, các
polime hoạt tính, các zeolite, đất sét hoạt tính và các oxyt của kim loại mà điển
hình là nhơm oxyt. Cùng với cấu trúc xốp, mỗi loại có những đặc tính tạo nên
những vùng ứng dụng hiệu quả riêng của từng loại. Silicagel được sử dụng chủ
yếu làm chất hút ẩm.Các oxyt SiO2, Al2O3, TiO2,… được dùng làm chất mang
xúc tác hoặc là chất xúc tác.Các loại zeolit được sử dụng phổ biến trong các q
trình lọc, chế biến dầu khí.
Việc lựa chọn chất hấp phụ sao cho quá trình hấp phụ đạt hiệu quả cao phụ
thuộc vào chất bị hấp phụ. Trong trường hợp này chất bị hấp phụ là hơi Toluen,
có kích thước phân tử rất nhỏ, nồng độ thấp thì vật liệu có hệ vi mao quản nhỏ
mới có khả năng hấp phụ chúng. Trong các vật liệu kể trên thì than hoạt tính
hồn tồn phù hợp với việc xử lý hơi Toluen. Bởi than hoạt tính có hệ thống vi
mao quản rất phát triển. Hơn nữa than hoạt tính rất dễ mua, dễ thay thế, chi phí
thấp và khả năng hấp phụ lại cao hơn nhiều so với những nguyên liệu hấp phụ
khác. Có khả năng chịu nhiệt tốt, độ cứng ổn định nên rất ít hao hụt. Ngun liệu
hồn toàn từ thiên nhiên, dễ phân huỷ và thân thiện với môi trường.
7

Than hoạt tính và cấu trúc bề mặt
Cacbon là thành phần chủ yếu của than hoạt tính với hàm lượng khoảng 85
– 95%. Bên cạnh đó than hoạt tính cịn chứa các nguyên tố khác như hidro, nito,
lưu huỳnh và oxi. Các nguyên tử khác loại này được tạo ra từ nguồn nguyên liệu
ban đầu hoặc liên kết với cacbon trong suốt q trình hoạt hố và các q trình
khác. Thành phần các ngun tố trong than hoạt tính có thể thay đổi từ 1 – 20%
phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu ban đầu, cách điều chế
Bảng 1.2. Thành phần hố học của than hoạt tính[6]

Thành phần

C

H

N

S

O

%

88

0,5

0,5

1

6÷ 7

Than hoạt tính thường có diện tích bề mặt nằm trong khoảng 800 đến
1500m2/g và thể tích xốp từ 0.2 đến 0.6cm3/g. Diện tích bề mặt than hoạt tính
chủ yếu là do lỗ nhỏ có bán kính nhỏ hơn 2nm.
Than hoạt tính được chia làm nhiều loại khác nhau. Dựa theo hình dạng,
kích thước, và tính ứng dụng mà ta phân loại chúng thành các nhóm sau:
-

-

-

-

Than hoạt tính dạng hạt: Là loại than có kích thước hạt lớn thường được
sử dụng nhiều trong các quy trình xử lý nước, nước thải vì độ cố định của
nó cao, ít bị rửa trơi.
Than hoạt tính dạng vải: Là loại than có dạng vải hoặc tấm ép, chúng
được xếp vào nhóm vật liệu than hoạt tính có hình dạng đặc biệt. Nó có
các tính chất và khả năng hấp phụ giống như than hoạt tính. Than dạng vải
được sản xuất từ các sợi polymer thiên nhiên hoặc tổng hợp. Quy trình sản
xuất than hoạt tính dạng sợi sử dụng các phương pháp tương tự như
phương pháp chế tạo than hoạt tính dạng hạt.
Than hoạt tính dạng bột: Là loại than có dạng bột mịn, được sử dụng để
xử lý hoá chất tổng hợp như sự cố tràn hoá chất và cũng là nguyên liệu
trong các công thức làm đẹp da, làm trắng răng cực kỳ hiệu quả và đang
rất phổ biến trên thị trường.
Than hoạt tính dạng viên, viên nén: Đây là loại than có dạng hình trụ hoặc

hình khối thường được sử dụng nhiều trong các bể lọc nước sinh hoạt
hoặc trong công nghiệp.

