Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cácbon từ sợi hydrat xenlulo

Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Mở đầu
Hiện nay ở nớc ta, trong qúa trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc, các
ngành sản xuất kinh tế, công nông nghiệp phát triển khá mạnh mẽ. Sự phát triển khá
mạnh mẽ của các ngành sản xuất kinh té đã có nhiều tác động đến môi trờng và dẫn
đến thực trạng môi trờng bị ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng. Do vậy, vấn đề bảo vệ
môi trờng cần phải đợc quan tâm nhiều hơn.
Than hoạt tính do có nhiều u điểm: tốc độ hấp phụ cao, khả năng hấp phụ lớn
và có khả năng tái sinh đã đợc sử dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau
nh: dân sự, quân sự, công nông nghiệp, y tế, bảo hộ lao động. Trong lĩnh vực môi tr-
ờng than hoạt tính cũng đợc sử dụng khá nhiều để xử lý khí thải, nớc thải và cho
nhiều kết quả tốt.
Hiện nay, ngoài hai dạng sử dụng rất phổ biến là than hoạt tính dạng hạt và
than hoạt tính dạng bột, đã có dạng than hoạt tính thứ ba: than hoạt tính dạng sợi
hay thờng gọi là chất hấp phụ sợi cacbon hoạt tính.
Đến cuối thế kỷ thứ 19, trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu chế
tạo, khảo sát cấu trúc, tính chất và nghiên cứu ứng dụng thực tế chất hấp phụ sơi
cacbon hoạt tính (màng sợi cacbon hoạt tính, vải cacbon hoạt tính)
Ngoài các u điểm nh than hoạt tính dạng hạt, dạng bột, than hoạt tính dạng
sợi còn có một số u điểm vợt trội khác: nhẹ, mềm mại, mức độ cản trở dòng khí đi
qua lớp vật liệu nhỏ. Do đó than hoạt tính dạng sợi từ khi xuất hiện đến nay đã đợc
sử dụng khá rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
ở Việt Nam đã có khá nhiều công trình nghiên cứu điều chế và sản xuất,
nghiên cứu cấu trúc, tính chất của than hoạt tính dạng hạt và dạng bột từ các nguồn
nguyên liệu khác nhau: than mỏ, gáo dừa, bã mía, gỗ, mùn ca
Tuy nhiên nội dung nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cacbon hoạt tính
còn rất hạn chế và ít đợc quan tâm.
Do vậy nội dung nghiên cứu là xác lập các điên kiện công nghệ và xây dựng
quy trình điều chế chất hấp phụ sợi cacbon là vấn đề vừa có ý nghĩa khoa học và có
ý nghĩa thực tiễn ở Việt Nam.
Trên cơ sở đó đề tài nghiên cứu của khoá luận đợc xác định là:

Nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cácbon từ sợi Hydrat
xenlulo.
Mục đích của khoá luận: Xây dựng công nghệ chế tạo chất hấp phụ sợi
cacbondùng trong lĩnh vực lọc độc và xử lý môi trờng.
Để đạt đợc mục đích nêu trên, cần giải quyết các vấn đề sau:
1. Nghiên cứu quy trình điều chế chất hấp phụ sợi cacbon.
2. Nghiên cứu ảnh hởng của một số yếu tố hoạt hoá trong qúa trình điều chế .
Lê Xuân Tuấn - K44
1
Kho¸ luËn tèt nghiÖp - Khoa M«i trêng
3. §¸nh gi¸ chÊt lîng chÊt hÊp phô sîi c¸cbon ®· ®iÒu chÕ.
Lª Xu©n TuÊn - K44
2
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Chơng 1
Than hoạt tính và chất hấp phụ
sợi các bon
1.1.Than hoạt tính, cấu trúc và tính chất.
1.1.1.Giới thiệu chung.
Các nguyên liệu chứa cácbon đợc chế biến một cách đặc biệt nhằm loại các
chất có nhựa và tạo ra các độ xốp trong chúng đợc gọi là than hoạt tính. Than hoạt
tính có các thành phần chủ yếu là cacbon (85 95%), phần còn lại(5-15%) là các
tạp chất vô cơ không hoạt động về bề mặt hấp phụ.[1,2,7,10]
Than hoạt tính đợc điều chế từ các vật liệu khi đốt cháy cho ta cacbon. Do
vậy, nguồn nguyên vật liệu để sản xuất than hoạt tính khá phong phú nh các nguyên
liệucó nguồn gốc từ thực vật: các loại cây, hạt các loại quả, sọ dừa, mạt ca; có nguồn
gốc từ than mỏ: than antraxít, than bùn, than nâu, than cốc, than bán cốc; hoặc từ
các hợp chất vô cơ: monome, lignin, dầu mỏ, [2,7,10].
Than hoạt tính đợc phát hiện vào cuối thế kỷ 18. Từ đó cho đến nay, trên thế
giới có nhiều công trình nghiên cứu điều chế, cấu trúc, tính chất và lĩnh vực ứng

dụng của than hoạt tính.[1,7,10]
ở Việt Nam, việc điều chế sản xuất và ứng dụng than hoạt tính đợc quan tâm
nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ 20. Trong lĩnh vực này, cơ quan nghiên cứu
đầu tiên là Viện Hóa học quân sự với các sản phẩm than hoạt tính đợc điều chế từ
nhiều nguyên liệu khác nhau nh bã mía, mùn ca, than antraxít, gáo dừa,
xenlulô[2,7]. Tiếp đó là các cơ quan khác: Viện Hóa Học Công Nghiệp, Trung tâm
nghiên cứu sản xuất than hoạt tính trờng đại học Bách khoa Hà Nội.[10]
Ban đầu việc nghiên cứu và sản xuất chỉ ở mức độ nhỏ chủ yếu là phục vụ
nhu cầu chuyên ngành riêng. Song cho đến nay, khi nhu cầu về than hoạt tính ngày
càng nhiều thì việc nghiên cứu điều chế và sản xuất than hoạt tính không ngừng phát
triển với những qui mô lớn hơn nhằm đáp ứng đợc những nhu cầu thiết yếu của xã
hội [1]. Cho đến nay, than hoạt tính đã đợc sử dụng trong hầu khắp mọi lĩnh vực:
khoa học, quân sự, sản xuất, đời sống, y tế, xử lý môi trờng,
Hiện nay than hoạt tính đợc sử dụng ở ba dạng: than hoạt tính dạng hạt, than
hoạt tính dạng bột và than hoạt tính dạng sợi. Về chủng loại, có một số loại than
hoạt tính sau: thanlọc hơi, khí; than lọc nớc; than tẩy màu; than trao đổi ion[10];
than làm nền để tẩm xúc tác, phụ gia [4,5,6]
1.1.2.Cấu trúc than hoạt tính.
a.Cấu trúc tinh thể.
Theo các nghiên cứu Rơnghen[8,10,16,17,19] thì than hoạt tính gồm các vi
tinh thể cacbon. Các vi tinh thể này đợc cấu tạo từ các vùng cacbon sáu cạnh sắp xếp
Lê Xuân Tuấn - K44
3
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
tạo thành các lớp mạng. Tuy nhiên, so với cấu trúc mạng lới tinh thể của graphide
thì các vòng cacbon 6 cạnh trong than hoạt tính sắp xếp mất trật tự hơn.
b.Cấu trúc xốp.
Theo Dubinin và các cộng sự [2,7,10,15] , than hoạt tính là các chất hấp phụ
xốp và có diện tích bề mặt trong phát triển khá cao từ 600 900m
2