8


hình a

hình c

hình b

hình d

Hình 1.2 Than hoạt tính dạng hạt (hình a); dạng vải (hình b); dạng bột (hình c); dạng
viên, viên nén (hình d) [7]

Cấu trúc hố học của cacbon hoạt tính[6]
Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X, đã cho thấy cacbon hoạt tính được
hợp thành từ những tinh thể nhỏ kiểu grafit 10 ÷ 30Å (1÷3nm). Các tinh thể kiểu
grafit trong cacbon hoạt tính bao gồm những mặt phẳng 6 cạnh và sắp xếp không
theo một trật tự nhất định. Khoảng cách giữa các lớp khoảng 3,44 ÷ 3,65 Å
(0,34÷0,36nm) và là lớn hơn so với ở grafit (0,335nm), chiều cao mỗi lớp tinh
thể khoảng 1÷1,3nm. Ngồi ra, trong cacbon hoạt tính cịn chứa một phần
cacbon vơ định hình và các ngun tố khác như oxy, hydro, nitơ,…
Cấu trúc xốp của cacbon hoạt tính.
Than hoạt tính có bề mặt riêng rất phát triển và thường được đặc trưng
bằng cấu trúc siêu mao quản, tạo nên từ các lỗ với kích thước và hình dạng khác
nhau.
Lỗ xốp của than hoạt tính có kích thước từ 1nm đến vài nghìn nm. Dubinin

đề xuất một cách phân loại lỗ xốp đã được IUPAC chấp nhận. Sự phân loại này
dựa trên chiều rộng của chúng, thể hiện khoảng cách giữa các thành của một lỗ
xốp hình rãnh hoặc bán kính của lỗ dạng ống. Các lỗ được chia thành 3 nhóm: lỗ
nhỏ, lỗ trung và lỗ lớn.
9


Hình 1.3 Cấu trúc lỗ xốp của than hoạt tính [8]

Lỗ nhỏ (Micropores) có bán kính hiệu dụng nhỏ hơn 2nm. Sự hấp phụ
trong các lỗ này xảy ra theo cơ chế lấp đầy thể tích lỗ, và khơng xảy ra sự ngưng
tụ mao quản. Năng lượng hấp phụ trong các lỗ này lớn hơn rất nhiều so với lỗ
trung hay bề mặt khơng xốp vì sự nhân đơi của lực hấp phụ từ các vách đối diện
nhau của vi lỗ. Diện tích bề mặt riêng của lỗ nhỏ chiếm 95% tổng diện tích bề
mặt của than hoạt tính.
Lỗ trung (Mesopore) hay cịn gọi là lỗ vận chuyển có bán kính hiệu dụng
từ 2 đến 50 nm, thể tích của chúng thường từ 0.1 đến 0.2 cm3/g. Diện tích bề mặt
của lỗ này chiếm khơng q 5% tổng diện tích bề mặt của than. Tuy nhiên, bằng
phương pháp đặc biệt người ta có thể tạo ra than hoạt tính có lỗ trung lớn hơn,
thể tích của lỗ trung đạt được từ 0.2 – 0.65cm3/g và diện tích bề mặt của chúng
đạt 200m2/g. Các lỗ này đặc trưng bằng sự ngưng tụ mao quản của chất hấp phụ
với sự tạo thành mặt khum của chất lỏng bị hấp phụ.
Lỗ lớn (Macropore) khơng có nhiều ý nghĩa trong q trình hấp phụ của
than hoạt tính bởi vì chúng có diện tích bề mặt rất nhỏ và khơng vượt q
0.5m2/g. Chúng có bán kính hiệu dụng lớn hơn 50nm và thường trong khoảng
500-2000nm với thể tích lỗ từ 0.2 – 0.4 cm3/g. Chúng hoạt động như một kênh
cho chất bị hấp phụ vào trong lỗ nhỏ và lỗ trung.
Cấu trúc hoá học của bề mặt than hoạt tính
Mơi trường chế tạo than hoạt tính ln gắn liền với oxy khí quyển và hơi
nước nên các liên kết hố học hình thành trên bề mặt, được gọi là các nhóm chức