/g. Do vậy, than
hoạt tính có khả năng hấp phụ tơng đối cao.
Hệ lỗ xốp trong than hoạt tính có những kích thớc khác nhau, vì vậy có khả
năng và cơ chế hấp phụ xảy ra trong các lỗ xốp cũng khác nhau. Dựa vào những sự
khác nhau đó, ngời ta phân loại hệ các lỗ xốp trong than hoạt tính nh sau[2,7,10]:
Lỗ nhỏ với bán kính r< 6-7A
Lỗ bán nhỏ 6-7 < r < 15-16A
Lỗ trung 15-16 < r < 1000-2000A
Lỗ lớn r > 1000-2000A
Lỗ nhỏ của than hoạt tính đóng vai trò chủ yếu trong hấp phụ vật lý, thể tích
lỗ nhỏ khoảng 0.2-0.3 cm
3
/g. Sự hấp phụ trong lỗ nhỏ diễn ra theo cơ chế lấp đầy thể
tích không gian chất hấp phụ.
Lỗ bán nhỏ là dạng chuyển tiếp giữa lỗ nhỏ và lỗ trung. Lỗ bán nhỏ có sự
giảm dần đặc trng của lỗ nhỏ đồng thời tăng dần các tính chất riêng của lỗ trung.
Lỗ trung có thể tích lỗ từ 0.05-0.15cm
3
/g, diện tích bề mặt riêng từ 20-
50m
2
/g. Trên bề mặt lỗ chung xảy ra sự hấp phụ đơn là đa phân tử, kết thúc khi thể
tích lỗ đợc lấp đầy theo cơ chế ngng tụ mao quản.
Lỗ lớn có thể tích lỗ từ 0.2-0.5cm
3
/g, diện tích bề mặt riêng từ 0.2-2m
2
/g. Do
r > 1000-2000A, cho nên trong các lỗ lớn tốc độ hấp phụ vô cùng nhỏ. Vì vậy, các
lỗ lớn không có khả năng hấp phụ.

Than hoạt tính có cấu trúc lỗ phân nhánh. Trong đó, lỗ nhỏ là nhánh của lỗ
trung và lỗ trung là nhánh của lỗ lớn. Lỗ lớn và lỗ trung giữ vai trò là các động mạch
vận chuyển chất trong quá trình hấp phụ. Ngoài ra, chúng cũng là nền để tẩm các
chất phụ gia lên than hoạt tính [10].
c. Cấu trúc bề mặt.
Theo các nghiên cứu cấu trúc Rơnghen [2,10,19], kết hợp với các kết quả
phân tích nguyên tố than hoạt tính đã khử cho thấy trong than hoạt tính chứa ôxi. Sự
có mặt của ôxi trong than hoạt tính đợc xác định là do ôxi liên kết hóa học với các
nguyên tố cacbon của than hoạt tính tạo ra các phức chất ôxi-cacbon trên than hoạt
tính. Các phức chất ôxi-cacbon đợc gọi là các hợp chất bề mặt.
Theo các nghiên cứu bề mặt than hoạt tính [2,10], khi hấp phụ hóa học ôxi ở
nhiệt độ thờng, trên bề mặt than hoạt tính tạo thành các ôxít bề mặt mang tính chất
bazơ. Do sự hydrat hóa sẽ tao thành các nhóm hyđrôxít bề mặt OH. Các ôxít bề
Lê Xuân Tuấn - K44
4
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
mặt có tính axít đợc tạo thành do sự hấp phụ hóa học ôxi trên than hoạt tính ở nhiệt
độ cao hơn(300-450C). Khi hydrat hóa sẽ tạo thành các nhóm cacbonyl bề mặt-
COOH.
Các ôxít bề mặt mang tính axít tạo cho bề mặt than hoạt tính có tính a nớc
biểu hiện ở độ hấp phụ hơi nớc cao ngay ở P/Ps nhỏ.
Các nghiên cứu với sự ôxi hóa than hoạt tính cho thấy: khi mức độ ôxi hóa
tăng, hàm lợng các nhóm OH, - COOH đều tăng, tính axít của bề mặt than hoạt
tính tăng theo mức dộ ôxi hóa. Mặt khác, trên bề mặt than hoạt tính còn chứa các
nhóm chức kiểu phenol. Lăcton, quinon,
Các nghiên cứu về nhiệt hấp phụ [2,10] chỉ ra rằng: trên than hoạt tính, khi
độ hấp phụ nhỏ, nhiệt hấp phụ lớn, khi độ hấp phụ tăng, nhiệt hấp phụ giảm dần và
không đổi. Điều đó chứng tỏ bề mặt than hoạt tính là không đồng nhất về mặt năng
lợng.kết quả này có thể đợc giải thích là do than hoạt tính có chứa các lỗ xốp có
kích thớc khác nhau và trên than hoạt tính còn chứa các tâm hấp phụ nhóm chc bề

mặt
1.1.3.Các qui luật hấp phụ trên than hoạt tính.
Thuyết hấp phụ BET.
Brunauer - Emmer -Taylor (BET) đã đa ra học thuyết của họ dựa vào các giả
thiết sau [7,11,16,19]:
Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về mặt năng lợng và sự hấp phụ xảy ra đơn
lớp.
Phân tử chất bị hấp phụ và chất hấp phụ chỉ tơng tác với nhau ở lớp thứ nhât,
còn ở các lớp sau đợc hình thành nhờ lực phân tử của chất bị hấp phụ giữa các lớp
với nhau.
Sự hấp phụ bao giờ cũng tiến tới trạng thái cân bằng hấp phụ.
Lê Xuân Tuấn - K44
5
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Phơng trình BET có dạng:

Trong đó:
a-Lợng chất bị hấp phụ ở áp suất tơng đối P/Ps.
a
m
- Lợng chất bị hấp phụ khi bề mặt than bị phủ một lớp đơn phân tử.
p - áp suất cân bằng của hơi chất bị hấp phụ ở nhiệt độ T.
Ps- áp suất hơi bão hoà của chất bị hấp phụ ở nhiệt độ T.
Trong đó:
C - hằng số hấp phụ, phụ thuộc nhiệt vi phân hấp phụ q và nhiệt
ngng tụ :
R- hằng số khí
T- nhiệt độ tuyệt đối
Phơng trình BET có thể chuyển về phơng trình dạng đờng thẳng nh sau:
Ca

hC
Caha
h
mm
)1(1
)1(

+=

(1.3)
(h - áp suất hơi tơng đối P/Ps)
Dạng đờng thẳng của phơng trình BET chỉ đúng trong khoảng giá trị
0.05<P/Ps<0.35 và thờng đợc dùng tính bề mặt riêng của chất hấp phụ[7,10,11].
Theo thuyết này thì nhờ các trung tâm hấp phụ và lực liên kết giữa các phân
tử chất bị hấp phụ với nhau mà số lớp hấp phụ có thể là vô hạn, song trong thực tế,
bề mặt chất hấp phụ không đồng nhất về mặt năng lợng. Đó là những hạn chế của
thuyết BET[7,10,].
b.Thuyết ngng tụ mao quản Thomson Kelvil.
ở P/P
s
tơng đối cao, sự hấp phụ xảy ra theo cơ chế ngng tụ mao quản trong
các lỗ trung, lỗ hấp phụ trên thành lỗ dày lên, chạm vào nhau và khép kín lại thành
một mặt khum lõm của chất lỏng bị hấp phụ.
Để mô tả sự ngng tụ mao quản va bay hơi mao quản từ lỗ trung chất hấp phụ,
ngời ta thờng dùng là phơng trình Kelvil:
p =
]

cos 2
exp[

rTR
V
P
s


(1.4)
Trong đó:
p-áp suất cân bằng trên mặt khung lõm mao quản.
Lê Xuân Tuấn - K44
6
( )