bề mặt và tạo nên cấu trúc hoá học bề mặt của than hoạt tính.
Khi hấp phụ ở nhiệt độ thường, trên bề mặt than hoạt tính tạo thành các
oxit bề mặt mang tính bazo. Do sự hydrat hố sẽ tạo thành các nhóm hydroxit bề
mặt (-OH). Các Oxit bề mặt có tính axit được tạo thành do sự hấp phụ hoá học
Oxy ở trên than hoạt tính ở nhiệt độ cao hơn (350 – 450 ℃), khi hydrat hoá sẽ tạo
10


thành các nhóm cacboxyl trên bề mặt (-COOH). Ngồi các nhóm chức (-OH; COOH) thì trên bề mặt than hoạt tính cịn chứa các nhóm chức kiểu phenol,
lacton, quinon,….
Các nhóm chức bề mặt đóng một vai trị quan trọng, đó là gây ra tính tích
điện của bề mặt chất hấp phụ. Do các nhóm chức bề mặt có tính axit, bazơ nên
trong môi trường nước chúng sẽ phân ly tạo ra các trung tâm điện tích, các ion
trái dấu trong dung dịch bao quanh tâm mang điện tích được phân bố lại với mật
độ cao hơn ở gần, thấp hơn ở xa tạo thành lớp điện tích kép hay lớp khuếch tán.
Tại điểm pH mà ở đó mật độ điện tích của các ion trái dấu bằng nhau gọi là điểm
đẳng điện. Khi pH lớn hơn điểm đẳng điện thì bề mặt chất rắn tích điện âm và
ngược lại. Tính chất các nhóm chức sẽ ảnh hưởng đến tương tác giữa chất hấp
phụ và chất bị hấp phụ. Ví dụ, các vật liệu giàu nhóm chức axit sẽ thích hợp để
hấp phụ ammoniac, amin.

Hình 1.4 Nhóm chức bề mặt than hoạt tính[9]

1.4 Phương pháp chế tạo than hoạt tính
Than hoạt tính được sản xuất từ than đá, than bùn, các vật liệu có nguồn
gốc thực vật (gỗ, bã mía, rơm, rạ, gáo dừa, vỏ hạt,…..), các vật liệu có nguồn gốc
động vật (xương, xác các loài động vật,….). Thời kỳ đầu của quá trình phát triển
sản xuất thì hầu hết các quốc gia đều đi từ nguyên liệu có nguồn gốc thực vật: gỗ,
các phế liệu dạng gỗ. Với nguyên liệu có nguồn gốc từ thực vật thì quy trình
cơng nghệ gồm hai cơng đoạn: Than hố và hoạt hố than.

Than hố ngun liệu thực vật
Ngun tắc của q trình sản xuất than nguyên liệu thực vật là dùng nhiệt
phân huỷ ngun liệu trong điều kiện khơng có khơng khí. Dưới tác dụng của
nhiệt từ nhiệt độ thường tới 170℃ vật liệu khơ đều; từ 170÷280℃, vật liệu bị
phân huỷ theo những quá trình thu nhiệt, ở đây các hợp chất của ngun liệu bị
biến tính, giải phóng oxit-cacbon, khí cacbonic, axit axetic,… Tiếp theo từ
11


280÷380℃ xảy ra sự phân huỷ phát nhiệt giải phóng methanol, hắc ín,… Q
trình cacbon hố xem như kết thúc ở khoảng 400÷600℃.
Sản phẩm rắn thu được là than với độ chắc giảm đi nhiều so với nguyên
liệu ban đầu, nhưng hình dạng ngồi và cấu trúc dạng sợi thì vẫn giữ được.
Thành phần nguyên tố của than nguyên liệu thực vật ít phụ thuộc thành phần vật
liệu và điều kiện than hoá mà chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ cuối của các q
trình chưng khơ ngun liệu. Khi nhiệt độ than hoá tăng, thành phần cacbon
trong than nguyên liệu thực vật tăng. Ngược lại, nhiệt độ càng tăng hàm lượng
hydro và oxy càng giảm, than thu được càng giàu cacbon do đó q trình này cịn
có tên gọi khác là q trình cacbon hố.
Trong q trình than hố, các nguyên tử cacbon được giải phóng, tập hợp
thành tinh thể cơ bản dạng graphit và than vơ định hình. Tuy nhiên sự sắp xếp
tinh thể trong mạng lưới than khơng hồn tồn đều đặn như trong graphit mà có
những khe, rãnh và những khoảng trống trong than, tổng không gian rỗng được
tạo ra trong than trong quá trình than hố chính là độ xốp sơ cấp của than. Tuy
than đã có độ xốp nhưng chúng lại bị lấp đầy bằng các sản phẩm nhiệt phân như:
hắc ín, methanol, dầu,….. vì vậy khả năng hấp phụ của than bị giảm, dung tích
hấp phụ nhỏ. Cho nên muốn có dung tích hấp phụ lớn cần phải hoạt hố nó để
tạo nên độ xốp thứ cấp cũng là cấu trúc rỗng cuối cùng của than hoạt tính.
Hoạt hố than ngun liệu:
Mục đích của q trình hoạt hố là tiến hành phản ứng chuyển hoá một

phần cacbon bằng các tác nhân oxy hoá thích hợp nhằm giải phóng độ xốp sơ cấp
có sẵn trong cacbon, đồng thời tạo thêm lỗ xốp thứ cấp, làm cho phần vật liệu
cacbon cịn lại có độ xốp cao với bề mặt riêng lớn. Người ta phân quá trình hoạt
hố các vật liệu chứa cacbon thành hai loại hình là hoạt hố hố học hoặc bằng
hơi nước. Có hai phương pháp hoạt hoá được áp dụng trong quá trình này, đó là:
- Phương pháp hoạt hố hố học
- Phương pháp hoạt hoá hoá lý.
a) Phương pháp Hoá học và tác nhân hoạt hố ZnCl2
ZnCl2 là muối vơ cơ được lựa chọn làm tác nhân hoạt hoá bởi đây là chất
khử hydrat hố mạnh, đồng thời chất này cịn bảo vệ cho than không bị cháy.
Do hút ẩm mạnh và tạo muối trong axit, dung dịch ZnCl2 đậm đặc có khả
năng phân huỷ các vật liệu xenlulozo, một số kết quả về việc nghiên cứu sử dụng
ZnCl2 làm tác nhân hoạt hố để chế tạo than hoạt tính.
Vai trị các tác nhân có thể đã làm là thối biến các phân tử xeluloza, bằng
phản ứng khử nước, phản ứng oxy hoá,…. Các tác nhân hoá học đã phá vỡ các
liên kết ngang, làm cho các phân tử xenluloza khử đồng phân hố, thậm chí làm
thay đổi bản chất hố học của xenluloza.
Cơng nghệ chế tạo than hoạt tính theo phương pháp hoạt hoá hoá học gồm
tẩm tác nhân hoạt hố vào ngun liệu sau đó nung ngun liệu đã tẩm bằng lò
12


nung trong điều kiện khơng có khơng khí. Độ đậm đặc của dụng dịch tẩm, tỷ lệ
giữa lượng chất dùng làm tác nhân hoạt hoá đối với nguyên liệu, nhiệt độ nung
và thời gian nung cần được xác định cho thích hợp đối với từng trường hợp một.
Thơng thường hoạt hoá hoá học được thực hiện ở những nhiệt độ 400℃ ÷
1000℃, đối với ZnCl2 thì nhiệt độ tối ưu là 500℃ ÷ 700℃. Tỷ số giữa khối
lượng chất hoạt hố hố học đối với lượng khơ vật liệu được tẩm có ảnh hưởng
lớn lên độ xốp của than thành phẩm. Chính thể tích muối vơ cơ nằm trong vật
liệu bị than hố chính là thể tích lỗ xốp do muối để lại sau khi nó bị hồ tan để