+







=
ss
s
m

P
P
.1C1
p
p
1
P
P
.Ca
a
(
)
TR
q
C
.
.exp


=
(1.1)
(1.2)
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Ps- áp suất hơi bão hòa của chất bị hấp phụ
r- bán kính mao quản.
- sức căng bề mặt
- góc thấm ớt giữa chất bị hấp phụ và chất hấp phụ.
Dấu ( -) chứng tỏ áp suất hơi bão hòa của chất lỏng trên bề mặt lõm luôn nhỏ
hơn áp suất hơi bão hòa của chất lỏng trên bề mặt phẳng. Nh vậy, r càng bé thì sự
giảm áp suất hơi càng lớn. Do đó, trong những mao quản chật hẹp, sự ngng tụ sẽ xẩy

ra ở áp suất thấp hơn nhiều so với áp suất hơi bão hòa[7,10].
Do có sự ngng tụ ở vùng P/Ps cao, đờng hấp phụ đẳng nhiệt vẫn tăng. Điểm
đặc trng của ngng tụ mao quản là có vòng bất đồng hoặc vòng trễ(histeresit) trên các
đờng đẳng nhiệt hấp phụ, hiện tợng trễ biểu hiện ở chỗ: đối với cùng một lợng chất
hấp phụ, áp suất cân bằng của nhánh hấp phụ lớn hơn so với nhánh giải hấp phụ hiện
tợng trễ có thể đợc giải thích theo cơ chế quá trình; Nhánh hấp phụ là do hấp phụ đa
phân tử và ngng tụ mao quản, còn nhánh giải hấp phụ biểu thị bằng bay hơi mao
quản[10].
1.2 Điều chế than hoạt tính.
1.2.1.Điều chế than hoạt tính dạng hạt, dạng bột.
Để chế tạo than hoạt tính dạng hạt, dạng bột , cần phải thực hiện theo qui
trình sau[2]:
* Điều chế than hoạt tính dạng bột(ví dụ trờng hợp tẩy màu)
- Xử lý nguyên liệu
- Tạo mảnh
- Than hóa
- Hoạt hóa
- Nghiền mịn
_ KCS và bao gói.
* Điều chế than hoạt tính dạng hạt tự nhiên( ví dụ trờng hợp gáo dừa)
- Xử lý nguyên liệu
- Tạo mảnh, sàng chọn hạt
- Than hóa
- Hoạt hóa
- KCS và bao gói.
* Điều chế than hoạt tính dạng hạt ép viên hình trụ.
- Xử lý nguyên liệu
- Nghiền mịn, sàng
- Trộn với chất kết dính.
- ép tạo hạt

- Than hóa
Lê Xuân Tuấn - K44
7
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
- Hoạt hóa
- KCS và bao gói.
* Nguyên liệu đầu:
Nguyên liệu dùng điều chế than hoạt tính khá phong phú, đó là hầu hết các
loại thực vật, các hợp chất hữu cơ và các loại than mỏ. Nói chung các nguyên liệu
khi đốt cháy tạo ra cacbon có thể dùng làm nguyên liệu để điều chế than hoạt tính.
Những hợp chất hữu cơ dùng để điều chế than hoạt tính thờng là các chất phế thải
của công nghiệp pôlyme, giấy, dầu khí, gỗ, [4,5] những chất thờng làm ô nhiễm
môi trờng.
Có thể phân loại các nguyên liệu dùng điều chế than hoạt tính nh sau[2,7,10]
- Nguyên liệu có nguồn gốc động vật: xơng, da, lông,
- Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật: các loại cây, hạt các loại quả, gáo dừa,
mùn ca,
- Nguyên liệu có nguồn gốc mỏ: than non, than bùn, than antraxít, than nâu.
- Nguyên liệu có nguồn gốc từ hợp chất hữu cơ: hợp chất pôlyme lignin, sản
phẩm dầu mỏ,
* Xử lý nguyên liệu:
Có thể thấy nguyên liệu dùng để điều chế than hoạt tính rất đa
dạng, mỗi loại có một cách xử lý khác nhau nhng để điều chế than hoạt tính ép viên,
việc xử lý nguyên liệu tuân theo bớc sau [ 2]:
- Làm sạch: nhằm loại bỏ các chất vô cơ. Các tạp chất này làm cho độ tro của
sản phẩm tăng lên và làm giảm khả năng hấp phụ.
* Nghiền, sàng, trộn, ép tạo hạt.
- Nghiền, sàng nguyên liệu: nhằm thu đợc bột nguyên liệu có độ mịn nhất
định phù hợp cho việc thực hiện bớc ép tạo hạt.
- Trộn: bột nguyên liệu đợc trộn với chất kết dính theo tỷ lệ nhất định bằng

máy trộn nhằm tạo ra một hỗn hợp đồng nhất.
- ép, tạo hạt: hỗn hợp đồng nhất sau bớc trộn ép tạo hạt hình trụ có đờng kính
theo yêu cầu bằng máy ép thủy lực.
* Than hóa.
Than hóa là quá trình loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhẹ có thể bay hơi, có mặt
trong nguyên liệu nhằm mục đích thu nhận cacbon. Đây là quá trình đốt cháy không
hoàn toàn nguyên liệu. Các hợpc chất hữu cơ phân hủy dới tác dụng của nhiệt và tạo
ra cacbon.
Quá trình than hóa có thể chia thành 2 bớc: tách nớc khỏi nguyên liệu và đốt
cháy nguyên liệu, vì vậy quá trình này sinh ra nhiều khói ( hơi H
2
O và một số hợp
chất hữu cơ) [ 12,14]
Quá trình than hóa đợc thực hiện trong lò quay với chế độ than hóa( nhiệt độ
và thời gian) phụ thuộc vào nguyên liệu đó.
Lê Xuân Tuấn - K44
8
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
* Hoạt hóa.
Hoạt hóa là quá trình quan trọng nhất trong quá trình điều chế than hoạt tính.
Nó trực tiếp ảnh hởng và quyết định chất lợng sản phẩm. Bản chất của quá trình hoạt hóa
là quá trình phản ứng hoá học giữa cacbon với tác nhân hoạt hóa [14,17] . Các phân tử
của tác nhân hoạt hóa phản ứng với phân tử cacbon trên bề mặt và trong mạng lới tinh
thể. Kết quả của quá trình phản ứng này là tạo ra hệ thống lỗ xốp bên trong thể tích
than và các trung tâm hoạt động trên bề mặt than [2,7,13,14,17 ].
Phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình hoạt hóa xảy ra ở nhiệt độ cao và
mang tính không hoàn toàn vì vậy quá trình này phải thực hiện trong lò quay có khả
năng chịu nhiệt tốt. Tuỳ thuộc vào nguyên liệu đầu và tác nhân hoạt hóa mà có chế
độ hoạt hóa phù hợp.
Do quá trình hoạt hóa có bản chât là phản ứng hóa học không hoàn toàn xảy

ra giữa các tác nhân hoạt hóa với cacbon nên vai trò của tác nhân hoạt hoá là rất
quan trọng chính vì vậy mà tuỳ thuộc vào tác nhân hoạt hóa, ngời ta chia thành 2 ph-
ơng pháp hoạt hóa chính: phơng pháp hóa học và phơng pháp vật lý(sẽ đợc trình bày
cụ thể ở phần dới).
* KCS và bao gói.
KCS và bao gói là những bớc không trực tiếp ảnh hởng đến quá trình điều
chế và chất lợng than hoạt tính, tuy nhiên chúng có ảnh hởng gián tiếp quan trọng
đến sản phẩm than hoạt tính. Đây là quá trình định hớng ứng đụng và bảo quản sản
phẩm.
1.2.2. Các phơng pháp hoạt hóa.
Kể từ khi than hoạt tính đợc phát hiện cho tới nay, đã có nhiều công trình
nghiên cứu phơng pháp điều chế cũng nh khả năng ứng dụng của nó. Do vậy, để có
đợc sản phẩm than hoạt tính có thể sử dụng nhiều phơng pháp hoạt hóa khác nhau.
Tuy nhiên các phơng pháp khác nhau đó đều thuộc 2 phơng pháp chính sau đây:
a-Phơng pháp hóa học
Phơng pháp hóa học là phơng pháp đầu tiên đợc sử dụng để điều chế than
hoạt tính. Bản chất của nó là sử dụng các chất hoạt hoá là các hóa chất nh muối, axít
vô cơ để bào mòn bề mặt và mạng lới tinh thể cacbon [2]. Để đa các chất hoạt hóa
vào than, ta dùng 2 phơng pháp:
+ Trộn bột than với chất hoạt hóa rồi ép hạt sau đó gia nhiệt.
+ Ngâm bột than vào dung dịch bão hoà của các chất tren sau đó lọc bỏ dung
dịch, làm khô và nhiệt phân. Dùng nớc rửa sạch các chất, sấy lại. Quá trình nhiệt
phân của phơng pháp hóa học thờng đợc tiến hành ở nhiệt độ 600-800C, nó tạo
điều kiện cho các tác nhân hoạt hóa bào mòn mạng lới tinh thể cacbon. Sau khi nhiệt
phân thờng phải thu hồi các chất vô cơ còn thừa trong quá trình hoạt hóa. Vì vậy,
Lê Xuân Tuấn - K44
9
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
nhợc điểm của phơng pháp hóa học là gây ăn mòn thiết bị, tính kinh tế thấp, ngày
nay ít đợc sử dụng[2].

b-Phơng pháp vật lý(phơng pháp khí hơi )
Phơng pháp vật lý đợc phát hiện muộn hơn phơng pháp hóa học. Song do
năng suất cao, kinh tế, thiết bị ít bị ăn mòn nên nó là phơng pháp đợc sử dụng rộng
rãi nhất hiện nay.
Trong phơng pháp vật lý, tác nhân hoạt hoá thờng đợc sử dụng là các khí, hơi
H
2
O, ôxi không khí, CO
2
, Phản ứng hoạt hóa là phản ứng thu nhiệt vì vậy phải
cung cấp nhiệt liên tục cho thiết bị hoạt hóa[1,7].
Một số tác nhân hoạt hóa vật lý phổ biến:
+ Hoạt hóa bằng hơi nớc:
ở nhiệt độ tC 750C, hơi nớc có tính ôxi hóa và bắt đầu tác dụng với
cacbon. Phản ứng hoạt hóa xảy ra:
C
n
+ H
2
O C
n

1
+ CO + H
2
Q (Q = 31000cal/mol)
Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao nên khó khảo sát, muốn khảo sát phản
ứng phải phân tích hỗn hợp khí sinh ra:
C + H
2

O CO

+ H
2
CO + C(O) CO
2
+ C
2 sản phẩm khí sinh ra là CO và H
2
ức chế phản ứng hoạt hóa. 2 chất này hấp
phụ lên bề mặt than che lấp các trung tâm hoạt động. Ngợc lại, CO
2
là chất xúc tác
cho phản ứng[2].
Ngoài ra, còn một phản ứng phụ xảy ra đồng thời mà bề mặt than làm xúc
tác:
C + H
2
O CO
2
+ H
2
+ 10Kcal/mol
+ Hoạt hóa bằng khí CO
2
:
ở nhiệt độ cao CO
2
có tính ôxi hóa, nó ôxi hóa C ở nhiệt độ t(C) > 750C.
C

n
+ CO
2
C
n-1
+ CO
Phản ứng trên bị ức chế bởi ôxít cacbon theo cơ chế
A: CO
2
+ C CO + C(O)
CO C(O)
CO + C C(CO)
B: C + CO
2
CO + C(O)
C(O) CO
CO
2
hấp phụ lên các trung tâm hoạt động. Vì vậy, làm giảm tốc độ phản ứng.
Lê Xuân Tuấn - K44
10
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Hoạt hóa bằng hơi nớc và CO
2
đòi hỏi phải cung cấp nhiệt liên tục vì nó là
các phản ứng thu nhiệt.
+ Hoạt hóa bằng ôxi không khí:
Phản ứng hoạt hóa là phản ứng phát nhiệt nhng cần phải cung cấp nhiệt ban
đầu. Bề mặt than thờng tạo thành một số nhóm chức điều này tạo điều kiện thuận lợi
cho điều chế than ôxi hóa. Sản phẩm than hoạt tính có nhiều lỗ lớn và lỗ chung nên

dùng tẩy màu và trao đổi iôn[1,7].
Quá trình hoạt hóa có thể biểu diễn bằng phơng trình:
C
n
+ O
2
CO + C
n-1
+ Q (phản ứng thiếu ôxi)
C
n
+ O
2
CO
2
+ C
n-1
+ Q (phản ứng d ôxi)
Ngoài ra nhiệt độ hoạt hóa cũng ảnh hởng đến cơ chế phản ứng:
C
n
+ O
2
2CO + C
n-1
(t = 800-900C)
C
n
+ O
2

CO
2
+ C
n-2
( t < 600 C)
1.2.3 Điều chế than hoạt tính dạng sợi (chất hấp phụ sợi cacbon)
Về một nguyên tắc quá trình điều chế than hoạt tính dạng sợi cũng tơng tự
quá trình điều chế than hoạt tính dạng bột hay dạng hạt. Nguồn nguyên liệu để sản
xuất chất hấp phụ sợi cac bon cũng rất phong phú. Các vật liệu có nguồn gốc hữu cơ
hoặc vô cơ, nhân tạo và tự nhiên để ở dạng sợi hoặc có thể kéo đợc thành sợi đều có
thể dùng làm nguyên liệu chế tạo sợi cac bon (nhựa than đá, nhựa phenol, vật liệu
trên cơ sở xenlulô, sợi polyacynônitril, polyvinylcolrua, polyvinylalcol )
Hiện nay để chế tạo than hoạt tính dạng sợi ngời ta thờng thực hịên theo hai
quy trình sau:
*Phơng pháp điều chế không tẩm hoá chất.
- Xử lý nguyên liệu
- Than hoá
- Hoạt hoá
- KCS và bao gói
*Phơng pháp điều chế có tẩm hoá chất
- Xử lý nguyên liệu
- Tẩm hoá chất
- Sấy khô
- Than hoá
- Hoạt hoá
- KCS và bao gói
Lê Xuân Tuấn - K44
11
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Hoá chất dùng tẩm lên sợi ban đầu bao gồm các mối của một số kim loại: Zn,

Ca, Fe, Al, và một số hợp chất chứa ni tơ, phốt pho[17,18,19]. Việc tẩm hoá chất
lên sợi có tác dụng làm giảm nhiệt độ than hoá, tăng tốc độ quá trình than hoá và
hoạt hoá cũng nh tạo sản phẩm có chất lợng tốt hơn khi so với sợi ban đầu không
tẩm. Quá trình than hoá thờng đợc thực hiện ở nhiệt độ 230
0
C - 350
0
C trong môi tr-
ờng khí trơ, CO
2
hoặc không khí. Hoạt hoá thờng thực hiện ở t
0
= 700 - 900
0
C với
tác nhân hoạt hoá là H
2
O, khí CO
2
hoặc hỗn hợp của chúng.
Nh phần trên đã nói, vấn đề nghiên cứu điều chế chất hấp phụ sợi cac bon ở
Việt Nam còn ít đợc quan tâm. Vì vậy việc nghiên cứu xác lập các điều kiện công
nghệ của quy trình điều chế chất hấp phụ sợi cac bon là cần thiết .
Trên cơ sở đó phạm vi nghiên cứu của khoá luận này sẽ là: nghiên cứu ảnh h-
ởng của một số yếu tố hoạt hoá trong quá trình điều chế và xác lập quy trình điều
chế chất hấp phụ sợi các bon.
1.3 Tính chất và lĩnh vực ứng dụng.
Than hoạt tính có khả năng tẩy mà, làm trong, hấp phụ khí, trao đổi iôn và
làm nền xúc tác.
Từ tính chất đó mà hiện nay than hoạt tính đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

với mục đích khác nhau. Tuy nhiên, tuỳ thuộc vào từng loại mà phạm vi và hiệu quả
ứng dụng của nó có phần khác nhau.
Trong lĩnh vực quân sự, than hoạt tính dùng làm vật liệu lọc độc trong các
mặt nạ phòng độc[2,10].
Trong ngành công nghiệp mía đờng thì than hoạt tính lại đợc sử dụng làm vật
liệu tẩy màu[2]. Còn trong lĩnh vực xử lý môi trờng, than hoạt tính dùng để hấp phụ
hơi, khí độc (trong xử lý khí) và hấp phụ các chất hữu cơ trong việc làm sạch nguồn
nớc[1,7].
Ngoài ra, than hoạt tính còn đợc ứng dụng trong nhiều nghành khác: công
nghệ thực phẩm, công nghệ dầu khí, y tế,
chơng 2.
Đối tợng và phơng pháp nghiên cứu.
2.1. Đối tợng nghiên cứu.
Với mục đích tạo ra và đa vào ứng dụng một dạng sử dụng mới của than hoạt
tính( than hoạt tính dạng sợi), đồng thời muốn tận dụng nguyên liệu có nguồn gốc từ
thực vật nh: gỗ, than đá, than bùn và vỏ quả, ở Việt Nam và phát huy u thế hấp
phụ của sợi cacbon hoạt tính, đối tợng nghiên cứu của khóa luận là: Nghiên cứu
điều chế chất hấp phụ sợi cacbon từ sợi hydrat xenlulo.
2.2.Phơng pháp nghiên cứu.
2.2.1.Phơng pháp xác định khối lợng riêng biểu kiến
Lê Xuân Tuấn - K44
12
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Khối lợng riêng biểu kiến của than xác định bằng phơng pháp nạp Hg[6]
2.2.2.Phơng pháp xác định khối lợng riêng thực
Khối lợng riêng thực d của than đợc xác định bằng phơng pháp nạp C
6
H
6
[6]