tách đi.
b) Phương pháp hố lý
Q trình hoạt hố hố lý cịn được gọi là hoạt hố “bằng khí”. Về bản
chất, đó là q trình tiến hành phản ứng oxy hố một phần cacbon trong các vật
liệu chứa cacbon bằng các tác nhân oxy hố dạng khí khác nhau như hơi nước,
khí cacbonic, khí oxy,…. Phần cịn lại của vật liệu sẽ là sản phẩm chính của q
trình – cacbon hoạt tính với độ xốp cao và về mặt bên trong phát triển.
Các tác nhân hoạt hoá đã và đang sử dụng phổ thơng trong cơng nghiệp là
hơi nước và khí CO2. Bởi vì, phản ứng giữa cacbon với khí O2 xảy ra nhanh gấp
100 lần so với khí CO2 và gấp 10 lần so với hơi H2O do đó sử dụng khí O2 làm
tác nhân hoạt hố sẽ rất khó khống chế lượng khí O2 cần thiết.
Q trình hoạt hố bằng hơi nước hoặc CO2 được diễn ra thông qua phản
ứng oxy hoá ở nhiệt độ cao (800 – 1000℃). Trong q trình oxy hố, một số
ngun tử cacbon bị đốt cháy thành CO, CO2. Khí này bay đi để lại chỗ trống,
đây chính là cơ chế tạo ra độ xốp.
-

Phản ứng xảy ra khi tác nhân hoạt hoá là CO2: C + CO2 → 2CO↑
Khi tác nhân là hơi nước ( H2O):
C + H2O → CO + H2↑

1.5 Biến tính bề mặt than hoạt tính bằng dung dịch axit, bazơ
Cấu trúc lỗ của than hoạt tính thay đổi được là dựa vào phương pháp than
hoá và hoạt hoá, tuy nhiên phương pháp này khơng làm thay đổi các nhóm chức
bề mặt. Số lượng và các loại nhóm chức bề mặt khác nhau chiếm ưu thế trên bề
mặt phân cực của than hoạt tính, điều này làm ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ
hơi Toluen. Vì vậy cần biến tính bề mặt than hoạt tính bằng q trình oxy để thay
đổi bề mặt than và làm giảm tính ưa nước của than.
Than hoạt tính được biến tính bằng kiềm cho diện tích bề mặt riêng tăng,
ngồi ra cịn làm tăng tính kỵ nước của than thích hợp để hấp phụ hơi Toluen.

Than hoạt tính được biến tính bằng axit làm tăng các nhóm chức bề mặt.

13


1.6 Cấu trúc của đề tài
Đề tài nghiên cứu các nội dung sau:
1. Khảo sát khả năng hấp phụ hơi Toluen trên than hoạt tính ở các nhiệt độ
khác nhau.
2. Xây dựng mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ phù hợp với q trình.
3. Xây dựng mơ hình động học hấp phụ phù hợp với q trình.
4. Nghiên cứu biến tính than hoạt tính bằng dung dịch NaOH; H2SO4 ở các
điều kiện khác nhau.
5. Khảo sát khả năng hấp phụ hơi Toluen ở các nhiệt độ khác nhau trên than
hoạt tính dạng vải
Chương 2: sẽ đề cập đến mơ hình thí nghiệm và quy trình tiến hành thí nghiệm.
Chương 3: sẽ trình bày và khai thác các số liệu thực nghiệm thu được
Chương 4: sẽ đánh giá chung kết quả của đề tài cũng như đưa ra một số phương
hướng để phát triển trong tương lai.

14


CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM
2.1 Thiết bị và hoá chất nghiên cứu
Sơ đồ thiết bị hấp phụ dịng khí N2/Toluen
Sơ đồ thiết bị hấp phụ dịng khí N2/Toluen được lắp đặt như trong Hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm

Chú thích:

1

: Bình sục

2

: Nhiệt kế

3

: Bình đựng đá

4

: Hộp đựng than hoạt tính dạng viên nén

T1

: Cút nối chữ thập

T2;T3

: Cút nối chữ T

V-0; V-1; V-2; V-3; V-4

: Van

Q1; Q2; Q3

: Lưu lượng kế

P-1

: Cột hấp phụ

Quy trình hấp phụ được tiến hành theo tuần tự các bước sau:
Bước 1: Làm sạch hệ thống bằng khí N2 trong khoảng thời gian 60 phút.
-

Đóng van V-0; V-1; V-2; mở van V-3; V-4.
Mở bình khí N2 với áp suất làm việc P = 2(bar).
15


-

Hệ thống được làm sạch bằng khí N2 với lưu lượng Q = 0,2 (l/phút),
được điều chỉnh bằng lưu lượng kế Q3.
Dịng phát thải của q trình này sẽ được hấp phụ ở bình chứa than
hoạt tính dạng viên nén rồi đi ra ngồi mơi trường.