2.2.3.Phơng pháp xác định tổng thể tích lỗ.
Tổng thể tích lỗ V của than đợc tính theo công thức
)/(
11
3
gcm
d
V


=
(1.5) [2,4]
Trong đó: là tỉ trọng biểu kiến.
d là tỉ trọng thực
Tổng thể tích lỗ đặc trng cho độ xốp của than hoạt tính
2.2.4. Phơng pháp xác định các thông số cấu trúc xốp và khả năng hấp phụ
vật lý với hơi nớc, với hơi C
6
H
6
trên thiết bị đo hấp phụ bề mặt và cân hấp phụ
Mc-Bell.
Khả năng hấp phụ của than hoạt tính đợc xác định theo phơng pháp
Rubinstein trên cân hấp phụ Mc-Bell với lò xo thạch anh ( hình 1) [2,7,10,17]
Độ hấp phụ- giải hấp phụ của than hoạt tính ở các giá trị áp suất hơi tơng dối
tơng ứng đợc xác định thông qua độ co dãn của lò xo thạch anh có treo giỏ mẫu. Độ
co dãn của lò xo đợc xác định bằng thiết bị quang học có độ chính xác 0.01mm.
Lê Xuân Tuấn - K44
13
nitơ

6
8
9
7
n ớc
3
5
4
1
0
n
ớc
kk
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
1-Bộ làm khô, sạch dòng khí 6-Buồng hỗn hợp
2-Lu lợng kế V
2
7-Buồng hấp phụ
3-Lu lợng kế V
1
8-Lò xo thạch anh
4-Bình bay hơi chứa C
6
H
6
9-Giỏ đựng mẫu
5-Hằng nhiệt 10-Máy đo độ co-dãn lò xo
* Xác định các thông số cấu trúc xốp:
- Dựng đờng hấp phụ giải hấp đẳng nhiệt a = f(P/Ps) (Hình2)
- Thể tích các loại lỗ trong than hoạt tính đợc tính nh sau:

+ Thể tích lỗ nhỏ: V
n
= a
o
.V (cm
3
/g) (1.6)
+ Thê tích lỗ trung: V
t
= (a
s
a
o
)V (cm
3
/g) (1.7)
+ Thể tích lỗ lớn: V
l
= V (V
n
V
t
) (cm
3
/g)\ (1.8)
Trong đó: a
o
- độ hấp phụ ứng với điểm bắt đầu vòng trễ
a
s

- độ hấp phụ ứng với điểm cuối vòng trễ
v- thể tích 1mmol chất bị hấp phụ
V- tổng thể tích lỗ
*Xác định bề mặt riêng:
Dựng đồ thị đờng thẳng BET(Hình 3)
Từ đồ thị ta tính đợc:
+ Độ hấp phụ đơn phân tử: a
m
(mmol/g)

tgOA
a
m
+
=
1
(1.9)
+ Diện tích bề mặt riêng: S = a
m
. N. W
o
(m
2
/g) (2.0)
Trong đó:
N-số Avôgađrô (= 6.023.10
23
phân tử/mol)
W
o

- diện tích của một phân tử chất bị hấp phụ (với C
6
H
6
trên than hoạt tính thì W
o
= 40.10
-20
m
2
/ phân tử.
Lê Xuân Tuấn - K44
14
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Chơng 3
Kết quả và thảo luận
3.1. Khảo sát quá trình than hoá
Khảo sát quá trình than hoá có các bớc sau:
- Nguyên liệu đầu vào
- Loại tạp chất
- Xử lý nguyên liệu
- Than hoá
* Nguyên liệu đầu vào:
Nguyên liệu dùng để chế tạo sợi cacbon nh: than đá, dầu mỏ, nhựa phenol,
lignhin, vật liệu trên cơ sở xellulo, sợi poly acrynotril, polyvinyl clorua,
Thông số kỹ thuật sợi hydrat xellulo:
- Bán kính sợi 120D/30F
- Độ bền dai khi khô tối thiểu 1,42Cn/dTEX
- Độ bền dai khi ẩm tối thiểu 0,62Cn/dTEX
- Độ dãn khi khô %: 15,5% - 26%

- Độ xoắn vặn: tối đa 19%
- Mầu đồng nhất: mầu sáng
- Hàm lợng dầu: 0,8 - 15%
- Số sợi chênh lệch tối đa: 3%
- Lu huỳnh còn lại: 14g/100g sợi
- Sự ô nhiễm không đáng kể
Từ sợi hydrat xellulo: xe 20 sợi đơn với vòng xoắn 140 vòng/m. Vải đợc dệt
thành tấm với mật độ sợi: chiều dọc 200sợi/10cm, chiều ngang 100sợi/10cm.
* Làm sạch nguyên liệu:
- Vấn đề giặt sạch, loại chất bẩn bằng cách sau: đung nớc sôi sau đó, thả vải
vào chậu nớc lớn để nhiệt độ hạ xuống t
0
C = 60 - 70
0
C, tiếp theo bỏ xà phòng vào
khuấy đều, ngâm vải trong nớc xà phòng với thời gian 1 giờ. Sau đó rũ vải sạch xà
phòng (không vò tránh xô sợi vải) và đem phơi khô.
- Tấm vải đợc cắt thành nhiều mảnh để thí nghiệm.
- Các mẫu vải đợc sấy khô trong tủ sấy ở 110
0
C trong 3 giờ. Và cân khối lợng
mẫu.
- Vải mẫu đợc tẩm trong hỗn hợp chứa nitơ, phốtpho (CO(NH
2
)
2
,
(NH
4
)

2
HPO
4
). Với thời gian 20 phút ở nhiệt độ t
0
C = 65
0

Bảng 1:
STT
Khối lợng
mẫu sau
sấy khô
Khối lợng
mẫu sau tẩm,
sấy
% khối lợng
mẫu tăng sau
tẩm, sấy
Khối lợng
mẫu sau
than hoá
% hao hụt
khối lợng sau
than hoá
1 17,690 20,550 13,92 10,580 40,20
Lê Xuân Tuấn - K44
15
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
2 17,104 19,594 12,71 9,480 44,57

3 17,492 19,820 11,75 9,696 44,85
4 18,034 20,382 11,52 9,847 45,39
5 18,037 20,693 12,84 9,796 45,69
Sau đó vớt mẫu ra, để ráo nớc, dùng con lăn ống nhựa, để vắt nớc d và đa
mẫu vải vào trong tủ sấy ở 120
0
C với thời gian 3 giờ. Sau đó lấy mẫu ra cân khối l-
ợng.
Từ bảng 1 nhận thấy: sau quá trình tẩm sấy khối lợng mẫu trung bình thay
đổi: 12,58%.
* Than hoá:
- Trớc hết dùng tay tách nhẹ trên mặt vải, để tách các sợi bột (hỗn hợp chất
hữu cơ có cha nitơ, phốtpho) dính kết sau tẩm.
- Cuộn mẫu vải vào ống chì, buộc dây thép cố định sau đó lắp đặt vào ống lò
quay nằm ngang SRJK - 5 - 9S (Trung Quốc).
- Tốc độ gia nhiệt 7
0
C/phút.
- Thổi khí trơ tốc độ 2,5 lít/phút N
2
.
- Vòng quay của lò là 10 vòng/phút.
- Than hoá ở 230
0
C với thời gian là 4 giờ. Khi hết khói trắng từ trong lò bay
ra. Để nguội và cân khối lợng than thu đợc.
Dựa trên kết quả bảng 1: cho thấy khối lợng mẫu hao hụt sau than hoá là rất
cao. Chứng tỏ hàm lợng cac bon có trong sợi hydrat xellulo tơng đối lớn điều đó
thuận lợi cho việc điều chế mẫu nghiên cứu.
3.2. Nghiên cứu ảnh hởng của một số yếu tố trong quá trình trình hoạt

hoá.
Trong quá trình điều chế than hoạt tính, hoạt hoá là quá trình quan trọng
nhất, nó ảnh hởng và quyết định chủ yếu đến chất lợng than hoạt tính thu đợc. Trong
quá trình này, có rất nhiều yếu tố hoạt hoá trực tiếp ảnh hởng đến mẫu nghiên cứu
do đó trong phạm vi nghiên cứu khoá luận có xác định ảnh hởng của một số yếu tố
đến chất lợng mẫu nghiên cứu thu đợc. Sau đây là kết quả thu đợc từ quá trình thực
hiện và một số kết luận đợc rút ra dựa trên những kết quả này.
3.2.1. ảnh hởng của nhiệt độ hoạt hoá
Mẫu sau khi than hoá đợc hoạt hoá trong lò quay nằm ngang SRJK - 5 - 9S.
Tác nhân hoạt hoá hơi nớc: 2,65ml/ phút, thời gian hoạt hoá là 60 phút. Các mẫu
nghiên cứu 1,2,3,4,5 đợc hoạt hoá ở các nhiệt độ khác nhau: 700
0
C, 750
0
C, 800
0
C,
840
0
C, 880
0
C.
Kết quả thực nghiệm đánh giá hoạt hoá đến chất lợng mẫu nghiên cứu đợc
trình bày trong bảng 2
Bảng 2:
STT Nhiệt độ hoạt hoá Độ thiêu đốt V
b
V
t
V

b
+ V
t
Lê Xuân Tuấn - K44
16
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
(
0
C)
(%)
(cm
3
/g) (cm
3
/g) (cm
3
/g)
1 700 63,53 0,0308 0,0123 0,0431
2 750 68,42 0,1478 0,0352 0,1830
3 800 71,13 0,2490 0,0526 0,3016
4 840 82,77 0,5720 0,0720 0,6424
5 880 91,34 0,7876 0,2570 1,0446
Bảng1.
ả
nh h ởng của nhiệt độ hoạt hóa đến chất
l ợng mẫu nghiên cứu.
0
20
40
60

80
100
700
750
800
840
880
Nhiệt độ hoạt hóa(độ C)
Độ
thi
êu
đố
t
(%
)
Kết quả hình 4, bảng cho thấy ảnh hởng của nhiệt độ hoạt hoá tới chất lợng
mẫu nghiên cứu thực nghiệm rất rõ: hoạt hoá ở các nhiệt độ khác nhau thì mẫu
nghiên cứu thu đợc có chất lợng khác nhau. Điều này có thể đợc giải thích nh sau:
Phản ứng xảy ra giữa cac bon và hơi nớc ở nhiệt độ t
0
C 700
0
C đợc trình bày
ở [1.2.2]. Khi nhiệt độ càng cao phản ứng xảy ra càng mãnh liệt do đó nếu cứ nâng
nhiệt độ lên thì trong một thời gian ngắn mẫu nghiên cứu sẽ bị đốt hoàn toàn
[13,14]. Nh vậy đối với mỗi loại nguyên liệu thì quá trình hoạt hoá chỉ đợc thực hiện
trong khoảng nhiệt độ nhất định. Tuy nhiên để thu đợc mẫu nghiên cứu mong muốn
cần tìm một nhiệt độ tối u.
- Khi hoạt hoá ở nhiệt độ càng cao lợng vật chất trong mẫu nghiên cứu bị đốt
cháy (độ thiêu đốt). Càng nhiều làm tăng độ xốp của mẫu nghiên cứu. Độ xốp của

mẫu nghiên cứu tăng thì độ hút nớc cũng tăng do kết quả thực nghiệm cho thấy độ
thiêu đốt, độ xốp và độ hút nớc của mẫu nghiên cứu tỉ lệ thuận với nhiệt độ hoạt
hoá. Nhiệt độ càng cao độ hao hụt càng lớn điều này đợc giải thích rất dễ dàng: khi
mẫu nghiên cứu có độ xốp càng cao thì khối lợng giảm; thể tích lỗ bé phát triển do
hơi nớc phản ứng với cac bon đã khoét rộng lỗ bé và tổng thể tích lỗ tăng.
- Kết quả khảo sát ảnh hởng đến khả năng hấp thụ của mẫu nghiên cứu ở P/Ps
= 0,175 và P/Ps = 0,99 đợc trình bày trên đồ thị 5.
Lê Xuân Tuấn - K44
17
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Hình. ảnh h ởng của nhiệt độ hoạt hóa hóa đến
chất l ợng mẫu nghiên cứu.
0
2
4
6
8
10
12
14
700
750
800
840
880
Nhiệt độ hoạt hóa (độ C)
a(mmol/g)
P/Ps = 0.175
P/Ps = 0.99
Hình 5: ảnh hởng của nhiệt độ hoạt hoá đến khả năng hấp thụ C

6
H
6
của mẫu nghiên cứu
Kết quả hình 5 cho thấy khi tăng nhiệt độ hoạt hoá càng cao khả năng hấp
thụ C
6
H
6
của mẫu nghiên cứu càng tăng. Nh vậy hoạt hoá ở các nhiệt độ khác nhau
thì sự phát triển hệ thống lỗ xốp trong mẫu nghiên cứu cũng khác nhau; Điều này
ảnh hởng đến các thông số kỹ thuật của mẫu nghiên cứu. Từ kết quả thực nghiệm
cho thấy mẫu nghiên cứu đợc hoạt hoá trong điều kiện nhiệt độ t
0
C = 840
0
C có chất
lợng tốt và ổn định hơn ở điều kiện nhiệt độ khác, điều này thể hiện qua các thông
số kỹ thuật đặc biệt là khả năng hấp thụ C
6
H
6
của mẫu nghiên cứu đã khảo sát.
Kết quả này này đợc giải thích nh sau:
Nếu hoạt hoá ở nhiệt độ 700
0
C - 800
0
C phản ứng xảy ra giữa cac bon với hơi
nớc không mãnh liệt bằng phản ứng ở nhiệt độ t

0
C =840
0
C do đó khả năng đốt cháy,
bào mòn than tạo thể tích lỗ xốp trong than kém, tạp chất vô cơ còn nhiều, độ tro
lớn. Chính vì vậy, hoạt hoá ở nhiệt độ t
0
C = 700
0
C - 800
0
C mẫu nghiên cứu thu đợc
có tỉ trọng và độ bền cao song độ hút nớc và đặc biệt độ hấp phụ thấp. Còn nếu hoạt
hoá ở nhiệt độ t
0
C = 880
0
C thì phản ứng giữa cac bon và hơi nớc xảy ra rất mãnh liệt
cho nên các thể tích lỗ phát triển thuận lợi [2]. Nhng do các phản ứng xảy ra rất
mãnh liệt cho nên làm bào mòn, phá vỡ các lỗ nhỏ tạo thành các lỗ trung và lỗ lớn vì
vậy, mẫu nghiên cứu thu đợc có khả năng hút nớc tốt song khả năng hấp phụ kém so
với mẫu nghiên cứu đợc hoạt hoá ở nhiệt độ t
0
C=840
0
C.
Nh vậy thông qua quá trình thực nghiệm kết hợp với những kết quả thu đợc
cho thấy điều kiện nhiệt độ thích hợp cho quá trình hoạt hoá: chất hấp phụ sợi cac
bon là t
0