Bước 2: Chuẩn bị cột hấp phụ
Cân 0.2g than dạng hạt đã được nghiền, sau đó tiến hành nhồi than vào cột hấp
phụ.
Bước 3: Sấy vật liệu bằng khí N2 .
Đóng van V-4; mở van V-3. Dịng khí đi vào cột hấp phụ với các thơng số đầu
vào như sau:

-

Lưu lượng khí: Q = 0,2 (l/phút) được điều chỉnh bằng lưu lượng kế Q 3
Áp suất làm việc P = 2 (bar)
Nhiệt độ dịng khí t = 20 (độ C)

Sau khi sấy bằng khí với thời gian là 60 phút ta tiến hành đi cân và ghi lại khối
lượng của cột hấp phụ.
Bước 4: Tạo dòng ổn định N2 chứa Toluen ở các nhiệt độ khác nhau.
Với mục đích tạo dịng ổn định N2 chứa Toluen ở các áp suất hơi bão hoà khác
nhau để nghiên cứu sự thay đổi của hoạt độ hấp phụ q theo Pbh nhằm thiết lập
mối quan hệ q = f(P). Mà áp suất hơi bão hoà và nhiệt độ có mối liên hệ với nhau
thơng qua phương trình Antonie cho nên ta sục khí N2 vào bình chứa Toluen ở
các điều kiện nhiệt độ khác nhau.
-

-

Ta tiến hành sục khí N2 vào bình chứa dung mơi Toluen ngun chất.
Muốn tạo hơi Toluen ở nhiệt độ mà ta mong muốn thì ta điều chỉnh nhiệt
độ thơng qua bình đựng đá (3), và duy trì nhiệt độ đó với sai số là ∆t = ±
2℃(giả thiết rằng: nhiệt độ bình đá bằng nhiệt độ bình sục chứa dung mơi
Toluen).
Đóng van V-3; mở van V-4; điều chỉnh lưu lượng kế Q3 = 0 (l/phút). Tiến
hành mở van V-1; V-2.
Dịng khí N2 đi vào bình sục Toluen, điều chỉnh lưu lượng khí N2 bằng lưu
lượng kế Q2, với mức giá trị là 60(ml/phút). Thời gian sục khí t =
10÷15(phút).

Bước 5: Tiến hành q trình hấp phụ

Dịng khí N2 chứa Toluen được ổn định ta tiến hành q trình hấp phụ trên than
hoạt tính. Cứ 10 phút ta đi cân cột hấp phụ, quá trình diễn ra lặp đi lặp lại cho
đến khi nào khối lượng cột khơng đổi.
Khi tiến hành thí nghiệm ta cần chú ý:
-

Thường xun kiểm tra rị rỉ khí tại các mối nối
Kiểm tra hệ thống van khi vận hành
Kiểm tra lưu lượng kế hoạt động có ổn định khơng?
16


Hình 2.2 Hệ thống hấp phụ tại phịng thí nghiệm

Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
- Cân phân tích 3 số
- Máy khuấy từ
- 2 bình tam giác dung tích 500 ml
- 2 bình định mức dung tích 250 ml
- Cốc có mỏ dung tích: 20ml; 250ml; 500ml
- Bình tia nước cất
- Ống đong có dung tích 100ml
- Phễu lọc Buchner bằng sứ ; bình lọc thuỷ tinh; nhiệt kế thuỷ ngân
Hố chất và ngun liệu
- Than hoạt tính dạng hạt của cơng ty Than hoạt tính Tồn Cầu kích thước
hạt từ 0,5mm đến 1mm.
- Than hoạt tính dạng vải.
- Dung dịch H2SO4 đặc 98%
- Dung dịch NaOH.

17