= 840
0
C hoạt hoá ở nhiệt độ này mẫu nghiên cứu thu đợc có độ hấp phụ
cao, các thông số kỹ thuật khác ổn định hơn so với mẫu nghiên cứu đợc hoạt hoá ở
nhiệt độ khác.
Lê Xuân Tuấn - K44
18
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
3.2.2. ảnh hởng của thời gian hoạt hoá đến chất lợng mẫu nghiên cứu.
- Mẫu sau than hoá đợc hoạt hoá trong lò SRJK - 5 - 9S (Trung Quốc) ở t
0
C
= 840
0
C, lu lợng hơi nớc v = 2,65ml/phút.
Mẫu nghiên cứu 1, 2, 3, 4, 5. Khảo sát ảnh hởng của thời gian hoạt hoá đến
chất lợng mẫu nghiên cứu do đó các mẫu nghiên cứu khác nhau thu đợc thực hiện
trong các khoản thời gian khác nhau: 30, 45, 60, 75, 90 phút. Kết quả của quá trình
đánh giá ảnh hởng của thời gian hoạt hoá đến chất lợng đợc trình bày trong bảng3.
Bảng 3:
STT
Thời gian hoạt hoá
(phút)
Độ thiêu đốt
(%)
V
b

(cm
3

/g)
V
t
(cm
3
/g)
V
b
+ V
t
(cm
3
/g)
1 30 73,47 0,2570 0,0450 0,3018
2 45 79,72 0,4891 0,0650 0,5491
3 60 82,77 0,5720 0,0720 0,6424
4 75 82,62 0,5562 0,0836 0,6398
5 90 88,23 0,5562 0,1250 0,6811
Hình 6.
ả
nh h ởng của thời gian hoạt
hóa đến chất l ợng mẫu nghiên cứu
0
20
40
60
80
100
30
45

60
75
90
Thời gian hoạt hóa (phút)
Độ
thi
êu
đố
t(
%)
Từ kết quả bảng 3 cho thấy khi tăng thời gian hoạt hoá thì độ thiêu đốt, thể
tích lỗ bé và lỗ trung tăng. Nh vậy ảnh hởng của thời gian hoạt hoá đến các thông số
này là rất rõ:
Lê Xuân Tuấn - K44
19
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Hình7. ảnh h ởng của thời gian hoạt hóa đến chất
l ợng
mẫu nghiên cứu
0
2
4
6
8
10
30.00
45.00
60.00
75.00
90.00

Thời gian hoạt hoá (phút)
a
(m
M
ol/
g)
P/Ps =
0.175
P/Ps = 0.99
Hình 7: ảnh hởng của thời gian hoạt hoá đến khả năng hấp phụ C
6
H
6
của mẫu nghiên cứu
Từ kết quả thực nghiệm kết hợp với cơ sở lý thuyết phần [1.2.2] có thể giải
thích sự phụ thuộc của chất lợng mẫu nghiên cứu thực nghiệm với thời gian hoạt hoá
nh sau:
Hoạt hoá trong các khoảng thời gian khác nhau sẽ làm độ thiêu đốt khác
nhau và thể tích lỗ bé và lỗ trung cũng thay đổi khác nhau.
Khảo sát sự thay đổi thể tích lỗ bé theo sự thay đổi thể tích lỗ bé theo sự thay
đổi thời gian hoạt hoá có thể biết đợc sự thay đổi thời gian nào làm thể tích lỗ bé
tăng nhanh nhất; khi thời gian phản ứng xảy ra mãnh liệt nhất theo [17]. Quá trình
hoạt hoá chia làm 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: là quá trình mở các lỗ có săn và một số nguyên tử cac bon nằm
ở vị trí dễ phản ứng trên bề mặt bị khí hoá vì vậy độ xốp của than sẽ thay đổi. Đối
với các loại lỗ khác nhau thì sự thay đổi này khác nhau. Đặc biệt đối với lỗ bé sự
thay đổi khác lỗ trung và từ đó cũng làm thay đổi diện tích bề mặt riêng.
Giai đoạn 2: là quá trình hoá học xảy ra mãnh liệt nhất vì khi đó diện tích bề
mặt phát triển, tốc độ khuyếch tán hơi tác nhân hoạt hoá vào trong sợi tăng nên tốc
độ phản ứng tăng. Khi các lỗ mở hết, bề mặt trong tăng lên, sự khuyếch tán hơi nớc

từ bên ngoài vào trong sợi thuận lợi hơn do đó số lợng nguyên tử cac bon đợc khí
hoá tăng lên rất nhiều và chính lúc này thể tích lỗ bé cực đại và độ hấp phụ là cao
nhất.
Nếu tiếp tục tăng thời gian thì lỗ trung và lỗ lớn đợc hình thành và phát triển,
cộng với những lỗ nhỏ bị phá vỡ nên tổng thể tích lỗ tăng, độ hấp phụ giảm. Nh vậy
khảo sát sự thay đổi thể tích lỗ bé của mẫu nghiên cứu theo sự thay đổi thời gian
hoạt hoá có thể xác định đợc thời gian hoạt hoá thích hợp. Kết quả thực hiện cho
Lê Xuân Tuấn - K44
20
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
thấy khi thay đổi thời gian hoạt hoá ở 60phút thì thể tích lỗ bé phát triển cực đại. Do
đó thời gian hoạt hoá mẫu nghiên cứu thích hợp là 60 phút.
3.2.3. ảnh hởng của lu lợng hơi nớc.
Mẫu sau than hoá đợc hoạt hoá trong lò SRJK - 5 - 9S (Trung Quốc) ở nhiệt
độ t
0
C = 840
0
C. Với thời gian 60 phút, tác nhân hoạt hoá là hơi nớc. Với mẫu nghiên
cứu 1, 2, 3, 4. Khảo sát ảnh hởng của lu lợng hơi nớc đến chất lợng mẫu nghiên cứu.
Nên các mẫu khác nhau đợc thực hiện ở điều kiện lu lợng hơi nớc khác nhau: v =
1,15; 1,50; 2,65; 3,50 ml/phút.
Kết quả thực nghiệm đánh giá ảnh hởng của lu lợng hơi nớc đến chất lợng
mẫu nghiên cứu đợc trình bày trong bảng 4.
Lê Xuân Tuấn - K44
21
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Bảng 4: ảnh hởng của lợng tác nhân hoạt hoá đến chất lợng mẫu nghiên
cứu
STT

Lợng tác nhân
hoạt hoá
(ml/phút)
Độ thiêu đốt
(%)
V
b

(cm
3
/g)
V
t
(cm
3
/g)
V
b
+ V
t
(cm
3
/g)
1 1,15 63,64 0,3467 0,0387 0,3854
2 1,50 77,40 0,3916 0,0414 0,4330
3 2,65 82,77 0,5720 0,0720 0,6442
4 3,50 86,87 0,6750 0,1258 0,8008
Hình8.
ả
nh h ởng của l ợng tác nhân

hoạt hóa đến chất l ợng mẫu nghiên cứu.
0
50
100
1.15
1.50
2.65
3.50
L ợng tác nhân hoạt hóa (ml/phút)
Độ
thiêu
đốt
(%)
Từ kết quả bảng 4 cho thấy: lu lợng hơi nớc trong quá trình hoạt hoá có ảnh
hởng rất rõ đến chất lợng mẫu nghiên cứu khi thay đổi lu lợng hơi nớc từ v = 1,15 -
3,50 ml/phút thì độ thiêu đốt, thể tích lỗ bé và lỗ trung tăng.
Hình9. ảnh h ởng của l ợng tác nhân hoạt hóa đến
chất l ợng mẫu nghiên cứu.
0
2
4
6
8
10
1.15
1.50
2.65
3.50
L ợng tác nhân hoạt
hóa(ml/phút)

a
(m
M
ol/
g)
P/Ps =
0.175
P/Ps =
0.99
Lê Xuân Tuấn - K44
22
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Hình 9: ảnh hởng của lu lợng hơi nớc đến khả năng hấp phụ C
6
H
6
của
mẫu nghiên cứu
Hình 9 biểu diễn sự phụ thuộc khả năng hấp phụ C
6
H
6
của mẫu nghiên cứu
thực nghiệm vào lu lợng hơi nớc dùng hoạt hoá. Những kết quả thực nghiệm trong
quá trình xác định ảnh hởng của lu lợng hơi nớc đến chất lợng mẫu nghiên cứu thực
nghiệm đợc giải thích nh sau: lu lợng hơi nớc vào lò quyết định đến nồng độ hơi nớc
trong lò [2]. Mà nồng độ hơi nớc là một trong những yếu tố ảnh hởng trực tiếp đến
chất lợng mẫu nghiên cứu, cụ thể là ảnh hởng đến độ hút nớc, độ hấp phụ, thể tích lỗ
bé, lỗ tích lỗ trung. Kết quả bảng 4 cho thấy sự tăng thể tích lỗ bé, lỗ trung và độ
hấp phụ khi thay đổi lu lợng hơi nớc từ 1,15- 3,50 điều đó chứng tỏ khi lợng hơi nớc

tăng các phản ứng càng xảy ra mãnh liệt đặc biệt với lu lợng hơi nớc v =
3,50ml/phút phản ứng xảy ra mãnh liệt thì độ thiêu đốt tăng làm cho thể tích lỗ xốp
tăng. Mặt khác, độ bền cơ học giảm do hơi nớc tơng tác nên bề mặt ngoài mẫu
nghiên cứu quá mạnh gây cho bề mặt mẫu nghiên cứu nứt, nẻ.
Độ hấp phụ của mẫu nghiên cứu luồn là thông số rất đợc quan tâm khi đánh
giá chất lợng mẫu nghiên cứu. Kết quả thực nghiệm trên hình 9 cho thấy ảnh hởng
của lu lợng hơi nớc đến khả năng hấp phụ C
6
H
6
của mẫu nghiên cứu thực nghiệm rất
rõ điều này có thể giải thích nh sau:
Khi nồng độ hơi nớc trong lọ tăng làm tốc độ phản ứng xảy ra giữa hơi nớc
và cac bon của mẫu nghiên cứu tăng lợng khí thoát ra nhiều. Quá trình này làm phát
triển thể tích lỗ xốp trong mẫu nghiên cứu đặc biệt là thể tích lỗ nhỏ. Do đó, độ hấp
phụ tăng khi tăng lu lợng hơi nớc từ 1,15 - 30,50 ml/phút và mẫu nghiên cứu hoạt
hoá với lu lợng hơi nớc v =3,50 có độ hấp phụ C
6
H
6
cao nhất. Tuy nhiên kết quả
bảng 4 cho thấy độ bền thấp, độ thiêu đốt cao so với mẫu khác. Điều này không đạt
yêu cầu về chất lợng. Còn hoạt hoá với lu lợng hơi nớc v = 1,15 - 1,50 ml/phút
không đủ hơi nớc cần thiết để các phản ứng xảy ra mãnh liệt. Vì vậy chất lợng mẫu
nghiên cứu thu đợc có chất lợng kém biểu hiện ở độ hấp phụ nhỏ, độ thiêu đốt thấp.
Do vậy, kết hợp quá trình thực nghiệm với những kết quả thu đợc cho thấy trong quá
trình hoạt hoá mẫu nghiên cứu sử dụng chế độ hoạt hoá có lu lợng hơi nớc v =2,65
ml/phút là thích hợp nhất.
3.2.4 Xây dựng quy trình điều chế chất hấp phụ sợi cacbon.
Thông qua quá trình thực nghiệm kết hợp với những kết quả thu đợc từ

quá trình thực nghiệm có thể rút ra quy trình thích hợp để điều chế chất hấp
phụ sợi cacbon.
Lê Xuân Tuấn - K44
23
Sợi hydrat xenlulo
Loại tạp chất
Sấy
Tẩm dung dịch
Sấy
Than hoá
Hoạt hoá
KCS
Sản phẩm
t
0
= 110
0
C, t = 3h
Dung dịch tẩm CO(NH
2
)
2
t
0
= 65
0
C; t = 20 phút
t
0
= 120

0
C, t = 3h
t
0
= 230
0
C, t = 4h, v
nitơ
= 2,5l/phút
t
0
= 840
0
C, t = 1h, v
hơin ớc
= 2,65 ml/ph
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
3.3. Đánh giá chất lợng mẫu chế thử
3.3.1. Xây dựng đờng cong thực nghiệm hấp phụ - giải hấp phụ đẳng
nhiệt C
6
H
6
áp dụng công thức tính độ hấp phụ kết hợp với những kết quả thực nghiệm từ
phơng pháp cần hấp phụ Rubinstein ta xác định sự phụ thuộc của độ hấp phụ đẳng
nhiệt C
6
H
6
của mẫu chế thử với các giá trị áp suất tơng đối P/Ps tơng ứng.

Công thức tính độ hấp phụ.
M.l
1000.l
a
0
i


=
(2.1)
Trong đó:
a: Độ hấp phụ (mmol/g)
l
i
: Độ giãn lò xo thạch anh ứng với các P/Ps khác nhau.
l
0
: Độ giãn lò xo thạch anh khi treo mẫu (P/Ps = 0)
M: Trọng lợng phân tử chất bị hấp phụ (với C
6
H
6
M = 78,12)
Kết quả xác định độ hấp phụ và giải hấp phụ đẳng nhiệt của mẫu chế thử với
C
6
H
6
trình bày trong bảng dới đây:
Bảng 5: Kết quả xác định độ hấp phụ và giải hấp phụ đẳng nhiệt của

mẫu chế thử với C
6
H
6
P/Po
a(mmol/g) hơi nớc a(mmol/g) hơi Benzen
Hấp phụ Giải hấp phụ Hấp phụ
Giải hấp
phụ
0,01 0,29 0,29 3,54
0,03 0,45 0,49 5,05
0,05 0,59 0,62 5,51
0,1 1,13 1,14 5,89
0,175 1,63 1,67 6,23 6,23
0,2 1,85 1,89 6,27 6,35
0,3 3,12 3,24 6,44 6,54
0,4 4,36 5,33 6,54 6,63
0,5 6,23 6,76 6,64 6,71
0,6 17,88 23,85 6,83 6,89
0,7 23,89 25,45 6,89 6,96
0,8 25,97 26,23 6,98 7,05
0,9 26,59 26,63 7,09 7,12
0,95 26,60 26,94 7,17 7,19
0,99 27,21 27,21 7,23 7,23
Thể tích lỗ nhỏ Vn = a
o
. v = 6,23. 0,089 = 0,5545 cm
3
/g
Thể tích lỗ trung Vtr = (a

s
- a
o
).0,089 = (7,23- 6,23).0,089 = 0,089 cm
3
/g
Từ kết quả bảng trên ta xây dựng đờng hấp phụ và giải hấp phụ đẳng nhiệt
của mẫu chế thử với C
6
H
6
.
Đờng đẳng nhiệt hấp phụ hơi benzen trên mẫu vải cácbon hoạt tính (Mẫu 26)
Lê Xuân Tuấn - K44
24
Khoá luận tốt nghiệp - Khoa Môi trờng
Hình 10: Đờng đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ của mẫu chế
thử với C
6
H
6
Từ đồ thị trên cho thấy ở các giá trị áp suất P/Ps nhỏ (P/Ps < 0,175) đờng hấp
phụ đẳng nhiệt C
6
H
6
lồi và dâng cao rất nhanh đạt giá trị a
0
= 6,23mmol/g. Điều này
chứng tỏ mẫu chế thử có thể tích lỗ nhỏ rất phát triển. Sự hấp thụ diễn ra chủ yếu

trong các lỗ nhỏ theo cơ chế lấp đầy thể tích. Nhờ sự xen phủ trờng lực hấp phụ của
các thành lỗ đối diện mà thế hấp phụ trong lỗ nhỏ đợc tăng cờng.
Lê Xuân Tuấn - K44
25
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
P/Po
a(mmol/g)
hấp phụ Giải hấp phụ